Характеристика систем энергоснабжения промышленных предприятий
Половина потребляемого промышленностью топлива и более трети электроэнергии преобразуется на специальных станциях и установках в энергетический потенциал разнообразных энергоносителей (теплоту пара и горячей воды; энергию сжатого воздуха, кислорода, технического холода и т.п.), применяемых в технологических комплексах предприятия; остальная часть топлива и электроэнергии используется в технологических комплексах непосредственно.
Система энергоснабжения промышленного предприятия (рис. 1.4) - это единый, взаимосвязанный технологический и экономический комплекс, включающий:
- сооружения и установки, обеспечивающие прием, трансформацию и аккумуляцию энергоресурсов и энергоносителей от районных или объединенных энергоснабжающих предприятий;
- энергетические станции и установки предприятий для централизованной выработки остальных необходимых потребителям предприятия энергоресурсов и энергоносителей, их трансформации и аккумуляции (ТЭЦ, котельные, насосные, компрессорные, воздухоразделительные станции и т.д.);
- утилизационные установки и станции, производящие энергоносители за счет использования вторичных энергетических ресурсов (ВЭР) технологического комплекса предприятия;
- трубопроводные и иные подсистемы, обеспечивающие транспортировку к потребителям предприятия и распределение между ними энергоносителя и энергоресурсов, произведенных его энергетическими станциями и утилизационными установками, а также полученных со стороны энергоснабжающих организаций.
На большинстве промышленных предприятий (ПП) в состав системы энергоснабжения как ее подсистемы входят: системы паро- и теплоснабжения, снабжения твердым и жидким топливом, газоснабжения, электроснабжения, водоснабжения. Во многих отраслях промышленности к ним добавляются системы воздухоснабжения, обеспечения продуктами разделения воздуха (кислородом, азотом и др.), кондиционирования воздуха, хладоснабжения и др.
Энергетические станции и установки ПП, производя несколько видов
энергоносителей или производя одни, а потребляя другие энергоносители, связывают подсистемы друг с другом и оказывают влияние на режимы и показатели работы каждой из них. Связи между подсистемами возникают и через те технологические аппараты и установки, которые потребляют энергоносители из одних подсистем, а произведенные за счет ВЭР в утилизационных установках иные энергоносители направляют к их потребителям через другие подсистемы.
Все энергетические процессы на ПП могут быть разделены на силовые, тепловые, электрохимические, электрофизические, освещение.
К силовым процессам относятся процессы, на которые расходуется механическая энергия, необходимая для привода различных механизмов и машин (насосов, вентиляторов, компрессоров, дымососов, металлорежущих станков, подъемно-транспортного оборудования и т.д.).
Таблица 3.1.
Возможные энергоносители энергетических процессов
| Энергоносители | ||||||
| Энергетические | Электро- | Пар | Горячая | Топливо | ||
| процессы | энергия | вода | газ | жидкое | твердое | |
| Силовые | + | + | - | + | + | - |
| Тепловые | ||||||
| В том числе: | ||||||
| высокотемпературные | + | - | - | + | + | + |
| средне- и низкотем- пературные | + | + | + | + | + | + |
| криогенные | + | + | + | - | - | - |
| Электрохимические и электрофизические | + | + | + | - | - | - |
| Освещение | + | + | + | - | - | - |
К тепловым процессам относятся процессы, расходующие тепло различных потенциалов. Они разделяются на высокотемпературные, среднетемпературные, низкотемпературные и криогенные процессы. Высокотемпературные процессы, осуществляемые при температуре выше 500 0С включают: а) термические (термообработка, нагрев под прокатку, ковку, штамповку, плавление металлов); б) термохимические (производство стали, ферросплавов; выплавка чугуна, никеля; производство стекла, цемента и т.п.). Среднетемпературные процессы, выполняются при температуре от 150 до 500 0С. Это процессы сушки, варки, выпаривания, нагрева, мойки. Низкотемпературные процессы осуществляются при температуре от -153 до 150 0С (отопление, горячее водоснабжение, кондиционирование воздуха и др.). Криогенные процессы происходят при температуре ниже -153 0С (разделение воздуха на составляющие, ожижение и замораживание газов и др.).
Электрохимические и электрофизические процессы выполняются при использовании электрической энергии; к ним относятся электролиз металлов и расплавов, электрофорез, электронно-лучевая и светолучевая обработка металлов, плазменная и ультрафиолетовая обработка металлов и др.
Большинство энергетических процессов на ПП может быть осуществлено за счет различных энергоносителей (табл. 3.1).
Ниже приведены характеристики потребителей энергии в комплексах цехов предприятий различных отраслей промышленности.
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.