Источник экономии топлива

Рассматривается установка, в которой реализуется двухпродуктовый термодинамический цикл, изображенный на рисунке в координатах h-S. Условия: установка технически совершенна; затраты энергии на собственные нужды пренебрежимо малы; начальные (P1, t1 — давление, температура — точка 1 процесса) и конечные (Pк, tк — «прямая среды») параметры цикла фиксированы; параметры в противодавлении или в регулируемом отборе турбины (Pт, tт — точка 2) могут изменяться в пределах Р1? Рт? Рк; hк, h? к — энтальпии, соответственно, влажного пара (точка 3) и воды (точка 4) на «прямой среды». Условно, для удобства изложения, принято, что низшая теплота сгорания топлива, как величина постоянная и не влияющая на ход дальнейших рассуждений, равна 1; тогда количество подведенной в цикл теплоты оказывается эквивалентным количеству сожженного топлива.

Для дальнейшего изложения представляется необходимым отметить следующее.

• 1. Термин «эксергия» используется лишь как более удобный, как синоним терминов «работа», «работоспособная часть» или «чистая» энергия (продукция), под каждым из которых понимается энергия, которая может быть полностью использована потребителем. Употребление термина «эксергия» не означает применения «эксергети-ческого» метода. Данный термин и, соответственно, «метод», согласно обоснованному мнению, сформулированному в [8], не вносит какого-либо нового содержания в анализ процесса; любой метод анализа эффективности процесса преобразования энергии требует, согласно второму началу термодинамики, четкого разделения подведенной теплоты на работоспособную (эксергия) и неработоспособную (анергия) части.
• 2. Так как цикл Карно является образцом для любых циклических процессов, то динамика оценок эффективности, в том числе, экономии топлива, рассчитанная как функция абсолютных температур данного цикла, будет адекватной и для произвольного цикла. На данном основании в дальнейшем формулы для расчета оценок эффективности, в том числе, экономии топлива, приводятся как в виде соотношений различных частей баланса энергии рассматриваемой установки, так и в виде соотношений абсолютных температур цикла Карно.

Цель реализации анализируемого циклаполучение двух видов «чистой» продукции: эк-сергии Еэ, которая выводится из установки в виде электроэнергии Nтф или Этф — мощности или выработки на тепловом потреблении; и эксер-гии Ет, которая выводится из установки в составе отпускаемой потребителю теплоты Qот.

Баланс энергии установки представим в виде:

B = Q = Е+А=Eэ+Ет+A = Еэ+Qот, (1).

где B, Q — количество первичной энергии (топлива B, теплоты топлива Q), подведенное в цикл; Е=Еэ+Ет — общее количество работы, полученное в цикле; А — анергия или потеря первичной энергии в холодный источник (теплота рабочего тела, достигшего температуры холодного источника — точки 3 процесса — не может быть использована, согласно второму началу термодинамики, ни для получения другого вида энергии, ни для нагрева другого тела).

В первом приближении для оценки эффективности цикла вполне корректно принять соотношение в виде:

зТЭЦ=(Eэ+Ет)/(Е+A) = E/B, (2).

которое трудно опровергнуть. Данное соотношение именуется «эксергетическим» КПД, и, по существу, представляет собой оценку эффективности однопродуктового цикла по производству электроэнергии Nтф=E (при Рт=Рк, Ет=0 -ТЭЦ превращается в КЭС) или Ет = Е (при Рт=Р1 Еэ=0 — ТЭЦ превращается в котельную); причем значение КПД остается неизменным при любых соотношениях Nтф, Ет и Е=const. Действительно, «процесс не знает», что Еэ и Ет будут выведены из цикла как разнородные виды энергии.

Аналогично (4) и (5) представим выражения для общих затрат и количества отпускаемой потребителю теплоты в символах, позволяющих различать полезную и бросовую части энергии:

В = Е+А=Еэ+Ет+Аэ+Ат, (6).

Qот=Ет+А=Ет+Аэ+Ат. (7).

Выше было отмечено, что «процесс не знает…»; однако, известно, что электроэнергия, расход топлива на которую составляет (4), выводится из цикла в «чистом» виде, без Аэ. Вместе с тем, «чистая» продукция Ет может существовать и быть доставлена тепловому потребителю только в составе теплоты Qот, т. е. в сумме (7). Из сопоставления (4) и (7) следует, что анергия Аэ, выполнив однажды свою функцию (сопроводив производство электроэнергии), вторично входит составляющей частью в отпускаемую потребителю теплоту Qот, обеспечивая заданное качество этой теплоты, т. е. ненарушимость соотношения зeт=Ет/Qот=Ет/(Ет+Аэ+Ат) или содержание эксергии в ней, а также сохранение общего баланса энергии (6).

Так как анергия A (или любая ее часть — Аэ, Ат) представляет собой безвозвратную потерю первичной энергии в холодный источник, то феномен двойного функционирования Аэ правомерно полагать факторам экономии первичной энергии (?B): безвозвратно утраченная часть первичной энергии, т. е. Аэ, оставаясь таковой, обеспечивает (в составе A=Аэ+Ат) заданное качество теплоты Qот или получение Ет с параметрами теплоносителя, заданными тепловым потребителем. Это с одной стороны означает, что получение Qот в совместной схеме не требует сжигания топлива в количестве? B, эквивалентном Аэ; с другой, очевидно, что существование Аэ, как части А, и ее толкование как экономии топлива, корректно лишь в случае, когда одновременно с Ет (Qот) производится электроэнергия Еэ (Nтф). Отсюда следует: если бы часть анергии (Аэ) не функционировала дважды, то на производство Nтф и Ет (Qот) с КПД зТЭЦ потребовалось бы топливо в количестве, эквивалентном B? = В+?B = Е+А+Аэ, т. е. в количестве B?>В. Иными словами, в любой схеме энергопроизводства, в которой отсутствует двойное функционирование части анергии, выработка Этф и Qот (Ет) потребует увеличения общих затрат топлива на? B.

Важно заметить, что в графическом изображении процесса величина? B (Аэ) не может быть представлена локально (в виде отрезка в диаграмме h-S или площади — в T-S), т.к. она в балансе энергии не участвует. Наоборот, разнородность выводимых из цикла видов энергии создает (формирует) экономию, уменьшая затраты топлива в данной установке «путем» двойного функционирования Аэ, которое также не может быть отображено графически, т.к. разнородность является прерогативой представления (сознания) о технических свойствах энергии, но не диаграммы состояния рабочего тела («…процесс не знает…»).

Таким образом, если полагать доказанным существование раскрытого выше феномена, то? B правомерно рассматривать как дополнительный реальный эффект совместного производства электроэнергии и теплоты, который формируется на топливном складе данной ТЭЦ и не связан с эффективностью работы других установок энергосистемы.