Эксергетический баланс и анализ

Так как закона сохранения эксергии не существует, то эксергетический баланс сводится искусственно, при этом учитываются в нем внутренние потери эксергии. Уравнение эксергетического баланса

,

где Е_Т эксергия потока теплоты;

Е_n эксергия материального потока;

А механическая либо электрическая работа, совершаемая системой;

Е_э приращение эксергии в системе;

Е_д необратимые потери эксергии.

Эксергию материальных потоков можно рассчитать следующим образом:

,

где  химический потенциал ( = h  Ts); N_i количество молей i-го компонента; Е_кин кинетическая энергия материального потока; Е_пот потенциальная энергия материального потока. Функции с индексом «0» относятся к условиям окружающей среды.

Эксергия потока теплоты:

Е_Т = Q(1-T_o/T).

Необратимые потери эксергии:

Е_д = Т_оS,

где  изменение энтропии вследствие протекания в системе необратимых процессов.

Эксергетические потери бывают внешними и внутренними.

Внешние потеривозникают из-за несоответствия между процессом в целом и внешними условиями его проведения, а также из-за несоответствия между отдельными элементами системы, связанными в единую технологическую цепочку (потери через изоляцию, потери с побочными продуктами, покидающими установку без использования их эксергии, такими как дымовые газы, нагретая в теплообменниках вода и т.д.).

Внутренние потери связаны с необратимостью процессов внутри системы (химические реакции, дросселирование, гидравлическое сопротивление, трение, тепломассообмен при конечных разностях температур и концентраций, несовершенство аппаратов и машин и процессов в их отдельных элементах).

Часть Е_д, связанная с необратимостью, органически присуща конкретному процессу, не может быть устранена либо снижена без радикального его изменения или замены другим. Другая часть Е_д зависит от несовершенства оборудования: плохая теплоизоляция, трение, теплообмен при конечной разности температур (технические потери). Эту часть Е_д можно уменьшить без изменения схемы процесса.

Энергетический баланс предприятия

ГОСТ 27322-87 «Энергобаланс промышленного предприятия» устанавливает общие требования к разработке и анализу энергобалансов промышленных предприятий.

Задачи энергобаланса:

1. Оценка фактического состояния энергоиспользования на предприятии, выявление причин возникновения и определение значений потерь ТЭР.

2. Разработка плана мероприятий, направленных на снижение потерь ТЭР.

3. Выявление и оценка резервов экономии топлива и энергии.

4. Совершенствование нормирования и разработка научнообоснованных норм расхода топлива и энергии на производство продукции.

5. Определение рациональных объемов энергетического потребления в производственных процессах и установках.

6. Определение требований к организации и совершенствованию учета и контроля расхода энергоносителей.

7. Получение исходной информации для создания нового оборудования, совершенствования технологических процессов с целью оптимизации структуры энергобаланса путем оптимизации направлений, способов и объемов использования подведенных и вторичных энергоресурсов.

Классификация энергобалансов:

1. По времени разработки:

- проектный (составляется во время разработки проекта);

- плановый (на ближайший планируемый период с учетом снижения норм расхода энергии);

- отчетный (по данным за прошлый период);

- перспективный (на прогнозируемый период с учетом коренных изменений в технологии).

2. По объектам энергопотребления: предприятие, производство, цех, участок, агрегат, установка.

3. По целевому назначению: технологический, отопление и вентиляция, освещение и т.д.

4. По совокупности энергопотоков:

- частный (по отдельным видам и параметрам энергоносителей);

- свободный (по суммарному потреблению ТЭР).

5. По способу разработки:

- опытный;

- расчетный;

- опытно-расчетный.

6. По форме составления:

- синтетический (показывает распределение подведенных и произведенных энергоносителей внутри предприятия);

- аналитический (определяет глубину и характер использования энергоносителей с разделением на полезный расход и потери энергии);

В частных энергобалансах количественное измерение энергоносителей производится в Гкал, кВтч, т.у.т, в свободных энергобалансах в т.у.т.

Состав первичной информации по разработке и анализу энергобалансов предприятия:

1. общие сведения о предприятии;

2. проектные и отчетные данные по энергоиспользованию (паспорт, энергопаспорт предприятия, технико-экономическое обоснование (ТЭО), действующие формы статистической отчетности);

3. технические и энергетические характеристики технологических процессов и установок (материальный баланс; расходы и параметры сырья, топлива, энергии и отходов; конструктивные особенности и режимы работы установок);

4. технико-экономические характеристики энергоносителей (стоимость, параметры энергоносителей, график годового и суточного потребления энергоносителей).

Анализ энергобаланса. Направления анализа:

1. исследование структуры поступления и потребления ТЭР на предприятии;

2. определение показателей эффективности энергоиспользования;

3. расчет обобщенных показателей состояния энергетического хозяйства;

4. исследование влияния качества энергоносителей на их рациональное использование;

5. оптимизация структуры энергобаланса.

 Показатели использования энергоресурсов

в энергопотребляющих установках

Степень использования ТЭР определяется величиной энергетического КПД:

.

Для любого многостадийного технологического процесса можно записать

,

где  энергетический КПД процесса добычи и транспорта топлива;

 КПД процесса производства энергоносителя;

 КПД транспорта энергоносителя;

 КПД на привод механизмов;

 КПД технологического процесса.

Если в технологии используются несколько видов теплоносителей (электроэнергия, пар, сжатый воздух), то для КПД можно записать

,

где N_i доля данного i-го энергоносителя в общем энергобалансе.

Для КПД технологической установки в общем случае можно записать

,

где Q_n полезно используемая теплота;

Q_вэр теплота вторичных энергоресурсов, потребляемая данной установкой;

Q_Т теплота, вносимая топливом;

Q_экз теплота экзотермической реакции;

Q теплота, подводимая другими энергоресурсами.

На повышение КПД влияет снижение потерь во всех элементах энергоцепи (особенно при генерировании и использовании энергии).

Важным направлением повышения КПД является регенерация энергии и более полное использование ВЭР. Снижению КПД способствует увеличение удельного веса электроэнергии в общем энергопотреблении, так как выработка электроэнергии имеет низкий КПД.

В промышленности (химия, металлургия, энергетика) широко распространены процессы и установки, в которых используются одновременно несколько видов энергоносителей. В этом случае необходимо учитывать качество этих видов энергоносителей, что можно сделать методами эксергетического анализа. В реальных необратимых процессах подведенная к установке энергия не теряется, а лишь снижается ее пригодность к совершению работы из-за безвозвратных потерь эксергии.

В самом общем виде эксергетический КПД выражается следующим уравнением:

,

где Е_затрзатраченная в установке эксергия; Е потери эксергии в установке.

При использовании в технологическом процессе нескольких видов энергоносителей и получении разнообразных видов продукции можно записать следующее выражение для эксергетического КПД:

,

где Е_ид эксергия, которая теряется при идеальной работе установки при максимально возможном КПД; Е_н неизбежные потери эксергии, Е_Т технические потери.

Разделив правую часть предыдущего уравнения на , получим

.

Зависимость КПД от величины капитальных затрат определяется следующей формулой:

,

где  эмпирические коэффициенты, определяемые для конкретной установки;  капитальные затраты.

Аналитическая связь годовых эксплуатационных расходов с капитальными затратами и эксергетическим КПД выражается следующим образом:

,

где   коэффициент, учитывающий часть условно-постоянных эксплуатационных затрат (амортизационные отчисления, затраты на текущий ремонт и т.д.); И_о  остальные составляющие условно-постоянных затрат; Е_ид  минимальный расход энергоресурсов (при ) на единицу продукции; И_эк  средние затраты на единицу расхода энергоресурсов,V  годовой объем выпускаемой продукции.

Оптимальное решение при прочих равных условиях соответствует минимуму приведенных затрат:

.

Оптимальный эксергетический КПД установки

,

.

Оптимальные капитальные затраты решение уравнения

.

Наряду с КПД важной характеристикой энергоиспользования является удельный расход энергоресурсов (тепловая энергия, топливо) на единицу выпускаемой продукции