5471

Современные промышленные технологии. Основные промышленные комплексы и технологии производства материалов, энергии, машин и аппаратов.

Реферат

Производство и промышленные технологии

Современные промышленные технологии. Основные промышленные комплексы и технологии производства материалов, энергии, машин и аппаратов. План лекции: Производство и технологический прогресс Биотехнологии Технологии энергетики Произ...

Русский

2012-12-12

287.5 KB

102 чел.

Современные промышленные технологии. Основные промышленные комплексы и технологии производства материалов, энергии, машин и аппаратов.

План лекции:

1. Производство и технологический прогресс

2.  Биотехнологии

3. Технологии энергетики

Производство и технологический прогресс

 Главной особенностью деятельности людей является превращение исходного сырья, многочисленные преобразования природных материалов и продуктов. Особенно резко, почти на два порядка, возросло потребление человечества за последние столетия – в период промышленной и сменившей её научно-технической революции. Многократный рост потребления происходил 1) как за счет роста потребления каждым отдельным человеком, так и 2) за счет быстрого прироста населения. Сегодня на каждого из 6 миллиардов людей добывается или выращивается более 20 тонн сырья в год, которое при расходе около 2500 кВтч энергии и 800 тонн Н2О перерабатывается в конечные продукты массой около 2 тонн, идущие на прямое потребление. Превращаются не только материалы и сырьё. Хозяйственной деятельностью охвачено и изменено более трети (60 миллионов км2)суши. Бесчисленные технологии обеспечивают все потребности людей, как в материалах, так и в услугах. Вся деятельность людей с самого начала предполагала превращения материалов и окружающей среды для обеспечения многообразных и непрерывно увеличивающихся потребностей. Человеческая цивилизация в полном смысле – технологическая цивилизация. Развитие человечества сталкивается всегда с основным противоречием между непрерывно растущими потребностями людей и ограниченностью ресурсов. Задача экономики  заключается в поиске выхода из этого трудно разрешимого

противоречия, в поиске ответа:

1. Для удовлетворения каких именно потребностей должны использоваться эти ограниченнее ресурсы?

2. Кто и как должен решать вопрос об использовании ресурсов?

3. Какими средствами можно увеличить объём удовлетворяемых потребностей при использовании тех же самых ресурсов?

Все доступные ресурсы создаются, и все потребности удовлетворяются в результате применения различных технологий производства и обслуживания. Поэтому эффективность управления системой использования ресурсов и удовлетворения потребностей определяется тем, на сколько осознан потенциал соответствующих технологий, как учитывается характер взаимодействий комплекса взаимосвязанных технологий и последствия этих взаимодействий. Необходимо знать социальный и экономический потенциал страны или региона для развития определённого набора технологий.

   Соотношение технологий, характер их развития с одной стороны и с другой стороны система экономических взаимоотношений, используемая система поощрений и санкций взаимно влияют друг на друга. Поэтому решение экономических задач тесно переплетено с неизбежной необходимостью одновременного и согласованного решения комплекса технологических, социальных и экологических задач. И коль скоро решение любой задачи требует определённых затрат, а именно технологии, как и используемые ими ресурсы являются единственным, в итоге, источником средств, то ни один вопрос не может быть решен без использования соответствующих комплексов технологических задач.  В последние десятилетия с переходом к новой фазе научно- технической революции, когда технологии обеспечивают ускоренное обновление качества продукции и снижении издержек производства, принципиально меняется взаимосвязь технологий и экономики. Технический прогресс последних десятилетий, вместе с огромным масштабом производства, определил новые условия природопользования.

Из всех факторов долговременного развития решающим является состояние природных систем. Нельзя обеспечить устойчивый экономический рост, если продуктивность природных комплексов будет подорвана. Нельзя успешно решать социальные задачи, если среда обитания будет деградирована.

Новая парадигма (общая модель) экономического мышления покоится на отказе от ряда привычных мифов и решении трёх ключевых задач:

1.Увеличение темпов научно-технического прогресса при резком сокращении потребления ресурсов. Это достигается в результате ускоренного обновления технологий, за счет поиска новых решений на стыке технологий, за счет взаимопроникновения технологий и сочетания в каждой технологии методов и приёмов, характерных для различных технологий.

2.Принципиальное увеличение значимости экологических задач в любом виде деятельности. Это означает переход к технологиям, отличающимся высокой степенью совершенства, необходимости повышения культуры эксплуатации производств, к постоянному поиску новых решений.

3.Резкое увеличение значимости человеческого фактора, роли каждого человека в производстве и экономике. Это означает, что на уровне современных технологий эффективность их использования в решающей мере зависит от уровня подготовленности и ответственности персонала, от организации его обучения и психологической подготовки.

Этот круг вопросов определяет лицо современных технологий.

Рассматривая повышение роли технологии, связанной с влиянием НТР, следует отметить, что на базе новейших научных открытий возникли принципиально новые, более совершенные и производительные технологические процессы, резко увеличивающие производительность труда и повышающие качество продукции. К таким процессам следует, например, отнести процессы элионной технологии, которые основаны на использовании сфокусированных лучей различных видов энергии.

Если сгруппировать по физическим принципам воздействия процессы элионной технологии, то они будут выглядеть следующим образом: лазерные, ультразвуковые, плазменные, электронно-лучевые, ионно-лучевые, электроискровые, световые и некоторые другие. Рассмотрим некоторые из них более подробно. Так, с помощью воздействия луча лазера можно осуществить многие технологические процессы; луч лазера может быть применен для выполнения уникальных медицинских операций, создания многоканальной линии связи; при использовании лазеров в голографии создаются стереоскопические телевизоры с чрезвычайно большой четкостью изображения. Лазеры с большой эффективностью могут применяться как прецизионный инструмент для обработки материалов, включая локальные термохимические реакции (например, локальное легирование и закалку штампов и режущего инструмента для упрочнения их поверхности) и размерную обработку поверхности различных материалов. Луч лазера легко пронизывает самые твердые материалы — алмазы, создавая в них точные калиброванные отверстия, необходимые при изготовлении фильер, применяемых для протяжки проволоки с высококачественной точной полированной поверхностью. При этом производительность труда возрастает от 12 до нескольких десятков раз.

Особое место начинает занимать энергия ультразвуковых колебаний. Акустическая энергия используется сейчас в машино- и приборостроении, металлургии, в химической, легкой, пищевой и фармацевтической промышленности, а также в медицине, биологии, сельском хозяйстве. Область применения ультразвука в различных технологических процессах непрерывно расширяется.

Новым направлением совершенствования технологии является разработка малооперационных, ресурсосберегающих и безотходных процессов. К их числу относится новый  безкоксовый процесс получения стали из железных окатышей, минуя доменный процесс производства чугуна.

Замечательную особенность химической промышленности — возможность совершенно исключить отходы. Однако до последнего времени технологическая практика человечества отличалась невероятной расточительностью: 98% всего добываемого сырья современная промышленность превращает в отходы и лишь 2% превращает в полезную продукцию.

Технология в современном производстве оказывает значительное влияние на будущие экономические показатели еще в процессе конструирования изделия или разработки нового продукта или материала, создавая высокотехнологичные конструкции и разработки. В настоящее время технологическая наука и практика располагают количественными методами оценки технологичности конструкций и уровня технологии. Если раньше, сравнивая технологичность двух изделий, для выбора оптимального производственного варианта можно было дать недостаточно точную качественную характеристику, то в настоящее время делается точная количественная оценка, позволяющая объективно сравнивать и рекомендовать запуск в производство новой и только оптимальной конструкции. При максимальной технологичности изделий и материалов, умелом использовании унификации, стандартизации, четкой организации подготовки производства оказывается возможным резко сократить продолжительность периода времени, который лежит между моментом получения первых результатов исследований или возникновения идеи и промышленным производством.

Таким образом, в период научно-технической революции в результате возросшей роли и возможностей технологии необычайно сокращаются сроки от возникновения идеи до ее реализации. Если в прошлом веке все они охватывали несколько десятилетий (так, на реализацию идеи, на которой построена фотография, потребовалось более столетия, телефона — 50 лет, радио - 35 лет), то к середине нашего столетия сроки внедрения научных открытий в практику сократились до нескольких лет (транзисторы и лазер - 5 лет, интегральные схемы — 3 года). Можно с достаточным основанием предположить, что эта тенденция в дальнейшем будет также сохраняться.

Биотехнологии

       Биотехнология является наукой о способах получения целевых продуктов с помощью биосинтеза,

управляемого параметрами среды или генно-инженерными манипуляциями, либо сочетанием этих воздействий. Биологические технологии (биотехнологии) обеспечивают управляемое получение полезных продуктов для различных сфер человеческой деятельности. Эти технологии базируются на использовании каталитического потенциала различных биологических агентов и систем – микроорганизмов, вирусов, растительных и животных клеток и тканей, а также внеклеточных веществ и компонентов клеток. В настоящее время разработка и освоение биотехнологии занимают важное место в деятельности практически всех стран.

Применение биотехнологических материалов и принципов в ближайшие годы радикально изменит многие отрасли промышленности и само человеческое общество. 

Человек использовал биотехнологию многие тысячи лет: люди занимались пивоварением, пекли хлеб, получали кисломолочные продукты, применяли ферментации для получения лекарственных веществ и переработки отходов. Но только новейшие методы биотехнологии, включая методы генетической инженерии, основанные на работе с рекомбинантными ДНК, привели к «биотехнологическому буму», свидетелями которого являемся мы в настоящее время. Новейшие технологии генетической инженерии позволяют существенно усовершенствовать традиционные биотехнологические процессы, а также получать принципиально новыми, ранее недоступными способами разнообразные ценные продукты. Развитие и преобразование биотехнологии обусловлено глубокими переменами, происшедшими в биологии в течение последних 25–30 лет. Основу этих событий составили новые представления в области наследственности и методические усовершенствования, которые приблизили человечество к познанию превращений ее материального субстрата и проложили дорогу новейшим промышленным процессам. Помимо этого, ряд

важнейших открытий в других областях также повлиял на развитие биотехнологии (см. таблицу).

Генетическая инженерия существует немногим более 20 лет. Она блестяще раскрыла свои возможности в области прокариотических организмов. Однако новые технологии, применяемые к высшим растениям и животным, пока не столь значительны. Попытки применения приемов генетической инженерии к высшим растениям и животным сталкиваются с огромными трудностями, обусловленными как несовершенством наших знаний по генетике эукариот, так и сложностью организации высших организмов. Использование научных достижений и практические успехи биотехнологии тесно связаны с фундаментальными исследованиями и реализуется на самом высоком уровне современной науки. В этом плане нельзя не отметить удивительную научную многоликость биотехнологии: ее развитие и достижения теснейшим образом связаны и зависят от комплекса знаний не только наук биологического профиля, но также и многих других (см. рисунок). Сегодня биотехнология стремительно выдвинулась на передние позиции научно-технического прогресса. Фундаментальные исследования жизненных явлений на клеточном и молекулярном уровнях привели к появлению принципиально новых технологий и получению новых продуктов.

Традиционные биотехнологические процессы, основанные на брожении, дополняются новыми эффективными процессами получения белков, аминокислот, антибиотиков, ферментов, витаминов, органических кислот и др. Наступила эра новейшей биотехнологии, связанная с получением вакцин, гормонов, интерферонов и др. 

Важнейшими задачами, стоящими перед биотехнологией сегодня, являются: повышение продуктивности сельскохозяйственных растительных культур и животных, создание новых пород культивируемых в сельском хозяйстве видов, защита окружающей среды и утилизация отходов, создание новых экологически чистых процессов преобразования энергии и получения минеральных ресурсов. Характеризуя перспективы и роль биотехнологии в человеческом обществе, уместно прибегнуть к высказыванию на одном из Симпозиумов по биотехнологии японского профессора К. Сакагучи, который говорил следующее: «... ищите все, что пожелаете, у микроорганизмов, и они не подведут вас... Изучение и применение в промышленности культур клеток млекопитающих и растений, иммобилизация не только одноклеточных, но и клеток многоклеточных организмов, развитие энзимологии, генетической инженерии, вмешательство в сложный и недостаточно изученный наследственный аппарат растений и животных все больше расширят области применения существующих направлений биотехнологии и создадут

принципиально новые направления».

В современной биотехнологии в соответствии со спецификой сфер ее применения целесообразно выделить в качестве самостоятельных ряд разделов следующие:

•Промышленная микробиология;

•Медицинская биотехнология;

•Технологическая биоэнергетика,

•Сельскохозяйственная биотехнология;

•Биогидрометаллургия;

•Инженерная энзимология;

•Клеточная и генетическая инженерия;

•Экологическая биотехнология.

        Перспективность и эффективность применения биотехнологических процессов в различных сферах человеческой деятельности, от получения пищи и напитков до воспроизводства экологически чистых энергоносителей и новых материалов обусловлена их компактностью и одновременно крупномасштабностью, высоким уровнем механизации и производительности труда. Биологические технологии находятся в настоящее время в фазе бурного развития, но уровень их развития во многом определяется научно-техническим потенциалом страны.

      Важнейшей задачей любого биотехнологического процесса является разработка и оптимизация научно-обоснованной технологии и аппаратуры для него. При организации биотехнологических производств частично был заимствован опыт развитой к тому времени химической технологии. Однако биотехнологические процессы имеют существенное отличие от химических в силу того, что в биотехнологии используют более сложную организацию материи – биологическую. Каждый биологический объект (клетка, фермент и т. д.) – это автономная саморегулирующаяся система.

     Природа биологических процессов сложна и далеко не выяснена окончательно. Для микробных популяций, например, характерна существенная гетерогенность по ряду признаков – возраст, физиологическая активность, устойчивость к воздействию неблагоприятных факторов среды. Они также подвержены случайным мутациям, частота которых составляет от 10-4 до 10-8. Гетерогенность также может быть обусловлена наличием поверхностей раздела фаз и неоднородностью условий среды. В общем виде любой биотехнологический процесс включает три основные стадии: предферментационную, ферментационную и постферментационную. Принципиальная схема реализации биотехнологических процессов в общем виде может быть представлена блок-схемой, в которой сделана попытка охватить все варианты ферментационных процессов.

На предферментационной стадии осуществляют хранение и подготовку культуры продуцента (инокулята), получение и подготовку питательных субстратов и сред, ферментационной аппаратуры, технологической и рециркулируемой воды и воздуха. Поддержание и подготовка чистой культуры является очень важным моментом предферментационной стадии, так как продуцент, его физиолого-биохимические характеристики

и свойства определяют эффективность всего биотехнологического процесса. В отделении чистой культуры осуществляют хранение производственных штаммов и обеспечивают их реактивацию и наработку инокулята в количествах, требуемых для начала процесса. При выращивании посевных доз инокулята применяют принцип масштабирования, то есть проводят последовательное наращивание биомассы продуцента в колбах, бутылях, далее в серии последовательных ферментеров. Каждый последующий этап данного процесса отличается по объему от предыдущего обычно на порядок. Полученный инокулят по стерильной посевной линии направляется далее в аппарат, в котором реализуется ферментационная стадия. Приготовление питательных сред осуществляется в специальных реакторах, оборудованных мешалками. В зависимости от растворимости и совместимости компонентов сред могут быть применены отдельные реакторы. Технология приготовления сред значительно усложняется, если в их состав входят нерастворимые компоненты. В различных биотехнологических процессах применяются различные по происхождению и количествам субстраты, поэтому процесс их приготовления варьирует. Поэтому дозирование питательных компонентов подбирается и осуществляется индивидуально на каждом производстве в соответствии с Технологическим регламентом конкретного процесса. В качестве дозирующего оборудования при этом применяются весовые и объемные устройства, используемые в пищевой и химической промышленности. Транспорт веществ осуществляется насосами, ленточными и шнековыми транспортерами. Сыпучие компоненты подают в ферментеры с помощью вакуумных насосов. Часто применяют принцип предварительных смесей, то есть соли предварительно растворяют и затем транспортируют по трубопроводам, дозируя их подачу по объему. В силу исключительного разнообразия биотехнологических процессов и применяемых для их реализации сред, методов и аппаратуры рассмотрение данных элементов далее будет связано с конкретными биотехнологическими производствами.

Стадия ферментации является основной стадией в биотехнологическом процессе, так как в ее ходе происходит взаимодействие продуцента с субстратом и образование целевых продуктов (биомасс, эндо- и экзопродуктов). Эта стадия осуществляется в биохимическом реакторе (ферментере) и может быть организована в зависимости от особенностей используемого продуцента и требований к типу и качеству конечного продукта различными способами. Ферментация может проходить в строго асептических условиях и без соблюдения правил стерильности (так называемая «незащищенная» ферментация); на жидких и на твердых средах; анаэробно и аэробно. Аэробная ферментация, в свою очередь, может протекать поверхностно или глубинно (во всей толще питательной среды). Культивирование биологических объектов может осуществляться в периодическом и проточном режимах, полунепрерывно с подпиткой

субстратом. При периодическом способе культивирования ферментер заполняется исходной питательной средой и инокулятом микроорганизмов. В течение определенного периода времени в аппарате происходит взаимодействие микроорганизмов и субстрат сопровождающееся образованием в культуре продукта (Х + S → P). Биохимические превращения в этом аппарате продолжаются от десятков часов до нескольких суток. Регуляция условий внутри ферментера важнейшая задача периодического культивирования микроорганизмов. В ходе периодической ферментации выращиваемая культура проходит ряд последовательных стадий: лаг-фазу, экспоненциальную, замедления роста,стационарную и отмирания. При этом происходят существенные изменения физиологического состояния биообъекта, а также ряда параметров среды. Целевые продукты образуются в экспоненциальной (первичные метаболиты – ферменты, аминокислоты, витамины) и стационарной (вторичные метаболиты – антибиотики) фазах, поэтому в зависимости от целей биотехнологического процесса в современных промышленных процессах применяют принцип дифференцированных режимов культивирования. В результате этого создаются условия для максимальной продукции того или иного целевого продукта. Периодически ферментер опорожняют, производят выделение и очистку продукта, и начинается новый цикл. Непрерывный процесс культивирования микроорганизмов обладает существенными преимуществами перед периодическим. Непрерывная ферментация осуществляется в условиях установившегося режима, когда микробная популяция и ее продукты наиболее однородны. Применение непрерывных процессов ферментации создает условия для эффективного регулирования и управления процессами биосинтеза. Системы непрерывной ферментации могут быть организованы по принципу полного вытеснения или полного смешения. Первый пример – так называемая тубулярная культура. Процесс ферментации осуществляется в длинной трубе, в которую с одного конца непрерывно поступают питательные компоненты и инокулят, а с другой с той же скоростью вытекает культуральная жидкость. Данная система проточной ферментации является гетерогенной. При непрерывной ферментации в ферментах полного смешения (гомогенно-проточный способ) во всей массе ферментационного аппарата создаются одинаковые условия. Применение таких систем ферментации позволяет эффективно управлять отдельными стадиями, а также всем биотехнологическим процессом и стабилизировать продуцент в практически любом, требуемом экспериментатору или биотехнологу состоянии. Управление подобными установками осуществляется двумя способами . Турбидостатный способ базируется на измерении мутности выходящего потока. Измерение мутности микробной суспензии, вызванное ростом клеток, является мерой скорости роста, с которой микроорганизмы выходят из биореактора. Это позволяет регулировать скорость поступления в ферментер свежей питательной среды. Второй метод контроля, – хемостатный, проще. Управление процессом в хемостате осуществляется измерением не выходящего, а входящего потока. При этом концентрацию одного из компонентов питательной среды (углерод, кислород, азот), поступающего в ферментер, устанавливают на таком уровне, при котором другие питательные компоненты находятся в избытке, то есть лимитирующая концентрация задающегося биогенного элемента ограничивает скорость размножения клеток в культуре. Обеспечение процесса ферментации, с точки зрения инженерной реализации, сводится к дозированному поступлению в ферментер потоков(инокулята, воздуха (или газовых смесей), питательных биогенов, пеногасителей) и отвода из него тепла, отработанного воздуха, культуральной жидкости, а также измерению и стабилизации основных параметров процесса на уровне, требуемом для оптимального развития продуцента и образования целевого продукта. В ходе ферментации образуются сложные смеси, содержащие клетки, внеклеточные метаболиты, остаточные концентрации исходного субстрата. При этом целевые продукты, как правило, находятся в этой смеси в небольших концентрациях, а многие из них легко разрушаются. Все это накладывает существенные ограничения на методы выделения и сушки биологических препаратов.

Постферментационная стадия обеспечивает получение готовой товарной продукции и также, что не менее важно, обезвреживание отходов и

побочных продуктов. В зависимости от локализации конечного продукта(клетка или культуральная жидкость) и его природы на постферментационной стадии применяют различную аппаратуру и методы выделения и очистки. Наиболее трудоемко выделение продукта, накапливающегося в клетках. Первым этапом постферментационной стадии является фракционирование культуральной жидкости и отделение взвешенной фазы – биомассы. Наиболее распространенный для этих целей метод – сепарация, осуществляемая в специальных аппаратах – сепараторах, которые работают по различным схемам в зависимости от свойств обрабатываемой культуральной жидкости. Основные проблемы, возникают при необходимости выделения мелковзвешенных частиц с размером 0.5–1.0 мкм и менее (бактериальные клетки) и необходимостью переработки больших объемов жидкости (производство кормового белка, ряда аминокислот). Для повышения эффективности процесса сепарации применяют предварительную специальную обработку культуры – изменение рН, нагревание, добавление химических агентов. Для увеличения сроков годности биотехнологических продуктов производят их обезвоживание и стабилизацию. В зависимости от свойств продукта применяют различные методы высушивания. Сушка термостабильных препаратов осуществляется на подносах, ленточном конвейере, а также в кипящем слое. Особо чувствительные к нагреванию препараты высушивают в вакуум-сушильных шкафах при пониженном давлении и температуре и в распылительных сушилках. К стабилизации свойств биотехнологических продуктов ведет добавление в качестве наполнителей различных веществ. Для стабилизации кормового белка применяют пшеничные отруби, кукурузную муку, обладающие дополнительной питательной ценностью. Для стабилизации ферментных препаратов используют глицерин и углеводы, которые препятствуют денатурации ферментов, а также неорганические ионы кобальта, магния,натрия, антибиотики и др.

Технологии энергетики

Требования предъявляемы к электростанциям.

Основное назначение электрических станций - снабжение электроэнергией промышленных предприятий, сельскохозяйственного производства, электрифицированного транспорта и населения. Тепловые электроцентрали наряду с этим обеспечивают паром и горячей водой предприятия и жилые здания.

Особенность работы электрических станций - практическое совпадение количества отпускаемой и производимой электроэнергии, т.к. существующие в настоящее время типы аккумуляторов весьма дороги и малоэффективны. Аккумулирование тепла для технологических потребностей также практически не осуществляется.

Неразрывность производства и потребления энергии предъявляет весьма высокие требования к основной характеристике электростанции - надёжности. Требование надёжности означает бесперебойное производство электрической и тепловой энергии в соответствии со спросом со стороны потребителей и диспетчерским графиком нагрузки. Под надёжностью понимается свойство тепловой электростанции выполнять свои функции, сохраняя эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени.

Высокая надёжность должна быть заложена в оборудовании и линиях коммуникации при их конструировании и монтаже, в проекте электростанции в целом и должна поддерживаться длительно высоким уровнем культуры эксплуатации, своевременным и тщательным ремонтом. Однако, даже при соблюдении указанных требований вероятность возникновения неисправности элементов оборудования и аварии не исключена. Надёжное электроснабжение потребителей обеспечивается при этом дополнительными резервными агрегатами и энергоблоками.

Теплоснабжение потребителей также должно быть бесперебойным; в первую очередь это относится к снабжению паром промышленных предприятий, в особенности таких, технологический процесс которых (нефтеперегонные заводы и т.п.) должен осуществляться непрерывно.

Надёжность работы агрегата или энергоблока характеризуют в первом приближении коэффициентом готовности:

где Тгот = Траб + Трез - время нахождения агрегата (энергоблока) в состоянии готовности, складывающееся из времени работы Траб и времени резерва Трез ; Тар. - продолжительность состояний аварии и после аварийного ремонта (обычно ч/год). Годовой период включает, кроме того, важную составляющую Тпр. -продолжительность планового текущего, а в отдельные годы и капитального ремонта.

Коэффициент аварийности (ненадёжности)

Показатели р и q, определяют за годовой или иной длительный период, в котором продолжительность работы Траб и состояние готовности Тгот должны быть основными составляющими, а величина Тар. - возможно малой. Знание величины р позволяет подойти к количественной оценке надёжности работы энергетического оборудования.

Второе основное требование к электростанциям - экономичность. Два вида экономичности - сооружения и эксплуатации частично согласуются между собой, частично противоречивы. В издержки производств входят, в частности, отчисления от единовременных затрат (капитальных вложений) на амортизацию оборудования (возобновление его работоспособности во время эксплуатации), а также сооружений. Эти отчисления тем больше, чем дороже электростанция. Вместе с тем основная составляющая издержек производства ТЭС -стоимость топлива. Экономия топлива и затрат на него достигается техническим совершенствованием оборудования и, как правило, его удорожанием. Чтобы оценить оба вида затрат на электростанцию - капитальных при её сооружении и ежегодных при эксплуатации - часто используют обобщающий показатель общей экономичности, так называемые расчётные затраты.

В общем случае экономичность электростанции (энергосистемы) может характеризоваться целым рядом показателей:

- коэффициентом полезного действия электростанции;

- удельным расходом топлива на выработанную электрическую (тепловую) энергию;

стоимостью отпущенной тепловой или электрической энергии, относительной величиной потерь в тепловых и электрических сетях;

рентабельностью - отношением прибыли и стоимости основных производственных фондов и оборотных средств;

удельными капиталовложениями на создание энергообъекта;

удельной численностью персонала.

Более подробному рассмотрению указанных показателей, их определению и взаимосвязи в критериальных зависимостях будут посвящены отдельные разделы данной работы.

Для удовлетворения быстропеременных нагрузок электростанции и энергоблоки должны обладать маневренностью, т.е. способностью быстрого набора и снятия нагрузки, быстрого пуска из нерабочего состояния и остановки, без ущерба для надёжности и долговечности. При этом, частота электрического тока в энергосистемах должна непрерывно поддерживаться на уровне 50 гц с отклонениями не более ± 0,1гц, временно не более ± 0,2 гц. Более широко понятие маневренности и связанные с ним характеристики оборудования рассматриваются в процессе изучения дисциплин «Режимы работы и эксплуатация ТЭЦ и АЭС».

Обязательным требованием предъявляемым к электростанции является требование безопасности работы на ней обслуживающего персонала и условий необходимых для ремонта оборудования.

Наряду с перечисленными требованиями предъявляемыми к электростанции, важнейшим является условие её экологической безопасности , включающее охрану окружающей среды, воздушных и водных бассейнов. Экологичность электростанции должна заключаться в том, что отработанное тепло, зола и шлак, дымовые газы, радиоактивные отходы, электромагнитные поля и другие побочные продукты производственной деятельности не должны приносить вред населению, животному и растительному миру.

Альтернативные технологии в энергетике. Парогазовые установки в электроэнергетике

Первые парогазовые установки (ПГУ) начали сооружаться в начале 50-х годов XX столетия, на электростанциях США и Западной Европы. Это были установки небольшой мощности, которые совершенствовались в основном по мере улучшения показателей энергетических газовых турбин. За последние 30 лет газотурбинные установки (ГТУ) являются наиболее динамично развивающимся тепловым двигателем. За это время их единичная мощность превысила 200 МВт, КПД при автономной работе повысился с 27 до 37% (для многоваль-ных ГТУ до 40%), степень сжатия увеличилась с 7 до 15-17, начальная температура газов достигла 1300-1400 °С.

Для современных ГТУ характерной является компоновка при которой компрессор и турбина располагаются на одном валу и образуют компактный блок с встроенной камерой сгорания (кольцевой или блочнокольцевой, рис. 8.1).

Рис. 8.1. Конструктивная схема ГТУ.

1 - компрессор; 2 - камера сгорания; 3 - турбина; а - воздух из атмосферы;

б - топливо; в - отработавшие в турбине газы (продукты сгорания);

г - выдача мощности на вал электрического генератора.

Так как важнейшим показателем влияющим на эффективность ГТУ является начальная температура расширения газов в цикле, то для современных ГТУ характерны:

термобарьерные и противокоррозионные покрытия лопаток первых ступеней турбины,

системы охлаждения лопаток как воздушные, так и с использованием пара или воды,

использование монокристаллических лопаток 1 и 2 ступеней турбины и лопаток с направленной кристаллизацией в последующих ступенях.

Все эти мероприятия направлены на снижение термических и механических напряжений в элементах работающих в наиболее тяжелых условиях и повышение их надежности (жаропрочность и сопротивление коррозии).

Перспективным направлением также является внедрение дисперсионно-упрочненных сплавов и конструкционной керамики.

Прогресс в газотурбостроении привел к существенному совершенствованию парогазовых установок. Повышалась их термическая эффективность, увеличивалась мощность, улучшались эксплуатационные характеристики. К концу XX столетия КПД лучших ПГУ приблизился к 60%, а единичная мощность превысила 750 МВт. Доля ПГУ в мировой энергетика постоянно увеличивается. До 50% мощностей вводимых в эксплуатацию тепловых энергетических установок приходится на ПГУ.

Основные преимущества ПГУ (высокий КПД, умеренная удельная стоимость, хорошие экологические показатели, возможность быстрого поэтапного сооружения) особенно проявляются при доступности и относительно невысокой стоимости природного газа, что характерно для условий России.

Энергоустановка на базе газификация угля

Общим принципом всех способов газификации является обеспечение реакции угля с газифицирующими элементами при высокой температуре, в результате чего уголь переводится из твердого состояния в газообразное, а зола выделяется в виде осадка.

Если при ведении топочных процессов стремятся максимально развить окислительные реакции с получением продуктов полного сгорания, типа:
С + О
2 = СО2 + Q, (1)

2С + О2 = 2СО + Q2

2СО +О2 = 2СО2 +Q3

то при газификации топлива стремятся развить восстановительные реакции с получением продуктов неполного сгорания типа эндотермической реакции

СО2 + С = 2СО - Q4

Возможна первоначальная реакция угля с водяным паром при высоких температурах (~ 1000 °С) С + Н2О = СО + Н2 - Q5

Для протекания этой реакции также требуется тепло получаемое от реакции (1). При этом лучше окислять уголь чистым кислородом, а не воздухом, чтобы не балластировать азотом получающийся газ. Вторая стадия процесса протекает по реакции СО + Н2О = СО2 + Н2

Кроме указанных основных реакций происходит процесс непосредственного образования метана (гидрогазификация)

С + 2Н2 = СН4 + Q6

Для этого процесса наиболее благоприятна зона температур 600-900°С, причем чем выше давление, тем больше выход метана.

При газификации параллельно протекают процессы отгонки летучих из углей, их крекинга и ряд других процессов.

Результатом процесса газификации является получение целевых полезных продуктов СО; Н2; СН4.

Кроме того подученный газ содержит СО2; Н2О; N2; H2S, серо-органические соединения; аммиак. В виде паров может содержаться гамма углеводородных соединений - смолы, масла, фенолы и др. продукты термического разложения топлива.

Центральным звеном процесса является реактор газификации, в котором происходит сложный комплекс химических реакций.

Разнообразие существующих типов газификаторов обусловлено стремлением выбрать для каждого сорта угля необходимый режим газификации.

Выбор конкретного типа газификатора зависит от характера конечного использования получаемого газа, физических и химических свойств угля, требуемой производительности, способов утилизации тепла и конечных продуктов. Основные признаки по которым различаются газификаторы следующие:

  1.  Характер дутья: паровоздушное или парокислородное.
  2.  Величина рабочего давления.
  3.  Способ организации контакта топлива с окислителем в реакционной зоне: в
    неподвижном слое угля, в кипящем или псевдоожиженном слое, в объеме с пылевидным топливом, в движущемся слое, в пылегазовом потоке и т.д.
  4.  Число ступеней реагирования.

5.Способ удаления минеральной составляющей угля и применения промежуточных теплоносителей, сорбентов и т.д.

В общем виде процесс газификации угля представлен на рис. 8.5.

H.S

111 '       IV

Boidyt

Рис. 8.5. Обобщенная схема газификации углей

/ - подготовка угля (дробление, размол, сушка, термическая обработка и т.п.);II - газификация; III- охлаждение газа; IV- очистка газа от механических примесей и аммиака; V - десулъфуризация газа

При выборе того или иного процесса для энерго-генерирующей установки эффективность использования топлива является одним из главных показателей. Однако при внутрицикловой газификации итоговый к.п.д. определяется не только эффективностью работы реактора газификации, но и всех других звеньев, включая систему утилизации тепла, выделяющегося в процессе газификации, и энергетический цикл.

Процесс с более высоким к.п.д. газификации может оказаться в итоге не самым выгодным, например по следующим причинам: ухудшаются возможности утилизации физического тепла процесса из-за высокого содержания смол в газах; возрастают потери вследствие конденсации водяного пара в системе низкотемпературной жидкостной очистки газа при неполной конверсии водяного пара в реакторе; уменьшается доля мощности вырабатываемой газотурбинной частью цикла и т.п.

Поэтому для правильной оценки эффективности необходимо анализировать схему в целом. Основные потери в процессе газификации, непосредственно влияющие на к.п.д. установки, - это процент недожога в выводимом шлаке, потери тепла в окружающую среду через наружную оболочку реактора и с физическим теплом шлака промежуточного теплоносителя и т.п., гидравлические потери по газовоздушному тракту, потери транспортного газа и газовой среды в шлюз-бункерах, расход электроэнергии на привод вспомогательных агрегатов.

Удельная теплота сгорания газа при использовании воздушного дутья получается в пределах 3,75-6,70 МДж/м (газ низкой теплоты сгорания) при использовании кислородного дутья - в пределах 9,0-18,8 МДж/м3. Газ с высокой теплотой сгорания (31-37 МДж/м3) можно получить методами пиролиза или с использованием вторичных процессов каталитического метанирования, значительно более сложных и дорогих. Такие процессы рассматриваются для производства заменителя природного газа.

Включение в тепловую схему ТЭЦ оборудования для газификации угля существенно усложняет схему и условия эксплуатации станции. Тепловая станция становится химико-энергетическим предприятием, так как, кроме газификационных и очистных установок, в составе ее появляются: станция разделения воздуха, установки для регенерации растворов сероочистки и производства товарной серы, устройства для нейтрализации стоков и хвостовых газов и т.п.

Большинство разработанных процессов газификации угля основаны на кислородном дутье и используют низкотемпературную газоочистку, широко применяющуюся в газовой и нефтеперерабатывающей промышленности. Твердые частицы, соединения серы и азота улавливаются из топливного газа. Сера в виде элементарной является товарным продуктом.

Для снижения выбросов NOX в газ могут быть введены вода или пар и/или азот. Образующийся при газификации шлак можно использовать для производства стройматериалов и в дорожном строительстве.

Концепция ПГУ с внутрицикловой газификацией угля впервые была успешно продемонстрирована в 1984-1989 гг на блоке 100 МВт ТЭЦ Кул Уотер в штате Калифорния (США). Филиал фирмы Доу Кемикал-Дестек эксплуатирует ПГУ мощностью 160 МВт с газификацией угля в г. Плаквемин (штат Лузиана, США). В Нидерландах сооружена ПГУ мощностью 250 МВт с газификацией

угля по технологии фирмы Шелл с КПД 43,5%. Во всех этих ПГУ использованы газотурбинные установки на температуру около I363K.

Мощность современных ПГУ использующих внутрицикловую газификацию угля достигает 500 МВт с КПД на уровне 43-45% в зависимости от качества угля. В России создан ряд газификаторов и разработаны проекты перспективных установок на базе газификации угля. На Зуевской экспериментальной ТЭЦ проработана технология газификации углей с горновым газогенератором и сухой газоочисткой на металлотканевом фильтре. На Несветай ГРЭС внедрена опытно-промышленная установка газификации и сжигания углей в объеме жидкого шлака, барботируемого обогащенным кислородным дутьем.

 Энергоблок ультракритических параметров

Блок ультрасверхкритических параметров для работы новых электростанций на твердом топливе для работы в базовом режиме. Основная цель создания таких блоков - достижение высокой экономичности благодаря повышению начальных параметров пылеугольных блоков до уровня: начальное давление       30 МПа, начальная температура 600 °С. Достижение таких показателей становится возможным на основе новых металловедческих проработок. Основные технические характеристики проекта: КПД блока нетто - 45,5% Удельный расход топлива - 270 г/кВт.час Нижний предел нагрузки без изменения состава оборудования - 60% от номинала Мощность на клеммах генератора - 525 МВт Полный срок службы - 40 лет Коэффициент готовности - 0,98 Производительность по свежему пару - 1500 т/час Абсолютное давление пара

За котлом перед ЦВД - 30/29 МПа

Температура свежего пара

за котлом/перед ЦВД - 600/595 °С

Абсолютное давление за ЦВД       - 5,4 МПа

Температура пара промперегрева - 600 °С

Абсолютное давление на нагнетание

питательных насосов - 35,5 МПа

Температура питательной воды на входе

в котел - 300 С

Для энергоблока предусмотрены предельные значения окислов азота (~ 350 мг/мм3) и окислов серы (~ 700 мг/мм3) в уходящих газах при их температуре 100-135 °С. Принята бездеаэраторная схема с 8 ступенями регенерации, при этом ПНД-1 и ПНД-2 смешивающие. Конструктивная схема одновальной турбины ЦВД+ЦСД+2ЦНД. Кроме решения новых технологических проблем при создании котла и турбины на повышение параметра пара, потребуется разработка новых питанотельных насосов на повышенные напоры, значительное обновление комплектующей арматуры, создание новых паропроводов острого пара с толщиной стенки не менее 8 см.

Прогнозное удорожание оборудования проектируемого блока составит по разным оценкам от 20% до 50% по сравнению со стандартными блоками СКД. Начальные параметры 30 МПа и 600 °С за рубежом считаются предельно достижимыми для разработанных марок сталей. Подобные блоки строились в Германии, Дании, Японии. Параметры большинства аналогичных блоков находящихся в эксплуатации все же ниже 30 МПа 600°С, что несколько упрощает технические проблемы возникающие при их создании и эксплуатации.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

1646. Серозный и катаральный маститы: причины, особенности течения, диагностика и профилактика 20.65 KB
  Серозное воспаление вымени характеризуется гиперемией, большим выпотом серозного экссудата и эмиграцией лейкоцитов, преимущественно в междольковую ткань. Характеризуется перерождением железистого и покровного эпителия, его отторжением.
1647. Слабые и бурные схватки и потуги как причина патологических родов 19.78 KB
  Сильные потуги. Причиной бурных потуг могут быть неправильное расположение плода, его уродливость, раннее отхождение околоплодных вод. Слабые схватки и потуги.
1648. Сперма и её видовые особенности 19.51 KB
  Сперма – смесь спермиев (половых клеток самца) и плазмы(сыворотки). Сыворотка спермы – секрет придатков семенников и придаточных половых желез.
1649. Сперматогенез. Физиологическое значение придатков семенников, мошонки, придатков половых желез 20.39 KB
  По достижении животным половой зрелости в семеннике его происходят сложные процессы, сводящиеся к созреванию и формированию спермиев — сперматогенезу.
1650. Спермии, их строение, скорость и виды движения спермиев. Энергетика спермиев 21.39 KB
  Строение В спермии с/х. животных различают головку, шейку, тело и хвост. Скорость и виды движения спермиев. Энергетика спермиев.
1651. Способы определения концентрации спермиев в эякуляте: подсчет в счетной камере при помощи ФЭК по стандартам 20.59 KB
  Концентрацию спермиев определяют с помощью фотоэлектроколориметров (ФЭК), калибровочную кривую для которых составляют по результатам подсчета спермиев в камере Горяева.
1652. Способы искусственного осеменения кобыл 20.49 KB
  При осеменении кобыл сперму вводят в матку (маточный метод осеменения). В практике применяют два способа введения спермы: мануальный и визуальный.
1653. Способы искусственного осеменения коров и телок 20.59 KB
  Для осеменения коров и телок используется цервикальный метод осеменения, т. е. в шейку матки. Существуют три принципиально различающихся по технике исполнения способа введения спермы в цервикальный канал.
1654. Способы искусственного осеменения свиноматок 20.5 KB
  При искусственном осеменении свиней сперма вводится в матку. В практике применяется два способа осеменения: фракционный и нефракционный.