Руководство по энергетической статистике (МАЭ) - часть 14

Приложение 1

Процессы преобразования топлива и производства энергии

Производство электрической и тепловой энергии

Типы предприятий..................................

Ежегодные вопросники разделяют предприятия, производящие электроэнергию и тепло, на три группы: электростанции - предприятия, производящие только электроэнергию; теплоцентрали - предприятия, производящие только тепловую энергию; теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) - предприятия, производящие электроэнергию и тепло в совместном процессе.

Наиболее широко используемые технологические процессы производства электричества и тепла описаны ниже в разделе "Процессы производства электрической и тепловой энергии".

Электростанции

Основная доля электроэнергии, производимой без поставки тепла, вырабатывается генераторами переменного тока, которые приводятся во вращение паровыми турбинами. Пар для вращения турбин образуется при сжигании топлива (включая отходы] или при использовании тепла ядерных реакций. На электростанциях малой мощности используются также газотурбинные двигатели или двигатели внутреннего сгорания.

Пар можно также получить непосредственно из геотермальных резервуаров, хотя такой пар и (или] горячую воду, возможно, потребуется дополнительно подогреть с использованием ископаемого топлива для получения пара с качественными характеристиками по температуре и давлению, необходимыми для приведения в действие турбины.

В энергетических установках, использующих энергию воды, ветра, приливов и океанских течений, также применяются турбины для привода генераторов переменного тока и они относятся к категории электростанций. Среда (вода или ветер], обладающая кинетической энергией, проходит через турбину, приводит ее в движение и вращает генератор.

Теплоцентрали

Тепло может подаваться потребителям по сети трубопроводов или из бойлера, установленного внутри или вблизи жилого строения и обслуживающего только данное здание. Во всех случаях тепловая энергия продается потребителю путем прямой оплаты или косвенной оплаты в виде платы за жилье. Если энергоустановка предназначена для обслуживания одного или нескольких строений без использования местной или региональной сети, поставка тепловой энергии должна быть исключена из отчетности. Такое использование энергии следует включить в статистику снабжения топливом данной бойлерной установки.

В большинстве тепловых установок применяются простые котлы, использующие горючее топливо или геотермальную энергию. В некоторых странах, обладающих в избытке гидроэнергетическими ресурсами, может оказаться экономически выгодным производить пар с помощью бойлеров с электронагревателями. Геотермальная энергия используется там, где она имеется либо в "первозданном виде", либо улучшенного качества, достигаемого путем сжигания топлива для прибавления тепла геотермальному потоку.

Теплоэлектроцентрали (ТЭЦ)

Комбинированные теплоэлектрические установки (также известные как когенерационные], обеспечивают одновременную поставку электрической и тепловой энергии, вырабатываемых одним или иногда несколькими типами энергогенерирующих установок Если используются две энергетические установки, то они объединяются таким образом, что тепловой поток на выходе из первой установки служит источником энергии, поставляемой на вторую установку. Если производство тепловой энергии на ТЭЦ прекращается и она начинает вырабатывать только электроэнергию, то такая ТЭЦ становится только электростанцией и должна именно так отражаться в отчетности.

Условия эксплуатации, при которых электроэнергия, произведенная ТЭЦ, может быть классифицирована именно как "электроэнергия ТЭЦ" в настоящее время пересматриваются в Евростате, чтобы была уверенность, что учитывается эксплуатация только подлинных ТЭЦ. Поэтому статистики могут ожидать появления в ближайшее время определений, которые повлияют на отчетность по этому виду деятельности.

Теплоэлектроцентрали можно разделить на пять типов: противодавленческие, конденсационные с отбором пара, газотурбинные теплорегенерационные,

теплорегенерационные с комбинированным циклом и с использованием поршневых двигателей.

Противодавленческая ТЭЦ

Наиболее простым типом комбинированных энергетических установок является так называемая противодавленческая энергоустановка, в которой электроэнергия вырабатывается паровыми турбинами, а противодавление, действующее на пар в турбине, поддерживает температуру выходящего из турбины пара. Затем этот пар используется для производства пара или подается в районную теплосеть. Паровой котел, снабжающий паром противодавленческую турбину с теплообменником, может быть сконструирован для сжигания твердого, жидкого или газообразного топлива (см. Рис. П1.1.].

К онденсационная ТЭЦ с отбором пара

Конденсационная энергетическая установка зачастую вырабатывает только электроэнергию. Однако в конденсационных энергоустановках с отбором пара часть пара отбирается от турбины. Отобранный пар используется затем как технологический пар или подается в районную теплосеть. Паровой котел, снабжающий паром конденсационную турбину с отбором пара и теплообменником, может быть сконструирован для сжигания твердого, жидкого или газообразного топлива (см. Рис. П1.2.].

Газотурбинная теплорегенерационная ТЭЦ

В газотурбинных теплорегенерационных энергетических установках ископаемое топливо сжигается непосредственно в установке, а горячие отработанные газы, выходящие из турбины, пропускаются через котел-утилизатор. В большинстве газовых турбин для получения энергии используется природный газ, нефть или их смесь. В газотурбинных установках могут также использоваться газифицированные твердые или жидкие виды топлива, однако для этого вблизи газотурбинной установки должно размещаться соответствующее устройство для газификации (см. Рис. П1.3.].

Типичные параметры ТЭЦ

Имеется целый ряд параметров, используемых для описания характеристик ТЭЦ.

Полный коэффициент полезного действия (КПД] определяется как отношение полной энергии, поставленной системой, к потребленной ею энергии.

Если Hm обозначим как топливо, потребленное установкой, а Н и Е - как соответственно полезную тепловую и электрическую энергию, поставленную установкой, то полный КПД установки U составит:

U = (H + E) / Hm

Для определения КПД производства электроэнергии необходимо иметь метод оценки количества тепла, использованного для производства электричества. Применяемый метод известен как метод Экаберта.

Вначале выработанная полезная тепловая энергия Н пересчитывается в эквивалент поставленной энергии путем деления ее на КПД котла Rc (который представляет собой либо КПД котла, замещенного системой ТЭЦ, либо обычным котлом]:

Hc = H / Rc

Затем тепловая энергия, использованная для производства электроэнергии Не, определяется как:

He = Hm- Hc,

т.е. Не представляет собой оставшуюся часть тепловой энергии после вычитания эквивалента потребленной энергии, затраченной на производство полезного тепла.

Таким образом, коэффициент полезного действия при производстве электроэнергии выражается как:

Re = E / He

Следует отметить, что значение этого КПД зависит от КПД выбранного выше "замещенного" котла.

Удельный показатель потребления топлива, отнесенный к производству электроэнергии, определяется по формуле:

Cse= 1 / Re.

Показатель энергосбережения (S] определяет количество энергии, сэкономленной вследствие того, что при производстве энергии была использована ТЭЦ с КПД, отличающимся от КПД электростанции обычного типа Rp

S = (E / Rp) - [ Hm- (H / Rc) ]
Теплорегенерационная ТЭЦ с комбинированным циклом

В последнее время достаточно часто стали использоваться энергетические установки на природном газе с комбинированным циклом. Они включают одну или несколько газотурбинных установок, котел-утилизатор и паровую турбину.

ТЭЦ с использованием поршневых двигателей

Вместо газовой турбины может использоваться поршневой двигатель, например дизельный двигатель, соединенный с котлом-утилизатором, который в некоторых случаях подает пар для паровой турбины, обеспечивающей выработку как электроэнергии, так и тепла.

Наиболее широко используемые технологические процессы производства электроэнергии и тепла описаны в следующем разделе.

Процессы производства электрической и тепловой энергии

Паровые турбины

Хотя развитие технологий привело к тому, что в настоящее время в ТЭЦ используют поршневые двигатели и турбины внутреннего сгорания, однако паротурбинные установки остаются наиболее распространенным типом установок, используемых для комбинированного производства электрической и тепловой энергии. Паровая установка состоит из парового котла, пригодного для создания перегретого пара, который подается на противодавленческую, конденсационную или комбинированную (конденсация и отбор части пара] паровую турбину.

Конденсационные турбины

Конденсационные турбины, как правило, используются на обычных электростанциях. Перегретый пар высокого давления, получаемый в котле, проходит через турбину, где он расширяется и охлаждается. Кинетическая энергия, высвобождаемая при расширении пара, вращает турбину и генератор переменного тока, в результате чего вырабатывается электроэнергия. Для достижения максимума в выработке энергии необходимо, чтобы температура и давление пара на выходе из турбины были как можно ниже. При низкой температуре выходящего из турбины пара в нем содержится очень немного полезной энергии и большая часть оставшегося тепла обычно рассеивается в охлаждающей воде или в воздухе.

Противодавленческие энергетические установки

В противодавленческих энергетических установках (Рис. П1.1.] целью является не получение максимального количества электроэнергии, а обеспечение нужного количества тепла для потребления в технологическом процессе или в районной теплосети. Содержание энергии в отработанном паре зависит главным образом от его давления и в противодавленческих турбинах имеется возможность управлять соотношением между тепловой и электрической энергией путем изменения давления отработанного пара. Увеличение противодавления ведет к уменьшению производства электроэнергии в пользу производства тепла. Иногда возможно отбирать от турбины пар при промежуточном давлении и, в этом случае, возрастает производство тепловой энергии. В случаях, когда требуется горячая вода, что является типичным для районных теплосетей городов, отработанный пар из турбины конденсируется в "горячем конденсоре" где тепло отбирается водой, подающейся в районную сеть горячего водоснабжения.

Производство электроэнергии противодавленческой турбиной может с полным основанием считаться производством ТЭЦ.

Противодавленческие турбины являются наиболее распространенным типом турбин, используемых для комбинированной выработки тепловой и электрической энергии в промышленности. Они могут использовать любые виды твердого, газообразного или жидкого топлива. В отличие от двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин, которые выбираются в зависимости от типоразмеров, имеющихся в наличии на рынке, при использовании паровых турбин у потребителя имеется возможность планирования с учетом потребностей предприятия в энергии. Силовые установки с противодавленческими паровыми турбинами характеризуются высоким тепловым КПД, значение которого в некоторых случаях может достигать и даже превышать 90%. КПД производства электроэнергии обычно находится в диапазоне 15 - 25%.

Рис. П1.1. • Противодавленческая энергетическая установка

Конденсационные паровые турбины с отбором пара

Если отработанный пар паровой турбины полностью конденсируется и имеет низкое давление, то полезное тепло получено быть не может. Однако пар можно отобрать от турбины при промежуточном давлении. В конденсационных паровых турбинах должна быть предусмотрена возможность отбора пара для того, чтобы они считались функционально соответствующими определению ТЭЦ. В этом типе установок часть пара полностью расширяется при прохождении турбины и на выходе имеет низкие значения температуры и давления, тогда как другая порция пара отбирается из потока, поступающего на турбину, на более ранней стадии.

Тепловой КПД конденсационных турбин с отбором пара не такой высокий, как у противодавленческих турбин вследствие того, что не вся энергия отработанного пара отбирается. Некоторая ее часть (от 10 до 20%] теряется в конденсоре.

КПД производства электроэнергии конденсационных паровых турбин с отбором пара зависит от количества произведенного тепла. В полностью конденсационном режиме, когда полезное тепло не производится, КПД может достигать 40%.

В промышленных установках конденсационные паровые турбины с отбором пара используются в тех случаях, когда высокая электрическая мощность должна сочетаться с переменным спросом на тепло. Конденсационные паровые турбины с отбором пара обладают высокой гибкостью регулирования выхода пара, применяемого для технологических процессов и в районных теплосетях. Обычные противодавленческие паровые турбины, наоборот, используются там, где незначительно изменяется тепловая нагрузка.

Конденсационные паровые турбины с отбором пара обычно используются на больших ТЭЦ. Это, в частности, характерно для Северной Европы, где они могут вырабатывать электроэнергию и обеспечивать теплом районные теплосети зимой и работать в полностью конденсационном режиме летом, вырабатывая только электроэнергию. Это электричество, называемое "конденсационной энергией", не считается выработанным ТЭЦ.

Термин "конденсационное электричество" иногда используется для обозначения электроэнергии, произведенной по другим типам циклов, когда ее выработка не удовлетворяет определению одновременного использования тепловой энергии для когерентного производства электрической энергии и тепла. В особенности в паровых турбинах, даже если конденсируется незначительная часть пара, доля выработанной

электроэнергии, соответствующая количеству потерянного тепла, не должна считаться производством ТЭЦ.

На паровых энергетических установках с противодавленческими турбинами или установках конденсационного типа часто имеется возможность отбора части пара для производства тепла до того, как он пройдет через турбину. Такой отбор производится на так называемой пароредукторной установке. Тепловая энергия, полученная таким методом, не является теплом, выработанным ТЭЦ, поскольку пар не проходит через турбину, а тепловая энергия отобранного пара не используется для производства электроэнергии.

Рис. П1.2. • Конденсационные паровые турбины с отбором пара

Исходное сравнение двух предыдущих типов ТЭЦ позволяет сделать следующие выводы:

■ Противодавленческие турбины обеспечивают выработку большого количества дешевой тепловой энергии и несколько меньшего количества электроэнергии; они не могут легко адаптироваться к значительным изменениям соотношения производства тепловой и электрической энергии.

■ Конденсационные паровые турбины с отбором пара могут легко адаптироваться для удовлетворения потребностей в тепле или электроэнергии, однако платой за это является снижение энергетического КПД при увеличении нагрузки. То есть цена единицы продукции возрастает с увеличением подачи пара в конденсор.

Теплорегерационная газотурбинная установка

Производимые в большом количестве газотурбинные агрегаты охватывают диапазон мощностей от нескольких сотен киловатт до более, чем 100 МВт. Конструктивно они также весьма разнообразны: от "простых" турбин на основе авиационных двигателей, до более специфических агрегатов с весьма сложным приборным оборудованием и совершенной конструкцией турбинных лопаток. Чем более совершенной является конструкция, тем выше КПД системы. Тепловой КПД газотурбинных установок изменяется в пределах от 17% до 33% Газовые турбины могут использоваться как самостоятельные энергетические установки или совместно с паровыми установками, либо с двигателями внутреннего сгорания.

Рис. П1.3. • Теплорегенерационная газотурбинная установка

Газообразное или жидкое топливо впрыскивается в камеру, содержащую воздух под высоким давлением, где и происходит горение. Горячий газ, проходя через турбину, расширяется, а отработанные газы используются для выработки полезного тепла. Температура отработанных газов газовой турбины составляет от 400°С до 600°С, что делает возможным использование регенерированного тепла для нагрева воды, выработки перегретого технологического пара или пара для выработки электроэнергии паровой турбиной. Характеристики пара, который может быть получен, напрямую зависят от температуры отработанных газов. Максимальными нормативными значениями являются температура 480°С и давление 65 бар при прямой регенерации тепла из типичной газовой турбины.

Поскольку теплота, регенерируемая из газовой турбины, почти полностью сконцентрирована в отработанном газе, термическая регенерация ограничена только единичным теплообменником. Несмотря на эту эксплуатационную простоту, теплообменник должен иметь значительные размеры по причине большого объема используемого газа.

Так как термические характеристики потока отработанного газа весьма высоки, он сам может быть источником большого объема регенерируемого тепла. Даже с учетом ограничений, присущих установке, и ограниченных запросов потребителей, существует возможность достижения значений полного теплового КПД в диапазоне от 75% до 80% при использовании систем газотурбинных ТЭЦ.

Особенностью отработанного потока из газотурбинной установки является наличие в нем кислорода в концентрации от 16% до 17% по весу. Это позволяет применить "дожигание" -

впрыск дополнительного топлива в отработанный поток без добавления воздуха. В результате происходит дальнейшее повышение термических характеристик отработанного газа и увеличение количества регенерированного тепла. Термический КПД, получаемый с помощью такого подхода, достигает значений, близких к 100%, поскольку потеря теплоты до регенерации тепла практически равна нулю. Следует отметить, однако, что теплота, производимая при дожигании, не является теплотой, вырабатываемой ТЭЦ, а затраченное топливо и выработанное тепло должны быть отнесены к системе "теплоцентрали".

Газовые турбины могут работать с байпасом всей или части системы регенерации тепла. В этом случае остаточная тепловая энергия отработанных газов не используется для производства тепла, а выработанная электроэнергия, соответствующая части байпасных отработанных газов, считается "конденсационной" энергией, а не энергией, произведенной ТЭЦ.

КПД производства электроэнергии простыми автономными газотурбинными установками обычно ниже, чем конденсационными паровыми турбинами. Однако производственные затраты на создание простой газотурбинной установки в пересчете на киловатт мощности относительно малы и составляют только некоторую часть стоимости конденсационной паровой установки. Поэтому автономные газотурбинные установки часто используются для удовлетворения потребностей в электроэнергии при пиковых нагрузках, так как их установка не требует значительных средств и они могут быть быстро введены в эксплуатацию.

Поршневые двигатели внутреннего сгорания

Мощности двигателей внутреннего сгорания, используемых в ТЭЦ, составляют от нескольких киловатт (обычно это автомобильные двигатели] до 20 МВт. Для когенерации электроэнергии и тепла наиболее часто используются двигатели внутреннего сгорания двух основных типов:

■ Дизельные двигатели, работающие на газойле или на тяжелом жидком топливе (для двигателей мощностью от 800 до 1000 кВт].

■ Карбюраторные двигатели, использующие горючий газ (природный газ, биогаз и т.д.].

Основные отличия между ними заключаются в системе зажигания (в карбюраторных двигателях используются свечи зажигания], значении КПД при производстве электроэнергии и количестве тепла, содержащемся в отработанных газах.

Важной особенностью дизельных двигателей является их высокий КПД при производстве электроэнергии. Он находится в пределах от 35% до 41% для малых и больших установок соответственно.

Тепло регенерируется путем использования отработанных газов, охлаждения воды, масел, и тепла, содержащегося в перегретом воздухе при применении двигателей с наддувом.

Качественные характеристики тепла, регенерируемого в системах двигателей внутреннего сгорания, различны. Около 50% тепла регенерируется из отработанных газов двигателя, которые имеют высокую температуру и высокое теплосодержание. Для других источников, таких как системы охлаждения и смазки, характерны низкие температуры и, следовательно, низкое теплосодержание. Генераторы большой и средней мощности могут обеспечить получение горячей или перегретой воды и даже пара низкого давления (6-7 бар]. Усредненное значение регенерации тепла у дизельных двигателей малой мощности ограничено получением горячей воды с температурой около 90°С.

Двигатели внутреннего сгорания могут работать совместно с установками других типов, например, с паровыми или газовыми турбинами, и применяются для различных целей. Они часто используются как резервные электростанции в лечебных учреждениях, на атомных электростанциях и т.д., а также для стационарного производства энергии. В двигателях внутреннего сгорания могут использоваться газообразные и обычные жидкие виды топлива.

Рис. П1.4. • Поршневые двигатели внутреннего сгорания

Комбинированный парогазовый цикл в когенерации

В настоящее время установки с комбинированным циклом обычно состоят, по крайней мере, из двух типов систем, размещенных последовательно так, что остаточное тепло первой системы используется второй системой. В принципе, возможно составить любое сочетание рабочих циклов, однако наиболее распространенным является комбинация газотурбинной установки и обычной паровой системы.

Таким образом, тепло отработанных газов газовой турбины передает тепловую энергию паровой установке. Как отмечено выше, теплосодержание отработанных газов может быть увеличено введением дополнительной первичной энергии (топлива] в горячие газы - метод, называемый дожиганием. Если пар полностью конденсируется без отбора тепла, то электрическая энергия, произведенная системой в целом, не считается произведенной ТЭЦ.

Однако если паровая установка оборудована системой отбора тепла, то электроэнергия, произведенная газотурбинной и паровой установками, считается энергией ТЭЦ в том случае, когда тепло отбирается для использования в технологических процессах или в районной теплосети. Этот тип станции может достигать высоких значений термического КПД при превращении первичной энергии в тепло и электрическую энергию, поскольку реальный перепад температур во всей системе приближается к 1000°С по сравнению с перепадом от 550°С до 600°С, достигаемым в наиболее современных парогазотурбинных системах при работе в режиме выработки только электроэнергии.

Термический КПД электрического сегмента приближается к, а для наиболее современных больших установок может даже превосходить, 50%. Преимуществом такой системы является

более полное использование тепла отработанных газов, которое в противном случае было бы потеряно.

В последнее время комбинированные парогазовые установки стали применяться более широко, особенно в некоторых отраслях промышленности, а также в энергетическом секторе в установках средней и малой мощности. Возросшая доступность приобретения эффективных и доказавших свою пригодность газотурбинных установок должна стимулировать дальнейшее расширение использования этой технологии.

Рис. П1.5. • Комбинированный парогазовый цикл в когенерации

Производство гидроэлектроэнергии
При пропуске потока воды через специальную турбину, присоединенную к генератору, энергия движущейся воды преобразуется в электричество.

Вода может поступать из хранилища, предназначенного для снабжения турбин. Эти установки обычно представляют собой крупные энергетические станции. Малые гидростанции используют природный водоток и относятся к типу ГЭС, работающих в естественном режиме реки.

Наливные водохранилища, наполняемые насосными станциями

Электроэнергия на гидроэлектростанциях может также производиться с помощью потока воды, поступающего из специальных наливных водохранилищ, которые наполняются насосными станциями из реки или озера, расположенных ниже уровня водохранилища. В гидроаккумулирующих электростанциях (ГАЭС) электроэнергия (получаемая из национальной энергосети] используется в периоды низкого потребления (обычно ночью), для закачивания воды в наливные водохранилища, чтобы использовать ее в периоды

пиковой нагрузки, когда стоимость электроэнергии выше. Электроэнергии производится меньше, чем используется для закачивания воды в расположенное выше водохранилище. Однако процедура является экономически выгодной, если затраты, сэкономленные за счет отказа от использования менее эффективных тепловых электростанций, превосходят стоимость производства такого же количества электроэнергии на ГАЭС. Методика включения электроэнергии, вырабатываемой ГАЭС, в энергетический баланс рассмотрена в Разделе 3 Главы 7.

Тепловые насосы.........................................................

Тепловые насосы представляют собой устройства, предназначенные для передачи тепла от холодного источника к более нагретой среде, и могут использоваться для отбора тепла извне строений для обогрева внутренних помещений. Обычно они имеют электропривод и могут обеспечить эффективные способы отопления. Они, однако, не получили широкого распространения и вносят незначительный вклад в национальные энергетические поставки.

Тепло, вырабатываемое тепловым насосом, является теплом, отобранным от более холодного источника, и теплом, эквивалентным количеству электроэнергии, использованной для привода насоса. В тех случаях, когда тепловой насос отбирает тепло из природного источника (например, из окружающего воздуха или грунтовых вод], производство представляет собой комбинацию производств первичного и вторичного тепла.

Производство нефтепродуктов

Перегонка

Сырая нефть и природный газ представляют собой смеси большого количества различных углеводородов и некоторого количества примесей. Состав этих сырьевых веществ может меняться в широких пределах в зависимости от месторождения. Нефтеперерабатывающие заводы представляют собой сложные производства, на которых сочетание и последовательность процессов, как правило, очень специфичны и определяются составом сырья (сырой нефти] и номенклатурой производимых продуктов. На нефтеперерабатывающем заводе сырая нефть разделяется на различные фракции. Затем эти фракции преобразуются в пригодные для использования продукты, которые на заключительной стадии компаундируются для получения готовых продуктов. Последние представляют собой различные виды топлива и химические вещества, используемые повседневно. На нефтеперерабатывающем заводе некоторая часть продуктов, полученных из текущих технологичеких процессов, либо вновь направляется в те же процессы, либо в новые процессы, либо в процессы предыдущего цикла или смешивается с другими продуктами для образования конечных продуктов. Пример такого производства показан на Рис. П1.6. Однако нефтеперерабатывающие заводы различаются по конфигурации, интеграции процессов, типу поступающего сырья, способности адаптации к различным типам сырья, номенклатуре производимых продуктов, смесевых продуктов, размерам и конструкции установок, а также системах управления.

В числе прочих причин широкого разнообразия нефтеперерабатывающих концепций, конструкций и режимов работы нефтеперерабатывающих заводов лежат различия в стратегии владельцев, ситуации на рынке, месторасположении и уровне модернизации технологического оборудования завода, истории развития, существующей инфраструктуре и положений природоохранного законодательства. Стратегия реализации природоохранных мер также может отличаться на различных нефтеперерабатывающих заводах.

Производство большого числа разнообразных видов топлива является наиболее важной функцией нефтеперерабатывающих заводов и определяет конфигурацию и технологические процессы в целом. Тем не менее, некоторые нефтеперерабатывающие заводы могут производить ценные нетопливные продукты, такие как сырье для химической и нефтехимической промышленности. В качестве примеров можно привести производство смешанной нафты, подаваемой в установку парового крекинга, регенерированного пропилена и бутилена для изготовления полимеров и ароматических углеводородов. Другими специфическими продуктами нефтеперерабатывающих заводов являются битумы, смазочные материалы, парафины и кокс. В последние годы управление электроэнергетической отраслью во многих странах подверглось процессу либерализации, что позволило нефтеперерабатывающим заводам поставлять избыток вырабатываемой электроэнергии в энергосети общего пользования.

Рис. П1.6. • Схема типичного нефтеперерабатывающего завода

Переработка сырой нефти в пригодные для использования нефтепродукты может быть разделена на две фазы и ряд вспомогательных операций. Первой фазой является обессоливание сырой нефти с последующей ее дистилляцией для получения нескольких компонентов или фракций. Дальнейшая дистилляция более легких фракций и нафты производится с целью регенерации метана и этана для использования их в качестве топлива в процессе перегонки, сжиженного нефтяного газа (пропана и бутана], компонентов для компаундирования бензина и сырья для нефтехимической промышленности. Отделение легких продуктов осуществляется на любом нефтеперерабатывающем заводе.

Вторая фаза включает три типа различных "нисходящих поточных" процесса: соединение, разделение и переформирование фракций. Эти процессы изменяют молекулярную структуру молекул углеводородов либо путем разбиения их на молекулы меньшего размера, либо объединением для формирования больших по размеру молекул, либо

изменением структуры для получения молекул, обладающих лучшими свойствами. Целью этих процессов является превращение некоторых продуктов перегонки в товарные нефтепродукты посредством сочетания нисходящих поточных процессов. Эти процессы, определяют различные типы нефтепереработки, из которых самым простым является "гидроразделение", при котором производится только десульфуризация и каталитическое реформирование выборочных продуктов, выходящих из дистилляционной установки. Количество различных получаемых продуктов практически полностью определяется составом сырой нефти. Если номенклатура продуктов перестает удовлетворять требованиям рынка, приходится монтировать дополнительные преобразовательные установки для восстановления баланса спроса-предложения.

Запросы рынка в течение многих лет заставляли нефтеперерабатывающие заводы превращать более тяжелые фракции в легкие во все возрастающих объемах. Эти предприятия разделяют продукты отгонки на фракции вакуумного газойля и гудрона перегонкой в глубоком вакууме, а затем направляют один или оба эти продукта в соответствующую преобразовательную установку. Таким образом, включение преобразовательных установок позволяет изменить состояние выходного продукта, чтобы он соответствовал требованиям рынка, независимо от сорта сырой нефти. Количество типов и возможных сочетаний преобразовательных установок достаточно велико.

Наиболее простыми являются установки для термического крекинга, в которых отстой подвергается воздействию таких высоких температур, что большие молекулы углеводородов, находящиеся в отстое, превращаются в молекулы меньшего размера. Установки для термического крекинга могут использовать практически любое сырье, однако выход легких фракций сравнительно мал. Более совершенными являются установки для коксования, в которых весь отстой превращается в дистилляты и кокс. Чтобы увеличить степень преобразования и повысить качество продукта, разработано большое число различных каталитических крекинговых процессов, среди которых наиболее широкое распространение получили установки жидкого каталитического крекинга и гидрокрекинга. В последнее время на нефтеперерабатывающих заводах начали применяться процессы газификации остатков (отстоев], которые позволяют полностью избавиться от тяжелых остатков и преобразовать их в чистый синтетический газ, используемый для процессов перегонки нефти, а также для получения водорода, пара и электроэнергии с помощью технологий комбинированных циклов.

Производство различных видов топлива из угля

Кокс...........................................................................

Высокотемпературный кокс

Кокс производится путем пиролиза угля. Пиролиз угля представляет собой процесс нагрева угля в бескислородной среде с целью получения газов, жидкостей и твердых остатков (древесного угля и кокса]. Пиролиз угля при высоких температурах называется карбонизацией. При карбонизации имеет место несколько важных превращений. Влага улетучивается из угля при температуре от 100°С до 150°С. В температурном диапазоне от 400°С до 500°С большинство летучих веществ высвобождается в виде газа. При температурах от 600°С до 1 300°С происходит незначительная потеря летучих веществ и потеря веса весьма мала. При нагревании угля он становится пластичным и пористым вследствие выхода газов. Когда он затвердевает, в нем остается большое число трещин и пор. В данном процессе температура газов достигает значений от 1 150°С до 1 350°С, непрямым образом нагревая уголь до температур 1000°С-1 200°С при продолжительности процесса от 14 до 24 часов. Таким путем получают доменный и литейный кокс.

Рис. П1.7. • Типовой выход по массе продукции коксовых печей

Кокс может быть получен только из некоторых типов углей, обладающих пластичностью (например битуминозных, коксующихся или полубитуминозных]. Некоторые типы углей могут быть использованы как добавки для повышения производительности доменных печей, для увеличения ресурса коксовых батарей и т.д.

Кокс получают в печах, выполненных в виде батарей и состоящих из отдельных камер, количество которых доходит до 60 штук в одной батарее. Отдельные камеры коксовых печей разделены нагревательными стенками. Последние состоят из определенного числа нагревательных каналов с соплами для подачи топлива и одним или несколькими впускными воздуховодами в зависимости от высоты стенок коксовой печи. Средняя рабочая температура пустотелого кирпича, определяющая режим работы нагревательного канала, находится обычно в пределах от 1 150°С до 1 350°С. В качестве топлива используется, как правило, очищенный коксовый газ, однако могут использоваться и другие газы, такие как доменный газ, обогащенный природным газом, или чистый природный газ.

Процесс карбонизации начинается немедленно после загрузки угля. Летучие вещества и влага, выделяющиеся под действием тепла, составляют от 8% до 11% объема массы загруженного угля. Неочищенный коксовый газ по трубопроводам поступает в систему сбора. Вследствие его сравнительно высокой теплотворной способности, газ после очистки используется в качестве топлива (например, для нагрева батареи]. Уголь подогревается системой нагрева и остается в коксовой печи до тех пор, пока в центре угля температура не достигнет значений от 1 000°С до 1 100°С.

Доменный кокс должен удовлетворять определенным требованиям по размерам и прочности, чтобы поддержать процесс загрузки железной руды и флюсов (известняка или извести] в доменную печь. Кокс является источником тепла и углерода для процесса восстановления железной руды.

Литейный кокс наиболее часто используется при плавке железа и выплавке чугуна и других металлов.

После охлаждения и обработки кокс подвергается дроблению и просеиванию с целью обеспечения размеров, необходимых для его последующего использования. Мелкие куски кокса, удаляемые при просеивании, называются коксовой мелочью и часто используются на агломерационных фабриках в черной металлургии. Агломерация - это процесс, в котором мелкие частицы железной руды нагреваются в смеси с флюсами и спекаются для получения кусков больших размеров.

Продукция коксовых печей

Продукцией коксовых печей является кокс и неочищенный коксовый газ. Газ очищается путем удаления пылевых частиц и других полезных продуктов. Такими продуктами являются смолы, светлые масла (в основном бензол, толуол и ксилол], аммиак и сера. Коксовый газ является высококачественным топливом с большим содержанием водорода (от 40% до 60% по объему] и метана (от 30 до 40% по объему].

Фактический выход продуктов коксовых печей зависит от сорта угля, загруженного в печь, и продолжительности периода нагревания. Типовые значения показаны на Рис. П1.7. и представляют собой выход продуктов, выраженный в процентах от массы загруженного угля.

Низкотемпературный кокс (полукокс)

Агломерированная угольная мелочь, карбонизация которой проводится при температуре ниже 850°С, называется низкотемпературным коксом (полукоксом]. В нем содержится некоторое остаточное количество летучих веществ и он используется, в основном, как твердое бездымное топливо (см. ниже " Каменноугольные брикеты и брикетное топливо").

Каменноугольные брикеты и брикетное топливо..............

Каменноугольные брикеты

Твердые виды синтез-топлива обычно отражаются как два различных типа продуктов. Одним из них являются каменноугольные брикеты. Обычно это бездымное топливо, получаемое из мелких частиц или остаточной пыли каменного угля. Этот измельченный уголь формуется в брикеты с использованием связующих веществ или без них. Иногда связующими веществами являются другие виды топлива, такие как нефть или агломерированные восстановленные продукты, например, смола. Дополнительно процесс может включать низкотемпературный нагрев или карбонизацию брикетов при формовании. В число брикетных видов топлива входит также низкотемпературный кокс (полукокс].

Брикетированный бурый уголь (ББУ) и торфяные брикеты

Брикетированное топливо изготавливают также из бурого угля или торфа. Эти виды топлива отражаются как "Брикетированный бурый уголь" или ББУ (В КВ по европейской классификации (от немецкого названия Braunkchlenbriketts]] и могут изготавливаться с применением связующих веществ или без них. Производители бурого угля и торфяных брикетов часто используют остаточную влажность топлива для спекания частиц при высоком давлении.

Обычно каменноугольные брикеты имеют значение низшей теплотворной способности близкое, но чуть более высокое, чем у топлива, из которого они получены. В некоторых случаях это происходит вследствие добавления связующих веществ (при необходимости], но чаще всего оно является результатом удаления загрязнений и влаги из мелких частиц перед формованием брикетов. При отражении в отчете поставок для производства этих видов топлива важно включать связующие вещества (если они являются энергетическими продуктами], а также количество тепла и электроэнергии, использованных при прессовании и спекании.

Производство топлива и его использование в черной металлургии

В некоторых странах черная металлургия ограничена процессами обработки и чистовой отделки стали без производства кокса или доменного производства. Предприятия, объединяющие производство кокса и выплавку чугуна, а также обработку и чистовую отделку стали, называются заводами с полным металлургическим циклом.

Производство кокса и получение коксового газа, смол и масел описано выше. После получения кокс просеивают, а мелкие частицы кокса используются для агломерирования. Кокс загружается в доменную печь.

Агломерационные фабрики

Агломерационные фабрики подготавливают мелкодисперсную железную руду и восстанавливаемые отходы доменного и собственного производства для загрузки в доменные печи. Агломерация необходима потому, что значительная часть железной руды в настоящее время поступает с размерами кусков меньшими, чем требуется для непосредственного использования в доменных печах. Мелкие кусочки, при добавлении коксовой мелочи и тепла, сгорают и обеспечивают спекание слоя агломерированных мелкодисперсных материалов. Этот спеченный слой агломерата затем дробится на куски и просеивается с целью отбора кусков с размерами, необходимыми для загрузки в доменные печи. Коксовая мелочь, потребленная на агломерационных фабриках, рассматривается как использование горючего топлива, которое должно отображаться как потребленное в черной металлургии.

Доменное производство

Доменные печи используются для выплавки чугуна, большая часть которого переделывается в сталь. Продуктами, поставляемыми для доменных печей, являются железная руда, флюсы (известняк или известь], помогающие потоку расплавленного металла пройти через слой кокса и раскислиться, а также кокс, обеспечивающий подачу тепла и наличие открытой структуры основы для удержания руды и флюсов и дающей возможность расплавленному металлу стекать на дно доменной печи. На Рис. П1.8. показана принципиальная схема доменной печи.

Основным химическим процессом является восстановление железной руды (оксида железа] углеродом, получаемым из кокса:

Fe2 O3 + 3 CO -> Fe + 3 CO2

При осуществлении технологического процесса не весь оксид углерода (СО] превращается в диоксид углерода (CO2]; его избыток выходит из доменной печи в виде доменного газа. Наличие оксида углерода в доменном газе определяет его теплотворную способность. Температура доменного газа на входе в домну может достигать 900°С и обеспечивает большую часть потребности в тепле. Частичное сгорание топлива в доменной печи и, там где это происходит, также топлива, впрыскиваемого в воздух дутья, обеспечивает подачу остального количества тепла. Доменный газ очищается и может быть обогащен коксовым газом перед использованием для подогрева воздуха дутья и для других целей на производственной площадке. Нагреватели воздуха дутья (кауперы] отделены от доменной печи и на Рис. П1.8. не показаны.

Другие материалы впрыскиваются в воздух дутья не на каждом производстве. Цель впрыска состоит в подаче дополнительного углерода в процесс и в уменьшении потребности в коксе. В объединенном вопроснике большинство, но не все впрыскиваемые вещества считаются топливом. Эти вещества при контакте с воздухом горячего дутья частично окисляются с образованием оксида углерода, который, вместе с оксидом углерода, образующемся из кокса, проходит через шихту для восстановления оксида железа.

Отчетность по использованию доменного топлива зависит от статистических данных по процессу, предоставляемых металлургическими заводами. Из вышеизложенного и из рассмотрения производства кокса ясно, что заводы с полным металлургическим циклом являются крупными потребителями энергии и важными составляющими элементами экономики энергетики. Конкурентная природа промышленности требует значительных усилий по уменьшению расходов, среди которых энергопотребление является основным ингредиентом. Вследствие этого, большинство предприятий ведет тщательный учет

использования топлива и энергии, который весьма схож с балансом, описанным в настоящем Руководстве. Это подразумевает, что, по меньшей мере, крупные предприятия должны быть в состоянии вести отчетность по использованию топлива в каждом технологическом процессе, обеспечивая при этом, чтобы форматы собираемых данных соответствовали их внутренней пооперационной документации.

При идеальных условиях отчетности статистики должны получать данные о различных типах и количестве топлива, использованного в доменном производстве, а также данные о произведенном доменном газе. Однако маловероятно, чтобы различные количества топлива, использованные для нагрева воздуха дутья и в качестве сырья для доменной печи, могли бы быть показаны раздельно. При отсутствии этой информации в отчетности необходимо признать как факт, что весь доменный и коксовый газ, использованный в доменном производстве, израсходован на нагрев воздуха дутья и должен считаться потребленным в энергетическом секторе. Все коксы, угли или нефтепродукты должны рассматриваться как использованные для преобразования в доменном производстве.

Рис. П1.8. • Принципиальная схема доменной печи

Иногда может отражаться использование природного газа, однако характер этого использования менее ясен, поскольку он может быть использован для других целей. Если в отчетности появляется природный газ, то статистик должен проконсультироваться с лицом, предоставившим данные, о цели его использования.

Если предположить, что в наличии имеются все данные, то таким образом обеспечивается простой и практичный способ разделить использование топлива между сектором преобразования и энергетическим сектором.

Кислородно-конвертерные печи

Кислородно-конвертерные и электродуговые печи являются основными видами производства стали из передельного чугуна и лома черных металлов. Кислородноконвертерная печь представляет интерес для статистиков-энергетиков, так как во время технологического процесса высвобождается газ, аналогичный по составу доменному газу, и он, как правило, собирается вместе с ним и попадает в отчетность как часть производства доменного газа.

Кислородно-конвертерная печь загружается расплавленным передельным чугуном и некоторым количеством железного лома. В расплав вдувается кислород, который окисляет углерод, находящийся в чугуне (около 4%], уменьшая его содержание до уровня, требуемого для выплавки стали (около 0,5%]. Образующиеся оксид и диоксид углерода выводятся системой газо- и пылеулавливания. Процесс окисления приводит к разогреву расплава и способствует расплавлению добавленного лома. Таким образом, лом стабилизирует температуру процесса.

Анализ потока углерода через доменную и кислородно-конвертерную печи показывает, что почти весь (=99,5%] углерод, поставляемый в доменную печь, извлекается в виде доменного (включая кислородно-конвертерный] газа.

Природный газ

Сжиженный природный газ (СПГ).................................

СПГ является природным газом, охлажденным до температуры около -160°С, при которой превращается в жидкость при атмосферном давлении. Его объем уменьшается в 600 раз по сравнению с объемом при нормальной температуре.

Сжижение природного газа уменьшает стоимость его транспортировки на большие расстояния. При нынешнем снижении стоимости процессов сжижения, хранения и последующей регазификации СПГ, применение процедуры сжижения делает все более экономически выгодным эксплуатацию газовых месторождений, удаленных от мест потребления.

Процесс сжижения

Перед сжижением добытый газ осушают и удаляют из него кислотные компоненты. Охлаждение достигается с использованием одного или нескольких процессов, в которых газ рециркулирует с последовательным отбором сжиженных элементов. Более тяжелые газы (этан, пропан и т.д.] и инертные газы в процессе сжижения удаляются. В результате в составе сжиженного природного газа содержится больше метана (обычно 95%], чем в товарном природном газе, не подвергавшемся сжижению.

Сжижение является энергоемким процессом, требующим затрат электрической и тепловой энергии. Оба вида энергии обычно производятся на месте из природного газа, получаемого предприятием по сжижению газа.

Технологическая цепочка получения и транспортировки СПГ

Цепочка поставки сжиженного природного газа включает четыре основные стадии, первая из которых является присущей не только СПГ.

■ Добыча природного газа

■ Сжижение и хранение

■ Транспортировка

■ Хранение и регазификация

Хранилище СПГ на предприятии по сжижению природного газа и приёмные терминалы в странах-получателях аналогичны и представляют собой конструкцию типа "танк в танке". Внутренний танк обычно изготавливают из никелированной стали, а внешний - из углеродистой стали или предварительно напряжённого железобетона. Оба танка разделены термоизоляционным материалом.

Транспортировка СПГ морем осуществляется на специальных судах с двойными стенками в теплоизолированных резервуарах. Наиболее часто в конструкции судна используются сферические резервуары, частично выступающие над палубой.

В качестве топлива для судовых двигателей может использоваться как газ, так и нефть.

Хранение и транспортировка СПГ осуществляется при атмосферном давлении.

СПГ перегружается с судна в складские резервуары в пункте назначения, где подготавливается к использованию. Жидкий газ подвергается процессу регазификации, проходя через трубопроводы, нагреваемые непосредственно путем сжигания топлива или косвенно с помощью нагретых жидкостей. Газ подается в систему транспортировки природного газа для конечного использования. СПГ может использоваться для покрытия части потребления при базисной нагрузке или для экстренной поставки при пиковых нагрузках, когда возрастает потребление в газораспределительной сети. Сравнительно простой способ хранения СПГ особенно удобен там, где природные геологические условия региона с большим потреблением газа не позволяют использовать подземные емкости для хранения природного газа.

Компримированный природный газ (КПГ)......................

Компримированный природный газ (КПГ] используется во все увеличивающихся объемах в качестве чистого топлива для автомобильного транспорта. Для использования на транспорте природный газ сжимается под большим давлением (обычно 220 атм.] и хранится в специальных баллонах. Конструкция баллонов и их состояние проходят жесткий контроль, поскольку они должны не только выдерживать высокое давление, но и противостоять аварийным повреждениям и пожару. Установка и освидетельствование баллонов для хранения компримированного природного газа на небольших автотранспортных средствах редко бывает экономически выгодной по сравнению с использованием обычного топлива. Однако использование компримированного природного газа часто экономически оправдано в подвижном составе общественного транспорта.

Существуют планы организации перевозок компримированного природного газа на судах. Несмотря на наличие конструктивных проблем, связанных с хранением газа под высоким давлением, такая транспортировка позволит эксплуатировать труднодоступные месторождения природного газа, которые слишком малы, чтобы их эксплуатация была экономически выгодной посредством организации процесса сжижения природного газа.

Суда для перевозки компримированного природного газа имеют также то преимущество, что они могут разгружать свой груз в пункте назначения почти непосредственно в газораспределительную сеть. В отличие от сжиженного природного газа, необходимость в танках для хранения отсутствует.

Хранение природного газа

Складские запасы природного газа играют значительную роль в удовлетворении спроса, когда потребление или поставка подвержены быстрым изменениям. Потребность в газе существенно возрастает в холодную погоду и экономически гораздо выгоднее удовлетворять эти потребности из хранилищ газа на местах, чем создавать системы добычи и транспортировки для удовлетворения пикового потребления. Постоянно возрастает использование газохранилищ как коммерческого инструмента страхования от резкого повышения цен на газ в периоды пикового потребления.

По своим свойствам газохранилища разделяются на две основные категории, которые определяют их характеристики - сезонные и пиковые. Сезонные газохранилища, которые могут также служить для стратегических целей, должны обеспечить хранение больших объемов газа, заполняемых в периоды малого потребления, и медленную подачу в периоды большого потребления. Пиковые хранилища вмещают меньшие объемы, но должны обеспечивать быструю подачу газа в газораспределительную сеть, чтобы погасить всплески потребления.

Хранение природного газа в газообразном состоянии требует вместилищ больших объемов, поэтому очевидным решением являются подземные геологические формации с подходящими характеристиками. Понятно, что подземные полости должны не только удерживать хранимый природный газ, но также обеспечивать его извлечение для использования с желаемым уровнем расхода. Имеется три основных типа используемых хранилищ.

Истощенные месторождения нефти и природного газа

Такие хранилища представляют собой хороший вариант, поскольку месторождения по своей природе способны сохранять газ и имеют в наличии установки для закачки и извлечения газа. Обычно они имеют самую низкую стоимость, однако не всегда могут поставлять газ с высоким уровнем расхода .

Водоносные горизонты

Водоносные горизонты могут быть использованы как газохранилища при условии, что они имеют необходимые геологические характеристики. Пористый слой осадочных пород должен быть покрыт непроницаемой защитной пленкой.

Соляные полости

Полости в соляных отложениях могут образовываться природным путем или быть сформированы путем закачки воды и удаления рассола. Они обычно имеют меньшие размеры, чем приспособленные под хранилища истощенные месторождения нефти и газа, либо водоносные горизонты, однако обеспечивают высокие дебиты при откачке газа и хорошо подходят для сглаживания пиковых потребностей.

Объем газа, находящегося в полости, состоит из двух частей: извлекаемый газ и буферный газ.

Буферный (или базовый] газ представляет собой газ, наличие которого необходимо для создания давления и обеспечения работоспособности хранилища. Этот газ нельзя откачивать в течение всего периода эксплуатации полости. Его аналогом является технологическое количество нефти или газа, находящихся в трубопроводе.

Извлекаемый (или рабочий] газ - это газ, хранимый вместе с буферным газом.

Теплотворная способность

Теплотворная способность природного газа изменяется в зависимости от его состава, т.е. от количества газов, из которых он состоит. Состав газа зависит от месторождения нефти или газа, где он добывается, и осуществляемых процессов его предпродажной подготовки. Некоторые составляющие газа могут быть "инертными", не обладающими теплотворной способностью (например, двуокись углерода или азот]. Как правило, сжиженный природный газ имеет более высокое содержание метана, чем газообразный природный газ, поскольку некоторые тяжелые компоненты топлива и инертные газы удаляются в процессе сжижения.

С увеличением содержания в природном газе метана теплотворная способность, выраженная в мегаджоулях на кубический метр, снижается, а выраженная в мегаджоулях на килограмм - увеличивается.

Невозможно установить теплотворную способность природного газа без ее прямого измерения или вычисления на основе анализа состава. Вообще говоря, в национальной статистике должны использоваться значения теплотворных способностей, указанные в коммерческих контрактах для пунктов импорта, экспорта или ввода в национальную газораспределительную сеть. Процедура осреднения значений теплотворных способностей нескольких импортных потоков с различными показателями затронута при рассмотрении Вопросника по природному газу

Теплотворная способность природного газа обычно выражается в мегаджоулях на кубический метр. Измерения производятся при удельной температуре и давлении, установленных в качестве стандарта в национальной газовой промышленности или указанных в контракте на поставку. Важность знания температуры и давления газа, при которых определяется теплотворная способность, затронута при рассмотрении Вопросника по природному газу В сфере торговли газом не принято определять теплотворную способность газообразного природного газа в мегаджоулях на килограмм или гигаджоулях на тонну. Однако для справки следует указать, что теплотворная способность чистого метана при 25°С составляет 55,52 ГДж/т. Таким образом, реальные значения будут меньше указанного.

Наоборот, теплотворная способность сжиженного природного газа может быть выражена в мегаджоулях на кубический метр или в гигаджоулях на тонну. Соотношение между кубическим метром сжиженного природного газа и кубическим метром регазифицированного СПГ зависит от состава СПГ и равно приблизительно 1:600. Плотность СПГ составляет от 0,44 т/куб до 0,47 т/куб. м и также зависит от состава. Теплотворная способность регазифицированного СПГ составляет от 37,6 МДж/м3 до 41,9 МДж/м3.

содержание .. 12 13 14 15 ..