CC BY
36
Jyi
^ МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРОИЗВОДСТВА ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
УДК 662
СПЕЦИФИКА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКОГО И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ В РАЗЛИЧНЫХ ОТРАСЛЯХ
ПРОИЗВОДСТВА
Д.С. Агапов1
Санкт-Петербургский государственный аграрный университет (СПбГАУ), 196605, г. Санкт-Петербург, г. Пушкин, Петербургское ш. д.2.
Исходя из положения, что совершенство системы в целом определяется совершенством отдельных её элементов, сформулирован методологический подход к решению задачи повышения технического совершенства энергетических систем в целом на основе пинч-анализа и ее параметрической оптимизации
Ключевые слова: энергоснабжение, ресурсосберегающие технологии, Пинч-анализ, тепловой поток, теплообмен, термохимический конвертор, структурная оптимизация, когенерационная установка
THE SPECIFICITY OF FUNCTIONING OF THERMAL AND TECHNOLOGICAL EQUIPMENT IN
VARIOUS INDUSTRIES
D.S. Agapov
St. Petersburg State Agrarian University (SPbGAU), 196605, St. Petersburg, Pushkin, Petersburg Highway, 2
Based on the position that the perfection of the system as a whole is determined by the perfection of its individual elements, formulated a methodological approach to solving the problem of increasing technical versenta energy systems as a whole on the basis of pinch analysis and its parametric optimization
Key words: energy saving technologies, pinch analysis for heat-current, heat transfer, thermochemical Converter, structural optimization, cogeneration plant.
Введение
Функционирование большинства современных предприятий по добыче различного сырья, производству и переработке различной продукции, эксплуатации и утилизации различного оборудования тесно связано с использованием и преобразованием всевозможных форм энергии. Кроме того, энергетика каждой отрасли имеет ряд особенностей, накладывающих дополнительные ограничения на область поиска оптимальных решений.
Энергетика различных отраслей производств характеризуется рядом особенностей, которые необходимо учитывать при их энергоснабжении и оптимизации. Так, например, металлургия характеризуется высокими значениями температур технологического процесса,
химическая отрасль характеризуется стационарностью протекающих процессов синтеза различных веществ. К наиболее значимым особенностям энергетики сельского хозяйства можно отнести следующие:
• биологический характер объектов производств и конечной продукции;
• цикличность производственных процессов;
• интенсификация сельского хозяйства;
• непрерывность функционирования производств;
• климатические особенности;
• экологические ограничения функционирования.
1Агапов Дмитрий Станиславович - кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры Автомобили, тракторы и технический сервис СПбГАУ, e-mail: different76@list.ru
Характер объектов производств и конечной продукции
Продукция сельского хозяйства носит в основном биоэнергетический характер вследствие того, что суть основных предметов труда (животные, растения и почва) - биологическая.
Повышение продуктивности сельскохозяйственных животных и растений, как биологических объектов, достигается за счёт снижения их энергетических затрат энергии на поддержание собственной жизнедеятельности и преодоление внешних неблагоприятных факторов путём вложения дополнительных затрат энергии различного рода (теплота, освещение, живой труд).
По этой причине мероприятия по ресур-со- и энергосбережению не должны затрагивать агрономических, зоотехнических и технологических требований, во избежание нарушений искусственно созданных условий содержания животных и птицы, условий хранения и переработки продукции и др.
Цикличность производственных
процессов
Эта особенность является следствием первой особенности, а именно - биологической сутью объектов труда. Биологические объекты имеют цикличную жизнедеятельность, например, суточную - характерную для животных или сезонную - характерную для растений.
Цикличность энергопотребления обусловливает малое время использования установленной мощности энергетического оборудования (двигателей и др.), что приводит к существенному удорожанию системы энергоснабжения.
Применяемый в промышленной энергетике способ выравнивания графиков нагрузки за счет сдвигания пика энергопотребления предприятий на ночное время неприменим для сельскохозяйственных предприятий, так как некоторые операции (доение, поение, кормление) должны осуществляться в соответствии с режимом в строго отведённое время. Аналогично в растениеводстве урожай должен быть собран и переработан в сжатые сроки, нарушение которых приведёт к значительным потерям.
Интенсификация производства
Интенсификация производств и повышение производительности труда в целом является объективным требованием современной экономики. Энерго- и ресурсосбережение являются одними из главных направлений и критериев процесса интенсификации. Данное положение обусловлено тем обстоятельством, что
интенсификация требует увеличения расхода энергетических и сырьевых ресурсов. Так, например, повышение объема производства на 10% влечет за собой увеличение расхода энергии на 30 %. [20]. Поэтому при разработке мероприятий по энергосбережению и снижению энергоемкости продукции необходимо учитывать продуктивность и воспроизводительные качества объектов труда (растений животных и птицы).
Возможно, решения кроются в области переходов на более продуктивные породы и кроссы, корректировке режимов кормления и содержания.
Непрерывность функционирования
производств
Данная особенность продукции заключается в том, что отдельные технологические процессы не могут быть прерваны даже временно без ощутимого ущерба для производства (снижения продуктивности или качества продукции). Такие процессы в сельскохозяйственном производстве как доение, поение и кормление, не допускают смещений во времени или перерывов и их следует реализовывать в полном объеме и в положенное время.
Определённые процессы, связанные с энергопотреблением можно сместить по времени без существенного ущерба, но в относительно небольших пределах. Так, например, кондиционирование воздуха, возможно, осуществлять в сокращенном объеме, а удаление навоза или отгрузку навозной жижи допустимо прервать на некоторое время.
Кроме того, для измерения энергетических характеристик оборудования, его параметрической оптимизации, проведения мероприятий энергоаудита иногда требуется прерывание производственного цикла. Даже временный переход на ручной труд при остановке отдельных подсистем производства не всегда возможен вследствие высокого уровня механизации и автоматизации предприятий, значительного объема производства и большой концентрации животных.
Климатические особенности
Ресурсосберегающие технологии позволяют существенно снизить производственные издержки и за счёт этого повысить конкурентоспособность предприятия и продукции на рынке. Однако в сельском хозяйстве производственные издержки зачастую определяются природно-климатическими факторами, материальными, биологическими и др.
В России сельскохозяйственное производство находится в более жестких условиях, нежели за рубежом. Так биоклиматический потенциал в России в 2,5 раза ниже, чем в США [1]. Другими словами, отечественные производители сельскохозяйственной продукции вынуждены значительную часть материальных, трудовых, энергетических, земельных и других ресурсов затрачивать на нейтрализацию природно-климатических условий.
Так только на отопление в России расходуется примерно 30% всех потребляемых теплоэнергетических ресурсов [2]. Поэтому абсолютные значения энергопотребления не вполне характеризуют использование энергии. Таким образом нормы расхода энергетических ресурсов в сельском хозяйстве должны соотноситься с природно-климатическими условиями того региона в котором оно функционирует.
Экологические ограничения
функционирования
Крупные сельскохозяйственные производства животноводческие и растениеводческие комплексы оказывают негативное влияние на окружающую среду (земельные угодья, водоемы, воздух), что в свою очередь снижает продуктивность животных и увеличивает забо-левемость местного населения. Таким образом, мероприятия по ресурсо- и энергосбережению для повышения энергоэффективности должны учитывать ущерб окружающей среде, ликвидация которого требует дополнительные капитальные затраты.
Эффективность функционирования энергопреобразующих систем (ДЭС, ТЭЦ, АЭС и др.) определяется коэффициентом полезного действия (КПД), представляющим отношение полученной (преобразованной) формы энергии к исходной. Такой подход не вызывает затруднений, так как в обоих случаях (и в числителе, и в знаменателе) стоит энергия [3].
Несколько сложнее обстоит дело, когда энергопреобразующая система на входе или выходе имеет не одну, а две и более формы энергии, (например, когенерационные и триге-нерационные установки). При этом сложность применения понятия КПД заключается в том, что все формы энергии в данном случае принимаются равноценными между собой, и изменение составляющих теплового баланса может никак не отразиться на значении КПД. То есть, если какая-то из форм энергии более предпочтительна, чем другие, то КПД не в полной мере отражает эффективность функционирования установки [4].
И совсем иначе выглядит ситуация, когда система не является в чистом виде энерго-преобразующей, то есть когда её продукцией является не какая-либо форма энергии, а определённый материальный продукт. Тогда не только возникает вопрос о том, что ставить в числитель, но и в каких единицах измерять КПД, так как его размерность может представлять шт./Дж, кг/Дж и др. [5].
Но даже в этих трёх случаях КПД ещё имеет какой-то смысл. К настоящему моменту известны системы, к которым понятие КПД просто не применимо, то есть оно претерпевает качественное преобразование и попросту теряет всякий смысл [48, 49, 50, 51, 52]. КПД, определённый для таких систем может достигать значений много больше единицы. К таким системам можно отнести тепловые насосы и другие сверхединичные энергопреобразующие устройства. Например, у теплового насоса на элементах Пельтье КПД ~ 3^4, а для компрессорных тепловых насосов КПД ~ 4^6. Поэтому для таких систем служит другой оценочный показатель, называемый коэффициентом преобразования энергии (КПЭ). Для оценки эффективности тепловых насосов применяется, как бы перевёрнутый КПД. То есть КПЭ есть величина обратная вычисленному КПД [2].
Однако даже в этом случае КПЭ позволяет оценивать эффективность только энерго-преобразующих систем. В случае функционирования какого-либо производства с несколькими конечными и/или побочными продуктами эффективность функционирования не может быть определена с помощью такого примитивного показателя как КПД или КПЭ. И дело не только в том, что возникают неопределённости с размерностью этих величин или их физическим смыслом, но и в том, что эффективность многих производств определяется чисто экономическими показателями и рыночной стоимостью как сырья, так и готовой или промежуточной продукции [4].
Кроме того, в понятие эффективности функционирования «напрашиваются» и такие факторы как затраты на обслуживание, эксплуатацию, лицензирование и сертификацию, а также утилизацию производства. При всём при этом никто не отменяет того положения, что энергетические потери ведут к снижению эффективности функционирования производства в целом.
Изложенное выше позволяет сделать заключение о необходимости создания единого инструмента для оценки эффективности функционирования производств любой сложности и направленности, для возможности осуществле-
ния на его основе структурной и параметрической оптимизации производства в целом, с учётом не только объективных (измеряемых) факторов, но и субъективных.
Исходя из того положения, что совершенство системы в целом определяется совершенством отдельных её элементов, был сформулирован [4] первый этап методологического подхода к решению задачи повышения технического совершенства систем в целом.
Как отмечалось выше на начальных этапах развития технической мысли с открытием первого начала термодинамики, а точнее закона сохранения энергии, для оценки эффективности технических устройств применялся КПД, с помощью которого можно было оценивать не только полезное действие, но и бесполезное. Это, так называемое бесполезное действие, характеризующее потери энергии в окружающую среду, объяснялось несовершенством техники и технологии того времени. Такой подход к оценке эффективности машин назывался балансовым или энтальпийным.
На его основе были сделаны существенные достижения в области теории двигателей и их теплового баланса такими учёными как: Н. Р. Брилинг, Е. К. Мазинг, В.И. Гриневецкий, Р.З. Кафтарадзе, А.К. Костин, А.В. Ни-колаенко, Р.М. Петриченко, М.Р. Петриченко, В.С. Семёнов, Б.А. Шароглазов, В.В. Эфрос, В.В. Кукис и многие другие. Также известен ряд институтов, имеющих научные школы ВлГУ, МГТУ, МЭИ, СПбГАУ, ЧГАУ, СПбГПУ, ЮУрГУ; научно-исследовательских институтов (НАТИ, ЦНИДИ, ЦНИТА, и др.), которые тоже внесли существенный научный вклад в развитие теории создания и эксплуатации тепловых двигателей.
Однако исследования в данной области были направлены, в основном, на организацию процессов рабочего цикла, как правило, в отрыве от систем, внутри которых данные двигатели функционируют.
Современные энергетические установки, непрерывно совершенствуясь, представляют собой некоторую совокупность сложных взаимодействующих систем. Сам по себе тепловой двигатель уже представляет собой подобную совокупность систем. Однако, в силу того, что в большинстве случаев потребитель механической работы этого двигателя находится в непосредственной близости с ним, то становится очевидным, что общий анализ эффективности целесообразно вести не только в пределах самого двигателя, но и всей энергетической установки, в которую входит сам двига-
тель и непосредственный потребитель механической энергии.
Так как непосредственным потребителем механической энергии, вырабатываемой двигателем, выступают объекты различных назначений, конструкций и сложности, (например, насос, электрогенератор, трактор, комбайн, автомобиль и др. устройства), то необходим комплексный подход к оптимизации протекающих в установке процессов.
Для анализа протекающих процессов, определения путей совершенствования установки в целом, а также разработки конкретных технических решений по совершенствованию требуется соответствующий научный инструмент.
Исторически сложились два принципиально различных подхода к исследованию и анализу процессов, протекающих в энергетических установках, это метод прямых и обратных циклов и метод термодинамических потенциалов.
Основу метода, построенного на рассмотрении прямых и обратных циклов заложили Карно и Клаузиус. Данный метод нашёл широкое применение в технике. Сопоставляя циклы реальных установок с теоретическими циклами можно определить потери энергии вследствие несовершенства протекающих процессов, определить КПД установки, её эффективность.
Основу метода термодинамических потенциалов заложил Гиббс. Данный метод необходим при анализе систем, где преобразование энергии протекает вообще без участия рабочего тела, (например, фотоэлементы). Метод считается более перспективным, универсальным, логическим и менее громоздким в расчётах. Однако даже этот метод даёт оценку энергетической ценности потоков вещества и энергии безотносительно к внешним условиям, в которых данный поток существует.
Широкое применение тепловых двигателей не ограничивается воздушным, водным и наземным транспортом. Непременное условие отвода теплоты при производстве механической работы указало ещё ряд наиболее рациональных областей их применения. Это различные энергоустановки (когенерационные и три-генерационные), а также различные технологические линии (по переработке сельскохозяйственной продукции, производства нефтепродуктов и химических продуктов и др.), в которых для осуществления технологического процесса на разных этапах производства возникает необходимость подвода и отвода различных видов энергии, и в частности теплоты.
Также в отдельных устройствах этих линий постоянно происходят процессы превращения работы в теплоту и реже - теплоты в работу. Данные превращения не всегда являются целью функционирования этих установок, а происходят параллельно с технологическим процессом, реализуемым установкой. В связи с этим зачастую возникают различного рода потери энергии вследствие диссипации и деградации.
В отдельных случаях [6] предпринимаются попытки частичного использования теряемой энергии либо для отдельных этапов технологического процесса (регенерация), либо для дальнейшего преобразования в необходимые формы (утилизация).
Однако, в первом случае (регенерация) сложность повторного использования энергии заключается в том, что она отводится множеством потоков и на разных температурных уровнях.
Во втором случае (утилизация) возникает другая проблема, связанная с тем, что, либо мал поток утилизируемой теплоты, либо (что чаще) большое количество теплоты имеет низкий термодинамический потенциал (температуру).
Общей сложностью для регенерации и утилизации является то, что при изменении режима работы установки меняются и составляющие её теплового баланса, а значит и потребности в количестве теплоты для регенерации и возможности утилизации.
Например, тригенерационная установка, вырабатывающая одновременно электроэнергию, теплоту и холод для гипермаркета. Любое изменение погоды или количества товара на складе (продуктов заморозки) и даже времени суток приведёт к изменению потребностей в теплоте, холоде и электроэнергии.
Несколько сложнее обстоит дело с анализом, если технологический процесс не непрерывный, а циклический. Различные технологические линии имеют множество нестационарных циклических процессов. В этом случае для достижения энергосбережения и снижения затрат ни в коем случае нельзя прибегать к использованию усреднённых данных, а необходимо детальное измерение необходимых характеристик (в т. ч. временных) всех цикличных потоков в составе технологического процесса. При решении данной задачи часто приходится руководствоваться не только нахождением оптимального варианта перераспределения потоков теплоты, но и множеством других факторов: конструктивных, экономических. Но даже в случае, когда установлен наилучший вариант
маршрутизации тепловых потоков, возникает вопрос о термодинамическом совершенстве протекающих в оборудовании процессов, неравновесность которых может существенно снизить результат, достигнутый путём организации регенерационных потоков.
Дальнейшее совершенствование методов привело к созданию нового эксергетиче-ского метода анализа, который в настоящее время является наиболее объективным и дающим более полную инженерную и экономическую оценку [7]. С развитием второго начала термодинамики появился принципиально новый взгляд на эффективность функционирования машин, который не отменял, а дополнял положения первого начала термодинамики. Эта новая научная парадигма, во многом порождённая кризисом физики и неспособностью объяснять значения КПД тепловых насосов, превышающих 100%, позволила иначе взглянуть и на энергетические потери. В частности, появилась возможность различать потери, связанные с утечками энергии (в силу теплопроводности материалов или неплотности ёмкостей и т.п.), и потери, связанные с неравновесностью протекающих процессов (градиенты температур, давлений и т.п.), а также необратимостью (смешивание, измельчение, сгорание и др.). То есть появились такие составляющие энергетического баланса, которые при энталь-пийном подходе просто не существовали. Другими словами, на основе эксергетического анализа появилась возможность снижения потерь от диссипации и деградации энергии. Выделяется также функция, характеризующая потери от неравновесности, называемая энтропия. Как производная сформировалось понятие производства энтропии. Такой метод получил название энтропийный [8].
С развитием энтропийного подхода на основе трудов Ранта, Гюи-Стодолы и других исследователей появляется понятие эксергии, тесно связанного с производством энтропии. Начиная с 50-х годов прошлого столетия в термодинамике начал выделяться в самостоятельное направление специальный раздел, связанный с понятием эксергии, для решения задач, связанных с энергетическими превращениями в самых различных технических устройствах. В сочетании с элементами системного подхода и экономики он образовал инженерный метод, получивший название эксергетического [9].
В настоящее время он широко применяется для анализа энергетических превращений в промышленности, сельском хозяйстве, на транспорте и в быту для проведения энергосберегающей политики.
Эксергетический подход позволил связать термодинамические характеристики технических объектов с их технико-экономическими и экологическими характеристиками и позволяет успешно решать задачи технико-экономической оптимизации, распределения затрат в комплексных производствах, нахождения обобщенных характеристик больших классов технических объектов и др..
Центральным понятием метода является эксергия, характеризующая любой вид энергии не только количественно, но и качественно. При этом качество оценивается через количественные величины. Таким образом, эксергия представляет собой некоторую универсальную меру всех энергий. На необходимость и возможность нахождения такой меры указывал еще в 1928 г. академик В.И. Вернадский. Само понятие "эксергия" было введено в 1956 г. 3. Рантом по предложению Р. Планка, от греческого слова «ergon» - работа, сила и приставки «ех», означающей "из", "вне".
В качестве характеристики термодинамического совершенства любой технической системы вводится понятие эксергетического КПД. Также введено понятие транзитной эк-сергии и ряд других понятий, связанных с экономическими показателями.
Принципиально эксергетический и энтропийный методы весьма схожи и отличаются лишь тем, что энтропийный метод работает с полной энергией системы, в то время как эксер-гетический метод рассматривает лишь ту часть энергии, которая отсчитывается не от абсолютного нуля, а от параметров окружающей среды и способна к дальнейшим преобразованиям. Эксергетический метод оказался проще энтропийного в плане практического применения, так как исключает из рассмотрения связанную энергию, не способную к дальнейшему преобразованию в условиях окружающей среды. Развитие этого подхода получило развитие в трудах ряда других отечественных и зарубежных учёных. З. Рантом даже наряду с понятием эк-сергии было введено понятие анергии, как части энергии тела, не способной к дальнейшим преобразованиям при данных условиях окружающей среды. То есть энергия тела складывается из эксергии и анергии. Это, безусловно, является удобным обобщением, но только при анализе машин, работающих при температурах выше окружающей среды. Некоторые затруднения при определении анергии возникает в случае анализа криогенных и холодильных установок. Однако эти и другие затруднения вполне преодолимы.
Кроме описанного выше, эксергетиче-ский подход указывает на неравноценность различных форм энергии, а также устанавливает соотношение между ними, используя в качестве единицы измерения эксергию. Он позволяет оценивать энергию не только количественно, но и качественно.
При создании и совершенствовании различных технических систем эксергетиче-ский метод является хорошим перспективным инструментом. В силу ряда причин данный метод не имеет такого широкого распространения, как метод потенциалов или метод циклов. Причиной этого является то, что метод достаточно новый и окончательно не сформирован, особенно для решения некоторых прикладных задач. Эксергетический метод наиболее часто применяется при анализе процессов, протекающих на конденсационных электростанциях, в различных теплообменных аппаратах, ТЭЦ и др. подобных объектах. Также встречается ряд попыток применить данный метод непосредственно к системам ДВС безотносительно потребителей его энергии.
Исходя из этого, научный и практический интерес представляет эксергетический анализ энергоустановок, как совокупности взаимодействующих систем.
В рамках диссертационной работы [4] эксергетический метод на первом этапе используется для термодинамического совершенствования отдельных элементов системы. Причём данный метод не претерпевает никаких изменений и используется в чистом виде. Кроме того, он служит для определения эксергии входных и выходных потоков массы и энергии для каждого элемента системы, что использовано в дальнейшем для третьего этапа совершенствования системы.
На втором этапе совершенствования системы здесь [4] производится её структурная оптимизация. На первый взгляд может показаться, что структура системы задаётся строго технологической необходимостью последовательности выполнения производственных операций. Однако в процессе функционирования практически любой производственно-технологической линии зачастую выполняются такие операции, которые напрямую связаны с подводом и отводом теплоты. Это нагрев, плавление, выдержка при определённой температуре, варка, пастеризация, охлаждение, заморозка, кристаллизация и многие другие операции. Причём в большинстве случаев в качестве охладителя выступает окружающая среда или холодильная установка, а в качестве нагревате-
ля топливо, острый пар или электроэнергия. В любом случае все вышеописанные источники энергии требуют финансовых затрат. В связи с этим возникает рациональное решение взять теплоту там, где она выделяется, и подвести туда, где она должна быть подведена. То есть организовать регенерацию тепловых потоков для вторичного использования теплоты в одном производственном цикле. А это уже приводит к изменению структуры системы в связи с введением в её состав дополнительных устройств для теплообмена, термотрансформации, передачи теплоты и др. Данная задача на первый взгляд может показаться несложной, однако, это не всегда так. Ситуация осложняется не только огромным количеством вариантов возможных теплообменных связей, но и тем обстоятельством, что теплота самопроизвольно передаётся только от тела, более нагретого к менее нагретому. При этом привнесение дополнительных конструкций в систему не только усложняет последнюю, но и делает её дороже. Поэтому поиск решений утилизации теплоты внутри системы необходимо вести также с учётом повышения её стоимости, что особенно затруднительно на этапе проектирования системы. Также необходимо учитывать и конструктивные факторы возможности организации связи конкретных тепловых потоков.
Однако такой инструмент в настоящее время существует и вполне удовлетворяет перечисленным требованиям. В силу типичности особенностей графического представления различных рассматриваемых систем в этом методе он получил название «пинч-технология». Пинч-анализ как метод интеграции тепловых процессов появился в 70-х годах двадцатого века, во время нефтяного кризиса индустриально развитых стран [10]. Приложение данного метода к технологии проектирования сложных теплооб-менных систем разрабатывалось коллективом кафедры интеграции процессов Манчестерского института науки и технологии. Прежде всего, во главе с профессором Бодо Линнхоффом и Робертом Смитом.
Над дальнейшим развитием метода работало большое количество отечественных и зарубежных ученых, которые внесли существенный вклад в развитие теории и методов решения проблемы интеграции тепловых процессов. К ним относятся B. Linnhoff, R. Smith, J. Klemes, Л.Л. Товажнянский, П.А. Капустенко, Л.М. Ульев и другие.
Достоинством метода является его относительная простота, наглядность, широкая область применения и высокая эффективность
предлагаемых технических решений по оптимизации процессов функционирования сложных объектов. Пинч-анализ может применяться при проектировании новых объектов, а также предприятий или производственных единиц, при модернизации производственных мощностей, где используются технологические потоки, имеющие различные температуры. На основе данного подхода можно осуществлять оптимизацию и интеграцию тепловых процессов для рационального использования различных энергоресурсов. Пинч-анализ применим к периодическим, непрерывным и полунепрерывным процессам и способен учитывать различные характеристики этих процессов, например, использование различных видов сырья и энергоресурсов, нестационарность расходов, а также ограничения, связанные с качеством работы объекта, и ограничения природоохранного характера.
Недостатком пинч-анализа является дороговизна и сложность в применении методологии. Расчеты несложных процессов могут выполняться вручную или при помощи программных инструментов. В сложных процессах может потребоваться консультация опытных специалистов.
Применение пинч-анализа к деятельности различных предприятий в большинстве случаев улучшало характеристики производственного процесса (повышало гибкость производства, «расширяло» узкие места в технологических процессах, увеличивало производительность и снижало негативные эффекты, например, эффект образования накипи).
Предпринятые автором попытки применения инструмента пинч-анализа [11] для установок различного назначения (по регенерации моторных масел, по приготовлению кормов для сельскохозяйственных животных) позволил снизить энергопотребление в среднем на 15-20%.
Организовать определённые с помощью пинч-анализа потоки теплоты на реальном объекте возможно с помощью различных теплооб-менных устройств, таких как тепловые трубы, термодиоды и различные теплообменники (рекуперативные и регенеративные).
Используя простые и понятные принципы и правила пинч-технологии, которые учитывают контроль и управление объектом, его компоновку и различные коммуникации с другими объектами, а также, безопасность, контроль загрязнений окружающей среды и т.д. можно получить интегрированное проектное решение. Данное решение, как правило, являет-
ся не только энергетически оптимальным, но и технически приемлемым и выполнимым. Пинч-технология мощный интерактивный инструмент. В России данный метод не нашёл широкого распространения. Это обусловлено тем, что Россия не переживала такого глубокого нефтяного кризиса, как западные страны, а часть функций данного метода взял на себя другой инструмент, так называемый «эксерге-тический анализ».
Следует добавить, что принципы пинч-технологии вполне реализуемы и в автоматическом режиме с помощью ЭВМ, однако поиск решений с помощью алгоритмов линейного и нелинейного программирования затруднителен в случае решения задач большой размерности. Кроме того программные продукты, позволяющие вести синтез систем весьма дороги и требуют существенных вычислительных ресурсов. В то же время автоматический режим практически исключает проектировщика из процесса поиска решения, что затрудняет использование пожеланий, основанных на опыте проектирования и эксплуатации существующих систем. Именно поэтому синтез сложных технологических систем необходимо вести в полуавтоматическом режиме [4].
Существенное упрощение процесса решения дают эвристические алгоритмы, реализация которых зачастую целиком реализуется самим проектировщиком. Они позволяют учитывать различные экспертные рекомендации в процессе синтеза системы. Однако, применение эвристических алгоритмов не только замедляет процесс проектирования, но и не гарантирует оптимальности найденного решения. Кроме, того характерной особенностью эвристических алгоритмов поиска является то обстоятельство, что у разных проектировщиков будут возникать отличные друг от друга варианты решений.
По этой причине возникла необходимость машинной (компьютерной) реализации полуавтоматического процесса синтеза системы с возможностью учёта экспертных рекомендаций и позволяющей использовать принципы эвристического поиска [4].
Третьим и заключительным этапом термодинамического совершенствования является параметрическая оптимизация системы. Общеизвестно, что режим работы любого технического объекта существенно влияет на его технико-экономические, топливно-
энергетические, экологические и другие показатели [97, 98]. Для любого устройства существуют оптимальные режимы эксплуатации. То
есть оптимальная структура является лишь необходимым условием достижения технического совершенства системы. Именно поэтому необходима заключительная параметрическая оптимизация системы.
Необходимо отметить, что совершенная с термодинамической точки зрения система, в техническом и экономическом смысле может быть далеко не лучшим решением. Примером может служить цикл Карно. Также, например, для работы теплообменного аппарата существует определённое оптимальное значение температурного напора. Если подходить к оптимизации его параметров с чисто энергетической точки зрения, то для снижения необратимости процесса теплообмена необходимо снижать разность температур сред, между которыми происходит теплообмен. Это неуклонно ведёт к увеличению поверхности теплообмена, увеличивает габариты теплообменника в целом, что является экономически нецелесообразным. Именно нестрогое совпадение энергетического и экономического оптимума обуславливает необходимость ввести в целевую функцию оптимизации кроме энергетического критерия, ещё и экономический критерий. Они, как правило, являются взаимообратными функциями. То есть необходима термоэкономическая оценка объекта, которая способна учитывать капитальные затраты (на производство, обслуживание, эксплуатацию и утилизацию установки), и прибыль от её работы.
Термоэкономические методы также разработаны и широко применяются в зарубежной практике, например, [12]. Кроме того, термоэкономический подход является объединением эксергетического и чисто экономического подходов в один метод. Существенный вклад в развитие этого метода внесли такие учёные как G. Tsatsaronis, B. Olsommer, MR. Von Spakovsky, Y. M. El-Sayed, Б.С. Сажин, А.П. Булеков и другие.
Одним из главных достоинств данного метода является возможность не только определить конкретную себестоимость каждого конечного продукта в случае сложного производства, но и указать стоимость полуфабрикатов и промежуточных продуктов на любом этапе производственного цикла. Принцип метода заключается в уравнении стоимостного баланса единицы эксергии как для каждого отдельного элемента системы, так и для любой её группы элементов, а также для всей системы в целом.
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.
В ходе производственного процесса энергия не потребляется в строгом смысле, а переходит из более качественных форм в менее качественные формы. Для анализа процессов, характеризующихся значительной степенью термодинамической необратимости, например, сжигания, теплопередачи, дросселирования и т.д., адекватным является только эксергетиче-ский анализ [4]. 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 эксер-гия может быть определена 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 [4].
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.
Данные методы анализа позволяют решить проблемы, связанные со сложными энергетическими системами, которые не могут быть решены методами традиционного энергетического анализа. 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.
Объекты применения термоэкономических методов - различные электростанции (в т.ч. парогазовые комбинированного цикла), нефтеперерабатывающие и химические предприятия, сахарные заводы, электростанции-опреснители, ТЭЦ и т.д..
В целом данный метод весьма эффективен, однако его объективность ставится автором этой работы под сомнение в силу того обстоятельства, что стоимости единиц эксергии каждого вида энергии принимаются равными между собой. Это, по мнению автора данной работы, подрывает положение, устанавливаемое вторым началом термодинамики о компенсации преобразования различных форм энергии. В качестве подтверждения высказанного сомнения можно привести пример, когда изменение энергетических запросов внешнего потребителя в какой-либо форме энергии приводит к неэффективности дальнейшего функционирования производителя энергии в рамках прежних отпускных цен. Данное противоречие устраняется путём расчёта стоимостей единицы эксергии всех форм энергии, на основе предложенных в пятой главе дополнительных уравнений. Суть этих дополнительных уравнений сводится к приведению стоимостей единицы эксергии различных форм к стоимости единицы эксергии одной, наиболее ценной формы, например, электрической.
Именно эти три этапа легли в основу создания единой методики термодинамической оптимизации технических систем, изложенной в работе [4]. В качестве подхода к созданию совершенных и совершенствованию существующих машин эксергетический метод и пинч-технология долгое время, рядом отечественных и зарубежных учёных воспринимаются антагонистически. Особенно это характерно для специалистов в области эксергетического анализа, считающих, что все основные выводы пинч-анализа можно получить из эксергетических функций.
Отметим, что эксергетический метод действительно является более широким и проработанным инструментом в плане примене-
ния, однако это не снижает ценности пинч-анализа, так как в отдельных случаях, особенно при большом количестве теплоисточников, не решает вопроса о наилучшем конструктивном решении интеграции тепловых процессов. Действительно пинч-технология имеет существенную проработку в приложении лишь к тепловым процессам и не касается совершенства отдельных элементов системы. Кроме того, при малом числе теплоисточников оптимальное решение по интеграции тепловых процессов является очевидным и не требует применения сложных инструментов для анализа. Например, применение пинч-технологии весьма затруднительно для рассмотрения обычного теплового двигателя, где количество тепловых потоков мало, абсолютное их значение невелико, а капитальные затраты на реконструкцию сопоставимы с экономией от реконструкции. В этом случае возможности эксергетического подхода имеют более широкие применения, так как указывают ещё пути снижения потерь работоспособности за счёт неравновесности процессов
[4].
Однако если речь идёт о сложной энерготехнологической системе, то в плане структурной оптимизации позиции эксергетического метода на сегодняшний день весьма слабы. С позиций эксергетического подхода действительно возможно сравнивать различные варианты структурного решения, однако, без чёткого указания на пути улучшения структуры системы [13]. Кроме того, пинч-технология способна оперировать вместо потоков теплоты также потоками эксергии. Это хотя и создаёт дополнительные сложности, но они вполне преодолимы. То есть пинч-метод способен интегрировать в себя эксергетический анализ [14].
Таким образом методика совершенствования технических систем должна быть основана не на базе какого-либо метода, а на базе решения частных задач теми методами, которые наилучшим образом для этого применимы. В работе [4] рассматриваются вопросы, решение которых недостаточно хорошо исследовано на основе обоих перечисленных методов, несмотря на то, что такие попытки имели место (например интеграция нестационарных потоков).
Литература
1. Гайдук В.И., Повышение конкурентоспособности производства продукции животноводства. / Гайдук В.И., Воронов С.С. // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2004. - №1. - С. 56-59.
2. Лепеш Г.В. системах жизнеобеспечения зданий и сооружений/ Г.В. Лепеш. -СПб.:Изд-во СПбГЭУ, 2014. - 437 с.
3. Parlak, The Effect of Heat Transfer on Performance of the Diesel Cycle and Exergy of The Exhaust Gas Stream In a LHR Diesel Engine at the Optimum Injection Timing, Energy Conversion and Management. - 2005. -№46(2). 167-179.
4. Агапов Д. С. Структурная и параметрическая оптимизация систем промышленного теплотехнического и технологического оборудования./ диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук.// 05.14.04 — «Промышленная теплоэнергетика». СПб. 2016. - 344 с
5. Lazzaretto, A., Tsatsaronis, G., On the calculation of efficiencies and costs in thermal systems, In: Proceedings of the ASME Advanced Energy Systems Division, AES. - 1999. - Vol.39.
6. Reddy BV, Ramkiran G, Kumar KA, Nag PK. Exergy analysis of a waste heat recovery steam generator. Int J Heat Mass Transf. - 2002. -№45. 1807-1814.
7. Lozano, M.A. and Valero. A Theory of the exergetic cost, Energy - The International Journal. - 1993. -№18. 939-960.
8. Bejan A. Entropy generation minimization. The new thermodynamics of finite-siz devices and finite-time processes. AppL. Phys. - 1996. №79. 1191-1218.
9. Bejan A. Fundamentals of exergy analysis, entropy generation minimization, and the generation of flow architecture. Int J Energ Res. - 2002. - №26(7). 545-565.
10. Linhoff, B. and Alanis, F.J. Integration of a New Process Into an Existing Site: A Case Study in the Application of Pinch Technology, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, ASME Transactions. - 1991. - Vol. 113, pp. 159-169.
11. Kemp, I. C. Some Aspects of the Practical Application of Pinch Technology Methods. Transactions of the Institute of Chemical Engineers, Part A - 1991. - №69 nov, pp. 471-479.
12. Durmayaz A, Sogut OS, Sahin B, Yavuz H. Optimization of thermal systems based on finite-time thermodynamics and thermoeconomics. Progr Energ. Combust Sci - 2004. - №30. 175-217.
13. Bourhis, G., Leduc, P. Energy and exergy balances for modern diesel and gasoline engines. Oil & Gas Science and Technology. - 2010. Rev. IFP, - Vol. 65, - №. 1, рр. 39-46.
14. Смит Р., Клемеш Й., Товажнянский Л. Л. Основы интеграции тепловых процессов. - Харьков: НТУ «ХПИ». - 2000. - 458 с.
15. Gaggioli, R.A., Sama, D.A., Qian, S. and El-Sayed, Y.M. Integration of a new process into an existing site: A case study in the application of exergy analysis. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. - 1991. - №113(2), 170-180.
