Статья поступила в редакцию 18.10.13. Ред. рег. № 1826
The article has entered in publishing office 18.10.13. Ed. reg. No. 1826
УДК 658.264:621.577
ЭКСЕРГОЭКОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
А. С. Кириченко
Кубанский государственный аграрный университет 350044 Краснодар, ул. Калинина, д. 13 Тел.: (861) 221-58-54, e-mail: energyksau@mail.ru
Заключение совета рецензентов: 23.10.13 Заключение совета экспертов: 28.10.13 Принято к публикации: 03.11.13
Представлен эксергоэкономический анализ энергетической системы - солнечной теплонасосной. Рассматривается универсальность эксергетического метода, позволяющего оценивать запасы и потери всех видов, входящие в баланс любой энерготехнологической системы, при посредстве единого критерия эффективности. Говорится о важной особенности эксергетического метода - связях между эксергетическими и технико-экономическими характеристиками энергетических систем.
Ключевые слова: эксергия, эксергоэкономический метод, оптимизация, критерий эффективности, эксергетический КПД, солнечная теплонасосная установка, энергетическая система.
EXERGOECONOMIC ANALYSIS OF ENERGETIC SYSTEM
A.S. Kirichenko
Kuban State Agrarian University 13 Kalinina str., Krasnodar, 350044, Russia Tel.: (861) 221-58-54, e-mail: energyksau@mail.ru
Referred: 23.10.13 Expertise: 28.10.13 Accepted: 03.11.13
There was presented the exergoeconomic analysis of energetic system - solar heat pumping. Versatility of exergetic method allowing to assess reserves and losses of all types entering the balance of any energetic-technological system by means of single criteria of effectiveness is considered. It is spoken about important peculiarities of exergetic method - connections between exergetic and technical-economic characteristics of energetic systems.
Keywords: exergia, exergetic economic method, optimization, effectiveness criterion, exergetic CE, solar heat pumping installation, energetic system.
Анна Сергеевна Кириченко
Сведения об авторе: аспирант Кубанского гос. аграрного университета. Основной круг научных интересов: энергосбережение естественных ресурсов при использовании нетрадиционных и возобновляемых источников энергии в агропромышленном комплексе.
Публикации: 10.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 15 (137) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
В последние годы в энергетике, теплотехнике и теплотехнологии, химической технологии и ряде других областей широко применяется новый метод термодинамического анализа - эксергетический [1, 2].
В отличие от ранее применявшихся методов термодинамического анализа в эксергетическом методе учитывается не только количество, но и качество потоков эксергии, что ставит этот метод на первое место по своей объективности.
Метод математического моделирования приложен к решению задачи анализа и оптимизации наиболее сложной гелиоустановки - солнечно-теплона-сосной системы с сезонным аккумулированием (СТНССА), которая характеризуется большим количеством внутренних и внешних связей.
Поскольку в солнечно-теплонасосных системах с сезонным аккумулированием в качестве «источника работы» наряду с солнцем выступает, как правило, электроэнергия, то объективная термодинамическая оценка таких систем представляется крайне важной.
Особенностью эксергетического метода является универсальность, связанная с тем, что использование эксергии позволяет оценивать запасы и потоки энергии всех видов, входящие в баланс любой энерготехнологической системы, посредством единого критерия эффективности. Этому методу присуща также простота и наглядность способов анализа и расчета.
Второй весьма важной особенностью эксергети-ческого метода является связь между эксергетиче-скими и технико-экономическими характеристиками систем. Экономические исследования на базе эксер-гии охватывают широкий круг вопросов от оптимизации тарифов на энергию до цен на машины и установки [3, 4]. Такой метод, в отличие от технико-экономического, получил название термоэкономического [5].
Применение эксергии, учитывая ее связь с экономикой, позволяет сравнительно просто и однозначно решить еще один важный вопрос - выбор критерия эффективности при оценке и оптимизации СТНССА [2, 6-8].
Все сказанное приводит к выводу о перспективности использования эксергии и эксергетических функций (потерь эксергии, эксергетических КПД, степени термодинамического совершенства) в создании единой теории и обобщенных методов математического моделирования в задачах синтеза и оптимизации СТНССА [2].
Уравнения эксергетического баланса основаны на совместном использовании первого и второго законов термодинамики и по существу выражают принципы убывания эксергии изолированной системы при протекании в ней необратимых процессов.
Оптимизация любой энергетической системы означает вариацию структуры и параметров с целью минимизации капитальных и эксплуатационных затрат при соответствующих ресурсных и технических ограничениях, обеспечение защиты окружающей среды, создание условий эксплуатационной надеж-
ности и невысокой стоимости ремонта. Этим требованиям в значительной степени соответствует эксер-гоэкономический метод оптимизации, который получил развитие и признание в последней четверти XX века [2, 7-12]. Существенно то, что данный метод позволяет дать как энергетическую, так и экономическую оценку [13, 14] рассматриваемых систем в их взаимозависимости. При общей постановке задача оптимизации решается следующим образом [10, 11].
Рассмотрим энергетическую систему, которая состоит из п элементов различных т параметров. Система однородна и расположена линейно. Задача оптимизации заключается в таком распределении греющих потоков С = (Сь С2, ..., С, Сп), чтобы суммарные термоэнергетические затраты в системе были минимальными:
X z =х
min
2 '
(1)
где - термоэлектрические затраты на i-м компоненте системы.
1 2 i n
Рис. 1. Линейная энергетическая схема Fig. 1. Linear energetic scheme
Рассмотрим множество возможных термоэлектрических затрат в системе (рис. 1) [2, 7]:
г}; р = 1,2,...,к; 1р = 1,2,...,[п-(р-1)]. (2)
Множество 2 {Zi(pp~>} можно разбить на к подмножеств. На каждом промежуточном этапе р необходимо выбрать такой поток С, для которого
zi(;) е z {)}.
(3)
Для выполнения условий оптимизации необходимо найти такой путь потоков совместимости
С = (Со(0), С,..., СГ, С^), (4)
для которого
2^ = 2 тП; 1Р = 1,2,...[п - (р -1)], (5)
где 2^ - минимальные термоэнергетические затраты для этапа р.
Алгоритм Беллмана - Калаба, в основу которого положен анализ матриц смежности, позволяет найти оптимальный вариант решения.
Эксергоэкономика обладает специфической терминологией [2, 8].
- е -
"✓/ЦС" чг
э о т
з CL
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 15 (137) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Под топливом понимается любой эксергетиче-ский поток, входящий в компонент. Особый случай представляет компонент, в котором топливом компонента является топливо для всей системы.
Продукт - поток, который направляется из рассматриваемого компонента в следующий, для которого он будет являться топливом.
Деструкция энергии - дополнительная имеющаяся работа (полученная или затраченная) для производства дополнительного эффекта по сравнению с теоретическим.
Потери эксергии определяются по условиям взаимодействия компонента (системы) с окружающей средой.
Эксергетическая оценка проводится на уровне компонентов системы с использованием следующих критериев для ^-компонента. Из эксергетического анализа известно:
- Епк. - абсолютная деструкция эксергии:
fk =
z + C
F .K
((
+ F
d.k 1 L.K
r
(15)
Значение СРкК зависит от относительного положения компонента системы и его взаимосвязи с предыдущими и последующими компонентами.
Когда соответствующие функции цены установлены, цена оптимальной энергетической эффективности е°пт для к-го компонента приблизительно определяется как
(16)
1+F
при
F- =
(ß + У- )В"
Tc E
f jf —' d ir
Л1/ ("k +1)
(17)
Ed K — Ef K - Ep K - Et ,
- eK - эксергетическая эффективность:
p = EP.K = 1 _ ed.k. el.k . p K = = 1
E
E
- Уо.к. - относительная деструкция эксергии:
yD.K = ED.K. /EF.tot •
Критерии эксергоэкономического анализа:
- цена эксергии топлива:
СF .K = СF K IEF .K ;
- цена эксергии продукта:
CP.K = CP.K / EP. K ;
- цена, связанная с деструкцией эксергии:
С = С E
D.K F .K D.K ■
- цена, связанная с потерями эксергии:
С = С E
L.K F .K L.K
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
(11)
(12)
где в - фактор восстановления капитала; ук - коэффициент, учитывающий фиксированную часть эксплуатационных затрат и затрат на обслуживание, которые зависят от капитальных инвестиций, ассоциированных с К-м компонентом; Вк, пк и тк - постоянные, которые используются для определения функций £к и ЕР.К, т - среднее годовое время эксплуатации системы при номинальной производительности.
Эксергоэкономический анализ и оценка указывают и сравнивают реальные источники стоимости в системе, определяют оптимальную стоимость, по которой проходит каждый поток продукта.
Стоимость эксплуатации энергопреобразующей системы логически определяется, д.е./кВт:
Z — ZC1 — Zfue1 +Z°M.
(18)
Экономическая модель настоящей эксергопреоб-разующей системы представляет общее решение системы уравнений:
- капитальные (инвестиционные) затраты системы, д.е./кВт:
ZC1 = aa/t ;
(19)
- цена капитальных затрат Iе ;
- цена эксплуатации и обслуживания ;
- сумма двух последних составляющих 2К:
<7 _ I rj°M
ZK — ZK + ZK
(13)
для каждого элемента системы:
Za = aKx"K (1 -b)y/Nk ;
(20)
- затраты на начальную энергию для функционирования системы, д.е./кВт:
относительная разница цен:
1 -е„
C _ C
^ p.k F .к
Cf
C E
F .K^P.K
- эксергоэкономический фактор:
(14)
zfue1 = wcF ; (21)
- стоимость эксплуатации и обслуживания, д.е./кВт:
ZОМ = d + b/tA ;
(22)
z
k
Г =
k
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 15 (137) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
- амортизационные отчисления, д.е./кВт:
fl = qKL-q) fi+i+rCP 100
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.