Лисиенко Ресурсы и факторы управления в енергосбережении 2011

связи слагаемых в формуле (7.33) от величин ηи оптимальное значение последней может быть определено прямым дифференцированием этих слагаемых по ηи с использованием правила Лопиталя.

Рис. 7.8. Зависимость критерия оптимизации I от прямого теплообменного КПД ηи (Т – топливо; Э – экология; К – капитальные затраты)

При конкретных решениях следует учитывать, что величина коэффициента Ас полностью определяется стоимостью применяемых топлив для получения химических реагентов или нагрева и их теплотой сгорания.

Для определения стоимостного весового коэффициента Вс необходимо иметь данные о стоимости капитальных и эксплуатационных затрат, пропорциональных поверхности реагирования и приходящихся на 1 м2 этой поверхности.

Пример расчета зависимости оптимального значения прямого

	теплообменного КПД ηи = ηи оpt по отношению l =							AΣ	представлен
								B
	на рис. 7.9. Здесь величины:
		C	c	ν	вр.выб
	AΣ = Ac bт 1 +						; В = K = Вс F.
			Ас bт

Как следует из рисунка, с превышением энергетических и экологических затрат над капитальными затратами величина ηи оpt, в общем случае характеризующая именно топливную составляю-

161

щую, увеличивается для схем теплообмена как противотока, так и прямотока.

Рис. 7.9 Зависимость оптимального прямого теплообменного КПД ηиоpt от отношения комплексных весовых коэффициентов l =AΣ /B при разных отношениях теплоемкостей потоков W1/ W2 – при отсутствии автогенерации (кривые а, б – при наличии автогенерации); противоток, θи = 1 и νи=1,8 и 1,5 соответственно; сплошные линии – противоток, пунктир – прямоток

Взаключение отметим, что важнейшие магистральные направления при оценке методов наиболее эффективного использования энергоресурсов таковы:

1.Разработка и выбор технологических процессов, обеспечивающих наименьшую энергоемкость конечной продукции, естественно, при требуемом объеме и потребительских свойствах этой продукции (см. гл. 8).

2.Повышение эффективности тепловой работы энерготехнологических агрегатов и интенсификация процессов теплообмена.

3.Обеспечение первоочередной экономии наиболее дефицитных видов топлива (например, металлургического кокса).

4.Обеспечение улучшения экологической обстановки.

Всоответствии со спецификой отраслей промышленности, меняющейся конъюнктурой производства и потребления продукции, на первый план может выходить то или иное направление, опреде-

162

ляющее на данном этапе главные магистральные пути технологического процесса в области использования энергоресурсов. Однако, задача повышения эффективности (КПД) процессов и минимизация приведенных затрат (с учетом экологической составляющей) всегда будет являться одной из основных, фундаментальных задач энергоэкологосбережения.

Библиографический список к главе 7

1.Лисиенко В. Г., Щелоков Я.М., Ладыгичев М.Г. Хрестоматия энергосбережения. Справочное издание в 2-х книгах / Под ред. В.Г. Лисиенко. М.: Теплоэнергетик. 2002.

2.Лисиенко В.Г., Щелоков Я. М., Ладыгичев М.Г. Сооружение промышленных печей. Проектирование плавильных комплексов: Справочное издание. Кн. 1. Т. 1. / Под ред. В.Г. Лисиенко. М.: Теплотехник. 2006.

3.Лисиенко В.Г. Совершенствование и повышение эффективности энерготехнологий и производств. / В сб.: Интегрированный энергоэкологический анализ. Теория и практика. В 2-х томах. Т1. Теоретические основы энергоэкологоэффективности. М.: Теплотехник. 2010.

4.Горелов В.И., Карелова О.Л. Математическое моделирование в экологии: учебное пособие. М.: Изд-во РУДН, 2000.

5.Цымбал В.П. Математическое моделирование сложных систем в металлургии: Учебник для вузов. М.: Изд. объединение «Российские университеты»; Кемерово: Кузбассвузиздат – АСТШ, 2006.

Контрольные вопросы к главе 7

1.Какие схемы теплообмена существуют?

2.Что такое режим тепломассообменного управления?

3.Каковы основные параметры, влияющие на тепловой КПД?

4.Каковы основные параметры, влияющие на оптимальное значение прямого теплообменного КПД?

5.Каковы основные составляющие комплексного критерия оптимальности?

163

Глава 8. СКВОЗНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ

ИЭНЕРГО-ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

8.1.Сквозной энерго-экологический анализ (СЭЭА)

Методика сквозного энергетического анализа была предложена в 1980-х годах в работах УГТУ-УПИ (В.Г. Лисиенко) и Уралэнергочермета (С.Е. Розин, Я.М. Щелоков) и была названа методикой расчёта технологических топливных чисел (ТТЧ). Эта методика позволяет рассчитать сквозные суммарные энергоёмкости технологического продукта с целью повышения интегрального показателя использования топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) за счет экономии конечной энергии, зависящей от улучшения качества и надёжности продукции, совершенствования и создания новых технологий, изменения структуры производственных процессов и смежных технологий и отраслей, снижения материалоёмкости и потерь энергии, увеличения использования вторичных материальных, энергетических ресурсов и др. Методика имеет ряд существенных особенностей, позволяющих достаточно объективно проводить энергетический анализ или анализ эффективности использования энергии в процессе.

Основные из этих особенностей:

1.Введение технологического топливного числа ТТЧ как основной энергетической характеристики технологического процесса

иготового изделия, которое должно указываться в паспорте (сертификате) изделия и учитываться в дальнейших переделах.

2.Рассмотрение в каждом процессе трёх форм энергозатрат, различающихся по технологии получения, потребления и подходу к их экономии: первичная, производная и скрытая (овеществлённая) энергия.

3.Признание не только полной равноправности всех видов энергоносителей и всех форм потребления энергии, но и необходимости их учёта во всех формах энергоёмкости готовой (конечной) продукции (технологическое топливное число, коэффициенты полных или комплексных затрат энергии и т.д.). При этом учёт относительной эффективности того или иного вида энергоносителя

164

проводится, как правило, по фактическому расходному коэффициенту в данной технологии.

4.Последовательное сквозное применение ТТЧ, начиная с добычи топлива или сырья (получение гидроили атомной энергии) до конечного рассматриваемого продукта.

5.Использование в качестве средства анализа разработки на основе общей методологии индивидуальных методик расчёта ТТЧ (вместо индивидуальных норм расхода топлива) по всем рассматриваемым технологиям (производствам, переделам, отраслям, регионам), учитывающих все связи и опосредствования.

6.Одновременное изучение и оптимизация всех существенных факторов, влияющих на использование энергии в технологическом процессе (технология, оборудование, сырьевые материалы, качество ремонтов, организация производства, лимитирующие звенья, энергоносители, автоматика, режимы использования энергоресурсов и их учёт, квалификация персонала и т.д.).

7.Признание иерархии ТТЧ от расхода отдельного вида энергоносителя в начале технологической цепи до удельной валового внутреннего продукта.

8.Учёт энергии вторичных ресурсов по экономии энергии, которая получается при их использовании хозяйствующими субъектами.

9.Учёт потребительской ценности изделия. При этом ТТЧ может быть отнесено на единицу изделия или единицу потребительской ценности изделия.

10.Использование и стыковка всех известных методов анализа – энергетических (расчеты энергозатрат), экономических (расчеты переноса энергозатрат на продукцию), технологических (разработка и проверка вариантов технологий) и др.

11.Отыскание и первоочередное разрешение проблем лимитирующих звеньев технологической цепи, то есть решение вопросов для достижения максимального эффекта.

12.Применение метода последовательных приближений при расчете ТТЧ в циклически замкнутых процессах.

13.Использование диалектических методов разрешения противоречий производственных процессов и требований потребителя с учетом иерархии ТТЧ.

165

Метод сквозного энергоэкологического анализа (СЭЭА) используется для расчета сквозных энергозатрат на процесс с учетом эко- лого-экономического ущерба от вредных выбросов.

Для этого метода характерны следующие положения:

1.Сквозная оценка энергозатрат и эколого-экономического ущерба от вредных выбросов по всей технологической цепочке при производстве какого-либо продукта.

2.Отнесение суммы оценки энергозатрат и эколого-эко- номического ущерба от вредных выбросов к единице продукции: кг у.т./ед.прод. (1 кг у.т. = 7000 ккал = 29,3 МДж); МДж/ед.прод.,

кВт ч/ед.прод.

3. Взаимосвязь энергозатрат и величин экономического ущерба, наносимого окружающей среде вредными выбросами.

Основной показатель энергетического анализа – ТТЧ (технологическое топливное число).

ТТЧ – это суммарные расходы всех видов энергии в данном и во всех предшествующих производствах технологического процесса за вычетом энергозатрат параллельно полученных продуктов (вторичных энергоресурсов – ВЭР): тепловых, топливных, материальных и других вторичных энергоресурсов. ТТЧ отражает объективные энергетические затраты технологического процесса, является показателем сквозной энергоемкости готовой продукции, что указывает на необходимость его внесения в паспорт (сертификат) изделия. Для удобства и наглядности при сравнении технологические топливные числа могут представлять в единицах условного топлива на единицу продукции.

Основной показатель экологического анализа – ТЭЧ (технологическое экологическое число).

ТЭЧ – это показатель оценки экономического ущерба, причиняемого загрязнением окружающей среды по всей технологической цепочке. Он определяется как величина энергозатрат, необходимая для погашения стоимости экологического ущерба от вредных выбросов на единицу выпускаемой продукции (кг у.т./ед.прод.).

Всвязи с принятым единообразием размерностей величин ТТЧ

иТЭЧ, которые определяются в одинаковых единицах энергии, для проведения комплексного СЭЭА введено понятие технологи-

166

ческого толивно-экологического числа (ТТЭЧ), равного сумме ТТЧ и ТЭЧ:

ТТЭЧ = ТТЧ + ТЭЧ,

(8.1)

являющегося итоговой оценкой энергоэкологических затрат для производства продукции в кг у.т./т продукции.

Для определения ТТЭЧ могут быть использованы две методики

вразработке УГТУ-УПИ и Уралэнергочермета:

1)структурированная;

2)диссипативная.

8.2. Структурированная методика СЭЭА

Структурированная методика СЭЭА базируется на выделении в рамках технологического процесса следующих составляющих энергозатрат и вредных выбросов (рис. 8.1):

1)первичная энергия Э1 и первичные выбросы В1;

2)производная энергия Э2 и производные выбросы В2;

3)скрытая энергия Э3 и скрытые выбросы В3;

4)энергия вторичных ресурсов Э4 и выбросы от вторичных ресурсов В4.

В этом случае величины ТТЧ и ТЭЧ определяются по форму-

лам:

ТТЧ = Э1 + Э2 + Э3 – Э4;	(8.2)
ТЭЧ = Kв (1 + В2 + В3 – В4),	(8.3)

где Kв – условный ценовой коэффициент, который характеризует степень компенсации экологического ущерба в кг у.т. при действующем соотношении цен на условное топливо и платы предприятия за условные выбросы, кг у. т./т у. выбр.

Дадим определения отдельным составляющим ТТЧ и ТЭЧ. Первичная энергия Э1 – химическая энергия ископаемого топ-

лива (кг у. т./ед. продукции), а также затраты на добычу, подготовку или обогащение, на транспортировку топлива и др.

Первичные вредные выбросы В1 – это локальные выбросы, об-

разующиеся в данном процессе технологического звена при сжигании топлива, а также выбросы, связанные с добычей, подготовкой и транспортировкой топлива.

167

168

Рис. 8.1. Структура технологического топливного числа

При этом

Э1 = ∑ТТЧтоп ϕт ,	(8.4)
n

где φт – удельный расход топлива, единица топлива / единица готовой продукции; n – число отдельных видов топлива;

ТТЧ	топ	= QP + ТТЧ	доб	+ ТТЧ	под	+ ТТЧ	тр	,	(8.5)
		н

где QнP – низшая теплота сгорания рабочего топлива; ТТЧтоп,

ТТЧдоб, ТТЧпод, ТТЧтр – соответственно технологические топливные числа топлива в целом, его добычи, подготовки и транспортировки, кг у. т./ед. топлива;

В =

1

(ТЭЧ

+ ТЭЧ

+ ТЭЧ

+ ТЭЧ

) ϕ

,

(8.6)

топ

доб

под

тр

1

Kв

т

где ТЭЧтоп, ТЭЧдоб, ТЭЧпод, ТЭЧтр – технологические экологические числа, связанные со сжиганием, добычей, подготовкой и транспор-

тировкой топлива, кг у. т. на единицу топлива.

Производная энергия Э2 – энергия производных энергоносителей (например, тепловой энергии, электроэнергии, пара, сжатого воздуха, кислорода, воды и т.п.). Определяющей величиной в затратах на эту форму энергии является удельный расход первичной энергии на производство конкретного энергоносителя (кВт·ч электроэнергии, 1000 м3 кислорода, кДж тепловой энергии и т.д.).

Производные вредные выбросы В2 образуются при производ-

стве энергоносителей, необходимых для протекания данного процесса:

Э2	= ТТЧтэϕтэ + ТТЧпϕп + ТТЧэлϕэл + ТТЧс.вϕсв	+	(8.7)
	+ ТТЧксϕкс + ТТЧвϕв,

где ТТЧтэ, ТТЧп,ТТЧэл,ТТЧс.в, ТТЧкс,ТТЧв – технологические

топливные числа, соответственно, теплоэнергии, пара, электроэнергии, сжатого воздуха, кислорода, воды и т. д., кг у.т./ед. энергоносителя; ϕтэ,ϕп ,ϕэл ,ϕс.в ,ϕкс,ϕв – удельные расходы теплоэнергии, пара, электроэнергии, сжатого воздуха, кислорода, воды и т.д., ед. энергоносителя / ед. продукции.

	В2 =	1	∑ТЭЧi ϕi ,	(8.8)
		Kв
			i

169

где ТЭЧi – технологическое экологическое число i-го энергоносителя, являющегося одновременно источником выбросов (электроэнергии, кислорода, сжатого воздуха, дутья и т.д.), кг у. т. на единицу энергоносителя; ϕi – удельные расходные коэффициенты соответствующих энергоносителей, единица энергоносителя на единицу продукции.

Скрытая или овеществлённая энергия Э3 – энергия, израсхо-

дованная в предшествующих технологиях и содержащаяся в скрытом виде в исходных (сырьевых) материалах, оборудовании, капитальных сооружениях данного процесса, а также в операциях по поддержанию оборудования в работоспособном состоянии – ремонты и т.п.

При расчете скрытых вредных выбросов В3 необходимо учитывать выбросы, которые имели место в предыдущих технологических операциях при производстве сырьевых материалов, инструмента, оборудования и других вспомогательных расходов энергии на предыдущих технологических операциях в соответствии с их расходными коэффициентами. Также необходимо учитывать выбросы, образующиеся при производстве энергии, необходимой для пылеочистки отходящих газов на предыдущих технологических операциях с соответствующими расходными коэффициентами.

Э3 = ∑ТТЧcϕc + (ТТЧоб +ТТЧкв ) Ka +ТТЧинKин +
n	, (8.9)
+ТТЧрKр +ТТЧтрKтр +…
где ТТЧс, ТТЧоб, ТТЧкв, ТТЧин, ТТЧр,ТТЧтр –	технологические

топливные числа соответственно сырья, оборудования, капитальных сооружений, инструмента, ремонтов, перевозок и т.д., кг у.т. / соответствующую единицу; ϕс – удельный расход сырья на единицу готовой продукции: Kа , Kин, Kр , Kтр – соответствующие коэф-

фициенты расхода, соответствующая единица / единицу готовой продукции.

Величины коэффициентов определяются по соотношениям:

Ka =	0,15	,	(8.10)
	Bгод

170