Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
петруша / УМК ЭнЭфф / Учебная литература / СпрДокументОнаилучших достижениях.pdf
Скачиваний:
192
Добавлен:
26.03.2016
Размер:
21.13 Mб
Скачать

Рисунок 2.16: Потенциал энергосбережения, выявленный в результате пинч-анализа

Примечание: сокращения означают различные полимеры и стадии органического синтеза

[51, Pini, 2005]

Справочная информация

[117, Linnhoff March], [118, KBC], [12, Pini, 2005, 51, Pini, 2005, 67, Marttila, 2005, 119, Neste Jacobs Oy]

Бесплатное программное обеспечение для пинч-анализа: Pinch2.0 (Fraunhofer ISI/Peter Radgen).

Пинч-анализ рассматривается и в других Справочных документах: по тонкому органическому синтезу, производству специальных неорганических соединений, крупнотоннажному производству неорганических твердых веществ, переработке нефти и газа и т.д.

2.13. Энтальпийный и эксергетический анализ

Общая характеристика

Энергетический (энтальпийный) и эксергетический анализ представляют собой методики, основанные на определении энергии или эксергии потоков в исследуемой тепловой системе, а также построении энергетического или эксергетического баланса объектов, соединяемых этими потоками.

Выполнение этих видов анализа включает следующие шаги:

1.Следует точно определить границу анализируемой системы (всего предприятия или его части).

2.Необходимо выполнить декомпозицию системы на компоненты, соединяемые материальными и энергетическими потоками. Степень декомпозиции определяется необходимой степенью детальности анализа, а также доступной информацией.

3.Следует определить термодинамические характеристики потоков: массовый расход, давление, температуру, состав, мощность на валу, поток тепла и т.д. При анализе существующей системы для получения этой информации проводятся измерения, а при проектировании нового объекта используется моделирование.

4.После того, как получены необходимые данные по всем потокам, можно определить их энтальпию и эксергию (см. раздел 1.2.2 и приложение 7.1).

111

5.На основе потоков энтальпии и эксергии можно определить другие характеристики, например, потери энергии в различных компонентах, степень необратимости процессов, КПД; кроме того, потоки могут быть графически представлены на диаграммах Сэнки (энергия) или Грассмана (эксергия).

6.Соответствующий анализ и построение балансов могут выполняться в реальном времени с заданной периодичностью, а информация о «затратах эксергии» может использоваться для выявления отклонений производственного процесса от заданных условий.

7.Наконец, можно установить взаимосвязь между термодинамическими и экономическими характеристиками производства, поскольку любые затраты, вызванные неэффективностью или неадекватным функционированием какой-либо технологической подсистемы, имеют две стороны: количество затраченных ресурсов и финансовые средства, необходимые для компенсации этих затрат. Соответствующий подход применительно к энергетическим ресурсам называется «термоэкономика» (см. раздел 2.14).

Как видно из этого краткого описания, энергетический и эксергетический анализ могут выполняться параллельно, для одних и тех же производственных единиц, и на основе одних и тех же данных. Однако эксергетический анализ, несмотря на то, что он более сложен и реже применяется, является более полезным, поскольку он позволяет выявить больше возможностей для энергосбережения.

Энергия является консервативной величиной, которая не может создаваться или уничтожаться. Поэтому энергетический анализ может выявить лишь потери энергии через границы системы (потери тепла, энергия отходящих газов и т.д.). Однако при всяком преобразовании энергии ее качество (способность быть превращенной в полезную работу) снижается, хотя количество энергии остается неизменным. Эксергия является мерой, учитывающей качество энергии. Электрическая или механическая энергия являются формами энергии высокого качества, и их вклад в эксергию системы равен полному количеству энергии в этих формах. С другой стороны, эксергия массы воды, температура которой превышает температуру окружающего воздуха на 20ºC, составляет незначительную часть общей тепловой энергии этой воды. Содержание эксергии (выражаемое тех же единицах, что и количество энергии) характеризует максимальную способность энергии данного потока к преобразованию в другие формы энергии или полезную работу. Вследствие этого эксергия не является консервативной величиной. Общая эксергия входных потоков любого установившегося процесса всегда превышает общую эксергию выходных потоков. Эта разница является мерой термодинамической необратимости процессов, а ее количественное определение в процессе эксергетического анализа позволяет установить, где теряется качество энергии (и, как следствие, где существуют возможности для энергосбережения). (Эти вопросы обсуждаются более подробно в приложении 7.1).

В качестве примера рассмотрим котел, производящий пар низкого давления для определенного технологического процесса. По результатам энергетического анализа может оказаться, что энергетический КПД котла достигает 85 %, и, следовательно, котел является весьма эффективным устройством. Однако поскольку энергия, содержащаяся в паре низкого давления, характеризуется низким качеством, может выясниться, что эксергетический КПД котла не превышает 25%. Эта величина указывает на значительный потенциал энергосбережения, который может быть реализован в результате замены котла теплоутилизационным парогенератором системы когенерации. В такой системе часть энергии горячих газов, образующихся при сжигании топлива, расходуется на приведение в движение турбины, производящей высококачественную энергию. Парадоксальным образом, чем ниже качество энергии, производимой устройством, тем больший энергетический КПД может быть достигнут при эксплуатации такого устройства. При этом величина эксергетического КПД, учитывающего качество производимой энергии, соответствует здравому смыслу.

Экологические преимущества

Данные типы анализа позволяют выявить участки технологического процесса, характеризующиеся наибольшими потерями энергии и эксергии, и обладающие наибольшим потенциалом энергосбережения. Поскольку эксергия потока определяется целым рядом его характеристик, эксергетический анализ может использоваться и для выявления участков, на

112

которых образуется загрязнение окружающей среды, а также количественной оценки этого загрязнения.

Воздействие на различные компоненты окружающей среды

Как предполагается, отсутствует.

Производственная информация

Важнейшим условием применения данных методик является наличие информации о материальных и энергетических потоках в системе. Для действующих предприятий такая информация может быть получена посредством измерений, а для проектируемых – при помощи моделирования. Недостаток фактической информации может ограничивать степень детальности анализа.

Применимость

Понятие эксергии используется в различных ситуациях для выявления непроизводительного использования природных ресурсов (см. «Справочная информация» ниже).

Данные методики могут применяться для анализа любых тепловых систем. Их важным преимуществом является то, что они допускают непосредственное сравнение различных предприятий. Более того, в эксергетическом анализе имеется абсолютная точка отсчета: идеальная система, в которой отсутствуют потери эксергии.

Описанные подходы могут использоваться для анализа характеристик действующего производства на основе данных измерений и сопоставления этих характеристик с проектными значениями. Кроме того, на этапе проектирования эти методики могут использоваться для оценки альтернатив и возможных усовершенствований предлагаемого процесса.

Тем не менее, к настоящему времени концепция эксергии получили лишь ограниченное применение в практике бизнеса. Например, в Нидерландах эта концепция используется инженерными подразделениями таких крупных компаний, как Shell, Dow Chemical, Unilever, DSM, AKZO NOBEL и т.д., а также некоторыми крупными инженерными компаниями. Было проведено несколько исследований, посвященных применению эксергетического анализа в практике компаний. По данным этих исследований, эксергетический анализ позволяет компаниям получить ценную информацию, но требует много времени; кроме того, существует немного доступных данных, с которыми можно было бы сравнивать полученные результаты. Например, недостаток данных затрудняет сравнительный анализ эксергетических КПД. Существует специализированное коммерческое ПО для расчета эксергии, использующее данные о технологических потоках из программного пакета для описания схем технологических процессов и позволяющее значительно ускорить соответствующий анализ. Однако стоимость указанного пакета высока, и его приобретение может быть оправданным лишь для немногих компаний.

Большинство малых и средних компаний не используют подобное ПО в силу его высокой стоимости, недостатка обладающего соответствующей квалификацией персонала, а также степени точности исходных данных, необходимой для работы таких программ. С учетом потребностей малого и среднего бизнеса был разработан альтернативный подход к эксергетическому анализу, который в настоящее время продолжает развиваться.

Экономические аспекты

Эксергетический анализ имеет репутацию дорогостоящей и сложной в применении методологии. Однако при наличии необходимой информации о характеристиках технологических потоков (что имеет место во многих случаях), энергетический и эксергетический анализ могут быть выполнены с незначительными затратами. Существует несколько программных инструментов для этих типов анализа, интегрированных с пакетами для работы со схемами технологических процессов. С помощью этих пакетов анализ может быть выполнен быстро и эффективно. Потери эксергии указывают на участки процесса, обладающие наибольшим потенциалом экономии (материалов, энергии и, как следствие, финансов). Затраты на проведение эксергетического анализа начинаются с уровня 5 тыс. евро.

113

Для небольших проектов анализ может выполняться вручную, однако практическая полезность такого анализа ограничена. В настоящее время разрабатывается новая методология – т.н. эксергетическое сканирование, адаптированная к потребностям малого и среднего бизнеса.

Мотивы внедрения

Данные инструменты представляют собой малозатратные методологии, позволяющие извлечь значительную пользу из деятельности предприятия по мониторингу технологических процессов. Они также позволяют определенно выявить участки процесса, где имеется потенциал энергосбережения. Информация, полученная при помощи этих методов, может быть использована в качестве исходного материала для других инструментов анализа и представления данных, например, диаграмм Сэнки (см. раздел 2.7.1).

Примеры

Энергетический анализ (анализ энтальпии) широко применяется как при проектировании новых тепловых систем, так и при анализе и совершенствовании существующих. Эксергетический анализ пока не получил столь широкого распространения, хотя в последнее время его применение расширяется. Как уже было отмечено, его используют такие компании, как Shell, Dow Chemical, Unilever, DSM, AKZO NOBEL, а также крупные инженерные компании.

Справочная информация

[227, TWG]

Информация и примеры по энергетическому и эксергетическому анализу могут быть найдены практически в любом учебнике по термодинамике, рассчитанном на студентов старших куров. Дополнительные сведения об эксергетическом анализе приведены, например, в следующих публикациях:

T. J. KOTAS. Krieger, The Exergy Method of Thermal Plant Analysis, Florida, 1996

Kotas, T.J., The Exergy Method of thermal and chemical processes, Krieger Publishing Company, Melbourne, USA, 1999

Szargut J., Morris D.R., Steward F.R., Exergy Analysis of Thermal, Chemical and Metallurgical Processes, Hemisphere, New York, 1988

Cornelissen, R.L., 1997, Thermodynamics and sustainable development, The use of exergy analysis and the reduction of irreversibility, Ph.D. thesis, University of Twente, http://www.ub.utwente.nl/webdocs/wb/1/t0000003.pdf

Cornelissen, R.L., and Boerema C. 2001, Exergy Scan the new method for cost effective fuel saving, Proceedings of ECOS 2001, p.p. 725-731, Istanbul.

Инструменты:

калькулятор эксергии: http://www.exergoecology.com/excalc

инструмент exerCom и «эксергетическое сканирование» (exergy scan): информация по обоим подходам доступна на сайте www.exergie.nl

2.14. Термоэкономика

Общая характеристика

Методы термоэкономического анализа, применяемые на уровне системы, используют как принципы термодинамики, так и данные о затратах. Эти методы позволяют прояснить процесс формирования затрат, минимизировать совокупные производственные затраты, а также распределить затраты по нескольким видам продукции, производимым в одном и том же процессе.

Как было отмечено в разделе 1.2, в ходе производственного процесса энергия не потребляется в строгом смысле, а переходит из более качественных форм в менее качественные. Для анализа процессов, характеризующихся значительной степенью термодинамической необратимости, например, сжигания, теплопередачи, дросселирования и т.д., адекватным является только

114

эксергетический анализ (см. раздел 2.13). Эксергия представляет собой объективную и универсальную меру полезности энергии и может рассматриваться в качестве связующего звена между термодинамикой и учетом затрат. Это связано с тем, что эксергия может быть рассчитана на основе физических величин, которые могут быть измерены – давления, температуры, энергии и т.д. Экономический анализ позволяет рассчитать затраты, связанные с приобретением топлива, инвестициями, а также эксплуатацией и техническим обслуживанием установки.

Таким образом, термоэкономика позволяет оценить затраты, связанные с потреблением ресурсов и термодинамической необратимостью в рамках производственного процесса в целом. Термоэкономический анализ позволяет выявить пути более эффективного использования и сбережения ресурсов. Денежные затраты являются, в частности, выражением неэффективности технологических процессов, и информация о формировании затрат может использоваться для оптимизации этих процессов. Анализ затрат, связанных с технологическими потоками и процессами предприятия, способствует пониманию процесса формирования затрат на пути от входных потоков до конечной продукции.

Экологические преимущества

Прежде всего, энергосбережение, но также и сокращение расхода материалов, потерь и объемов образования отходов.

Воздействие на различные компоненты окружающей среды

Поскольку речь идет о расчетной методике, таковых не ожидается.

Производственная информация

Данные методы анализа позволяют решить проблемы, связанные со сложными энергетическими системами, которые не могут быть решены методами традиционного энергетического анализа. Среди прочего, методы термоэкономики могут использоваться для:

рационального ценообразования на продукцию предприятия на основе физических параметров;

оптимизации конкретных параметров производственных процессов с целью снижения совокупных производственных затрат, т.е. глобальной и локальной оптимизации;

выявления неэффективных участков процесса и расчета их влияния на экономику производства действующих предприятий (термоэкономической диагностики производственного процесса);

оценки различных альтернатив и вариантов решений при проектировании производства, обеспечения максимальной рентабельности;

энергоаудита.

Применимость

Данные отсутствуют.

Экономические аспекты

Зависит от конкретной ситуации.

Мотивы внедрения

Сокращение затрат и ресурсосбережение.

Примеры

Различные электростанции (в т.ч. парогазовые комбинированного цикла), нефтеперерабатывающие и химические предприятия, сахарные заводы, электростанцииопреснители, ТЭЦ и т.д.

Справочная информация

[258, Tsatsaronis and Valero, 1989] [284, Valero, 285, Valero, 1989]

Дополнительная информация доступна на таких сайтах, как: [286, Frangopoulos]

115