Технологические комплексы промышленных предприятий имеют в своем составе агрегаты и установки, потребляющие энергоносители (топливо, тепловую и электрическую энергию) от внешних систем энергообеспечения (ВСЭ), а также внутрипроизводственные энергогенерирующие агрегаты, вырабатывающие энергию различного потенциала. На предприятиях переработки углеводородов – нефти, газа и газового конденсата, в структуре технологической системы (ТС) имеются агрегаты, где вырабатывается топливный газ для собственных нужд основных и вспомогательных процессов, в том числе для выработки энергоносителей. Идеальная модель энергообеспечения таких сложных объектов представляет замкнутый цикл с минимальными потенциалами сторонних источников энергии и минимальными потерями энергоносителей (ЭН).
Разработка рациональных систем энергообеспечения (СЭО) при наличии сложных внутри- и внешнепроизводственных связей с ТС и ВСЭ невозможна без блочно-иерархического структурирования как самого объекта, так и задачи синтеза [1, 2]. Проведенный анализ СЭО энергоемких промышленных комплексов [3, 4] показал, что они имеют ряд сходных с точки зрения математического описания элементов, которые можно представить в модели объекта в виде отдельных, логически законченных блоков, отражающих ту или иную сторону взаимосвязи рассматриваемой системы с ТС и ВСЭ. Расчеты выходных переменных в выделенных блоках осуществляются по автономным программным единицам – модулям, из которых формируется в дальнейшем библиотека программ информационно-аналитической системы (ИАС) текущего и перспективного анализа энергопотребления на предприятии [5]. Одним из элементов ИАС является модуль расчета показателей эффективности энергоснабжения
(МРПЭЭ), предназначенный для укрупненной оценки решений по энергообеспечению ТС, и парадигму которого можно пояснить следующими положениями.
В общем случае ТС предприятия представляется в виде математического оператора – «черного ящика» со скрытыми внутренними связями и с соответствующими входными и выходными параметрами по исходному сырью, получаемой продукции и ЭН, качественные и количественные показатели которых выражаются в одинаковых единицах с определенными внешними уравнениями связи.
На начальном этапе разработки оптимальной СЭО ТС эффективность вариантов оценивается на основе энергетического и эксергетического балансов при различной структуре системы с учетом регенерации энергии и встроенных циклов.
В случае потребления ТС различных ЭН: топлива, электроэнергии, тепловой энергии, холода, в качестве базовой единицы при сравнении вариантов предлагается определять количество условного топлива на уровне добычи. При этом каждый ЭН будет отличаться дифференциальным показателем эффективности, что позволит в дальнейшем рассмотреть различные варианты энергообеспечения и сравнить их на основании единых экономических критериев.
МРПЭЭ имеет блочную структуру, общий вид которой приведен на рисунке, и содержит встроенные модули расчета по отдельным видам ЭН – МР-I, с помощью которых определяются технико-экономические характеристики I-x блоков с учетом системных связей и различных влияющих факторов.
Рисунок. Схема МРПЭЭ
В качестве исходных данных по ТС в зависимости от уровня информационности поставленных задач и степени детализации последующих блоков принимаются в общем случае следующие характеристики: параметры физических потоков – сырья, продуктов и отходов, затраты соответствующих ЭН или мощности энергопотребителей и характерные параметры (температуры, давления, концентрации и т.п.), качественные показатели ТС по экологической безопасности и требованиям к надежности энергообеспечения.
Модуль расчета базовых параметров первичных ЭН (МР-О) также имеет блочную структуру и содержит встроенные модули для определения потребления натурального топлива, электроэнергии, искусственного холода и расчета систем водяного или воздушного охлаждения, в математических описаниях которых использованы как известные зависимости и уравнения связи, так и авторские методики [1, 4]. МР-О может не использоваться в расчетах, если параметры первичных ЭН входят в первый блок исходных данных.
Модули MP-I и MP-J позволяют учесть качество различных форм энергии от первичных источников и вторичных энергогенерирующих установок предприятия. В основу их математических моделей положены фундаментальные уравнения энергетического и эксергетического балансов. Как отмечалось, сопоставление отдельных составляющих энергетического баланса выполняется по единому показателю – удельному расходу условного топлива на получение того или иного вида энергии (топливного эквивалента). Тогда балансовое уравнение потребления и генерации ЭН в пересчете на топливный эквивалент записывается следующим образом:
Оценить различные варианты СЭО ТС можно также по показателям эксергетической эффективности, в частности, по эксергетическому КПД
Поскольку все подводимые ЭН имеют единый источник образования, величину каждого из них можно определить по значению топливного эквивалента bi (bj) или по величине эксергии исходного топлива hехi.
Связь между этими величинами для получения ЭН в виде электрической и тепловой энергии выражается отношениями [6]:
В модулях MP-I и MP-J использованы следующие зависимоси для определения топливных эквивалентов:
Для систем охлаждения специальными хладоносителями, оборотной водой или воздухом (в аппаратах воздушного охлаждения – АВО) расчет топливного эквивалента сводится в конечном итоге к расчету удельного расхода топлива для получения электрической и тепловой энергии.
При использовании в ТС низкотемпературных ЭН в расчетах не рекомендуется игнорировать модуль МР-О, поскольку в данном случае базовые характеристики выбираются более корректно с учетом экологических, климатических, технологических и режимных факторов. Тогда, с учетом выходных параметров МР-О, эквивалентные характеристики MP-I можно определить по следующим уравнениям связи.
Электрическая мощность систем охлаждения с АВО
Значения 
определяются в МР-О (методика расчета приведена в [1, 4]) и являются оптимизирующими параметрами при синтезе СЭО.
Для систем оборотного водоснабжения с отдельно стоящими и секционными вентиляторными градирнями энергопотребление можно оценить по эмпирическому уравнению, полученному на основании экспериментальных данных [1, 4, 9]
Для систем обеспечения специальными хладоносителями в МРПЭЭ предусмотрены варианты их структуры с генераторами холода абсорбционного (АХГ) и компрессионного (КХГ) типов.
При холодоснабжении от КХГ в математической модели соответствующего блока МР-I использованы известные удельные характеристики цикла и эмпирические соотношения и зависимости [1, 4, 6, 10].
Удельные затраты энергии в теоретическом цикле КХГ
Аналогичным образом разработаны математические модели в MP-J для различных видов вторичных ЭН (горючих, тепловых, высокого давления).
Анализ экономической эффективности СЭО выполняется в MP-Q и MP-R в зависимости от направления использования получаемых в ТС вторичных энергоносителей (ВЭН). Базовой методикой расчета являются классические методики определения выхода и экономической эффективности использования ВЭН [11, 12].
При использовании горючих ВЭН в качестве топлива его системная экономия определяется из выражения
При выработке тепловой энергии в утилизационной установке или при непосредственном использовании тепловых ВЭН в виде технологических потоков ТС экономия первичного топлива составит
При энергоснабжении ТС от ТЭЦ использование тепловых ВЭН приводит к уменьшению отбора пара от турбин и, вследствие этого, к снижению экономичности работы ТЭЦ из-за недовыработки электроэнергии на тепловом потреблении. В этом случае экономию топлива за счет утилизации ВЭН определяют с учетом перерасхода топлива на ТЭЦ
При использовании ВЭН для выработки электрической (механической) энергии экономия топлива составит
При комбинированном направлении использования ВЭН и комбинированной схеме энергообеспечения ТС экономия топлива за счет утилизации ВЭН определяется зависимостью
Математические модели МР-R, отражающие регенеративное использование ВЭН, разработаны аналогичным образом и позволяют определить в эквивалентном исчислении экономию топлива и других ЭН.
Технико-экономические расчеты выполняются по укрупненным показателям, в качестве которых приняты годовые затраты в СЭО ТС, включающие эксплуатационные затраты и отчисления от инвестиций на амортизацию, ремонт и обслуживание оборудования.
Разработанные модули реализованы в виде моделирующих программ, объединенных в программный комплекс [13] и ИАС [5]. Модули характеризуются достаточной универсальностью при минимальной степени детализации ТС, обладают свойством расширяемости и могут быть применены как для оптимизации и модернизации СЭО действующих предприятий, так и для вновь проектируемых объектов на стадиях разработки технических предложений и технологического проектирования.
Список литературы
- Долотовский И.В., Ларин Е.А., Долотовская Н.В. Проектирование и оптимизация установок и систем энергетического комплекса промышленных предприятий. – Саратов: «Амирит», 2015. – 336 с.
- Долотовский И.В., Ларин Е.А., Долотовская Н.В. Энергетическая эффективность технологических систем промышленных предприятий. – Саратов: Буква, 2014. – 130 с.
- Ларин Е.А., Долотовский И.В., Долотовская Н.В. Энергетический комплекс газоперерабатывающих предприятий. Системный анализ, моделирование, нормирование. – М.: Энергоатомиздат, 2008. – 440 с.
- Долотовский И.В., Ларин Е.А., Долотовская Н.В. Системный анализ энергетического комплекса предприятий подготовки и переработки газа. – Саратов: Буква, 2014. – 326 с.
- Патент РФ № 2465639. Информационно-аналитическая система нормирования и оптимизации выработки и потребления топлива и энергоносителей на предприятии / И.В. Долотовский, Е.А. Ларин, Н.В. Долотовская. 27.10.2012.
- Эксергетические расчеты технических систем: справ. пособие / В.М. Бродянский, Г.П. Верхивкер, Я.Я. Карчев и др.: под ред. А.А. Долинского, В.М. Бродянского. – Киев: Наук. думка, 1991. – 360 с.
- Коэффициент использования теплоты топлива / Н.Л. Астахов // Энергетик. – 2004. – №3. – С. 29-30.
- РД 34.08.552-95 Методические указания по составлению отчета электростанции и акционерного общества энергетики и электрификации о тепловой экономичности оборудования. – М.: СПО ОРГРЭС, 1995.
- Программный модуль расчета состояний систем оборотного водоснабжения / И.В. Долотовский // Materialy VII Międzynaro-dowej naukowi-praktycznej konferencji «Perspektywiczne opracowania są nauką i technikami – 2011». – Volume 53. Nowoczesne informacyjne technologie. – Przemyśl: Nauka i studia. –str. 32–36.
- Холодогенерирующие установки в системах энергообеспечения предприятий газопереработки / И.В. Долотовский, Е.А. Ларин, Н.В. Долотовская // Евразийский союз ученых (ЕСУ). – 2015. – №4 (13). – С. 152-156.
- Вторичные энергетические ресурсы промышленности СССР / С.П. Сушон, А.Г. Завалко, М.И. Минц. – М.: Энергия, 1978. – 320 с.
- Основные методические положения по планированию использования вторичных энергетических ресурсов. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 59 с.
- Система «Энергоресурс»: программа для ЭВМ № 2010615353 / Е.А. Ларин, И.В. Долотовский, Н.В. Долотовская. 20.08.2010.
Исследование выполнено при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и Фонда поддержки научно-проектной деятельности студентов, аспирантов и молодых ученых «Национальное интеллектуальное развитие» в рамках научного проекта
№ 16-31-00001 «мол_эв_а»[schema type=»book» name=»МОДУЛИ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ СИНТЕЗА РАЦИОНАЛЬНЫХ СИСТЕМ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ» description=»Рассмотрены вопросы формализации задач расчета показателей эффективности систем энергообеспечения промышленных предприятий в виде блочно структурированных модулей. Приведено содержание расчетных модулей и методические положения определения системной экономии топлива синтезированных систем с утилизацией вторичных энергоносителей.» author=»Долотовский Игорь Владимирович, Ушаков Кирилл Геннадиевич» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2016-12-22″ edition=»euroasian-science.ru_25-26.03.2016_3(24)» ebook=»yes» ]