Установка парового привода на воздуходувную машину типа ТВ-300 обжигового цеха ПАО "ЧЦЗ"

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Согрин Н.Д. 1Прокофьев Е.В. 1Конышев М.Д. 1Китушин И.С. 1

---

1ГБОУ "ЧОМЛИ"

Мищенко А.Н. 1Овсяницкий Д.Н. 2

---

1ГБОУ "ЧОМЛИ"

2ГБОУ «Челябинский областной многопрофильный лицей-интернат для одарённых детей»

Работа в формате PDF

1.3 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

 Введение

В связи с наличием свободного водяного пара, а также во исполнении Федерального Закона "Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации" от 23.11.2009¹руководством Публичного Акционерного Общества «Челябинский Цинковый Завод» (ПАО «ЧЦЗ») было принято решение рассмотреть вопрос о возможности замены электродвигателя воздуходувной машины ТВ300-1,6М1-В2 (ТВ300), установленной в обжиговом цехе ПАО «ЧЦЗ» на паровой движитель и тем самым повысить энергоэффективность цеха (Приложение 1. Рисунок 1).

Цель работы: Установить паровой привод на воздуходувную машину типа ТВ-300 обжигового цеха ПАО «ЧЦЗ»

Для достижения поставленной цели команда поставила следующие задачи:

1) Ознакомиться с технологическим циклом обжигового цеха ПАО «ЧЦЗ»; осмотреть воздуходувные машины и их расположение в цехе; места крепления электромоторов, системы их электроснабжения.

2) Запросить у ПАО «ЧЦЗ» техническую документацию по установленным в цехе устройствам, экономические расчеты.

3) Изучить техническую документацию по установкам: воздуходувка ТВ300-1,6М1-В2; электродвигатель воздуходувки типа ВАО2-560-400-2ДУ2 (Приложение 1. Рисунок 2.; Приложение 1. Рисунок 3).

4) Ознакомиться с предварительными расчетами экспертов ПАО «ЧЦЗ» по данному вопросу.

5) Произвести поиск информации о паровых турбинах, электродвигателях и воздуходувных машинах.

6) Изготовить модель участка цеха, в котором расположены воздуходувные машины и предполагается установка паровой установки.

Длярешения задач мы использовали следующие методы: исследование, расчеты, анализ технической документации, экономическое прогнозирование, моделирование электротехнических устройств, 3D моделирование.

Глава 1. Ознакомление с обжиговым цехом ПАО «ЧЦЗ».

Совместно со специалистами ПАО «ЧЦЗ» была согласована и проведена экскурсия на Челябинский цинковый завод. В ходе проведения экскурсии выяснилось, что на заводе имеется не одна, а четыре воздуходувные машины (Приложение 1. Рисунок 1).

Машины расположены внутри помещения цеха. Моторы установлены на бетонные тумбы и закреплены болтами. Габаритные размеры воздуходувных машин представлены в таблице ниже:² (Приложение 1. Рисунок 2).

По технологическому циклу работы обжигового цеха имеются излишки водяного пара в количестве 11-20 тонн/ч, давлением 8 бар (0,8 мПа), температурой 175°C. Особенностями данного пара является высокое содержание солей. Использование излишков водяного пара может привести к экономии электроэнергии и финансов предприятия.

В ходе посещения Челябинского цинкового завода была проведена встреча со специалистами данного предприятия. В ходе встречи выяснилось: а) Задача по повышению энергоэффективности обжигового цеха ПАО «ЧЦЗ» стоит не первый год. б) Замена электродвигателя на паровой движитель возможна и рассматривалась как сотрудниками предприятия, так и приглашенными специалистами. в) Замена электродвигателя на паровой требует изменения условия работы обжигового цеха в связи с необходимостью работы с горячим паром. г) Помимо энергоэффективности необходимо проводить расчеты экономической эффективности предполагаемой замены.

Заключение: в ходе посещения Челябинского цинкового завода и беседы со специалистами предприятия стало понятно, что техническая задача по замене одного двигателя на другой на самом деле является более сложной и представляет из себя производственную задачу. Соответственно для её решения необходимы решения и в других областях, таких как – производственный процесс, производственные объекты, кадровый состав и регламенты, финансово-экономическая составляющая³.

Глава 2. Ознакомление с технической и экономической документацией.

Для работы на данном этапе было принято организационное решение – разделить членов команды по разным направлениям с учетом постоянного обмена данными и консультациями со специалистами Челябинского цинкового завода.

Направление 1 – технологический процесс и воздуходувные машины.

Направление 2 – анализ пара и возможностей его использования.

Направление 3 – поиск и исследование современных паровых приводов. Оценка их технических характеристик.

Направление 4 – оценка экономической эффективности и затрат на прямую замену электрического двигателя на паровой.

По нашему запросу нам была предоставлена вся имеющаяся на ПАО «ЧЦЗ» информация.

Направление 1. Воздуходувная машина ТВ300-1,6М1-В2 состоит из множества элементов, среди которых мы выделили те, которые посчитали для себя основными. Это турбокомпрессор, электромотор и соединительная муфта (Приложение 2. Рисунок 1). Двигатель работает на 3000 оборотах в минуту. Такое количество оборотов необходимо для создания необходимого в производстве потока воздуха. Меньшее количество оборотов не допустимо. Допустимый допуск радиального биения для подобного двигателя составляет 0,07 мм⁴ (Приложение 2. Рисунок 2). Это говорит о том, что должна быть очень хорошая соосность между валом двигателя и осью турбокомпрессора, за которую отвечает соединительная муфта. Кроме того, важно отметить, что соосность добивается условиями установки – место установки, горизонтальное и вертикальное выравнивание, вибрационная стойкость основания. Поэтому вибрационные машины подобного типа устанавливаются только на бетонную подушку. Особенности установленного электродвигателя говорят о том, что в данном помещении имеется класс опасности IIА, IIВ⁵. Это означает, что паровой движитель должен иметь возможность работы в таком помещении. Кроме того, паропровод к данному движителю так же должен быть не ниже данного класса опасности⁶. Данные об особенностях помещения, установки двигателя и его мощностных характеристиках были переданы членам команды, работающим по другим направлениям.

Направление 2. Свободный водяной пар, получающийся в результате технологического процесса в обжиговом цехе Челябинского цинкового завода, имеет следующие характеристики: давление – 0,8 МПа; температура – 175^оC; количество – 11-20 т/ч. Пар имеет следующие особенности – высокое содержание солей. Количество «свободного» пара зависит от сезона года, так как в период холодов – с середины осени и до середины весны используется на нужды завода. Таким образом, эффективным временем использования пара можно считать только летний период. Использование пара в другие периоды зависит от погодных условий. Эти данные также были переданы для подбора необходимого оборудования.

Направление 3. Получив необходимые данные о технических характеристиках движителя, особенностях и количестве пара, было проведено исследование современного рынка паровых агрегатов, которые бы удовлетворяли заявленным требованиям. К механизмам, способным удовлетворить нашим требованиям, могут быть отнесены паровые турбины.⁷ Кроме того, был рассмотрен поршневой паровой двигатель типа «Циклон» («Cyclone»), разработанный компанией DARPA в 2008 году и модифицированный в 2009 году компанией CyclonePowerTechnologies⁸ (Приложение 1. Рисунок 4). Данный двигатель один из самых современных в своём роде. Особенность его заключается в неоднократном нагреве водяного пара в закрытой системе. Кроме того данный двигатель использует пар в качестве смазочного материала, тем самым уменьшая силу трения и повышая свой КПД. Для подогрева пара может быть использовано любое топливо, вплоть до рапсового масла. По заявленным характеристикам данный двигатель вполне может быть заменой электрическому (с соблюдением всех особенностей и условий), однако он все еще находится в разработке, и его окончательная стоимость и точные технические характеристики не известны. Мы рассматриваем его как перспективный вариант на будущее⁹.

Направление 4. На данном этапе необходимо было сделать предварительные оценки затрат предприятия на замену электромотора, рассчитать стоимость потребляемого электричества, определить срок окупаемости, исходя из предварительных расчетов. При стоимости 2,3 руб. за 1 кВт час затраты предприятия на приобретение электроэнергии для работы одного электродвигателя составят: 480 кВа*24 часа*30 дней*12*2,3 руб.=9538560 руб. (девять миллионов пятьсот тридцать восемь тысяч пятьсот шестьдесят рублей). При стоимости паровой турбины 0,5 млн. долларов США, её стоимость в рублях составит – 500000*67=33500000 (тридцать три миллиона пятьсот тысяч рублей). Срок окупаемости затрат на приобретение паровой машины составит – 33500000/93585603,58 года. Чуть более трёх с половиной лет. Дополнительные финансовые затраты потребуются на работы по монтажу/демонтажу имеющегося оборудования, ввод в эксплуатацию, подведение пара, отведение пара после его использования в паровой турбине. Минимум – 2 млн. руб. Дополнительные временные затраты потребуются на вышеуказанные работы, время на изготовление агрегата. Минимум – 1,5 года. Таким образом, по самым минимальным расчетам, без учета расходов на налоги, амортизацию и прочие, срок окупаемости составит около 6 лет. Не стоит забывать, что такие глобальные изменения повлекут за собой изменения в статусе безопасности цеха, изменении организационно-кадровой системына производстве, технологических магистралей и прочего.

Заключение: 1. По итогам всей полученной информации мы пришли к выводу, что прямая замена электрического мотора воздуходувной машины ТВ-300 на паровой движитель в виде паровой турбины является не целесообразным. 2. Длительный срок окупаемости, сложность строительных и монтажных работ, изменения в структуре предприятия делают замену двигателей не эффективной. 3. По итогам данного этапа принято решение провести консультацию со специалистами ПАО «ЧЦЗ».

Глава 3. Консультация со специалистами предприятия.

На данном этапе мы ознакомили специалистов ПАО «ЧЦЗ» со своей информацией. В ходе совместного обсуждения выяснилось, что у специалистов Челябинского цинкового завода такое же мнение по поводу эффективности и целесообразности замены электрического двигателя на паровой. Именно это и повлияло на то, что данная задача не была решена ранее.

В ходе предыдущих этапов команда рассматривала не только возможность замены двигателя, но и возможность применения электрогенератора на базе паровой турбины.

Заключение: 1. Специалистами ПАО «ЧЦЗ» было предложено более подробно разобрать вопрос о возможном использовании пара для получения электроэнергии. 2. В ходе обсуждения выяснилось, что паровые турбины лопаточного типа не могут быть использованы, так как их лопатки очень сильно засаливаются, и они выходит из строя. Поэтому единственная возможность – это использовать паровинтовую машину (ПВМ).

Глава 4 . Проработка использования паровинтовой машины.

Паровинтовая машина, как и паровые турбины других типов, имеет три важных для нас элемента – «винтовой блок», соединительная муфта, генератор. Проведя анализ паровинтовых машин, мы пришли к тому, что они имеют для проекта как положительные, так и отрицательные особенности (Приложение 1.Рисунок 5).

Положительные моменты заключаются в следующем:

– данные машины не требовательны к качественному составу пара;

– параметровпара имеющегося на ПАО «ЧЦЗ» достаточно для работы ПВМ от 500 до 1000 кВт (по электрическому току);

– количество оборотов соответствует требуемому (3000 об/мин)

Из отрицательных параметров стоит отметить:

– большие габариты (в несколько раз больше электрического мотора)

– не понятно, способна ли данная машина выдать на валу 400 кВт мощности, чтобы раскрутить воздуходувную машину. К сожалению, данный параметр не указывается в паспортных данных.

В ходе совместной работы со специалистами ПАО «ЧЦЗ» нами были получены данные о паровинтовых машинах компании «Wintoo». Специалисты данной компании были на заводе и проводили первичную оценку возможности замены электродвигателя на их паровинтовой движитель. Более внимательное ознакомление с продукцией данной компании выявило ряд преимуществ её продукции перед другими аналогичными машинами. Плюсом также является и то, что это Российская компания, а значит ремонтное обеспечение на гарантийном сроке будет осуществляться производителем, что уменьшит ежегодные затраты на обслуживание устройства в первые 10 лет эксплуатации (Приложение 1. Рисунок 6). Компания выпускает ПВМ с выходной электрической мощностью 500, 800 и 1000 кВт (Приложение 2. Рисунок 3).

Глава 5. Принятие командного решения.

Рассмотрев всю имеющуюся информацию в совокупности, наша команда приняла решение – разработать систему оценки эффективности замены электродвигателя на паровой. Были предложены следующие критерии:

1. Энергетическая эффективность

2. Экономическая эффективность (срок окупаемости)

3. Безопасность рабочих мест

4. Техническая эффективность (возможность замены без существенных технических изменений)

5. Технологическая эффективность (возможность использовать имеющийся на ПАО «ЧЦЗ» пар)

Заключение: 1. Наибольшей технологической эффективности отвечают паровинтовые машины ПВМ-500, ПВМ-800, ПВМ-1000 Российской компании «Wintoo». Помимо прочего на данные машины можно установить генераторы любых производителей, а значит подобрать наиболее эффективный для нашего проекта. 2. Замена электродвигателя воздуходувной машины на ПВМ без генератора невозможна без существенного изменения внутри цеха. Изменения носят длительный характер и достаточно дорогие. По представленным предварительным расчетам – более 1,5 месяцев без учета настройки и регулировки и стоимостью более 1,5 млн. рублей. То есть техническая замена электродвигателя на паровой не эффективна. Учитывая, что в помещении находится четыре воздуходувные машины, к каждой из которых подведены высоковольтные провода, а замена производится только на одной машине, то сочетание высокоактивного водяного пара, находящегося под давлением, и источников повышенной опасности по электротоку, никак не увеличивает безопасность персонала. Такое сочетание не безопасно и не соответствует нормам электробезопасности и другим. Нарушение норм безопасности не допустимо. Стоимость ПВМ-500 без генератора составляет около 400 тыс. долларов США. Без учета стоимости доставки, монтажа, настройки, выезда специалиста и особенности индивидуального изготовления. Это значит, что её окупаемость также составит около 6 лет. Стоимость ПВМ-500 с электрогенератором на 500 кВт составляет около 600 тыс. долларов США. В этом случае окупаемость составит: 600000*67/93585604,3 года. Добавляем срок на изготовление и прочее и получаем 6,5-7 лет. С учетом того, что гарантийный срок работы ПВМ – 10 лет, то при потенциальном ремонте каждые 60000 тыс. часов (что в 2 раза выше, чем у конкурентов) экономическая эффективность кажется сомнительной. С учетом сезонности пара включение парового движителя возможно только в летний и примерно по 1-2 месяцам весенне-осеннего периода, то есть 5-6 месяцев в году. Остальные полгода будет вновь запущен электродвигатель, это означает, что энергоэффективность замены уменьшается в 2 раза. Также повышается срок окупаемости. Вывод: нужно другое решение основной задачи.

Глава 6 . Предложение команды.

Для более эффективного решения поставленной задачи, основной вопрос которой заключается в повышении энергетической эффективности обжигового цеха ПАО «ЧЦЗ», то есть в снижении энергопотребления данным цехом, команда предлагает следующее решение. Суть – заменить не механический привод воздуходувной машины ТВ-300, а заменить или предложить альтернативный источник электропитания для её электродвигателя. Источником электропитания может быть электрогенератор, подключенный к паровинтовой машине. То есть как раз то, что предлагает компания «Wintoo».

Для этого предлагается следующее:

1. В качестве источника электрического тока использовать ПВМ-1000. Исходя из того, что потребляемая мощность (кВА) электромоторов может составить 480 кВт по электрическому току,такой генератор сможет питать электричеством не один, а два мотора от двух воздуходувных машин. Это повышает энергоэффективность цеха в 2 раза от первоначально поставленной задачи.

2. С целью обеспечения безопасностиработников обжигового цеха, разместить ПВМ вне цеха. Исполнение данной паровинтовой машины допускает её размещение вне зданий. Разместить паровинтовой генератор лучше всего ближе к источнику пара. Наиболее эффективно в отдельной пристройке.

3. Такое размещение и приобретение готовой, цельной машины позволит не проводить изменения внутри цеха, а все настройки и регулировки провести на предприятии-изготовителе. Потребуется подключение к паропроводу, однако пути будут короче, а значит эффективность выше.

4. Стоимость генератора ПВМ-1000 составляет около 1 млн. долларов США. Дополнительные расходы, связанные с переподключением пара к машине и постройка дополнительного помещения, по стоимости может быть сопоставима со стоимостью работ по монтажу-демонтажу оборудования при замене моторов.

Ещё один основной вопрос, который необходимо решить – сезонность пара и время работы парового генератора.

Мы предлагаем пропускать пар сначала через генератор, а потом, подогревая его в зимний период, предоставлять на нужды предприятия. Понадобится небольшая котельная, что также повышает затраты и увеличивает срок окупаемости.

С учетом дополнительных затрат срок окупаемости предлагаемого решения составит около 7 лет. Однако можно попытаться сократить данный срок за счет эффективного финансово-экономического подхода. Например, взяв ПВМ в рассрочку или лизинг. Заказать ПВМ не в штучном исполнении. Обучить своего инженера, а не приглашать представителя производителя. Всё это в совокупности может привести к уменьшению срока окупаемости до 5 лет.

При этом заметно снизится зависимость ПАО «ЧЦЗ» от внешних источников энергоснабжения, а в случае повышения тарифов на электроэнергию эффективность такого решения будет увеличиваться.

Глава 7. Подготовка макета и отчетной документации.

Для того чтобы наглядно показать ряд технических и технологических проблем, мы решили создать макет обжигового цеха Челябинского цинкового завода и прилегающей территории. Кроме того, мы планируем показать принцип работы некоторых устройств, о которых шла речь выше, а также систему автоматического переключения питания электромоторов при питании от внешнего источника (электросети) и внутреннего – паровинтовой машины ПВМ-1000.

В настоящее время проводятся более точные экономические и технические расчеты для их представления специалистам ПАО «ЧЦЗ».

Стоимость представляемого макета  8 000 руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В ходе посещения Челябинского цинкового завода и беседы со специалистами предприятия стало понятно, что техническая задача по замене одного двигателя на другой на самом деле является более сложной и представляет из себя производственную задачу.

2. Замена электродвигателя воздуходувной машины на паровой движитель ПВМ без генератора не является оптимальным решением энергоэффективности обжигового цеха ПАО «ЧЦЗ» по многим причинам.

3. Наиболее эффективными для решения поставленных задач являются паровинтовые машины ПВМ-500, ПВМ-800, ПВМ-1000 Российской компании «Wintoo». Помимо прочего, на данные машины можно установить генераторы любых производителей, а значит подобрать наиболее оптимальный для нашего проекта.

4. Предлагается рассмотреть вариант альтернативного источника электроснабжения электродвигателей воздуходувной машины ТВ-300.

5. Окончательное решение должно принимать руководство предприятия с учетом всех обстоятельств и мнений специалистов.

Список использованных источников и литературы.

Интернет источник – http://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_93978/

Интернет источник –http://www.mnkom.ru/catalog/category/1000001569

Интернет источник – https://studopedia.ru/10_266392_klassifikatsiya-proizvodstvennih-zadach-i-protsessov.html

Интернет источник –http://engineering-solutions.ru/motorcontrol/motor/

Интернет источник – https://thedifference.ru/chem-otlichayutsya-kva-i-kvt/

Интернет источник – http://docs.cntd.ru/document/1200004863 ГОСТ 8592-79 МАШИНЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ВРАЩАЮЩИЕСЯ. Допуски на установочные и присоединительные размеры и методы контроля.

Интернет источник – http://www.plasma.com.ua/electric_motors/vao2/product2.html

Интернет источник – https://additive.spb.ru/pb-piping.html

Интернет источник – https://ru.wikipedia.org/wiki/Паровая турбина

Интернет источник – http://nnhpe.spbstu.ru/maloizvestnoe-oborudovanie-dlya-proizvodstva-elektroenergii/

Интернет источник – https://habr.com/post/82194/

Технико-коммерческое предложениеПАО «Челябинский цинковый завод», г. Челябинск, «Wintoo».

П риложение 1

Рисунок 1. Челябинский цинковый завод

Рисунок 2. Воздуходувная машина ТВ-300 в обжиговом цехе

Челябинского цинкового завода

Рисунок 3. Электродвигатель ВАО2-560- асинхронный трехфазный взрывозащищенный высоковольтный с короткозамкнутым ротором.

Рисунок 4. Паропоршневой двигатель типа «Циклон» («Cyclone»)

Рисунок 5. ПВМ

Рисунок 6. Технико-коммерческое предложение компании «Wintoo»

Приложение 2

Рисунок 1. Схема воздуходувной машины

Рисунок 2. Допуски радиального биения по ГОСТ 8592-79

Рисунок 3. ПВМ выпускаемые компанией Wintoo

Вывод: наиболее кратчайший срок окупаемости при установке генератора на базе ПВМ - 1000 с выходной мощностью – 1 мВт.

Важно: все расчеты проведены исключительно по затратам на электроэнергию. Затраты на проведение паропроводов, строительство отдельного помещения, монтаж/демонтаж оборудования, подготовку специалистов, установку и регулировку устройств в данных расчетах не учтены.

Для более полной оценки затрат и соответственно сроков окупаемости необходимо обратиться к специалистам соответствующего профиля.