MMDT 12 2011

Украинский промышленный журнал www.mmdt.com.ua

№ 12 (144) декабрь 2011

Автономная энергетика — 2011 Когенерация: совместное производство тепловой и электрической энергии Адресное тепло: лучистые инфракрасные обогреватели «Самообеспечение» электроэнергией беспроводных датчиков в АСУ ТП

декабрь 2011

СОДЕРЖАНИЕ

Зеркало рынка 4

4

5

5

В Украине Всеукраинский съезд профессио налов САПР — форум «Технологии АСКОН». IX Международный вод ный форум Aqua Ukraine. Х Между народный промышленный форум. Украинский рынок ERP систем

Тактика внедрения 9 20

Нетрадиционная энергетика Отопление и горячее водоснабже ние может обойтись в 2—5 раз дешевле, если воспользоваться тепловыми насосами

23

Термальные фотоколлекторы Использование энергии солнечно го излучения позволяет сэконо мить до 75 % топлива, затрачива емого для приготовления горячей воды, и до 50 % — на отопление

10 27

Нетрадиционная энергетика Встраиваемые электрогенерато ры для датчиков технологических процессов

В мире Первому массовому микропро цессору Intel 4004 исполнилось 40 лет. На Пермском моторо строительном заводе создан газо генератор для малой энергетики. В Москве прошла выставка HI TECH BUILDING 2011

Тема номера 6 6

8 10

8 12

9 14

Автономная энергетика Когенерация — совместная выра ботка тепловой и электрической энергии Автономная энергетика Самая совершенная конструкция котла сама по себе не гарантиует эффективного использования топ лива. Только автоматика способна «выжать» из него максимум калорий Автономная энергетика Лучистые ИК излучатели обеспе чивают комфортные условия труда при многократном снижении за трат на производство тепла Теплообменники Кожухотрубные теплообменники но вого поколения не только экономят площадь теплопункта, но и снижают затраты на его обслуживание

24

Форум

11 31

Выставки VII специализированная выставка средств автоматизации и компо нентов промышленной электрони ки — AISS AutomaticA 2011

12 32

Конференции Форум «Деньги и технологии: решения для бизнеса»

34

Конференции IV специализированная конференция «Автоматизация. ТЭК. Украина 2011»

15 36

Анонс Читайте в следующем году: тематический анонс публикаций «ДиТ» в 2012 году РЕКЛАМА В НОМЕРЕ

Hess GmbH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3, 3 Kirchgeorg Werkzeug Maschinen . . . . 36, 15

2

ММ. Деньги и Технологии Декабрь 2011

Verein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9, 7 МВЦ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37, 16

ТАСК . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Центр бизнес технологий ТОТ . . . . . 31, 11

ЗЕРКАЛО РЫНКА

в Украине

КОРОТКО

3 ноября в Киеве прошел первый всеукраинский съезд профессионалов и любителей САПР — форум «Технологии АСКОН», на котором были представлены новые продук' ты российской компании «АСКОН» и ее партнеров — разработчиков и поставщиков программного и аппаратного обеспечения для использова' ния в САПР: Hewlett'Packard Company, SCAD Soft (Киев), НПП «Интех» (Одесса), «Центр САПР» (Львов), Инжиниринго' вая компания «ТвисТ» (Дне' пропетровск), НТЦ «АПМ», «ТЕСИС» и НТЦ «ГеММа».

8—11 ноября в Киеве про' шел IX Международный вод' ный форум AQUA UKRAINE — 2011, организованный Мини' стерством регионального раз' вития, строительства и ЖКХ Украины, Министерством эко' логии и природных ресурсов Украины, Государственным агентством водных ресурсов Украины, Messe Berlin GmbH и ООО «Международный вы' ставочный центр» при под' держке ассоциаций «Укрводо' каналэкология» и «Питьевая вода Украины». Продукцию из 18 стран мира на выставке представили свыше 200 пред' приятий и организаций. В ра' боте выставки и сопутствую' щих ей семинарах приняли участие более 5000 специали' стов из Украины, дальнего и ближнего зарубежья.

22—25 ноября в столичном Международном выставочном центре прошел Х Международ' ный промышленный форум, организованный Государст' венным агентством по управ' лению государственными кор' поративными правами и собственностью, УНК «Укр' станкоинструмент» и ООО «Международный выставоч' ный центр». В специализиро' ванных выставках «Металло' обработка», «Укрмаштех», «Укрвтортех» и «Субконтракты» приняли участие 494 компании из 32 стран мира. Форум по' сетили 10 607 специалистов различных отраслей индуст' рии. В рамках форума было представлено 5 национальных экспозиций — Белорусской Ре' спублики, Российской Феде' рации, Словацкой Республики, Турции, Чешской Республики.

4

ММ. Деньги и Технологии Декабрь 2011

Защита информации в корпоративных сетях Компания SafeNet провела 1 ноября в Киеве однодневную конференцию SafeNet Executive Day, ориентированную на специалистов по защите данных в корпоративных ИТ-системах. Слушателям конференции были представлены доклады высшего руководства и менеджеров SafeNet, а также клиентов, внедривших решения компании. Программа презентаций конференции SafeNet Executive Day: SafeNet для безопасности данных: мировой лидер в защите информации высокой ценности. — Гэри Кларк, вице-президент SafeNet; Развитие в Украине — один из приоритетов SafeNet. — Антон Порок, директор по продажам в Центральной и Восточной Европе и СНГ SafeNet; SafeNet для безопасности данных: видение и решения SafeNet для защиты информации высокой ценности. — Цион Гонен,

• • •

вице-президент по продуктам и глобальному маркетингу SafeNet; Внедрение системы управления токенами с помощью продукта SafeNet MyID. — Дмитрий Олейник, АТ «ОТП Банк»; SafeNet для безопасности данных: технологическое лидерство с самым объемным продуктовым портфолио для защиты жизненного цикла информации. — Марко Бобинак, Pre-Sales Security-консультант SafeNet; Использование решений SafeNet в информационной инфраструктуре ПАО «Проминвестбанк». — Шелемех М. А.; SafeNet для безопасности данных: представление дистрибуторов и их решений. — Богдан Тоболь, глава представительства SafeNet в России и СНГ. Выделенные синим курсивом тексты интерактивны, то есть, кликнув на заголовок, можно открыть соответствующую презентацию.

• •

• •

Украинский рынок ERP-систем доля ERP-систем составляет около 13 % рынка ПО и ИТ-услуг. Дмитрий Попинако считает, что Украина, вступив в 2008 году в ВТО, по сути, приняла вызов со стороны международного бизнеса, и отечественные предприятия уже ощущают возрастающее давление со стороны более эффективных компаний из ЕС и России. Поэтому они должны для выживания и развития модернизировать свои бизнес-процессы и начать массово применять те же системы управления, которыми пользуются мироОтечественные предприятия должны для выживания и развития вые лидеры. Если это будет осознамодернизировать свои бизнес процессы и начать массово но на уровне акционеров и применять те же системы управления, которыми пользуются менеджмента украинских компамировые лидеры ний, рынок ERP-систем будет стремительно развиваться, ведь такие системы явСогласно данным IDC Ukraine, общий объем ляются оптимальным инструментом для украинского рынка ERP в 2008 году составил повышения эффективности бизнеса. около $ 41 млн. Доли вендоров-производителей программного обеспечения для ERP-систем тогда распределялись следующим образом: SAP — 47 %, 1C — 13 %, Oracle — 11 %, Microsoft — 6 %, остальные — 23 %. В 2012 году, по мнению генерального директора компании Innoware Дмитрия Попинако, уровень продаж ERP-решений 2008 года впервые после начала кризиса будет превзойден и достигнет $50 млн, из которых примерно 40 % составит стоимость лицензий на ПО, а 60 % — услуги консалтинга, внедрения и поддержки ERP-систем. ИТ-эксперты считают, что на украинском ИТ-рынке

ЗЕРКАЛО РЫНКА

в мире

КОРОТКО

HI-TECH BUILDING 2011 Экспоненты отметили, что выставка не имеет аналогов в России и поэтому является локомотивом, продвигающим в стране решения, связанные с автоматизацией и диспетчеризацией зданий. В первый день выставки состоялись конференции «Интеллектуальное здание» и «Умный дом», на которых докладчики С новейшими технологиями рынка автоматизации зданий на выставке HI TECH BUILDING 2011 ознакомились почти 10 000 посетителей рассказали о преимуществах использования инС 8 по 10 ноября в московском ЦВК «Экс- теллектуальных технологий в проектах коммерческой и жилой недвижимости, а также поцентр» состоялась выставка, посвященная авподелились опытом успешно реализованных томатизации объектов недвижимости — HIпроектов.

TECH BUILDING 2011. Ее участниками стали Во второй день выставки при поддержке более 100 российских и зарубежных компаний. «Института пассивного дома» прошла конСреди премьер этого года: ференция «Энергосберегающие технологии веб-сервер и комнатные датчики компав строительстве — Passive House», посвянии Siemens; щенная энергоэффективным технологиям, линейка свободно программируемых позволяющим создавать и эксплуатировать контроллеров компании Johnson Controls; «пассивные» дома. серия домофонных систем, выключатеВ рамках выставки состоялось присуждение лей и светорегуляторов компании Gira; «Национальной премии» за лучшие проекты приемно-контрольные приборы, прибороссийских системных интеграторов по оснары речевого оповещения и устройства конщению корпоративной и жилой недвижимости троля доступа компании Bolid; системами автоматизации и диспетчеризации модули системы ввода-вывода, интер— HI-TECH BUILDING AWARDS 2011. Ее побенет-контроллеры и встраиваемые в шкафы дителями стали: управления ПК компании Beckhoff; решения по распределению электров номинации «Лучшее решение по автоэнергии, управлению инженерными системаматизации объектов жилой недвижимости» — ми и комплексом систем безопасности комкомпания «Ай Би Си Групп», представившая пании Эlevel; проект «Система HOMIQ в частном строительоборудование для умного дома компастве: делаем дом умным. Резиденция в городе нии Relcon Group; Kamionka (Польша)»; контроллеры Corrigo с веб-сервером и в номинации «Лучшее решение по автодвухпортовые с возможностью подключения матизации объектов коммерческой недвижимодулей расширения компании Regin; мости» — компания Intelvision с проектом «Интеллектуальное здание — МФК «Альпийконтроллеры, приводы нового поколения с регулируемой скоростью для систем ский» (Санкт-Петербург)». управления энергопотреблением зданий и Подробная информация о выставке — на сайте www.hitechbuilding.ru. технология для управления интеллектуальными окнами компании Trend Controls. Источник — пресс-центр компании «МИДЭКСПО».

• • • • • •

•

• •

•

•

Немецкие технологии производства тепла в Росии В ноябре в Татарстане утвержден проект строительства в Казани тепловой станции, генеральным подрядчиком которого станет немецкий холдинг M+W Group. Его специалисты представили решение, предполагающее возведение двух котлов-утилизаторов и двух газовых турбин, мощность каждой из которых будет

составлять 47 МВт. Турбины изготовит концерн Siemens AG. А поставка котлов и турбин заказчику будет осуществлена в модульном исполнении, что позволит строителям существенно сократить срок реализации монтажных работ на объекте. Ввод тепловой станции в эксплуатацию намечен на осень 2012 года.

15 ноября 1971 года компа ния Intel создала первый в мире микропроцессор — Intel 4004, который содержал 2,3 тыс тран зисторов. Процессор Intel Core второго поколения, выпущен ный в 2011 году, содержит поч ти 1 млрд транзисторов. Если бы Intel Core, имеющий размер 216 мм2 был изготовлен с при менением старой 10 мкм тех нологии, его размер составлял бы 21 м2 (7x3 м). По сравнению с Intel 4004 процессор Intel Core, выполненный на базе 32 нм технологии, почти в 5 тыс раз быстрее, а каждый транзис тор потребляет примерно в 5 тыс раз меньше энергии. За 40 лет стоимость транзистора уменьшилась примерно в 50 тыс раз. В ОАО «Пермский моторост роительный завод» создан уни кальный газогенератор для авиадвигателей ПД 14. В 2010 году из средств федерального бюджета на проект было выде лено около 6 млрд рублей, в 2011 году — более 5 млрд руб лей. Серийное производство двигателя запланировано на 2015 год. В 2017 году этими двигателями оснастят самолеты, а к 2020 году они будут приме няться в работе газотурбинных установок малой энергетики.

1 декабря объявлено о на чале производства в России оборудования стандарта Long Term Evolution (LTE). Для этого в Особой экономической зоне (Томская область), Nokia Siemens Networks, НПФ «Мик ран» и ОАО «РОСНАНО» созда ли совместное предприятие — ООО «Центр беспроводных технологий». К декабрю 2011 года СП выпустило 1000 базо вых станций Flexi Multiradio 10. К работе на предприятии при влечены лучшие специалисты региона, а производимое обо рудование будет доступно рос сийским операторам связи для строительства сетей 4G. В 2012 году в Грузии начнет ся строительство 17 новых гид роэлектростанций, общая мощ ность которых составит 2 ТВт. До 2015 года в Грузии будет сдано в эксплуатацию несколько новых ЛЭП, которые будут ис пользоваться для экспорта элек троэнергии в страны, гранича щие с государством, а также в некоторые страны Европы.

ММ. Деньги и Технологии Декабрь 2011

5

ТЕМА НОМЕРА

автономная энергетика

Комбинированная выработка тепла и электроэнергии

Два в одном Виктор КЛИМЕНКО, Петр САБАШУК, Александр МАЗУР, Юрий КЛИМЕНКО

Известный еще в средние века принцип совместной выработки тепловой и механи ческой энергии сегодня с выгодой может быть использован для получения тепла и электричества

Н

икакой вид энергии не обходится так дорого, как ее недостаток. Это высказывание известного индийского ученого Томи Баба никогда не звучало столь актуально, как в наши дни. Проблемы, связанные с экономичностью, техническим освоением и способами использования различных источников энергии, были и будут неотъемлемой частью деятельности человечества. А понимание принципов производства и потребления энергии сегодня составляет необходимую предпосылку для успешного управления предприятием и бизнесом. Сегодня в различных отраслях промышленности, где для получения основного продукта используются теплотехнологические процессы со сжиганием природного газа, затраты на энергоносители можно существенно сократить путем внедрения когенерационных технологий. Суть их — в совместной (комбинированной) выработке электроэнергии, теплоты и/или холода. Реализуются такие процессы, как бы «два в одном», надстройкой существующих теплогенераторов (кот-

6

ММ. Деньги и Технологии Декабрь 2011

лов, печей, сушилок) тепловым двигателем, вращающим электрогенератор. Наша статья посвящена эффективным применениям когенерации в некоторых отраслях промышленности и коммунального хозяйства, которые позволяют улучшить энергетический баланс предприятия и снизить расходы на энергоносители.

С точностью «до наоборот»

Главной особенностью большинства известных когенерационных схем (включая теплофикацию) является то, что в их основе, как и сто лет назад, лежит выработка электрической энергии. При этом теплота является вспомогательным продуктом, и ее производство улучшает экономические показатели установки. Такая организация схемы приводит к весьма важному обстоятельству, которое ограничивает применение когенерации, а именно: полной зависимости самой возможности осуществления когенераци-

ТЕМА НОМЕРА

автономная энергетика онной установки от наличия потребителя теплоты в зоне щей оптимизацию тепловой схемы и тщательное согласование рабочих параметров всех ее компонентов. расположения электростанции. Кроме того, максимальный На предприятиях, имеющих большое количество коэффициент использования теплоты топлива в этих схемах не превышает 0,75—0,8, вследствие чего при отнесесбросного тепла, когенерационные установки строятся на базе энергетических паровых турбин (противодавленчеснии выигрыша от когенерации на основной продукт (элекких или конденсационных). Огромный потенциал сбросной троэнергию) выработанная теплота может оказаться теплоты имеют также компрессорные станции магистральнеконкурентоспособной с теплотой, генерируемой в коных газопроводов. тельных централизованного теплоснабжения. А что будет, если в технологической схеме процессы генерации энергии поменять местами? Ответом на этот Сумма энергий вопрос стал способ организации когенерационных схем, Анализ энергетических характеристик когенерационразработанный Институтом технической теплофизики ных схем, выполненных на базе водогрейных котлов и гаНАН Украины совместно с запорожским ОАО «Рассвет». зотурбинных двигателей, показал, что коэффициент исНовизна предлагаемого подхода заключается в построепользования теплоты топлива и доля выработанной в нии когенерации на основе теплотехнологических процесустановке электрической энергии относительно суммарсов, которые сами по себе не нуждаются в улучшении. Наной величины энергии (электрической и тепловой) пример, в системе коммунального теплоснабжения возрастают при увеличении коэффициента полезного коэффициент полезного действия (КПД) водогрейного действия двигателей и росте тепловой нагрузки котла. котла достигает 90—92 %. Схемы когенерации с дополнительным сжиганием топлиПоэтому идея состоит в том, чтобы не нарушая эконова энергетически являются более эффективными по мическую эффективность производства основного продуксравнению со схемами комбинированной выработки, в та (теплоты), снизить за счет когенерации себестоимость которых применяются пассивные котлы-утилизаторы, производства вспомогательного продукта (электроэнертак как обеспечивают максимально возможный в теплогии), что условно эквивалентно увеличению коэффициента энергетике коэффициент использования теплоты топлиполезного дейстивя электрогенерирующей установки, вхова (свыше 90 %). дящей в состав когенерационной. В схемах когенерации с газопоршневыми двигателями Эффект экономии топлива в когенерационной устаутилизируется теплота не только выхлопных газов, но и воновке, по сравнению с раздельным производством того дяной системы охлаждения, масляной системы двигателя и же количества теплоты и электроэнергии, достигается за турбонаддува. Для них характерно более низкое содержасчет замещения части топлива, сжигавшегося в котле, теплотой выхлопных газов Экономия топлива в когенерационной установке, двигателя. Выхлопные газы газотурбинной уста- по сравнению с раздельным производством теплоты новки (ГТУ), содержащие 15 % кислорода, и электроэнергии, достигается замещением части выполняют роль окислителя топлива, регутоплива, сгоравшего в котле, теплотой выхлопных газов лированием расхода которого, как и прежде, обеспечивают необходимую тепловую мощность котла. Ясно, что минимальную тепловую мощние кислорода в продуктах сгорания. Вследствие этого для ность он будет иметь при чисто утилизационном режиме надежного сжигания топлива в котле к продуктам сгорания работы, когда топливо в его топке не сжигается. двигателя необходимо добавлять свежий воздух, доводя В когенерационных схемах в качестве двигателя для содержание кислорода в смеси до 15 %. привода электрогенератора наряду с газотурбинными приПрименение газопоршневых двигателей по сравнению меняются газопоршневые двигатели, работающие на прис газотурбинными имеет ряд существенных преимуществ: родном газе. Эти четырехтактные, с искровым зажиганием более низкую удельную стоимость установленного 1 кВт, двигатели, имеющие КПД 35—41 %, выпускаются в Харькобольшее отношение электрической мощности к тепловой, ве и Первомайске Николаевской области. больший коэффициент использования теплоты топлива на частичных нагрузках и в режиме утилизации. Оценка удельных затрат топлива в когенерационных Потенциал совмещения установках по видам вырабатываемой энергии является Принципиально возможно надстраивать энергетичесдостаточно условной. Корректно можно рассчитать толькими тепловыми двигателями теплогенераторы, работаюко общий выигрыш в топливе по сравнению с раздельной щие на различных видах топлива, однако для экономичесвыработкой того же количества тепловой и электрически выгодной эксплуатации когенерационной установки кой энергии. лучше всего зарекомендовали себя приводные двигатели, работающие на газе. Отметим, что когенерационные установки для теплотехнологических процессов в промышленРади чего стараемся? ности не имеют стандартных решений по тепловой схеме и Физически казалось бы ясно: сколько топлива сжигатипу применяемого энергетического двигателя. лось в отдельной газовой турбине, столько его в ней сжиПоэтому, учитывая разнообразные условия и требовагается и в составе когенерационной установки. Вся эконония к количеству и качеству энергии, которая будет вырамия топлива получается в котле, и поэтому выигрыш батываться на установке, каждый технологический процесс нужно было бы отнести к генерируемой теплоте. Однако требует разработки индивидуальной концепции, включаюэтот путь оценки нелогичен, так как теплота и раньше ге-

ММ. Деньги и Технологии Декабрь 2011

7

ТЕМА НОМЕРА

автономная энергетика нерировалась в котле с коэффициентом полезного действия порядка 90 %, а когенерационная установка создается ради экономичной выработки электроэнергии. Поэтому правильно считать, что теплота после модернизации котельной вырабатывается с той же эффективностью, что и ранее, а выигрыш в топливе относить к производству электроэнергии. Расчеты показывают, что минимальные расходы топлива — около 150 г у. т./кВт*ч (у. т. — условное топливо) — получаются при максимальной тепловой нагрузке котла и равны удельным расходам топлива на выработку теплоты, а максимальные (200—300 г у. т./кВт*ч) — в режиме утилизации. Как видим, этот показатель для когенерационной установки значительно ниже, чем для конденсационной тепловой электростанции (примерно 380 г у. т./кВт*ч). Технико-экономические расчеты когенерационных установок, созданных на базе отопительных котлов и газопоршневых двигателей-генераторов, показывают, что при таких же примерно уровнях себестоимости производимой электроэнергии, как и на базе газотурбинных установок, сроки окупаемости когенерационных установок почти в 2— 2,5 раза ниже, чем с газотурбинным. Эксплуатационные расходы, учитываемые при определении себестоимости, включают топливную составляющую, расходы на амортизацию, заработную плату, масло, воду, ремонт и содержание оборудования (в размере 40 % от заработной платы и амортизационных отчислений).

будут сокращаться, хотя и приведенные их значения существенно ниже нормативных показателей для электроэнергетики (10—12 лет).

Идеальные предпосылки

Если на предприятии имеется природный газ и мощный теплогенератор (например, печь), работающий непрерывно хотя бы в течение полугода, а энергетическая составляющая в себестоимости основной продукции высока, то экономически выгодно построить когенерационную установку с целью обеспечения предприятия собственной электроэнергией. Эти условия являются идеальными предпосылками для применения на предприятии комбинированной выработки теплоты и электроэнергии без внесения каких-либо изменений в регламент теплотехнологического процесса. Создание когенерационных установок на базе непрерывно работающих печей, например, для обжига керамзита, является единственно возможным и к тому же эффективным средством снижения себестоимости основной продукции благодаря дешевой вырабатываемой электроэнергии. Эти установки позволяют вырабатывать примерно 1 кВт*ч электроэнергии на каждый сжигаемый в печи кубометр природного газа. Для предприятий с установленной мощностью менее 2—3 МВт выгодно в качестве привода электрогенератора использовать газотопливные поршневые двигатели. Важно подчеркнуть, что реконструкция печей под когенерацию не вносит изменеУдельный расход условного топлива на выработку ний в технологический регламент процесэлектроэнергии составляет 140—190 г у. т./кВт*ч, са, так как сохраняются прежними темпечто в 2—2,5 раза ниже показателя для ратурные поля и расход продуктов сгорания. усредненной конденсационной электростанции Варианты эксплуатации энергетической надстройки могут различаться в зависимости от возможности предприятия утилизировать теплоту охлаждающей и масляной систем двигателя для Котельная в роли мини-ТЭЦ отопления или горячего водоснабжения. Но лучшие из них Одним из возможных вариантов реконструкции отопиотвечают условию полной и круглогодичной утилизации тельных котельных является создание когенерационной устеплоты приводного двигателя. тановки на основе водогрейного котла ПТВМ-30 путем надстройки его энергетической газотурбинной установкой мощностью 2,5 МВт. В стандартном исполнении районной Награда за радикальность котельной турбина с генератором располагаются под котПовышение энергоэффективности предприятия за счет лом, для чего котел поднимается на опорах на 2,5 м. применения когенерации в технологических процессах моВыхлопные газы газотурбинной установки с темперажет быть выражено в уменьшении себестоимости получаетурой около 440 °С, сбрасываемые в котел, обеспечивают мой продукции. Известно, например, что на выработку минимальную тепловую нагрузку — 4,37 Гкал/ч. При сжитонны цемента затрачивается около 6 млн кДж тепловой и гании в топке котла дополнительного топлива достигается 115—140 кВт*ч электрической энергии. номинальная тепловая мощность 35 Гкал/ч, а прирост расКогенерационная установка на базе типовой вращаюхода топлива на когенерационную установку составляет щейся цементной печи производительностью 150 тыс. т цена этом режиме 300 м 3 /час, или 6,3 %, относительно расмента в год с газотурбинным электрогенерирующим агрехода топлива для автономно работающего котла. гатом типа ПАЭС-2500 мощностью 2,5 МВт, работающим Удельный расход условного топлива на выработку электна природном газе, обеспечит потребность цементного роэнергии составляет соответственно 140—190 г у. т./кВт*ч, производства в электроэнергии, стоимость которой сочто в 2—2,5 раза ниже показателя для усредненной конденставляет примерно 50 % стоимости цемента. сационной электростанции. Конечно, для выработки электроэнергии требуется доСебестоимость вырабатываемой электроэнергии сополнительный (до 10 %) расход природного газа, однако уникальное свойство когенерации состоит в том, что выраставляет $0,013—0,017/кВт*ч, а срок окупаемости 3,6— 4,2 года в зависимости от графика тепловой нагрузки котбатываемая электроэнергия эквивалентна 100 % энергии, ла. По мере увеличения тарифов на электроэнергию и присодержащейся в этой «сверхрегламентной» для цементной ближения их к европейским уровням сроки окупаемости печи добавке газа.

8

ММ. Деньги и Технологии Декабрь 2011

ТЕМА НОМЕРА

автономная энергетика Объективные технические предпосылки и ожидаемые экономические выгоды убедительно подтверждают необходимость реализации метода комбинированной выработки тепловой и электрической энергии. Наградой за радикальность решения будет снижение себестоимости цемента не менее чем на 30 %, либо быстрое накопление средств (за счеи сэкономленного газа) для дальнейшей модернизации предприятия на базе современных технологий. Срок окупаемости когенерационной установки на базе цементной печи составляет примерно 1,6 года.

Выхлопные газы лучше свежего воздуха?

Многие предприятия имеют сушильные или прокалочные технологические печи с традиционным блоком подготовки теплоносителя: в горелках сжигается природный газ, а продукты сгорания разбавляются свежим воздухом до требуемой температуры. Это типично энергозатратная технология. В противовес ей когенерация позволяет создать энергосберегающую технологию, включив в блок газотурбинный двигатель с электрогенератором. Выхлопные газы газотурбиной установки могут служить теплоносителем непосредственно, если необходима температура 350—480 °С. Для обеспечения более высоких температур в горелочные устройства блока подается дополнительно топливо, и продукты его сгорания смешиваются с выхлопными газами газотурбинной установки, поддерживая заданную температуру теплоносителя на входе в сушилку. Приведем результаты расчета энергетической надстройки для семи прокалочных печей в производстве оксида титана с начальной температурой 600 °С. В этом случае каждая печь оборудуется газотурбинным двигателем мощностью 0,5 МВт, а суммарное потребление природного газа двигателями составляет 0,5 м 3/с. Согласно регламенту на вход сушильных установок подается теплоноситель с тепловой мощностью 20,4 МВт, а из газотурбинной установки с выхлопными газами поступает тепловая мощность 13,5 МВт. Дефицит тепловой мощности покрывается за счет сжигания 0,2 м 3/с топлива в горелочных устройствах, так что после энергетической надстройки суммарный расход топлива составит 0,7 м 3/с против 0,6 м 3/с до реконструкции. Можно считать, что за счет разницы в расходах топлива вырабатывается электрическая мощность 3,6 МВт, а это соответствует удельному расходу условного топлива 114 г у. т./кВт*ч. Благодаря самым низким в современной энергетике удельным капиталовложениям ($300—600 на установленный 1 кВт электрической мощности), быстрому вводу оборудования в действие, малым срокам окупаемости широкое внедрение неочевидной на первый взгляд, но в действительности высокоэффективной комбинированной генерации теплоты и электроэнергии на предприятиях теплоэнергетики, коммунального теплоснабжения, транспорта газа и других отраслях экономики позволит решить злободневные энергетические проблемы, снизить себестоимость основной продукции, обеспечить энергонезависимость предприятия, а, возможно, и войти в энергетический рынок Украины в качестве поставщика электроэнергии. Д Т &

ММ. Деньги и Технологии Декабрь 2011

9

ТЕМА НОМЕРА

автономная энергетика

Автоматизация котельного оборудования

Александр ТЕПЛОВ

«Игра» с огнем Самая совершенная конструкция котла сама по себе не является гарантией эффек тивного использования топлива. Сегодня только автоматика способна «выжать» в процессе горения дополнительные калории

Р

ешение о приобретении или модернизации существующего котельного оборудования, как известно, должно приниматься на основе технико-экономического обоснования, а не исходя лишь из соображений сиюминутной экономии. Ведь экономия путем простого уменьшения денежных расходов далеко не всегда оборачивается снижением затрат предприятия и реальным снижением себестоимости продукции. И модернизация котельного оборудования — не исключение. Принятию решения по тому или иному проекту обязательно должен предшествовать энергоаудит всех цехов, служб и подразделений завода. Затем оцениваются прогнозные потребности предприятия в теплоносителе той или иной температуры на несколько лет вперед. При этом должны учитываться как прямые производственные потребности (технологический процесс), так и общие (сюда входит и отопление помещений). Рассчитываются эффективность инвестиций и срок их окупаемости как с текущими ценами на энергоносители (электроэнергию, природный газ) и производимую продукцию, так и с прогнозными. И лишь после этого принимается решение о полной или частичной модернизации котельного оборудования, которую целесообразно увязывать с модернизацией технологического процесса или системы отопления предприятия.

10

ММ. Деньги и Технологии Декабрь 2011

Критерии оптимизации работы котлов

Каждое предприятие в определенной степени уникально, поэтому универсальных рецептов нет и быть не может. Иногда можно обойтись малой автоматизацией, в других случаях наииболее целесообразным будет замена горелок в котлах с последующим их оснащением устройствами раздельного регулирования, а иногда выгоднее просто заменить котел. Энергосбережение — целая наука, и от простого ограничения объемов потребляемого топлива толку не будет. Однако есть несколько простых принципов, которые помогут избежать «подводных камней» и сделать реализацию проекта успешной. Прежде всего, тщательно взвешивайте цели проекта. Ведь само по себе применение высоких технологий не гарантирует достижения энергоэффективности на оборудовании, которое изношено или работает в режиме, далеком от оптимального. Иногда автоматизация — это зря потраченные деньги, поскольку, например, КИП на предприятии дает недостоверные данные по причине ее физического износа. К тому же никакой сверхсовременный контроллер не компенсирует изношенности датчика или исполнительного механизма. Распространены проекты автоматизации для галочки, или

ТЕМА НОМЕРА

автономная энергетика лжеавтоматизации (как говорят специалисты), когда показания щитовых приборов просто переносятся на монитор компьютеров, а все решения по оперативному управлению и регулированию остаются за оператором. Истинная автоматизация — это передача функций пуска, останова и оперативного регулирования системы управления, которая ведет процессы в соответствии с заданными критериями оптимизации. Такими критериями, кроме минимального расхода газа, могут быть поддержание стабильного давления и температуры в общем коллекторе, максимальная полнота сгорания и минимизация вредных выбросов, обеспечение высокого уровня безопасности. Только решив, какой из критериев наиболее важен для предприятия в целом, можно понять, какая автоматизация и в каком объеме необходима. Нередко заказчик устраняется от процесса построения автоматизированной системы. Это неверно. Однако излишней является и другая крайность. Неспециалисту в области автоматизации сложно разобраться в технических деталях и отличиях оборудования от разных поставщиков. Поэтому ответственному за проект лицу со стороны предприятия-заказчика достаточно будет обратить внимание на область применения оборудования и средств автоматизации, а также на проекты, реализованные компанией-инсталлятором. Ведь в рамках одной торговой марки одновременно существуют десятки и даже сотни линеек оборудования, позволяющие решать одни и те же задачи, например, комплексную автоматизацию котельного оборудования. Известно, что эффективность построенной системы зависит от того, насколько соответствуют введенные алгоритмы технологическому оборудованию, а аппаратная база автоматики — этим алгоритмам. Как правило, принципиально новые системы превосходят по техническим характеристикам системы прошлых лет, но отстают в отработанности алгоритмов и опыте их эксплуатации. Например, в новом суперконтроллере может не реализовываться достаточно простой регулятор ввиду незавершенности разработки библиотеки элементов. Поэтому конкретные люди и место выполнения проекта в большей степени определяют оптимальный выбор компонентов автоматики, чем общемировые тенденции и последние достижения в этой области. Баланс выработки и потребления энергоресурсов необходимо соблюдать при любом режиме работы предприятия. Когда котельное оборудование работает по объективным причинам не на номинальной нагрузке, коэффициент полезного действия агрегата снижается. При этом потребление газа (в случае пониженной производительности) также уменьшается. Получается достаточно сложная, нелинейная зависимость. И разобраться в тонкостях работы теплового генератора и сделать из этого анализа правильные выводы очень трудно. Так что лучше доверить решение этой задачи специалисту, чем делать это самостоятельно.

«Человеческий фактор» и проект АСУ

На украинских предприятиях имеется общая и, увы, очень странная тенденция — начальники цехов и участков по внутрипроизводственным причинам стараются завысить средние показатели потребляемых энергоресурсов, чтобы иметь резерв по технологии и потреблению. А если бы они предоставили объективные данные по максимальному и минимальному потреблению энергии за достаточно длитель-

ный период, автоматизация была бы более эффективной. Например, большие возможности для экономии скрыты во временном согласовании производства и потребления пара. Если речь идет о когенерационной установке, то же относится и к электроэнергии. Персонал предприятия, как правило, прекрасно осведомлен о возможностях эксплуатируемого оборудования и его слабых местах, и недооценивать квалификацию собственного персонала ошибочно. Максимально использовать возможности имеющегося оборудования могут только люди, досконально его знающие, то есть служба эксплуатации предприятия (энергоцех). Сегодня для энергоаудита предприятия приглашают внешних специалистов, обученных в центрах подготовки энергоменеджеров по зарубежным программам. Но в наших реалиях в энергоаудиторы часто идут люди без должного опыта работы и понимания специфики среднего украинского предприятия. Поэтому нередко рекомендации энергоаудита применительно к котельному оборудованию сводятся к тривиальным требованиям улучшить термоизоляцию, восстановить конденсатоотводчики и организовать сбор конденсата. В то же время специалисты предприятия нередко обладают знаниями, которыми не спешат поделиться ввиду собственной незаинтересованности. И это тот потенциал, который можно и должно использовать. Существуют также эффективные тренажеры операторов котельного оборудования, систематические занятия на которых обеспечивают выработку правильных навыков и принятие эффективных решений даже на объектах с низкой степенью автоматизации. Увеличение КПД существующего котла может быть достигнуто путем замены горелок с целью обеспечения более равномерного температурного поля, а также замены автоматики котла на более современную. Одним из наиболее популярных решений является оптимизация регулирования сгорания топлива, базирующаяся на регулировании соотношения «воздух-газ» в зависимости от текущего расхода пара и его температуры. При этом часто возникает необходимость уменьшения числа горелок, поскольку при использовании существующих многогорелочных котлов (например, распространенные в Украине котлы марки «БиКЗ») стоимость автоматизации котла с 12 горелками будет выше, чем переоснащение его всего лишь четырьмя современными горелочными устройствами с раздельными автоматическими регуляторами расхода топлива и воздуха. При этом может быть достигнуто увеличение КПД до 3 %, а иногда и более. Такие решения эффективны для котлов средней и большой мощности. Более простое и недорогое решение (например, регулировка расхода газа в зависимости от потребления теплоносителя) может быть неэффективным, поскольку в нем не учитывается полнота сгорания топлива и соотношение «воздух-газ» остается неизменным. Такое решение можно рекомендовать на маломощных водогрейных или паровых котлах ввиду его дешевизны при условии, что потребная температура теплоносителя не меняется и мощность котла изменяется незначительно. А на мощных котлах тепловых электростанций альтернативы современным автоматизированным системам нет, так как даже 1—2 % повышения КПД выливаются в экономию тысяч тонн условного топлива в год только на одном энергоблоке. Вернее, есть — это замена котельного оборудования, которая потребует намного больших затрат, чем всего лишь грамотная автоматизация.ДТ&

ММ. Деньги и Технологии Декабрь 2011

11

ТЕМА НОМЕРА

автономная энергетика

Инфракрасные нагреватели

Елена ДЕМИДОВА

Адресное тепло На смену малоэффективному обогреву производственного персонала на промышлен ных предприятиях приходят лучистые инфракрасные излучатели, обеспечивающие ком фортные условия труда при многократном снижении затрат на производство тепла и, соответственно, накладных расходов заводов

И

сточником теплового потока в лучистых обогревателях является электрический или газовый нагревательный элемент, генерирующий инфракрасное (ИК) излучение и направляющий его в зону обогрева. Воздух практически прозрачен для этого излучения и нагревается за счет «вторичного тепла», то есть конвекции от предметов и людей, нагретых излучением. Такие обогреватели используют в мире уже более полувека, и основная сфера их применения

12

ММ. Деньги и Технологии Декабрь 2011

— помещения большой высоты, открытые и полуоткрытые площадки, заводские цеха, склады и строительные объекты. Применение ИК-обогревателей приводит к кардинальному снижению теплопотерь благодаря уменьшению градиента температуры по высоте, снижению температуры воздуха в рабочей зоне, а также возможности разделения помещения на зоны с различными температурными режимами, то есть использования локального «адресного» обогрева персонала.

ТЕМА НОМЕРА

автономная энергетика Инфракрасное излучение с длиной волны больше 2 мкм воспринимается в основном кожным покровом, от которого нагревается тело человека. Тепловой же поток с длиной волны до 1,5 мкм проникает через поверхность кожи, частично нагревает ее, достигает сети кровеносных сосудов и повышает температуру крови. При лучистом обогреве человеческое тело отдает большую часть избыточного тепла путем конвекции окружающему воздуху, имеющему более низкую температуру, что освежающе действует на человека и благоприятно влияет на его самочувствие. Характерные особенности лучистого обогрева: ощущаемая температура выше температуры воздуха (вдыхаемый воздух не перегрет); меньшая тепловая инерция объекта обогрева (человека); тепло концентрируется в нижней части помещения; нет необходимости в принудительной циркуляции воздуха; тепловые потери вследствие утечек через перекрытие и вентиляционніые отверстия минимальны; модульная конструкция ИК-излучателей позволяет создавать масштабируемые системы обогрева.

• • • • • •

Излучение «темное» и «светлое»

грева должны быть сблокированы с системой вентиляции, исключая возможность пуска и работы системы обогрева при неработающей вентиляции. «Темные» инфракрасные обогреватели Panrad производства итальянской компании Fraccaro (www.fraccaro.it) мощностью от 10 до 50 кВт предназначены для отопления рабочих зон цехов, мастерских, складов, ангаров и других производственных помещений больших площадей и высотой от 4 до 15 м со взрывопожарной и пожарной опасностью «В». Низкотемпературная поверхность ИК-излучателя Panrad не нарушает химический состав воздуха (не образуются токсичные газы NOx). Кроме того, продукты сгорания от обогревателя удаляются принудительно по газоходу за пределы помещения. В этих обогревателях процесс сгорания газа происходит в трубе (или сети труб). Температура излучающей поверхности труб — от 200 до 450 °C. Теплогенератор излучателя состоит из инжекционной газовой горелки, электромагнитного клапана, регулятора давления, дымососа с электродвигателем, пускового и контрольного электродов. Горелки изготовлены из углеродистой стали, а трубные нагреватели — из стальных нержавеющих труб диаметром 89 мм и длиной 6; 9 или 12 м, воздухо-/дымоходы имеют диаметр 80 мм. Теплогенератор оснащен блоком автоматики и управления.

Наиболее широкое распространение сегодня получили газовые ИК-обогреватели двух типов: керамические («светлые» с температурой поверхКомпактность лучистых горелочных ности выше 800 °C) и трубные («темные» с температурой поверхности 300—400 °C). Си- обогревателей позволяет использовать их для стемы на основе горелочных, лучистых бло- создания систем локального обогрева рабочих ков работают как на природном, так и на мест в помещениях большой высоты сжиженном газе. Основным элементом в них является горелка — керамическая панель со множеством сквозных отверстий. Газ подается в ее смеситель, «Темные» ИК-обогреватели Caloriss предлагаются на укгде перемешивается с нужным количеством воздуха и поджираинском рынке также польской компанией Eco Instal гается. Сжигание производится методом беспламенного горе(www.ecoinstal.pl). Модели EHL и EDX оснащены дутьевыми ния внутри пористой керамики, в результате чего основная горелками, в которых подача воздуха горения в смесительную часть тепла выделяется в самой панели, а не уходит в просткамеру осуществляется низкооборотным малошумящим венранство, как в конвективных нагревателях. тилятором, расположенным в блоке горелки. В «светлых» керамических горелках производства кераТеплоизлучающие трубы этих обогревателей изготовлемическая панель раскаляется до 800—1000 °C. При этом стенны из термостойкой стали с примесью титана и покрыты сики рефлектора не только отражают попадающие на них лучи, ликоновой эмульсией черного цвета, что обеспечивает высоно и сами, нагреваясь, излучают тепло в несколько более кий лучистый КПД обогревателей. Отражатели длинноволновом спектре. Такое горение обеспечивает пракИК-обогревателей EHL и EDX изготовлены из алюминия двойтически полное сжигание газа. ной полировки с высоким коэффициентом отражения теплоБлоки горелочные лучистые (БГЛ) работают на природвого излучения. Трубы линейных (L), U-образных или S-обном газе с номинальным давлением 1274 и 1960 Па или сжиразных обогревателей собираются из отдельных модулей женном газе с номинальным давлением 2940 Па. Напряжение трехметровой длины, что позволяет приспосабливать обогреэлектропитания — 24 В постоянного тока или 220 В переменватели к требованиям объекта. В больших протяженных объного тока с частотой 50 Гц. Блоки оснащены автоматикой, ектах чаще всего используются L-обогреватели. обеспечивающей подачу газа к горелке и ее розжиг в течение Применением одноступенчатых излучателей EDX достине более 20 с, а также прекращение подачи газа при погасагается довольно высокий уровень энергосбережения. Дополнии горелки за время не более 15 с. нительная экономия более 12 % топлива возможна при исКомпактность БГЛ позволяет использовать их для сопользовании излучателей EHL, оборудованных здания систем локального обогрева рабочих мест в помещедвухступенчатой горелкой, которая обеспечивает получение ниях большой высоты. Применение блоков ограничивается оптимальных параметров при работе обогревателей как на только категорией помещения по пожарной опасности 100, так и на 70 % мощности. Оба типа излучателей работают (только Г, Д, Е), поскольку продукты сгорания газа поступана природном газе или пропане. Диапазон мощности трубных ют непосредственно в помещение, в котором установлены излучателей от 13,5 до 46,1 кВт. Возможен U-, L- или S-образприборы и необходимо соблюдать дополнительные требоный монтаж излучателей в зависимости от условий объекта. вания к вентиляции (строительными нормами регламентиУровень шума, создаваемый нагревателями Caloriss, — поруется трехкратная общеобменная вентиляция помещений, рядка 50 дБ (допустимая норма — 85 дБ). Д&Т где используются газовые горелки). При этом системы обо-

ММ. Деньги и Технологии Декабрь 2011

13

ТЕМА НОМЕРА

теплообменники

Компоненты систем отопления

Алексей РЫБКА

Условия конвертации

Даже специалист с трудом отличит кожухотрубные теплообменники нового поколения от обычных трубопроводов холодной и горячей воды. Эти аппараты «невидимки» не только экономят площадь теплопункта, но и снижают затраты на его обслуживание

О

сновными элементами пластинчатых аппаратов, через которые осуществляется передача тепла от потока горячей воды в контур отопления, являются тонкие листы, обычно из нержавеющей стали. Выштампованные в них канавки различного поперечного сечения при сборке пластин в пакеты образуют две разветвленные сети трубопроводов, по одной из которых циркулирует горячая вода, а по другой — холодная. Такие теплообменники бывают разборными и неразборными. На эту конструктивную особенность аппаратов очень важно обращать внимание при оценке их характеристик, так как довольно часто в рекламных материалах приходится

14

ММ. Деньги и Технологии Декабрь 2011

сталкиваться со смешением понятий, когда под словами «пластинчатый теплообменник» понимается некий гибрид, имеющий набор свойств, полученный как бы выгодным сложением таблиц свойств этих двух разновидностей. При этом в итоговой таблице сохраняются только достоинства обоих типов ТОА, а недостатки умалчиваются. Однако устройства, обладающего таким комплексом характеристик, не существует. Конструкции новых аппаратов, разработанных и выпускаемых севастопольским предприятием «Теплообмен» (редакция «ДиТ» благодарит эту компанию за предоставленные материалы, использованные в нашей статье), в принципе такие же, что и у традиционных кожухотрубных ТОА. Они

ТЕМА НОМЕРА

теплообменники

представляют собой пучок труб, которые соединены с входным и выходным фланцами, закрепленными на кожухе (он также с двух сторон заканчивается фланцами). Однако существует ряд отличий, совокупность которых позволяет до такой степени миниатюризировать конструкцию, что поперечное сечение аппарата сравнялось с диаметром трубопроводов обвязки. При этом, благодаря малой толщине стенок трубок, резко увеличилась интенсивность теплообмена. Подчеркивая эти конструктивные и эксплуатационные особенности, разработчики назвали свое детище ТТАИ — тонкостенный теплообменный аппарат интенсифицированный.

Простая конструкция, которую нелегко повторить

Если же воспринимать ТТАИ не как элемент оборудования, а как часть трубопровода, то картина может поменяться на противоположную. Действительно, размещая ТТАИ по старинке, как элемент оборудования где-то в центре теплопункта, необходимо закрепить его на специально установленных фундаментах, да еще предусмотреть пространство выема (очистки), как полагалось для устаревших кожухотрубных аппаратов. При этом проигрыш перед пластинчатыми аппаратами будет очевиден. Но если учесть очень малый вес ТТАИ (погонный метр длины аппарата весит меньше погонного метра металлических трубопроводов, обвязывающих теплообменник), возможности его работы в любом пространственном положении (горизонтально, вертикально, под углом), его псевдоодномерность (аппараты как бы имеют один размер — длину, так как их диаметр практически неотличим от диаметра трубопроводов), то преимущества будут, безусловно, на стороне ТТАИ. Ведь этим аппаратам не требуются не только фундаменты для установки крепления, но и путевые опоры, применяемые для крепления трубопроводов. ТТАИ крепятся за счет жесткости подводящих и отводящих трубопроводов. По этой же причине для них не требуется выделения пространства, необходимого для проведения очистки, так как они настолько легки, что нет никакого смысла обслуживать их или ремонтировать на месте установки в теплопункте. Самый тяжелый ап-

Возникает вполне очевидный вопрос: почему раньше конструкторы кожухотрубных ТОА не могли уменьшить толщину стенок трубок? Потому что она определяется не только рабочим давлением воды в контуре, но и рядом технологических ограничений. Тогда наступает очередь второго вопроса: каким образом изобретатели ТТАИ смогли обойти эти ограничения? Ответ на этот вопрос не разглашается, так как он относится к разряду ноу-хау, которое разработчики не обязаны обнародовать. Попытка некоей фирмы скопировать запатентованное конструкторское решение показала, что скрупулезное воспроизведение всех элементов и их соединений в устройстве — очень зыбкая база для продви- Одномерные теплообменные аппараты жения на рынке ворованного продукта: все могут монтироваться на стенах (подобно установленные в коммунальном хозяйстве «слизанные» ТТАИ (а было их сотни) едва до- полотенцесушителям в ванных комнатах), жили до конца своего первого отопительного в том числе и на ненесущих ограждениях сезона. Отремонтировать их было невозможно, так что на следующий год тепловикам парат весит около 50 кг, что позволяет легко демонтировать пришлось устанавливать новые ТОА. его силами двух рабочих и переместить в мастерскую для выЕще совсем недавно, в начале 90-х годов, в ответ на предполнения необходимых работ. ложение применить компактные ТОА можно было услышать «резонный» ответ: «А что нам даст минимизация массогабаритных характеристик теплообменника? У нас места в теплоЭлемент дизайна помещения пунктах много». Сегодня уже практически никому не требуетТак как ТТАИ имеют практически такие же диаметры, что ся объяснять, какие возможности предоставляет уменьшение и трубопроводы системы, его обычно размещают в пучке объемов и веса ТОА. труб и теплоизолируют теми же материалами, что и трубоВ рыночных условиях, когда каждый квадратный метр попроводы, одновременно с ними. В итоге теплообменники вимещения, особенно расположенного в центральной части зуально как бы исчезают из помещения, а в сплетении труб крупных городов, ценится на вес золота, площади, высвобожпоявляется еще один отрезок. Грамотный учет и использоваденные за счет применения легких малоразмерных теплообние этих особенностей позволяет в пределе прийти к тому, менников, из разряда вспомогательных (а значит, затратных) что аппарат не занимает на объекте места в плане вообще, что переходят в основные, на которых зарабатываются деньги. в принципе является недостижимым для пластинчатых ТОА. В частности, такие одномерные теплообменники могут Теплопередача в одномерном пространстве монтироваться на стенах (как полотенцесушители в ванных Вес и габариты аппарата — безусловно, важные характекомнатах), в том числе и на ненесущих ограждениях. А так как ристики и при монтаже, и при эксплуатации. Но, пожалуй, не по стенам, как правило, все равно проложены трубы, то появменьшее значение имеет удобство компоновки ТОА на объекление еще одной не изменяет планировку помещения. Наприте. В этом пластинчатые аппараты и ТТАИ принципиально отмер, на одном из объектов аппарат расположен над проемом личаются. О пластинчатых конструкциях говорят, что они входной двери, как карниз для гардин. Более компактное обоочень компактны. Но какой смысл вкладывается в эти слова? рудование трудно себе представить. Кстати, эти свойства Действительно, они имеют вид большого или малого паралТТАИ уже обеспечили функционирование одного ночного клуба, нескольких слесарных мастерских и бытовок, появивлелепипеда и, на первый взгляд, удачнее вписываются на объекте. Однако это далеко не всегда так. Точнее, всегда так, есшихся на освободившихся площадях только благодаря замели проектант относится к ТТАИ так, как привыкли относиться не устаревших конструкций аппаратов на ТТАИ. к устаревшим кожухотрубным аппаратам.

ММ. Деньги и Технологии Декабрь 2011

15

ТЕМА НОМЕРА

теплообменники

В чем соперники равны?

Благодаря использованию новых кожухотрубных аппаратов ТТАИ индивидуальный теплопункт занимает минимум площади

Скупой платит дважды

После анализа характеристик, которые первыми буквально бросаются в глаза проектировщикам систем отопления и потребителям тепла (габаритов и удобства компоновки теплообменников), заказчики обычно обращают внимание на стоимость аппаратов и работ по их монтажу. Отметим, что при этом не стоит забывать, что в угоду минимизации цены может быть принято решение, заведомо проигрышное по техническим характеристикам (например, по ресурсным показателям) и поэтому в целом неудачное. В таком случае экономия при покупке быстро перекроется затратами на эксплуатацию, а требующий постоянного «лечения» аппарат, скорее всего, придется заменить (как тут не вспомнить пословицу «Скупой платит дважды»). Самый оптимальный подход к поиску ТОА с приемлемой ценой состоит в том, что прежде всего нужно составить перечень предлагаемых на рынке аппаратов с сопоставимыми теплогидродинамическими характеристиками (в пределах заданных требований). А затем, учитывая их габариты и удобство компоновки на объекте (эти показатели также должны быть установлены проектировщиком отопительной системы заранее), выбрать среди них тот, который имеет минимальную цену. Наш опыт свидетельствует, что при решении большинства задач ТТАИ оказываются примерно в два раза дешевле разборных пластинчатых ТОА и близки по цене к неразборным, оставаясь все же несколько дешевле. Но мы считаем, что корректным является сравнение именно с разборными пластинчатыми аппаратами, так как теплообменники ТТАИ разборные.

16

ММ. Деньги и Технологии Декабрь 2011

Для получения максимально объективной картины возможностей различных типов ТОА (а в ней, безусловно, заинтересован каждый потенциальный пользователь) необходимо сравнение аппаратов еще по нескольким важным при эксплуатации показателям. Особое место среди них принадлежит комплексу характеристик надежности, кратко определяемому как ресурс работы. Это понятие включает в себя гарантийный срок службы, время до заводского ремонта, до списания, наработки на отказ. Поскольку при изготовлении теплообменников всех типов используются материалы со стандартизированными свойствами, пластинчатые ТОА и ТТАИ имеют одинаковые показатели надежности (при условии выполнения инструкций по монтажу и соблюдения правил эксплуатации аппаратов). Отметим, что и по еще одному параметру — гидравлическому сопротивлению (оно определяет величину мощности насосов, необходимую для прокачки теплоносителей) пластинчатые аппараты и ТТАИ также находятся примерно на одном уровне, уступая, как правило, устаревшим кожухотрубным теплообменникам. Это, пожалуй, единственное преимущество устаревших кожухотрубных аппаратов, которое, однако, не является долговечным, так как их теплопередающие поверхности более склонны к образованию на них всевозможных отложений, чем теплопередающие поверхности пластинчатых аппаратов и ТТАИ. Впрочем, этот проигрыш не столь значителен, и гидродинамические характеристики современных аппаратов хорошо согласуются с характеристиками сетей, в которых они устанавливаются.

За рубежом альтернативы нет. У нас — есть

В тех случаях, когда ТОА приходится устанавливать в тесных помещениях и труднодоступных местах, где применение грузоподъемных средств является проблематичным, особенно возрастает значимость таких показателей, как удобство монтажа и обслуживания аппарата. Именно в таких условиях в последнее время располагаются теплообменники по трем основным причинам. Во-первых, владельцы помещений теплопунктов стараются сэкономить побольше полезной площади для использования ее, например, под склады или мастерские. Во-вторых, не всегда возможно демонтировать исчерпавшие свой ресурс аппараты, установленные в подвальных помещениях несколько десятилетий назад. И значит, приходится принимать решение об установке новых ТОА рядом со старыми теплообменниками. А это не такая простая задача, как кажется на первый взгляд. Третья причина заключается в том, что в последнее время в Украине нарастает тенденция перехода к принятой во всем мире идеологии оснащения зданий, в том числе и ранее построенных, индивидуальными теплопунктами, которые должны располагаться в самом здании. При этом проектировщики систем отопления практически единодушны в мнении, что в этом случае наиболее удобным вариантом является поставка теплопункта в состоянии полной заводской готовности. Сегодня индивидуальные теплопункты почти повсеместно собирают на основе пластинчатых аппаратов (к сожалению, иногда неразборных, что может создать в дальнейшем немалые проблемы при их обслуживании), которые распола-

ТЕМА НОМЕРА

теплообменники

осуществить ремонт в случае разрушения какой-либо из плагаются в центре монтажной рамы, а все остальное оборудовастин не представляется возможным. ние крепится вокруг ТОА. Столь же неприемлемы они для работы на не очень Если считать, что других современных теплообменников, чистых средах (а таковыми являются все без исключения кроме пластинчатых, не существует (за рубежом это действиныне существующие в Украине системы коммунального тельно так), то этот подход был бы у нас оправдан. Однако в хозяйства и большинство систем промышленных предпринашей стране есть альтернатива — ТТАИ. И их применение ятий), так как имеют каналы малого эквивалентного диапозволяет самым радикальным образом уменьшить габариты метра сложной пространственно-геометрической формы, индивидуального теплопункта, а значит и требования к разнедоступные не только для механической очистки, но дамерам помещения, где он будет установлен, упростить обслуже для осмотра. живание аппарата, то есть снизить эксплуатационные издержЭти аппараты хороши там, где можно ручаться за поки. В этом варианте теплообменник не монтируется стоянную чистоту сред и отсутствие нештатных ситуанепосредственно на раме, а располагается поблизости как ций, способных привести к разрушению пластин. Поэтоэлемент трубопровода. му имеет смысл говорить только о сопоставлении И это еще не все. Использование ТТАИ при создании инремонтопригодности разборных пластинчатых теплообдивидуальных теплопунктов позволило прийти к совершенно менников и ТТАИ. новому конструкторскому решению, названному нами «планшетные теплопункты». В этом случае теплопункт как достаточно заметное в помещении сооружение вообще не требует Разобрать — не собрать места для своего размещения, а оказывается как бы распреКогда говорят о достоинствах пластинчатых аппаратов, деленным по стене. Очевидно, что никакой пластинчатый (и часто приходится слышать утверждение, что их можно очень тем более разборный) теплообменник не способен обеспелегко разобрать. Но при этом возникает вопрос: «А как обсточить возможность создания таких теплопунктов, так как при ит дело со сборкой?». Дело в том, что разборные пластинчаподобном решении пришлось бы подыскивать более подхотые теплообменники действительно просто разбираются, что дящее, а значит и более ценное помещение. позволяет выполнить качественную очистку и, при необходиОчевидно, что удобство монтажа в значительной мере мости, замену вышедших из строя пластин. Но вот при обратпредопределяет и удобство обслуживания. Хотя в принципе ной операции, сборке аппарата, зачастую возникают существсе современные теплообменные аппараты по этому показавенные проблемы, а именно: теплообменники после сборки телю находятся на одном уровне: правильно смонтированный подтекают. Устранить этот дефект в аппаратах больших и даи эксплуатируемый ТОА по большому счету вообще не требует периодического обслужи- Использование ТТАИ при создании вания. Он требует мониторинга своего состояния и только по объективным показателям, индивидуальных теплопунктов позволило прийти вытекающим из анализа его данных, может к совершенно новому конструкторскому приниматься решение о необходимости ре- решению, названному «планшетные теплопункты» монта теплообменника или его технического обслуживания (например, химической отмывки теплопередающих поверхностей). Но если такое решеже средних типоразмеров без определенных навыков и спение все же принято, работы с ТТАИ потребуют значительно циального инструмента в затесненных условиях объекта удаменьших трудозатрат и, следовательно, более низкой оплаты. ется далеко не всегда. А если еще выясняется, что в процессе разборки-сборки пострадали резиновые прокладки, то ситуация вообще станоЧистота — залог долголетия вится неприглядной, так как оказывается, что стоимость комТеплообменные аппараты, как и любые другие объекты плекта прокладок довольно сложной конфигурации не нитехники, в течение срока службы могут потребовать ремонта. При этом, конечно, желательно, чтобы необходимость в чтожно мала, как можно предположить, а сопоставима с ценой самого аппарата! нем возникала как можно реже и чтобы это был как можно В этом плане теплообменники ТТАИ выглядят более менее сложный ремонт. Но это уже область, на которую распривлекательно. Во-первых, они, как уже отмечалось, напространяется действие другого критерия — «ресурсные постолько легки и просты в сборке, что выполнять их более казатели». или менее значимое обслуживание, а тем более ремонт на И если не учесть ремонтопригодность, тем более совмеместе, нет смысла: аппарат без проблем доставляется в подстно с особенностями наших систем и навыков обслуживаготовленное место. Во-вторых, после того, как теплообменния теплоэнергетического оборудования, то можно принять ник будет отстыкован от подводящих и отводящих трубоэкономически неоправданное решение. Действительно, если проводов, внутренние поверхности всех трубочек ремонт и восстановление работоспособности аппарата востановятся доступными для осмотра и механической очистобще невозможны или требуют значительных временных и ки, например, шомполом. Это, кстати, можно выполнить и финансовых затрат, то в итоге может оказаться, что привена месте. (Правда, в отличие от разборных пластинчатых апденные затраты изначально более дешевого ТОА окажутся паратов, выполнить механическую очистку от накипных и значительно большими, чем более дорогого (при покупке) других трудноудалимых отложений не удается.) Если же есть теплообменника. необходимость осмотреть и очистить межтрубную полость О ремонтопригодности неразборных аппаратов говорить (т. е. наружные поверхности трубочек), то это легко достигавообще не приходится. Так как эти аппараты неразборны, то ется благодаря тому, что трубный пучок полностью извлека-

ММ. Деньги и Технологии Декабрь 2011

17

ТЕМА НОМЕРА

теплообменники

Теплообменник ТТАИ в планшетном теплопункте, обеспечивающем отопление группы пятиэтажных зданий, не сразу удается найти в пучке труб (ТТАИ — серебристого цвета) ется из корпуса. Для этого требуется только снять с аппарата крышки, уплотняющиеся с помощью двух небольших кольцевых резиновых прокладок. Кроме того, конструкция ТТАИ позволяет легко определить дефектную трубку, если какая-нибудь из них в результате нештатной ситуации вышла из строя, и осуществить ее глушение (но не замену). Проблем с обратной операцией, сборкой, не возникает. Как отмечалось, уплотнение всех разъемных соединений осуществляется с помощью довольно простых резиновых прокладок, которые при необходимости обслуживающий персонал может вырезать из листовой резины самостоятельно. Разумеется, их можно заказать на предприятии-изготовителе, причем цена комплекта резиновых прокладок невелика.

Математически обоснованный выбор

Новые кожухотрубные теплообменные аппараты работают при температуре воды до 150 °С и давлении до 2 МПа. Кроме отопительных систем, они могут использоваться для обеспечения горячей водой объектов, в том числе с явно выраженной неравномерностью водоразбора. В таких условиях обычно применяют скоростные ТОА, но при этом требуется подбор котла и водоподогревателя на максимальную (пиковую) нагрузку. Для устранения этой дорогостоящей технической избыточности в ООО «Теплообмен» разработана нетрадиционная конструкция емкостного подогревателя в виде мо-

18

ММ. Деньги и Технологии Декабрь 2011

дуля, включающего емкость с выносным греющим элементом, в качестве которого используется ТТАИ, трубопроводы и рециркуляционный насос. Применение этого модуля позволяет обеспечить требуемые характеристики системы при использовании котла и подогревателя значительно меньших мощностей. При этом разработчикам удалось получить математические зависимости (составляющие предмет ноу-хау), которые позволяют подбирать элементы емкостного подогревателя с учетом всех особенностей графика водопотребления (абсолютные значения и длительность пиковых величин, паузы в водоразборе, количество пиков и пауз в течение суток). Благодаря этому с помощью компьютерной программы можно минимизировать затраты на создание любого уникального решения теплопункта. Сегодня с задачей подогрева воды одинаково хорошо справляются все известные типы теплообменных аппаратов. Однако для каждого из них требуются различные условия, в которых они обеспечивают процесс «температурной конвертации». И только тщательный и объективный сравнительный анализ современных конструкций теплообменников по всем основным показателям (габаритам и компоновке, цене, ресурсным показателям, ремонтопригодности, гидродинамическим характеристикам, удобству монтажа и обслуживания) поможет проектировщикам отопительных систем в выборе аппарата, «достойного во всех отношениях». Д&Т

ТАКТИКА ВНЕДРЕНИЯ

автономная энергетика

Тепловые насосы

Александр ТЕПЛОВ

Отопление и горячее водоснабжение может обойтись заводу в 2—5 раз дешевле, если он воспользуется тепловыми насосами, затрачивающими на получение 1 кВт*ч тепловой энергии всего 0,2—0,35 кВт*ч электроэнергии

Холодильник «наоборот» Т

епловой насос (ТН) представляет собой систему из трех контуров: в первом, внешнем, циркулирует теплоноситель, собирающий теплоту окружающей среды, во втором — хладагент (вещество, которое испаряется, отбирая теплоту теплоносителя, и конденсируется, отдавая теплоту теплоприемнику), в третьем — теплоприемник (вода в системах отопления и горячего водоснабжения здания). Внешний контур (коллектор) — это уложенный в землю или в воду трубопровод, в котором циркулирует незамерзающая жидкость — антифриз. Источником низкопотенциального тепла для него может служить грунт, скальная порода, вода (в озере, реке, море, скважине) и выход теплого воздуха из системы вентиляции какого-либо промышленного предприятия. Во второй контур, где циркулирует хладагент, как и в холодильнике, встроены теплообменники — испаритель и конденсатор, а также устройства, которые меняют давление хладагента, — дроссель, распыляющий его в жидкой фазе, и компрессор, сжимающий хладагент, находящийся в газообразном состоянии. Жидкий хладагент продавливается через дроссель, его давление падает, и он поступает в испаритель, где вскипает, отбирая теплоту, поставляемую коллектором из окружающей среды. Далее газ, в который превратился хладагент, всасывается в компрессор, сжимается и, нагреваясь при этом, выталкивается в конденсатор. Конденсатор является теплоотдаю-

20

ММ. Деньги и Технологии Декабрь 2011

щим узлом ТН: в нем теплота принимается водой, циркулирующей в системе отопительного контура. При этом газ охлаждается и конденсируется, чтобы вновь подвергнуться разряжению в расширительном вентиле и вернуться в испаритель. После этого рабочий цикл начинается сначала. Для работы компрессора (поддержки необходимого давления и циркуляции хладагента) его надо подключить к электросети. Отметим, что на каждый затраченный киловатт-час электроэнергии ТН вырабатывает 2,5—5 кВт*ч тепловой энергии, отношение величины которой к потребляемой электроэнергии называется коэффициентом трансформации (или коэффициентом преобразования теплоты — КПТ) и служит показателем эффективности теплового насоса. Этот показатель зависит от разности уровней температур в испарителе и конденсаторе: чем она больше, тем меньше КПТ. По этой причине ТН должен отбирать от источника низкопотенциального тепла по возможности большее количество тепловой энергии, не слишком его охлаждая. Благодаря использованию такого режима эффективность теплового насоса возрастает, поскольку при слабом охлаждении источника тепла не происходит значительного роста разницы температур. Поэтому ТН изготавливают так, чтобы масса низкотемпературного источника тепла была значительно большей, чем нагреваемая масса. В этом состоит одно из отличий ТН от традиционных (топливных) источников тепла, в

ТАКТИКА ВНЕДРЕНИЯ

автономная энергетика

которых вырабатываемая энергия зависит исключительно от теплотворной способности топлива. Поэтому ТН в каком-то смысле «привязан» к источнику низкопотенциального тепла, имеющего большую массу. Однако эта проблема может быть решена введением в тепловой насос системы массопереноса, например, прокачки воды.

Источники бросовой энергии

изводительностью 10 кВт необходимо уложить в озеро контур длиной 300 м. Чтобы трубопровод не всплывал, на 1 п. м его длины устанавливается около 5 кг груза. Для получения тепла из воздуха (например, из вытяжки системы вентиляции) используется специальная модель ТН с воздушным теплообменником. Тепло из воздуха для системы отопления и горячего водоснабжения также можно собирать в «горячих» цехах производственных предприятиях. Если тепла из внешнего контура все же недостаточно для отопления помещений в сильные морозы, практикуется эксплуатация ТН в паре с дополнительным генератором тепла (в таких случаях говорят об использовании бивалентной схемы отопления). При этом, когда уличная температура опускается ниже расчетного уровня (температуры бивалентности), в работу включается второй генератор тепла, в качестве которого чаще всего применяется небольшой электронагреватель. При слишком большой разнице между температурой на улице и в доме ТН теряет эффективность (предел применимо-

По виду теплоносителя во входном и выходном контурах насосы делят на шесть типов: «грунт — вода», «вода — вода», «воздух — вода», «грунт — воздух», «вода — воздух», «воздух — воздух». При использовании в качестве источника тепла энергии грунта трубопровод, в котором циркулирует антифриз, зарывают в землю на глубину 1 м. Минимальное расстояние между трубами коллектора — от 0,8 до 1 м. Специальной подготовки почвы не требуется. Но желательно использовать участок с влажным грунтом, если же он сухой, контур надо сделать длиннее. Ориентировочное значение тепловой мощности, приходящей- Для установки теплового насоса производительностью ся на 1 м трубопровода, — 20—30 Вт. Таким 10 кВт необходим земляной контур длиной 350—450 м, образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходим для укладки которого потребуется участок земли земляной контур длиной 350—450 м, для площадью около 400 м2 (20х20 м) укладки которого потребуется участок земли площадью около 400 м2 (20х20 м). При сти в системах отопления домов за счет откачки тепла от направильном расчете и укладке трубопроводного коллектора ружного воздуха — около 15—20 °С). Для решения этой протепла этот контур не влияет на развитие зеленых насаждеблемы применяются системы откачки тепла из грунта либо ний на территории коттеджного участка. грунтовых вод. Для этого в грунте ниже точки промерзания Если свободного участка для прокладки коллектора нет укладываются трубы, в которых циркулирует теплоноситель, или в качестве источника тепла используется скалистая поролибо (в случае обильных грунтовых вод) через теплонасосное да, трубопровод опускается в скважину. При этом не обязаоборудование прокачиваются грунтовые воды. тельно использовать одну глубокую скважину, можно пробурить несколько неглубоких, более дешевых, чтобы получить общую расчетную глубину. Иногда в качестве скважин ис«Похвальный» список пользуют фундаментные сваи. Ориентировочно один погонК преимуществам систем отопления и горячего водоный метр (п. м) скважины способен отобрать у грунта 50— снабжения, созданных на базе тепловых насосов, по сравнению с традиционными теплогенераторами относятся: 60 Вт тепловой энергии. То есть для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходима скважина глуЭкономичность. Тепловой насос использует потреббиной около 170 м. Существенно снизить необходимую глуляемую им энергию намного эффективнее любых котлов, бину скважины и увеличить отбор тепловой энергии до сжигающих топливо. Если у лучших газовых котлов конден700 Вт на на 1 п. м позволяет применение активного контура сационного типа коэффициент эффективности использовапервичного преобразователя ТН. ния топлива (часто его неправильно отождествляют с КПД) Хладагент подается непосредственно к источнику земноедва превышает единицу, то аналогичный показатель, харакго типа, что обеспечивает высокую эффективность геотертеризующий работу ТН, — коэффициент преобразования мальной отопительной системы. Испаритель устанавливают в топлива — составляет в среднем 3,5. А это означает, что ТН, грунт горизонтально ниже глубины промерзания или в скваполучив из электросети 1 кВт мощности, выдает на выходе жины диаметром 40—60 мм, пробуренные вертикально либо 3,5 кВт тепловой мощности, то есть потребитель получает под уклоном до глубины 15—30 м. Благодаря такому инжебесплатно 2,5 кВт. Поэтому применение ТН для обогрева понерному решению устройство теплообменного контура промещений гораздо эффективнее и выгоднее газовых котлов изводится на площади всего несколько квадратных метров, не (по подсчетам специалистов, при применении ТН можно потребует установки промежуточного теплообменника и дополлучить экономию газа до 10 раз по сравнению с использованительных затрат на работу циркуляционного насоса. нием газовых котлов). При использовании в качестве источника тепла близлеПовсеместность применения. Источники рассеянжащего водоема контур укладывается на дно. Этот вариант ного тепла (земля, вода и воздух) есть везде, то есть «приспециалисты считают идеальным: не слишком длинный внешродных» ограничений на установку ТН просто не существуний контур, «высокая» температура окружающей среды (темет. Даже отсутствие электросети для обеспечения пература воды в водоеме зимой всегда положительная), высо«жизнедеятельности» агрегата не помеха: для привода кий коэффициент преобразования энергии тепловым компрессора в некоторых моделях ТН используют дизельнасосом. Ориентировочное значение тепловой мощности на ные или бензиновые двигатели.

1 п. м трубопровода — 30 Вт. Значит, для установки ТН про-

•

•

ММ. Деньги и Технологии Декабрь2011

21

ТАКТИКА ВНЕДРЕНИЯ

автономная энергетика СПРАВКА

«Умножитель тепла» В 1852 году великий британский физик Уильям Томсон (лорд Кельвин) изобрел «умножитель тепла» — устройство, работающее как холодильник, включенный «наоборот». Принцип работы этого аг/ регата, получившего впоследствии название «тепловой насос», как и холодильника, основан на двух известных физических явлениях: при испарении вещества поглощается тепло, а при его кон/ денсации происходит его отдача; при повышении давления температуры испарения и кон/ денсации вещества возрастают. Основными элементами устройств/«двойняшек» являются ис/ паритель, компрессор, конденсатор и дроссель (регулятор пото/ ка), соединенные трубопроводом, в котором циркулирует хлада/ гент — вещество, способное кипеть при низкой температуре и меняющее свое агрегатное состояние с газового в одной части цикла на жидкое в другой. Работа холодильника сводится к охлаждению продуктов, и его главным компонентом является теплоизолированная камера, откуда тепло отбирается кипящим в теплообменнике/испарителе хладагентом и через теплообменник/конденсатор «выбрасывает/ ся» в помещение. В тепловом насосе главное устройство — теплообменник, с которого тепло снимается и используется для обогрева помеще/ ния, а ставшая второстепенной «морозилка» размещается за пре/ делами здания. Хотя идея, высказанная лордом Кельвином, была реализова/ на уже спустя четыре года, практическое применение тепловых насосов для отопления и горячего водоснабжения жилых, адми/ нистративных и производственных зданий началось только в 30/х годах прошлого века.

• •

•

Экологичность. Тепловой насос не только экономит деньги, но и не сжигает газ и нефтепродукты, благодаря чему исключается образование CO, СO 2 , NO х , SO 2 , PbO 2 и других оксидов, загрязняющих атмосферу, почву и водоемы. Кроме того, широкое применение ТН позволит снизить расход топлива на генерацию электричества на ТЭС (а они в Украине производят около 60 % электроэнерги). Применяемые же в тепловых насосах хладагенты не содержат хлоруглеродов и озонобезопасны. Для ТН также нет необходимости в специальной вентиляции помещений. Универсальность. Тепловой насос обладает свойством обратимости (реверсивности), благодаря чему он может отбирать тепло из воздуха дома, охлаждая его (то есть работая в режиме кондиционера), при этом вместо радиаторов к внешнему коллектору подключаются фэн-койлы. Продвинутые пользователи ТН летом избыточную тепловую энергию, поступающую от агрегата, отводят на подогрев бассейна. Безопасность. Тепловые насосы практически взрывои пожаробезопасны, поскольку для их работы не используется топливо, они не вырабатывают горючих газов или смесей. Ни одна деталь ТН не нагревается до температур, способных вызвать воспламенение горючих материалов. Остановки агрегата не приводят к его поломкам или замерзанию жидкостей. В сущности, тепловой насос опасен не более, чем холодильник. Простота эксплуатации. Тепловые насосы функционируют с использованием замкнутых контуров и не требуют затрат на эксплуатацию (кроме оплаты электроэнергии, необходимой для работы оборудования).

•

•

•

22

ММ. Деньги и Технологии Декабрь 2011

•

Надежность. Работой ТН управляет автоматика. В процессе эксплуатации система не нуждается в специальном обслуживании, возможные манипуляции (описанные в инструкции пользователя) не требуют особых навыков и доступны даже для человека, не имеющего технического образования. Все эти достоинства тепловых насосов достигаются при профессиональном проектировании систем, важной особенностью которых является их индивидуальный характер, заключающийся в оптимальном выборе стабильного источника низкопотенциальной энергии, расчете коэффициента преобразования топлива и определяемого его величиной срока окупаемости. Еще более эффективной является система на базе геотермального источника и ТН. При этом геотермальный источник может быть как естественного (выход геотермальных вод), так и искусственного (скважина с закачкой холодной воды в глубокий слой и выходом на поверхность нагретой воды) происхождения. Другое возможное применение ТН — комбинирование его с существующими системами централизованного теплоснабжения. К потребителю в этом случае может подаваться относительно холодная вода, тепло которой преобразуется ТН в тепло с потенциалом, достаточным для отопления. Но при этом вследствие меньшей температуры теплоносителя потери на пути к потребителю (пропорциональные разности температуры теплоносителя и окружающей среды) могут быть значительно уменьшены. При этом также будет уменьшен износ труб центрального отопления, поскольку холодная вода обладает меньшей коррозионной активностью, чем горячая.

Аргументы и факты

Широкому распространению ТН в нашей стране препятствует недостаточная информированность (как и в других областях нетрадиционной энергетики) соответствующих заводских служб и населения об эффективности и сроках окупаемости теплонасосных систем. Приведем два простых примера. Расчет эффективности использования ТН для дома площадью 300 м и c хорошим утеплением (теплопотери — 55 Вт/м 2). С учетом потребности в горячей воде для четырех человек в год необходимо около 45 000 кВт*ч тепловой энергии. Из 1 м 3 природного газа можно получить около 8 кВт тепловой энергии. При КПД газового котла, равном 90 %, получим из 1 м 3 газа 8х0,9 = 7,2 кВт тепловой энергии. Итого за год будет затрачено 45 000/7,2 = 6250 м 3 газа. Для этого же дома среднегодовой КПТ теплового насоса составляет около 3,5. Итого за год будет затрачено 45 000/3,5 = 12 900 кВт*ч электроэнергии. Учитывая дифференциацию цен на газ и электричество в Украине, для нашего примера стоимость 1 кВт тепла, полученного от ТН, дешевле более чем в два раза. Потенциальных покупателей пугают довольно высокие первоначальные затраты: стоимость ТН, а также строительства и монтажа коллекторной системы составляет $300— 1200 на 1 кВт установленной мощности отопления. Но грамотный расчет убедительно доказывает экономическую целесообразность применения этих установок: капиталовложения окупаются за 4—9 лет, а служат тепловые насосы по 15—20 лет до капитального ремонта.Д&Т

ТАКТИКА ВНЕДРЕНИЯ

автономная энергетика

Термальные фотоколлекторы

Александр ТЕПЛОВ

Солнечный энергодар Использование энергии солнечного излучения позволяет сэкономить до 75 % топлива, которое тратится сегодня для приготовления горячей воды, и до 50 % ископаемого горючего, расходуемого на отопление. Этих результатов можно достичь с помощью простых в эксплуатации и эффективных в производстве тепла термальных фотоколлекторов

И

скопаемое топливо в централизованной теплоэнергетике, по видимому, еще многие годы будет основным источником энергии, несмотря на то что запасы газа, нефти и угля стремительно сокращаются во всем мире, а их сжигание приводит к глобальным последствиям в виде загрязнения окружающей среды токсичными отходами и парникового эффекта, угрожающего погубить земную цивилизацию. Единственная реальная альтернатива крупным тепловым станциям на сегодняшний день — АЭС, но их еще нужно построить, а цены на традиционные углеводороды растут не по дням, а по часам. Поэтому во всем мире все большее распространение получают небольшие автономные

генераторы тепла и электричества на «чистых» энергоносителях — воде, ветре, солнечном излучении, биомассе, служившие вначале энергетическим подспорьем для небольших домов, а в последние годы вышедшие на мегаваттные уровни установленной мощности. Развитие ветроэнергетики и фотовольтаики (непосредственное преобразование энергии солнечного излучения в электрическую энергию), нарастающее в последние полвека во всем мире, Украине не по карману, а вот установка солнечных термальных систем по силам даже небольшому предприятию. Предлагаемая статья посвящена конспективному описанию возможностей этого сегмента нетради-

ММ. Деньги и Технологии Декабрь 2011

23

ТАКТИКА ВНЕДРЕНИЯ

автономная энергетика

ционной энергетики. В следующем номере «ДиТ» мы начнем обзор украинского рынка солнечных термальных систем, построенных на базе различных солнечных термальных коллекторов (называемых также фототермальными и гелиоколлекторами).

Система сбора, хранения и распределения тепла

В настоящее время наиболее универсальными, эффективными и удобными в эксплуатации считаются жидкостные гелиосистемы, содержащие три основных устройства: гелиоколлектор, преобразующий энергию солнечного излучения в тепловую; аккумулятор, поглощающий и сохраняющий тепловую энергию; соединительный трубопровод, доставляющий с минимальными потерями тепловую энергию в аккумулятор.

• • •

Гелиосистемы обычно подразделяются на одноконтурные и двухконтурные с естественной или с принудительной циркуляцией теплоносителя (вода или специальная незамерзающая жидкость). Системы с большим количеством контуров встречаются очень редко. В одноконтурных системах в солнечные коллекторы поступает и нагревается именно та вода, которая расходуется из бака-аккумулятора. Достоинства одноконтурных систем: простота конструкции, обслуживания и эксплуатации; возможность получения самого высокого (на сегодняшний день) КПД системы в целом. Недостатки одноконтурных систем: высокие требования к качеству воды (желательны низкая жесткость и высокая степень ее очистки), так как на стенках каналов солнечного коллектора оседают соли, каналы могут засориться намываемой грязью, это приводит к значительному

• • •

Классификация термальных коллекторов по принципам конструирования Современные плоские гелиоколлекторы характеризуются средним коэффициентом полезного действия около 50 % (устаревшие модели имеют КПД от 20 до 40 %). Отметим, что коэффициент полезного действия фототермального коллектора нестабилен и может определятся только для конкретных условий эксплуатации в отдельный момент времени. При этом чем меньше температура, до которой требуется нагреть теплонситель, тем выше коэффициент полезного действия гелиоколлектора (аналогичная закономерность присуща и тепловым насосам, о которых читайте на с. 20). Нанесение на поверхность коллектора поглощающего высокоселективного покрытия позволяет в облачную погоду повысить его эффективность почти на 45 %.

24

ММ. Деньги и Технологии Декабрь 2011

ухудшению эффективности или даже к полному выходу коллектора из строя (если вовремя не прочистить каналы, что в ряде случаев бывает очень затруднительно); повышенная коррозия из-за наличия растворенного в воде воздуха; практически полная невозможность нормальной работы системы при отрицательных температурах вследствие опасности разрыва труб замерзшей водой; непродолжительный эффективный срок эксплуатации (практически не более 3—5 лет). В двухконтурных гелиосистемах в контуре солнечных коллекторов находится специальный теплоноситель (обычно незамерзающая нетоксичная жидкость с антикоррозионными и антивспенивающими присадками или подготов-

• • •

ТАКТИКА ВНЕДРЕНИЯ

автономная энергетика

ленная вода), при этом тепловая энергия от теплоносителя передается воде с помощью теплообменника (спиральная труба в баке —«змеевик», внешний теплообменный аппарат или «бак в баке»). Достоинства двухконтурных систем: значительное увеличение надежности работы по сравнению с одноконтурными системами (солнечные коллекторы всегда в хорошем состоянии, так как в них исключены причины осаждения солей и грязевых отложений); возможность безопасной работы при отрицательных температурах;

• •

столь значительно, поэтому не стоит предпочитать одноконтурную систему, жертвуя при этом надежностью отопления и горячего водоснабжения.

Насос против сифона

Принцип работы систем с естественной циркуляцией теплоносителя (термосифонные системы) состоит в следующем. Разогретый теплоноситель, обладая более низкой плотностью, устремляется в верхнюю часть коллектора, в результате чего возникает разность гидростатических давлений. Если коллектор подключить

Классификация термальных коллекторов по назначению

• •

солнечные коллекторы не требуют дополнительного обслуживания; более длительный (чем у одноконтурных систем) гарантированный эффективный срок эксплуатации (от 10 до 50 лет). Недостатки двухконтурных систем: незначительное снижение эффективности работы, по сравнению с одноконтурными системами, вследствие наличия дополнительных тепловых потерь в коллекторах и трубопроводе, а также из-за необходимости применения теплообменника (около 2—5 %); если применяется незамерзающий теплоноситель, то также незначительно ухудшается эффективность системы из-за более низкой его теплопроводности (по сравнению с водой); необходимость периодической замены теплоносителя (проверка состояния выполняется каждые 6—7 лет с возможной заменой). Двухконтурные системы могут длительно эффективно и надежно работать на всей территории Украины, так как в большинстве наших водоемов вода имеет высокую жесткость, а также из-за климатических условий: даже на Южном берегу Крыма бывают морозы до -10 °С. Если каналы фототермальных коллекторов забились солями, то в большинстве случаев это приводит к необходимости полной замены устройств, так как на месте устранить такого рода неисправности практически невозможно. Снижение энергоэффективности двухконтурных систем относительно этого же показателя у одноконтурных не

• • •

к баку, который находится выше него, то возникнет самопроизвольная циркуляция теплоносителя, скорость которой зависит от конструкции коллектора, интенсивности солнечного излучения и скорости охлаждения в теплообменнике. Термосифонные системы нежелательно использовать, если общая площадь коллекторов больше 10 м 2 (согласно ВСН 52-86. «Установки солнечного горячего водоснабжения»). Достоинства термосифонных систем: простота конструкции; автономность процесса нагрева от солнца. Недостатки термосифонных систем: низкая эффективность работы системы (особенно в облачные дни, вплоть до полного отсутствия полезной работы), так как для того чтобы началось полезное движение теплоносителя, должна быть достаточно большая разница температур; высокие тепловые потери из-за низкой скорости движения теплоносителя (воды); нестабильная работа коллекторов (существует риск, что при определенных условиях прекратится движение теплоносителя либо несколько коллекторов не будут участвовать в полезной работе); возможность частого возникновения опасного перегрева бака, вследствие того что данная система не управляется; необходимость размещения массивного бака-аккумулятора выше верхней точки гелиоколлекторов (например, на крыше);

• • • • • • •

ММ. Деньги и Технологии Декабрь 2011

25

ТАКТИКА ВНЕДРЕНИЯ

автономная энергетика СПРАВКА

Земная «гелиостатистика» За год на Землю приходит 1018 кВт*ч солнечной энергии, всего 2 % которой эквивалентны энергии, получаемой от сжигания 2х1012 т условного топлива. Эта величина сопоставима с мировыми топливны( ми ресурсами —6х1012 т условного топлива, так что в перспективе солнечная энергия вполне может стать основным источником элект( ричества и тепла на нашей планете. Среди солнечных электростанций (СЭС), способных обеспечить электроэнергией, например, небольшой завод, наиболее распространены СЭС башенного типа с котлом, поднятым высоко над землей, и с большим числом параболических или плоских зеркал (гелиостатов), расположенных вокруг основания башни. Зеркала, поворачиваясь, отслеживают перемещение Солнца и направляют его лучи на паровой котел. Вырабатываемый котлом пар, так же как на тепловых электростанциях, приводит в действие турбину с электрогенератором. СЭС мощностью 0,1—10 МВт построены в США, Франции, Японии. Недавно появились проекты более мощных СЭС (до 100 МВт). Главное препятствие на пути их широкого распространения — высокая себестоимость электроэнергии, которая в 6—8 раз выше, чем вырабатываемая на тепловых электростанциях. Но с применением более простых по конструкции, а значит, и более дешевых, гелиостатов себестоимость электроэнергии, вырабатываемой СЭС, должна существенно снизиться.

•

Гелиосистемы как с естественной, так и с принудительной циркуляцией теплоносителя получили широкое распространение, но ключевыми факторами при выборе системы являются возможная температура воздуха в самый холодный период года и количество ясных солнечных дней. Термосифонные системы получили распространение в странах с теплым климатом и большим количеством ясных дней (Турция, Греция, Египет, Израиль) и используются в основном как индивидуальные. На всей территории Украины (в том числе и на юге Крыма) рекомендуется применять гелиосистемы с принудительной циркуляцией теплоносителя, так как довольно большое количество облачных дней приводит к значительному снижению эффективности термосифонных систем (на 30 %), а низкие температуры в зимний период года вынуждают принимать меры по защите от замерзания, что бывает невозможно с точки зрения надежности. Незначительные дополнительные затраты в системах с принудительной циркуляцией быстро окупаются их высокой эффективностью и безопасностью. Сравнение достоинств и недостатки описанных систем позволяет сделать вывод, что на территории Украины желательно использовать только двухконтурные системы с принудительной циркуляцией теплоносителя.

Экономика долгожительства

Так как стоимость термальных гелиосистем превышает стоимость традиционных систем теплоснабжения с той же установленной мощностью и при действующих ценах на энергоносители имеет срок окупаемости от трех до восьми лет, выход из строя системы ранее десяти лет эксплуатации не успеет возвратить вложенные в нее инвестиции и не позволит владельцу системы получить от нее «энергетическую» прибыль. Поэтому первоочередные критерии выбора гелиосистем — это высокая, долговременная эффективность и надежность.

при установке бака-аккумулятора на открытом воздухе возникают большие потери тепла, бак подвергается усиленной коррозии, также есть риск замерзания бака и патрубков в зимний период; опасность выхода из строя двухконтурной системы при условии ее отключения на зимний период со сливом воды из бака. Всех этих недостатков термосифонных систем лишены системы с принудительной циркуляцией теплоносителя. В них в контур Фототермальные коллекторы можно использовать коллекторного круга включается мав системах отопления и горячего водоснабжения, ломощный циркуляционный насос, который обеспечивает движение теплоопреснения воды, повышения эффективности носителя (его работой управляет водоочистки, прогрева грунта и т. д. специальный контроллер). Потребляемая мощность насоса значительно Гелиосистемы можно использовать практически для меньше тепловой мощности, вырабатываемой системой. Достоинства систем с принудительной циркуляцией: любых целей, где необходима низкопотенциальная теплов результате принудительной циркуляции теплоносителя вая энергия. Возможно также их использование для опрессистема работает на 30 % эффективнее системы с естественнения воды, технологических нужд (винного, кондитерсконой циркуляцией; го и других производств), повышения эффективности водоочистки, прогрева грунта и т. д. бак-аккумулятор можно устанавливать в любом удобном месте; Существуют многофункциональные или комбинировозможность эффективной работы круглогодично; ванные системы, которые могут одновременно выполнять система быстро настраивается на оптимальный режим несколько функций (горячее водоснабжение и отопление, горячее водоснабжение и нагрев воды в бассейне и т. д.). работы; Обычно они представляют собой двухконтурные системы легко и удобно контролируется работа системы; с принудительной циркуляцией теплоносителя. система является более безопасной, так как контроллер Многолетний опыт эксплуатации гелиосистем свидеотображает и блокирует опасные режимы работы. тельствует о том, что, используя энергию солнца, можно Недостатки систем с принудительной циркуляцией: сэкономить до 75 % традиционного ископаемого топлинеобходимость установки дополнительного оборудовава, которое сегодня расходуется для приготовления гония (насосного модуля и контроллера); рячей воды, и до 50 % горючего, затрачиваемого на дополнительное, хотя и незначительное, потребление отопление. Д Т && электроэнергии циркуляционным насосом.

•

• • • • • • • •

26

ММ. Деньги и Технологии Декабрь 2011

ТЕМА НОМЕРА

автономная энергетика

Встраиваемые электрогенераторы для датчиков технологических процессов Использование тепловых по терь промышленных устано вок и механических напряже ний, возникающих в них при протекании различных про цессов, для обеспечения электропитания беспровод ных интеллектуальных сенсо ров позволяет повысить энергоэффективность ин формационно управляющих систем промышленной авто матизации

Филлипп НЕННИНГЕР, Марко УЛЬРИХ, корпоративный исследовательский центр АББ, Ладенбург, Германия («АББ ревю», №1/2011)

Энергию производства — в производство! Д

ля снижения времени простоя и повышения надежности необходимо обладать большими знаниями о работоспособности производственного оборудования. Большинство такой информации обеспечивают датчики. Установка дополнительных датчиков означает дополнительную проводку и, следовательно, увеличение монтажных расходов. Устранение такой проводки не только снизит издержки, но также упростит процесс монтажа в целом. Поскольку энергопотребление многих промышленных датчиков весьма умеренное, использование аккумулятора выглядит вполне приемлемым решением. Тем не менее, замена элементов питания с определенными интервалами вполне в состоянии свести на нет экономию от установки беспроводных датчиков. Альтернативное решение проблемы известно как извлечение энергии из окружающей среды, представляющее собой процесс, при котором энергия (окружающей среды, движения, ветра, света), извлекаемая из внешних источников, улавливается и накапливается для электропитания маломощных электронных устройств. Энергия окружающей среды в изобилии имеется в обрабатывающей промышленности, и именно в этой отрасли были отмечены первые успехи в ее извлечении. Беспроводные технологии в течение примерно последних 15 лет оказали существенное влияние на отрасль, а развитие

технологий, происходившее в то же самое время, означает постепенное принятие таких технологий на вооружение перерабатывающей промышленностью, в особенности для мониторинга производственного оборудования. Срок службы оборудования автоматизированных предприятий обычно составляет приблизительно 20 лет, и чтобы достичь максимального уровня возврата инвестиций за этот период, КПД эксплуатации предприятия должен быть как можно выше. Так как предприятие может сохранять свою работоспособность только в том случае, если все необходимое оборудование работает как часы, высокая надежность компонентов является суровой необходимостью. Такая надежность может быть достигнута посредством мониторинга оборудования, дающего шанс на выявление потенциальных дефектов в оборудовании до их возникновения и своевременное устранение первопричины. В этих целях может потребоваться дополнительная информация с датчика. Эта информация может поступить либо с уже установленных датчиков, способных обеспечить необходимые измерения, таких как датчики перепада давления АББ, используемые для обнаружения закупорки импульсной линии (PIL), либо с дополнительных датчиков, размещенных в других местах производственного процесса. Если

ММ. Деньги и Технологии Декабрь 2011

27

ТЕМА НОМЕРА

автономная энергетика

Низковольтная оптимизация

Рис. 1. Срок службы батареи электропитания в течение интерва ла измерения идеализированного температурного измеритель ного преобразователя требуются дополнительные датчики, затраты на монтаж должны оставаться на минимальном уровне, чтобы максимально увеличить выгоду от их эксплуатации. Но поскольку проводка и монтаж могут составлять до 90 % от общей стоимости прибора, есть смысл изучить возможность применения беспроводных устройств.

Беспроводные технологии

Беспроводные решения, безусловно, не являются новым словом в перерабатывающей промышленности; фактически, они впервые получили широкую известность уже в 1960-х. Тем не менее, эти решения применялись главным образом в специализированных продуктах для определенных рынков, таких как AquaMaster производства АББ, электронный счетчик коммерческого учета расхода воды и счетчики суммарного объема перекачиваемой жидкости в нефтегазовой промышленности. Система Totalflow, разработанная в концерне АББ, удаленная система измерения и автоматизации, является одним из таких примеров. Как и в случае с технологией создания полевой шины, любой беспроводной протокол, который стремится к достижению критической массы, требует установления общего стандарта, который был бы поддержан всеми изготовителями такого устройства. Один такой стандарт действительно существует: он назван WirelessHART. WirelessHART — это первый международный беспроводной стандарт, который был разработан специально для соответствия требованиям со стороны сетей полевых устройств. Надежность сети — это один из ключевых пунктов в автоматизации производственного процесса. Аспект беспроводных сетей, который влияет на надежность — это участок ячеистой сети. Ячеистые сети обеспечивают пространственно разнесенные резервные каналы между двумя точками сети с помощью передачи сообщений по различным маршрутам, что, в свою очередь, повышает отказоустойчивость связи и позволяет хорошо спроектированной сети развить устойчивость к отказам, как линий связи, так и устройств маршрутизации. Кроме того, пространственная избыточность ячеистой сети гарантирует надежную связь, даже в промышленном, научном и медицинском диапазоне (ISM). Безусловно, направление сообщений (как последствие ячеистой организации сети), наряду с требованиями постоянного поддержания безопасности, оказывают влияние на стоимость энергии, что должно восполняться за счет достижения оптимизации низковольтного оборудования.

28

ММ. Деньги и Технологии Декабрь 2011

В плане оптимизации низковольтного оборудования существуют некоторые различия между проводными и беспроводными устройствами. Для их иллюстрации рассмотрим «проводной» промышленный температурный измерительный преобразователь TTH300 производства АББ. Это устройство питается от токовой петли 4—20 мА и замеряет, например, сопротивление четырехпроводного датчика Pt100 (и, следовательно, температуру на конце датчика) в течение очень коротких интервалов, которые, в зависимости от типа и конфигурации датчика, могут составлять 10 мс, поскольку качество энергии, потребляемое самим устройством, значения не имеет. С другой стороны, беспроводной датчик не должен измерять температуру несколько раз в секунду, поскольку большинство промышленных беспроводных сетей, применяемых в обрабатывающей промышленности, практически не поддерживают такие короткие интервалы обновления данных. В интервалах между замерами измерительный преобразователь должен выполнять лишь свою сетевую функцию, а именно, направление сообщений на другие узлы. В остальное время электронная часть может оставаться в так называемом энергосберегающем режиме, при котором не происходит ни расчетов, ни измерений, благодаря чему потребляется лишь небольшая доля энергии. В энергосберегающем режиме можно приблизительно рассчитать потребление электроэнергии устройством, взяв энергопотребление в активном рабочем и в энергосберегающем режиме, а также количество рабочих циклов устройства. Для описанного выше беспроводного устройства рабочий цикл примерно коррелирует со временем, необходимым для обновления информации датчика. Если не принимать во внимание саморазрядку батареи питания, то мы получим примерный срок ее службы. Такой расчет для идеального устройства показан на рис. 1.

Извлечение энергии

Замена батарей питания на регулярной основе не всегда возможна, поскольку такая замена, в зависимости от конфигурации всего устройства, может свести на нет всю экономию от применения беспроводных устройств. Вместо этого в качестве возможного решения по созданию подлинно автономного устройства мы рассматриваем извлечение энергии из окружающей среды (EH). Процесс EH преобразует энергию, имеющуюся в процессах рис. 2,

Рис. 2. Извлечение энергии позволяет осуществлять конверсию энергии, создаваемой в ходе промышленного производства, в электроэнергию

ТЕМА НОМЕРА

автономная энергетика в полезную электроэнергию, которая, в свою очередь, используется для питания беспроводных устройств. Типичными источниками такой энергии являются процессы холодной и горячей обработки, солнечная радиация, вибрация и кинетическая энергия движущихся сред или механизмов. Наиболее многообещающими из числа указанных источников являются солнечная энергия, термоэлектрические и кинетические преобразователи.

Солнечная радиация

Хотя технологии преобразования солнечной энергии в электрическую являются на сегодняшний день вполне надежными и зарекомендовавшими себя с наилучшей стороны, их применение в закрытом пространстве жестко ограничено. Если интенсивность излучения на открытом воздухе может достигать примерно 1000 Вт/м2, обычное значение в закрытом помещении едва достигает 1 Вт/м2 [1]. Другим словами, объем извлекаемой энергии ограничен.

Термическое электричество

Термоэлектрические генераторы (TEG) извлекают электроэнергию из тепловой энергии (то есть перепада температур между процессами горячей или холодной обработки и окружающей средой), используя явление Зеебека [2]. Тогда как эффективность TEG весьма мала, как правило, менее 1 %, сама технология вполне надежна и стабильна. Часто значительный потенциал перепада температур имеет место в обрабатывающей промышленности. Следовательно, наличествуют большие объемы тепла и энергии, которые могут обеспечиваться TEG промышленного применения и быть достаточными для питания различных узлов беспроводных датчиков при различных сценариях.

Кинетические преобразователи

Прямое преобразование механического движения, например, вибраций, в электроэнергию может достигаться с помощью различных преобразователей: В электромагнитных преобразователях применяется подвесная катушка, двигающаяся в статическом магнитном поле небольшого постоянного магнита. Такая схема преобразует энергию по закону Фарадея. Пьезоэлектрические преобразователи, основанные на пьезоэлектрических материалах. При использовании чувствительной массы, закрепленной на растяжке, кинетическое движение вызывает смещение этой массы, что передает механическое усилие на пьезоэлектрический материал. Электростатические преобразователи, основанные на конденсаторе переменной емкости. Когда прикладывается механическое усилие, действие происходит в направлении, обратном притяжению противоположно заряженных пластин конденсатора. В результате происходящие в конденсаторе изменения образуют электрический ток в закрытой цепи. В двух словах, все принципы кинетического преобразования основаны на механическом резонаторе, и такие системы в состоянии образовывать только определенный объем энергии, если частота резонанса устройства извлечения энергии совпадает с частотой внешнего возбуждения. Использование приводов с переменными частотами в производственном процессе де-факто ограничивает применение систем извлечения энергии из вибраций.

• • •

Компоненты и архитектура систем

Извлечение энергии из окружающей среды не обязательно должно представлять собой непрерывный процесс, например, в случае применения фотоэлектрических устройств вне помещений смена дня и ночи приведет к нестабильности источников энергии; простой на предприятии может привести к образованию различий в температурных процессах, что может повлиять на энергию, вырабатываемую термоэлектрическими генераторами; и, наконец, приводы переменной частоты могут привести к различному выходу по току устройств извлечения энергии. Напротив, временами система извлечения энергии может поставлять больше питания, чем необходимо в действительности. Характеристики энергопотребления типичного беспроводного датчика также непостоянны: в зависимости от рабочего цикла и интервалов обновления, могут иметь место пиковые нагрузки, которые необходимо компенсировать, поскольку системы ЕН не в состоянии обеспечить питание в таких случаях краткосрочного повышенного энергопотребления. По существу, каждой системе EH необходим буферный элемент для поддержания энергоснабжения в тех случаях, когда устройство извлечения энергии не в состоянии обеспечить блок датчика достаточным объемом питания. В число типичных буферных элементов входят: Суперконденсаторы или специальные конденсаторы с различными чередующимися слоями. Такие конденсаторы выдерживают высокие пиковые нагрузки по току. Перезаряжаемые аккумуляторы. Обычные гальванические элементы. Они не в состоянии накапливать избыточный объем энергии, поступающей из системы EH, но могут использоваться для обеспечения периодического питания, подачу которого не может обеспечить система. Обычные промышленные гальванические элементы. Такие элементы имеют весьма продолжительный срок хранения с небольшим уровнем саморазрядки, и они представляют собой отличную альтернативу в качестве надежного буферного элемента. Недостатком обычных литий-ионных аккумуляторов является ограниченное количество циклов разрядки/зарядки. Устройствам извлечения энергии и буферным элементам для подлинно автономной подачи электроэнергии необходима соответствующая система управления энергией (РМ). PM выполняет две основные функции: регулирует характеристики напряжения и тока на выходе системы ЕН в соответствии с требованиями на входе устройства — потребителя энергии. плавно переключается между буферными накопительными элементами и различными источниками ЕН.

• • • •

• •

Автономный температурный преобразователь АББ

В ходе исследований, осуществленных концерном АББ, был разработан полностью автономный температурный преобразователь (рис. 3), использующий полностью интегрированную систему ЕН.

Рис. 3. Полностью автономный температурный измерительный преобразователь

ММ. Деньги и Технологии Декабрь 2011

29

ТЕМА НОМЕРА

автономная энергетика Термоэлектрические генераторы были интегрированы в устройство таким образом, чтобы факторы производительности и стабильности, а также коэффициенты формы температурного преобразователя не изменялись в течение срока его службы при значительном повышении функциональности. В устройстве было применено интеллектуальное решение устройства накопления энергии на случай недостаточности температуры производственного процесса для выработки необходимого объема потребляемой энергии. Габариты отдельных температурных преобразователей не позволяли интегрировать обычные термоэлектрические генераторы, как правило, имеющие макроскопические размеры — от 10 до 20 см 2. Вместо них использовались новаторские термоэлектрические мини-генераторы, выпускаемые с применением технологий на основе печатных элементов [4] (рис. 4).

Рис. 4. Занимая всего 8 мм 2 площади, мини TEG обеспечивает высокое напряжение на выходе (источник — Micropelt GmbH) энергии для питания электронной аппаратуры как при измерениях, так и при беспроводной связи. Если перепад температур превышает 30 К, производимая энергия превышает потребности, и она может, например, использоваться для более быстрого обновления данных.

Взгляд в будущее

Рис. 5. Числовое термальное моделирование: распределение температуры процесса 80 °C (выделено красным), температура окружающей среды 25 °C (выделено синим) Основной проблемой при интегрировании этих двух устройств было обеспечение поддержания стабильности и надежности измерительного преобразователя. В большинстве случаев температура производственного процесса выше температуры окружающей среды и, следовательно, «горячая» сторона термоэлектрического генератора должна быть подсоединена к производственной линии с наиболее оптимальной теплопроводностью. Были проведены многочисленные числовые моделирования для увеличения потока тепла через TEG (рис. 5). Другая («холодная») сторона генератора должна охлаждаться, и, следовательно, соединяться с окружающей средой с помощью теплопоглотителя, который должен быть расположен на расстоянии, достаточном, чтобы предусмотреть толстый изоляционный слой, покрывающий технологический трубопровод в ряде применений. При минимальном перепаде температуры между производственным процессом и окружающей средой в размере 30 К, система может вырабатывать достаточный объем

Температурные измерительные преобразователи, питающиеся от систем EH, решают основную проблему беспроводных блоков датчиков: отпадает необходимость замены гальванических элементов, что, в свою очередь, помогает снизить общие расходы на обслуживание оборудования. Несмотря на то что EH возможно не для всех дат-

Рис. 6. Полностью автономные устройства помогут инженерам лучше контролировать производственные процессы чиков и не при всех обстоятельствах, оно является жизнестойким источником энергии для широкого спектра устройств. Полностью автономные устройства могут помочь лучше понимать и контролировать производственные процессы, а значит, повышать их прибыльность. Д Т &

Литература [1] Muller, M., Wienold, J., Reindl, L. M. (2009). Характеристика фотоэлектрических устройств, установленных в закрытых помещениях и фотоэлектрического освещения. Протокол Конференции специалистов по фотоэлектричеству IEEE: 000738>000743.

[2] Vining, C. B. (2001). Холодные полупроводники. Nature, 413 (6856), 577>578.

[3] Nenninger, P. , Ulrich, M., Kaul, H. (2010). К вопросу питания беспроводных устройств в автоматизации производства. На заседаниях Симпозиума по интегрирован> ным средствам обработки и передачи данных IFAC (218>224).

[4] Nurnus, J. (2009). Термоэлектрические тонкопленочные генераторы энергии — автономный источник питания для интеллектуальных систем. Заседания по интеллектуальным датчикам, активаторам и микроэлектромеханическим элементам IV: Вып. 7362>05. Дрезден.

30

ММ. Деньги и Технологии Декабрь 2011

ФОРУМ

выставки

Автоматизация в промышленности Украины 22—24 ноября в киевском ВЦ «АККО Интернэшнл» прошла VII специализированная выставка обору дования и средств автоматизации, приборов и компонентов промышленной электроники — AISS AutomaticA 2011

Татьяна БОЙКО

В

выставке приняли участие украинские и зарубежные компании: Micros sp.j. (Польша), Transfer Multisort Elekronik (Польша), VD MAIS, «А-ТЕКС», Торговый дом «Будмаркет Плюс», «Гамма Украина», «Вектор Киев», «Кварта Технологии» (Россия), «Компэл Украина», Rittal, «Микрол», «Мэскон», «Проксис», «Системы Автоматизации Сервис», «СВ Альтера», «Сименс Украина», «Симметрон-Украина», «Солитон», «Сервис-Автоматика», «СЭА Электроникс», «Феникс-Контакт Украина», «Холит Дэйта Системс», «ЭТАЛ», «Хоневелл Украина», «Укртехприлад ТД», «Электроник Технолоджи». Организатор выставки — компания «Смарт Экспо», генеральный партнер — Siemens, генеральный

Витрина рынка спонсор — Honeywell, спонсоры — компании «Проксис», «АТЕКС». Познакомиться с новейшими технологиями и устройствами для автоматизации производственных технологий и инженерного оборудования зданий на конференцию пришли 1672 посетителя (на 30 % больше, чем в прошлом году). В рамках выставки 23 ноября состоялась конференция «Автоматизация: применение, инновации, решения, системы», на которой с докладами о своих последних разработках и решениях выступили ведущие специалисты компаний «Кварта Технологии», «СЭА Электроникс», «Солитон», факультета электроэнерготехники и автоматики НТУУ «КПИ», «Электроник Технолоджи».ДТ&

ФОРУМ

событие на рынке

Издательский дом «СофтПресс» совместно с партнерами провел ежегодный форум «Деньги и технологии: решения для бизнеса 2011», в котором приняли участие руководители ИКТ$отделов финансовых организаций, промышленных предприятий и ИКТ$ компаний, а также представители профильных госорганов и общественных организаций

ИКТ-решения для бизнеса

Б

Оценивая затраты на информационно-коммуникационные олее тысячи посетителей форума, прошедшего в китехнологии в представляемых ими организациями, только 5 % евском отеле Hyatt Regency, ознакомились с выступучастников Форума посчитали их достаточными. Остальные оплениями представителей ведущих мировых и украинрошенные планируют увеличивать затраты на ИКТ. Генеральный ских компаний, министерств и ведомств. Общая аудитория партнер форума — компания Samsung Electronics Ukraine, техфорума «Деньги и технологии: решения для бизнеса» превынологический партнер — компания Intel. Партнерами форума сила три тысячи человек, ведь благодаря видеотрансляции стали компании Avaya и «Укрнет». Среди компаний, поддержаввсех конференционных потоков ее смогли посмотреть 2178 ших мероприятие: образовательный партнер — учебный центр интернет-пользователей. iKlass, мультимедийный партнер — компания Epson, партнер реВ рамках форума прошли шесть тематических гистрации — «Евроиндекс», принт-партнер — компания OKI. конференций: Прямую онлайн-трансляцию всех конференций провела компаКорпоративная ИТ-инфраструктура. ния «Адамант». Современные телекоммуникации: регулирование, технологии, сервисы. Банковские технологии: мониторинг, централизация, аутсорсинг. Безопасность и видеонаблюдение. Интернет-экономика. ИТ-образование. В фойе конференц-зоны была развернута экспозиция hi-Tech ZONE, а на демостендах партнеров постоянно действовала программа мастер-классов и презентаций. Количество сотрудников на Руководитель издательского дома «СофтПресс» Эллина Оценка годового бюджета на ИКТ предприятии Шнурко-Табакова так прокомментировала отличительные особенности прошедшего мероприятия: «Среди конкурентСоорганизаторами форума выступили такие общественные ных преимуществ форума прежде всего следует назвать то, организации, как Интернет Ассоциация Украины (ИнАУ) и Ассочто аудитория форума имеет возможность подготовиться к циация предприятий информационных технологий Украины участию в нем не менее чем за три месяца анонсирования, а читатели, даже не пришедшие на мероприятия, могут знако(АПИТУ). Как и в прошлом году, форум поддержали Национальный банк Украины и Национальная комиссия по вопросам регумиться и работать с его материалами около полугода после лирования связи. события. Формат форума позволяет участникам наиболее раПодробнее с материалами форума «Деньги и технологии: ционально использовать весь рабочий день: они могут посерешения для бизнеса 2011» можно будет ознакомиться на вебтить наиболее интересующие их конференции и мастер-класресурсах издательского дома «СофтПресс» (www.ht.ua, сы, которые проходят параллельно, провести деловые www.itware.com.ua, www.cp-ua.com.ua), а также в изданиях переговоры с существующими и потенциальными партнераhi-Tech PRO, «Телеком. Коммуникации и сети», «ДК Зв`язок», ми. Церемонии награждения и общение редакций hi-Tech-из«Телемир», «Channel Partner Украина», «ММ Деньги и технолоданий с читателями добавляют форуму атмосферу культа ногии» и «hi-Tech у школі». вейших решений в сфере высоких технологий».

• • • • • •

32

ММ. Деньги и Технологии Декабрь 2011

ФОРУМ

конференции

Автоматизация в промышленности Украины 30 ноября в ВЦ «АККО Интернешнл» состоялась IV специализированная конференция «Автоматизация. ТЭК. Украина 2011», организованная компанией «Экспотроника Украина»

Татьяна БОЙКО

Информация к действию Р

еализация главных задач «Энергетической стратегии Украины до 2030 года», по мнению ее разработчиков, может быть осуществлена путем решения следующих базовых задач: внедрения новейших технологий во время модернизации промышленных, энергопроизводящих и энергопоставляющих предприятий; реконструкции и нового строительства энергообъектов; обеспечения структурного и технологического энергосбережения; увеличения объемов производства; разработку новых месторождений. Решение каждой из этих задач напрямую связано с разработкой и эксплуатацией автоматизированных систем контроля и управления производством и распределением энергии. Именно поэтому организаторами конференции ее основными разделами были выбраны: Комплексная модернизация объектов ТЭК. Системы управления в решениях комплексного инжиниринга: решения и проекты комплексного инжиниринга: требования к АСУ ТП, как составной части инжиниринговых проектов. Примеры реализаций; решения по безопасности и повышению эксплуатационной готовности объектов энергетики. Управление на уровне предприятия. Повышение эффективности управления объектами ТЭК: анализ проблемных вопросов по решениям АСОДУ/MEC на уровне крупных промышленных и инфраструктурных объектов. Продукты и технологии для решений АСУ в энергетике. Новые продукты и технологии автоматизации для построения эффективных АСУ в энергетике. Представление программно-аппаратных средств по категориям:

• • • •

• • •

34

ММ. Деньги и Технологии Декабрь 2011

•

технологии и устройства контрольно-измерительной аппаратуры и метрологического обеспечения. Устройства экологического мониторинга; специализированные контроллеры и SCADA-системы; технологии дистанционного мониторинга и телеметрии. Эти темы были раскрыты в докладах сотрудников Института энергосбережения и энергоменеджмента НТУУ «КПИ», регионального представительства National Instruments, корпорации «Галактика», компании «Русские навигационные технологии», «Укрметртестстандарт», компаний «Прософт Украина», «Эмерсон», Phoenix Contact, «ЭЛЕМЕР Украина», «Проксис». В конференции приняли участие более 80 технических специалистов «Киевэнерго», «Укртранснефть», «Киевводоканал», «Укринтерэнерго», Центральной ЭС «Укрэнерго», «Прикарпатьеоблэнерго», «Черниговгаз», «Винницаоблэнерго», Ровенской АЭС, Зуевской экспериментальной ТЭЦ и других предприятий, производящих и поставляющих энергоресурсы промышленности и жилищно-коммунальному хозяйству Украины. Официальную поддержку конференции оказали: российское представительство Международного общества приборостроения, систем и автоматики (ISA), Государственное агентство Украины по управлению государственными корпоративными правами и имуществом, Главное управление энергетики, энергоэффективности и энергосбережения исполнительного органа Киевского городского совета, Ассоциация городов Украины, Киевская торгово-промышленная палата, Фонд энергоэффективных инвестиций, Научно-технический союз энергетиков и электротехников Украины, Ассоциация «Газовые трейдеры Украины», общественная организация «Совет старейших энергетиков Украины». Д&Т

• •

CD «Высокие технологии для бизнеса»

Подписной центр: http://www.ht.ua/subscribe/

2 компакт-диска, 9 изданий

VIP-версию журнала!

Выписывай и читай

декабрь 2011

www.mmdt.com.ua

12/2011

БИРЖА

Реклама на 10 000 рыночных витрин «Биржи» — эффективный стимулятор роста бизнеса производителей и поставщиков технологического оборудования, обеспечиваемого ежемесячной целевой доставкой актуальной информации о вашей продукции и услугах широкой аудитории технического топ# менеджемента промышленных предприятий Украины

АНОНС

читайте в следующем году

№ 1–2 Энергосбережение  Приборы учета энергопотребления  Регуляторы параметров технологических сред  Системы промышленного освещения

№ 3 Промышленная автоматизация  АСУ ТП: отраслевые решения  Индустриальные контроллеры  Системы резервного электроснабжения

№ 4 Электротехника, электроника, энергетика    

Гибкие производственные линии Регулируемый электропривод Контроль качества электроэнергии Трансформаторы тока и напряжения

№ 5 Автоматизация и приводы  АСУ инженерным и технологическим оборудованием  Станки и системы с ЧПУ  Роботы и манипуляторы

№ 6 Энергетика, экология, энергосбережение  Возобновляемые источники энергии  Когенерация и тригенерация  Экологически чистые технологии производства энергии

№ 7–8 Промышленная энергетика

 Электроэнергетика Украины  Автоматизированные системы учета энергоносителей  Децентрализованная энергетика

№ 9 Автоматизация предприятия

 ERP;, SCADA; и MES;системы: иерархия и взаимодействие  Системы хранения и обработки данных  Информационная безопасность  ИТ;инфраструктуры компании

№ 10 Ресурсосбережение в производстве

 Системы компенсации реактивной мощности  Устройства плавного пуска электродвигателей  САПР электрооборудования

№ 11 Индустриальная электроника и электротехника  ПЛК: техническая платформа АСУ ТП  Частотно;регулируемый привод

№ 12 Автономная теплоэнергетика

 Продукты, системы и решения года  Тенденции рынка технологического оборудования

Возможны изменения, вызванные приоритетностью публикаций

36

ММ. Деньги и Технологии Декабрь 2011

№ 12 (144), декабрь 2011

Интернет: www.mmdt.соm.ua Е-mail: mmdt@mmdt.соm.ua (информационные сообщения) Для писем: Украина, 03005, г. Киев-5, а/я 5

Подписной индекс в каталогах «Укрпошта» и «Роспечать» — 22858 Издатель: © Издательский дом СофтПресс © Copyright by MM, Vogel Business Media GmbH & Co KG. Wuerzburg, Germany Издатели: Евгений Шнурко, Владимир Табаков Главный редактор: Алексей Рыбка Ответственный секретарь: Анна Лебедева Производство: Елена Корж, Иван Таран Фото: Александр Зенич Маркетинг, распространение: Ирина Савиченко, Екатерина Островская Региональные представительства: Днепропетровск: Игорь Малахов, тел. (056) 744;77;36, e;mail: malahov@mercury.dp.ua Донецк: Begemot Systems, Олег Калашник, тел. (062) 312;55;49, факс (062) 304;41;58, e;mail: kalashnik@hi;tech.ua Львов: Андрей Мандич, тел. (067) 799;51;53, e;mail: mandych@mail.lviv.ua Тираж — 10 000 экземпляров Цена договорная Издание зарегистрировано Министерством юстиции Украины. Свидетельство о государственной регистрации печатного средства массовой информации. Серия КВ № 15202;3774ПР от 12.05.2009 г. Адрес редакции и издателя: г. Киев, ул. Героев Севастополя, 10 телефон: 585;82;82 (многоканальный) факс: (044) 585;82;85 Germany: Vogel Business Media GmbH & Co KG. Wuerzburg, Tel. 049 931 418 2545, Fax 049 931 418 2640 Международные отделы: Austria: Technik & Medien Verlagsges.m.b.H., Hietzinger Kai 175, A;1130 Wien Tel. 0043 1876 8379 0, Fax 0043 1876 8379 15 Great Britain: Crane Media Partners Ltd. Tel. 044 208 237 8601, Fax 044 208 748 6580 Hungary: Vogel Publishing Kft., Tel. 000361 327 4568, Fax 000361 267 9100 Poland: MM Edytor S.C.,ul. Powstancow 34, PL;40;954 Katowice, Tel./Fax 0048 32 256 3277 USA and Canada: Vogel Europublishing, Inc. Tel. 001 925 648 1170, Fax 001 925 648 1171 Taiwan: Taiwan Bright Marketing & Communication Co., Ltd. Tel. 0886 22755 7901, Fax 0886 22755 7900 Turkey: Duenya Yayincilik A.S., «GLOBUS» Duenya Basinevi, 100, Yil Mah., TR;34440 Bagcilar;Istanbul, Tel. 090 212 629 0808, Fax 090 212 431 3815 Czech Republic: INDUSTRIA Press s.r.o., U Seradiste 7, CZ;10100 Praha, Tel. 0420 267 216 405, Fax 0420 267 216 440 Switzerland: Fachpresse Zuerich AG, Trudi Halama, Tel. 00041 1445 3333, Fax 00041 1445 3344 Japan: Mr. C. H. Yiu,Tel./Fax 00813 3488 3823 Israel: Israeli;German Chamber of Commerce and Industry, P.O.B. 3488, IL;Ramat;Gan 52 134, Tel. 009723 613 3515, Fax 009723 613 3528 Отпечатано: ООО «Юнивест Принт» 08500, Киевская обл., г. Фастов, ул. Полиграфическая, 10 Полное или частичное воспроизведение или размножение каким бы то ни было способом материалов, опубликованных в настоящем издании, допускается только с письменного разрешения ИД СофтПресс. Все упомянутые в данном издании товарные знаки и марки принадлежат их законным владельцам. Редакция не использует в материалах стандартные обозначения зарегистрированных прав. За содержание рекламных материалов ответственность несет рекламодатель.