Методика полного энергетического анализа и расчет технологических топливных чисел в производстве бумаги

УДК 676.2

B.Г. Лисиенко, А.И. Бабин, В.А. Лискин,

C.Г. Овчинников, Е.И. Дукки

Лисиенко Владимир Георгиевич родился в 1933 г., окончил в 1956 г. Уральский политехнический институт, доктор технических наук, профессор, действительный член Академии инженерных наук и Международной энергетической академии, Союза научных и инженерных обществ, вице-президент Академии инженерных наук РФ, президент Регионального уральского отделения АИН РФ, заслуженный деятель науки и техники РФ, заведующий кафедрой автоматики и управления в технических системах Уральского государственного технического университета. Имеет более 600 печатных трудов в области математического моделирования, управления и совершенствования высокотемпературных энерготехнологических процессов, энергосбережения и экологии.

Лискин Виктор Александрович родился в 1978 г., окончил в 2000 г. Уральскую государственную лесотехническую академию, аспирант УГЛТА.

Дукки Евгений Иванович родился в 1946 г., окончил в 1971 г. Соликамский целлюлозно-бумажный техникум, главный энергетик АО «Соликамскбумпром».

МЕТОДИКА

ПОЛНОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА И РАСЧЕТ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ТОПЛИВНЫХ ЧИСЕЛ В ПРОИЗВОДСТВЕ БУМАГИ

Предложен метод энергетического анализа с использованием технологических топливных чисел.

производство бумаги, энергозатраты, анализ, топливные числа.

Отличительной особенностью ЦБП является высокая энергоемкость, что ощутимо отражается на себестоимость продукции.

В этой связи перед отраслью стоит проблема рационального использования энергии и энергосбережение. При этом важным инструментом анализа энерготехнологических процессов служит методика расчета сквозных энергетических затрат в форме технологических топливных чисел (ТТЧ), рассмотренная ранее [1, 2]. Эта методика позволяет свести расход всех энергетических носителей к единому универсальному показателю энергоемкости - ТТЧ, который учитывает все материальные и энергетические потоки про-

изводства, раскрывает структуру потребления энергии и материалов с выявлением лимитирующих звеньев по величине максимального энергопотребления.

Данный показатель рекомендовано рассчитывать по формуле

ТТЧ = Э1 + Э2 + Эз - Э4,

где Эь Э2, Э3, Э4 - первичная энергия, энергия производственных энергоносителей, скрытая энергия, энергия вторичных ресурсов, кг условного топлива/ед. продукции.

Первичная энергия включает в себя химическое тепло топлива, равное при принятой системе единиц удельному расходу топлива Вт (кг у.т./ед. продукции), а также технологические топливные числа добычи, подготовки и транспортировки топлива:

Э1 = Вт + ТТЧпод + ТТЧдоб + ТТЧтр.

Таким образом, величина первичной энергии больше, чем химическая энергия топлива. Например, затраты энергии на добычу, транспортировку и подготовку могут составлять соответственно до 2, 10 и 1 ... 2 % от химической энергии топлива.

Каждая форма энергозатрат определяется следующим образом:

Э, = 17УЧФ,, '

где ТТЧ7 - технологическое топливное число 7-го энергоносителя, кг у.т./ед. энергоносителя;

Ф, - удельный расход соответствующего энергоносителя, ед. энерго-носителя/ед. продукции.

Наибольшей величиной в затратах энергии на получение производственных теплоносителей является, как правило, расход первичной энергии. При расчете величины Э2 по (3) все расходы теплоносителей списывают на так называемую «отпущенную энергию», т.е. из произведенной энергии вычитают расходы на собственные нужды, потери в сетях, утечки и т.д.

При расчете скрытой энергии Э3 необходимо учитывать ТТЧ сырьевых материалов в соответствии с их расходными коэффициентами (ТТЧм), инструмента также в соответствии с расходными коэффициентами (ТТЧи), оборудования и капитальных сооружений в соответствии с нормативным коэффициентом амортизации (ТТЧоб.с), ремонтов с учетом межремонтных сроков (ТТЧрем), транспортных перевозок (ТТЧтр) и других вспомогательных расходов энергии (ТТЧвс), т.е.

Эз = ТТЧм + ТТЧи + ТТЧоб.с + ТТЧрем + ТТЧтр + ТТЧвс.

Энергия вторичных энергоресурсов Э4 складывается из фактически сэкономленных энергозатрат при использовании топливных Эхим, тепловых Этеп и материальных Эмат ресурсов:

Э4 Эхим + Этеп + Эмат.

При этом учитывается сумма химической энергии вторично используемых топлив, а также сумма технологических топливных чисел тепловой энергии (пара), материальных ресурсов на том переделе, на котором заменяются первичные ресурсы с учетом коэффициентов использования вторичных ресурсов.

Такой наглядный алгоритм расчета и базирующийся на нем анализ дают возможность достаточно объективно оценить наиболее энергоемкие звенья в технологических процессах и определить пути рационального использования топливно-энергетических ресурсов.

Исходя из этой структурированной методики, получена обобщенная формула для расчета ТТЧ продукции, которая наглядно раскрывает основные факторы, определяющие величину ТТЧ продукта, произведенного за п технологических операций при наличии р компонентов в ней.

Эта обобщенная формула для ТТЧ продукции имеет следующий вид:

" р Аа

ттЧ=

/=1Е=1 Пй,

где Дд,Е - удельная полезная теплота для 7-й операции и е-й компоненты в данной операции, кг у.т./ед. энергоносителя; г|,Е - соответствующий топливно-энергетический кпд; 1|/,Е - обобщенный расходный коэффициент, определяемый как произведение элементарных коэффициентов ср,в при изменении 7 от 1 до п, составляющих последовательную цепочку (при этом в каждой 7-й операции номер параллельного звена е выбирается именно для последовательно включенных звеньев во всей цепочке), ед. энегоносителя/т продукта.

Таким образом, обобщенный расходный коэффициент вычисляют по формуле

Ч,г-б = ф1б ...фг-б ... фиб.

Отношение

Лге

называют утилизационным удельным расходом энергии в обобщенном виде. Отношение

/*=—

Л/в

в (6) может быть названо расходно-энергетическим коэффициентом на каждом звене технологической цепочки. Оно демонстрирует одновременно действие двух факторов - расходного коэффициента ф,е и топливно-энергетического кпд г|,е. Чем выше значение тем при данной величине удельной полезной теплоты Лд,е больше локальный удельный расход условного топлива 6Ф для данного звена /с:

¿Ф =

Величина

Л*

представляет собой обобщенный удельный расход энергии, определяющий вклад 7-й операции в ТТЧ конечной продукции. Из (6) наглядно видно, что

при определении ТТЧ технологической цепочки, состоящей из п последовательных звеньев, происходит двойное суммирование величин как по технологическим цепочкам / от 1 до п (последовательное включение звеньев), так и по числу компонентов технологического процесса внутри каждого звена е от 1 до р (параллельное включение компонентов).

Как видно, важнейшими факторами, определяющими величину ТТЧ, являются удельная полезная теплота Ад, необходимая для протекания процесса, топливно-энергетический КПД г| и обобщенные расходные коэффициенты 1|/. Снижение Ад и 1|/ и увеличение г) приводят к уменьшению ТТЧ продукции.

Использование технологических топливных чисел в их иерархической последовательности позволяет выявлять те узловые области технологической цепи, где расход энергии резко увеличивается и содержатся основные резервы по ее экономии, а также объективно анализировать, какие энергосберегающие мероприятия отдельных технологических переделов (операций) приводят в конечном счете к понижению энергоемкости национального дохода, а какие - к противоположному результату.

Рассмотрим пример применения данного метода энергетического анализа при производстве бумаги на АО «Соликамскбумпром».

На целлюлозно-бумажное предприятие заготовленная в лесу древесина поступает со своим топливно-технологическим числом, в которое входят затраты на валку, обрезку сучьев и транспортировку древесины до предприятия.

Поступившая на предприятие древесина разделяется на два потолка: один идет на производство окоренного баланса для древесно-дефибрерной массы (ДДМ), а другой - на производство технологической щепы для сульфитной целлюлозы (СФИ) и термомеханической массы (ТММ).

Помимо материальных потоков (ДДМ, СФИ, ТММ), в каждом переделе участвуют также дополнительные материальные потоки (химикаты) и сами топливные энергоносители (электроэнергия, пар, вода, воздух и т.д.).

Каждый материальный и энергетический поток в любом переделе имеет свои ТТЧ, коэффициент полезного действия и расходный коэффициент. Расходный коэффициент показывает, сколько данного вида энергоносителя было затрачено в данном технологическом переделе.

Полученные в процессе производства материальные потоки поступают на бумажное производство, где они смешиваются в машинном бассейне. Полученная в результате смешивания бумажная масса при взаимодействии с различного вида энергоносителями идет на производство газетной бумаги в бумагоделательной машине.

Технологический процесс разделен на переделы в соответствии со структурной схемой расщепления технологической цепочки (см. рисунок).

Схема расщепления технологической цепочки производства бумаги

Процесс производства бумаги разделен на три технологических звена: 1 - производство бумаги в бумагоделательной машине; 2 - производство составляющих бумажной массы; 3 - производство щепы, окоренного баланса. Значения удельных полезных затрат теплоты, термических и энергетических кпд, расходных коэффициентов приняты по [1-4]. В соответствии с рисунком производится расчет ТТЧ бумаги по формуле (11). Результаты расчета занесены в табл. 1.

Полученный готовый продукт (бумага) имеет после всех технологических переделов свое ТТЧ.

Из произведенного расчета имеем: ТТЧ бумаги - 921,049 кг у.т./т; удельная полезная теплота ¿д = 287,143 кг у.т./т; эндоэнергетический кпд Лээ = 0,312.

Энергетические затраты на производство целлюлозно-бумажной продукции весьма значительны и составляют в среднем 10 ... 12 % цеховой себестоимости, однако этим влияние системы энергосбережения и эффективность производства не ограничиваются. Надежность энергосбережения, стабильность параметров энергоносителей существенно влияют на качество продукции.

Самым энергоемким является передел производства бумаги, наибольший вклад в энергетические затраты вносят энергоносители: электроэнергия и воздух. Основные резервы экономии заключены на переделах ТММ, СФИ, производства бумаги. Таким образом, из расчета видно, что именно на этих переделах скрываются наиболее ощутимые резервы снижения ТТЧ. Небольшая величина кпд г|ээ = 0,312 объясняется широким использованием энергоносителей с низким кпд. Рекордсменом по вкладу в ТТЧ продукта является электроэнергия. Экономия, прежде всего, этого энергоносителя вносит ощутимый вклад в снижение энергозатрат.

Более рациональному использованию топливно-энергетических ресурсов будет способствовать энергетический анализ, основанный на расчетах сквозных затрат по всем технологическим цепям - ТТЧ в их определенной иерархической последовательности. Технологические топливные числа целесообразно применять при экономическом анализе наряду с себестоимостью, удельными капитальными затратами, окупаемостью, фондоотдачей, прибылью и экологическими факторами.

Для повышения эффективности энергосбережения существенным представляется совершенствование учета энергетических затрат в производстве. В настоящее время учет и нормирование расхода топливно-энергетических ресурсов на производство продукции в отрасли осуществляется по технологическим стадиям производства - переделам. Предлагаемый переход к оценке энергоемкости конечной продукции позволяет оптимизировать технологию получения этой продукции по критерию минимальных энергетических затрат на ее производство, оценивать сырье и полуфабрикаты по энергетическим затратам на их переработку, что, в свою очередь, дает

Расчет энергозатрат на производство бумаги по технологическим пределам

Энерго- Размерность Дд<е, Пш Ф ш Ъи,, к, ¥ 78, Ъ,

потребитель кг у.т./ед. ед./т кг у.т./т ед./т кг у.т./т ед./т кг у.т./т кг у.т./ед.

Бумага

ТММ т 0,743 0,937 0,290 0,793 0,309 0,230 0,290 0,230 0,215

СФИ т 0,681 0,937 0,249 0,727 0,266 0,154 0,249 0,181 0,170

ДДМ т 1,411 0,937 0,516 1,506 0,551 0,777 0,516 0,777 0,728

Электроэнергия МВт • ч 122,7 0,32 0,590 383,437 1,844 226,259 0,590 226,228 72,393

Воздух 3 тыс. м 9,45 0,32 7,881 29,531 24,628 232,735 7,881 232,734 74,475

Вода м3 0,038 0,32 24,8 0,120 77,500 2,945 24,8 2,976 0,924

Пар ГДж 34,18 0,75 0,502 45,573 0,669 22,866 0,502 22,878 17,158

Химикаты т 0,094 37,53 ТММ 0,094 3,528

Щепа м3 - - 3,11 1,35 - - 0,902 1,218 -

Вода речная м3 0,038 0,32 12,97 0,120 40,531 1,540 3,761 0,451 0,143

Вода м3 0,038 0,32 4 0,120 12,500 0,475 1,160 0,139 0,044

артезианская

Электроенергия МВт • ч 122,7 0,32 2,480 383,437 7,750 950,925 0,719 275,691 88,221

Пар ГДж 34,18 0,75 0,067 45,573 0,089 3,042 0,019 0,866 0,649

Воздух 3 тыс. м 9,45 0,32 0,251 29,531 0,784 7,401 0,073 2,156 0,690

Химикаты т 0,009 37,53 СФИ 0,003 0,113

Щепа м3 - - 4,613 1,35 - - 1,149 1,551 -

Привозная щепа м3 - - 0,067 1,35 - - 0,017 0,023 -

Электроэнергия МВт • ч 122,7 0,32 0,270 383,437 0,844 103,559 0,067 25,690 8,221

Вода речная м3 0,038 0,32 106,55 0,120 332,969 12,653 26,531 3,184 1,008

Пар ГДж 34,18 0,75 0,275 45,573 0,367 12,544 0,068 3,099 2,324

Воздух 3 тыс. м 9,45 0,32 0,186 29,531 0,581 5,490 0,046 1,358 0,435

Химикаты т - - 0,408 37,53 - - 0,102 3,828 -

Продолжение табл.

Энерго- Размерность ДЯ<е, Пш ф 7 Б Ьи,, к, ¥ 78, Ь,

потребитель кг у.т./ед. ед./т кг у.т./т ед./т кг у.т./т ед./т кг у.т./т кг у.т./ед.

ДДМ

Баланс м3 - - 2,57 1,35 - - 1,326 1,790 -

окоренный

Электроэнергия МВт • ч 122,7 0,32 0,152 383,437 0,475 58,282 0,078 29,908 9,571

Вода речная м3 0,038 0,32 6,5 0,120 20,312 0,772 3,354 0,402 0,127

Воздух 3 тыс. м 9,45 0,32 0,095 29,531 0,297 2,807 0,049 1,497 0,463

Баланс окоренный

Древесина м3 - - 1,016 1,35 - - 1,347 1,818 -

Электроэнергия МВт • ч 122,7 0,32 0,014 383,437 0,044 5,399 0,019 7,285 2,331

Вода речная м3 0,038 0,32 1,46 0,120 4,563 0,173 1,936 0,232 0,074

Воздух 3 тыс. м 9,45 0,32 0,095 29,531 Щепа 0,297 2,807 0,126 3,721 1,191

Древесина 3 м - - 1,036 1,35 - - 2,125 2,869 -

Электроэнергия МВт • ч 122,7 0,32 0,016 383,437 0,050 6,135 0,033 12,653 4,049

Вода речная м3 0,038 0,32 1,46 0,120 4,563 0,173 2,994 0,359 0,114

Воздух 3 тыс. м 9,45 0,32 0,095 29,531 0,297 2,807 0,195 5,759 1,843

ВЭР кг у.т./т - - - - - - - 43,857 -

возможность исходя из энергоемкости производства конечной продукции формировать композицию бумаги.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Лисиенко В.Г., Дружинина О.Г., Зайнулин Л.А. Программное обеспечение для энергоанализа энерготехнологических процессов как элемент экспертной системы // Энергетика. - 1998. - № 2. - С. 3-10.

2. Лисиенко В.Г., Розин С.Е., Щелоков Я.М. Методика расчета и использования технологических топливных чисел // Черная металлургия. - 1987. - № 2. -С. 108-112. - (Изв. высш. учеб. заведений).

3. Слуцкин А.В. Экономика энергосбережения в целлюлозно-бумажной промышленности. - М.: Лесн. пром-сть, 1990. - 160 с.

4. Технологический регламент производства ЦБК г. Соликамска (книга 1). -1982. - 600 с.

Уральский государственный политехнический университет

Уральская государственная лесотехническая академия

АО «Соликамскбумпром»

Поступила 30.10. 2000 г.

V.G. Lisienko, A.I. Babin, V.A. Liskin, S.G. Ovchinnikov, E.I. Dukki Technique of Complete Energy Analysis and Calculation of Technological Fuel Values in Paper Production

Technique of energy analysis is suggested using technological fuel values.