Внедрение пара как полезного и мощного поставщика энергии. В разделе обсуждается универсальность и использование, преимущества такого распространенногосостояния воды как пар; способы его производства и подачи для достижения максимальной производительности и экономии для конечного пользователя.
Преимущества пара рассматриваются людьми по-разному в зависимости от их роли и приоритетов.В этом учебном пособии объясняются вопросы, наиболее важные для руководителей, менеджеров и операторов, и то, как пар может решить эти проблемы.
Описанные преимущества интересны не всем пользователям пара. Преимущества пара как средства решения проблем можно разделить в соответствии с различными точками зрения в бизнесе.
Они воспринимаются по-разному в зависимости от того, являетесь ли вы генеральным директором, менеджером или на рабочем уровне.
Вопросы, которые эти люди задают о паре, заметно различаются.
Высшее руководство заинтересовано в наилучшем решении по передаче энергии для достижения стратегических и финансовых целей организации.
Если компания устанавливает паровую систему или решит модернизировать существующую систему, потребуются значительные капиталовложения, а отношения с системой и поставщиком системы будут длительными и сложными.
Паровая система требует только труб небольшого диаметра, чтобы удовлетворить высокую потребность в тепле. Он не требует дорогостоящих насосов или балансировки, требуются только двухходовые клапаны.
Это означает, что система проще и дешевле, чем, например, высокотемпературная система горячего водоснабжения. Высокая эффективность паровой установки означает, что она компактна и позволяет максимально использовать пространство, что часто имеет большое значение внутри установки.
Кроме того, модернизация существующей паровой системы с использованием новейших котлов и средств управления обычно составляет 50% от стоимости ее удаления и замены децентрализованной системой, работающей на газе.
Централизованная котельная отличается высокой эффективностью и позволяет использовать низкие тарифы на топливо с прерываемыми тарифами. Котел может даже работать на отходах или быть частью современной теплоэлектроцентрали.
Паровое оборудование, как правило, имеет долгий срок службы - вполне обычны цифры в тридцать и более лет при минимальном обслуживании.
Современная паровая установка, от котельной до паровой установки и обратно, может быть полностью автоматизирована. Это значительно снижает затраты на содержание завода.
Современное оборудование для мониторинга энергопотребления гарантирует, что установка останется энергоэффективной и потребует минимального персонала.
Сочетание всех этих факторов означает, что паровая система имеет низкие эксплуатационные расходы.
Пар имеет множество применений. Его можно использовать для обогрева помещений больших площадей, для сложных процессов и в целях стерилизации.
Возьмем в качестве примера больницу. Пара идеальна, потому что она может генерироваться централизованно при высоком давлении, распространяться на большие расстояния, а затем снижаться в точке использования. Это означает, что один котел высокого давления может удовлетворить потребности всех применений в больнице, например, обогрев палат, увлажнение воздуха, приготовление пищи в больших количествах и стерилизация оборудования.
Удовлетворить все эти потребности с помощью системы водоснабжения не так просто.
Паровые системы являются гибкими и легко расширяемыми. Они могут расти вместе с компанией и изменяться в соответствии с изменяющимися бизнес-целями.
Использование пара является экологически безопасным. Компании продолжают выбирать пар, потому что он генерируется с высокой топливной эффективностью. Экологический контроль становится все более строгим, вплоть до того, что организациям приходится учитывать затраты и методы утилизации оборудования до его установки. Все эти вопросы учитываются при проектировании и изготовлении паровой установки.
Менеджер будет рассматривать пар как нечто, что обеспечит решение управленческой проблемы, как что-то, что принесет пользу и добавит ценности бизнесу. Ответственность менеджера заключается в реализации инициатив, заказанных высшим руководством. Менеджер спрашивал: «Как пар поможет успешно реализовать эту задачу?»
Менеджеры, как правило, практичны и сосредоточены на выполнении задачи в рамках бюджета. Они предпочтут использовать пар, если считают, что это обеспечит наибольшую практичность и целесообразность по разумной цене.
Их меньше интересует механика самой паровой системы. Полезной точкой зрения было бы то, что менеджер — это человек, который хочет получить готовый продукт, не обязательно желая знать, как устроено оборудование, которое его производит.
Пар служит многим приложениям и использованиям. Обладает высокой теплоемкостью и отдает тепло при постоянной температуре. Он не создает градиента температуры вдоль поверхности теплообмена, в отличие от воды и термальных масел, а значит, может обеспечить более стабильное качество продукта. Поскольку пар является чистой жидкостью, его можно вводить непосредственно в продукт или окружать нагреваемый продукт. Энергию, отдаваемую процессу, легко контролировать с помощью двухходовых клапанов благодаря прямой зависимости между температурой и давлением.
Пар имеет широкий спектр применения. Его можно использовать для обогрева помещений на больших площадях и для многих сложных производственных процессов.
На рабочем уровне конденсат, образующийся в процессе производства, может быть возвращен в питательный бак котла. Это может значительно снизить затраты на котельное топливо и водоподготовку, так как вода уже обработана и имеет высокую температуру.
Пар более низкого давления также можно производить из конденсата в расширительном сосуде и использовать в приложениях низкого давления, таких как отопление помещений.
Вода в изобилии и недорога, а паровые котлы очень эффективны, потому что они извлекают большую часть энергии, содержащейся в топливе. Как упоминалось ранее, центральная котельная может воспользоваться преимуществами низких тарифов на топливо с прерыванием, что невозможно для децентрализованных газовых систем, которые используют постоянную поставку топлива с премиальными тарифами.
Пар вторичного вскипания и конденсат можно рекуперировать и возвращать в котел или использовать при низком давлении с минимальными потерями.
Использование пара легко контролировать с помощью расходомеров пара и продуктов, совместимых со SCADA.
Реальные цифры см. в разделе «Стоимость производства пара» далее в этом модуле.
Что касается капитальных и эксплуатационных затрат, то при ответе на вопросы генерального директора было замечено, что паровая установка может представлять собой соотношение цены и качества в обеих областях.
Высокая скорость теплопередачи, которой обладает пар, означает, что установка меньше и компактнее, чем водяная или термомасляная установка. Типичный современный теплообменник с паром на горячую воду мощностью 1 200 кВт занимает площадь всего 0,7 м². Сравните это с водонагревателем, который может занимать большую часть машинного помещения.
Паровая установка может поставляться в виде компактных готовых к установке комплектов, которые устанавливаются, вводятся в эксплуатацию и готовы к работе в течение очень короткого периода времени. Они обеспечивают многолетнюю безотказную работу и имеют низкую стоимость в течение всего срока службы.
На рабочем уровне повседневная эффективность и трудовая жизнь людей могут напрямую зависеть от паровой установки и того, как она работает. Эти люди хотят знать, что установка будет работать, насколько хорошо она будет работать и как это повлияет на их времяи ресурсы.
Хорошо спроектированная и обслуживаемая паровая установка не должна иметь причин выхода из строя. Механика системы проста для понимания и спроектирована так, чтобы свести к минимуму техническое обслуживание. Для изделий паровой установки нет ничего необычного в том, что они могут прожить 30 или 40 лет без проблем.
Современная паровая установка спроектирована таким образом, чтобы обеспечить быстрое и простое техническое обслуживание с минимальным временем простоя.
Преимуществом в этом отношении является современный дизайн компонентовНапример, конденсатоотводчики с поворотным соединением можно заменить, открутив два болта и вставив на место новый конденсатоотводчик. Современные кованые коллекторы пара и конденсата включают поршневые клапаны, которые можно обслуживать с помощью простого ручного инструмента.
Сложные системы мониторинга нацелены на компоненты, которые действительно нуждаются в обслуживании, а не позволяют без необходимости проводить профилактическое обслуживание рабочих элементов предприятия.
Внутренние детали регулирующего клапана можно просто вынуть и заменить прямо на линии, а приводы можно поменять местами в полевых условиях. Механические насосы можно обслуживать, просто сняв крышку, к которой прикреплены все внутренние детали. Универсальные соединители для трубопроводов позволяют заменить конденсатоотводчики за считанные минуты.
Важно отметить, что, когда требуется техническое обслуживание системы, паровую систему легко изолировать, и она быстро опорожняется, а это означает, что ремонт может быть выполнен быстро. Любые незначительные утечки, которые происходят, нетоксичны. Это не всегда относится к жидкостным системам, дренаж которых медленнее и дороже, и они могут включать токсичные или трудноуправляемые теплоносители.
Паровая система требует технического обслуживания, как и любая другая важная часть установки, но благодаря современной конструкции паровой установки потребность в персонале и техническом обслуживании, а также стоимость жизненного цикла системы низки. Например, современные котельные полностью автоматизированы. Очистка питательной воды и управление нагревательными горелками, уровнем воды в котлах, продувкой и аварийной сигнализацией осуществляются автоматическими системами. Котел можно оставить без обслуживающего персонала, и требуется только проверка в соответствии с местными нормами.
Точно так же паровая установка может управляться централизованно с использованием систем автоматического управления, измерения расхода и мониторинга. Они могут быть интегрированы с системой SCADA.
Таким образом, требования к персоналу сведены к минимуму.
Табл.1.2.1 Использование пара
| Активные пользователи | Средние пользователи | Легкие пользователи |
| Еда и напитки | Отопление и вентиляция | Электроника |
| Фармацевтика | Кулинария | Садоводство |
| Нефтепереработка | Отверждение | Кондиционирование воздуха |
| Химические процессы | Охлаждение | Увлажнение |
| Пластмассы | Ферментация | |
| Целлюлозно-бумажное производство | Обработка | |
| Очистка cахара | Уборка | |
| Текстильная промышленность | Прогрев | |
| Металлообработка | Выпечка | |
| Резина и шины | Сушка | |
| Судостроение | ||
| Выработка энергии |
Интересное применение пара
Современный паровой котел обычно работает с КПД от 80 до 85%. В трубопроводах между котлом и оборудованием технологической установки будут возникать некоторые потери при распределении, но для системы, изолированной в соответствии с действующими стандартами, эти потери не должны превышать 5% от общего теплосодержания пара.
Рис.1.2.3
Тепло может быть рекуперировано при продувке, пар вторичного вскипания может использоваться для приложений низкого давления, а конденсат возвращается в питательный бак котла. Если в дымоходе котла установлен экономайзер, общий КПД централизованной паровой установки составит около 87 %.
Это ниже, чем 100% эффективность, достигаемая с помощью системы электрического обогрева в точке использования, но следует сравнить типичные эксплуатационные расходы для двух систем. Понятно, что самым дешевым вариантом является централизованная котельная, которая может использовать более низкий, прерываемый тариф на газ, а не полный тариф на газ или электричество, необходимые для системы отопления точки потребления. Общий КПД выработки электроэнергии на электростанции составляет примерно 30-35%, и это отражается на удельных расходах.
Компоненты паровой установки также высокоэффективны. Например, конденсатоотводчики позволяют сливать из установки только конденсат, сохраняя ценный для процесса пар. Пар вторичного испарения из конденсата можно использовать для процессов с более низким давлением с помощью сосуда мгновенного испарения.
На следующих страницах представлены некоторые реальные примеры ситуаций, в которых пользователь пара изначально был плохо информирован и/или имел доступ только к некачественной или неполной информации, относящейся к паровой установке. В обоих случаях они чуть не приняли решения, которые обошлись бы дорого и, конечно, не в интересах их организации.
Некоторые идентификационные данные были изменены.
Пример из практики: Больница West Country в Великобритании рассматривает возможность замены своей паровой системы
В одной реальной жизненной ситуации в середине 1990-х годов больница на западе Англии рассматривала возможность замены своей устаревшей паровой системы на высокотемпературную систему горячего водоснабжения, используя дополнительные газовые котлы для обработки некоторых нагрузок. Хотя новые паровые системы чрезвычайно современны и эффективны по своей конструкции, иногда встречаются старые, запущенные системы, и этому пользователю необходимо принять решение об обновлении или замене системы.
Финансовые ассигнования на проект составили 2,57 миллиона фунтов стерлингов на три года, включая оплату профессиональных услуг плюс НДС.
В консультации с больницей было показано, что всего 1,2 миллиона фунтов стерлингов, потраченных за десять лет, позволят обновить паровые котлы, трубопроводы и большое количество калориферов.Также было ясно, что обновление паровой системы потребует гораздо меньшего профессионального участия. Фактически, переход на высокотемпературную горячую воду (HTHW) будет стоить более чем на 1,2 миллиона фунтов стерлингов больше, чем обновление паровой системы.
Причины, по которым больница первоначально назвала замену паровой системы, были следующими:
Сообщается, что расходы на техническое обслуживание паровой системы включают страхование калориферов, техническое обслуживание конденсатоотводчиков, редукционных клапанов и водоочистных сооружений, а также замену трубопроводов для отвода конденсата.
Сообщалось, что эксплуатационные расходы включают очистку воды, подпиточную воду, обслуживание котельной и потери тепла от калориферов, продувки и ловушек.
Дополнительные претензии в пользу индивидуальных газовых котлов были представлены как:
Приведенные выше расчеты сделали систему HTHW более выгодным вариантом с точки зрения эксплуатационных расходов
Новая система HTHW будет стоить 1 953 000 фунтов стерлингов плюс 274 600 фунтов стерлингов в год на эксплуатационные расходы и расходы на техническое обслуживание. Фактически это означало вывод завода из эксплуатации и замену его стоимостью более 2 миллионов фунтов стерлингов, что позволило сэкономить немногим более 130 000 фунтов стерлингов в год.
Необходимо было учитывать следующие факторы:
Затем его необходимо снова наполнить и продуть воздух после технического обслуживания. Системы HTHW также требуют химической обработки, как и паровые системы.
Получив эти объяснения, в больнице поняли, что большая часть доказательств, на которых они основывали свое решение, была предвзятой и неполной. Команда инженеров больницы пересмотрела ситуацию и решила сохранить свою паровую установку и модернизировать ее с помощью современных средств управления и оборудования, сэкономив значительную сумму денег.
Электрообогрев является жизненно важным элементом надежной работы трубопроводов и резервуаров для хранения/технологических процессов в самых разных отраслях промышленности.
Обогреватель пара представляет собой небольшую паровую трубу, которая проходит вдоль внешней поверхности (обычно) более крупной технологической трубы. Теплопроводящая паста часто используется между трассером и технологической трубой. Две трубы затем изолируются вместе. Тепло, поступающее от трассера (за счет теплопроводности), предотвращает замерзание содержимого большей технологической трубы (защита от замерзания водопроводных линий) или поддерживает температуру технологической жидкости, чтобы ее было легко перекачивать.
Отслеживание обычно встречается в нефтяной и нефтехимической промышленности, а также в пищевой и фармацевтической промышленности для масел, жиров и глюкозы. Многие из этих жидкостей можно перекачивать только при температурах значительно выше температуры окружающей среды. При химической обработке целый ряд продуктов, от уксусной кислоты до асфальта, соединений серы и цинка, можно перемещать по трубам только при соответствующей температуре.
Для протяженных трубопроводов, используемых в большинстве обрабатывающих производств, наиболее популярным выбором остается обогрев паром.Для очень коротких циклов или при отсутствии подачи пара часто выбирают электрообогрев, хотя при низких температурах также используется горячая вода. Относительные преимущества парового и электрического обогрева приведены в таблице 1.2.5.
Таблица 1.2.5 Сравнительные преимущества парового и электрического электрообогрева
| Показатель обогрев | Паровое отопление | Электрический |
| Надежность – способность противостоять неблагоприятным погодным условиям и физическим воздействиям | Хорошая | Плохая |
| Гибкость – способность удовлетворять потребности различных продуктов | Отлично | Плохо |
| Безопасность - пригодность для использования во взрывоопасных зонах | Отлично | Не может быть |
| Срок службы системы | Долгий | Ограниченный |
| Надежность | Высокая | Высокая |
| Легкость, с которой система может быть расширена | Легкая | Сложная |
| Контроль температуры - точность поддержания температуры | O to£7.70 | £22.00 |
| Подходит для больших установок | Отлично | Умеренный |
| Пригодность для небольших установок | Средняя | Отлично Хорошая |
| Простота установки трассировщика | Умеренная | Требует специальные навыки и умения |
| Стоимость обслуживания | Низкая | Средняя |
| Потребность в специализированном обслуживающем персонале | Нет | Да |
| Доступность в качестве проекта «под ключ» | Да | Да |
Практический пример: нефтеперерабатывающий завод использует систему обогрева паром для 4-километрового трубопровода
В 1998 году на одном из крупнейших нефтеперерабатывающих заводов была установлена система обогрева паром.
Задний план
Рассматриваемая нефтяная компания занимается экспортом парафина. Парафин имеет множество применений, например, для изоляции электрических кабелей, в качестве смолы для гофрированной бумаги и в качестве покрытия, используемого для защиты свежих фруктов
Парафин имеет сходные свойства со свечным воском. Чтобы его можно было транспортировать на любое расстояние в виде жидкости, его необходимо поддерживать при определенной температуре. Поэтому нефтеперерабатывающему заводу требовался трубопровод с критической трассировкой.
Проект требовал установки продуктопровода диаметром 200 мм, который должен был пройти от резервуарного парка до морского терминала в море – трубопровод длиной около 4 км.
Проект начался в апреле 1997 г., установка была завершена в августе 1998 г., а через месяц состоялся первый успешный экспорт парафина.
Хотя руководство нефтеперерабатывающего завода изначально было привержено решению по электрообогреву, их убедили рассмотреть сравнительные проектные предложения и расчеты как для электрообогрева, так и для парового электрообогрева.
Ключевым параметром для этого важного приложения отслеживания было обеспечение жесткого контроля температуры продукта на уровне 80°C, но возможность повышения температуры до 90°C для условий запуска или повторного потока. Другие критические факторы включают тот факт, что продукт затвердевает при температуре ниже 60°C и портится при температуре выше 120°C.
Пар был доступен на месте под давлением 9 бар и температурой 180°C, что сразу же создавало проблемы чрезмерной температуры поверхности, если должны были использоваться обычные трубопроводы из углеродистой стали сортамента 80. Это было предложено подрядчиком как традиционное решение для нефтяной компании.
Общая требуемая длина трассирующей трубы составляла 11,5 км, а это означает, что установка трубопровода из углеродистой стали была бы очень трудоемкой, дорогой и непрактичной. Со всеми задействованными суставами это был не очень привлекательный вариант.
Тем не менее, современные системы обогрева пара технологически очень продвинуты. Специалисты смогли предложить два параллельных участка изолированной медной трубы обогревателя, которые эффективно создают слой изоляции между трубой продукта и парообогревателем. Это позволило использовать подачу пара под давлением 9 бар изб. без возможности возникновения горячих точек, которые могли бы превысить критическое ограничение продукта в 120°C.
Преимущество установки заключалось в том, что, поскольку отожженные гибкие пароспутники были доступны в барабанах непрерывной длины, предлагаемые 50-метровые участки будут иметь ограниченное количество стыков, что снижает вероятность будущих утечек из соединителей.
Это обеспечило надежное решение с низкими эксплуатационными расходами.
После всесторонних расчетов энергетического аудита и создания схематических монтажных чертежей для целей расчета стоимости, а также тщательного проектирования было предложено использовать существующую распределительную систему с давлением 9 бар изб. с трубопроводом из углеродистой стали диаметром 15 мм для питания системы обогрева вместе с фильтрами. и контроль температуры. Трубопровод для конденсата из углеродистой стали использовался вместе с легкими ловушками-ловушками, что сводило к минимуму потребность в прочных сборных опорах.
Типичные трассы трассировщика представляют собой 50 м сдвоенных изолированных медных трассирующих трубок, установленных в положениях «4 часа» и «8 часов» вокруг продуктопровода, прикрепленных к продуктопроводу с помощью ленты из нержавеющей стали с интервалом 300 мм.
Затраты на материалы и установку для парового электрообогрева были примерно на 30 % меньше, чем при использовании электрического обогревателя. Кроме того, текущие эксплуатационные расходы на паровую систему будут в несколько раз меньше, чем на электрический вариант.
Прежде чем руководство нефтяной компании взяло на себя обязательства по установке системы обогрева пара, они не только потребовали расширенную гарантию на продукт и гарантию производительности установки, но также настояли на том, чтобы была построена испытательная установка, чтобы доказать пригодность самодействующего регулируемого обогревателя для такое сложное приложение.
Обследование смоглоустановить пригодность конструкции, обратившись к существующей установке в другом месте на их заводе, где уже были установлены и успешно работали десять автоматических контроллеров для обогрева перекачивающих линий.
Затем нефтяная компания убедилась в преимуществах парового обогрева линии по производству парафина и приступила к установке системы парового обогрева.
