Пар — энергоноситель

Прежде чем переходить к обзору паровой установки или к техническим объяснениям, полезно рассмотреть многочисленные области применения пара и его преимущества.

Пар давно вышел за рамки традиционных ассоциаций с локомотивами и промышленной революцией. Сегодня он является неотъемлемой и важнейшей частью современных технологий. Без него пищевая, текстильная, химическая, медицинская, энергетическая, отопительная и транспортная отрасли не могли бы существовать или работать на нынешнем уровне.

Пар позволяет передавать регулируемые количества энергии от централизованной автоматизированной котельной, где он может вырабатываться эффективно и экономично, к месту потребления. Поэтому, перемещаясь по предприятию, пар фактически выполняет функцию транспортировки и подачи энергии.

По многим причинам пар является одним из самых распространённых теплоносителей для передачи тепловой энергии. Он широко используется в промышленности для самых разных задач: от получения механической мощности до отопления помещений и технологических процессов.

#Пар эффективен и экономичен в генерации

Вода доступна в большом количестве и стоит недорого. Она безопасна для здоровья и экологически приемлема. В газообразном состоянии она является безопасным и эффективным переносчиком энергии. Пар может содержать в пять-шесть раз больше потенциальной энергии, чем эквивалентная масса воды.

При нагреве воды в котле она начинает поглощать энергию. В зависимости от давления в котле вода испаряется при определённой температуре и превращается в пар. Пар содержит большое количество накопленной энергии, которая затем передаётся процессу или обогреваемому пространству.

Пар можно вырабатывать при высоком давлении, чтобы получить высокую температуру. Чем выше давление, тем выше температура. Высокотемпературный пар содержит больше тепловой энергии, а значит, обладает большим потенциалом для совершения полезной работы. Современные жаротрубные котлы компактны и эффективны по конструкции: они используют многократные ходы дымовых газов и эффективные горелочные технологии, чтобы передавать воде очень высокую долю энергии топлива при минимальных выбросах. Для котла можно выбрать различные виды топлива, включая горючие отходы, что делает паровой котёл экологически обоснованным вариантом среди доступных способов теплоснабжения. Централизованная котельная может использовать льготные прерываемые тарифы на газ, поскольку подходящее резервное топливо можно хранить и использовать при прекращении подачи газа. Высокоэффективные системы рекуперации тепла позволяют практически устранить потери, связанные с продувкой, вернуть ценный конденсат в котельную и повысить общую эффективность пароконденсатного контура.

Растущая популярность систем Combined Heat and Power (CHP) демонстрирует высокую оценку паровых систем в современных отраслях, ориентированных на энергосбережение.

#Пар легко и экономично распределяется к месту потребления

Пар является одной из наиболее широко используемых сред для передачи тепла на расстояние. Поскольку пар движется вследствие падения давления вдоль трубопровода, необходимость в дорогих циркуляционных насосах отсутствует. Благодаря высокому теплосодержанию пара для его распределения под высоким давлением требуются трубопроводы сравнительно небольшого диаметра. При необходимости давление затем снижается непосредственно в точке потребления. Такое решение делает монтаж проще и дешевле, чем в случае некоторых других теплоносителей. В целом более низкие капитальные и эксплуатационные затраты на генерацию пара, его распределение и возврат конденсата приводят к тому, что многие пользователи предпочитают устанавливать новые паровые системы вместо других

энергоносителей, таких как газовые системы, системы горячей воды, электрические и термомасляные системы.

#Пар легко регулировать

Благодаря прямой зависимости между давлением и температурой насыщенного пара количество энергии, подаваемой в процесс, легко регулировать, просто управляя давлением насыщенного пара. Современные системы управления паром рассчитаны на очень быструю реакцию на изменения процесса.

Узел, показанный на рисунке 1.1.4, представляет собой типичный двухходовой регулирующий клапан с пневматическим приводом, предназначенный для работы на паре. Точность его работы повышается за счёт использования пневматического позиционера клапана.

Использование двухходовых клапанов вместо трёхходовых, часто необходимых в жидкостных системах, упрощает регулирование и монтаж, а также может снизить стоимость оборудования.

#Энергия легко передаётся процессу

Пар обеспечивает превосходную теплопередачу. Когда пар поступает к оборудованию, процесс конденсации эффективно передаёт тепло нагреваемому продукту.

Пар может омывать продукт или непосредственно вводиться в него. Он способен заполнять любое пространство с равномерной температурой и передавать тепло при конденсации при постоянной температуре; это устраняет температурные градиенты, которые могут возникать вдоль поверхности теплообмена. Такая проблема часто характерна для высокотемпературных масел или водяного отопления и может приводить к проблемам с качеством, например к деформации высушиваемых материалов.

Поскольку коэффициенты теплопередачи у пара очень высоки, требуемая площадь теплообмена сравнительно мала. Это позволяет использовать более компактное оборудование, которое проще монтировать и которое занимает меньше места на предприятии. Современный комплектный агрегат для нагрева воды паром мощностью 1200 kW, включающий пластинчатый пароводяной теплообменник и всю систему управления, требует всего 0.7 m² площади пола. Для сравнения, комплектный агрегат с кожухотрубным теплообменником обычно занимает площадь в два-три раза больше.

#Современной паровой установкой легко управлять

Промышленные потребители энергии всё чаще стремятся максимально повысить энергоэффективность и минимизировать производственные затраты и накладные расходы. Киотское соглашение по защите климата стало одним из важных внешних факторов, стимулирующих рост энергоэффективности, и привело к появлению различных мер по всему миру, например Climate Change Levy в Великобритании. Кроме того, на современных конкурентных рынках организация с наименьшими затратами часто получает важное преимущество перед соперниками. Производственные затраты могут означать разницу между выживанием и неудачей на рынке.

Повысить энергоэффективность можно, например, за счёт мониторинга и распределения расходов на энергию по соответствующим подразделениям. Это формирует понимание затрат и помогает руководству сосредоточиться на достижении целевых показателей. Переменные накладные расходы также можно сократить, обеспечив плановое систематическое техническое обслуживание; это повышает эффективность процесса, улучшает качество и уменьшает простои.

Большинство систем управления паром могут интегрироваться с современными сетевыми системами КИПиА и управления, обеспечивая централизованное управление, как в случае SCADA или Building/Energy Management System. При необходимости компоненты паровой системы могут также работать независимо, в автономном режиме.

При надлежащем техническом обслуживании паровая установка прослужит много лет, а состояние многих элементов системы легко контролировать автоматически. По сравнению с другими системами плановое управление и мониторинг конденсатоотводчиков реализуются сравнительно просто с помощью системы мониторинга, где любые утечки или засоры автоматически определяются и сразу доводятся до сведения инженера.

Это выгодно отличается от дорогостоящего оборудования, необходимого для контроля утечек газа, или от трудоёмкого ручного контроля, характерного для масляных и водяных систем.

Кроме того, если паровая система требует технического обслуживания, нужный участок легко изолировать и быстро дренировать, что позволяет оперативно выполнить ремонт.

Во многих случаях было показано, что значительно дешевле модернизировать давно существующую паровую установку с помощью современных систем управления и мониторинга, чем заменять её альтернативным способом энергоснабжения, например децентрализованной газовой системой. В тематических примерах, приведённых в модуле 1.2, показаны реальные случаи из практики.

Современные передовые технологии очень далеки от традиционного представления о паре как о чём-то, связанном исключительно с паровыми машинами и промышленной революцией. Напротив, сегодня именно пар часто является предпочтительным выбором промышленности. Назовите любой известный потребительский бренд, и в девяти случаях из десяти пар сыграет важную роль в производстве.

#Пар гибок в применении

Пар не только является отличным переносчиком тепла, но и стерилен, поэтому широко используется в пищевой, фармацевтической и медицинской промышленности. Он также повсеместно применяется в больницах для стерилизации.

Отрасли, в которых применяется пар, охватывают диапазон от крупных нефтехимических комплексов до небольших местных прачечных. Среди других направлений использования можно назвать производство бумаги, текстиля, пивоварение, выпуск продуктов питания, вулканизацию резины, отопление и увлажнение зданий.

Многим пользователям удобно использовать пар как единую рабочую среду и для отопления помещений, и для технологических процессов. Например, в пивоваренной промышленности пар применяется различными способами на разных стадиях процесса: от непосредственного впрыска до нагрева змеевиков.

Пар также по своей природе безопасен: он не вызывает искрения и не создаёт пожарной опасности. На многих нефтехимических предприятиях используются паровые системы пожаротушения. Поэтому пар идеально подходит для применения во взрывоопасных зонах и опасных средах.

#Другие способы распределения энергии

Альтернативами пару являются вода и термические теплоносители, например высокотемпературное масло. У каждого способа есть свои преимущества и недостатки, и каждый лучше подходит для определённых применений или температурных диапазонов.

По сравнению с паром вода обладает меньшей способностью переносить тепло, поэтому для обеспечения потребностей процесса или отопления помещений по системе приходится перекачивать большие объёмы воды. Тем не менее вода популярна для общего отопления помещений и низкотемпературных процессов (до 120 °C), где допустимы некоторые колебания температуры.

Термические теплоносители, такие как минеральные масла, могут применяться там, где требуются высокие температуры (до 400 °C), но использование пара невозможно. Например, это может быть нагрев некоторых химических веществ в периодических процессах. Однако такие теплоносители дороги и требуют замены каждые несколько лет; для крупных систем они подходят плохо. Кроме того, они обладают высокой проникающей способностью, поэтому для предотвращения утечек необходимы соединения и стыки очень высокого качества.

Сравнение различных сред приведено в таблице 1.1.1 ниже. Окончательный выбор теплоносителя зависит от баланса технических, практических и финансовых факторов, который у каждого пользователя будет своим.

В целом для коммерческого отопления и вентиляции, а также для промышленных систем пар остаётся наиболее практичным и экономичным выбором.