Проблемы энергоэффективности в электротехнике и электроэнергетике
В. И. Суздорф, А.С.Гудим
ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ В ЭЛЕКТРОТЕХНИКЕ И ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ
Утверждено в качестве учебного пособия
Ученым советом Государственного образовательного учреждения
высшего профессионального образования
«Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет»
Комсомольск-на-Амуре
УДК 621.04.18
ББК
B
Рецензенты:
Кафедра «Электротехника, электроника и электромеханика»
ГОУВПО «Дальневосточный государственный университет
путей сообщения», д-р техн. наук, профессор С. В. Власьевский;
Чье Ен Ун, д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой
«Автоматика и системотехника» ГОУВПО «Тихоокеанский
государственный университет»
Краткая характеристика технологических схем и потребителей электроэнергии промышленных предприятий
Предприятия металлургии
В зависимости от вида используемого сырья, характера физико-химических процессов и вида выпускаемой продукции предприятия черной металлургии (ПЧМ) можно разделить на четыре группы:
1) с полным циклом передела;
2) с неполным циклом передела;
3) мини-заводы;
4) специфические.
К ПЧМ с полным циклом передела (рис. 3.2.) относятся крупные металлургические комбинаты, на которых исходным сырьем является руда, а выпускаемая продукция - различный прокат. В ПЧМ с неполным циклом передела (рис. 3.3) отсутствует ряд производств, характерных для ПЧМ первой группы. Исходным сырьем для них может быть агломерат, металлический лом или окатыши. Выпускаемая продукция - чугун, сталь или прокат. Мини-заводы состоят из двух основных производств: электросталеплавильного и прокатного. Исходным сырьем для них служат металлический лом и окатыши, а выпускаемая продукция - прокат. Специфические ПЧМ разделяются на коксохимические, горнообогатительные, ферросплавные, трубные и ряд других.
Предприятия черной металлургии ежегодно потребляют около 160-180 млн. т у.т. и около 120-130 млрд. кВт×ч электроэнергии. Выход тепловых ВЭР на ПЧМ составляет около 25 млн. т у.т. Приходная часть энергобаланса ПЧМ: топливо - 75-80%, электроэнергия со стороны - 15-20%. По видам потребляемого топлива структура баланса следующая: кокс - 35-37%, энергетические угли - 3-5%, мазут - 3-5%, природный газ - 29-31%, коксовый и доменный газ - 24-26%, прочие - 1-1,5%.
Как видно из рис. 3.2, 3.3, основными цехами ПЧМ являются: агломерационные, коксохимические, доменные, мартеновские, конверторные, окомкования, металлизации, электросталеплавильные, прокатные.
Агломерационные цеха. Прошедшие обогащение железные руды подвергаются окускованию для использования на последующих технологических стадиях. Один из методов окускования - агломерация, позволяющая превращать смесь мелкокусковых руд в крупные куски, которые пригодны для передела в доменных печах. Главные потребители энергоресурсов в агломерационных цехах - агломерационные машины, смесители, дымососы, вентиляторы. Основными энергоресурсами, которые потребляют данные цеха, являются природный и коксовый газ, электроэнергия, пар, кислород. Потребление топлива достигает 7% от общего потребления ПЧМ.
Коксохимические цеха. Они предназначены для получения кокса из каменного угля путем его нагревания без доступа воздуха в коксовых печах. Главные потребители энергоресурсов в коксохимических цехах - коксовые печи, перегружатели, конвейеры, дробилки, насосы, вентиляторы, компрессоры, коксовые машины. Мощности электродвигателей электроприемников цехов составляют 0,5-150 кВт. Наиболее крупными электроприемниками являются газодувки с мощностью электродвигателей до 1000 кВт. Суммарная установленная мощность электроприемников коксохимических цехов достигает 15 МВт. Напряжение питания электроприемников 380 или 10000 В. Основными энергоресурсами, которые потребляются этими цехами, являются каменный уголь, природный и доменный газ, мазут, электроэнергия, вода. Коксохимические цеха потребляют до 6% топлива и до 19% тепловой энергии от общего потребления ПЧМ. Коксохимические цеха - крупные источники ВЭР (основным из них является коксовый газ).
Доменные цеха. Они предназначены для выплавки чугуна из агломерата. Основные потребители энергоресурсов доменных цехов - доменные печи и механизмы ее обслуживания (механизмы блока печей, системы загрузки, воздухонагреватели, пылеуловители, вентиляция, охлаждение). Мощности электродвигателей этих механизмов от 20 до 1500 кВт. Большинство механизмов доменных цехов работают на переменном токе напряжением 380 В. Напряжение 6, 10 кВ применяется для ведущих двигателей преобразователей тока и частоты, а также двигателей насосов охлаждения и воздуходувок. Наиболее крупными потребителями электроэнергии в доменных цехах являются воздуходувки, мощность которых достигает 3000-12000 кВт. Приводами постоянного тока оборудованы зондовые лебедки, вентили заливки воды в скип, электрофильтры, вагон-весы, трансферкары и скиповые подъемники. Основные энергоресурсы, которые потребляются в доменных цехах, - кокс, природный, доменный и коксовый газ, кислород, вода, электроэнергия, мазут, тепловая энергия. Данные цеха потребляют до 41% топлива и до 6% тепловой энергии. Доменные цеха - крупные источники ВЭР, основным из которых является доменный газ.
Мартеновские цеха. Предназначены для выплавки стали из чугуна и скрапа. Основными потребителями энергоресурсов данных цехов являются мартеновские печи и обслуживающее их оборудование (разливочные, заливочные, завалочные, уборочные и другие краны, насосы, вентиляторы, дробилки и бегуны). Мощности электродвигателей на кранах от 25 до 150 кВт, суммарные мощности электродвигателей мартеновских цехов достигают 18 МВт. Из потребляемых энергоресурсов 80% составляет различное топливо и 20% - пар, кислород и электроэнергия.
Конверторные цеха. Предназначены для выплавки стали из чугуна. Главными потребителями энергоресурсов данных цехов являются конвертеры, миксеры и обслуживающее их оборудование (заливочные и разливочные краны). Крупными электроприемниками являются двигатели дымососов мощностью до 2000 кВт, а также двигатели привода поворота конвертеров. Установленные мощности электроприемников конверторных цехов достигают 30 МВт. Основными энергоресурсами, потребляемыми кислородно-конверторными цехами, являются доменный и конверторный газ, электроэнергия, кислород, вода.
Цеха окомкования и металлизации. Эти цеха имеются на ПЧМ, где в качестве сырья для плавления стали применяются металлизированные окатыши. Основные потребители энергоресурсов в этих цехах - мешалки, грохоты, окомкователи, шахтные и трубчатые печи, конвейеры, насосы, компрессоры, вентиляторы, воздуходувки, дымососы, скрубберы. Мощности электродвигателей механизмов от 2 до 400 кВт. Наибольшую мощность (до 3000 кВт) имеют вентиляторы, воздуходувки и ротационные компрессоры. Основными энергоресурсами, которые потребляются данными цехами, являются газ, мазут, вода, пар, электроэнергия.
Электросталеплавильные цеха. Эти цеха предназначены для выплавки сталей различных марок из металлического лома или из смеси лома и металлизированных окатышей. Основными потребителями энергоресурсов являются дуговые сталеплавильные печи и механизмы, их обслуживающие. Мощности печей составляют 10-100 МВ×А, их количество достигает пяти штук. К обслуживающим механизмам относятся: насосы, воздуходувки, вентиляторы, дымососы, различные краны, компрессоры, кристаллизаторы, конвейеры и др. Мощности электродвигателей этих механизмов от 5 до 200 кВт. Потребляемые энергоресурсы - электроэнергия (до70-80%), кислород, вода.
Прокатные цеха. Технологический процесс прокатки состоит из следующих стадий нагрева слитков весом до 20 т в нагревательных колодцах, прокатки в блюмы квадратного и в слябы прямоугольного сечения в мощных дуореверсивных станах за 12-25 проходов. Слябы служат заготовкой для листопрокатного производства. Горячекатаный лист толщиной 1,2 мм выпускается на реверсивных и непрерывных станах. Лист тоньше 1,2 мм, жесть и фольга прокатываются в холодном состоянии на непрерывных и многовалковых реверсивных станах с моталками. На сортовых станах выпускается прокат различных профилей. Трубопрокатное производство бесшовных труб осуществляется в прошивных станах. Большое распространение получили трубоэлектросварочные станы.
В прокатных цехах имеются три основные группы потребителей энергии:
а) различные нагревательные печи;
б) главные приводы прокатных станов;
в) приводы вспомогательных механизмов прокатных станов, служащих для транспортировки и резки металла.
Мощность отдельных двигателей главных приводов колеблется от 200 до 9000 кВт, питаются они от преобразователей по системе ДГД или УТВД. Для станов с нерегулируемым приводом применяются асинхронные и синхронные электродвигатели. Напряжение питания главных приводов 6 или 10 кВт. Режим их работы характеризуется резкими толчками нагрузки, имеющими длительность несколько секунд и величину до 2-2,5 номинальной мощности двигателей постоянного тока и до 4-4,5 при двигателях переменного тока.
Приводы вспомогательных механизмов (кранов, рольгангов, качающихся столов, шлепперов, нажимных устройств, кантователей, летучих ножниц и др.) имеют мощности от 3 до 2·1400 кВт. Большинство механизмов работают в повторно-кратковременном режиме, с ПВ=15-40% и частыми пусками и реверсами. Ряд электроприемников (приводы нажимных устройств, качающихся столов, летучих ножниц и т.п., имеющих наиболее тяжелые режимы работы) питаются от преобразователей по системам ДГД или УТВД. Для привода рольгангов с асинхронными короткозамкнутыми двигателями широко применяется частотное регулирование от 10 до 50 Гц с питанием их от преобразователей частоты.
Суммарные установленные мощности электроприемников крупных прокатных цехов достигают 100-200 МВт.
Прокатные цеха являются крупными потребителями энергоресурсов. Они потребляют до 10% топлива, до 8% тепловой и до 12% электрической энергии от общего объема, потребляемого ПЧМ.
Эти предприятия производят топливо для двигателей и самолетов, дизельное топливо, мазут, сжиженный нефтяной газ, смазочные масла и сырье для химических заводов. Сырая нефть очищается до нафты, которая служит сырьем для производства ацетилена, метанола, аммиака и многих других химикатов.
Современные нефтеперерабатывающие заводы (НПЗ) состоят из отдельных комплектных технологических установок, число которых прини
мается в соответствии с годовой производительностью НПЗ. Производительность крупных НПЗ достигает 20 млн. т в год. В зависимости от выбранной структуры потребления нефтепродуктов может меняться технологическая схема НПЗ. Так, применяя различные технологические схемы НПЗ, можно изменять глубину переработки нефти, т. е. получать, например, выход мазутов 15–45% (по весу от количества перерабатываемой нефти). Характеристики основных механизмов НПЗ приведены в табл. 3.2, 3.3. Кроме электроприемников, перечисленных в табл. 3.2, имеются электроприемники общезаводского характера, из которых наиболее мощными являются блоки оборотной воды с насосными станциями мощностью несколько тысяч киловатт и товарно-сырьевая база с многочисленными насосами.
Таблица 3.2. Показатели некоторых технологических установок
и процессов нефтепереработки
| Наименование | Производительность, тыс. т/год | Установленная мощность, кВт |
| ЭЛОУ | ||
| ЭЛОУ | ||
| Атмосферно-вакуумная трубчатка | ||
| То же | ||
| ¾¾ // ¾¾ | ||
| Вторичная перегонка бензина | ||
| Каталитический крекинг | ||
| Термический крекинг | ||
| Каталитический риформинг однопоточный | ||
| Каталитический риформинг двухпоточный | ||
| Азеотропная перегонка | ||
| Сернокислотная очистка вторичной перегонки | ||
| Гидроочистка дизельного топлива | ||
| Непрерывное коксование в необогреваемых камерах | ||
| Контактное коксование | ||
| Газофракционирование | ||
| Сероочистка газа | ||
| Сероочистка сухого газа | ||
| Сернокислотное алкилирование | ||
| Полимеризация пропан-пропиленовой фракции | ||
| Деасфальтизация гудрона | ||
| То же | ||
| ¾¾ // ¾¾ | ||
| Фенольная очистка масел | ||
| То же | 61–96 | |
| ¾¾ // ¾¾ | 150–265 | |
| Депарафинизация | ||
| Депарафинизация сдвоенная | ||
| Обезмасливание газа | ||
| Контактная очистка масел | ||
| Производство строительных и дорожных битумов | – | |
| Производство катализатора для каталитического крекинга | – | |
| Производство катализатора для гидроочистки | – | |
| Производство присадок | 6,64 |
Поступающая на переработку нефть содержит пластовую воду (см. рисунок 3.2.) и растворенные минеральные соли. Для обезвоживания и обессоливания нефти на НПЗ применяют электрообессоливающие установки ЭЛОУ 1. Обессоленная нефть поступает на атмосферно-вакуумную трубчатку (АВТ) 2, которая состоит из атмосферной и вакуумной колонн. На атмосферной колонне получают светлые продукты (бензин I и II, керосин III, дизельное топливо IV), тяжелый остаток атмосферной колонны направляется на вакуумную колонну, где производят вакуумный газойль, полугудрон, масляный дистиллят, гудрон. На этой установке получают газ, который направляется на разделение на газофракционную установку 5. Бензин, получаемый на АВТ, имеет низкое октановое число и не может быть использован в двигателях внутреннего сгорания, поэтому он направляется на установку каталитического риформинга 17, после которой получают высокооктановый товарный бензин II. Установки каталитического крекинга 6 служат для производства из вакуумных газойлей высокооктанового компонента автомобильного или авиационного бензина. На этих установках получают также дизельное топливо IV и котельное топливо XII. Установки термического крекинга 7 служат для выделения легких фракций из более тяжелых углеводородов (полугудронов) под действием повышенных температур. При термическом крекинге образуются котельное топливо XII, сырье для технического углерода (термогазойль) XI. Газ с установки 7 направляется на абсорбционную газофракционирующую установку 8, где выделяются сухой газ СГ (используется как топливо), автомобильный бензин, а также товарная бутен-бутиленовая фракция X. Бензин с установки термического крекинга направляется на этилосмесительную установку 16 для приготовления товарных бензинов I. Битумная установка 14 предназначена для производства из гудронов битумов различных марок XVII. Установка алкирования 19 служит для получения высокооктановых компонентов бензина, бутана VIII и пропана VII, IX. При алкировании в качестве катализатора применяется серная кислота. Установка каталитического риформинга на ароматику 18 предназначена для получения из нефтяного сырья после вторичной перегонки 4 ароматических углеводородов – бензола V, толуола VI, ксилола.
Смазочные масла XV различных свойств и назначений производят из масляных дистилляторов, выходящих из АВТ 2. Процесс включает установки деасфальтизации 9, селективной очистки 10, депарафинизации 11, контактной очистки 12, вакуумной перегонки 23, производства присадок 22 и смешения масел 24. Гидроочистку 3 нефтяных продуктов и дистиллятов осуществляют для удаления соединений серы. В процессе гидроочистки образуется сероводород, который используется для получения элементарной серы 20 (XIII) и серной кислоты 21 (XIV). Нефтяной кокс XVIII производится из тяжелых нефтяных остатков на установках замедленного коксирования 15. Образующийся в процессе депарафинизации парафин подвергается очистке 25 и применяется в качестве исходного сырья для получения синтетических жирных кислот и спиртов 26 (XVI).
Около 50% себестоимости НПЗ составляют затраты на энергоресурсы. Основными потребителями энергии являются дистилляционные, отпарные и разделительные колонны, где сырая нефть разделяется на ряд конечных продуктов; 50% потребляемой энергии идет на колонны первичной фракционной дистилляции (она расходуется для нагрева сырой нефти и получения пара, используемого в колонне). Еще 35% энергии потребляется в установке для конверсии, а остальные 15% – для конечной обработки продукции.
3.4. Предприятия машиностроительной промышленности
Все машиностроительные предприятия подразделяются на два класса:
1) с полным технологическим циклом производства (имеющие собственную металлургическую базу и литейное производство);
2) с неполным технологическим циклом, в том числе: не имеющие металлургической базы, но имеющие литейное производство; не имеющие ни металлургической базы, ни литейного производства.
Основные цеха машиностроительных предприятий – литейные, термические, механической обработки, прессовые, сварочные, сборочные, инструментальные и ряд других. В зависимости от отрасли машиностроения и профиля предприятия ряд из указанных выше цехов может отсутствовать, также могут быть и другие цеха.
Литейные цеха. Анализ структур технологических схем литейных цехов показал, что все литейные цеха можно разбить на три типа:
1) цеха, имеющие один технологический поток, выпускающие отливки из одной марки металла (рис. 1.8);
2) цеха, имеющие несколько технологических потоков, аналогичных рис. 3.6, каждый из которых выпускает отливки из одной марки металла;
3) цеха, имеющие несколько технологических потоков, каждый из которых может выпускать отливки из одной или нескольких марок металла (с разделением их выпуска по времени).
Рис. 3.6.Структурная схема технологических связей литейного цеха
Состав потребителей электроэнергии плавильного участка во многом определяется теми плавильными агрегатами, которые установлены в данном цехе. Плавильные отделения ряда чугунолитейных цехов оборудованы вагранками. Они являются основными плавильными печами при выплавке серого чугуна и первым звеном в дуплекс-процессе при производстве отливок из ковкого и высокопрочного чугуна. Литейные цеха более поздней постройки переведены на электроплавку. Металл плавят в электродуговых печах и индукционных тигельных печах с применением в качестве миксеров индукционных канальных печей и магнитодинамических установок (для стабилизации температуры и химического состава расплавленного металла). Во многих литейных цехах существует плавка металла в вагранках и электропечах одновременно. Цветные металлы выплавляют как в газовых печах, так и в индукционных тигельных или канальных печах, а также в дуговых печах косвенного действия. Основными электроприемниками литейных цехов являются автоматические формовочные и смесеприготовительные линии, бегуны, конвейеры, транспортеры, насосы, сушильные печи, краны, приточная и вытяжная вентиляция, теплозавесы, калориферы. Электроприводы вентиляторов и насосов имеют диапазон мощностей от 0,18 до 200 кВт, режим их работы продолжительный. Мощности приводов транспортеров, конвейеров и других транспортирующих механизмов составляют 1,7–22 кВт. Бегуны применяются для изготовления формовочной и стержневой смеси, мощность их привода 28, 40 или 75 кВт. Мощность электрических печей достигает 10 МВ×А.
Соотношение мощностей различных электроприемников ряда цехов приведено в табл. 3.4.
Таблица 3.4. Процентное соотношение потребляемой мощности
различными группами электроприемников восьми литейных цехов
| Наименование электроприемников | Номер цеха по табл. 1.22 | |||||||
| Электротермическое оборудование индукционные тигельные печи индукционные канальные печи дуговые печи печи сопротивления | 50,1 – – 22,0 28,1 | 66,6 – – 19,6 47,1 | 49,4 44,7 – – 4,7 | 67,7 60,9 6,8 – – | 56,1 – – 24,1 32,1 | 68,5 10,1 – 58,4 – | 37,1 – 13,3 23,8 – | 58,7 43,3 8,4 – 6,9 |
| Электроприемники с электродвигателями: формовочные линии смесеприготовительные линии бегуны конвейеры, транспортеры насосы воздуходувки вагранок сушильные печи краны приточная вентиляция вытяжная вентиляция теплозавесы, калориферы и прочие электроприемники | – – 2,5 6,0 2,3 1,9 7,7 1,2 3,4 5,3 1,6 9,3 | 1,3 – 3,5 3,7 1,3 2,1 0,1 2,1 4,5 4,9 0,7 5,7 | 2,6 – – 2,7 4,4 – – 2,4 13,9 4,1 3,2 11,1 | 2,8 4,7 0,2 0,6 2,0 – 0,9 0,6 4,1 7,9 0,3 5,3 | – – 1,4 4,1 8,2 1,8 – 1,4 8,6 4,1 1,7 9,7 | – – 3,1 1,1 1,8 2,7 – 1,6 4,9 6,6 1,4 2,1 | 1,93 1,7 2,3 2,1 2,5 10,4 0,4 1,6 8,2 16,2 3,1 8,0 | 1,2 0,3 2,4 2,4 5,0 0,2 0,2 0,6 6,6 8,3 0,4 5,0 |
| Освещение | 10,9 | 3,7 | 6,31 | 3,0 | 3,1 | 6,5 | 7,3 | 5,4 |
Термические цехапредназначены для химико-термической или термической обработки металлических и неметаллических изделий. Основными электроприемниками этих цехов являются агрегаты для химико-термической обработки, соляные ванны, электрические печи сопротивления. Термические цеха, как правило, состоят из трех участков: химико-термической обработки, механической обработки и закалки токами высокой частоты. Параметры электроприемников одного из таких цехов показаны на табл. 3.5. Напряжение питания большинства электроприемников термических цехов переменное, 380 В. Закалочные установки питаются от электромашинных, тиристорных и ламповых преобразователей частоты. Режим работы большинства электроприемников продолжительный, но имеются электроприемники с повторно-кратковременным режимом.
Таблица 3.5. Установленные мощности электроприемников термического цеха
| Наименование электроприемников | Кол-во, шт. | Руст , кВт |
| Печной агрегат “Айхелин” | ||
| Шахтные электропечи: ПН-32 ПН-34 | 38,2 | |
| Электропечь Ц-60 | ||
| Электропечь Ц-105 | 107,7 | |
| Электропечь СН3-6.5.13.4 | 76,5 | |
| Электропечь СН3-5.10.3.4 | ||
| Печной агрегат “Бирлек” | 211,4 | |
| Cоляная ванна С-100 | ||
| Цементационная печь типа СТЦА-5.60.5/3 | ||
| Отпускная печь СТЦА-5.60.5/3 | ||
| Отпускная конвейерная печь | ||
| Агрегат СТЦА-10.60.5/3 | ||
| Электропресс | ||
| Закалочный бак | ||
| Закалочная установка повышенной частоты | 12,8–17,3 | |
| Закалочный автомат | 30–60 | |
| Установка для закалки шкворня | ||
| Тельфер | ||
| Масляный бак | ||
| Моечная машина | 24,8 | |
| Насос | ||
| Наждак | ||
| Дробеметная машина | ||
| Гидравлический пресс | ||
| Барабанный агрегат | ||
| Автоматическая линия штамповки фланца | ||
| Автоматическая линия штамповки полуоси | 130–183 |
Цеха механической обработки. Основными электроприемниками этих цехов (табл. 3.6) являются различные виды станков и автоматических линий. Мощность отдельных станков – от 1,5 до 28 кВт. В тяжелом машиностроении суммарные мощности электроприводов станков достигают 1000 кВт. Средняя мощность приводов станков массового машиностроения составляет 5–10 кВт, а крупного машиностроения – 15–25 кВт. Число станков в современных цехах достигает 2000. Напряжение питания станков переменное, 380 В. Режим работы продолжительный и повторно-кратковременный.
Таблица 3.6. Характеристика электроприемников трех механических цехов завода
| Наименование электроприемников | Установленная мощность по цехам | |||||
| кВт | % | кВт | % | кВт | % | |
| Станки: шлифовальные токарные сверлильные, резьбонарезные фрезерные расточные протяжные балансировочные заточные, наждаки строгальные полировочные | – | 42,0 21,0 9,0 4,0 3,0 4,0 0,1 0,1 – 0,8 | – – | 17,0 12,0 32,0 15,0 4,0 5,0 – 0,2 – 0,27 | 1923,8 1039,6 526,4 680,9 75,5 185,1 – 123,3 46,6 | 37,4 20,2 10,2 13,2 1,46 3,6 – 0,4 2,4 0,9 |
| Пресс гидравлический | 1,6 | 1,0 | 97,5 | 1,89 | ||
| Подъемно-транспортные механизмы | 0,5 | 0,5 | 22,8 | 0,44 | ||
| Электроинструмент | 3,2 | 0,04 | 6,4 | 0,01 | – | – |
| Вентиляция | 3,0 | 4,0 | 87,6 | 1,7 | ||
| Прочее оборудование | 10,6 | 8,0 | 247,6 | 4,82 |
Прессовые цехаслужат для штамповки металлов и пластмасс. Основными электроприемниками этих цехов являются прессы. В производстве мелких деталей в электро- и радиопромышленности, часовой и других отраслях промышленности применяются электромагнитные прессы, в которых движение ползуна производится при помощи электромагнита постоянного тока. Питание электромагнитов осуществляется от полупроводниковых преобразователей.
Кривошипные прессы холодной штамповки имеют мощность приводов от 2 до 180 кВт, горячештамповочные – от 28 до 500 кВт. Наиболее мощными являются гидропрессы, мощность двигателей насосных станций гидропрессов составляет 250–1500 кВт. Режим работы прессов повторно-кратковре-менный, напряжение питания переменное, 380, 6000 и 10000 В. Ко второй группе электроприемников прессовых цехов относятся различные приводы устройств подачи металла и его укладки в пачки. Мощность этих электроприемников достигает 200 кВт. Третью группу электроприемников составляют металлообрабатывающие станки различного назначения с мощностью электроприводов 1–55 кВт. Четвертую группу образуют электроприемники общепромышленного назначения: вентиляторы, насосы, кондиционеры, подъемно-транспортные устройства с мощностью электродвигателей 1,6–10 кВт.
Данные об электроприемниках прессового корпуса автомобильного завода приведены в табл. 3.7.
Электросварочные цеха. Наиболее энергоемкими являются цеха для сварки и сборки крупногабаритных изделий (кузовов автомобилей, самолетов, вагонов, тракторов и др.), цеха для сварки цепей и ряд других. Основные электроприемники этих цехов – электросварочные установки дуговой и контактной сварки. Для дуговой сварки применяются источники питания постоянного тока – электромашинные преобразователи, сварочные выпрямители – и переменного тока – однофазные и трехфазные трансформаторы. Электромашинные преобразователи состоят из генератора постоянного тока и приводного асинхронного электродвигателя мощностью 4–55 кВт. Мощность сварочных выпрямителей составляет 9–40 кВ×А, а сварочных трансформаторов 9–165 кВ×А. Напряжение питания установок дуговой сварки переменное, 380 В.
Установки контактной электросварки делятся на одноточечные (мощностью 3–190 кВ×А), рельефные (100–800 кВ×А), шовные (30–400 кВ×А), стыковые (30–1000 кВ×А). Для сборки и сварки крупногабаритных изделий (кузовов автомобилей и тракторов, вагонов и т. д.) большое распространение получили многоточечные сварочные машины, которые объединяются в поточные автоматические сборочно-сварочные линии. Эти линии имеют установленную мощность 500–20000 кВ×А. Напряжение питания установок контактной сварки переменное, 380 В. Режим работы повторно-кратковременный с малой (от 0,1 до 50%) продолжительностью включения. Соотношение мощностей электроприемников одного из сварочных цехов автозавода показано в табл. 3.8. В цехе установлены дуговые и стыковые сварочные установки. Сварка производится, как правило, на сварочных автоматических линиях и полуавтоматах. Для устранения дефектов и брака применяются однопостовые ручные сварочные аппараты на переменном токе мощностью 21–32 кВ×А. Полуавтоматы и автоматические сварочные линии (мощностью 32–469 кВ×А) ведут сварку в среде углекислого газа или под слоем флюса. Стыковые сварочные установки имеют по два сварочных трансформатора мощностью 750 кВ×А каждый. Подъемно-транспортные механизмы (тельферы, краны, кран-балки, установки навески и съема, перегружатели) имеют мощность 0,4–10 кВт.
Суммарное энергопотребление на машиностроительном предприятии можно представить в виде
Еå = Ет + Еэ + Еq + Ев , (3.2)
где Ет – потребление топлива; Еэ – потребление электроэнергии; Еq – потребление тепла (пара и горячей воды); Ев – полное потребление сжатого воздуха.
По направлениям использования энергия требуется на технологические нужды, двигательную нагрузку и обеспечение условий труда. К энергии на технологические цели относится энергия, используемая на технологический нагрев (в печах, сушильных камерах, сварочных аппаратах и др.), на химические процессы (выщелачивание, электролиз и т. п.), на электроэрозию, электростатические процессы и т. п. К энергии на двигательную нагрузку относится потребление энергии приводом основных производственных агрегатов (различных станков, прессов и т. п.) и подъемно-транспортными установками (кранами, тельферами, конвейерами и т. п.). К энергии на обеспечение условий труда относится энергия, расходуемая на отопление, вентиляцию, кондиционирование, на производственное и непроизводственное освещение, средства связи и управления.
На современном этапе машиностроение характеризуется широким использованием всех видов энергии. На долю электроэнергии приходится около 24%, топлива – 38%, теплоэнергии –38%. Анализ динамики энергопотребления и его составляющих показывает, что темпы роста тепло- и электропотребления значительно опережают темпы роста топливопотребления. Основная доля тепла в отрасли расходуется на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение. На технологические цели в машиностроении расходуется 10–50% потребляемой энергии. Уровень электрификации в машиностроении выше, чем по промышленности в целом, причем более половины электроэнергии используется в силовых процессах. В табл. 3.9 приведены данные о видах энергоресурсов, потребляемых в различных технологических процессах машиностроительных предприятий. Наиболее широко во всех технологических процессах применяются электроэнергия и газ. На некоторых машиностроительных предприятиях удельный вес электротехнологических процессов превышает 50%. К их числу относятся тракторные, автомобильные и станкостроительные предприятия. Разработаны и внедрены в производство ряд принципиально новых технологических процессов (электрохимическая и электронно-ионная технология, электроэрозия, плазменная обработка и др.). Изменчивость технологических процессов и разнообразие принципов их использования определяют большое разнообразие в качестве и количестве используемых энергоносителей и, следовательно, их стоимости.
Таблица 3.9. Энергоносители в основных цехах
машиностроительных предприятий
| Цеха | Основные технологические процессы | Энергоносители | |||||
| Электро- энергия | Пар | Горячая вода | Газ | Сжатый воздух | Прочее топливо | ||
| Кузнечные | Заготовка металла Нагрев под ковку и штамповку Ковка и штамповка Термообработка | + + + + | – – + – | – – – – | + + – + | – – + – | + + – + |
| Механические | Металлообработка Закалка ТВЧ Электроискровая обработка Анодно-механическая обработка | + + + + | – – – – | – – – – | – – – + | + – – – | – – – – |
| Термические | Закалка Отпуск Цементация | + + + | – – – | – – – | + + + | – – – | + + + |
| Нитроцементизация Ционирование Азотирование | + + + | – – – | – – – | + + + | – – – | + + + | |
| Гальвано- покрытий | Подготовка к покрытию Гальванопокрытие Отделка поверхностей | + + + | + – – | + + – | – – – | – – – | – – – |
| Литейные | Смесеприготовление Формовка и изготовление стержней | + + | – – | – – | – + | – + | – – |
| Плавка металла Выбивка и очистка отливок Мойка деталей Термообработка | + + – + | – – + – | – – + – | + – – + | – + – – | + – – + |
3.5. Предприятия пищевой промышленности
Приготовление и упаковка пищевых продуктов включают различные процессы, большая часть которых требует нагрева или охлаждения. На рис. 3.7 приведена структурная схема консервирования продуктов.
Рис. 3.7. Технологическая схема консервирования фруктов и овощей
Основными видами энергоресурсов, потребляемых этими предприятиями, являются газ, электроэнергия, пар и горячая вода. Варка продуктов до и после консервирования – один из наиболее энергоемких процессов в пищевой промышленности, на него расходуют половину общего потребления теплоты.
4. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ БАЛАНСЫ УСТАНОВОК, ЦЕХОВ И
ПРЕДПРИЯТИЙ
4.1. Назначение и виды энергетических балансов
Термин "энергетический баланс" означает полное количественное соответствие (равенство) между расходом топлива и энергии в энергетическом хозяйстве для данного момента времени. Энергетический баланс (ЭБ) состоит из двух частей: приходной и расходной. Приходная часть содержит количественный перечень энергии, поступающей посредством различных энергоносителей. Расходная часть определяет расход энергии всех видов во всевозможных ее применениях, потери при преобразовании одного вида энергии в другой и при ее транспортировке, а также энергию, накапливаемую (аккумулируемую) в специальных устройствах.
При составлении ЭБ различные энергоресурсы и виды энергии приводятся к единому измерителю. Этим измерителем являются т