Аннотация

Приведены результаты термодинамического анализа на базе эксергетического метода и пинч-анализа. На их основе определены варианты повышения эффективности энергообеспечения отделочных производств на примере линии непрерывного крашения текстильных материалов — наиболее распространённого теплотехнологического процесса в лёгкой промышленности, являющегося проблемным для многих предприятий республики.

Annotation

The study reveals the results of pinch analysis, thermodynamic analysis in the framework of the exergy method. On their basis, the options for improving the power supply system of technological equipment in the finishing production of textile industry on the example of pad-roll dyeing process of textile materials, as the most widespread technological finishing processes in textile industry and main bottleneck for the majority state-owned enterprises, are identified and determined.

К вопросу о повышении эффективности энергообеспечения линий непрерывного крашения на предприятиях лёгкой промышленности

В. Н. Романюк, д. т. н., профессор

Д. Б. Муслина, аспирант, Белорусский национальный технический университет

Введение

В работе [1] критически рассмотрены, выбраны ме­тодики и алгоритмы расчётов эксергии материа­лов, используемых в теплотехнологии крашения на предприятиях лёгкой промышленности Беларуси, которые обеспечивают выполнение на базе эксер­гетического метода термодинамического анализа многочисленных отделочных производств, входя­щих в их состав. Выявлена чрезвычайно низкая эф­фективность энергообеспечения рассматриваемых теплотехнологических процессов этих предприятий, что и объясняет значительный перерасход энергоре­сурсов. В работах [2, 3] даны результаты статистиче­ского анализа объёмов производства текстильного и трикотажного секторов легкой промышленности Беларуси, на их базе проведён статистический про­гноз энергопотребления в перспективе до 2030 г.

Для анализа термодинамической эффективности наиболее энергоёмких проблемных теплотехноло­гических систем преобразования вещества в рабо­те использован широкий набор КПД, вытекающий из многообразия подходов к определению данного показателя. В одних случаях для нахождения КПД требуется глубокое рассмотрение структуры эк­сергии вещества в потоке, в других — использование более знакомого специалистам разностного метода установления полезного эффекта и затрат [4, 5].

Результаты термодинамического анализа эффек­тивности работы действующего производства на примере непрерывной линии крашения хлопчатобу­мажной (х/б) ткани выявили крайне низкие значения показателей, что обусловлено:

  • конструкцией агрегатов, например, в части на­личия свободных объёмов, из­-за которых ра­стёт необратимость процесса; растёт необратимость процесса;
  • традиционным дискретным подходом к энер­гообеспечению каждого агрегата;
  • используемым набором теплоносителей;
  • всей теплоэнергетической системой предпри­ятия, создаваемой по нормам периода дешёвых энергоресурсов.

В работе рассматриваются варианты модерниза­ции линии крашения, не требующие значительных инвестиций. Это рекуперация потоков, расшире­ние ряда используемых теплоносителей, предва­рительный двух­ и многоступенчатый нагрев тех­нической воды, идущей на операции крашения, горячей промывки и пр. с использованием потен­циала побочных (неиспользуемых в дальнейшем) потоков,образующихся в ходе указанных операций.

Существующее положение. Энергетический анализ

Для анализа взята технологическая линия непрерыв­ного термозольного крашения, широко применяемая на предприятиях республики и технически передовых стран. Удельное потребление тепловой энергии линией с учётом процессов предварительной обработки (рас­шлихтовки) при производительности 1 т/ч составляет 9,8 ГДж на тонну сухого материала (х/б ткани). Принципиальная схема потоков линии приве­дена на рис. 1. На рис. 2 показана её структурная схема для проведения балансовых расчётов.

Для подобной линии логично провести пинч-­анализ1, широко применяемый в теплотехнологиях при решении задач по снижению энергозатрат в связи с простотой, наглядностью выявления слабых звеньев системы (рис. 3–5, табл. 1) [6].  

Из результатов пинч-­анализа, приведённых на рис. 3–5 следует, что энергосберегающий потенциал простой утилизации побочных потоков линии не­прерывного крашения производительностью 1 т/ч х/б ткани за счёт установки рекуперативных тепло­обменников оценивается потоком тепловой энергии мощностью до 0,5 МВт, что составляет 18 % потре­бляемой тепловой энергии её общего потребления. Вместе с тем пинч­-анализ не даёт оценки энерго­обеспечения теплотехнологии и в связи с этим не заменяет термодинамический анализ, из которого можно получить ответ о степени термодинамиче­ского совершенства энергообеспечения техпроцесса. Существующие термодинамические показатели, на базе которых осуществляется термодинамическая оценка эффективности процесса энергообеспече­ния, отличаются в значительной степени, так как соответствуют различным методам оценки [4–9]. Их количество изменяется от одного источника к дру­гому, и для пояснения эксергетических показателей логично обратиться к классификации потоков эксер­гии теплотехнической системы (рис. 7 и 8). Термоди­намический анализ совершенства линии в примере до и после рассмотренной выше рекуперации под­твердил полученный результат в ходе пинч­анализа в части энергосберегающего потенциала. Получен­ные энергетические и эксергетические безразмерные характеристики термодинамического анализа при­ведены в табл. 2, 3, рис. 7. Из их анализа следует, что энергообеспечение технологии требует изменения, поскольку оно термодинамически неэффективно.

Анализ табл. 2 приведён в разделе математиче­ской модели термодинамического анализа. На базе представленных диаграмм и результатов расчётов потоков вычисляются безразмерные энер­гетические и эксергетические характеристики, оце­ниваются основные экономические показатели. Рас­чётные соотношения для нахождения безразмерных характеристик табл. 2 и их определение приведены ниже. Структура потоков эксергии, на базе которой определяются те или иные эксергетические показа­тели технических систем, приведена на рис. 9.

Математическая модель термодинамического анализа

Энергетический КПДэ линии рассчитывался по общепринятому выражению [10]:

ηэ = ΔWпол/ΔWзтр,  (1)

где ΔWпол — полезный эффект, определяемый теплотой процесса нагрева материала и влаги, со­держащейся в нём, ГДж/ч(ГДж/т);

    ΔWзтр  — затраты, определяемые расходом электроэнергии и теплоты процесса конденсации греющего пара и охлаждения конденсата до 95 °С, ГДж/ч(ГДж/т).

начение КПДэ, как видно из табл. 2, возрастает незначительно (в абсолютном выражении на 0,2 %) и достаточно весомо относительно существующей величины (на 25 %). Ситуация с низким абсолютным значением КПД, равным 0,8–1,0 %, связана с трак­товкой полезного эффекта, который, как ни странно, в доступной литературе не описан. В связи с этим при проведении энергетического анализа потребо­валось определиться с понятием полезного эффек­та применительно к рассматриваемой теплотехно­логии. Предлагается связывать полезный эффект лишь с теплотой процесса нагрева поступающих на обработку материала и влаги, содержащейся в нём, а также красителя, поглощённого тканью. Другие потоки энергии, связанные с  нагревом раствора, потоков промывки и пр., могут быть больше или меньше в зависимости от конструкции аппаратов линии крашения, определяются конструктивным совершенством линии и не относятся к теоретически необходимым затратам. В этом контексте с энергети­ческих позиций вытекает необходимость дальнейше­го совершенствования технологических аппаратов линии непрерывного крашения в части соотношения объёмов потребляемого раствора в расчёте на тонну обрабатываемого материала.

В отношении эксергетических оценок тепло­технологий в  настоящее время единого подхода нет. Рассматриваются возможности оптимизации как по эксергетичекому КПДе, так и  по потерям эксергии  [10]. Существенно, что предлагается не один вариант, а набор эксергетических КПДе. В свя­зи с этим возникает необходимость анализа всего ряда КПДе, среди которых наиболее известен по­лучивший название степени термодинамического совершенства [8]:

ν=∑ (E′′/E′) −1 − ∑D/∑E′, (2)

где ΣЕ", ΣЕ' — соответственно эксергетический выход и вход системы, ГДж/ч(ГДж/т).

Значения КПДе в результате прямой рекуперации для рассматриваемой линии изменяются от 85 до 87 %. Очевидна невысокая информативность ν в от­ношении рассматриваемой теплотехнологии, по­скольку числитель и знаменатель выражения (2) со­держат транзитные потоки, которые в абсолютном выражении доминируют в данной системе (табл. 3, рис. 7). В случае когда имеют место сопоставимые по величине удельного веса «сквозные» потоки, ука­занную методику определения КПДе применять не рекомендуется [10].

Альтернативой степени термодинамического со­вершенства ν служит термодинамический КПДе:

ν=(∑ E′′ - Eтр)/(∑E′ - Eтр) = 1 − ∑D/(∑ E′′ - Eтр)=Eисп/Eрасп, (3)

Исключение транзитных потоков, которые при существующем положении составляют 18,5 ГДж/ч, уменьшает КПД до 0,11 %, что повышает его ин­формативность и облегчает понимание необходи­мости совершенствования энергообеспечения. Для выявления транзитных потоков целесообразно об­ратиться к графической интерпретации всех потоков анализируемой системы (рис. 7, 8). С их помощью рассчитываются соответствующие значения табл. 3. При эксергетическом входе 21,8 и выходе 18,5 ГДж/ч учёт транзитных потоков, описанных выше, приво­дит к уменьшению значения оценки на три порядка: с 85 до 0,112 %. Это подчёркивает негативный вклад транзитных потоков эксергии в термодинамическую эффективность и, как уже отмечалось, обосновы­вает острую необходимость усовершенствования энергетического обеспечения теплотехнологии. В результате рекуперации теплоты обеспечивается повышение КПДе на 14 % относительно существую­щего значения, то есть увеличение его абсолютного значения до 0,128 %.

Для теплотехнологических процессов может быть более информативной оценка на базе КПДе, получившая название степени технологического со­вершенства:

β=∑(Eрасп/E′)=1−∑Eтр/∑E′ (4)

Величина β составляет 15 % в исходном состоя­нии линии и снижается в итоге рекуперации до 13 %. Объяснить это можно следующим. Во всех случаях имеет место снижение эксергетического входа си­стемы, определяющего знаменатель в формуле (4). Значение числителя, определяемое величиной эк­сергии транзитных потоков, при этом снижается на величину несколько меньшую, что вызвано отме­ченным снижением эксергетического входа за счёт уменьшения потребления греющего пара. В конеч­ном итоге это снижает расход конденсата — одну из основных составляющих транзитного потока. Естественно, в этой ситуации несовпадение изме­нений эксергетических транзита и входа системы. В случае расширенной трактовки структуры линии это и приводит к уменьшению рассматриваемого термодинамического показателя из­за более слабого снижения эксергии транзитного потока. Следует отметить, что по величине β можно судить о необ­ходимости принятия мер по снижению транзитных потоков.

Степень полного совершенства технической си­стемы является следующей эксергетической харак­теристикой:

µ=∑(Eисп/E′)=1−(∑Eтр+ ∑D)/∑E′ (5)

С введением рекуперации, как и следовало ожи­дать, её значение возрастает на 2 % относительных, или в абсолютном выражении с 0,0167 до   0,0171 %. На наш взгляд, этот показатель в контексте влияния тепловой рекуперации на энергообеспечение более объективен, поскольку оперирует непосредственно используемыми и входными потоками. Небольшой прирост КПДе в результате тепловой рекуперации и в этом случае подтверждает необходимость со­вершенствования энергообеспечения линии.

Рассмотрим более привычный для использования подход к определению таких относительных харак­теристик, как КПД: отношение полезного эффекта к затратам [10]. В этом случае эксергетический КПДе определяется соотношением:

η**е=∇Епол/∇Езат, (6)

 ∇Епол - полезный эффект полезный эффект, определяемый эксергией потока теплоты процесса на нагрев мате­риала и влаги, содержащейся в нём, ГДж/ч(ГДж/т);

∇Eзат — затраты, определяемые расходом электро­энергии и эксергии теплоты процесса конденсации греющего пара и охлаждения конденсата до 95 °С, ГДж/ч(ГДж/т).

Изменение значения данного показателя более ожидаемо, поскольку рекуперация приводит к его росту на 15 % относительных, или с 0,20 до 0,23 % абсолютных.

Выводы по данным пинч-­анализа и термодина­мического анализа совпадают в части определения величины энергосберегающего эффекта для суще­ствующего энергообеспечения линии путём простой рекуперации. При этом термодинамическая эффек­тивность линии остаётся невысокой, что указывает на необходимость совершенствования энергообе­спечения данной теплотехнологии. Одним из шагов в повышении термодинамической эффективности­может быть переход от 1­-ступенчатого нагрева по­токов линии за счёт пара к 2­-ступенчатому, когда пар используется во второй ступени, а низкотемператур­ная первая ступень обогревается водяным теплоно­сителем. Возможен и 3­-ступенчатый нагрев потоков, когда низкотемпературная ступень нагрева имеет два теплоносителя: побочный поток отработанного рас­твора и внешний поток водяного теплоносителя более высокой температуры (рис. 10). Результаты термоди­намического анализа некоторых схем из имеющегося многообразия вариантов приведены в табл. 4.

 

Принятый в расчётах удельный расход условного топлива:

  • на нагрев сетевой воды  — 0,0382  т/ГДж (0,160 т/Гкал);
  • на производство пара 0,5 МПа — 0,0418 т/ГДж (0,175 т/Гкал).

При подобной модернизации существующих производств в качестве серьёзных ограничивающих факторов выступают сложившиеся компоновочные решения, когда нет возможности размещения до­полнительного оборудования на имеющейся произ­водственной площадке. В этом контексте проблема практически решается, если использовать совре­менное, эффективное теплообменное обрудование, в том числе отечественное, допускающее размеще­ние теплообменников непосредственно в составе теплопроводов на стене, эстакаде, корпусе другого оборудования и пр.

Выводы:

Впервые проведённый глубокий всесторонний тер­модинамический анализ эффективности энергопо­требления технологическим оборудованием краше­ния на базе пинч­анализа и эксергетического метода, направленный на совершенствование и снижение энергоёмкости продукции, позволил не только вы­работать рекомендации по экономии энергии, но и показал неоправданно большую энергоёмкость всей технологии крашения и обработки текстильных материалов.

Анализ системы энергообеспечения линии не­прерывного крашения и вариантов её модернизации показывает:

1) совершенствование энергообеспечения суще­ствующих линий необходимо и возможно;

2) переход к многоступенчатому нагреву техно­логического раствора с привлечением пред­варительного нагрева за счёт водяного тепло­носителя даёт наибольший энергетический и термодинамический эффект (табл. 2, 4);

3) в контексте полученных результатов необхо­димо рассмотреть возможное развитие струк­туры системы энергообеспечения линии путём введения в её состав абсорбционных бромисто­литиевых тепловых насосов (АБТН), позволя­ющих утилизировать низкотемпературные тепловые побочные потоки технологии. При этом возможны различные схемы интеграции, а также внутреннее и внешнее использование потоков от АБТН. 

1Пинч-­анализ (англ. pinch — сжатие, сужение) методология миними­зации потребления энергии путём рекуперации теплоты в системе в соот­ветствии с методом подвода энергии и условиями эксплуатации. Исход­ные данные для процесса представляются в виде набора энергетических потоков и зависимостей тепловой мощности (кВт) от температуры (°С) потоков. Эти данные объединяются для всех потоков системы, чтобы получить композитные кривые, одну для всех горячих потоков (отдающих теплоту процессов) и одну для всех холодных потоков (потребляющих теплоту процессов). Точка наибольшего сближения горячей и холодной композитных кривых — это пинч-температура (пинч-точка, или просто пинч), является характерной точкой отсчёта, на базе которой определя­ется энергосберегающий потенциал тепловой рекуперации в системе.

Литература

1. Романюк, В. Н. Эксергия текстильных материалов / В. Н. Романюк, Д. Б. Муслина // Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. Энергети­ка: международный научно­технический журнал. — 2015. — № 3. — С. 46–59.

2. Романюк, В. Н. Прогнозирование объёмов производ­ства предприятий лёгкой промышленности для определения их потребности в энергоресурсах (Часть 1) / В. Н. Романюк, Д. Б. Муслина // Наука и техника : международный научно­технический журнал. — 2015. — № 4. — С. 67–74.

3. Романюк, В. Н. Прогнозирование объёмов производ­ства предприятий лёгкой промышленности для определения их потребности в энергоресурсах (Часть 2) / В. Н. Романюк, Д. Б. Муслина // Наука и техника : международный научно­технический журнал. — 2015. — № 5. — С. 63–75.

4. Бродянский В. М. Принципы определения КПД тех­нических систем преобразования энергии и  вещества / В. М. Бродянский, М. В. Сорин // Изв. вузов. Сер. Энерге­тика. — 1985. — № 1. — С.60–65.

5. Сорин М. В. Методика однозначного определения эксер­гетического КПД технических систем преобразования энер­гии и вещества / М. В. Сорин, В. М. Бродянский // Изв. вузов. Сер. Энергетика. — 1985. — № 3. — С.78–88.

6. Kemp, Ian C. Pinch Analysis and Process Integration : A User Guide on Process Integration for the Efficient Use of Energy / Ian C. Kemp. — 4th. ed. — Elsevier Science, 2007. —     415 с.

7. Бродянский, В. М. Эксергетический метод термоди­намического анализа / В. М. Бродянский. — М.: Энергия, 1973. — 296 с.

8. Сажин, Б. С. Эксергетический анализ работы промыш­ленных установок / Б. С. Сажин, А. П. Булеков, В. Б. Сажин; под ред. Б. С. Сажина. — М.: МГТУ, 2000. — 297 с.

9. Dincer, I. Exergy, Second Edition: Energy, Environment and Sustainable Development / I. Dincer, M. A. Rosen / — 2nd. ed. — Elsevier Science, 2012. — 576 p.

10. Бродянский, В. М. Эксергетический метод и его при­ложения / В. М. Бродянский, В. Фратшер, К. Михалек; под ред. В. М. Бродянского. — М.: Энергоатомиздат, 1998. —    288 с.

11. Романюк, В. Н. Интенсивное энергосбережение в тепло­технологических системах промышленного производства строительных материалов: дис. докт. техн. наук: 05.14.2004 / В. Н. Романюк; БНТУ. — Мн., 2010. — 365 с.