6. Термоэкономический анализ

16Задачи анализа

Термоэкономический анализ выполняется обычно после эксергетического. Необходимость использования термоэкономического метода связана с тем, что термодинамический (эксергетический) анализ оперирует только затратами эксергии, а ХТС, кроме энергетических, потребляют и другие виды ресурсов: материальные (сырье), фондовые (оборудование), трудовые. Поэтому окончательная оценка эффективности ХТС требует учета всех видов затрат, а термодинамически эффективное решение проблемы не всегда обеспечивает экономический оптимум.

В качестве примера можно использовать теплообменник. Существуют три правила, которыми обычно руководствуются при выборе организации теплообмена в ХТС: минимальная стоимость, минимальная поверхность и максимальный теплообмен. С термодинамической точки зрения анализ известного уравнения скорости теплообменного процесса Q = к_Т··F·∆Т показывает, что нужно стремиться к снижению Т до близкой к нулю величины, поскольку в этом случае потери эксергии будут минимальны, η_экс наибольшим. Но тогда при фиксированном значении тепловой нагрузки Q поверхность F будет стремиться к бесконечности, как и стоимость аппарата. Следовательно, выигрыш в энергозатратах S_э будет перекрыт капитальными затратами S_к и экономический оптимум S_min не совпадет с энергетическим (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Зависимость затрат З на теплообменник от ΔТmin между потоками

Положение минимума на кривой зависит от внешних условий – соотношения стоимости энергии и оборудования. Более совершенное оборудование, в котором использованы новые эффективные способы теплопередачи, может стоить дешевле, тогда кривая капитальных затрат S_п пройдет ниже и оптимум Т_опт сместится влево. В настоящее время при расчете теплообменных сетей используется пинч-технология, позволяющая реализовать принцип теплопередачи при минимально возможной ΔТ между обменивающимися энергией потоками.

В ходе термоэкономического анализа решают следующие проблемы:

1. технико-экономическую оптимизацию параметров установок и их частей, определение наиболее выгодных условий их работы;

2. распределение затрат топлива и энергии между продуктами в комплексных производствах;

3. подсчет и сопоставление удельных расходов топлива и энергии;

4. составление тарифов на различные энергоносители на базе определения стоимости эксергии;

5. оценку качества и технического уровня оборудования по энергетическим и эксергетическим характеристикам, прогнозирование изменения этих характеристик;

6. обоснование и разработку норм удельного расхода энергии и материалов;

7. оптимальное проектирование установок.

Применительно к термоэкономическому анализу все технические системы преобразования энергии можно разделить на три группы.

1. Системы, для которых во внешнем обмене энергией участвуют механическая или электрическая энергии, т.е. формы с одинаковыми значениями энергии и эксергии (электродвигатель, редуктор, трансформатор и др.). Для таких систем при анализе используют энергетические характеристики.

2. Системы, в которых подводимые исходные материалы и энергия, а также единственный отводимый продукт могут характеризоваться энтропией и иметь различную эксергию (агрегаты разделения воздуха с получением кислорода, конденсационные электростанции и др.). В таких системах эксергетический анализ для решения экономических задач не применяется, а оптимум определяется по минимуму показателя приведенных затрат на единицу продукта (в виде вещества или энергии).

3. Системы, в которых получается один продукт с меняющейся при оптимизации качественной характеристикой, либо несколько продуктов с различными качественными характеристиками. Для таких систем термоэкономический анализ обязателен.

Термоэкономический подход основан на учете связей между эксергетическими и экономическими показателями. С позиций энергетики каждый элемент системы можно рассматривать как энергопреобразующий аппарат. Все преобразования энергии сопровождаются экономическими затратами. Поэтому определяют количественные характеристики эксергии и экономических затрат для всех потоков, поступающих в данный элемент (подсистему, систему) или покидающих его. Часто в качестве основного показателя в этом виде анализа используют показатель приведенных затрат.

Для любого энергетического процесса суммарные приведенные энергозатраты можно записать как

З = Е_нК + С, (6.1)

где Е_н – нормативный коэффициент эффективности капиталовложений; К –суммарные капиталовложения; С – эксплуатационные затраты:

С = mК + _ΣS_эн + S_о, (6.2)

где m – коэффициент, учитывающий отчисления на амортизацию и текущий ремонт; _ΣS_эн – затраты на энергию и перерабытываемые материалы (сырье, топливо); S_о – затраты на обслуживание, капитальный ремонт, накладные расходы, т.е. постоянная составляющая себестоимости.

Суммируя эти уравнения, получим

_ΣЗ = Е_нК + mk +∑ S_эн + S₀ . (6.3)

Приведенные затраты можно представить в виде суммы энергетических (переменная часть) и неэнергетических S_пост (постоянная часть) затрат:

_ΣS_эн = Р_замЕ + Р_мМ, (6.4)

где Р_зам – средневзвешенные замыкающие затраты на единицу эксергии; Е – расход эксергии на процесс; Р_м – удельные затраты на перерабатываемые материалы (сырье, топливо); М – расход перерабытываемых материалов.

Энергетические затраты, непосредственно связанные с термодинамическими характеристиками системы, включают стоимость всех потоков вещества и энергии, поступающих в систему.

ΣS_пост = Е_нК + mk + S_о. (6.5)

Неэнергетические затраты состоят из отчислений на капиталовложения и трудовых затрат на эксплуатацию установки.

При использовании термоэкономического анализа сопоставляют удельные приведенные затраты, т.е. приведенные затраты, отнесенные к единице производительности, в отдельных вариантах решений.