В статье авторы проводят анализ на тему эксергетической энергоэффективности с точки зрения экономической выгодности проектирования теплоэнергетических систем.
Ключевые слова: экономия эксергии, органический цикл, период окупаемости.
Учет эксергии важен при решении многих задач, одним из которых является правильная оценка затрат на различные коммунальные услуги, поставляемые либо внешним потребителям, либо предприятиям для осуществления производственных процессов. Другой задачей является не только расчет стоимости конечных продуктов, но и расчет стоимости «энергии» на стыках между различными операциями в технологическом или энергопреобразующем объекте. Эти затраты затем могут быть применены к:
a) инженерным / экономическим решениям, касающимся эксплуатации (и обслуживания) теплосистемы или компонента теплосистемы;
б) технико-экономическим решениям;
в) усовершенствованию проектных концепций и сравнению альтернатив;
г) оптимальному дизайну;
д) экономичному выбору компонентов системы на этапе проектирования системы, либо решению о замене или модернизации.
Эти выводы иллюстрируются результатами четырех тематических исследований, описанных в статье [1].
2. В статье [2] представлена новая область исследований, называемая экономикой эксергии, которая предлагает новый взгляд на вклад энергии в экономический рост. Подход основан на термодинамической концепции полезной эксергии. Вопреки ортодоксальной экономической теории, в этой статье утверждается, что повышение эффективности эксергии является ключевым фактором повышения производительности, а полезная эксергия — ключевым фактором экономического роста. Суммируются теоретические аргументы, лежащие в основе этих утверждений, рассматриваются недавние эмпирические работы в этой области и освещаются некоторые выводы.
3. Целью статьи [3] является определение периода окупаемости эксергетической энергии. Этот период можно использовать для энергоэффективных систем как часть более общей оценки, включающей финансовые аспекты. Для сохранения эксергетики природных ресурсов предпочтительны инвестиции с более коротким эксергетическим сроком окупаемости. Для определения эксергетической экономии энергоэффективных систем использовалась оценка эксергетического жизненного цикла. В качестве примера была выбрана система централизованного теплоснабжения в сочетании с когенерационной установкой на природном газе. Необратимость, имеющая место в течение жизненного цикла системы из-за строительства, эксплуатации, демонтажа и переработки отходов, определяется и сравнивается с домашним центральным отоплением, также основанным на природном газе. Анализ был проведен для четырех альтернативных систем централизованного теплоснабжения. Период окупаемости эксергетической энергии, определяемый как дополнительная вложенная эксергия, разделенная на экономию эксергетической энергии, составляет от 0,07 до 1,2 года. Экономия эксергии в течение жизненного цикла варьируется от 24 % до 49 %, в основном в зависимости от плотности распределительной системы. Кроме того, различия в экономии эксергии связаны с тем, что маломасштабные альтернативы имеют меньшую газовую турбину, которая имеет более низкий эксергетический КПД по сравнению с крупномасштабными проектами. В этом исследовании нет прямой связи между эксергетическим и финансовым сроком окупаемости. Однако период финансовой окупаемости примерно на порядок выше, чем период окупаемости эксергетической. Из этого можно сделать вывод, что системы распределения тепла с эксергетическими периодами окупаемости более одного года имеют неприемлемые финансовые периоды окупаемости.
4. В работе [4] был предложен новый дизайн цикла трех поколений с использованием ресурсов солнечной энергии с использованием Therminol 66 в его параболических тепловых солнечных коллекторах. Солнечные коллекторы поглощают солнечную энергию и передают ее в органический цикл Ренкина (ORC) с рабочими жидкостями н-октана, н-пентана, н-гексана и н-гептана. Потери энергии испарителя органического цикла Ренкина использовались для создания тепловой нагрузки, а энергия конденсатора использовалась для создания охлаждающей нагрузки. В этом исследовании основным нововведением является использование конденсатора органического цикла Ренкина в качестве источника энергии для цикла абсорбционного охлаждения. Также было исследовано влияние различных жидкостей, таких как н-октан, н-гептан, н-пентан и н-гексан, на работу всей системы. Проведена валидация результатов, которая показала приемлемое согласие и подтверждает точность предложенной модели. Коэффициент мощности и коэффициент эксергии цикла были получены равными 32,72 и 23,83 % соответственно. Кроме того, максимальная эксергетическая деструкция предложенной трехгенерационной системы происходит в парогенераторе, генераторе цикла абсорбционного охлаждения и турбине органического цикла Ренкина на 14742 кВт, 3974 кВт и 3374 кВт с процентом эксергетического разрушения 54 %, 15 % и 12 % соответственно. В экономическом аспекте предложенной системы самая высокая стоимость приходится на испаритель абсорбционной холодильной системы — 69,71 доллара в час, а вторая и третья по величине затраты — на ПГРТ и турбину с 32,4 и 30,33 доллара в час, что составляет 41 %, 19 % и 18 % от общей стоимости предлагаемой системы соответственно. Кроме того, результаты показывают, что наибольшие затраты на отходы приходятся на генератор, турбину и теплообменник SHX, которые тратят 6,639, 5,586 и 4,22 доллара в час, что составляет 34 %, 29 % и 22 % от общей стоимости отходов соответственно.
5. В исследовании [5] подробно описан подход к количественной и качественной оценке энергии. Показана необходимость исследования производственных процессов с учетом их работоспособности или эксергии рабочих сред для выявления систем, ухудшающих качество энергоресурсов. Разработанный подход может быть использован для реализации массового и энергетического балансов, а также для определения «термоэкономической» стоимости ТЭЦ.
6. В исследовании [6] изучается эксергетический анализ четырех различных конфигураций подачи в системе многоэтапного опреснения с механическим парокомпрессором (MED-MVC) для определения области эксергетического разрушения в компонентах системы, после чего проводится эксергоэкономическое исследование. Рассматриваются следующие конфигурации: прямая подача (FF), обратная подача (BF), параллельная подача (PF) и параллельная / поперечная подача (PCF). Исходя из анализа, конфигурации PCF и FF требуют меньше работы для достижения равного производства дистиллята по сравнению с двумя другими конфигурациями.
В работе [7] на основе эксергетического анализа теплообмена в теплообменнике и технологического процесса были разработаны два новых эксергетических экономических критерия, которые определяются как общие затраты на единицу скорости теплопередачи для теплообменника и чистая прибыль на единицу скорости рекуперации тепла для теплообменника. Кроме того, применение критериев иллюстрируется оценкой характеристик теплообменников с нисходящим противотоком и перекрестным потоком. Используемые методы и результаты, представленные в этой статье, могут служить руководством для оценки производительности теплообменников.
Системы ORC-CHP (комбинированное производство тепла и электроэнергии на основе органического цикла Ренкина) получили широкое распространение для рекуперации низкопотенциального тепла. В статье [8] оптимизируется и сравнивается экономия как одно из преимуществ системы ORC-CHP. Моделируются и сравниваются три системы ORC-CHP, включая SS (последовательная система), CS (конденсационная система) и SS/CS (последовательная/конденсационная система). Энерго-эксергетико-экономические модели для этих циклов разработаны с использованием генетического алгоритма, производительность системы оптимизирована с учетом максимального коэффициента прибыли от инвестиций (PRI). Результат показывает, что SS / CS имеет наивысшее значение PRI в рассматриваемых рабочих условиях. Согласно результатам экономического анализа, стоимость теплообменников занимает наибольшую долю в трех системах — более 70 %. При эксплуатации в оптимальных рабочих условиях, большая часть энергии источника тепла используется для нагрева возвратной воды, что приводит к тому, что все три системы демонстрируют низкий электрический КПД (менее 0,7 %) и высокий тепловой КПД (более 92 %).
Благодаря поиску решений для снижения потребления энергии и повышения эффективности производства электроэнергии в энергетических циклах, использование отходящего тепла энергетических циклов в системах комбинированного производства может быть полезным подходом. За счет использования бесполезной энергии циклов выработки электроэнергии можно удовлетворить потребности в охлаждении и обогреве. Таким образом, в исследовании [9] представлены энергетические, эксергетические, экономические и экологические оценки новой конфигурации комбинированной системы охлаждения, обогрева и мощности или трехгенерационной системы с паровой турбиной. Эта система включает паровой котел, паровую турбину, теплообменник, абсорбционный чиллер одностороннего действия и насосы. Кроме того, исследуются различные параметры производительности и экологических характеристик, такие как процент снижения эксплуатационных затрат, процент снижения расхода топлива, процент сокращения выбросов загрязняющих веществ, а также экономические и технические вопросы, основанные на различных температурах и давлениях на входе паровой турбины. Кроме того, были исследованы характеристики абсорбционного чиллера при различных условиях эксплуатации. Это исследование показывает, что использование системы CCHP приводит к снижению выбросов углекислого газа на 24,91 %, расхода топлива на 15,83 % и эксплуатационных расходов на 35,34 % по сравнению с традиционными системами. Кроме того, результаты показывают хорошее улучшение общей производительности системы с КПД трех поколений 82,46 %.
В статье [10] был предложен метод эксергетического экономического коэффициента, проанализирована распределенная система электроснабжения когенерации газовых турбин и рассчитаны эксергетические коэффициенты этой системы, а на их основе получен эксергетическо-экономический коэффициент этой системы при различных ценах на природный газ. Результаты показали, что распределенная система энергоснабжения когенерации газовых турбин имеет более высокую тепловую экономию.
Литература:
1. Richard A. Gaggioli, William J. Wepfer; Exergy economics — Energy, 1979.
2. Paul Edward Brockway, Steve Sorrell, Tim Foxon, Jack Miller, New insights into energy consumption and economic growth — Exergy economics, 2018.
3. R. Cornelissen, G. G. Hirs, A.B. K. Lie, P. Van Steenderen, Exergy-economics of a district heating system, 1996.
4. S. A. Fanaee, Reza Kheiri, Ali Edalati-nejad, Maryam Ghodrat; Novel design for tri-generation cycle with Parabolic Trough Collector: An exergy-economic analysis — Thermal Science and Engineering Progress, 2021.
5. F. Chedzhne, V. F. Flores, D. K. Ordones, E. A. Botero; Exergy-economic analysis of heat power plants, 2001.
6. Mohamed L. Elsayed, Osama Mesalhy, Ramy H Mohammed, Louis C. Chow; Performance modeling of MED-MVC systems: Exergy-economic analysis, 2018.
7. Shuangying Wu Yourong Li; Exergy-economic criteria for evaluating heat exchanger performance — Journal of Thermal Science, 2001.
8. Shiyang Teng Meiwei, Wang Huan, Xi Huan Xi Shuqi Wen; Energy, exergy, economic (3E) analysis, optimization and comparison of different ORC based CHP systems for waste heat recovery — Case Studies in Thermal Engineering, 2021.
9. Mahmood Mehregan, Reza Namdarian, Seyed Majid Hashemian, Rahmat Malek, Seyedesmail Hashemi; Energy, exergy, economic, and environmental analyses and optimization of a CCHP system with steam turbine — Energy Science and Engineering, 2021.
10. Fangqin LI, Puyan ZHENG, Jianxing REN, Weiguo PAN, Zhongzhu Qiu, Qunzhi ZHU; Thermal economy analysis on distributed power-supply system of gas turbine cogeneration, 2000.
