автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Исследование энергетических технологий на основе методов термодинамики и теории цепей

Г у П Я

мшгаш наук ссср Ордена Лапипа Сибирское Сгдалеткэ Сибирский зкорготичака« институт -

КАГАНОВИЧ Борис Иоисоеии

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ТЕХПОТОПЯ! ПА ОСНОВЕ ЫЕТОДОВ ТЕГМ0ДШАМШ1 П ТЕОГЮТ ШЛЕЯ

Сгошалыюстъ 05.1а 16 - ТТркм&понга вичисдэтолытоа тохпитси, иэтоизтичоского мов&лироватая и математических ттодоп в пэучяых исслздовзвипх с зшзрготккв).

Диссертация в форме научного доклад-"» на соискапиэ ученой стопэтги доктора техничестотх паук

1!ркутск -1991

УДК 333. 7131 . 001. П7: Б02. 7

Па правах рукописи

?

Работа выполнена в Сибирском энергетическом институте СО All СССР

Официальные оппоненты;

доктор технических наук Воропая Н- И..

доктор физико математических наук, профессор Быков В-И..

доктор технических наук, профессор Ковалъчук А. Б-

Ведущая организация - Институт проблем управления (автоматики и телемеханики) ИАТ АН СССР. г. Москва

Зашита состоится "2.) ( ^_1991 г- в_часов

на заселэнш специализированного совета Д 002.30-01 при СиЗирск.-ч энергетическом институте (664033. Иркутск-33. Лермонтова. 130).

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, проста» присылать по указанному адресу ученому секретарю Совета.

Настоящий доклад разослан " I ^ " _1091 г.

Ученый секретарь специализированного Совета Д 002 30 01. кандидат технических наук ____Тригачкин А-М-

V 1 ' -"I \

ВВЕДЕНИЕ

цая характеристика работы. В настоящем докладе :я результаты работ автора по исследованиям юской. экологической и экономической эффективности ля преобразования, транспорта и использования топлив и вторичных энергоносителей. Описываются предназначенные для выполнения таких исследования математические модели и методы, основанные- на положениях термодинамики и теории цепей. Анализируется накопленный опыт практического тримонения предложенных методов.

Большая часть представленных результатов связана с трогнизированием показателей новых технологий. широкое знвдронто которых можно ожидать за двухтысячным годом.

Доклад составлен по материалам работ, опубликованных в юриод с 1969-го по 1991-ый год и написанных автором на эснова исследований, которые он проводил в Сибирском энергетическом институте (СЭИ) СО АН СССР, сначала в Моратории гидравлических и трубопроводных систем (1965-1979 гт) и затем в лаборатории обоснования направления 1аучно-тохнического прогресса .в энергетике (1980-1988) и лекторе новых топливных технологий (I989-I99I). Из 72 :аучных работ (среди ron 40 почетных) при подготовка доклада юпользованы двадцать.

Актуальность проблемы- Дяя долгосрочного развития шерготиси. бесспорно, важнейшей является задача создания твых технологии и их структур. которые обеспечат ;удаств©нноо сбережение денежных, трудовых, материальных и фиродных ресурсов и будут способствовать предотвращению -розяноя человечеству экологической катастрофы. При атом мпиональный набор направлений развития техники требует 'мения оценивать потенциал совершенствования технологических фошссов на основе их физико-химического анализа.

В теплоэнергетике такой анализ традиционно проводится с гомощыо аппарата классической равновесной термодинамики, [осло Второй мировой воины во многих странах были >азработаны компьютерные программы и вычислительные системы 1ля термодинамического анализа химических процессов

(ГСШИЯ " .8ТЕМ

, J OÍ

рбоадеяг

применительно к различным областям индустрии сжиганию переработке теплив, металлургии. химической промышленности др-

В то жо время выяснилось, что традиционные метод термодинамических исследований но могут быть распространен на ряд важных энергетичэских процессов, в которых полегал продукты образуются но в точке конечного равновесия . а н пути к нему, например гидрирование и пиролиз угля, крокюг но4ггепроду:сгов и другкэ-

Рост количества проблем- с которыми сталкиваете; энергетика на современном этапе развития. предъявляет ковш требования к разносторонности физико-х1мического анализ; технология. Наряду со знанием коэффициента полезной действия остро необходимыми стаиовягся сведения о прошла; экологического совзриенствования; возможностях комбинированного производства нескольких продуктов; разборах опасностей, связанных с эксплуатацией установок в непроектных 1 аварийных условиях-

Отсюда следует актуальность проблемы созданш

принципиально новых термодинамических коделей. которые мог л: бы стать основой для технико-экономического анализ, энергетических технологий с учелйм всея гажкы условия, которым они сегодня долины удовлетворять.

Термодинамические модели теоретически интересно 1 практически важно дополнить моделями. основанными на теорит цзпеа. чте распирит возможности сценки перссективньп способов транспорта энергоносителей. Кроуе того. поскольку теория цепей и термодинамика основаны на одних и тех же общих заковах природа -^сохранения. экстремальности \ равновесия) их совместное использование додано оказать« полезны:.! с точки зрения развития методов анализа физико-химических процэссов-

Цоль исследований: I) создашь иэтоднки оценки эффоктив-ности новых энергетических технологий, которая шпат быть использована при обосновании направленна научно-тохническогс прогресса: экономическом прогнозировании энергетики; разработка программ энергосбережения, охраны природа и

рэЕсгши других крупномасштабных плановых и проектных задач; определения вероятных схем и параметров перспективных технологических установок; 2) применение этой кетодики для исследования конкурирующее технических роптаний в области использования топлив и вторичных энергоносэтелзй. Научная новизна!

- развивается новое научное направлепта в исслэдовэнта энергетических технология. связанное с созданием и пр^'.епзнгям принципиально новых термодинамических и цепных кодэлез;

- аппарат равновесной термодинамики использован для изучения процессов, в которых искомые полезные или вредные вопзстза образуются па нута торходинамичесгсоя системы к равновеста в отличие от работ А. 11. ГсрСапл, Г. С. Яблонского, В. II Быкова и Р. Пинпзрз, которые посвящены определении полных зон термодинамической доступности, в работах авторэ находятся состояния с экстремальными концентрациями искома воярств;

- предложены методы описания потокораспредэлешш в электрических и гидравлических цепях на осноео второго закона термодинамики;

- созданы модели химических процессов в энергетических установках, аналогичные электрическим и гидравлическим цепям;

- на основе анализа универсальных зависимостей козду экономическими и гидродинамическими характеристиками гидравлических сетей исследованы экстремальные свойства оптимизационных моделей рэзвиваацихся и реконструируемых трубопроводных систем и получены оценки сравнительной эффективности транспорта различных энергоносителей;

- с помощью предложенных моделей и кото доз проведен анализ перспектив развития ряда новых технологий переработки и сгигания топлив и систем теплоснаояеиия.

Научная и практическая ценность. Нрйдложепнь» термодинамические и математические модели физико-химическю процессов расииряюгг возможности клзссичоскс:» рчьноаясиоа термодинамика как а огноаонии размеров круг* Tiiw~.vivv.ti. котило удается изучать с помощью ее кс-тодов, т":ч я в етниаонии .-«!ого:раш'.осп* анхгизз. Становится ьоз*о.-.«?м»

описывать па об языке и рассчитывать основные процессы сжигания и переработки органических тошшв и оценивать их продельные энергетические й экологические характеристики. Создана основа для описания ряда сложных процессов гетерогенного катализа.- трансформации вредных веществ в атмосфере и других.

Цепные модели транспорта энергоносителей позволяет обоснованно выбирать методы и алгоритма их оптимизации и анализа режимов работы. Термодинамические гвдравлическиэ и химические цепи должны способствовать дальнейшему разЕотию теории цепей и расширению сюласти ое приложений-

Разработанные математические модзли термодинамических процессов уже нашли широкое применение в научных исследованиях многих лабораторий СЭИ (при обосновании направленна НТП в энергетике, исследовании экологических характеристик теплоэнергетических установок и при анализе экстремальных моделей трубопроводных систем) и Тувинского комплексного отдела Сибирского отдаления ЛН СССР. а также на предприятиях химической и нефтеперерабатывающей промышленности при совершенствовании режимов эксплуатации реакторов.

Эти модели положены в основу читаемого на химическом факультете Иркутского государственного униворситета курса лекцич "Расчеты химических равновесий

Результаты работ в области транспорта энергоносителей использовались в ряде проектных, наладочных и эксплуатационных организация (СО "Атомтепло-злектропроекта". Теплосеть Новосибирскэнерго. Сибтехэнерго. Казэнергоналадка. Иркутскэнерго. Хабаровскэнерго и др. ) при проектировании и наладке ре:кимов работы систем теплоснабжения ряда крупных городов Сибири. Казахстана и Дальнего Востока.

На заботу выносятся следующие результаты работы: I. Модель экстремальных промежуточных состояний термодинамических систем, позволяющая описывать всю непрерывную область возможных условных равновесий при заданном исходном состоянии системы

?, Описзяш по гок-распределения 1.« гмдравличческих и

о

электрических цепях на оснобь» второго закона тормод1ш /"н;а!, пригодное как дм пассивных, так и для активных <с источниками движущих сил) цепэл.

3. Цэпнаи термодинамическая модель химических процессов.

4. Исследование экстремальных свойств непрерывных и дискретных оптимизационных модолэа трубопроводных сото Л.

5. Анализ математических особенностоа задачи оценки эффективности комбинированных технология.

6. Развитие общей методики оценки энергетической, экологической и экономической эффективности нопнх технология преобразования и транспорта энергоносителей на основе положения термодинамики и теории дотаа.

'{. Результаты исследовании технологий переработки и сжигания угля и нофгги и транспорта энергии горячей водой и другими ЭНЭрГОНОСИТбЛЛМИ.

• Личный вклад автора. Описываемые тормодатачическка исследовании проводились под руководством автора в СЭИ сначала в лаборатории научко-тохиичоского прогрэсса в энергетике и затем в секторе новых топливных технологий, которым он заведует с коля 1380г. При создании модели промежуточных состояния автор опирался на теоретические работы советских физико-хкштов Л. Н- Горбзня, Г- С. Яблонского и В. И. Быкова и исследователя из СИЛ Р. Пкнпзра. по сравнении с которыми постановка и анализ проблемы им были изменены применительно к прикладным задачам развития энергетики- ■ ■ • .

В работе над моделями прокежуточных . состояния, и термодинамических химических цепей весьма плодотворным для автора оказалось сотрудничество с Е. Г. Анциферовым, которому принадлежат исследования математических особенностей задач и создание . соответствующих вычислительных алгоритмов. Термодинамическим и технико-экономический анализ топливных технологий и разработка алгоритма .. Прогнозирования их уфективкости проводились совместно с С- П. Филипповым. Полностью автором выполнены физико-химическая .интерпретация моделей промежуточных 'состояния и , термодинамических химических цепей. термодинамическое описание гидравлических

и электрических цэпей. анализ комбинированных технологий.

При исследовании и развитии оптимизационных моделей трубопроводных сетей автор опирался на теорию гидравлических цйгой В. Я- Хасилова и А- П. Маренкова. Целиком автору принадлежат анализ • экстремальных свойств ■ моделей рззьивающихся и реконструируемых .сотой. и мотодика сопоставления эЭДоктивности различных энергоносителей.

Апробация работы. Основные результаты исследования .были представлены--

1) На научных конференциях. совещаниях и соминзрах в СССР; заседании сеюцж теплофикации и централизованного теплоснабяэиия Научного совета ГК СМ СССР по науке и техника (Москва. 1971); республиканской конференции "Перспективы развития теплоснабжения УССР до 1990г. " (Кков. 1973); Всесоюзной конференции по теплофикации (Ленинград. 1974); региональном паучно-пратическом совещании ••Перспективы развития тотгливно-шюрютической базы и объединенной впзргосистеки Сибири" (Новосибирск. 197 У); шетузовском сегашаре по энорготвхнологичосколу использование топлив (Саратов. 1383); Всесоюзном сэшшэро "Систонныэ оцэнки эффективное ш и выбор направлений технического прогресса в энергетика" (Иркутск. 1Ш9); семинаре "Физико-химическая кинетика в газовой динамике" (Москва. Институт механики МГУ. апрель 1937. июнь 1990г.); Всесоюзном семинаре по пяэзмохимии (Москва, институт нефтехимического синтеза АН СССР, февраль 19Ь0г. );

2) на международных конференциях и семинарах: . 6-оя мэвдувародноа конференции по вопросам промышленного энергохозяйства (Варна. 1969); 3-ей международной конференции по централизованному теплоснабжению (Будапешт. 1973); 8-ой международной конференции по промышленной энергетике (Гданьск. 1975) 5-ом советско-японском симпозиуме по проблемам энергетики (Тбилиси. 1984); Международной • конференции по энергетике (Москва. 1987); семинарах по интегрированным энергетическим системам Международного института прикладного системного анализа (Шопрон. Венгрия. 1987. Прага. 1989); 7-ой международной

конференции по водородной энергетика (Москва. 1988); 9-ом международном конгрессе "Энергетика и окружающая средэ" (Майами. США. 1989).

монографиях (одна написана единолично и три в соавторстве) и шестнадцати статьях, опубликованных в советских (десять) и зарубежных (шесть) изданиях. В использованных работах на долю автора приходится более 24 печатных листов. Монография 1171 переиздается в издательстве

Структура докладч . Основное содержание научного доклада изложено в разделах:

1 Развитие общей методики прогнозирования эффективности технологий на основе положений термодинамики и теории цедад,

2 Термодинамические и цепные модели технологачесвд л природных процессов.

3 Применения термодинамических и цепных моделей для решения энергетических задач.

I- Развитие общей методики протезирования эффективности технологий на основе положения термодинамики' и теории !?эпеа

I. Х- Принципы термодинамики и теории цепей - основа для |пенки потенциала совершенствования технология

Систематическое изложение проблемы оценки пределов овершенствования технология дано автором в [II.12.17.{У), рименение для ее решения аппарзта ' термодинамики редставляетоя. естественным. поскольку • тераодияэмдаэ вляется общим учением о превращениях энергии. Т- о- о ревращэниях форм движения материи, опирается нз ундамец-пишныэ законы природа и устанавливает универсальные оотношекия между макроскопическими физическими величинами-ермодиньмически предельшаэ потери энергии нз могут быть

Материалы диссертации опубликованы в 4-х

сокращены или тем более устранены улучшением конструкция оборудования и совершанствованием организации происходящих в нем процессов. В то ш время ограничения, налах-аемые на характеристики технологий законами тепло- и массообмена, гидродинамики, химической кинетики в значительной мере определяются именно • подобными факторами (подбором катализаторов, организацией перемешивания.роз^нтов и т.д. ). Важное достоинство термодинамического анализа'заключается в относительной простоте использования получаемых ограничений. В настоящее время его возможности сильно увеличиваются в связи с прогрессом вычислительной техники ' и методов математического программирования.

Лежанье в основе термодинамики принципы сохранения, экстремальности и равновесия распространяются и на экономические и социальные системы- Это позволяет излагать физико-химический и технико-экономический анализы технология на одном и том же или' сходном языках математических моделей, и становится возможным использовать накопленный в физике опыт при решении проблем экономического описания конкуренции рззличвых технических решений.

Плодотворность применения теории цепей при анализе направления научно-технического прогресса далеко не столь очевидна, как эффективность использования термодинамики. Ведь до сих пор эту теорию применяли при исследовании частных технических задач проектирования и анализа ренинов работы электрических )л гидравлических сетей. Однако теория цопой основывается' на' тех же фундаментальных, универсальных законах природа.- сохранения, экстремальности и равновесия. -что и термодинамика [19.20). Специфика изучаемого объекта и в той и в другой науке учитывается с помощью замьреэвдэго соотношения между переменными (в термодинамика извиваемого уравнением состояния).

Дополнительным ограничением на применимость теории цошй является возможность представления потоков вещества в изучаемом процессе в виде графа. Если эту сложность удается пресдо-леть. то появляется возможность использовать при решении одних и тех же Гфоблем метода, создаваемые в двух

ю

науках, что. бесспорно. долито способствовать повышению результативности исследования. Областью приловеша теории цэпоа при этой можот' стать анализ еэ только систем транспорт:; энергоносителей. но и технология их преобразования.

• Установление математических зависимостей кзжду основтвти законами природы и возможностей выборэ из .них наиболее удобных для решения тся или инея конкретней • задачи принадлежит Лагрзжку. Анализ его творчества с тошен зрения сбсуздаемых в диссертации вопросоз приведен в С.Х7]

Исход-п !,м для исследования кшогочкеленных конкретных проблем в "Аналитической механике " Лагрлн:::а стало уравнение равновесия механических систем, которое кокно записать в вида

Г с С X .Мх + Г X Л а т о

) 1 .J " I > •

£1)

где с^-дойствутщап нэ систему внешняя сила; х-координата; х-неопределенньга множитоль-, - связь; л и ^.-индексы внешних сил и свя?еа соответственно. •

Уже нэ !тр1?.'.эре анализа этого уравнения. кокно показать полезность физико-эконоиическиг аналогия и возможность аналогичного математического описания физических и экономических явлении. Простеаяуа описываемуп с погздью (I) г.»еханическую систему-представляет шдвеЕэнньга на нити груз, находягцшея под действием Еескслькйс сил.. В состоянии равновесия груз не перемещается и суммарная работа внешнйх сил, стремпцихся изменять дегау связи (шгги), равняется нулю. Нулю равны ах и ар (нить но деформируется)..' Неопределенный множитель в данном случае отделяет салу, которая стремится минимизировать изменение длины нити. Такоа силоа является ее натяяэнш. . .

Экономической задачей, описываемой уравнением (I) может слунить распределение ресурсов кьзду конкурирующими технологами. которые должны обеспечить заданные потребности в каких-либо продуктах. Координата х. здэсь 1штерпрстирухггся

АХ

как соответствующие расхода ресурсов, а роль, внешних сш играют денежные затраты с. на J-yю технологию. "Ниточками" ягляптся заданные потребности в продуктах (при- других постановках задач допустимые расхода ресурсов или какие-либо другие ограничения). Множители х4, обычно интерпретируемые в экономических задачах как- даны, объективно обусловленные оценки,- залыкащиэ затрате». соотватствукгг их общему определению /аграннаи как сил. стремящихся уменьшить функции связей. Действительно, именно даны минимизирует изменение длины "ниточки" - разности между погробностью в продукте и его производстве- При избыточном предложении даны падают', вызывая снижение производства, при дефицита продукта растут, стимулируя рост выпуска, и в обоих случаях обеспечивают достихиние равновесного состояния с нулевой деформацией.

Лагранж показал, что если уравненш равновесия означает равенство нулю полного дифференциала какой - либо функции, то решение задачи равновесия соответствует решению экстремальной задачи. Это положение о связи фундаментальных принципов, равновесия и экстремальности стало одним из основных в физике, математической экономика и в теории математического программирования (теорема Куна-Таккэра). Оно может быть использовано для обоснования вьЯорэ моделей при рвшепии и физико-химических, и экономических задач. Например, если экономическая система является равновесной (нэ деградирует и не дареходит на траекторию более интенсивного развития^ то во имитационные модели могут быть зашнени гсгпгоизациокными и их выбор определяется лишь удобствоа и простотой вычислений и подготовки исходной информации и. возможностями интерпретации результатов расчетов.

Вывод Лэгрантом на основе интегрирования уравнения равяорэсия принципа наименьшего действия показал невозможность произвольного выбора критериев оптимизации, их обгвктазчую связь со свойствами рассматриваемой системы и дал физические предпосылки для анализа проблемы МЕогэкритэриэлькссти в экономических исследованиях. Если при анализе кадои - либо экономической или социальной системы нам удастся правильно записать ограничения на загрязнение

природа, качество жизни и км подобные, то согласно Лаграняу с помощью его неопределенных множителей мы мажем сформулировать одаокриторяальную оптимизационную задачу и автоматически привести все слагаемые цэлзвок функции к о.цяоа размерности.

С развитием термодинамики фундаментальные Лаграшмш принципы равновесия, сохранения и экстремальности были распространены на физические системы, в которых имеют место превращения энергии га одной фор^.ы ,в другой. и иа гетерогенные физики-химическиз системы, в которых Ь2:гэт место одновременные превращения энергии и земства и фазовкэ переходы. При этом , закон сохранения энзргш трансформировался в закон е© сохранении и превращения и был сформулирован новый фундаментальный экстремальный пршнест -второй закон термодинамики. Последний устанавливает направление движения (к состояние с наксимумои энтропии> для изолированных систем. подчиняющиеся вероятностным закономерностям. Процессы в таких системах являются необратимыми, несимметричными относительно времени.

Теория цепей возникла примерно одновременно с термодинамикой в середине 19-го века. Ее основоположники Кирхгоф и Максвелл применительно к цепным задачам установили зависимости между принципами сохранения (первый и второй законы Кирхгофа) и экстремальности <припщшом наименьшего действия). В дальнейшем делались попытки использования при анализе цепей и второго закона термодинамики.

В своем анализе развития принципов экстремальности, равновесия и сохранения сП,20] автор опирался на работы Л. С- Полака. но по сравнению с этими работами основное внимание уделил возможности применения фундаментальных физических закономерностей в технико-экономических исследованиях. В частности ил были рассмотрены вопроси их использования при решении задач выбора типа и анализа математических моделей, обоснования критериев

оптимальности, учета неопредо.жзшюстея и других. На основа перечисленных принципов были составлены все предлагаемые и используемые тором магем.эшчоскиэ модели к.

cûotb8tctb9lho. на одинон языке • математического программирования были изложены исследуемые

физико-тохническио и технико-экономические проблемы-

l 'A. Алгоритм пропюзирования

Развиваемая методика прогнозирования эффективности технология изложока в [II.12.14.17.18)- Она основываотся на лоследоватпльном использовании трех типов математических нодэлеП: моделей физико-химических процессов (M0ITP); моделей технологических установок (ИОТУС) и моделей структуры технологии (МОСТ).

Модели M0I1P предназначены для оценки потенциала совершенствования технология. . Непосредственно автором были разработаны модели термодинамических процессов. которые позволяют находить максимально достижимые коэффициенты полезного действия и минималоные удельные расхода топлива, ассортимент образующихся в хода процесса вредных веществ и их предельные концентрации; выхода побочных полезных продуктов, знание которых интересно с точки зрения оценки возможностей комбинирования. Описание процессов транспорта □не^гонссигелей основывалось на положениях теории дошя. Детально гермединамкчеекш и шпные модели рассматриваются во втором разделе доклада-

Результаты расчетов на модели M0IIP служат исходной информацией .для МОТУС- С помощью поело дни определяются технике-экоьомичеекмо характеристики технологий: стоимостные оценки производимых продуктов: расходы материальных, трудовых и природных ресурсов; конструкционные. показатели. МОТУС резлизовывализь как в виде оптимизационных моделей. служ?1гдх для выбора схем и параметров энергетических устаноьо:с. так и в виде простейших зависимостей, например типа

3 В а + Ьха {2>

где С- - затраты (или какой-либо другой экономически показатель) ; » и ь - коэффициенты; к -производительность

установки (ига расход ресурса на нее).

Оптгогизащюнная модель МОТУС. основанная на идею дискретного динамического програмирования. была реализована для поиска рзциональных конструкций каталитических генераторов топлотцкогуших служить теплоисточниками на ТЭЦ и "в котельтЛх СИ. 17]. Зависимости вида (2) обычно подучгитсл путем статистической обрзботки литературных данных. Вывод и энализ подобной зависимости дня трубопроводной сети. исходя из гидродинамических закономерностей движения жидкостей и газов, приводятся в 111.171.

Модель структуры технология МОСТ основана на традиционной постановке задачи линейного программирования: найти:

я1п 3 а СТХ [3)

при условиях

Ах > Ь, С 4}

х > О, . С □ >

где х и с соответственно векторы расходов ресурсов и удельных затрат на конкурирующие технологии; А - матрица, коэффициенты а которой представляют выходы 1-го продукта из единица расходуемого на J-yю технологию ресурса; ь -веотор ограничений-

В огличио от производственно-распределительных моделей, предназначенных для опгииизации топливных балансов. в которых основными терамойными являхггсь расходы топлив по отраслям народного хозяйства. состав переменных ЙООТ (компонентов вектора х) отражает по'возмоятюсти весь спектр технология, предположительно ногуиих участвовать в покрытии будус^а зн )ргопотрес5ностеа. *

Гак. в проводашх расчетных исследованиях в число переменных включались расхода ресурсов на паротурбинные, парогазовые. магаггогидродинамические и электрохимические установки для производства электроэнергии; .котельные с традиционными топками. с инертным кипяшда слоем и с кзташтичессими теплогенераторами; переработку твердого топлива в кччост пенные ыо^ичные ^нергоноситли

1 с

(облагороженное твердое топливо, метанол. , искусственное углз водородное топливо. водород); различные системы транспорта низкопотенциальноя теплоты и другие технологии.

Используемые в модели стоимостные величины 3 и с с учетом отдаленности горизонта прогнозирования могут, разумеется, исплъзоватъея лишь как , сравнительные показатели сопоставляемых вариантов технологической структуры или технологий. Система условий (4) содержит блойи покрытия потребностей в различных вицах энерпм и энергоносителей и йлоки ограничений на расходование ресурсов и выбросы вредных ввщэсти в окружающую среду (в блоках ресурсных ограниченна неравенства ю/оют знак £).

Расчеты на модели МОСТ предполагают наличие данных как полученных о помощью МОПР и МОТУС. так и найденных из литературы.

Совместное использование описанных типов моделей позволяет учитывать при оценке шансов изучаемой технологии {или структуры технологий) на будущее эффективное применение все основные влияющие на эти шансы факторы: собственные, определяемые фюигческимк ограничениями. предельные характеристики; ожидаемые показатели конкурирующих технология; состояние энергетики в целом: потребности в знергоросурсах и возможности их удовлетворения, соотношения между стоигоотями различных топтав и энергоносителей; требования к охране природа, надежности энергоснабжения, качеству жизнч. Понятно, что корректный и достаточно полный учет перечисленных факторов возможен только при сочетании количественного аналипа на компысггерах с неформализованным качественным анализом составляемых математических описаний и < результатов вычислении. Например. если мы хотим предусмотреть ва будущее обеспечение определенного комфорта в помещениях (э.ге:лента качества жизни), то должны включить в блок покрытия низкотютснциальнсй тепловой нагрузки только такие технологии, которые способны удовлетворить эти •требования- Структуру переменных МОСТ на основе специального анализа требуотся менять и при варьировании требовании к надежности.

С»помощью предложенных алгоритков и системы моделей . оыли выложены исследования ряда проблем развития' энергетических технология, в том числе:

.— определены области возможных применения - в эаерпэтико каталитических генераторов теплоты, выявлены условия ..их эффективного ' использования в ', системах теплоснабжения 1П.11.17>;

рассмотрены торспектипы создания щазмохимг'ческлх установок для переработки и розжига низкокачественных ■ уг.вда' и промышленных отходов, нгадони предельные покззато-ш ' ил. Эффективности ГЦ.ГП;

- исследована псе я интегрирования (совместного испил^зць';нш1 'различных первичных энергоносителей) ' в ' энергетических системах. намечен список перепет ¿гоных 'интегрированных технология (сжигание низкосортных топлив. ■ газификация угля за-,счет чеплоты ядерного реактора, совместная дарор<хюгкэ угля и нефти и др. ) 114.16-181.

II ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ И ЦЕПНЫЕ МОДЕШ Г ЕХНОЛОГЙЧЕС Ш1Х И ПРИРОДНЫХ ПРОЦЕССОВ

з. 1. Модель промежуточных состояний

Модель предназначается для термодинамического анализи разнообразных фгиико-х'имических лрох^эссов, включая и такие, в которых искомые вещества образуются на пути к состоянию конечного равновесия. Объект моделирования можно определить как область возможных условно равновесных состояния термодинамической системы при переходе от заданной исходной точки к точке глобального экстремума либо энтропии (если система изолированная¡, либо, свободной энергш; (если зэфиксировакы параметры ззаимодэиствия с окружающая средой), Каждое состояние характеризуется трмя свойствами-. 1 > термическим и механическим равновесием между системой и

.окружающая средой М внутри системы: г у возмотшостыс полного кинетического тормо;юнии воет прохэцявдх через него ХММЛЧвЬКЛС процессов; 3) достижимостью из исходно? точки по трьектсри^ в ггЛсТр^чсгее составов вешрств,' едоль которой имеет . мезги молитониое изменение соответствующей •герко^-па^ичеЬкг-я функции.'-. V • • '

~Наибольшие сшгрнил и возражения, видимо, . может вызвать йоуюдчя.л 1ф^дгосылка о юнстокности изменения функций. 'Чтоо'ы.'Лэгче ,ьих отгепггь, нужно подчеркнуть, что автор ни в. поем: .цучье на имеет, в вида' ее расширительное, толкование и пиъзт: н\о действительных траекториях, э только о возможных трг.№Го,тг.х ьа множестве условных рэзнозесик. Следовательно, сдэлангП'М гцюцпсложеяием . "не отвергается вероятность возшгкнор'лгчя в .1-оле процесс.'! релаксации системы к конечному узслоьёсюс состояний ;с нарушениями тнплозого и механического рйкювэ'син и оо' значениями термодинамических функций, не удаблятвсрягАригл тройиплнию монотонности измене!1ия во времени. Но нэпе исследоьариз стрзиич'.чьагтся пространством;' в котором все точки соотзотстБуот указанным выше условиям.

Зги условия лг. является болче жестк/ки, чем используемые при создании традиционных модолей кг,не тных равновесий. Црйстнишлъно, эс.ли при расчете какой-либо системы на основе ¿акснг действия ласс мы будем менять список регкций птшзгу о механизме прсцрс;;<п. то соответственно будут меняться и - пичучаекые результаты - составы условно равновесных смесей. Именно условно®, локальные, а не глобальные равновесия мы сбычно находим на практика из-за неполноты задаваемых сшсков реакций «ли веществ. В случае применения модели лроме-.куточныт состояний от поиска единственного рэновесия мы переходим к • исследованию непрерывного бескскечаигГ" множества условных равновесий.

Создание «одели прим?жуточных состояний можно 'рассматривать как некотирое рззштие идеи Ьолыдмэна о том, ■что .состояние равновесия, как нгибэлее вероятное, можно найти из простого расчета вероятностей с или связанных с вероятностями функций), еэ рассматривая действительный ход процесса зо.времени.Если и промежуточные сосюлния на пути к

конечному равковосю является рашозэсяши, то остзстзеннс предположить, ЧТО И ИХ можно НЛХОДИГГЬ . Ш рэп"')!"4, вероятностей и что, следовательно, моншо исшльяовьть аппарат равноьесыой термодинамики для г на луз а возможностей, получения в ходе процесса искомых Ееа^стй в . зги промежуточных точках..

Сформулированная автором на основе сделанных продлос-идо* зац-'ча поиска еозмоншш экспу-емальннх концентраций заданных компонентов реакционной смоск имеет вид>

Найти максимум с минимум)

РГ.*, /) » Е с х ' V у 1С)

, ) 1 . л

Ь (1 1

при условиях

I

" 1.' с 7 >

I" '

а у и ь(у), се)

Ах ч Му), с 9)

""к

«а"1) 5 C*лJ < всу), СИ)

ОС л' ) > «к- • ) ;*2>

для любого непрерывного перехода из х> а х",

(Кх) ■ *

] 1 '

X. ко, у. > О, (Н\

ГДЭ х-( ----5Т и у-( у ^ . . ., Ух )Т СООТВЭТСТВ6НК1;

количеств молей всех возможных компонентов системы и исходных реагентов, уск; с^ коэффициент, ранздруедиа полезность или вредность ,1-компонента; ^-нгаьнап пае его -матрица размера -п » п содержанка элемсьтсв «

Компонентах сйсТомыг .ь»сь1,...,Ъп)т-ввктор .количеств • молей . DA'jhöirrDBr i; и о .-свободная мольная. энергия ГиЗбса системы и eQ.'i-iv'a конпоншгг» . -l""' , - множества компонентов целевой ■ •функйш - множество- исходных реагентов, в' экономном использгванш которых мы. заинтересованы; ¡к - множество исходных ¡зппгрцтов, когичг^тво которых ограничивается к-ым неравенство.!;' а и /» - коэффидавятье «ч - индекс рзваовесного .ооетсснил.. '

' С г.оющъю.'Л) количества исходных реагентов нормируются' бтносиП'Льчо единицы их массы.- Матричные уравнения (в) и (в) описывапг условия сохранения массы для 'каждого' из варыфуемых'значения у. Неравенствами с равенствами) вида no j .определяются допустимые соотношения между количествами у . Уравнения (и) и (12) представляют термодинамические ограничения ;i3 диапазон и монотонность изменения энергии I.ifбег. • (, 1 з) . льлягтея замыкающим соотношением между онорг'отиче^коь Ю) и мотериальноа ix) переменными.

Уравнения Сб) - (14) записаны для случая, когда зариксированы температура т и давление р взаимодействия термодинамической системы с окружающей средой.

Графическая интерпретация предлошгаюй задачи математического программирования представлена на рис.1. Здесь треугольник «ль на плоскости составов представляет область рекс.чий,. доЦусггдоую лс условиям материальных балансов (а), (9> (при фиксированном у). Вертикальная ось является осью свободной энергии. Точки, изображающие начальное со),равновесное сeq j/ и экстремальное text) остояния; линии о » const. и траектории двикения от "о" к "ext" показаны и на плоскости составов, и на поверхности с. Термодинамически допустимая' (удоататворяюцая ограничению 1й ) траектория изобрахннэ сплошной линией, а недопустимая этрилпунктирной. Заштрихована зона термодинамической недоступности из "О", по условиям с 11 ч, с i г). На рисунке над поверхность» Гиоо'са нанесена также поверхность целевой Фучики, которая для фиксированного у превращается в плоскость с С х>.

Математические особенности модели со) - U4i были

состоянии м промежуточные

исследованы Е. I. Анциферовым, который определил условия выпуклости ^(х.) дзя реальных систем, показал- выпуклость области допустимых решений с7) -ев), ип - сю . и выявил ряд особенностей оптимальных решений задачи. От традиционной задачи выпуклого программирования обсуждаемая модель отличается тек, что термодинамические ограничения (и) и иг> •задаются в неявной форме относительнох и.у.

Основываясь на выполненном Е. Г. Анциферовым математическом анализе автор сделал ряд выводов об особенностях энергетических задач, исследуемых с помощью модели промежуточных состояния.

Важным для исследования экологических характеристик тохноло1Ш является следующее из математического анализа положение о том, что в коночном равновесном состоянии хотя бы в ничтожно малых долях должны содержаться все вещества, которые в принципе могут Сыть подучены из составляющих исходные роа1внты элементов. Отсюда становится ясным, что конечное разновеска определяет ассортимент вредностей, а промежуточные состояния их максимально возможные конце нтрэции.

По сравнению с традиционными предложенная модель промежуточных состояния обладает тремя основными преикуирствами.

1. Она сначиггльно расширяет область применений равновесной классической термодинамики, делаот возможным изучение с ее помощью т-аких важных топливных технологий как Iилриривэнио и пиролиз угля, крекинг углеводородов, синтез из смеси оксида углерода и водородз и некоторых других.

Увеличивается многогранность термодинамического анализа, становится возможным учитывать многочисленные аерсяпыо ситуа)1ии, могущие возникнуть при осуществлении одного ч того же процесса с торможение или ускорение отдельных реакция, ведущих к образованию полезны^ или вредаых вдьвегт

з. ]1ояв-:яется гозможность оптимизировать состав реагентов лектор у) и аката-.ировать его влияние на характеристики изучаемого процесса. Насколько известно ангару, в

создаваемых до сих пор термодинамических моделях автоматическое варьирование исходных компонентов реакционной смеси не предусматривалось.

детальное изложение модели промежуточных состояния и "анализ ее эффективности приводятся в из, 19,1/1.

г. г. Термодинамика цэпэи

Идея построения термодинамических цепных моделей возникла у автора при исследовании влияния механизма процесса на ото предельные хзрэ:ствристики. Можпо предположить, что если представить сложный процесс в виде 1рафа, дуга которого соответствуют отдельным реакциям/ то расчет распределения на нем потоков вещества даст представление о механизме. •Действительно, если на отдельных дугах потхнш окажутся Олизы?™ к нулю, то можно считать соответствующее реакции не влияющими нн конечный результат процесса.

Применение цепных моделей не является новым в хгеличэских исследованиях. Особенность предложенного подхода И9.3П1 заключается в том, что леиалдаз в его основе цепные модели содержат описание условий экстремума термодинамических функций и.относятся к сложным процессам, механизмы которых могут включать в себя сотни и тысячи элементарных реакций.

Создание цепных термодинамических моделей химических процессов, конечно, должно опираться на положения теорий электрических и гидравлических цепоа.' Так как в этих цепях • имеют место только превращения энергии, не сопровождающиеся превращениями вещества, их модели в определенном смысле оказываются более простыми, чем модели химических цепей к могут служить отправным пунктом для построения и изучения наиболее обща свойств последних.

При создании термодинамической модели гидравлшеекта и электрических сетей,- как и при построении модеж промежуточных состояний, автор опирался на идею Полъцмяна о возможности замены расчета резльпого хода процесса во времени расчетом конечного равноьосного состояния. Для цзпеа

такому состоянию соответствует стационарный режим работы, когда скорости производства теплоты и энтропии равняются скоростям их отводя в окружающую сроду. . -

Модель основывается иэ трех предпосылках« 1 рассматриваемая изолированная система содержит цепь с сосредоточенными параметрами, т.е. сопротивлениями участков, 1:э ззниашутми о г потокорэспродалншя. и ■ окружающую среду» с) рожим двкжония стационарный; - я> во всех точках цапИ и окружающей среда поддеркивается одна и. та же температура т. Последняя предпосылка несколько упрощает математическое описание процесса и не отражается на качественных результатах излагаемого анализа.

Лэпсо показать, чго при принятых предпосылках количество произзодилга п цепи и передаваемой в окружавшую среду энтропии определяется формулой!

С15)

где г - температура; ьих - потеря напора с напряжения? и

расход сток) на .|-ом участке, стационарных процессах в цепях максимальное

модель вида:

НЗ1ГТИ

начокие функции е ь х и > ' 1

Следовательно. при должно достигаться становится очевидной

тах Г Ь«

1 ю)

при условиях

Ах

С 17)

Е н х - Е *

I ! ) )

С1И)

где А-са^; - матрица соединения углов и участков с дуг) графа цвгш; * - взкпр расходов с токов >: н и |> - воктсры яеаствукза напоров с -электродвижущих сил > и потерь напоров I напряжений) на участках. Уравнение м/) описывает первый закон Кирхгофа. Равенство ого правей части, которая обычно

представляет вектор протоков и стоков, нули объясняется тем, что изолированная система не обменивается и окружаадэа средой никакими потоками. Уравнение О») представляет баланс производимой и потребляемое мощностей.

Если замыкалцэе соотношения между гврбвонндаи имеет Вид

h ■ т ур, Г1!» г

1 I 1

то шодель на) - tia> принимает форму! навти

Евч

Г X. I Л»'

i ''

при условиях

Ах » О,

Е Их, - Е г :</*" - О,

, " ' i ' 1

где г^ - сопротивление J-ro участка цепи. Из с) следует »„ что целевую функцию 119) мо:кно заменить нэ Е и*, что

позволяет сформулировать положение« потоки в замкнутой сбез притоков и стиков) активной цепи распределяйте« так, т.'и обеспечиваются максимальная мощность источников действующих напоров и, соответственно, максимальная потребляемая мощность. Этот вывод дает го сравнении . с твореясв Кирхгофа-Максвелла о наименьшем тепловом действия дополнительную информацию о закономерностях

штокораспредолвния в цепях, которая, видимо, дгшшя С'^гь полезной для понимания процессов регулирования {©жимов рсЛоты сетей.

Анализ особенностей модели I ¿о >, с г» > проводился использованием функции Лагрзнжа

" А« п п

I- ' Е1 * - Е\1Е х 1 ♦ Е ■ * - Е'»* К

Z5

где пи»- числг участков и узлов цзпи соответственно,- .г -множество участков, примыкающих к t-«y узлу. Для активных 'сзтой i с ненулевыми компонентами вектора н > вторые производные ст f22) по xj отрицзтельйы и, следовательно, решении задачи соответствует максимуму t.-fcx> и максимуму деловой функшии сго>. Возможность существования точки максимума при выпуклой функции цвли иллюстрируется рис. г, а. Цэлевал функция •*»>•, имеющая максимум а точке х"*", представляет пересеченна вертикальной поверхности, проведанной парез нелинейную допустимую область решений *ь, с поверхностью цэлэвой функции fcx) над полным пространством

При выделении из изолированной системы пассивного фрагкепта 1без действующих напоров или электродвижущих сил) с фиксированными притоками и .стоками уравнение i ai > исключается из системы ограничений, последняя становится линейно2, вторые производные от сгг) по оказываются галожителыпвга и точка экстремума с го у - точкой минимума с рис. в,б). Таким образом, задача максимизации энтропии трансформируется в задачу минимизации теплоты, и теорема Кирхгофа - Максвелла получается как следствие второго закона термодинамики при его распространении на пассивные дапи. Совпадаю» вида энтропийной и энергетической функция объясняется тем. что из оптимизируемой величины из» при предположении о постоянстве темпоратуры системы мы удалили множитель 1-т.

Выявленная трансформация задач представляет один из случаев обдай термодинамической закономерности» изолированные система стремятся к максимуму энтропии; системы, взаимодействие которых с окружающей средой регулируется фиксированием некоторых параметров, движутся к минимуму какого-либо вида энергии- В рассматриваемом случае, когда фиксируются штоки жидкости или токи, которыми цепь обменивается с окрудзяцэй средой, минимизируется расход механической или электрической энергии. Ведь минимум ввдолэния теплоты соответствует минимуму энергии системы.

Полученный результат можно - интерпретировать и с позиций

Рис 2 Цвдавгл Функция и точки зкс-Цйаума на палинвйкои 12) и лияванои (б) ьшочшсгео от раш;чеиий

г г

состояния термодинамического равновесия. Равновесие химической системы соответствует определенным соотношениям между скоростями прямых и обратных реакций. Б пассивной цзпи стационарные потоки движутся с такими скоростями, что их суммарная-свободная энергия оказывается наименьшей, а в активной цэпи производится.и передастся в окружающую среду максимальное количество энтропия.

Подобно тому, как в гетерогенной химической системе устанавливается равновесие между различными фазами, в гидравлической цепи соблюдается равновесие между • ламинарными, переходными и турбулентными потоками на различных участках. Сложность равновесного расчета потокораспределэпия заключается в . невозможности предварительного определения вида замыкающих соотношений. . Расчетные исследования показали, что совместное использование душ анализа одной и той же сети экстремальной модели и медали, ' основанной на законах Кирхгофа, может способствовать идентификации этих соотношений.

При создании термодинамической цепной модели химических реакций по сравнения с традиционным подходом к расчету равновесия было добавлено лишь одно требование, что равновесие соблюдается в каждом узле цэпи. Разъясним смысл этого требования на примере. Пусть исследуется процэсс синтеза метанола из со и «г. Предполагается, что на пути к равновесии образуется сог и на заключительной стадии происходит реакция

СО* + ЗН И сн о + н о. г г * г

Тогда в системе должно существовать равновесие между этой реакцией и какими-то предшествующими, в результате которых' Производятся соа и на в нужной пропорции 1:3. в соответствии с этим требованием строится простейший граф цзпи, что иллюстрируется на рис. з.

Здесь каждая дуга соответствует потоку одного или нескольких веществ либо вступающих в. какую-нибудь реакцию (дуги г и 4), либо не реагирущих (дуги з, 5, в). Узлы предстааляют точки слияния и разделения потоков. Принято, что в цэпи имеется только один внешний приток с узел 1),

Рис. 3 Граф реакции синтеза кетанола

соответствующий вводу исходных реагентов, и один сток с в данном случае узел з>, соотьетствующиа выводу из сети конечных продуктов.

Составленную автором модель при использовании предложенных Е. Г. Анциферовым векторных обозначений можно записать в компактном видег ?

НЭЙТИ . .

• ш1 п С О С х С т ) ) - 2 О х С т ) ) 123 )

кеК к N

При условиях ' -

А у - АЬ С т ), 124)

Ай С т ) « Аи С г ). I « 2, .... N-1 _

I- V ' ' '

СЙ!3)

XNl т) - ARNCr), (26)

ofc - fc*k), к - 1.....fcn, (27)

т^ > о, x (t ) > o, (28)

где - Boiciop количеств молей конечных продуктов; тв(т4,..тм)т- во ¡crop условных потеков на дугзх графа, j-ый компонент этого вектора определяется как частно? от дедония любого из движущихся по j-ой дуге потока вещества б молях на соответствующий стехкометрическия коэффициент; х и ^ векторы потоков веществ соответственно поступающих и отходящих от i-ro узла; ким - соответствонно количества ьераш и дуг графа цепи; индекс отнесется к узлу, в

котором в цепь вводятся исходные реагенты, а индекс "N" - к уеду, из которого отводятся продукты реакции, к - индекс компонента вектора потоков отдельных веществ; - множество конечных продуктов; символы у и а имеют тот же смысл, что в модели промежуточных состояний со) - с 14). Введением вектора т число переменных сводится к числу дуг графа.

Сопоставляя модели (гз) - (2Я) и его) - 121) можно сразу оплатить принципиальные отличия химических цепей от гидравлических и электрических. Презде всего, значительно большую размерность имеет система уравнений сохранения массы t34) - сгв). Причиной этого является необходимость соблздзшя балансов для каждого из элементов и стехкомзтричзских соотногвениа новду реагентами. Многократно возрастает и число кскоиых переменных 1 Замыкающие соотношения с 27) для газовых фаз и растворов являются транецзндрнтныки. Обычно значительно белыгей оказывается гетерогенность термодинамической системы. Если в гидравлической цзга одновременно могут иметь место ламинарный, турбулентный и переходный режимы движения, то в химической системе каждый из входящих в нее растворов и ксядгопонтов газовой фазы могут облздзть своими сгощфгюсгосш уравнениями состояния (замыкающими

соотношениями).

Вызывает сомнения возможность описания химической цепи1 сложного процесса, включающэго, например, сотни или тысячи элементарных реакция, с использованием второго закона Кирхгофа (замены экстремальной модели балансной). Дэло в тем, что энергетический взаимодействия меаду молекулами происходят гораздо чаще, чем химические, и молекула нг, двигающаяся по дуге з с рис. з) может передать часть своей энергии молекуле сог на дуге 4. Отсюда видна неправомочность приравнивания потерь энергетического потециала на дугах г и з в контуре 1-2-1. в этом, видимо, заключается одно из отличия моделирования макроскопических процессов от моделирования элементарных, для которых в литературе приводятся описания с применением обоих законов Кирхгофа. • Для гидравлических и электрических цепей мы . сразу записываем систему материальных балансов, влючающую лишь независимые переменные с число независимых узлов на единицу меньше их общего количества). Трудности предварительного выбора независимых уравнений закона сохранеия массы в химической цепи заключаются в том,. что в отдельных узлах балэнсы разных элементов могут совпадать между собой, и что кроме балансов в узлах в линейную систему ограничений входят стехиомбтрическио соотношения. Последние используются при перехода от вектора .1 к вектору х.

Несмотря на отмеченные трудности моделирования химических систем по сравнению с гидравлическими и электрическими• при принтои постановке задачи модель , термодинамической химической цепи получилась достаточно простоя как с точки зрения физической интерпретации, так и с позиций разработки вычислительных алгоритмов. Она сохранила , сравнительные преимущества моделей конечных равновесий, и промежуточных состояний в отношении 1 подготовки исходных данных и численного решения задач перед моделями химической кинетики.

Корректность модели была проварена на простейших, графах, для которых аналитическое решение задачи с аз) - ты с использованием функции Лагранжа совпало с известным уравнением изотермы химической реакции. Для сложных графов.

достаточно полно отражающих механизм процесса, численные решения практически совпали с определением . состояния равновесия на традиционных моделях.

Сопоставление результатов исследований на цепной модели с исследованиями на модели промежуточных состояния показало, что последняя модель выявляет _ более высокие предельные показатели твхнолш ий. И это естественно. ' Ведь с помощью модели* промежуточных состояний ' мы осуществляли строгую оптимизация на непрерывном множестве допустимых значений, а с помощью цепей исследовали отдельные кажущиеся > разумными варианты. Отсюда ясно, что предложенные модели хорошо дополняют друг друга. Модель промежуточных состояний позволяет находить абсолютный потенциал совершенствования технологического процесса, а цепная модель дает возможность оценивать пределы повышения эффективности при ограничениях на механизм химической реакции.

Заманчивой представляется идея о формулировке на основе дапшх моделей оптимизационной задачи. Машине задается избыточный граф,, на котором она сама выбрасывает лиашш дуги с реакции) и отыскивает механизм, обеспечивающий максимальный выход полезных продуктов. Создание оптимизационных цепных моделей представляет предает дальнейших исследований.

III. Применение термодинамических и цепных моделей для решения энергетических задач.

3.1. Термодинамический анализ энергетических и экологических характеристик технология

Предложенные термодинамические модели промежуточных состояний и цепей позволяют получать разносторонние оценки пуримущэсге .и недостаткоь новых тохнп.ч.чт сжигания и переработки топдив. Оказывается возможным ужо на стадии их эскизной проработки обнаруживать: возможности и трудности реализации; iicrro«ima.i рсоурсо- и »портс-сФ^мокий: этюгичос кип характеристики; фактора iohswiiw» нч ьчдежн'.'сть эксчдучт шии; направлен!:» • ътн сл шл • *ш и

процессов и реализующих их энергетических устаповок-

Выявление принципиальной возможности осуг;эспиЬш*л того или ипого процесса превращения веществ галгэтся трэдоцкошоа задачей термодинамики. Оейчэс можно опроделггь по только предельный выход целевого продукта кайся-лйо рзакция. но я вероятности образования в ходе ее и иашмаяъно дост.::';рп!Э конизнтратии побочных полезных веществ. т.о. оцзтпъ осуществимость комбинированных технология. При этом автоматическое варьирование исходных рэзгентов (сскторз у) позволяет найти оптимальный состав сырья, а тсрыгроззтп'э параметров - обнаружить необходимую степень поисепия температуры и дашяния. в значительной неро определяющую трудности реализации технологии.

Потенц!тзлы ресурсо- и энергосбережения оцэнизались для технология плазменной газификации и пиролиза угля, гсрзкктга углеводородов, риформинга нафгы. синтеза штанола га стаси со и »г и ряда других [17.19].

Таблица I. дает инфорлацко о прстцяпальиых возт.'сгаостях совершенствования процесса пиролиза. Предстовлэнныз в пей теоретически достижимый выход углеводородов (см. столбец •■оптимальное промежуточное") ца?шого превосходит достигнутый сегодня на экспериментальных установках и свидетельствует о потенциальных возможностях экономии гарвичного ресурса (угля) при производство конечных продуктов. Из табличных данных видна и возможность организации на оспосэ процзсса пиролиза когйинированного производства газообразных (сн», со).гцд;аст(стИгч) и твердого (с ) искусствоштых топлнз. »

Данные этой и двух следующих таблиц получены в результате расчетов на »люяестве из 230 компонентов. В табл. включены те го ню. концентрация которых в искомой сю си превыпает Ш"7 массовых долой. Для органической массы угля (ОМУ) была принята условная формула ^.«э0в.«Л.о.Л.о<»2-

Таблица £

Пиролиз канско-ачинского угля т=800 к, р=0. I МПа кг'кг

Вещество

Состояние

начальное

оптимальное промежуточное («а* ¡¡с н )

системы г ~

равновесное

4

СИ.

СЛ

ао

ЕС Н

т п

СО С02

н о

г

вон.

Л

Но,

нн.

V .

с

с

ОМУ

е,ч к ЙК/ТСГ

о о

• о

о

о •

1,310.10"'

о о

- О ' о о о о. о

8, 084.10" -0231

О О

4, 040.10"

О

2,76&.Ю" О О

е,.аов.1о" о о

3,340.10" 7,770.10" 7, 963.10" 1,069-10" О

-0329

1, 403.10 3. 706.10"

2, ьго.ю 1,350.10"* 2, 029.1 о" * '

В, 977.10" 7 О

4,ова.ю"3 8,013.10"'

о о о

4,622.10"* О

. -9Ь0в

' Таблица 2 соста&лвна на основе термодинамического анализа процэсса плазменной парокислородной газификации и дает представление как об энергетических, так и об экологических характеристиках технологий. Следует отметить, что хотя плазменные процессы' являются принципиально неравновесными (в реактор вводится струя плазмообразующэго агента с .температурой на тысячи градусов превышающей температуру

1

а

остальных реагентов) конечное состояние процрсса плазконной газификации оказывается весьма близким к равновесному, что подтверждается совпадением результатов ого расчетов с данными экспериментов. ^

Таблэдэ 2

Плазменная газификация каяско-ачинского угля т-1эоо к р-гмпа кг^та*

Состояние системы

Вещество--одпаальноо-~

начальное промежуточное • ргвпоЕоспоэ

С шзх СО+Н )

1

н о г 1,305.10'' О 0,014-10"*

3, 722 .1 0" 1 1,201 .10*' 0

н .2 СО 0 Э, Я04.10"2 а,сао-ю"а

0 0,192.10"* 7,244.10"1

со 2 0 0 1,403.10"'

сн4 0 0 г, 01в-1 о"4

сиго 0 0 3,774-10"°

сн о 2 г соэ 0 0 0 . о 1,010.10"-1 о, зго.ю"а

Н23 0 0 7.1С0-10"3

н яо 2 о о 1,345.10""

0 1,в4г.ю"э 0

511 . 0 0 . 1,1г7.ю"7

ион 2 ы2 о 0

0 0 4,053-1 о"3*

нн э о 0 1,273.10""

м о 2 5 нем о 1, Гс>3.10"2 О

0 0 3,040.10"*

СМУ 4,913.10"* 0 0

е. кДмсг -1 07Я0 -1гего -103ОО

у.з тас5липу видно, что ю.'оятся надежду на дальнейшее увеличение выхода целевых продуктов со л и*, зкетрзглзлышэ концентрации которых существенно превосходят рзвневеенш. Но

для этого нужно .суметь затормозить быстро протекающий процесс, что весьма проблематично.

Анализ экологических характеристик технологии связан со значительными сложностями. Его особенность заключается в том. что оценки предельных выходов загрязнителей природа иногда могут на порядки отличаться от концентрации, действительно имеющих место в реальных установках. Дело в тон.что если совершенствование технологических процессов направлено на повышение выхода полезных продуктов и его приближение к теоретически возможному, то теоретически« максимума вредных веществ часто соответствуют маловероятным отклонениям условий протекания процесса от нормальных. Однако это не исключает возможности использования термодинамики в экологических исследованиях. В частности, важным результатом термодинамического анализа являются сведения о возможном ассортименте образующихся ь ходе той или иаои реакции вредных 'веществ и влиянии на их оорззованиэ различных факторов- состава реагентов. давления и температуры процесса. При этом экологические характеристики . технологии могут быть получены как для нормальных, так и для непроестных режимов эксплуатации, в том числе для аваршшых ситуаций.

Ассортимент вредных веществ плазменной газификации, представленный в столбца "равновесное" второй тамад, хорошо согласуется с опубликованными з литературе данными экспериментов. В него вошли шз, к^ь, аои^ и мизернш. но возможно опасные количества таких .вредных вешретъ. как муравьиный.альдегид (снао) и синильная кислота (нем), в ходе расчетга-т исследований были определены и зависимости выхода загрязнителей от температуры. К количественной оценка микрокомпонентов нужно подходить. конечно. с большой осторожностью. Но вероятность появлпния в продуктах технологии вредных веществ, обнаруженных . в результате расчета. должна учитываться при проектировании или разработке режимов эксплуатации реализующих ее установок.

Представленные в таблице.3 результаты расчета процесса горения угля иллюстрирулт возможности термодинамического

?б

анализа при изучении условий образования сродных вовдств в чепроектпых режимах эксплуатации. При таком анализа, варьируя состав газовой и конденсированной фаз. г- и т. . мошо имтгировать условия в различных зонах топочного объзка или в различные моиенты времени (наирготер. пря растопко или остановке промышлэтюя печи или котлоагрегата). Таб.пчпь.'э данные соответствует коэффициенту расхода воздуха « =0,8. Для принятых исходных дзптя расчеты шяенля песьма богатыз ассортимент загрязнителей: монооксид углзрода. токсичнкэ соединения сэры я азота, канцэрогека (боппттгроп, г-20»1г> и друпта вредные органически восрствз.

Таблица 3

Горе гаю угля в непроокттлс условиях т«=12оо к р=о, j МПа кг-тсг

Ведаство С 0 С Т ояние системы .

начальное промежуточное стах с,.н„» равновесноэ -

i г 3 4

6, 632.10"' В, 6.43.10"' 6, 644.Ю"*

О 1,332.1 о"" 2,120-10"1 0

"Io 1,ои-ю"г 3, 305.10"1 7, 130.10"2

со* 0 7, 779.1 О"7 1,774.10"'

со 0 0 й,6Э4.10"г

с н го 12 COS 0 • 0 8,Q73.ÍO"s О 0 1,133.1 О*7

1! S 2 0 О 1, ÓSQ.lÍT"

so, 0 5, 700-10"* 0

so э 0 1,030.10"* О

son 2» 0 О 3,533.10"4

N11 з 0 0 1, 969.10""

»то 2 0 2, 447.10"* 0

но 0 1.Э59.Ю*7 0

но о 1,116.10'* 0

NO. 0 7,150.Ю"' О

ОМУ 1,145 1 о"* 0 0

о. КДК'КГ -01131 -8949 -12078

Л7

Анализ образования вредных веществ в технологическом процессе позволяет оценить их воздействие не только на природу, но и на оборудование, надежность его работы-Бесспорно, поддаются термодинамическому анализу процессы коррозии материалов. Для теплоэнергетики важнейшей является проблема зашлаковывания топочных поверхностей награва. Уже накоплен небольшой опыт применения предложенных автором моделей г изучении процессов образования конденсированного углерода (с^), которые сильно влияют на надежность многих химических производств.

В таблице 4 приведены результаты исследования процесса получения синтез-газа из отходящих газов не^ггепереработки. При эксплуатации служащих для осуществления этого процесса трубчатых печей выявились серьезные трудности, обусловленные выделением в нагреваемых трубах с . который проникал в поры катализатора и разрушал его. Забивание нижней части труб катализэторной пылью приводило к увеличению их гидравлического сопротивления, перегреву и преждевременному выходу из строя.

Расчетный анализ показал, что с образуется в условиях, когда более но проходит через печи, не прореагировав. Промежуточное равновесие а максимумом с^ достигается в случае, когда ьсдяной пар вообщч но участвует.в реакции, а углеводороды диссоцыфуют на углерод и водород

Установленной в результате численного эксперимента факт, что максимум имеет место при степени превращения н о равной нули, привел к продооложпную. что возможным местом образования . <.:. является теплоооменник. где газы

подотревамгон ди т-ЬООк еще до смешения с ь^дяным паром. Это подтвердилось натурным обследованием. Возможность разложения <-пн, при низких температурах объяснялась тем. что никель, ьходпщия ь состав легированной ста.ли. из шпорой изтотовлоны трубки теплообменника, як,, юте я катализатором

Оптимизационные расчеты позволили выявим. рациональные с точки 310НИН миш-лиз-щии образования кондонемроьашюто углэ{юдэ П']рам1 гры ч,«ч(оссз и с »став ¡мл .-нгоь.

ДЧ.Ь.Н«ЙИ>:» иОВЫИ: ЧШО эффОКТИБНОС I К ТОрНОДШ! 1П1ИЧ0СК1 1и

1-1

анализа связано с развитием катодов учета ограниченна на механизм процесса, определяемых использусжг катализаторе«!. Определенные успехи в решении зтся проблош была достигнуты при исследовании преданных показателей синтеза метанола кэ смеси со и н 'на различных катализаторах путем совместного применения моделей промежуточтл состояния й

Таблица 4 .

Ппровая конверсия углеводородов т=воо к, г»о,213 ¡Ша кг/тсг

ВепостЕО Состояние СИ начзльноо промежуточное («.« С ) с с т е мы разновесноа

1 2 Э 4

н 2 1.600»10"Э г, ооо«1 о"2 з,гоо.ю"э

ео 0 0 7, 000.1 о*4

со 0 0 1, 020*10"1

£ н* 1,700.1 о"3 о 1,400-1 о"9

»о 0,373.10"' 0,370.1 о"* 7, ЕСО-Ю"'

СИ 4 3,200-10"* 0 1,220.10"1

с н г а а, 100^1 о"® о 0

С И 1 а Э, 420.10"* о о

С Н 4 10 В, 000.1 о"2 о о

с.н . 3 12 г.700.10"9 о 0.

С Н в <« о о

С И а 19 1, 400-10*' г, зоо.ю"' о о 0»

С н « в т 0 г. ооо. 1 о"* 0 3,000«! о"4

3 сс 0 А, 000.1 о*4

0. КДЖИГ -17640 —17003 -1Ш03

тврм'чинатг-ичвских цзгеп 120].

Получаемые с помопью те рг.'.одяг «сп кодмза 1 сцэшй! эффективности рассмотренных выгэ п ряда других техползпш использовались в изложенном в раздала 1.2 алгоритме дгя • прогнозирования вероятных направления научно-технического., прогресса в етзргеткке. в частности пра исследовании

перспектив развития шпырированных технология и интегрированных энергетических систем {14.16-1Ы-

3 2. Применение теории гидравлических дета к анализу технология транспорта энергоносителе и

В своих исследованиях трубопроводных систем £1-81 автор раззнвал приюнктельно к различны* эниргэтическни задачам голодания теории гидравлических цвпеа В- а Хасклева и А. П. Меренкива. Использование в этих исследованиях аппарата термодинамики способствовало .физическому обоснованию как выбора вида матежщ-ичьского описания для ^ задач потокораспределшшя. так и методов оптимизации.

Анахиз экстремальных свойств оптимизационных модалэа трубопро^юдных сете»» иалоаен в (9). Исходными Д1Я его проведения были выбраны полученные В- Я. Хасяввым зависимости:

3 - А«Д1. ♦ Ик***»,'*« с, <29)

д»1о - ^лъyа) . (30)

а Я VI ♦ щ>) - 1 , (31)

ст - СЗ-Зо ) , « • АЬХАЬо (32)

Где 3- общие затраты на транспорт энергоносителя; а- те те ватрачы. выраженные в огносшельных единицах; дь и штеря напора в сети и ее оптимальное значение соответственно; относитиельнал потере напора;

постоявшая часть зачрат; расход; г - показатель степени в гидродинамическим соотношении между диаметром и потерей напоры; а- коэффициент, зависящий от удельных заплот на используемую для транспорта носителя энергию, числа часов использования максимальной мощности и КЦД насосов; в-коэффициент. определяемый затратами. которые пропорциональны даэметрам трубоп;юьодо1).

В Я Хусилвв использовал зависимости <20) - <32) .1>дн анализа экономических характерно по« сотой. уди в летнирнющих рдду упрощающих предпосылок шрамшры соти и зависящие от

них затраты являются непрерывными ; формулы затрат для всех участков одни и то та: суягствуюЕдх к уомтГгу проектирования элементов не имеется и вся система-источник, соти и нагрузка

- возникают одновромонро; в с-оги отсутствуют насосныо а дроссельные подстанции: проверка технических ограничения на напоры в узлах вида "Re больше чем" и "не мпньсо чем", на пропускные способности отдельных мзгистрэлой. а та юге ограничения типа "можно". "нельзя" (напрютр па реконструкцию отдельных участков) не производится.

Проведенный им анализ покзззл. что функцот затрат является вогнутой по оси расходов (*) и выпуклой по оси напоров <ь) (см. рис- * и 5>. Оптимальная конфигурация (схема) сети нмозт вид дерева (графа боз замкнутых контуров). Для задачи оптимизации h относительнее изменение затрат с при отклонении решения ст оптимального (е-1) не зависит от коэффициентов а,п и с. Единственны:! оптанта на вид кривой <у-г(*) фактором яв.*яется значение показателя степени ■>• в (29). Функция <r-í(c) вблизи точки оппиумз обладает-исключительно большой пологостью. Тая. удз сеяно потери напера против оггткмального значения (прл р =0.2) увеличивает затраты на а уменьсение потерь в дзз раза

- всего на 3.8*.

Автор по ерэвнениг с В- Я. X i с иловым распространил свой анализ на рззвквзгдаеся п реконструируемые скстегы. математическое описание которых включает дкекретшгэ переменные и ограничения в виде неравенств и. тйпа ■можно'. "нельзя". При этом были получены слэдугпго» новыэ результаты: •

- оштяальяэя конфигурация сети может включать зяяшуты? контуры при наличии хотя Си одного из услсвяа: разрезается реконструкция отдельных участков или всей сети, требуется обоспочзнкэ заданного уровня надежности энгргоспззетяпя. имеются ограничения пз пропуски-)» способности отдельных магистралей:

- в точках области допустимых ресениа. соотвэтстзугцт реконструкции отдельных злгкеятиа сети, хгтопт кэсто рззрьты эконгкического функщюпзлз;

Рис. 4 Графическая интерпретация математических особенностей задачи оптимизации параметров реконструируемой (рзиьивэюдоися во времени) сети

Кривые затрат: I - при ладейном законе распределения потерь напора: 2 - при определении потерь напора аналитическим ме-

"ирзм- .

■Г:

- при усложнении постановки задачи оптимизации параметров (введении дискретных переменных и ограничений видов "не больше", "но меньше", "можно", "нельзя") крутизпэ шлепой функции вблизи точки оптимума может значительно

2

5 Графическая интерпретации ой'чей задачи выбора конфигурации параметров {»конструируемой (раз.'.иваюиелся во врсупги) сети.

увеличиваться

Математические особенности задач оптимизации ¡азвивзвдга ея и реконструируемых сетей иллюстрируются на рис. 4 и 5 Рис.4 представляет графическую интерпретацию задачи выбора оптимальных параметров Поверхность. акономичоскш о функционала построена в предполохэнии. что разрешается шрокладка трубопроводов па обоих участках сети (I и 2). Пои оптимизации на основе непрерывной модели и ./гсутствш охраничения нз суммарную потерю напора дь решением является точка е. значение затрат в которой равно а( Линии оа на плоскости допустимых значений ь изображает шожаство оптимальных решений для всех возможных значений ль Кривая 2, образуемая шресечениеи вертикальной плоскости, праведенной через эту прямую с поверхностью еконошического функционала. содержит множество соответствующих оптимальных значений затрат. Линия ол на плоскости допустимых решенйй и кривая I на поверхности Функционала интерпретируют ретепия при использовании известного приближенного метода линейного распределения потерь напора.

Прямая ь,=»\е на плоскости ^оь^ соответствует множеству вариантов, при которых участок 1 не перекладывается, а прямая ьа=ь2с - множеству вариантов с сохранением без изменения участка 2. Над этими. • прямыми на поверхности функционала расположены линии разрыва ь^ и г2<*г-Соответствующие локальные экстремальные значения затрат определяются кривыми ь^ и г^. Точка д пересечения прямых и является точкой глобального минимума

функционала- '

Рис. Б. интерпретирующий общую задачу выбора конфигурации И параметров сети, выполнен для случая, когда участок 2 является существующим. Варианту сохранения его диаметра неизменным соответствуют кривая оптимальных .решения аь. кривая экстремальных значения затрат с1ь1 и линия разрыва функционала сь^

Кск видно из рис. 4 и 5. акстромумы в точках пересечения дишЯ разрывов могут располагаться значительно ниже

поверхности функционала. что обусловливает больную экономическую эффективность оптимчзаЦии схем и пярэмэт^ов реконструируемых сете»!.

Результаты проведанного анэягза задач ' . отимизтш трубопроводных систем были использованы автором при сопоставлении рззличга.гх методов -выбора параметров- и конфигурации гидравлических сетей. Сопоставление выявило высокую эффективность метода дискретного динамического программирования для определения оптимальных параметров при заданной схеме. Несколько алгоритмов реализации этого метода было разработано с участием автора 18.91.

Исследуемые метода оптимизации И расчета потокорзопределения совместно использовались автором. при анализе проектов развития теплоснабжения многих городов. Больиой эффект был получен при оптимизации теплофикационной системы Новосибирска на одном из этапов ее развития г 91.

Во-первых, традиционными методами оказалось невозможным проверить соответствие выбранного варианта развития сета техническим требованиям. Расхода воды на основных магистралях были приняты проектировщиками равными их пропускным способностям при нормативных удельных потерях напора без учета зависимости гидравлических режимов отдельных участков от режима системы в'целом. В соответствии с этим были построены пьезометрические графики и накачено 12 мест расположения насоетых подстанций- Проведенное исследование показало, что для поддержания пьезометрических графиков сети в допустимых границах по предварительно намеченному проектировщиками варианту необходимо сооругацго 25 насосных и 25 дроссельных подстанций.' т. е. варизнт неприемлем.

Во-вторых, оказзлось возможным сопоставить большое число конкурирующих вариантов развития системы. Так. сравнивались различные . распределения зон обслуживания кевду ТЭЦ; разомкнутая и замкнутая схемы эксплуатации 1(принципы ненагруженного и нагруженного резервирования) [5-7]-, элеваторная, независимая и насосная схемы присоединения потребителей; различные способы регулирования отпуска тепла

в аварийных ситуациях. При выборе вариантов учитывались все рзальные темическиэ ограничения на возможности реконструкции отдельных учьсткиз. на выбор площадок для сооружения яьсоскых подстанция и др.

В-третьих, для всех сравниваемых вариантов были получены всесторонние оценки с учетом требований экономики, эксплуатации и надежности- Экономические оценки сделаны на основе'огптоызаниснчых расчетов по выбору диаметров новых и ракоьстчумруекьк у^астксв. параметров и мест расположения цасосных подстанция. Для эксплуатационной оценки наряду с анализом нормальных режимов производились расчеты наибо.1ее опасных азартных ситуаций. По отношению к каждому потребителю находалк;ь участей при авариях ка которых он недополучает тепли и с учетом вероятности этих аварий определялась надежность теплоснабжения.

Б црлоу благодаря применений методов теории твдравлических целой удалась по сравнению с предварительно намеченным проектировщиками вариантом вдвое уменьшить число насосных подстанций. повысить надежность теплоснабжения и более чем на 10% сократить затрата на транспорт теплоты.

' Результаты сопоставления двух вариантов ' теплоснабжения города представлены в табл. 5.

Нар;зду с исследованием методов оптимизации и расчета потокораспределэния в сетях 11-4.6.8.91 другим результатом автора в грименении. теории гидравлических цепей является решение задачи о , сспоотэаюнии эффективности трансторга различных энергоносителей [II.IV]. которая была сформулирована следующим образом-

Определить кавлчзства энергии. которые . могут быть переданы в единицу времени по трубопровода заданных диаметра и длины, при использовании клздого из ■ сопоставляемых энергоносшшой. При этом принимаются предпосылки, что режим движения турбулентный. а потери давления в трубопроводе одинакеш для всех рассматриваемых вариантов, те ль-соинь.

Пзрзач предпосылка предатакпяотся очевидной, так как при транспорте сколько-нибудь значительно! х количеств энергии (при больших диаметрах трубопроводов) ламинарный режим на

имеет места. Условие ль*сот1 оылп принято исходя из свойства пологости пкономическсго функционала (п данном' случае могут использоваться соотно'^ни.т (¿9)-(32)).

Таблица 5.

СОПОСТаВ.№ИЭ вариантов тЬплиснз0жеЫ1Я горюча, чамеченяьх без пр:тлэие.чин (I) и с 1;рименеы!ем- (?) моте дер теории ' гидрав-тических да поп

Показатели Едгатши Е а р и ант, ы,

измерения 1

1 2 г 4 '

Суммарные капиталов лота - _млч, ру^

ния па расширение и ре- » юо <55 , и

конструкцию сети

Количество вновь соору- _шт.__ 7

жаемых насосных подстэн- X юо ' 20

ЦИЙ

Капиталовложения в на- 1,9

сосные подстанции * 100 42, 2

Суммарные капиталовложе- 4Я, в 43,2_

ния в сеть и насосные ЮО 87, 1

подстанции

Гзсгод ■электроэнергии млн. кВт. ч з<м, е: 281^3

на перекачку теплоноси- X 100 • 9

теля

Затраты т перекачку МЛН_Р2'6 г, 7*

теплоносителя. * ЮО вЗ, 8

Суммарные затраты в, е

100 86,3

Действительно. хотя значения дь о ДЛЯ различных

:)нергон.;сителек различны, осширме. зоны полстости затрат дяя сопос-эглнрмых выриэктсь имеют течки, принадо-кач'ие им всей

4 у

одновременно. и. следовательно. есть такие значения ль.■ при которых затрать; во всцх случаях будут близки к оптимальным.

Используя условия г.h • const и известную формулу Дарси-Веисбаха

г

ДЬ - Х-4--I (33)

а d

рещеаиэ сформулированной задачи можно найти в виде

Э - --- J. (34)

эу >ч

о

Э 1зз> и с 34) л-коэффициент гидравлического трения; а и t - диаметр и .одна трубопровода соответственно; • - скорость; я - плотность энергоносителя; Э и Эу - сравнительное количество энергии, которое может быть передано с помощью энергоносителя, и его удельная объемная энергоемкость; индексы "з" и "i" el носятся к эталонному и i-му энергоносителям. Для эталонного' энергоносителя пропускная способность трубопровода по энергии принята равной единица.

Зная 3 и потери энергии на транспорт эталонного эвергоносителя, легко найти предельные коэффициенты полезного действия транспорта различных энергоносителей и, используя зависимости вида isa), сравнительные удельные денежные затраты 3*. Найденные опенки сравнительных показателей транспорта восьми энергоносителей сведаны в табл. е.

Приведенные в табл. значения ч могут быть уточнены, при шроходо ha более низкие уровни абстракции благодаря учету требований к сооружению насосных или компрессорных станций, потерь в нагнетателях,' особенностей конструкций трубопроводов, наличия изоляции и других факторов применительно к каждому из сопоставляемых энергоносителей.

Гзблица 6

Оданка сравнительных показзтеяея транспорта энергоносителей

. Энергоноситель рж^ Э^.о.о Э. с. о.

Сравнительные „затраты е.-тсДч

ппуаг пвкопэЬ

Вода**' д1«вовс

050

1

I «100 С

ер

Синтез-газ (со*

ЗН ),Р =в МПЗ**} ) 22,74 о, 399 а ' ср

ср

Водород СНг) р «в мпа Метан с с»4) р -в (Ша

• ср

Метанол (сн^о)

Моторное топливо с а'3 >

УГОЛЬНОтВОДЯ"

ная суспензия

с 011^0-0, 5 )

Угольно-нэта-нрльная сусгаэн-

ЗИЯ (С^С)^О-О, О)

5,34 2,010

оэ, а 1

2,570 80,40 0,611 1.0П0 27,00 88,82 0,037 0,20/

42, ев 0,698 31,00 09,10 0,032 0,230

703 52,20 57,40 09,63 0,017 0,107

ООО 109,4 119,7 99,04 0,0094 6,147

1310 02,30 53,28 ВО, В 0,0103 0,204

1220 101,0 00,20 09,94 0,031 0,103

Примечания к табл.6 «"> определен для условия, когда ¿=1000 км и МЙа. Горячая вода выбрана в качестве эталонного энергоносителя; - темперзтурныа перепад у потребителей: - средняя за отопительный триод температура транспорта-. Показатели определены для случая, когда сянтоз-газ у потребителей не сжитзатея, а мзтанируется (применение б хе-мотермической системе теплоснабжения).

В то же время и при достигнутой точности полученные оценки позволяют сделать некоторь'о интересные вывода. Из табл. е., например, видна сильная зависимость сравнительной

эффективности энергоносителеа от абсолютных размеров транспортируемых потоков энергии i столбцы при n « v*r и n - const). При больших масштабах транспорта» когда увеличение пропускной способности трубопроводов требует прокладка дополнительных ниток i" - *»г различия между затратами на передачу энергии оказываются значительно

большими, чем в случае мелких трубопроводных систем. «

з.з. Эффективность комбинирования

Особенность исследования комбинированных технологий, в которых из одного и того же ввда сырья производится несколько ввдрв продуктов, заключается в том, что для этих технолота вычисляемый на основе термодинамического анализа коэффициент полезного действия но дзет достаточно полного представления об энергетической эффективности. Например, и ТЭЦ на современном этапе развития советской энергетики обычно бывает гшш г> районных котельных, ко, несмотря на это, теплоэлектроцентрали обеспечиззют снижение суммарного расхода топлива по сравнению с раздельными выработками электроэнергии на конденсационной электростанции и теплоты в коте.иных. Определение шэ. расходов топлива на отдельные продукты оказывается нетривиальным, так . как множители Лагранжа . служащие для нахождения численных значений этих Величин, при решении данной ' задачи часто получатся неоднозначными. '

Ь настоящее' время общие затраты с экономия) pecyjicoe Чэнергетических, денежных) комбинированных технологий распределяются в основном с помощью одного из следующих методов:

- весового, когда затраты принимаются .пропорциональными выходу отдельных продуктов на единицу сырья, измеряемому в долях по массе, энергии или эксергии, смотря по тому, какая из величин принята за показатель весо;

- '.охранения имеющих место при раздельном способе производства пропорций в затратах;

отнесения экономии от комбинирования на один или

to

пескол: но гтродустов то всого получаемого набора.

Их выбор обычно обосновывается нсформалпзузмыми соображениями и часто при реяэнии аналогичных яацзч испольауются противоположные подходы. Так, в СССР при определении расходо! топлива п? 'вторичные энергоносителе, вырабап-ываекые на ТЭ!1. принято . относить экономию от комбинирования исключительно на электроэнергию. В ФРГ, наоборот, весь эффект в данном случая пзреио'сется па отпускаемую теплоту, что призвано стимулирэв?ть развита централизованного топлссяэбжэния.

Четкое представление о правомочности того 'дли гашго мотода распределения затрат и, следовательно, о корректности решения связанных с ним вопросив можно получить только кэ , основе исследования физтэ-эконпмических и математических особенностея задачи оценки эффективности номинирования.

Физико-химической основой ког.'-бгаирования яашзтсл термодинамическое с или киногичоскоо> сопргггэготэ. Тая, осуществление на ТЭЦ преобразования тепловоя энзрп"! потиса хаотически движущихся частиц в элоктргшасую опартта упорядочение геремещ-здихся зарядов связано с угэпкзшт энтропии и возможно только при одкозрзтаином протекатл сопрягающего необратимого процесса перехода теплоты от горячего к холодному истошпшу.

Для формализованного исследования задач согоотзатш. комбинированных и раздельных способов производства П определения затрат на отдельные продукты был:! приняты простейпта экономическая п математическая рп стапоии III. 17».

Предположим, что требуется получить из одного и того то сырья р» продуктов. Нужный объем выработки 1-го про дуэта 11-1,...т.) •• • равняется ь . Для их производства могут быть использованы лио'п комбинированные с ), либо раздельные

^-1-1.....ш) способы. Дополнительных ограничонка на

масштабы применения этих способов не ялкъздюзотся, т. е.. потребность в каждом из продуктов котэт бьпь полностью удовлетворена как с помоаья комбинированной. . тзя и раздельными технологиями. Заппсиггасть затрат в .^уо

Tüiaoioi ию от количества переработанного с ее помощью сырья *. кмеат вид

4

3 » с xе , 135)

1 11

гдо с - постоянные косффиционт.

Функция3 • гсхj может сыть либо вылукл-ja (с. > 1), либо линеяяоя ta » 1 >, jjöo вогнутой (о ( (i < 1Экономическая система «шются равновесной, т.е. прирост затрат ресурсов штрао ил-лоз равняется приросту дохода производителей.

При этлх условиях задача, математически может быть сформулирована в виде общрго уравнения равновесия сi) или как поиск зхсстремума (седловои точки) его интеграла -функции Лзгренжа»

L» £е*а ♦ ЕХ(Ь, - а х -а х ) , (36)

Ii t 1 и I Ltn.l m.| ' '

j-I i-i

x^ > о для всех j.

где - неопределенный мл «китель, интерпретируемый как стоимостная оценка (цена) ж-го продукта; а ,- выход 1-го продукта из еданида исходного сырья при раздельном и » и способе 9го получения; - аналогичный покззатель для

комбинированного производства. •

¡В прссютпем случае можно предположить, что коэффициенты *Чг»ч пропорционалыщ т'. е.

г ✓ Ь • const Д2Я BC3X i (37 >

• . ttori I л '

и, следовательно, потребность в продуктах • может быть полностью удовлетворена с пойощью комбинированной технологии без .произьодстза излишков. Принятие условия 137), на первый цзгляд, . представляется не допустимой идеализацией задачи, лшаищрй ее какой-либо практической значимости. Однако его возможность видна хоти бы из того, что для действующей комбинированной установки пропорциональность ь и am>i соблюдается автоматически i сштношеаи>! жрэду общими обюмами производства ггред!фиятием отдельных продуктов те же, ч то и

яожду их ьыходами из единицы сырья?. Следовательно, запись ограничения основывается на органическом свойстве

комбинированных технологи?. ' Именно это условие позволило объяснить случаи многозначности двойственных оценок и проанализировать возможные решения • задачи распределения затрат пр:< наличии этой многозначности. В ходе исследования рассматривались и более сложны» постановки проблемы, то включающие выражение <37>.

Анализ задачи поиска экстремума сзв> при дополнительном условии с 37) показал что многозначность множителей х имеет место только для линейной fa=i) и вогнутся гя'1) функции затрат (зз>. При выпуклости <j9j даяаэ при большой сравнительной эффективности комбинированной технологии хотя бы незначительную долю продукции необходимо получать раздельным способом, поскольку производаая 63/<1 при некоторых значениях становится больше производных

<53^6xj ( J » l,...,m).

В случае линейной функция затрат задача сводится к канонической задаче линейного погряимирования. При этом, когда комбинированное производство является эффективным, из пропорциональности элементов столбцов > и ь расширенной матрицы системы огратпеттй следует вырожденность решопия прямой задачи, т- е. многозначность дворстеорной.

Вогнутая функция. как известно. достигает своих минимальных значения в крайних точках области допустктж значений переменных, а при линейных ограничениях - . т? вершинах образуемого "этими ограничениями многофанникр. Для нашой задачи при большей .эффективности комбиниропзннрй технологии глобальному минимуму затрат соответствует вершина х = ь /л , х » о, j «• i,... «я, что имеет место и дгя

m* t i J

линейной задачи. Поскольку характер функции L » л>.) от в m зависит, многозначность оптимального решения относительно х такжо сохраняется.

Любопытной особенностью рассматриваемо;; задачи является возможность получения отрицательных значений Экономический смысл подобные }*5шенк:; могут иметь в случаях, когда в полную цену продукта вклзочякггея не только цена его

ьз

производства, но и цаяэ ого транспорта, а возможно и цзна дршанитэдыш обработки в узла потребления. Тогда вполне реальной предстаьаяотсл сигузудя, что отрицательное ■слагаемое полноправно участвует в формировании полной цэны, 'уаеньпая ее, но оставлен] положительной.

г. Шзаокиости возникновения многозначности решения были цроанализ^фовэкы таю» для случаев, когда» накладываются ограничения на масштабы комбинированного производства при отсутствии требования сзту. с раздольными технологиями Конкурируют одяоврешндо несколько комбинированных; в формулировку задачи добавлжггся уравнения, описывающие ограничения, на иашьзуешэ ресурсы с денежные, трудовые, ватериальпые, природные). Проведенный анализ, позволил обоснованно выбирать подхода к раскрытию многозначности.

Многозначность полностью определяется формализованоя записью таких условий развития систем и системных характеристик развития технология, как потребности в Отдельных продуктах ь., уделььы& затраты на переработку сырья е., выхода продуктов из единица сырья допустимые

: насштабы развития отдельных типов технологических установок. Следовательно, она не может быть устранена дополнительным включенном V постановку задачи каких-либо показателей, отрааающих особенности протекания процессов внутри установок, которые в данной случае могут рассматриваться как '■чернью ! яздикиг-*. Эти», конечно, не отрицается цз-шссобразность учета технологических нюансов при решении задач внутризаводского распределения затрат между отдельными, цехаш ийи ст&дияый. производственного процесса. Детальное исследование ' процесса кошт шзволить . выявлять и (ризико-химические истоки . зффекта. от ' комбинирования . для конкретной рассматриваемой технологии.

Среда "допустила подходов к . решении . проблемы нногозначности в . зависимости ст ее реального содержания яащо отметить следующие.

; 1., Выделение в математической формулировке задачи таких вдгребностей'(компонэнтов вектора ь>, которые не могут быть .далаастью удовдегаореры' за счет комбинированных технологий.

. 5.4 ,

Для коррекгноя формализации, видимо, надо проанализировать- в ■ приросте изготовления каких продуктов мы прежде всего заинтересованы. Выделенным комонентам ь будут соответствовать стоимостные оценю!, равные стоимостям раздельных производств.

г. Определение стоимостных оценок на основе анализа роста затрат в комбинированное производство при изменении соотношений между выпусками отдельных продуктов. Оценка 1-го проду!гга находится из выражения

X =■ ,

I I

Наиболее обоснованной такая постановка задачи, очевидно, является, когда решаются вопросы об увеличении выработки одного из продуктов на уже существующих комбинированных установках при заданном объеме производства остальной части продукции. Входами и выходами исследуемой системы в данном случае оказываются соответственно изменения производства отдельных продуктов и изменение суммарных затрат. па технологию.

Если формализованное решети проблемы многозначности подучить не удается, то из проведенного анализа может быть сделан вывод о допустимости не связанного с экономическими потерями стимулирования отдельных групп потребителей к приобретению продукции комбинированных установок, вплоть до установления отрицательных значений некоторых составляющих цены продукта. Предоставление скидок потребителям, вырожэщим согласие подключиться к тепловым сетям от ТЭЦ, п^дяагалось в ФРГ, где выбор источника теплоснабжения дате в районах, обслуживаемых теплоэлектроцентралями, является личным делом домовладельцев.

Перспективная > конкурентоспособность комбинированных технологий, энергетические и экономические характеристики которых пвлякггея многозначными, мишт быть оценена только с помощью моделей системы г: структуры 1 технологии. Пониманиэ условт ■ .изликновения многозначности должно спссобстйсвать корректным построения и использован™ этих моделей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Изложенные исследования включают два основных направления: а) развитие обшрй методики оценки энергетической, экологической и экономической эффективности новых энергетических технологии, исходным пунктом которой является физико-химический анализ возможностей их совершенствования, и б) созданиие термодинамических и цепных моделей для проведения такого анализа. 1С настоящему времени достаточно четко выявились теоретическая и практическая значимости тематики исследования, заложены основы для дальнейшего развития предлагаемых моделей, получен ряд ценных прикладных результатов.

г. Созданные модели промежуточных термодинамических состояний физико-химических систем существенно расширили круг природных и технологических процессов, которые оказывается возможным изучать с помощью аппарата равновесной термодинамики, и увеличили разносторонность термодинамического анализа. Важным преимуществом этих моделей по сравнению с традиционными является возможность формализованного поиска оптимального состава исходных реагентов.

Дальнейшее повышение практической эффективности моделей прокенуточпых состояний связано .с ИХ' распространением на все основные классы термодлнакичэских систем. На сегодня с ее помощью описаны системы, включающие идеальную и реальную газовые фазы с в том числа с ' электрически заряженными частицами); чистые конденсированные вещества; идеальные растворы, ^обы ккеть возможность рассматривать достаточно полный список энергетических технологий и связанных с воздействием энергетики природных процессов, надо сделать математические описания реальных растворов, включая растворы электролитов; гетерогенных систем, в которых Еажную роль играют поверхностные эффекты; процессов химии высоких энергий <. плазмохшши. радиохимии и фотохимию. Работы в этом направлении сейчас ведутся автором совместно с другими специалистами из различных организаций.

э. Построение моделей электрических, гидравлических и химических термодинамических цепей и развитие положении теории гидравлических, цепей об экстремальных свойствах оптимизационных моделей позволили углубить фкзичосп'-Э интерпретации различных математических описания TOTOKopjcnpeделения в сетях, развивать методы отгпнизации сется и pemrn- ряд прикладных задач транспорта энергоносителей.

Работы по термодинамике химических шпзй находятся eco на ранней стадш развития. Их продо.ташгэ в'.цзггся, прэтеэ всего, з решении задачи построения отптазльпого графа термодинамической цепи, что позволит находить предельные оценки процессов преобразовать топлиз и энергоноснтелзп с учетом их возмечтай: механизмов.

i. Основные прикладные результаты выполненных исследования включают« сценки возмоетосгея совершенствования ряда технология сяотгания и переработки тошпгз и транспорта энергоносителей; огглиизацию систем теплоснабжения киотах городов СССР,- анализ некоторых концепций иаучпо-тохшпэспсго прогресса в энергетике (например, кояцзщш! интегрярсванных энергетических систем).

Дальнейшее совераэнствованиэ предложенных' кодэлэа .и накопление необходимых для их использования бзпкоз далилх позволит повысить эффективность анализа как конкретных технология, так и будущих технологических структур, п, в первую очередь, повысить точность и разносторонности анализа экологических последствий наша сегодняшних технических решний.

К ближайшим прикладным задачам, при ревэиии которых momo будет использовать рассмотренные модели и кэтоды. следует отнести анализ возможных концепций экологически чистой энергетики с основанной на интегрированных энергетических системах, солнечной, водородной) и исследование процессов трансформации вредных отходов энергетики в биосфере, эти задачи начинают исследоваться в СЭИ.

Список опубликованных материалов по теме диссертации.

J Каганович Б. М-. Сирии А А-. О выборе диаметров труб развазащихся и реконструируемых тепловых • сетей- // Теплоэнергетика- - 1S5&. -из,- с.65-68.

2. W.I-Chasailew. A.P.Morenkow, O.A.Nekrassowa, В.М. Kacanowitech. (fahl der Schaltungen und Parameter für industrielle Fornwäriaaversorgunssnetze.// Enoreietechnik 1970. -N3-q.109-112.

а. Каганович Б. M.. Хасилов В. Я.. Методика расчета центрального регулирования систем теплоснабжения при 'совмоствоя работе источников.//Теплоэнергетика. - 1370. 1110. - с. 7S-Ö0

4- Каганозич Б.!,!.. Свзтлоз К. С. . Сумароков С- В-. Такайшвили Ы. IL . Баранова С- Ю-. Расчет сложных тепловых сетей- // Водоснабжение и санитарная техника. - 1974. - N4. - с. ia-ю

s. Хасилэв В. Я.. Каганович Б- М.. Виноградов Н- Л- . Сеннова Е- В.. Сб эффективности нагру.чинного резервирования в тепловых сетях. //Теплоэнергетика. - 1974. - ¡п. - с. 66-71-

е. Хасилов В. Я.. Каганович Б- Ы.. Вопросы оптимального прооктиравания тепловых сотой ' с учетом надежности. // Всесоюзная конференция по теплофикации. Л: Энергия.

I0T4-C. 01-07 ' ,

7. Хасилзв В. В., Мэрснков KU-. Каганович Б. М. . Виноградов ПЛ.. О цроблокэ ■ надоааости систем теплоснабжения с нагруженным резервированием- // Известия Ail СССР. Энергетика И транспорт-- 1ЭТ6-- Hl, - C.T46-I53. .

О. Хзсилзв Б. Я.. Мзронков А, И-, Каганович Б. М. . Светлов II С-, Т^иайавили М- К.. Катода и алгоритмы расчета тепловых С0ТС2. U.: Энергия, ша 176 с.

в Каганович Б- II. Дискретная оптимизация тепловых сетей- -Новосибирск; Наука. Сиб. отд-ьиз. 1978.- 88 с.

10, HaslonnikovV.M-, Sbtarenkwrg В.1., • Belyaev L.S., Kaganavlch B.M., Filippov S.P.. Prospects for developing the coal-based technologies of . electricity and heat production.// Proc. 5-th USSR-Japan ■ Energy Symposium.-October 8-12.- Tbilissi; Moteniereba, 19й4.-р.Ь9-74.

fS