ХАРАКТЕРИСТИКА СИСТЕМ 1 1 Основные понятия и

ХАРАКТЕРИСТИКА СИСТЕМ

1. 1. Основные понятия и определения Любая система производства и распределения энергоносителей (СПРЭ) включает три элемента: • генератор – производящий энергоноситель; • потребитель – использующий энергоноситель в техно-логическом процессе; • коммуникации – выполняющие транспортные функции. Элементная схема СПРЭ

Система производства и распределения энергоносителей Основные элементы: • генератор I, • потребитель II, • коммуникации III. Г 1, Г 2, Г 3 - генераторы; П 1, П 2, П 3 - потребители; ВЭ 1, ВЭ 2, ВЭ 3 – вспомогательные элементы; К 1, К 2, К 3 – коммуникации; С 1, С 2, С 3, С 4 – системы.

1. 2 Требования, предъявляемые к системе, и ее функции 1. Обеспечение потребителей энергоносителем с заданными параметрами по количественным (расход) и качественным (давление, температура, теплоемкость, чистота, влажность и т. д. ) показателям. 2. Обеспечение заданных режимов потребления энергоносителя. При несовпадении режимов генерации и потребления в системе можно использовать: • регулирование параметров у генератора; • аккумулирующие емкости и устройства. 3. Бесперебойность и надежность обеспечения потребителя энергоносителем. Для этого осуществляется дублирование коммуникаций и устанавливается резервное оборудование.

4. Система должна эксплуатироваться с минимальными материальными, энергетическими и эксергетическими потерями. Пример: Имеем одинаковые по величине тепловой поток qт при Тт = 500 К и поток холода qх при Тх = 100 К. Температура окружающей среды Тос = 300 К. Определить эксергию каждого из потоков, являющуюся характеристикой ценности каждого из потоков: qт = 200 к. Дж/кг qх = 200 к. Дж/кг Эксергетическая температурная функция для потоков будет: τет = (500 -300)/500 = 0, 4 τех = (100 -300)/100 = |-2| Значения эксергий для потоков составят: еqт= 0, 4· 200 = 80 к. Дж/кг еqх= 2· 200 = 400 к. Дж/кг В результате расчетов получилось, что поток холода имеет в пять раз большую эксергию, чем равный ему по величине тепловой поток.

1. 2 Требования, предъявляемые к системе и ее функции 5. Соблюдение принципа безотходности или малоотходности путем использования ВЭР как собственной системы в других системах, так и ВЭР других систем. 6. Соответствие систем требованиям техники безопасности, пожарной безопасности, экологии, санитарно-гигиеническим нормам, гражданской и технической эстетики.

Характеристика функций вспомогательных элементов системы 1. Главной функцией является транспортная; 2. Во вспомогательном элементе могут также производиться хранение и резервирование энергоносителя в газгольдерах, резервуарах, хранилищах, реципиентах, жидкостных сосудах; 3. Во вспомогательном элементе может производиться дополнительное изменение свойств энергоносителя по одному или нескольким параметрам; 4. Изменение агрегатного состояния (ожижение или газификация). 5. Дополнительное изменение состава и концентрации энергоносителя, например:

а) смешение горючих газов для получения топлива с заданной теплотворной способностью: Схема смесительного устройства

б) выделение из побочного продукта воздухоразделительной установки (ВРУ) - неоногелиевой смеси - дополнительных товарных продуктов: неона и гелия Схема разделительного устройства

Комплекс СПРЭ металлургического предприятия

На данной схеме обозначено: ДП – доменная печь; К – конвертор; цикл полной М – мартен; переработки П – прокатный цех; металла, начиная СП – цех сортового (специального) проката; от руды СР – сырье (руда); Ч – чугун (полуфабрикат, который может перерабатываться на месте или отпускаться другим потребителям); Ш – шлак; С – сталь конвертерная, может также перерабатываться на месте или отпускаться другим потребителям; СП – специальный прокат (нержавеющая сталь, сталь для кузовов автомобилей); М – мартеновская сталь; ДГ – доменный газ, являющийся горючим ВЭР; Ф – фильтр мокрой очистки дымового газа; Т – топливо; ОВ – обогащенный кислородом воздух (до 30% О 2) для повышения температуры внутри доменной печи; В – вода на охлаждение печи; СВ – станция сжатого воздуха для снабжения техническим воздухом ВРС; ВРС – воздухоразделительная станция. На каждую доменную печь строят свою СВ; ВРС для выработки кислорода – К, азота – А; Н 2 – водородная станция; НВ – насосная станция.

Использование кислорода в мартеновском цехе

Использование кислорода в конвертерном цехе

Схема обработки металла в среде защитного газа

1. 4. Целевые функции и показатели эффективности системы Формально стандартизованными называются параметры, характери- зующиеся довольно значительным разбросом в значениях из-за различ-ного состояния оборудования, обусловленного степенью износа, используемой технологии. К формально стандартизованным показателям относятся: - удельный расход энергии на единицу энергоносителя , - удельный расход энергоносителя на единицу продукции уровнем

1 Удельный расход энергии на единицу энергоносителя где Эi – расход энергии на единицу энергоносителя; Vi – объемный (отнесенный к н. ф. у. ) или массовый расход энергоносителя. Разброс в величине определяется следующими факторами: • типом генератора; • моральной и физической изношенностью машин, а также неправильной их эксплуатацией.

2 Удельный расход энергоносителя на единицу продукции где Vi [м 3/год; м 3/ч] – количество затрачиваемого энергоносителя; Пi [т/год; т/ч] – количество производимой продукции. Расход энергоносителя зависит от технологии производства продукции и задается также в интервале. По удельным показателям определяется общий объем энергоносителя и ведется проектирование систем снабжения.

3 КПД системы 3. 1 Термический КПД парогенератора: Схема определения термического КПД парогенератора С – система; З – затраты; Э – эффект; КП – контрольная поверхность. Для парогенератора термический КПД изменяется в пределах 0<ηt= <1, где Q 1 – положительный эффект системы, в данном случае выработанная электрическая энергия, Qподв – затраты системы в виде тепловой энергии топлива.

3. 2 Эксергетический КПД ТЭЦ: Схема определения эксергетического КПД ТЭЦ Параметры работы ТЭЦ в разных режимах Режим 1 2 Qуст 1000 Т 600 500 N 350 300 В данной таблице: Qуст – установленная мощность, к. Вт; Т – температура вырабатываемого пара, К; N – вырабатываемая мощность, к. Вт; ηt – КПД термический; е – эксергетическая температурная функция; ЕQ– эксергия потока теплоты, к. Вт; ηе – КПД эксергетический. ηt 0, 35 0, 3 е 0, 5 0, 4 ЕQ 500 400 ηе 0, 75

е 1= =0, 5; ЕQ 1= е 1·Qуст1=0, 5· 1000=500 к. Вт; ηе = е 2= =0, 7; =0, 4; ЕQ 2= е 2·Qуст2 =0, 4· 1000=400 к. Вт; ηе = =0, 75. По результатам расчетов получилось, что по термическому КПД 1 -ый режим выгоднее 2 го, но по эксергетическому КПД 2 -ой режим выгоднее, т. к. затрачен энергоноситель с меньшим потенциалом.

3. 3 КПД холодильной установки: Цикл Карно для криогенной установки

Цикл Карно для холодильной установки

Цикл Карно для высокотемпературных холодильных установок КПД эксергетический:

3. 4 КПД компрессора:

При наличии многоцелевой установки Расчетная схема определения КПД многоцелевой установки

КПД системы в общем случае определяется по формуле: где – сумма эксергий энергоносителей, генерируемых в n генераторах; – сумма эксергий ВЭР, производимых системой С и утилизи руемых внешними системами С 1 и С 2; – сумма эксергий приводов, затраченных в генераторах; ЕС 1, С 2 – эксергии потоков, которыми система С обменивается с системами С 1, С 2.

При наличии информации по отдельным участкам КПД системы можно представить в виде: Ø ηс = ηг·ηк·ηп, Ø где ηг – КПД генератора; Ø ηк – КПД коммуникаций; Ø ηп – КПД потребителя. Ø

4 Распределение затрат на производство энергоносителя Схема распределения затрат при производстве нескольких продуктов Определить: 1) какая часть энергии затрачено на производство каждого вида продукции; 2) каковы КПД производства продуктов; 3) каков обобщенный КПД; 4) какова себестоимость капитальных вложений, как начислять амортизационные отчисления. Для решения этой задачи можно использовать 2 метода: • метод исключения затрат; • количественный признак (разностный метод).

Метод исключения затрат Е 1 = е 1·V 1; Е 2 = е 2·V 2. Доля эксергии 1 -го потока 2 -го потока Причем сумма долей m 1 + m 2 = 1. Теперь, зная долю эксергии каждого потока, распределяем все показатели пропорционально этим долям. 1 Доля энергии, затраченной на производство каждого из потоков: Э 1 = m 1·Э; Э 2 = m 2·Э. 2 Формулы для определения КПД получения каждого из потоков: 3 Обобщенный КПД системы: 4 Распределение капитальных затрат по потокам для определения амортизацион-ных отчислений: К 1 = m 1·K; K 2 = m 2·K.

Разностный метод Схема эксергетических потоков в дожимном компрессоре

5 Экономические показатели системы (целевые функции оптимизации) В результате термодинамического анализа определен эксергетический КПД как функция нескольких параметров: η'е = f(х1, х2, …, хn) При других определяющих параметрах х1, х2, …, хn может получиться, что рассчитанный КПД меньше: η'е < η''е Рассмотрим это на примере теплообменного аппарата

Расчетная схема теплообменного аппарата Эксергетические потери передаче теплоты минимальны при минимальной разности температур между теплоносителями (в соответствии с формулой Гюи-Стодолы): ΔЕ = То·ΔS

Эксергетические потери в ТОА Зависимость приведенных затрат в ТОА от разности температур между теплоносителями

В качестве целевой функции оптимизации применяются приведенные затраты: П = Е·К + Э, где Э – текущие (эксплуатационные) затраты; К – капитальные вложения; Е – нормативный коэффициент окупаемости (коэффициент приведения единовременных капитальных вложений к текущим эксплуатационным расходам). Иногда может получаться, что 2 или 3 варианта сопоставимы по величине приведенных затрат. В этих условиях необходимо учитывать: • экологичность системы; • надежность системы; • возможность регулирования режима; • социальные факторы.