Економска анализа се у области инжењерске праксе

Transkripsi

1 ПТ Инжењерска пракса Енергетски ресурси процесних постројења Бранислав Јаћимовић, Мирјана Стаменић Економска анализа се у области инжењерске праксе односи на примену научних и техничких принципа за проблематику одређивања цена коштања, процене и контроле трошкова, пословног и временског планирања и управљања, анализу рентабилности (профитабилности) [1]. електрична енергија; водена пара; вода за општу употребу; расхладна вода; хемијски припремљена вода; компримовани ваздух; технички гасови; расхладни уређаји. Унутар једног предузећа је најпогодније обезбедити централизовано (са једног места) снабдевање свих производних погона, односно технолошких линија. Као друга битна карактеристика енергетских система се истиче функционална стабилност (поузданост) рада система за снабдевање (нпр. одржавање притисака водене паре или компримованог ваздуха у систему у зависности од потреба технолошких потрошача, одржавање температуре расхладне воде се одржава у одређеном опсегу, одржавање напона електричне струје, итд.), при чему се мора водити рачуна да радни параметри енергетског система одговарају потребама технолошких процеса (технолошких операција и потрошача). 1 ЕЛЕКТРИЧНА ЕНЕРГИЈА Електрична енергија која је потребна за покретање електромотора, осветљење простора, одвијање електрохемијских процеса, код система за загревање и система за аутоматску регулацију, као и за општу намену, може бити произведена на лицу места (у самом предузећу), али се предузећа у највећем броју случајева снабдевају из локалне електродистрибутивне мреже, куповином електричне енергије од локалног дистрибутера. Напон купљене и коришћене електричне енергије зависи од већег броја фактора. Дистрибутивна мрежа и трафо станице обезбеђују широк распон напона: у нашој земљи су уобичајени напони од 110 kv, 35 kv, 20 kv, 10 kv, 6 kv, 4 kv и 2 kv, а фреквенција је 50 Hz. Локална трафо станица (смештена у фабрици или њеној непосредној близини) има улогу да прилагоди напон потребама потрошача. Трансформатор може бити праћен исправљачким колом ако је потребна једносмерна струја. У нашој земљи је уобичајено да се већа постројења прикључују на напон од 10 kv. Највећи број крајњих потрошача користи трофазну електричну струју од 400 V или монофазну струју од 220 V за нпр. расвету и друге мање потрошаче. Према [2] типичне карактеристике система за снабдевање електричном енергијом дате су у табели 1. Табела 1 Снага, kw Напон, V до , , 4000 > , 4000, ВОДЕНА ПАРА Водена пара се у процесним постројењима појављује као: технолошка пара уколико се користи директно у технолошком процесу (нпр. дестилација са директним коришћењем водене паре) енергетски флуид, при чему се у оваквим случајевима водена пара кондензује, а пожељно је да се кондензат враћа у котловско постројење. У зависности од захтева технолошког процеса (обезбеђење одговарајуће температуре процесног медијума) користи се пара ниског, средњег или високог притиска. Према [2] уобичајене карактеристике водене паре у процесним постројењима су дате су у табели 2. Дистрибутивни систем водене паре унутар постројења је обично на вишем притиску, а притисак се снижава непосредно пре коришћења (редукција притиска). Тако нпр. уколико потрошач користи пару ниског притиска до 2,5 bar, тада је притисак у систему за дистрибуцију паре највише 8 bar [2]. Уколико процес захтева више температуре користе се или високопритисна пара или термална уља. Табела 2. Уобичајене карактеристике водене паре Притисак паре Притисак, bar Температура, o C Прегревање, o C низак 1 2, средњи високи Водена пара се највећим делом производи у котловима, сагоревањем фосилних горива или помоћу електричне енергије. Поред котлова за производњу водене паре се користе и размењивачи топлоте код којих се рекуперише енергија топлих процесних токова. Иако је дефиниција флексибилна, термин парни котао се користи ако производи водену пару притиска до 20 bar, док се за више притиске користи термин генератор паре. Акумулатор паре се поставља у случају када се потребе технолошког процеса за воденом паром значајно мењају у времену. У питању је изоловани суд под притиском (резервоар, танк) чија се запремина одређује на основу максимума у потрошњи водене паре. 14 децембар ПРОЦЕСНА ТЕХНИКА

2 Инжењерска пракса ПТ У нашој земљи се обично користи водена пара ниског или средњег притиска. Најчешће примењивана конструкција парног котла за производњу сувозасићене технолошке паре за овакве услове је парни блок котао са три промаје (3 пролаза димног гаса). Најчешће коришћено гориво је гасовито (природни гас или ТНГ), средње тешко лож уље (мазут) или лако лож уље. Уколико се кондензат враћа у котловско постројење његова температура према [2] треба да износи o C. 2.1 Комбинована производња топлоте и електричне енергије (когенерација) Код великих потрошача енергије, цена енергије игра важну улогу. У индустријским гранама које се сматрају енергетски интензивним, удео енергије у цени финалног производа може бити и до 60%. Због тога је код великих потрошача енергије оправдано разматрати коришћење система за комбиновану производњу топлоте и електричне енергије. Овакав систем се може састојати од: парног котла, парне турбине и генератора електричне енергије, гасне турбине, котла утилизатора и генератора електричне енергије, гасне турбине, котла утилизатора, парне турбине и генератора електричне енергије, гасног мотора, котла утилизатора (или неког од система за искоришћење отпадне топлоте димног гаса и отпадне топлоте од хлађења блока мотора) и генератора електричне енергије. Коришћењем конвенционалних система за производњу топлоте (парни котлови) и електричне енергије (снабдевање из локалне електро мреже) која се генерише у постројењима термоелектрана, степен корисности износи 30 40%, док је коришћењем комбиноване производње електричне енергије и топлоте могуће остварити степен корисности од 70 80%. Да ли ће се користити когенерација зависи од величине постројења, трошкова горива, односа потрошње топлоте и електричне енергије, стабилности и цене напајања електричном енергијом, могућности прикључења и предаје вишка произведене електричне енергије у дистрибутивну мрежу, итд. У садашњим условима односа цене природног гаса и електричне енергије није исплативо производити електричну енергију у когенеративном циклусу. Код појединих производних процеса као што је производња шећера, неопходно је обезбедити непрекидно снабдевање електричном енеријом и топлотом. У тим случајевима, индустријска предузећа су снабдевена постројењима за комбиновану производњу електричне енергије и топлоте и оваква постројења су у погону све док траје производна кампања (без обзира на однос цена енергената). Такође је корисно размотрити могућност коришћења парних турбина за покретање великих компресорских агрегата код појединих специфичних процесних постројења, при чему се пара на излазу из турбине може користити у технологији као грејни флуид. 3 ВОДА ЗА ОПШТУ УПОТРЕБУ Индустријски погон се најчешће снабдева водом за општу употребу из локалне дистрибутивне мреже (локални водовод), осим у случајевима када је могуће користити локалне бунаре или водозахвате (река или језеро који су у близини). Уколико се користи вода из водозахвата у близини локације постројења, такву воду је неопходно пре употребе адекватно припремити (пречистити). 4 ВОДА ЗА ХЛАЂЕЊЕ - РАСХЛАДНА ВОДА Уколико у близини не постоји погодан топлотни понор (река или језеро), за потребе обезбеђења расхладне воде код индустријских погона најчешће се користе куле за хлађење са природном или принудном циркулацијом ваздуха. Морска вода као топлотни понор може бити коришћена код приобалних локација индустријских постројења, међутим то изискује употребу скупљих материјала који су отпорни на утицај агресивних материја и запрљање. Према [2] вода на излазу из куле за хлађење најчешће има температуру o C, а на улазу у кулу 45 o C (максимално 52 o C). Уколико се за хлађење у процесном систему користи вода из природних извора температура на излазу из процесног постројења је обично ограничена на 72 o C. 5 ХЕМИЈСКИ ПРИПРЕМЉЕНА ВОДА Свежа (сирова) вода садржи одређену количину растворених соли, а претежно су то соли калцијума и магнезијума, које утичу на степен тврдоће воде. Хемијски нетретирана вода се не може користити као напојна вода код котловског постројења, будући да би то узроковало интензивно стварање наслага каменца и непожељну појаву пенушања воде у котлу. Због тога се врши хемијски третман свеже воде (декарбонизација и деминерализација) ради припреме напојне воде за употребу у котлу. Хемијски припремљена вода се често користи и код појединих технолошких процеса. Квалитет напојне воде, односно одговарајућа хемијска припрема воде и њен третман, основни су предулов за безбедан и економичан рад котлова. У јоноизмењивачким колонама из свеже (сирове) воде уклањају се катјони и анјони до одређеног захтеваног нивоа, при чему се степен тврдоће своди на потребан ниво, а концентрација појединих растворених материја у току рада котловскох постројења периодично контролише и поступком одмуљења и одсољења котла своди на захтевани ниво. Постројење за хемијску припрему воде најчешће је снабдевено парним бројем јоноизмењивачких колона, при чему је увек једна у раду, док се код друге колоне врши регенерација испуне. 6 КОМПРИМОВАНИ ВАЗДУХ Компримовани ваздух се користи за општу употребу као погонски/радни флуид, као и за пнеуматске контролере који се обично користе у оквиру система за контролу и управљање једног процесног постројења. Компримовани ваздух се најчешће припрема у централизованој компресорској станици, при чему је ниво притиска компримованог ваздуха ПРОЦЕСНА ТЕХНИКА децембар

3 ПТ Инжењерска пракса различит, и превасходно зависи од захтева потрошача. Значајан фактор који детерминише ниво радног притиска компресора је и конфигурација дистрибутивне мреже (може бити разгранате или прстенасте структуре). Уколико је дистрибутивна мрежа код система компримованог ваздуха гломазна, биће значајан и пад притиска у њој, а самим тим ће бити потребан виши радни притисак на излазу из компресора. Најчешћи нивои притисака у пнеуматским системима процесних постројења су 3, 6, 10, 20 и 30 bar. Најчешће се користе вијчани и клипни компресори са или без подмазивања уљем. Уколико се компримовани ваздух користи као инструментални ваздух (код система за контролу и управљање), овакав ваздух је неопходно боље припремити (уклонити уље и влагу) коришћењем бољих система за припрему и пречишћавање. Ако се компримовани ваздух користи као инструментациони, притисак му је обично до 3 bar, а тачка росе до -20 o C. 7 ТЕХНИЧКИ ГАСОВИ Најчешће коришћени технички гас је азот. У оквиру једног индустријског постројења, азот се дистрибуира дистрибутивном мрежом по погону из централног резервоара до потрошача, при чему се азот може производити из ваздуха у стационарном постројењу или се допремати од стране дистрибутера као утечњени гас. Кисеоник такође може бити коришћен као технички гас у различитим процесима (сечење, сагоревање фосилних горива у пећима у атмосфери обогаћеној кисеоником и тд.), а као и азот, он се складишти централно на једном месту, одакле се дистрибуира до потрошача. И кисеоник може бити произведен у стационарном постројењу из ваздуха или се може допремати од стране дистрибутера. 8 РАСХЛАДНИ СИСТЕМ Хлађење је неопходно код свих оних процеса где употреба расхладне воде није могућа и где се у технолошким процесима захтева ниво температуре расхладног флуида испод нивоа расхладне воде. Ледена вода се може користити за температуре до 10 o C, док се за ниже температуре (до -30 o C), могу користити водени раствори соли (NaCl и CaCl 2 ). Расхладни систем у предузећу је обично централизован, па се из једне расхадне подстанице (снабдевена компресорским агрегатима) расхладни флуид дистрибуира до потрошача. Табела 3. Област примене расхладних флуида према [2] Флуид 4 25 Расхладна вода Водени раствори соли или гликола Амонијак, фреони, бутан Етан, пропан Метан, ваздух, азот Водоник Нижа од -240 Хелијум 9 ВАЗДУХ ЗА ХЛАЂЕЊЕ Обично се користи околни (амбијентални) ваздух чија је прорачунска температура o C. Разлика температуре ваздуха на излазу из процеса и процесног флуида је обично o C, а снага вентилатора сведена на неоребрену површину цевног снопа је 0.16 kw/m². 10 ПРОДУКТИ САГОРЕВАЊА У високотемпературске радне медијуме [3] спадају продукти сагоревања чврстог, течног и гасовитог горива чија температура достиже вредности и до 1500 o C, као и гасови из различитих технолошких процеса (нпр. ваздух и гасови из металуршких пећи). Продукти сагоревања садрже у себи водену пару и оксиде сумпора, угљеника и азота, који се добро растварају у води и са њом могу формирати киселине, уколико је температура у систему нижа од тачке росе. Најчешће температура продуката сагоревања не сме да опадне испод 125 o C, због могуће појаве нискотемпературске корозије која се може јавити на зидовима размењивача или димног канала. Због тога се углавном температура продуката сагоревања на излазу из постројења обично креће у границама o C. Додатне проблеме стварају чађ и пепео који се таложе на површинама размењивача услед чега је потребно обезбедити повремено чишћење грејних површина. Најчешће се добијају сагоревањем природног гаса који је обично користи при надпритиску од 0,3 0,7 bar (за неке типове горионика и до 1,7 bar). Доња топлотна моћ природног гаса се креће у интервалу MJ/m stp ³, а течна горива имају доњу топлотну моћ око 40 MJ/m³. 11 ВИСОКОТЕМПЕРАТУРСКИ РАДНИ МЕДИЈУМИ Сматра се да се у ову групу радних медијума могу сврстати сви флуиди чија је температура кључања при атмосферском притиску виша од 200 o C [3]. То су најчешће органска једињења и њихове мешавине: минерална и синтетичка термална уља (минерална уља су мешавине течних угљоводоника добијених из нафте); нафталин, дифенил, глицерин, силикони; растопине соли натријума и калијума (нпр. мешавина натријумнитрита, натријумнитрида и калијумнитрида састава датог у масеним уделима 40%mas NaNO 2 + 7%mas NaNO %mas KNO 3 ); течни метали (натријум, калијум, бизмут, олово и већи број легура) који се користе углавном у нуклеарној техници. Заједничко за све ове радне медијуме је да су одлични носиоци топлоте и да не захтевају високе радне притиске (обично до 10 bar). Углавном нису хемијски агресивни (осим неких врста минералних уља) и због релативно великих специфичних топлотних капацитета не захтевају цевоводе великих пречника. При њиховом коришћењу треба посебно обратити пажњу на температуру топљења (стињавања). У случају да по заустављању технолошке линије постоји могућност стињавања радне материје 16 децембар ПРОЦЕСНА ТЕХНИКА

4 Инжењерска пракса ПТ потребно је предвидети такву диспозицију опреме у оквиру постројења која омогућава цеђење радне материје из цевовода пре него до тога уопште и дође. Температура топљења и кључања на атмосферском притиску за неке високотемпературске радне медијуме су дате у табели ПРИКУПЉАЊЕ ПОДАТАКА О ЕНЕРГЕТСКИМ РЕСУРСИМА ПРОЦЕСНИХ ПОСТРОЈЕЊА За потребе пројектовања или израде других облика техничке документације прикупљање података о енергетским ресурсима процесних постројења се ври у склопу општег пшрикупљања података за комплетно постројење. У прилогу је приказан типичан упитник за прикупљање података за процесна постројења, који се може проширивати у зависности од специфичности технолошког процеса. Литература [1] Sinnott, R. K., Chemical Engineering Volume 6, 3rd edition, Butterworth-Heinemann, Boston, [2] Walas, S. M., Chemical Process Equipment - Selection and Design, Butterworth-Heinemann, Boston, [3] Јаћимовић, Б., Генић, С., Топлотне операције и апарати, Део 1: Рекуперативни размењивачи топлоте, Машински факултет и ВЕДЕС, Београд, Аутори Бранислав М. Јаћимовић, Машински факултет Универзитета у Београду, Краљице Марије 16, тел: , bjacimovic@mas.bg.ac.rs Запослен на Машинском факултету Универзитета у Београду од 1979., на Катедри за процесну технику у звању редовног професора. Предаје више предмета на свим нивоима студија. Поред наставе ангажован је на пословима пројектовања процесних и термотехничких постројења, димензионисању, конструисању и испитивању апарата и постројења, на изради студија, експертиза, вештачења, итд. Објавио је преко 130 научних и стручних радова и био учесник у више десетина пројеката и студија финансираних од стране надлежних Министарстава. Мирјана Стаменић, Машински факултет Београд, Краљице Марије 16, тел: , mstamenic@mas.bg.ac.rs Запослена као истраживач сарадник на Машинском факултету Универзитета у Београду од где је дипломирала и магистрирала на Одсеку за процесну. Одржава аудиторне вежбе из више предмета. Стручни испит положила 2005., а лиценцу одговорног пројектанта је стекла Аутор је већег броја научних радова објављених у домаћим и међународним часописима. Учествовала је у изради већег броја техничких документација, пројеката које је финансирало надлежно министарство, као и једног међународног пројекта који је финансиран од стране Европске Комисије. Табела 4. Температура топљења и кључања на атмосферском притиску за неке високотемпературске радне медијуме Радни медијум Хемијска формула или састав Температура топљења, o C Температура кључања, o C Дифенил C 12 H 10 69,2 255,2 Дифенилетар C 12 H 10 O 26,8 258,0 Diphyl, Downterm A, Termex 73,5% mas C 12 H 10 O 26,5% mas C 12 H 10 12,2 257 Downterm J Глицерин C 2 H 8 O 8-18,6 290 Легура натријума и калијума Минерална уља 25% mas Na 75% mas K Нафталин C 10 H 8 80,3 217,9 Натријум Na 97,8 883 Нитритнонитридна мешавина Силиконска једињења 40% mas NaNO 2 7% mas NaNO % mas KNO 3 > -105 < 400

5 ПТ Инжењерска пракса Упитник за пројектовање процесног постројења 1. Локација постројења 2. Капацитет постројења Номинални, t/god Минимални, t/god Максимални, t/god 3. Број часова рада постројења Број радних сати у току дана, h/dan Број радних сати у току године, h/god За континуална процесна постројења обично је број радних сати 24h/dan и 8000 h/god 4. Планови за проширење капацитета 5. Улазне сировине (типични захтеви за течне сировине) Састав (изражен у %mas, %mol или на други начин) Нечистоће (максимални удео %mas) Густина, kg/m3 Област дестилације, o C Почетна тачка кључања, o C Завршетак дестилације, o C Динамичка вискозност, Pa s Боја према утврђеном стандарду Постојаност боје при загревању Реактивност у интеракцији са дефинисаним реагенсом Киселост Тачка мржњења, o C Тест на корозију Процедура утврђивања квалитета финалног производа Наведени подаци су само неки од података који могу бити од интереса за течне сировине. Сваки технолошки поступак захтева обезбеђење специфичних података од интереса. За чврсте материјале је потребно дефинисати хемијски састав, удео нечистоћа и физичка својства материјала као што су густина, насипна густина, гранулометријски састав и сл. 6. Складиштење сировина Тип складишта (за чврсте производе неопходно је специфицирати и начин паковања, врсту контејнера, начин транспорта и истовара) Капацитет складишта, m3 Потребни услови складиштења притисак, bar температура, C начин транспорта Минимални Номинални Максимални 7. Финални производ (типични подаци за течности) Физичка и хемијска својства Слично као за својства сировине и за производ је потребно специфицирати величине о саставу, присуству нечистоћа (чак је строжи захтев у погледу нечистоћа будући да ова ставка утиче на могућност пласмана готовог производа на тржиште) 8. Складиштење финалног производа Минимални Номинални Максимални Тип складишта (за чврсте производе неопходно је специфицирати и начин паковања, врсту контејнера, начин транспорта и утовар) Капацитет складишта, m3 Потребни услови складиштења притисак, bar температура, C начин транспорта 9. Допремање и складиштење различитих хемикалија и катализатора 10. Климатски услови Атмосферски (барометарски) притисак, bar Температура пројектна температура по сувом термометру у летњем периоду, o C део летњег периода када се пројектна температура по сувом термометру премашује, % пројектна температура по влажном термометру, o C део летњег периода када се пројектна температура по влажном термометру премашује, % минимална пројектна температура по сувом термометру у зимском периоду, o C Ниво загађујућих једињења (компоненти) које могу утицати на процес (нпр. једињења сумпора, прашина и чврсте честице, хлориди или магла слане воде за постројења која се налазе у приобалним областима) Подаци о ветровима: брзина ветра, m/s ружа ветрова 11. Подаци о земљишту Класификација зоне земљотреса Носивост, N/m2 Ниво подземних вода, m 12. Снабдевање енергијом и другим ресурсима Електрична енергија Основни подаци о примарном снабдевању Напон, V Фреквенција, Hz Број фаза Препоручени напонски опсег за електромоторне погоне преко 150 kw до 150 kw Цена, EUR/kWh Уколико је могуће дати детаље о тарифном моделу који се примењује. Потребно је допунити условима о инсталисању електричних апарата у противексплозивној заштити према локалним прописима Снабдевање водом 18 децембар ПРОЦЕСНА ТЕХНИКА

6 Инжењерска пракса ПТ Чистоћа Корозивност Анализа садржаја чврстих честица Остали подаци Притисак, bar Минимални Максимални Потисни вод (снабдевање) Повратни вод Снабдевање водом Извор: бунари, река, море, куле за хлађење, остало Количина Димензионисање размењивача топлоте Својства талога (запрљања) Отпори провођењу топлоте Препоручени материјал за израду Систем за снабдевање воденом паром Вредност Минимални Номинални Максимални Пара високог притиска, bar температура, o C степен сувоће, % цена, EUR/t Пара средњег притиска, bar температура, o C степен сувоће, % цена, EUR/t Пара ниског притиска, bar температура, o C степен сувоће, % цена, EUR/t Систем за поврат кондезата Вредност Минимални Максимални Пара напојне воде, bar Напојна котловска вода Укупна тврдоћа, ppm, mg/l или o C Карбонатна тврдоћа, ppm, mg/l Садржај силицијумових једињења Укупне чврсте честице, ppm Остали детаљи Хемијски адитиви Процесна вода Уколико се квалитет процесне воде разликује од хемијски припремљене воде или напојне воде, неопходно је обезбедити податке као према 9.6 Квалитет Минимални Максимални Притисак у потисном воду, bar Технички гасови Притисак, bar Састав CО 2, %mol О 2, %mol CО, %mol Нечистоће, % Количина која је на располагању Компримовани ваздух Извор снабдевања изван граница постројења мобилна компресоркса јединица систем за компримовани ваздух посебна компресорска јединица Радни притисак, bar Минимални Инструментациони ваздух Извор снабдевања изван граница постројења мобилна компресоркса јединица систем за компримовани ваздух посебна компресорска јединица Радни притисак, bar Температура тачке росе, o C Посебни захтеви у погледу чистоће ваздуха (уклањање честица уља, нечистоћа и влаге) Максимални 13. Одлагање отпада Принципијелно, постоји три врсте отпадног материјала: чврст, течност и гас. Место и начин одлагања се за сваки од наведених отпадних материјала разликује. Типични захтеви у погледу начина одлагања су дати у табели, али могу постојати и многи други захтеви. Место настанка течног отпадног материјала Одмуљивање система за хлађење водом (укључује и куле за хлађење) Систем процесне канализације Систем атмосферске канализације Метод хемијског третмана отпадних вода Препоручени материјали за израду код система за: одмуљивање кула за хлађење процесну канализацију атмосферску канализацију постројења за третман отпадних вода постројења за третман отпадних гасова постројења за третман и одлагање чврстог отпада Одлагање чврстог отпада ПРОЦЕСНА ТЕХНИКА децембар