научная статья по теме ЭКСЕРГОЭКОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ Комплексное изучение отдельных стран и регионов

Текст научной статьи на тему «ЭКСЕРГОЭКОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ»

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.

Показать целиком