CC BY
51
УДК 662.997:697.34
Р. А. Ильин
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭКСЕРГИИ ТОПЛИВА В ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИХ УСТАНОВКАХ С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМИ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫМИ И ВТОРИЧНЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ЭНЕРГИИ
Эффективность и оценка эффективности теплоэнергетических установок различных видов - главная проблема энергетики. При оценке часто используются эксергетические методы, которые дают возможность определить потери энергии и эксергии непосредственно в установках и их элементах [1]. Такой подход достаточно сложен при реализации, вследствие необходимости учета большого количества параметров, и не учитывает состав всей системы «топливо -камера сгорания - установка определенного вида - потребитель». Возникает несоответствие, как правило - большое, между эксергией тепловой энергии, полученной при сжигании топлива, и эксергией, необходимой потребителю.
Возможно, первая попытка оценить эффективность использования топлива, применительно к судовым котлам, с помощью КПД цикла Карно по теоретической температуре горения была предпринята в [2], но она не получила какого-либо продолжения. В справочном пособии [1], в известной работе Е. И. Янтовского [3] и в дальнейших работах для этой цели применялся обычный эксергетический КПД установок, что пока не принесло новых продуктивных результатов, хотя были предприняты попытки учесть, кроме КПД установок, еще и затраты эксергии на их создание [3, 4]. Однако эта идея не была доведена до практического использования, т. к. авторы декларировали только химическую эксергию веществ и материалов, что несоизмеримо меньше затрат эксергии на создание установок.
В [5] на примере судовых энергетических установок показано, что оценка эффективности теплоэнергетических установок на основе только энергетических критериев полезна, но не является универсальным подходом к установкам различных видов, в том числе к нетрадиционным и на возобновляемых источниках энергии.
Как основа нового метода оценки нами введено [6] понятие «коэффициент использования располагаемой эксергии» как отношение эксергии, необходимой потребителю на его входе, к эксергии тепловой энергии, получаемой при сгорании топлива и вычисляемой по максимальной теоретической температуре горения топлива, которая является теплофизической характеристикой топлива [6, 7] и равна 2 373 К для жидких топлив и 2 313 К - для газообразных.
Этот коэффициент позволяет не только определить эффективность использования эксер-гии с учетом ожиданий потребителя, но и оценить относительную экономию топлива и относительный срок окупаемости при сравнении вариантов установок для определенного объекта и конкретных условий его использования на стадии их выбора и проектирования.
Ниже кратко и на основе работ [6, 7 и др.] выполнен достаточно общий анализ эффективности использования топлива в теплоэнергетических установках с привлечением этих трех показателей на примере теплогенерирующих установок (котлов), обеспечивающих объекты тепловой энергией и использующих, кроме топлива, возобновляемые источники энергии или вторичные энергетические ресурсы.
Анализ по коэффициенту использования располагаемой эксергии
В продолжение работ [6, 7] для анализа рассматриваемой схемы используется формула для общего коэффициента использования располагаемой эксергии
ех Тп - о ' ПК ' ППОт1 + V ' Ппр ' ППОт2 / (тт - о + V ' тдеп - о )
доп - о
(1)
в виде
^Пех ^Лех ' (і1к ' ппот1 + V ' Ппр ' ппот2 )/(і + V ' тдоп-е /^т-е ),
(2)
где 5^ - коэффициент использования располагаемой эксергии в системе «котел - потребитель» без дополнительного источника теплоты; - энергетический КПД котла; 'Лпр - КПД пре-
образователя тепловой энергии (при его наличии) от возобновляемого или вторичного дополнительного источника энергии; 'Лшть 'Лшй - КПД, учитывающий потери тепловой энергии при ее
передаче потребителю от котла (индекс 1) и дополнительного источника (2); тп_о, Тт-о, тдоп_о -
эксергетические температурные функции в интервалах значения температуры соответственно Тп-То, Тт-То, Тдоп-То; Тп - температура на входе в потребитель, К; Тт - максимальная теоретическая температура горения топлива, К; Тдоп - температура на выходе из дополнительного источника теплоты, К; То - температура окружающей среды, К; у = Qд0п / Qе; Qд0п - количество теплоты от дополнительного источника потребителю; Qе - количество теплоты, полученной при сжигании топлива, от котла потребителю.
Коэффициент использования располагаемой эксергии системы «котел + дополнительный источник теплоты - потребитель» для частного случая: ^п0т1 = 1, Лп0т2 = 1 и для упрощения анализа при = 1, Лпр = 1:
5ПохЩ = тп - о • (1 + ¥)/(тт - о + V • тдоп - о ), (3)
5ПохЩ = 5ПКех • (1 + у)/(1 + V• тдоп-о /Тт-о ) . (4)
Анализ систем по (3) и (4) выполнен в широком диапазоне параметров у и Тдоп для двух характерных значений Тп - 363 К (90 °С) и 393 К (120), с учетом, что Тдоп от дополнительного источника тепловой энергии, когда в его качестве используются возобновляемые источники энергии (солнечная и др.), может быть меньше Тп.
Результаты анализа представлены на рис. 1 и 2, где видно, что использование дополнительных источников тепловой энергии весьма эффективно уже при у = 0,15-0,25.
Рис. 1. Эффективность сложных схем «котел + дополнительный источник - потребитель» при V = ^аг при различных /доп и
Рис. 2. Эффективность сложных схем «котел + дополнительный источник - потребитель» при /доп = уаг, /п = 90 °С и при различных величинах у. При /доп < (150-100) °С могут использоваться
в основном возобновляемые источники энергии.
При /доп < /п тепловая энергия дополнительного источника вводится непосредственно в котел
Увеличение , таким образом, приводит к уменьшению расхода топлива на котел.
При < 1 результаты анализа принципиально не изменяются.
Анализ по относительной экономии топлива
Экономия топлива в системе с дополнительным источником теплоты достигается, как показано выше, вследствие увеличения коэффициента использования располагаемой эксергии топлива. Так как расход топлива обратно пропорционален коэффициенту использования располагаемой эксергии, можно записать выражение для вычисления относительной экономии топлива при переходе от системы «котел - потребитель» к системе «котел + дополнительный источник -потребитель» [7]:
5В = В - В0) /В0, (5)
где В0 - «старый» расход топлива в системе «котел - потребитель»; В1 - «новый» расход топлива в системе «котел + дополнительный источник - потребитель». Тогда, в принятых выше обозначениях,
5В = ( + V • ТдоП - о /тт - о )/ (1 + V )- 1. (6)
Анализ по 5В на основе зависимости (6) выполнен для тех же условий и параметров, что и для (см. выше). Результаты представлены на рис. 3 и 4 в виде двух вариантов функции
5В ~ (Тдоп у).
Рис. 3. Изменение (уменьшение) расхода топлива на относительную величину по (6) при использовании дополнительных источников энергии в широком диапазоне параметров у и /доп
°С
Рис. 4. Функция 5В ~ (у, /доп) системы с дополнительным источником энергии.
См. также текст под рис. 3
Очевидно, что использование дополнительного источника может дать существенную экономию топлива.
Анализ по относительному сроку окупаемости
Относительный срок окупаемости предлагается определять в виде отношения
5С = С1/Со,
где С1 - срок окупаемости «новой» системы «котел + дополнительный источник - потребитель»; Со - срок окупаемости «старой» системы «котел - потребитель». На основании [7] 5С можно представить в виде
5С = (1 - Т 0 /Э0 )/[1 - (Т 0 /Э0) • (тт - 0 + у • Хд0п - о)/(1 + V)] , (7)
где То - текущие годовые затраты в «старой» системе (на топливо, эксплуатационные);
Эо - стоимость вырабатываемой энергии (для рассматриваемой системы - тепловой) за год, или
5С = (1 - То/Эо )/[1 - (То/Эо) • (&С/5п0хбщ)]. (8)
Удобство использования формул (7) и (8) для предварительной оценки уменьшения срока
окупаемости при сравнении вариантов рассматриваемой схемы с дополнительным источником
энергии в том, что она основана на общих термодинамических параметрах (в простой форме), а экономические показатели представлены в относительной форме, которая менее зависима от рыночных условий, чем показатели в абсолютных величинах.
Анализ влияния параметров схем ґп и Го/Эо на 5С выполнен для широкого диапазона параметров. Результаты анализа, представленные на рис. 5, показывают, что основное влияние на уменьшение срока окупаемости схем с дополнительным источником энергии (кроме ґп и То/Э0) оказывает общий коэффициент использования эксергии.
Рис. 5. Зависимость относительного срока окупаемости 5С от величины коэффициента 5п0хЩ системы с дополнительным источником энергии при различных долях участия этого источника в общей системе у (через ) от tn и параметра То/Эо
Рис. 1-5 позволяют констатировать, что введение в схему теплогенерирующей установки (которая рассматривается только совместно с потребителем и его запросом по ^) дополнительного источника тепловой энергии уже при доле участия этого источника у = 0,15-0,25 можно существенно улучшить коэффициент использования располагаемой эксергии (на 10-20 %) и снизить расход топлива в установке (на 3-12 %). Экономия топлива существенно выше, до 7-12 %, при использовании возобновляемых источников энергии (верхняя часть линий на рис. 3).
Приведенные оценки характерны в том числе и для крупных рыбопромысловых баз, где имеются различные вторичные энергетические ресурсы.
Таким образом, общий термодинамический подход к оценке эффективности использования эксергии топлива 5^°^, 5В и 5С в установках с дополнительным источником тепловой
энергии на основе коэффициента использования располагаемой эксергии позволяет на начальной стадии принятия решений без подробной технической и технико-экономической проработки выделить один или два приоритетных варианта параметров, состава и схем теплогенерирующих установок по, как следует из изложенного, простому алгоритму [8].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Эксергетические расчеты технических систем. Справочное пособие / В. М. Бродянский, Г. П. Вер-
хивкер, С. В. Дубовский и др. // ИТТФ АН Украины. - Киев: Наук. думка, 1991. - 360 с.
2. ТувИ. А. Сжигание обводненных мазутов в судовых котлах. - Л.: Судостроение, 1968. - 196 с.
3. Янтовский Е. И. Потоки энергии и эксергии. - М.: Наука, 1988. - 144 с.
4. Boustead J., Hancock G. F. Handbook of industrial energy analysis. - Chichester: Ellis Horwood Limited, 1979. - 422 p.
5. Ильин Р. А. Методы оценки эффективности судовых энергетических установок // Транспортное дело России. - 2005. - № 4. - С. 11-13.
6. Ильин Р. А. Анализ эффективности теплоэнергетических технологий. - Астрахань: ОЭП СНЦ РАН, ЮНЦ РАН, Лаборатория нетрадиционной энергетики, 2003. - 88 с.
7. Ильин А. К., Ильин Р. А. Методология термодинамической оценки эффективности теплоэнергетических технологий // Энергетика России в 21-веке: развитие, функционирование, управление. материалы Всерос. конф. - Иркутск: Ин-т систем энергетики СО РАН, 2005. - С. 782-790.
8. Ильин Р. А. Алгоритм оценки эффективности при создании и использовании теплоэнергетических установок различных видов // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. -2010. - Вып. 2. - С. 79-82.
Статья поступила в редакцию 28.01.2011
EFFICIENCY OF FUEL EXERGY USE IN HEAT-GENERATION INSTALLATIONS WITH ADDITIONAL RENEWABLE AND SECONDARY ENERGY SOURCES
R. A. Ilyin
The methods of an estimation of efficiency of fuel exergy use in heat-generation installations at a wide range of parameters of installations are stated. The results are presented in the form of analytical and graphical dependences.
Key words: heat-generations installations, fuel use, efficiency, additional renewable and secondary energy sources.
