Основы эффективного энергоиспользования на производственных предприятиях дорожной отрасли

_ т

неизменным ее эксергетического выхода Ес. Это вытекает из соотношения (3.24) для расчета изменения входа системы при увеличении потерь в элементе с порядко­ вым номером N

том потерь в элементе с номером N, к изменению АЕ^^эксергетического входа сис­

темы, вызванного ростом потерь на такую же величину в элементе с номером М (при этом М > N), называется коэффициентом преобразования эксергии и определя­ ется

1 = Н

Рассмотрим пример, в котором КПДе каждого аппарата одинаковы и равны 0,5. Тогда увеличение потерь эксергии в четвертой подсистеме оказывается в 8 раз «до­ роже» чем такая же по величине потеря в первом блоке.

Из полученных результатов следует важный вывод об удорожании эксергии в технологической цепи по мере удаления ее от входа системы. Этот факт имеет есте­ ственное объяснение: единица эксергии последнего аппарата огранена затратами в предыдуш,их элементах схемы и, естественно, стоит дороже.

Полученные результаты позволяют сделать практический вывод: в первую оче­ редь проводить мероприятия по уменьшению потерь в блоках с большим коэффици­ ентом преобразования эксергии, т.е. реализовывать мероприятия двигаясь с конца технологической цепочки к началу.

Этим схема с последовательным соединением отличается от схемы с парал­ лельным соединением. В последней наблюдается абсолютная аддитивность потерь: изменение их величины в любом из блоков на какую-либо величину, приводит к равному изменению потерь и входа всей системы. Здесь необходимо в первую оче­ редь проводить мероприятия по уменьшению потерь в блоках с большими затратами эксергии, т. к. в этом случае будет иметь место большее, по абсолютной величине, изменение входа. Последний вывод отражает зависимость

101

(3.26)

П е . с = П е . , - ^ ^

гдег|е, г|е с “ КПДе соответственно всей системы и j-гo блока; 5j, бj - эксергетический вес j-гo элемента соответственно входной и выходной.

Для определения эксергетического веса элемента используются соотношения

- соответственно эксергетические вход и выход системы.

Из зависимости (3.26) вытекает, что КПДе элементов системы с параллельным соединением элементов неэквивалентны, поскольку изменение каждого из них при­ водит к изменению КПДе системы тем больше, чем больше эксергетический вход­ ной вес элемента при неизменном выходе.

Взаключение напомним сказанное ранее. И в схеме с параллельным, и в схеме

споследовательным соединением окончательное решение принимается с учетом стоимости необходимых мероприятий.

Обобщение опыта, приведенное в литературе, оптимизации энергоиспользования в различных теплотехнологических системах и оптимизации процессов, характерных для технических систем, в дополнение к ранее сделанным практическим рекомендациям, позволило сформулировать ряд других важных выводов:

1.При наличии больших разностей движущих сил (Ар - разности давления, АТ - разности температур. Ар - разности химических потенциалов, определяемых составом), то ли срабатываемых, то ли создаваемых в системе, для уменьшения потерь необходимо использовать многоступенчатость проведения процесса. Наглядными примерами могут быть сжатие в многоступенчатом компрессоре, многоступенчатый подвод

теплоты к газотурбинной установке, многоступенчатое выпаривание и пр.

2.Весьма эффективным является широкое использование интегрированных систем, когда объединяются различные технологические процессы в одной системе. Происходит комбинированный выпуск различных видов продукции, между которыми распределяются общие затраты. Это очень

102

мощный, действенный прием, который имеет большое будущее. В данном случае, фактически имеет дальнейшее развитие процесса вторичного энергоиспользования, когда поток энергии сбрасываемой из одной теплотехнологической установки утилизируется в другой теплотехнологической установке. Естественно, необходимо подбор теплотехнологий, взаимно дополняющих друг друга, сопрягающихся по характеристикам хотя бы по одному из сбросных и входных потоков.

3.Целесообразно организовывать взаимодействие прямых и обратных потоков, получившее название регенерации. Этот прием широко применяется в тепловых двигателях и ряде крупных теплотехнологий и характеризуется тем, что дает прямое снижение затрат первичного энергоресурса непосредственно в конкретной системе. Типичным примером является подогрев воздуха-окислителя за счет энергии дымовых газов огнетехнических установок.

Существенным достоинством применения эксергетического анализа можно отметить отсутствие необходимости создавать виртуальные моделирующие системы сравнения, поскольку в нем изначально заложена идея определения минимально необходимых затрат проведения каждого теплотехнологического процесса.

3.5. Иерархические уровни энергетического обеспечения технических систем

Всякая техническая система вообще и теплоэнергетическая система в частно­ сти, представляют собой единый комплекс взаимозависимых подсистем, техноло­ гий, процессов с различными внутренними и внешними связями. Для изучения и понимания таких систем, необходимых для принятия верных решений, рекоменду­ ется использовать методологию системного подхода исследования сложных систем. Одним из основных ее приемов является выделение в сложной системе нескольких уровней иерархии. Далее для каждого уровня иерархии проводится независимое ис­ следование с учетом ограничений, которые накладывает на данный уровень иерар­ хически вышестоящие подсистемы. На рис. 3.12 приведен пример иерархической структуры теплоэнергетической системы производства. В современных условиях

103

кретном месте и в конкретное время.

Выбор и поставка первичного энергоресурса для условий данного администра­ тивно-хозяйственного района, транспортировка энергоресурса до объекта, хранение его на объекте, подготовка, распределение - проблемы, обладающие самым высо­ ким приоритетом, т.е. главенствующие, решаемые в первую очередь. С учетом ре­ зультатов данного приоритетного уровня разрешаются прочие задачи более низкого приоритетного уровня. Выбор вида и зон применимости первичных энергоресурсов объекта представляет достаточно сложную задачу с несколькими переменными. Среди определяющих факторов следует выделить объем годового энергопотребле­ ния, наличие в регионе необходимой инфраструктуры и удаленность объекта от опорного пункта энергоснабжения. Чем более удален объект от опорного пункта по­ ставки энергоресурса, и чем меньше его потребность в энергоресурсе, тем более ав­ тономной оказывается его энергосистема.

На следующем, более низком иерархическом уровне системы энергоснабжения, находится выбор структуры подсистемы непосредственного теплотехнологического энергоиспользования, ради обеспечения функционирования которой и создается система. Если она удовлетворяет ограничениям вышестоящего уровня, то все ос­ тальное должно быть подчинено созданию условий по выпуску качественной и де­ шевой продукции с вредным минимальным воздействием на окружающую среду. Последнее находится в сильной зависимости от расхода энергоресурсов.

Во многом вопросы энергосбережения пересекаются с экологическими пробле­ мами. Экологический ущерб, например, от тепловых сбросов пропорционален эксергии неиспользуемых потоков теплоты.

Один из путей снижения себестоимости продукции - уменьшение энергетиче­ ской составляющей себестоимости. Поэтому при разработке теплоэнергетической системы объекта на уровне, непосредственно следующем за теплотехнологическим иерархическом уровнем, располагаются подсистемы, направленные на снижение энергопотребления. Здесь возможна обратная связь, в результате которой могут корректироваться параметры теплоносителей, параметры и схемы технологических потоков и пр. Ниже это будет показано на примере асфальтобетонного производст­ ва.

105

На более нижнем уровне иерархии находится подсистема теплоэнергетической поддержки работы теплотехнологического оборудования. Она должна поддерживать требуемые параметры и расходы энергоносителей независимо от работы оборудова­ ния, снижающего потребление первичных энергоресурсов. Наиболее простым при­ мером может быть использование ВИЗ (ветровой и солнечной энергии) в системе энергообеспечения. При отсутствии ветра, при пасмурной погоде необходимо под­ держание теплотехнологического процесса. «Подхватывать» возможные провалы выработки энергоресурсов на третьем иерархическом уровне и обеспечивать ста­ бильное энергоснабжение - задача данного иерархического уровня. Здесь очень сложным выбором является соотношение генерирующих мощностей третьего и чет­ вертого уровней. Резерв в 100% нерационален по двум причинам: имеет место фак­ тическое «замораживание» вложенных средств, поскольку резерв большей частью простаивает; создаются условия для отключения усложняющего эксплуатацию энер­ госберегающего оборудования, что рано или поздно и происходит. Видимо, всета­ ки, теплотехнологическое оборудование и энергосберегающее оборудование не должно иметь возможности автономной работы.

Пути повышения энергоэффективности той или иной технологии известны:

1)повышение показателей (КПД или удельные расходы топлива) отдельных энер­ гопотребляющих теплотехнологических агрегатов и отдельных агрегатов, гене­ рирующих различные энергоресурсы;

2)вторичное энергоиспользование;

3)рациональное построение всей теплоэнергетической системы промышленного предприятия (ТЭСПП);

4)динамическое регулирование процессов на базе полной автоматизации управле­ ния.

Промышленным теплоэнергетикам до настоящего времени были доступны два

первых направления: это вопросы утилизации ВЭР, да предоставлялась лишь неко­ торая инициатива в повышении КПД энергоиспользующих теплотехнологических установок на стадии эксплуатации. И те, и другие имеют свои сдерживающие аспек­ ты, достаточно изучены, и в этой связи, в определенном смысле представляют меньший интерес. Оставляя рассмотрение этих путей для следующих разделов, ос­

106

тановимся частично на рациональном построении ТЭСПП, поскольку оно вытекает из рассмотрения вопросов данной главы, которые следует подытожить. Кроме того, основные возможности снижения потребления первичных энергоресурсов в рамках конкретных технологий сегодня связаны с рациональным, с энергетической точки зрения, построением ТЭСПП. Возможности эти в целом оцениваются в 5-10^ % те­ кущего потребления первичных энергоресурсов.

ТЭСПП представляет собой сложный комплекс технологических агрегатов и энергоустановок различного назначения, которые весьма жестко связаны, в том чис­ ле, и разнообразными потоками энергии, как потребляемыми, так и генерируемыми. Примером объектов с достаточно эффективным построением теплоэнергетической системы являются тепловые электростанции (ТЭС), где основной эффект дает должная организация тепловых схем вообще наряду с совершенствованием отдель­ ных единиц оборудования. ТЭС не являются простой суммой котлоагрегатов, тур­ боустановок и пр., а сложная система преобразования энергии с многочисленными обратными связями, индивидуальными проблемами и специфическими закономер­ ностями. Соответствующее построение ТЭСПП объективно является намного более сложной задачей поскольку:

1)необходимо увязать энергопотоки значительно большего числа и намного более разнообразной природы;

2)энергоресурсы отличаются намного большим числом видов, характеристик и графиков;

3)графики потребления и генерации энергоресурсов диктуются технологическими процессами, которые могут прерываться и, в большинстве случаев, не могут из­ меняться в сторону, благоприятную для ТЭСПП;

4)технологические подсистемы, чаще всего, потребляют одни, а вырабатывают иные энергоресурсы с изменяющимися характеристиками, которые, ко всему, можно использовать в других подсистемах, работающих по своему графику. Возникающий, как следствие, дисбаланс требует усложнения структуры ТЭСПП;

5)проектирование рациональных ТЭСПП невозможно по широко используемому принципу «как там», по волевому принципу и технико-экономических расчетов с целевыми функциями кратковременного характера;

107

6)непригодность для проектирования данных среднего характера за тот или иной период времени. Требования бесперебойности энергоснабжения, отсутствия дис­ балансов предполагают предварительный мониторинг объекта, что в принципе невозможно при проектировании. Решения в условиях неопределенности инфор­ мации не отработаны и не лишены риска, а потому, вполне обоснованно, отвер­ гаются в большинстве случаев;

7)до настоящего времени нет полноценного критерия рационального построения ТЭСПП.

Вместе с тем, рациональное построение ТЭСПП сегодня безальтернативно для любых технологий. Учитывая указанные трудности его создания, в сугубо энергети­ ческом аспекте следует:

Использовать иерархический принцип создания ТЭСПП, (рис.3.12), когда соб­ ственные энергогенерирующие мощности, отделенные непосредственно от техноло­ гического процесса, вводятся в ее структуру лишь для покрытия дисбалансов.

Применять компоновку оборудования, позволяющую реструктуризацию ТЭСПП после эксплуатации объекта в течение определенного отрезка времени, не­ обходимого для мониторинга системы и индивидуалъной оптималъной доработки состава подсистем. Из последнего вытекает необходимостъ многоэтапного финан­ сирования создания объекта.

Блокироватъ пути потеръ эксергии на всех стадиях протекания теплотехнологи­ ческих процессов, прежде всего интеграцией взаимодополняющих теплотехнологий с болъшими внутренними потерями эксергии у одной на горячем, у другой - с болъшими внешними потерями эксергии на холодном торцах технологического процесса.

Рационализация ТЭСПП приводит к ее энерготехнологическому построению, при котором энергетическое обеспечение технологического процесса сопровождает­ ся минималъными потреблением внешнего первичного энергоресурса и воздействи­ ем на окружающую среду.

Наиболъшие возможности для экономии энергии в промышленности следует отнести на счет многократного исполъзования энергии. Среды с болъшими темпера­ турами и давлениями способны и должны производитъ полезную работу и отдаватъ

108