Тандем - 2, шлакоблочные станки, бетоносмесители


Производство оборудования и технологии
Рубрики

Ексергетична і термоекономічна оптимізація комплексу біогазової установки

В останні роки в енергетиці, теплотехніці і теплотехнології, хімічної технології і ряді інших областей широко застосовується новий метод термодинамічного аналізу — ексергетичний [439, 252]. Оскільки в комплексі біогазової установки у якості "джерела робо­ти" поряд із біомасою виступає, як правило, електроенергія, то об’­єктивна термодинамічна оцінка таких систем представляється вкрай важливою.

На відміну від методів термодинамічного аналізу, що застосо­вувалися раніше, в ексергетичному методі враховується не тільки кількість, але і якість потоків ексергії, що ставить цей метод на пе­
рше місце по своїй об’єктивності. Особливістю ексергетичного ме­тоду є універсальність, пов’язана з тим, що використання ексергії дозволяє оцінювати запаси і потоки енергії всіх видів, що входять у баланс будь-якої енерготехнологічної системи, за допомогою єди­ного критерію ефективності. Цьому методу властива також просто­та і наочність способів аналізу і розрахунку.

Другою, досить важливою особливістю ексергетичного мето­ду є зв’язок між ексергетичними і техніко-економічними характери­стиками систем. Економічні дослідження на базі ексергії охоплю­ють широке коло питань від оптимізації тарифів на енергію до цін на машини і установки. Такий метод, на відміну від техніко — економічного, одержав назву термоекономічного.

Застосування ексергії, враховуючи її зв’язок з економікою, до­зволяє порівняно просто і однозначно вирішити ще одне важливе питання — вибір критерію ефективності при оцінці і оптимізації

КБУ.

Усе сказане приводить до висновку про перспективність вико­ристання ексергії і ексергетичних функцій (втрат ексергії, ексерге — тичних ККД, ступені термодинамічної досконалості) у створенні єдиної теорії і узагальнених методів математичного моделювання в задачах синтезу і оптимізації КБУ. Рівняння ексергетичного балан­су засновані на спільному використанні першого і другого законів термодинаміки і по суті виражають принцип убування ексергії ізо­льованої системи при протіканні в ній необоротних процесів.

Мірою необоротності процесів, як відомо [439], є втрати ексе — рги

n = T0ASz>0,

де Т0 — температура навколишнього середовища;

ASe — сумарна зміна ентропії ізольованої системи.

Для оборотних процесів у термодинамічній системі П = 0. Для реальних (необоротних) процесів (П>0) рівняння ексергетичного балансу можуть бути виражені так:

(8.32)

(8.33)

ЕВХ т~’ВИХ •

s, Es — сумарні ексергії всіх потоків енергоресурсів на вході в

систему і на виході з неї;

Ер — розташовувана (витрачена) ексергія;

Ев — використана (корисна) ексергія.

Існування двох різних форм рівняння ексергетичного балансу досить характерно для енергетичних процесів через наявність пото­ків транзитної ексергії. Транзитна ексергія ER проходить через установку і утримується в якості своєрідного "баласту" у сумарних потоках ексергії на її вході і виході:

Er = Евх — Ер = Евих — Ев. (8.34)

Складовими рівнянь ексергетичного балансу поточних проце­сів є потоки ексергії відповідних енергоресурсів. При цьому слід мати на увазі [439], що по визначенню ексергія потоку роботи EN дорівнює самій роботі N:

En = N = m-lTex, (8.35)

де m — масова витрата робочого тіла;

1тех. — питома технічна робота.

Так же само ексергія потоку кінетичної енергії Еке дорівнює самої кінетичної енергії Е:

(8.36)

де w — лінійна швидкість робочого тіла.

Ексергія теплового потоку Еф залежить не тільки від теплово­го потоку Ф, але і від температурного фактора є:

де Тд — середнєтермодинамічна температура відповідного теплового джерела.

Ексергія потоку робочого тіла Е відлічується від стану його рівноваги (теплового і механічного) з навколишнім середовищем:

Е = m[(h — 1і0) — T0(s — So)],

де h, s — питомі відповідно ентальпія і ентропія робочого тіла в даному

стані;

ho, So — питомі відповідно ентальпія і ентропія робочого тіла при темпе­ратурі Т0 і тиску навколишнього середовища р0.

Питому ексергію різних палив (первинних енергетичних ре­сурсів) Єпер можна оцінити по наближених формулах, наведених у роботі [444]. При цьому ексергія потоку первинних енергоресурсів:

Епер = В-Єпер, (8.39)

де В — витрата палива.

Складання ексергетичного балансу по співвідношенню (8.32), як правило, не викликає особливих труднощів навіть при дуже складних енерготехнологічних системах. При складанні ексергети­чного балансу по співвідношенню (8.33) можливі принципово різні підходи до оцінки розташовуваної і використаної ексергії системи і її елементів. Однак при цьому, незалежно від тих або інших підхо­дів, завжди відповідно до (8.31) зберігається однозначність втрат ексергії при фіксованому стані навколишнього середовища. Різним формам рівняння ексергетичного балансу процесів і установок від­повідають і різні показники досконалості. Так, з (8.32) була отри­мана характеристика, яка надалі називається ступенем термодина­мічної досконалості (СТД):

На відміну від ККД величина v не характеризує корисну дію, а показує, наскільки далекий ще процес від ідеального. Зі співвідно­шення (8.33) слідує вираження для об’єктивного термодинамічного ККД будь-якого процесу або установки:

Принципова відмінність цих понять для одного і того ж про­цесу при наявності транзитного потоку ексергії показує, наприклад, порівняння ККД у системі теплопостачання транспортування робо­чого тіла по трубопроводу. При невеликих гідравлічних опорах і хорошої теплової ізоляції можна забезпечити досить високий сту­пінь термодинамічної досконалості процесу (v=l). Однак навіть у цьому випадку ККД процесу дорівнює нулю (г|Сх=0). Тут вся розта­шовувана ексергія повністю губиться (Ер =Еі-Е2= П). У табл. 8.1
наведені принципові схеми потоків ексергії і відповідні їм вира­ження для СТД і ККД основних елементів КБУ, а в табл. 8.2 — ви­раження для розташовуваної і використаної ексергії. Перераховані в табл. 8.1 пристрої не вичерпують все різноманіття застосовуваних у КБУ елементів. При необхідності таблиця може бути доповнена іншими елементами.

Таблиця 8.1 — Принципові схеми потоків ексергії, формули для ступеня термодинамічної досконалості і ККД основних елементів комплексу біогазо — вої установки___________________________________________________

Елемент

біогазової

установки

Принципова схема потоків ексергії

Формула для ступе­ню термодина­мічної доскона­лості елемента

Формула для ККД елемента

Ємність,

трубопровід

Еі „

п /

Еі-1 — ►

V = 1——

Е,

Лех=0

Електродвигун

к‘.

nj

Хі-1

, П

V = 1——

Nj

! П цех = 1—————

Nj

Нагнітач,

насос

X

, п

! П

Лех = 1—

N

Еі щ

Еі-1 — ►-

V — 1

Ej+N

Змішувач

ги

і Еі. j

, п

V = 1————

Ei+Ej

Пех=°

Роздільник

Еі „ и/

Ч

, П

V = 1——

Е,,і

Пех=°

Т еплообмінник

Е

Еі.

Т./ її

J

Еі-і>Еі — ►-

Lj-KEj

, п

V = 1————

Ei+Ej

ЕІ

П“ Ej —

Турбіна

■X

, п

V = 1——

Е,

ЕІ

А*

п J

Еі-1

1 Еі — Ew

Котел або топковий пристрій

■Епег

V 1 П

, П

А*

п /

Еі-1

Е; + Ешр

Лєх £

^ПЕР

Таблиця 8.2 — Принципові схеми потоків ексергії, формули для розта­шовуваної і використаної ексергії основних елементів комплексу біогазової установки______________________________________________________

Елемент

біогазової

установки

Принципова схема потоків ексергії

Ексергія

Використана

Ев

розташовувана

Е?

Насос,

компресор

X

£ег-£е“

1=1 к=1

N — потужність нагнітача

1—» Т—— »

к—►

— N — 1

— 1

► L

ГГ

Ємність,

трубопровід,

змішувач,

роздільник

потоків

0

Уег-Хег

к=1 /=1

1—-

1— ►

к—►

—► 1 ► L

ГП

Електродвигун

І— »

і И

к—►

— ► 1

— ► 2

► L

Хег

і=і

±ЕГ

к=1

Турбіна

■X

N —

потужність ту­рбіни

Уег-Хег

к=1 1=1

!—

Т — »

к—►

— ► 1

— ► }

L

п

Багатопотоковий

теплообмінник

поверхневого

типу

1 2 II

L

— и-1

— ► 2

——► к

Х(ЕГ-ЕГ)

Е(ег-ег)

1=1

1 — число ПОТО­КІВ, що гріють

1—

2—

к—

Тіі

к=1

к — число пото­ків, що нагрі­ваються

1 1

L

Котел або топковий пристрій

Е

Хег-Іе?

1=1 к=1

Ет — ексергія променистого потоку (біопалива)

1—

і Ц

к—►

— ► 1

— ► 2

► L

,13

Розглянемо КБУ, що складається з m елементів (і=1,2,…,т) і утримуючу п ексергетичних потоків Ej, (j=l,2,…, n).

Для розрахунку втрат ексергії в і-му елементі з (Е32):

Пі = Е1вх-Евих, (8.42)

а для визначення ступеня термодинамічної досконалості і — то еле­мента з (1.40):

де Efx, Е|!ИХ — суми потоків ексергії відповідно на вході і-го елемента і на виході з нього.

Оскільки сучасні КБУ — це великорозмірні і багатозв’язані об’єкти, то термодинамічні розрахунки таких систем необхідно проводити на ЕОМ. Неважко бачити, що визначення величин Пі і Vj передбачає можливість машинного розрахунку Е|!Х, Е|!ИХ.

Потоки ексергії для кожного з елементів КБУ можуть бути легко розраховані по формулах (8.35), (8.37), (8.38) залежно від ви­ду потоку (робота, теплота, потік маси). Після цього простим під­сумовуванням "входів" і "виходів" знаходяться Efx, Е|!ИХ.

У загальному випадку оптимізації при зміні параметрів, стру­ктури і поелементного складу КБУ необхідний облік і інших (не тільки енергетичних) техніко-економічних характеристик системи. У цьому випадку доцільне застосування термоекономічного прин­ципу [442], який широко використовує економічні характеристики, закладені в ексергетичній оцінці функціонування систем, а отже, не уступає по об’єктивності і спільності техніко-економічній оцінці (у цьому подібність термоекономіки з техніко-економікою). З іншого боку, він оцінює енергетику системи з ексергетичних позицій, а отже, більш глибоко і повно характеризує роботу системи (у цьому істотна відмінність термоекономіки від техніко-економіки).

У загальному випадку термоекономічний критерій оптималь — ності має вигляд [439]:

2Хпп+к„

——— , (8.44)

k

де Ц„, Е[п — вартість і річне споживання ексергії із зовнішніх джерел;

Кп — річні капітальні і інші, пов’язані з ними витрати в n-му елементі;

ек — річна витрата ексергії для одержання k-го продукту.

Рывняння (8.44) приймає більш простий вид для ряду окремих

випадків. Наприклад, для установки, що видає один продукт зада­ної якості:

де В — вихід продукту.

Таким чином, задача оптимізації у загальному випадку може бути зведена до пошуку екстремуму функції:

Zopt = min ZE

або для параметричної оптимізації

riopt= max гі<А

Оставить комментарий