Помощь студентам в учебе
Разработка когенерационного источника энергии доменного цеха ПАО «ЧМК» с целью покрытия электрической нагрузки системы аспирации литейного двора доменной печи №4
|
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 6
1 ОБОСНОВАНИЕ АКТУАЛЬНОСТИ РАЗРАБОТКИ
КОГЕНЕРАЦИОННОГО ИСТОЧНИКА ЭНЕРГИИ ДЛЯ ДОМЕННОГО
ЦЕХА ПАО «ЧМК» 8
2 СРАВНЕНИЕ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ И ЗАРУБЕЖНЫХ ПЕРЕДОВЫХ
РАЗРАБОТОК И РЕШЕНИЙ ПО ТЕМЕ ВКР 11
3 ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ
СИСТЕМЫ АСПИРАЦИИ ОТ ЕЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ 15
3.1 Характеристика местных отсосов 16
3.2 Методики определения производительности местных отсосов 17
3.2.1 Расчет производительности вытяжных зонтов в рамках
аналтического подхода 17
3.2.2 Расчет производительности боковых отсосов в рамках
аналитического подхода 24
3.2.3 Расчет производительности вытяжных зонтов и боковых
отсосов в рамках экспериментального подхода 29
3.3 Определение электрической мощности системы аспирации 33
3.3.1 Сравнение результатов и выбор оптимальных значений
производительности системы аспирации 34
3.3.2 Выбор аспирационного оборудования 36
4 ВЫБОР И РАСЧЕТ ОСНОВНОГО И ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО
ОБОРУДОВАНЯ КОГЕНЕРАЦИОННОГО ИСТОЧНИКА
4.1 Мини-ТЭЦ с ГПУ 39
4.1.1 Описание технологической схемы станции 39
4.2 Выбор и расчет основного оборудования 41
4.2.1 Расчет горения топлива,воздуха и продуктов сгорания 43
4.2.2 Тепловой расчет двигателя газопоршневой установки 45
4.2.2.1 Параметры рабочей смеси в конце
пуска ....42
4.2.2.2 Параметры остаточных
газов 43
4.2.2.3 Процесс
сжатия.... 44
4.2.2.4 Процесс
горения... 45
4.2.2.5 Процесс расширения 48
4.2.2.6 Индикаторные показатели
цикла 49
4.2.2.7 Размеры цилиндра и эффективные показатели
50
4.2.2.8 Тепловой
баланс 52
4.3 Выбор и расчет вспомогательного оборудования 57
4.3.1 Выбор и расчет теплообменника охлаждающего контура 57
5 ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ 64
5.1 Актуальность энергосбрежения в России в мире 64
5.2 Пути повышения эффективности мини-ТЭЦ с ГПУ 66
5.2.1 Совместная выработка электроэнернгии и тепла 66
5.2.2 Использование ВЭР в качестве топлива 67
5.2.3 Приборы учета 68
6 ВОПРОСЫ ЭКОЛОГИИ 69
6.1 Расчет дымовой трубы на зимний период 72
6.2 Расчет дымовой трубы на летний период 76
7 КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И АВТОМАТИКА 79
8 БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ 83
9 ЭКОНОМИКА И УПРАВЛЕНИЕ
9.1 Смета капитальных затрат по варианту строительства
когенерационного источника энергии 86
9.2 Расчет текущих затрат по варианту строительства когенерационного
источника энергии 87
9.3 Расчет себестоимости вырабатываемой энергии когенерационным
источником и его срока окупаемости 89
9.4 Модель ранжирования проблем ПАО «ЧМК» 90
9.5 Модель причинно-следственной диаграммы проблемы недостатка
электрических мощностей для покрытия новой нагрузки системы аспирации литейного двора доменной печи №4 91
9.6 Модель SWOT-анализа вариантов проектных решений 91
9.7 Модель пирамиды целеполагания ПАО «ЧМК» 93
9.8 Модель дерева целей реализации строительства когенерационного
источника энергии для доменного цеха ПАО «ЧМК» 94
9.9 Модель поля сил реализации строительства когенерационного
источника энергии для доменного цеха ПАО «ЧМК» 94
9.10 Модель ленточного графика мероприятия по разработке и
реализации строительства когенерационного источника энергии для доменного цеха ПАО «ЧМК» 95
9.11 Основные показатели экономической эффекивности строительства когенерационного источника энергии доменного цеха ПАО «ЧМК» .. 95
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 97
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 98
ПРИЛОЖЕНИЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Показатели некоторых отечественных и зарубежных ГПУ
96
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. План-схема литейного двора доменной печи
№4 98
ПРИЛОЖЕНИЕ В. Принципиальная схема системы аспирации литейного
ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Пирамида целеполагания ПАО
«ЧМК» 100
ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Дерево целей проекта строительства когенерационного источника
энергии 101
ПРИЛОЖЕНИЕ Е. Модель поля сил реализации строительства когенерационного источника
энергии 102
ПРИЛОЖЕНИЕ Ж. График Ганта реализации строительства когенерационного источника
энергии 103
ВВЕДЕНИЕ 6
1 ОБОСНОВАНИЕ АКТУАЛЬНОСТИ РАЗРАБОТКИ
КОГЕНЕРАЦИОННОГО ИСТОЧНИКА ЭНЕРГИИ ДЛЯ ДОМЕННОГО
ЦЕХА ПАО «ЧМК» 8
2 СРАВНЕНИЕ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ И ЗАРУБЕЖНЫХ ПЕРЕДОВЫХ
РАЗРАБОТОК И РЕШЕНИЙ ПО ТЕМЕ ВКР 11
3 ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ
СИСТЕМЫ АСПИРАЦИИ ОТ ЕЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ 15
3.1 Характеристика местных отсосов 16
3.2 Методики определения производительности местных отсосов 17
3.2.1 Расчет производительности вытяжных зонтов в рамках
аналтического подхода 17
3.2.2 Расчет производительности боковых отсосов в рамках
аналитического подхода 24
3.2.3 Расчет производительности вытяжных зонтов и боковых
отсосов в рамках экспериментального подхода 29
3.3 Определение электрической мощности системы аспирации 33
3.3.1 Сравнение результатов и выбор оптимальных значений
производительности системы аспирации 34
3.3.2 Выбор аспирационного оборудования 36
4 ВЫБОР И РАСЧЕТ ОСНОВНОГО И ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО
ОБОРУДОВАНЯ КОГЕНЕРАЦИОННОГО ИСТОЧНИКА
4.1 Мини-ТЭЦ с ГПУ 39
4.1.1 Описание технологической схемы станции 39
4.2 Выбор и расчет основного оборудования 41
4.2.1 Расчет горения топлива,воздуха и продуктов сгорания 43
4.2.2 Тепловой расчет двигателя газопоршневой установки 45
4.2.2.1 Параметры рабочей смеси в конце
пуска ....42
4.2.2.2 Параметры остаточных
газов 43
4.2.2.3 Процесс
сжатия.... 44
4.2.2.4 Процесс
горения... 45
4.2.2.5 Процесс расширения 48
4.2.2.6 Индикаторные показатели
цикла 49
4.2.2.7 Размеры цилиндра и эффективные показатели
50
4.2.2.8 Тепловой
баланс 52
4.3 Выбор и расчет вспомогательного оборудования 57
4.3.1 Выбор и расчет теплообменника охлаждающего контура 57
5 ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ 64
5.1 Актуальность энергосбрежения в России в мире 64
5.2 Пути повышения эффективности мини-ТЭЦ с ГПУ 66
5.2.1 Совместная выработка электроэнернгии и тепла 66
5.2.2 Использование ВЭР в качестве топлива 67
5.2.3 Приборы учета 68
6 ВОПРОСЫ ЭКОЛОГИИ 69
6.1 Расчет дымовой трубы на зимний период 72
6.2 Расчет дымовой трубы на летний период 76
7 КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И АВТОМАТИКА 79
8 БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ 83
9 ЭКОНОМИКА И УПРАВЛЕНИЕ
9.1 Смета капитальных затрат по варианту строительства
когенерационного источника энергии 86
9.2 Расчет текущих затрат по варианту строительства когенерационного
источника энергии 87
9.3 Расчет себестоимости вырабатываемой энергии когенерационным
источником и его срока окупаемости 89
9.4 Модель ранжирования проблем ПАО «ЧМК» 90
9.5 Модель причинно-следственной диаграммы проблемы недостатка
электрических мощностей для покрытия новой нагрузки системы аспирации литейного двора доменной печи №4 91
9.6 Модель SWOT-анализа вариантов проектных решений 91
9.7 Модель пирамиды целеполагания ПАО «ЧМК» 93
9.8 Модель дерева целей реализации строительства когенерационного
источника энергии для доменного цеха ПАО «ЧМК» 94
9.9 Модель поля сил реализации строительства когенерационного
источника энергии для доменного цеха ПАО «ЧМК» 94
9.10 Модель ленточного графика мероприятия по разработке и
реализации строительства когенерационного источника энергии для доменного цеха ПАО «ЧМК» 95
9.11 Основные показатели экономической эффекивности строительства когенерационного источника энергии доменного цеха ПАО «ЧМК» .. 95
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 97
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 98
ПРИЛОЖЕНИЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Показатели некоторых отечественных и зарубежных ГПУ
96
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. План-схема литейного двора доменной печи
№4 98
ПРИЛОЖЕНИЕ В. Принципиальная схема системы аспирации литейного
ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Пирамида целеполагания ПАО
«ЧМК» 100
ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Дерево целей проекта строительства когенерационного источника
энергии 101
ПРИЛОЖЕНИЕ Е. Модель поля сил реализации строительства когенерационного источника
энергии 102
ПРИЛОЖЕНИЕ Ж. График Ганта реализации строительства когенерационного источника
энергии 103
Металлургия - одна из основных отраслей российской промышленности и экономики, занимающая второе место после нефтегазовой. Металлургическое производство является весьма энергоемким сектором промышленности, например, доменное производство требует покрытия больших нагрузок энергии на технологические нужды. Крупные промышленные предприятия для этих целей строят собственные ТЭС, ТЭЦ, котельные. При отсутствии собственных источников предприятиям приходится покупать энергию у сторонних компаний, что увеличивает затраты на производство единицы продукции.
Системы теплоснабжения старых предприятий страны имеют ряд проблем, требующих решений:
- неудовлетворительные показатели и состояние систем теплоснабжения, характеризующееся высоким износом основных фондов, особенно теплосетей, недостаточной надежностью функционирования, большими энергетическими потерями и негативным воздействием на окружающую среду;
- потери в сетях энергоснабжения большой протяженности;
- сниженные параметры теплоносителя на вводе при значительной удаленности потребителей от центрального источника;
- необходимость перестройки всей системы теплоснабжения для повышения ее энергоэффективности, экономичности для успешного функционирования в рыночных условиях;
Системы электроснабжения также требуют энергосберегающих мероприятий, снижения потерь в сетях, повышения полезно используемой энергии на оборудовании с высоким классом энергоэффективности.
Металлургическое производство в силу своей важности и высокой технологичности требует соответствующих условий для качественного технологического процесса. Здесь возникает ряд проблем, связанных с существенным устареванием техники, износом сетей энергоснабжения, ужесточением требований законодательства со стороны экологии
и энергосбережения. Старые крупные предприятия часто сталкиваются с проблемой, когда существующие системы и оборудование перестают отвечать современным стандартам и отстают от энергоэффективных показателей. Эти проблемы требуют решений: замены оборудования на новое и сберегающее, снижения потерь в сетях энергоснабжения, максимальное использование вторичных энергетических ресурсов, внедрение аспирационных и очистных систем, с возможным последующим использованием продуктов очистки. Системы аспирации с мощными дымососами также являются весьма энергоемкими мероприятиями, требующими больших новых электрических нагрузок, обеспечение которых за счет покупки дополнительной энергии у энергетической компании увеличивает текущие траты производства. В настоящее время для нужд энергоснабжения широко применяются малые источники энергоснабжения, например, мини-ТЭЦ в блочно-модульном исполнении.
Такие мини-ТЭЦ весьма компактны и актуальны для предприятий плотной застройки. В качестве первичного двигателя могут использоваться двигатели внутреннего сгорания. Такие двигатели могут быть дизельными и газовыми, последние имеют более эффективные показатели, поэтому сейчас они набирают все большую популярность. Они представляют собой четырехтактный газовый двигатель внутреннего сгорания, такие агрегаты используется уже несколько десятков лет. Двигатель соединен с генератором тока, который вырабатывает электричество на нужды потребителей, а тепло системы охлаждения машины и отходящих газов используется для нужд теплоснабжения.
Установка такой мини-ТЭЦ в качестве когенерационного источника имеет ряд преимуществ с экономической точки зрения и со стороны энергосбережения:
- снижаются затраты на энергоснабжение;
- максимальная близость к потребителю исключает существенные потери в сетях и позволяет осуществлять гибкое регулирование;
- независимость от энергетических компаний, что создает благоприятные условия для надежного и бесперебойного электро- и теплоснабжения.
Целью работы является выбор и разработка источника энергии для возможности работы системы аспирации на литейном дворе доменной печи № 4 ПАО «ЧМК». Рассматривается возможность использования для этих целей автоматизированной мини-ТЭЦ на газопоршневой установке, в качестве основного топлива предлагается использовать коксовый газ, который имеет хорошую теплоту сгорания и сравнительно низкую цену, так объектом работы является когенерационный источник в виде мини-ТЭЦ с газопоршневым двигателем.
При разработке такого источника необходимо учитывать требования безопасной эксплуатации оборудования, его энергоэффективность, экологичность, надежность, технико-экономические показатели, таким образом, для решения поставленной цели нужно выполнить ряд задач:
- определить производительность, а также электрическую нагрузку системы аспирации для выбора мощности источника энергии;
- разработать и описать технологическую схему мини-ТЭЦ;
- сделать тепловой расчет выбранного газопоршневого агрегата;
- провести подбор вспомогательного оборудования;
- рассмотреть энергосберегающие и экологические мероприятия;
- предусмотреть автоматизацию станции и ее безопасность;
- оценить экономическую эффективность предложенного варианта.
Системы теплоснабжения старых предприятий страны имеют ряд проблем, требующих решений:
- неудовлетворительные показатели и состояние систем теплоснабжения, характеризующееся высоким износом основных фондов, особенно теплосетей, недостаточной надежностью функционирования, большими энергетическими потерями и негативным воздействием на окружающую среду;
- потери в сетях энергоснабжения большой протяженности;
- сниженные параметры теплоносителя на вводе при значительной удаленности потребителей от центрального источника;
- необходимость перестройки всей системы теплоснабжения для повышения ее энергоэффективности, экономичности для успешного функционирования в рыночных условиях;
Системы электроснабжения также требуют энергосберегающих мероприятий, снижения потерь в сетях, повышения полезно используемой энергии на оборудовании с высоким классом энергоэффективности.
Металлургическое производство в силу своей важности и высокой технологичности требует соответствующих условий для качественного технологического процесса. Здесь возникает ряд проблем, связанных с существенным устареванием техники, износом сетей энергоснабжения, ужесточением требований законодательства со стороны экологии
и энергосбережения. Старые крупные предприятия часто сталкиваются с проблемой, когда существующие системы и оборудование перестают отвечать современным стандартам и отстают от энергоэффективных показателей. Эти проблемы требуют решений: замены оборудования на новое и сберегающее, снижения потерь в сетях энергоснабжения, максимальное использование вторичных энергетических ресурсов, внедрение аспирационных и очистных систем, с возможным последующим использованием продуктов очистки. Системы аспирации с мощными дымососами также являются весьма энергоемкими мероприятиями, требующими больших новых электрических нагрузок, обеспечение которых за счет покупки дополнительной энергии у энергетической компании увеличивает текущие траты производства. В настоящее время для нужд энергоснабжения широко применяются малые источники энергоснабжения, например, мини-ТЭЦ в блочно-модульном исполнении.
Такие мини-ТЭЦ весьма компактны и актуальны для предприятий плотной застройки. В качестве первичного двигателя могут использоваться двигатели внутреннего сгорания. Такие двигатели могут быть дизельными и газовыми, последние имеют более эффективные показатели, поэтому сейчас они набирают все большую популярность. Они представляют собой четырехтактный газовый двигатель внутреннего сгорания, такие агрегаты используется уже несколько десятков лет. Двигатель соединен с генератором тока, который вырабатывает электричество на нужды потребителей, а тепло системы охлаждения машины и отходящих газов используется для нужд теплоснабжения.
Установка такой мини-ТЭЦ в качестве когенерационного источника имеет ряд преимуществ с экономической точки зрения и со стороны энергосбережения:
- снижаются затраты на энергоснабжение;
- максимальная близость к потребителю исключает существенные потери в сетях и позволяет осуществлять гибкое регулирование;
- независимость от энергетических компаний, что создает благоприятные условия для надежного и бесперебойного электро- и теплоснабжения.
Целью работы является выбор и разработка источника энергии для возможности работы системы аспирации на литейном дворе доменной печи № 4 ПАО «ЧМК». Рассматривается возможность использования для этих целей автоматизированной мини-ТЭЦ на газопоршневой установке, в качестве основного топлива предлагается использовать коксовый газ, который имеет хорошую теплоту сгорания и сравнительно низкую цену, так объектом работы является когенерационный источник в виде мини-ТЭЦ с газопоршневым двигателем.
При разработке такого источника необходимо учитывать требования безопасной эксплуатации оборудования, его энергоэффективность, экологичность, надежность, технико-экономические показатели, таким образом, для решения поставленной цели нужно выполнить ряд задач:
- определить производительность, а также электрическую нагрузку системы аспирации для выбора мощности источника энергии;
- разработать и описать технологическую схему мини-ТЭЦ;
- сделать тепловой расчет выбранного газопоршневого агрегата;
- провести подбор вспомогательного оборудования;
- рассмотреть энергосберегающие и экологические мероприятия;
- предусмотреть автоматизацию станции и ее безопасность;
- оценить экономическую эффективность предложенного варианта.
В ходе выполнения выпускной квалификационной работы было проведено исследование зависимости электрической мощности системы аспирации литейного двора доменной печи № 4 ПАО «ЧМК» от производительности системы, в рамках исследования было выбрано аспирационное оборудование общей электрической мощностью 1735 кВт. Для покрытия этой нагрузки был предложен вариант строительства когенерационного источника энергии в виде мини-ТЭЦ с газопоршневой установкой. В качестве основного оборудования был выбран двигатель фирмы MWM (Caterpillar) TCG 2020 V20 единичной
электрической мощностью 2000 кВт. В работе был проведен тепловой расчет двигателя при работе на коксовом газе, в ходе которого был найден эффективный КПД двигателя це = 0,363 и составлен тепловой баланс. Также был проведен расчет пластинчатого теплообменника контура охлаждения (нагрева) системы утилизации тепла, коэффициент теплопередачи теплообменника к = 1570,5 Вт / (м2-оС), ближайшая стандартная площадь поверхности теплообмена Fa = 142 м2, был выбран пластинчатый теплообменный аппарат Tranter GX-100P с 142-мя пластинами. Система утилизации тепла позволяет максимально отдавать в систему теплоснабжения комплекса доменной печи № 4 2780 кВт.
В работе была посчитана высота дымовой трубы 0550 для рассеивания вредных выбросов до допустимых концентраций, отметка верха трубы равна 18,0 м. Также в работе были рассмотрены пути повышения энергоэффективности станции с ГПУ, одним из которых и является использования тепла уходящих газов и охлаждающей жидкости на нужды теплоснабжения. В работе была описана функциональная схема автоматизации источника, а также рассмотрены вопросы безопасности жизнедеятельности при эксплуатации мини-ТЭЦ с ГПУ.
В экономико-управленческой части работы были посчитаны основные экономические показатели варианта разработки когенерационного источника энергии доменного цеха ПАО «ЧМК», срок окупаемости проекта составляет 1,82 года.
электрической мощностью 2000 кВт. В работе был проведен тепловой расчет двигателя при работе на коксовом газе, в ходе которого был найден эффективный КПД двигателя це = 0,363 и составлен тепловой баланс. Также был проведен расчет пластинчатого теплообменника контура охлаждения (нагрева) системы утилизации тепла, коэффициент теплопередачи теплообменника к = 1570,5 Вт / (м2-оС), ближайшая стандартная площадь поверхности теплообмена Fa = 142 м2, был выбран пластинчатый теплообменный аппарат Tranter GX-100P с 142-мя пластинами. Система утилизации тепла позволяет максимально отдавать в систему теплоснабжения комплекса доменной печи № 4 2780 кВт.
В работе была посчитана высота дымовой трубы 0550 для рассеивания вредных выбросов до допустимых концентраций, отметка верха трубы равна 18,0 м. Также в работе были рассмотрены пути повышения энергоэффективности станции с ГПУ, одним из которых и является использования тепла уходящих газов и охлаждающей жидкости на нужды теплоснабжения. В работе была описана функциональная схема автоматизации источника, а также рассмотрены вопросы безопасности жизнедеятельности при эксплуатации мини-ТЭЦ с ГПУ.
В экономико-управленческой части работы были посчитаны основные экономические показатели варианта разработки когенерационного источника энергии доменного цеха ПАО «ЧМК», срок окупаемости проекта составляет 1,82 года.
