Управление энергетикой предприятия - Оптимизация энергетического баланса промышленного предприятия

Оптимизация энергетического баланса промышленного предприятия на основе модели планирования энергетического хозяйства обеспечивает выявление такого варианта снабжения всех потребителей завода различными видами топлива и энергии, при котором план выпуска продукции выполняется с максимальной эффективностью по заданному критерию. В модели планирования
детально учитываются взаимосвязи между отдельными элементами оптимизируемой системы: между приходной и расходной частями энергетического баланса, в частности между количеством и видом энергоносителей, поступающих на промышленное предприятие извне, и выходом побочных энергоресурсов; влияние условий технологии и энергетики предприятия на технико-экономические показатели промышленного производства; зависимость между параметрами промышленной ТЭЦ и технологической схемой производства.
В модели должны задаваться ресурсы топлива и учитываться возможности получения от других предприятий различных видов энергии. В свою очередь может оказаться целесообразным использовать побочные энергетические ресурсы, теплоту и пар от заводской котельной или ТЭЦ за пределами данного предприятия. В этих случаях задача оптимизации энергетического баланса предприятия должна решаться более широко, с учетом потребностей в энергии других близлежащих предприятий и во взаимной увязке с оптимальным энергетическим балансом промышленного узла, т. е. как задача энергетического комбинирования и кооперирования.
Математическая модель планирования энергетического хозяйства промышленного предприятия должна обеспечить решение следующих основных задач: выбор рациональных энергоносителей для всех производственных процессов; определение размеров потребления первичных энергетических ресурсов по отдельным технологическим процессам и предприятию в целом; выбор рациональных направлений использования побочных энергоресурсов; определение рациональных энергетических потоков между отдельными подразделениями предприятия; определение рациональной схемы энергоснабжения предприятия и связанных с ним объектов; обоснование выбора наиболее экономичных типоразмеров энергогенерирующих установок, в том числе агрегатов промышленной ТЭЦ.
При этом в модели должны быть отражены следующие основные условия: объем производства продукции на различных технологических участках и установках при любом варианте энергоснабжения должен удовлетворять внутризаводской потребности и плану выпуска товарной продукции; потребление отдельных видов первичных энергоресурсов не может превосходить количества, выделенного предприятию в соответствий с рациональной структурой энергетического баланса района; качественные характеристики топлива и горючих смесей должны удовлетворять требованиям соответствующих технологических процессов; количество и режимы выхода побочных энергетических ресурсов определяются видом используемых топлив и режимов работы основных технологических установок; суммарное потребление побочных энергетических ресурсов должно соответствовать их выходу. Модель может использоваться для краткосрочного планирования, когда целью расчетов является обоснование оптимальной потребности в топливе и энергии, и перспективного планирования, когда осуществляется выбор оптимального пути развития и реконструкции энергетического хозяйства предприятия. В первом случае модель имеет упрощенную структуру за счет исключения разделов, связанных с выбором рациональных энергоносителей для технологических процессов, типоразмеров энергогенерирующего оборудования, схемы теплоснабжения и ряда других вопросов, относящихся к стадии проектирования объектов. Основное внимание в такой модели уделяется взаимозаменяемости ресурсов, эффективному использованию побочных энергетических ресурсов, покрытию графиков тепловой нагрузки и т. п. Наряду со стоимостными показателями здесь могут использоваться в качестве критериев минимальные расходы топлива и энергии, поступающих со стороны, или максимальный коэффициент полезного использования энергии. Во втором случае при обосновании путей развития и реконструкции энергетики предприятия в модели должны рассматриваться все перечисленные выше задачи. Критерием оптимальности такой модели является минимум суммарных приведенных затрат.
Для описания энергетического хозяйства предприятия введем обозначения: / — группа технологических и энергетических процессов предприятия, включающая подгруппы ju /2, /ае/, где /1— технологические процессы; /2 — процессы, производящие промежуточные энергоносители (дутье, сжатый воздух, пар на технологические нужды, кислород и т. п.); /з — отопительно-вентиляционная нагрузка предприятия и рабочего поселка; / — группа множества видов энергии, используемых для удовлетворения технологических и энергетических потребителей предприятия, включающая подгруппы  i1, i2, t3, it, h, te i; h — первичные энергоресурсы, получаемые со стороны (включая электроэнергию из электроэнергетической системы); h — побочные горючие энергоресурсы; is — горючие смеси; U — побочные тепловые энергоресурсы; i5, h — теплота и пар различных параметров, получаемые соответственно от отборов турбин промышленной ТЭЦ и промышленной котельной. Общая схема энерготехнологических взаимосвязей промышленного предприятия приведена на рис. 7-2.

Рис. 7-2. Принципиальная схема энерготехнологических связей промышленного предприятия.

при   планирований по минимуму расхода топлива и энергии:

(7-41а)

при перспективном планировании по минимуму приведенных затрат на производство заданной планом продукции и услуг:

(7-416)
где Зл — удельные приведенные затраты на единицу продукции производственного процесса / при работе его на виде энергии /; Хц — годовой расход энергии вида / в производственном процессе /; Ьц — удельный расход энергии вида / в производственном процессе /.
В математическую модель энергетического хозяйства промышленного предприятия должны включаться только те энергетические ресурсы и потребители их, которые допускают полную или частичную взаимозаменяемость без нарушений технологических требований, предъявляемых к промышленной продукции. Технологические процессы, для которых вид энергии однозначен (например, электроэнергия для стационарного механического привода, освещения или электрохимических процессов; кокс в доменном производстве и т. п.), учитываются при составлении полного энергетического баланса предприятия. При этом располагаемое количество соответствующих энергетических ресурсов в задаче оптимизации сокращается на величину, потребляемую этими процессами. Аналогично могут учитываться энергетические ресурсы, которые хотя и взаимозаменяемы, но эффективность их использования очевидна, например вдувание природного газа в доменную печь.
Модель планирования энергетического хозяйства промышленного предприятия требует учета нелинейности зависимостей и целочисленности показателей для ряда рассматриваемых условий. Она отражает общий вид зависимостей, характерных для энергетического хозяйства любого предприятия, и может несколько видоизменяться в соответствии с конкретно решаемыми задачами.
В ряде случаев для среднесрочного планирования в зависимости от конкретных условий могут быть приняты и другие критерии.
Удельные расходы энергии в основных энергопотребляющих процессах, принятые в примере

средне- и низкотемпературные процессы —  пар для технологических нужд завода; отопление и вентиляция промышленных объектов и города-спутника;
механический привод нагнетателей доменных печей и коксохимического цеха (завода), компрессоров.
Если в районе размещения металлургического завода находятся другие промышленные предприятия, то необходимо рассматривать энергетический баланс комплекса предприятий, составляющих в энергетическом отношении единое целое. При этом достигается народнохозяйственный эффект использования всех видов энергетических ресурсов.
Для покрытия потребности высокотемпературных процессов промышленности используется технологическое топливо или электроэнергия. В условиях металлургического завода основными видами технологического топлива являются: уголь, природный газ, мазут, кокс, смола и отходы углеобогащения, коксовый газ, доменный газ. К ним следует добавить смеси доменного газа с коксовым или природным газом, применение которых диктуется условиями технологии.
Принятые в примере удельные расходы топлива и электроэнергии по основным высокотемпературным процессам металлургического завода даны в табл. 7-3, а удельные неэнергетические затраты (Ал+ЕвКл) — в табл. 7-4.
Таблица 7-4
Примерные значения удельных приведенных неэнергетических затрат в основных энергопотребляющих процессах, руб/т, продукции

• Неэнергетические затраты при переходе с одного энергоносителя на другой практически остаются неизменными.
Металлургический завод является крупным потребителем пара различных параметров для технологических и силовых нужд и теплоты для отопления и вентиляции производственных и бытовых помещений. В ряде случаев для этих целей возможно также непосредственное использование топлива, например в процессах сушки, привода газовых турбин и т. п.
Поскольку электроснабжение завода осуществляется, как правило, от электроэнергетических систем, то можно считать, что промышленная ТЭЦ работает по тепловому графику. При этом потребно е заводу количество электроэнергии сверх вырабатываемой на тепловом потреблении, обеспечивается энергосистемой. На рис. 7-4 дана принципиальная схема теплоснабжения и силового привода оборудования металлургического завода, которая отражена в модели.
Для выбора рационального варианта теплоснабжения завода немаловажную роль играет учет производства пара не только по параметрам, но и по источникам. В модели следует выделять:
пар утилизационных установок от котлов-утилизаторов (КУ) конверторного цеха, мартеновских печей, прокатных печей, установок сухого тушения кокса (УСТК), испарительного охлаждения (ИО) доменных, мартеновских и прокатных печей;
пар из отборов турбин (противодавленческих типа Р с одним и двумя отборами пара, типов Т и ПТ);
острый пар через РОУ (ТЭЦ, промышленной котельной, утилизационных установок).
Для покрытия пиковой части теплофикационного графика нагрузки завода могут использоваться также пиковые водогрейные котлы.

Рис. 7-4. Принципиальная схема теплоснабжения и силового привода оборудования металлургического завода.

Для механического привода рабочих машин предприятия, допускающих по условиям технологии и технического исполнения применение различных видов энергии, рассмотрены следующие варианты: доменные компрессоры — привод от турбин типа К (Кв-12-90, Кв-14, Кв-18, Кв-22, Кв-25); нагнетатели коксохимического цеха — паровой привод от турбин типа Р (Р-1-35) и электрический привод от асинхронных электродвигателей типа ДАЗ (ДАЗ-1610-4); компрессоры для производства сжатого воздуха — паровой привод от турбин типа К (Кв-0) и электрический привод от синхронных электродвигателей типа СТМ (СТМ-6000-2).
В качестве источников теплоснабжения рассматриваются следующие варианты: ТЭЦ [р=9,8 МПа (100 кгс/см2), <=540°С]; промышленная котельная [р=3,9 МПа (40 кгс/см2); <=450°С]; котлы- утилизаторы конверторов, мартеновских и прокатных печей и установки сухого тушения кокса [р=3,9 МПа (40 ата), /=450°С]; испарительное охлаждение мартеновских и прокатных печей [р= = 3,9 МПа (40 ата), f=450°C], доменных печей [р=245 кПа (2,5 ата)]; пиковые водогрейные котлы.
Выбор экономически рационального варианта покрытия средне- и низкотемпературных тепловых нагрузок и механического привода требует сопоставимости показателей по часовой и годовой тепловой производительности, по выработке электроэнергии и располагаемой электрической мощности. За основу приведения вариантов к сопоставимому виду были приняты их максимальные значения. Приведение вариантов к сопоставимому виду требует учета дополнительных затрат на производство энергии, покрывающей разницу между максимальным и рассматриваемым вариантами.

Задача оптимизации энергетического баланса металлургического завода была решена по обоим рекомендованным выше критериям оптимальности: минимуму проведенных затрат и минимуму расхода топлива. В зависимости от принятого критерия оптимальные варианты энергоснабжения завода заметно разнятся (табл. 7-5).
Таблица 7-5
Сравнение значений целевой функции при различных критериях оптимизации

Это указывает на возможность и необходимость разных решений по рационализации энергоснабжения завода, определяемых целями, сроками планирования, условиями реконструкции энергетического хозяйства. В случае, когда вариант рационального энергоснабжения должен отвечать сразу нескольким целевым требованиям, например удовлетворять в наибольшей степени обоим приведенным выше критериям оптимальности, задача оптимизации существенно усложняется [64]. Однако здесь может быть получено решение, практически ценное по ряду соображений. Для рассматриваемого примера наилучший вариант по двум критериям оптимальности отвечает 172 млн. руб. (107%) по переменной части приведенных затрат и 215,6-10® ГДж (105%) по переменной части расхода условного топлива. Этот компромиссный вариант имеет определенные преимущества по сравнению с однокритериальными решениями.
На рис. 7-5 приведен оптимальный вариант энергоснабжения рассматриваемого металлургического завода, определенного по критерию минимума приведенных затрат. Как видно из схемы, сталеплавильный и прокатный цехи являются основными потребителями коксового (61%) и природного (55%) газа. Остальная часть природного газа расходуется на вдувание в доменные печи (34%) и другими потребителями, коксовый газ (99%) в смеси с доменным газом идет (8%) на обогрев коксовых батарей. Доменный газ в основном используется для обогрева воздухоподогревателей доменных печей (48,3%), а также для зажигания шихты при спекании ее в агломерационных машинах (4,5%), в пиковых водоподогревателях и для поддержания стабильности параметров утилизационного пара (10,2%). Остальная часть доменного газа (19%) сжигается на ТЭЦ.

Рис. 7-5. Оптимальный вариант энергоснабжения металлургического завода.

Тепловые нагрузки завода и силовой привод обеспечиваются следующим образом. Привод доменных воздуходувок осуществляется от турбин типа Кв-18 или Кв-22, работающих на паре р= = 8,8 МПа (90 ата) и г1=540°С от котлов ТЭЦ. Для привода нагнетателей коксохимического цеха следует применять турбины типа Р-1-35 с последующим использованием пара из противодавления турбин для технологических нужд. Пар для привода турбин Р-1,5-35 поступает из противодавления предвключенных турбин типа Р-25-90. Компрессоры для производства сжатого воздуха следует ориентировать на паровой привод от турбин типа Кв-9, также работающих на паре из противодавления предвключенных турбин Р-25-90.
Обеспечение технологической загрузки оказалось целесообразным из различных источников: противодавления турбин нагнетателей коксохимического цеха (19,1%); противодавления турбин Р-25-90 (18,2%); турбин Р-6-35, работающих на паре котлов-утилизаторов прокатных цехов и испарительного охлаждения мартеновских и прокатных печей (48,4%); отборов турбин ПР-6-35, работающих на паре котлов- утилизаторов мартеновского цеха и испарительного охлаждения (14,3%).
Для нужд отопления, вентиляции и горячего водоснабжения завода используется теплота испарительного охлаждения доменных печей (15,9%), противодавления турбин типов Р-6-35 и ПР-6-35, работающих на паре котлов-утилизаторов мартеновских печей и испарительного охлаждения (70%). Пиковая часть графика тепловой нагрузки покрывается главным образом за счет установки пиковых водогрейных котлов (92,6%).
Неиспользованными в энергобалансе завода в рассматриваемом варианте остались пар установок сухого тушения кокса и отходы углеобогащения. Эти энергоресурсы могут быть поставлены внешним потребителям без изменения энергобаланса металлургического завода.
Установленная мощность ТЭЦ завода на тепловом потреблении составила 267 МВт при годовой выработке электроэнергии около 1700 млн. кВт-ч.
Рассмотренный пример показывает принципиальную возможность и целесообразность разработки энергетических балансов промышленных предприятий с помощью математической модели. Особенно важно проведение таких расчетов при проектировании новых или реконструкции действующих промышленных предприятий, когда возникает задача выбора источников топливоснабжения и схемы теплоснабжения предприятия.
По предложенной методике оптимизации энергетических балансов промышленного предприятия промышленным производственно-техническим объединением Союзхимпромэнерго были проведены расчеты для Винницкого химического комбината им. Я. М. Свердлова [65]. Рассмотрены различные варианты энергоснабжения комбината, из числа которых выбрана схема развития и реконструкции его энергетического хозяйства. Экономический эффект оптимизации составил несколько сотен тысяч рублей.