Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Оценка взаимодействия судовых энергетических установок с окружающей средой
1.1. Особенности взаимодействия промышленных объектов с окружающей средой. Формирование геотехнических систем 10
1.2. Плавучий атомный энергоблок для теплоэлектростанции малой мощности 13
1.3. Нормативно-правовая база предотвращения загрязнения окружающей среды в ГТС "СЭУ - окружающая среда" 18
1.4. Воздействие СЭУ на окружающую среду 24
1.4.1. Радиоактивное загрязнение -
1.4.2. Тепловое загрязнение гидросферы и атмосферы 27
1.4.3. Другие виды воздействия на окружающую среду 31
1.5. Методология инженерно-экологического анализа 32
1.6. Развитие эксергетического метода термодинамического анализа 37
1.7. Выводы и постановка задач исследования 41
ГЛАВА 2. Эксергетический метод термодинамического анализа взаимодейсвтия промышленного объекта с окружающей средой
2.1. Эксергетический метод термодинамического анализа ГТС 44
2.2. Основные свойства эксергии 49
2.3. Экологическое приложение эксергетического метода 52
2.4. Эксергетическая оценка переноса массы и энергии в ГТС 57
2.5. Термодинамические показатели состояния ГТС 60
2.6. Выводы 64
ГЛАВА 3. Инженерно-экологический анализ плавучего атомного энергоблока
3.1. Алгоритм и программа энергетического и эксергетического расчета ПЭБ 65
3.2. Описание компьютерной программы 70
3.3. Анализ эксергетических диаграмм ПЭБ 76
3.4. Исследование влияния уровня теплофикационной мощности на энергетические и эксергетические характеристики ПЭБ 81
3.5. Исследования влияния количества ступеней регенеративного подогрева на энергетические и эксергетические характеристики ПЭБ 85
3.6. Исследование теплового воздействия ПЭБ на окружающую
среду 91
3.7. Выводы 97
ГЛАВА 4. Эксергетическая технико-экономическая и экологическая оптимизация промышленного объекта
4.1. Критерий минимума потерь эксергии в энергетической установке 98
4.2. Критерий минимума эксергетических затрат на всем жизненном цикле энергетической установки 101
4.3. Анализ элементов жизненного цикла ПЭБ 104
4.4. Оценка опасности образующихся в ГТС отходов по величине их химической эксергии ПО
4.5. Принятие энергетических решений и определение альтернатив в энергетике 111
4.6. Выводы 115
ГЛАВА 5. Эколого-экономические аспекты управления жизненным циклом плавучего атомного энергоблока
5.1. Перспективные методы расчета обоснованного уровня тарифов на электричекую и тепловую энергию 116
5.2. Расчет ущерба, наносимого окружающей природной среде 120
5.3. Обоснование проекта ПЭБ 121
5.4. Содержание раздела "Оценка воздействия на окружающую
среду" 123
5.5. Экологическое управление жизненным циклом ПЭБ 127
5.6. Выводы 130
Заключение 131
- Особенности взаимодействия промышленных объектов с окружающей средой. Формирование геотехнических систем
- Эксергетический метод термодинамического анализа ГТС
- Алгоритм и программа энергетического и эксергетического расчета ПЭБ
- Критерий минимума эксергетических затрат на всем жизненном цикле энергетической установки
Введение к работе
Угроза деградации окружающей среды является глобальной проблемой человечества в новом тысячелетии. Экология как синтетическая наука становится не только частью современного естествознания, но и его отличительной чертой. Пределы применения экологических знаний постоянно раздвигаются, и экология становится сейчас скорее воззрением, чем частной дисциплиной.
Для успешной инженерной защиты окружающей среды необходим научно обоснованный анализ массопереноса и энергетических превращений в геотехнических системах (ГТС). Для комплексной оценки взаимодействия промышленного объекта с окружающей природной средой предлагается методология инженерно-экологического анализа на всем жизненном цикле промышленного объекта. Этот анализ должен начинаться от первичных энергоресурсов и сырья, а завершаться на стадии использования вторичных ресурсов и отходов. Базой для такого анализа может служить, прежде всего, термодинамика.
В связи с необходимостью рационально решать задачи, связанные с энергетическими превращениями в самых различных технических системах, в 50 гг. XX века выделился в самостоятельное направление специальный раздел, получивший общее название эксергетический метод термодинамического анализа. В настоящее время он представляет собой инженерный метод с элементами системного подхода, экономики и экологии, и удовлетворяет современным требованиям, предъявляемым к анализу ГТС "промышленный объект - окружающая среда".
Известны лишь отдельные работы, основанные на использовании термодинамических характеристик для оценки взаимодействия промышленных объектов с окружающей средой. Термодинамический анализ на основании расчетов энтропии и эксергии описывает и изучает общую направленность процессов в ГТС, закономерности переноса массы и энергии, а также устанавливает общие альтернативы реализации технический процессов. Эксергетический метод открывает возможности для определения устойчивости геотехнических систем на основании фундаментальных термодинамических характеристик.
Важно отметить, что эксергетический метод позволяет найти и выявить связи термодинамических характеристик технических объектов с технико-экономическими и экологическими. Интерес к эксергетическим исследованиям возрастает с каждым годом в различных научных дисциплинах, особенно за рубежом.
В диссертации поставлена цель показать возможность применения эксергетического метода для инженерно-экологического анализа плавучего атомного энергоблока (ПЭБ).
Очевидная актуальность выбора объекта исследования особенно возрастает в связи с тем, что Министерство по атомной энергии Российской Федерации (Минатом РФ) рассматривает строительство плавучих атомных энергоблоков на базе ледокольных реакторов одним из перспективных направлений развития российской энергетики. В соответствии с государственными программами развития атомной энергетики планируется ввести в эксплуатацию несколько атомных электростанций малой мощности на базе ПЭБ для решения энергетических проблем Крайнего Севера и Дальнего Востока РФ.
В диссертации используются следующие методы: эксергетический метод термодинамического анализа и его приложения к решению технических, экологических и экономических задач; системный анализ ГТС; усовершенствованный метод расчета судовой ядерной энергетической установки; эколого-экономический анализ жизненного цикла ПЭБ.
Диссертационная работа состоит из пяти глав, заключения, списка использованных источников и трех приложений.
В первой главе проанализировано современное состояние нормативно-правовой базы регулирования антропогенного воздействия в ГТС. На примере ГТС "промышленный объект — окружающая среда", сформированной судовыми энергетическим установками (СЭУ), рассмотрены основные источники загрязнения окружающей среды и методы нормирования антропогенного воздействия на всем жизненном цикле СЭУ. Приведено критическое рассмотрение концепции предельно-допустимых концентраций (ПДК) и предложено дополнить существующие методы оценки воздействия на окружающую среду термодинамическими характеристиками. Приведен обзор литературы по использованию термодинамических характеристик для описания процессов, протекающих в ГТС, на основании эксергетического метода.
Во второй главе теоретически обоснованы основные положения эксергетического метода термодинамического анализа взаимодействия промышленного объекта с окружающей средой. На основании собственных исследований дополнены и развиты основы экологического приложения эксергетического метода. Показано, что эксергетический метод термодинамического анализа является универсальным инструментом для оценки и управления жизненным циклом промышленных объектов в виду аддитивности эксергии.
В третьей главе проведена апробация предложенной методики для инженерно-экологического анализа ПЭБ, входящего в состав атомной станции малой мощности. Выполнен эксергетический анализ энергетической установки одного ректора ПЭБ. Для проведения расчетов усовершенствован алгоритм энергетического и эксергетического расчетов судовой ядерной энергетической установки (СЯЭУ). Разработана компьютерная программа инженерно-экологического анализа ПЭБ, на основании которой выполнены исследования повышения термодинамической эффективности ПЭБ и уменьшения его воздействия на окружающую природную среду. Проведен расчет теплового загрязнения залива, используемого ПЭБ в качестве водоема-охладителя.
В четвертой главе обоснованы принципы эксергетической технико-экономической и экологической оптимизации ГТС "промышленный объект — окружающая среда" на всем жизненном цикле промышленного объекта. Сформулирован оптимизационный критерий минимума суммарных затрат эксергии при использовании трехмерной модели в системе координат "суммарные затраты эксергии, денежные затраты и выбросы загрязняющих веществ".
В пятой главе проанализированы и развиты эколого-экономические аспекты эксергетического метода термодинамического анализа взаимодействия промышленного предприятия с окружающей средой. Рассмотрены методы расчета обоснованного уровня тарифов на электрическую и тепловую энергию. Сформулирован эксергетический подход к образованию указанных тарифов. Предложено содержание раздела "Оценка воздействия на окружающую среду" (ОВОС) для проекта ПЭБ. Сформулированы необходимые этапы и функции экологического управления ПЭБ, гарантирующих соблюдение экологических нормативов и обеспечивающих минимизацию экологического риска на всех этапах жизненного цикла.
В Приложении 1 приведены условные обозначения, использованные в работе. Приложение 2 содержит описание и распечатку компьютерной программы инженерно-экологического анализа ПЭБ. Акт использования результатов кандидатской диссертации приведен в Приложении 3.
На защиту выносятся следующие основные положения:
Приложение эксергетического метода термодинамического анализа к расчету взаимодействия промышленного объекта с окружающей средой.
Эксергетические и энтропийные расчеты как составная часть инженерно-экологического анализа геотехнических систем.
Обобщенный эксергетический критерий технико-экономической и экологической оптимизации геотехнических систем.
Эколого-экономические аспекты инженерно-экологического анализа ПЭБ, включая: эксергетический метод тарифообразования на электрическую и тепловую энергии; термодинамическая оценка ущерба окружающей среде; экологическое управление жизненным циклом ПЭБ.
Научная новизна результатов исследования:
Теоретически обосновано применение эксергетического метода термодинамического анализа взаимодействия ПЭБ с окружающей средой.
Предложен усовершенствованный алгоритм энергетического и эксергетического расчета судовой ядерной энергетической установки.
Выполнен инженерно-экологический анализ ПЭБ на основании эксергетических и энтропийных расчетов.
Исследована термодинамическая эффективность ПЭБ в зависимости от уровня теплофикационной мощности и количества ступеней регенеративного подогрева.
Рассчитаны характеристики теплового загрязнения залива в месте базирования ПЭБ и границы устойчивости геотехнической системы, сформированной ПЭБ.
Обосновано применение эксергетических критериев для технико-экономической и экологической оптимизации геотехнической системы.
Разработаны рекомендации по практическому использованию инженерно-экологического анализа для экологического управления жизненным циклом ПЭБ и машиностроительной продукции.
Вошедшие в диссертационную работу исследования выполнены на кафедре энергетических установок, оборудования и защиты окружающей среды (ЭУ, О и ЗОС) Санкт-Петербургского государственного морского технического университета (СПбГМТУ) и экономическом факультете Редингского университета (Великобритания) при поддержке грантов Комитета по науке и высшей школе Администрации Санкт-Петербурга, 1998-2000 (per. №№ М98-3.1К-162, М99-3.1К-59, М00-3.1К-182), Президента РФ для обучения за рубежом, 1999-2000 (приказ Министра образования РФ № 1183 от 30.04.1999), Министерства образования РФ для проведения фундаментальных исследований молодыми учеными с участием зарубежных партнеров, 2000 (per. № Э00-2.0-12), фонда ЕС "INCO-Copernicus", 1998-2001 (per. № ERB-IC15CT98-0134), стипендии Президента РФ аспирантам высших учебных заведений Министерства образования РФ, 1998-1999 (приказ Министра образования РФ №2321 от 10.09.1998) и государственной научной стипендии для молодых ученых РФ, 2000-2003 (постановление Президиума РАН №77 от 11.03.2000).
Автор в составе коллектива кафедры ЭУ, О и ЗОС принял участие в работе по проекту строительства ПЭБ для г. Певека (Чукотский автономный округ). Результаты коллективного исследования опубликованы в [76]. Результаты диссертационной работы используются в экологической деятельности научно-исследовательского проектно-технологического бюро "Онега" (ГУП НИПТБ "Онега", Северодвинск, Архангельская область) при разработке структуры экологического управления жизненным циклом объектов морской техники (Приложение 3).
Основные положения диссертации доложены и обсуждены на научном семинаре "Загрязнение водных ресурсов судостроительными заводами", Портсмут, США, 1997; научно-практической конференции "Промышленная экология'97", Санкт-Петербург, 1997; Международном симпозиуме по загрязнению окружающей среды Арктики, Тромсо, Норвегия, 1997; Форуме Канадского общества инженеров-механиков, Торонто, Онтарио, Канада, 1998; 3-м Сибирском конгрессе по прикладной и индустриальной математике ИНПРИМ-98, Новосибирск, 1998; 3-й Всероссийской научно-практической конференции "Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности", Санкт-Петербург, 1998; 1-й, 2-й, 3-й и 4-й международных конференциях по компьютерным вычислениям и измерениям, Санкт-Петербург, 1998, 1999, 2000 и 2001; 3-й и 4-й Санкт-Петербургской Ассамблеях молодых ученых и специалистов, 1998 и 1999; 4-м и 5-м Международных симпозиумах по загрязнению окружающей среды в Центральной и Восточной Европе, Варшава, Польша, 1998 и Прага, Чехия, 2000; Молодежных экологических форумах стран Балтийского региона "Экобалтика XXI век", 1998 и 2000; 1-й и 3-й научно-практических конференциях молодых ученых, аспирантов РАН и высшей школы, 1998 и 2000; научно-практической конференции, посвященная 100-летию СПбГМТУ, Санкт-Петербург, 1999; научном семинаре "Достижение устойчивого развития Балтийского региона", Гданьск, Польша, 1999; 2-й международной конференции "Индексы и индикаторы устойчивого развития: системный подход - ИНДЕКС-99", Санкт-Петербург, 1999; Международной конференции по управлению и технологиям защиты окружающей среды, Калмар, Швеция, 1999.
Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в 22 печатных работах [22,23,76,94,96-104,133-139,147,148] и одна печатная работа принята к печати [149]. Материалы данной диссертации вошли в магистрскую диссертацию автора, опубликованную на правах рукописи в Редингском университете (Великобритания) [140].
Автор диссертации приносит свою искреннюю благодарность научному руководителю работы, д.т.н., профессору О. Г. Воробьеву за постоянное внимание к работе на всех этапах ее выполнения. Автор также выражает признательность д.т.н., профессору Б. В. Ракицкому, к.т.н., профессору В. А. Чистякову, к.т.н, доценту Г. А. Архипову, к.т.н., доценту Н. А. Бродской за ценные обсуждения ряда вопросов.
Автор также приносит благодарность профессору Д. Пембертону, доктору А. Е. Уелдон и к.э.н., Е. Г. Калюжновой, за помощь в проведении совместного исследования в Редингском университете (Великобритания), материалы которого вошли в диссертационную работу.
Автор диссертации выражает признательность названным выше фондам и организациям за грантовую поддержку данного исследования.
Особенности взаимодействия промышленных объектов с окружающей средой. Формирование геотехнических систем
В четвертой главе обоснованы принципы эксергетической технико-экономической и экологической оптимизации ГТС "промышленный объект — окружающая среда" на всем жизненном цикле промышленного объекта. Сформулирован оптимизационный критерий минимума суммарных затрат эксергии при использовании трехмерной модели в системе координат "суммарные затраты эксергии, денежные затраты и выбросы загрязняющих веществ".
В пятой главе проанализированы и развиты эколого-экономические аспекты эксергетического метода термодинамического анализа взаимодействия промышленного предприятия с окружающей средой. Рассмотрены методы расчета обоснованного уровня тарифов на электрическую и тепловую энергию. Сформулирован эксергетический подход к образованию указанных тарифов. Предложено содержание раздела "Оценка воздействия на окружающую среду" (ОВОС) для проекта ПЭБ. Сформулированы необходимые этапы и функции экологического управления ПЭБ, гарантирующих соблюдение экологических нормативов и обеспечивающих минимизацию экологического риска на всех этапах жизненного цикла.
В Приложении 1 приведены условные обозначения, использованные в работе. Приложение 2 содержит описание и распечатку компьютерной программы инженерно-экологического анализа ПЭБ. Акт использования результатов кандидатской диссертации приведен в Приложении 3. На защиту выносятся следующие основные положения: 1. Приложение эксергетического метода термодинамического анализа к расчету взаимодействия промышленного объекта с окружающей средой. 2. Эксергетические и энтропийные расчеты как составная часть инженерно-экологического анализа геотехнических систем. 3. Обобщенный эксергетический критерий технико-экономической и экологической оптимизации геотехнических систем. 4. Эколого-экономические аспекты инженерно-экологического анализа ПЭБ, включая: эксергетический метод тарифообразования на электрическую и тепловую энергии; термодинамическая оценка ущерба окружающей среде; экологическое управление жизненным циклом ПЭБ. Научная новизна результатов исследования: 1. Теоретически обосновано применение эксергетического метода термодинамического анализа взаимодействия ПЭБ с окружающей средой. 2. Предложен усовершенствованный алгоритм энергетического и эксергетического расчета судовой ядерной энергетической установки. 3. Выполнен инженерно-экологический анализ ПЭБ на основании эксергетических и энтропийных расчетов. 4. Исследована термодинамическая эффективность ПЭБ в зависимости от уровня теплофикационной мощности и количества ступеней регенеративного подогрева. 5. Рассчитаны характеристики теплового загрязнения залива в месте базирования ПЭБ и границы устойчивости геотехнической системы, сформированной ПЭБ. 6. Обосновано применение эксергетических критериев для технико-экономической и экологической оптимизации геотехнической системы. 7. Разработаны рекомендации по практическому использованию инженерно-экологического анализа для экологического управления жизненным циклом ПЭБ и машиностроительной продукции. Вошедшие в диссертационную работу исследования выполнены на кафедре энергетических установок, оборудования и защиты окружающей среды (ЭУ, О и ЗОС) Санкт-Петербургского государственного морского технического университета (СПбГМТУ) и экономическом факультете Редингского университета (Великобритания) при поддержке грантов Комитета по науке и высшей школе Администрации Санкт-Петербурга, 1998-2000 (per. №№ М98-3.1К-162, М99-3.1К-59, М00-3.1К-182), Президента РФ для обучения за рубежом, 1999-2000 (приказ Министра образования РФ № 1183 от 30.04.1999), Министерства образования РФ для проведения фундаментальных исследований молодыми учеными с участием зарубежных партнеров, 2000 (per. № Э00-2.0-12), фонда ЕС "INCO-Copernicus", 1998-2001 (per. № ERB-IC15CT98-0134), стипендии Президента РФ аспирантам высших учебных заведений Министерства образования РФ, 1998-1999 (приказ Министра образования РФ №2321 от 10.09.1998) и государственной научной стипендии для молодых ученых РФ, 2000-2003 (постановление Президиума РАН №77 от 11.03.2000). Автор в составе коллектива кафедры ЭУ, О и ЗОС принял участие в работе по проекту строительства ПЭБ для г. Певека (Чукотский автономный округ). Результаты коллективного исследования опубликованы в [76]. Результаты диссертационной работы используются в экологической деятельности научно-исследовательского проектно-технологического бюро "Онега" (ГУП НИПТБ "Онега", Северодвинск, Архангельская область) при разработке структуры экологического управления жизненным циклом объектов морской техники (Приложение 3). Основные положения диссертации доложены и обсуждены на научном семинаре "Загрязнение водных ресурсов судостроительными заводами", Портсмут, США, 1997; научно-практической конференции "Промышленная экология 97", Санкт-Петербург, 1997; Международном симпозиуме по загрязнению окружающей среды Арктики, Тромсо, Норвегия, 1997; Форуме Канадского общества инженеров-механиков, Торонто, Онтарио, Канада, 1998; 3-м Сибирском конгрессе по прикладной и индустриальной математике ИНПРИМ-98, Новосибирск, 1998; 3-й Всероссийской научно-практической конференции "Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности", Санкт-Петербург, 1998; 1-й, 2-й, 3-й и 4-й международных конференциях по компьютерным вычислениям и измерениям, Санкт-Петербург, 1998, 1999, 2000 и 2001; 3-й и 4-й Санкт-Петербургской Ассамблеях молодых ученых и специалистов, 1998 и 1999; 4-м и 5-м Международных симпозиумах по загрязнению окружающей среды в Центральной и Восточной Европе, Варшава, Польша, 1998 и Прага, Чехия, 2000; Молодежных экологических форумах стран Балтийского региона "Экобалтика XXI век", 1998 и 2000; 1-й и 3-й научно-практических конференциях молодых ученых, аспирантов РАН и высшей школы, 1998 и 2000; научно-практической конференции, посвященная 100-летию СПбГМТУ, Санкт-Петербург, 1999; научном семинаре "Достижение устойчивого развития Балтийского региона", Гданьск, Польша, 1999; 2-й международной конференции "Индексы и индикаторы устойчивого развития: системный подход - ИНДЕКС-99", Санкт-Петербург, 1999; Международной конференции по управлению и технологиям защиты окружающей среды, Калмар, Швеция, 1999. Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в 22 печатных работах [22,23,76,94,96-104,133-139,147,148] и одна печатная работа принята к печати [149]. Материалы данной диссертации вошли в магистрскую диссертацию автора, опубликованную на правах рукописи в Редингском университете (Великобритания) [140]. Автор диссертации приносит свою искреннюю благодарность научному руководителю работы, д.т.н., профессору О. Г. Воробьеву за постоянное внимание к работе на всех этапах ее выполнения. Автор также выражает признательность д.т.н., профессору Б. В. Ракицкому, к.т.н., профессору В. А. Чистякову, к.т.н, доценту Г. А. Архипову, к.т.н., доценту Н. А. Бродской за ценные обсуждения ряда вопросов. Автор также приносит благодарность профессору Д. Пембертону, доктору А. Е. Уелдон и к.э.н., Е. Г. Калюжновой, за помощь в проведении совместного исследования в Редингском университете (Великобритания), материалы которого вошли в диссертационную работу.
Автор диссертации выражает признательность названным выше фондам и организациям за грантовую поддержку данного исследования.
Эксергетический метод термодинамического анализа ГТС
В связи с принятием балансовой характеристики возникла необходимость решить вопрос о состояниях отсчета, принимаемых при расчете максимальной пригодности к совершению работы. Теорию состояния отсчета разработал Я. Шаргут [106]. Эта теория решает прежде всего вопросы расчета эксергии вещества, участвующего в химическом процессе.
Л. Д. Ландау и Е. М. Лифшиц в рамках своего известного курса статистической физики подробно рассмотрели свойства функции работоспособности, показали ее практическую значимость и указали на перспективы ее развития в науке [52].
Использовавшийся в течение долгого времени термин «работоспособность», или «пригодность к совершению работы», был очень не удобен. Это определение носит описательный характер и, кроме того, неполно и неоднозначно. В связи с этим было необходимо принять совершенно новый термин, рационально обоснованный, возможно более короткий и отличающийся от применявшихся в термодинамике терминов. Такой термин в 1955 ввел 3. Рант [132]. Он предложил по аналогии со словом «энергия» ввести термин, производный от греческого слова spyov (работа), который указывал бы на то, что речь идет о работе, которую можно получить из рассматриваемой системы. Этим требованиям удовлетворяет термин «эксергия», который в мировой технической литературе теперь принят повсеместно (exergy - англ.).
В середине XX века эксергетический метод сформировался как самостоятельное направление, получившее применение в различных областях науки. Принято классифицировать техническое, экономическое и экологическое приложения эксергетического метода термодинамического анализа.
В. М. Бродянский заложил основу отечественной школы эксергетических исследований [11, 12, 109]. Он провел эксергетический анализ различных процессов теплотехники и термодинамическую оптимизацию технических систем, разработал различные технико-экономические приложения эксергии и одним из первых заложил основы экологического приложения эксергии.
А. И. Андрющенко описал метод анализа физических тепловых процессов при помощи работоспособности и предложил критерии оптимизации термодинамических и технико-экономических параметров тепловых электростанций [1]. Рассматривая вопросы технико-экономической оптимизации Я. Шаргутом и Р. Петелой была отмечена возможность комплексной технико-экономической и экологической оптимизации [145].
В 1955 Н. Одум и Р. Пинкертон предложили использовать термодинамические критерии для оценки эффективности процессов в экосистемах [130]. В 1977 С. Джергенсен и Г. Мейджер ввели понятие демпфирующей способности для изучения экологической устойчивости окружающей среды по отношению к техногенным воздействиям всякого рода [126]. Исследуя различные экосистемы, они предложили в 1979 и 1981 использовать эксергию в экологическом моделировании процессов взаимодействия промышленных объектов с окружающей среды [122, 125, 128]. В своих последующих работах они уже применяют эксергию как ключевую функцию для экологического моделирования [123, 124].
Вслед за этими работами экологическое приложение эксергетического метода получило признание во многих странах. С. Отома предложил термодинамическую интерпретацию процессов загрязнения окружающей среды [131]. К.-Е. Ериксон подробно изучил термодинамические аспекты экономики природопользования и дал конкретные рекомендации по использованию эксергии в экономических моделях [117, 118]. П. Крайн с коллективом соавторов обосновал возможность использования химической эксергии как меры потенциальной опасности химического вещества для окружающей природной среды [115]. Д. Бояджиев занимался комплескной экологической оценкой термодинамических систем [113].
Г. Уолл провел широкий спектр эксергетических исследований [120, 150, 151] в области энергетики и экологии. В частности он выполнил укрупненный эксергетический анализ процессов преобразования энергии в рамках всей страны (Швеции и Японии). Вместе с М. Гонг он предложил использовать эксергетические индикаторы для экологических целей [120].
С. Улгиати с коллективом авторов также провел исследования по обоснованию единых эксергетический индикаторов для оценки устойчивого развития ГТС [146].
Сейчас эксергия прочно вошла в практику технико-экономических обоснований, особенно в Швеции, Италии, Японии, Канаде и США. Некоторые ведущие западные инженерные компании ввели эксергетический анализ в качестве обязательной составной части разрабатываемых проектов, а также планов модернизации производства [109]. Используется он и для оценки природных ресурсов. Например, Геологический комитет США учитывает геотермальные ресурсы по их эксергии [112]. Сравнительно недавно Г. Уолл выпустил первый в мире сайт в глобальной компьютерной сети Интернет под названием "Эксергетика" (http://exergy.se), в котором на английском и шведском языках дается подробная информация о развитии методологии эксергетического метода термодинамического анализа и его приложения к технике, экономике и экологии.
В нашей стране эксергетический метод термодинамического анализа был весьма популярен в 60-х и 70-х годах XX века. Особо выделим работу Д. Г. Гохштейна по энтропийному методу расчета энергетических потерь в силовых энергетических установках [25]. Однако к началу 80-х сложилось убеждение, что эксергетические расчеты на ряду с их полезностью слишком трудоемки. Действительно, до появления мощных вычислительных средств в расчет эксергии представлял достаточно трудоемкую задачу. В середине двадцатого века пользовались специально составленными таблицами и графиками, облегчающих расчеты эксергии. Особенно трудоемкими были расчеты химической эксергии. Как уже отмечалось, Я. Шаргут предложил методики расчета химической эксергии и опубликовал таблицы нормальной эксергии однородных химических соединений. В нашей стране В. С. Степанов предложил усовершенствованную методику расчета химической эксергии веществ и составил таблицы химических энергий и эксергии основных химических элементов [85]. С. Ямаучи и К. Фуеке провели большую работу по обобщению расчета эксергии химических элементов и топлив [153]. В настоящее время существуют огромные компьютерные базы данных, содержащие все необходимые данные для эксергетических расчетов. Этим можно объяснить новую волну популярности эксергетического метода среди ученых и инженеров за рубежом.
Среди отечественных ученых, разрабатывавших экологическое приложение эксергии выделим следующих.
Е. И. Янтовский выполнил ряд интересных эксергетических расчетов, в том числе для процесса преобразования энергии в МГД-генераторе [112, 152]. Он также выдвинул идею о введении единицы эксергии - 1 Гиббс для удобства восприятия результатов эксергетического метода термодинамического анализа [112].
В. В. Кафаров подробно развил задачи оптимизации единицы стоимости эксергии, разрабатывая принципы создания безотходных химических производств [43].
Алгоритм и программа энергетического и эксергетического расчета ПЭБ
Для избежания неоднозначности в описании будем использовать следующие положения. Под ПЭБ будет пониматься энергетическая установка одного борта; инженерно-экологический анализ проводиться для одной реакторной установки. Выводы по всей АТЭС ММ делаются с учетом наличия в ней двух реакторных установок. В соответствии с анализом воздействия СЭУ на окружающую природную среду, выполненному в первой главе, в качестве природной среды, окружающей ПЭБ, принимается морская экосистема залива в месте базирования АТЭС ММ.
На первом этапе выполняется расчет энергетических характеристик ПЭБ в соответствии с регенеративной тепловой схемой СЭЯУ с водо-водяным реактором при максимальном количестве подогревателей питательной воды (ППВ) равном трем.
На основании полученных характеристик выполняется расчет эксергетических характеристик ПЭБ. особенностью СЯЭУ ПЭБ является значительная мощность теплофикационного контура, сопоставимая с сетевой мощностью турбогенераторов (30000 кВт) и равная 29000 кВт. Сопоставление разнородных полезных эффектов выполняется на основе эксергетических расчетов, которые не только позволяют сравнить принципиально разные формы энергии, то также дать рекомендации о более эффективном использовании энергии в установке на основе минимизации потерь работоспособности. В соответствии с методикой, изложенной во второй главе, анализируются потоки эксергии, направляемые в окружающую природную среду.
На третьем этапе рассчитываются характеристики теплового сброса ПЭБ в залив. Рассчитываются величина полной природоемкости ПЭБ и при предположении, что в случае нормальной эксплуатации ПЭБ теплового загрязнение залива в месте базирования блока является приоритетным. Полученное значение природоемкости сравнивается со значением техноемкости природной среды в условиях Заполярья, известного из литературных источников.
Для реализации перечисленных этапов была создана компьютерная программа в системе программирования Delphi 3.0 на языке Object Pascal, которая производит энергетический и эксергетический расчет ПЭБ. Энергетический расчет ПЭБ был выполнен коллективом сотрудников кафедры ЭУ, О и ЗОС СПбГМТУ с участием автора по проекту строительства ПЭБ для г. Певека [76]. Эксергетические расчеты выполнены автором для апробации методики инженерно-экологического анализа взаимодействия ПЭБ с окружающей средой.
При проведении диссертационного исследования разработаны оригинальные алгоритм и программа инженерно-экологического анализа ПЭБ. За основу был взят алгоритм Б. В. Ракицкого, который усовершенствован для проведения эксергетических расчетов. Отличие алгоритма Б. В. Ракицкого от известной методики расчета паротурбинной установки регенеративного цикла, предложенной В. А. Семекой [82] и реализованной в отраслевом стандарте судпрома, заключается в следующем. В работах В. А. Семеки не предусматривается уточнение потребления энергии оборудованием насосной группы, что для СЯЭУ неприемлемо в связи со значительной мощностью вспомогательного оборудования ядерной паропроизводящей установки. Б. В. Ракицкий ввел в алгоритм внешний итерационный цикл с контролируемой точностью для согласования предварительного и окончательного значений потребления энергии насосами паропроизводительной установки; итерации организованы в данном случае по суммарному КПД СЯЭУ [76].
Алгоритм Б. В. Ракицкого был усовершенствован путем проведения внешнего цикла одновременно по двум параметрам - суммарному КПД СЯЭУ и суммарной мощности электрогенератора ПЭБ, который успешно реализуется средствами Object Pascal. Такой цикл позволяет более точно определять пару значений КПД и мощности электрогенератора ПЭБ для согласования уточненных программой значений мощности ядерного реактора, паропроизводительности и суммарной мощности ПЭБ [82]. Таким образом, в рабочей программе предъявляются более жесткие требования к погрешности численного решения системы уравнений, описывающих потоки энергии и эксергии.
Блок-схема разработанного алгоритма программы энергетического и эксергетического расчета ПЭБ представлена на рис. 3.2. Для определения значений КПД вспомогательного оборудования и насосов установки были использованы аппроксимационные уравнения, полученные сотрудниками ЛКИ (СПбГМТУ) [82, 111].
Для реализации описанного выше алгоритма был принят модульный принцип построение программы в системе программирования Delphi. Программа РЕВ (ПЭБ) состоит из пяти связанных модулей, которые называются соответственно Main (главный модуль), Basis (базисный модуль), Energy (энергетический модуль), Exergy (эксергетический модуль) и Data (модуль данных). На рис. 3.3 представлен внешний вид окна программы РЕВ с пятью блоками. Модуль Main является основным программным модулей, который управляет компилированием программы. После выполнения программы модуль Main создает форму для контроля за работой программы, в которую записываются следующие характеристики ПЭБ и погрешности расчетов (рис. 3.4): 1) Значения мощности сетевого подогревателя и количество ступеней регенеративного подогрева для контроля за входящими в программу параметрами. 2) Значения основных характеристик ПЭБ: мощности ядерного реактора, паропроизводительности ППУ, суммарной мощность электрогенератора, энергетического и эксергетического КПД энергоблока. 3) Значения относительной ошибки вычисления мощности ядерного реактора, паропроизводительности и суммарной электрической мощности турбогенератора для контроля за произведенными итерациями. Модуль Basis содержит перечень основных констант и переменных, используемых в программе, а также он рассчитывает основные термодинамические параметры пара и теплоносителя. В программе использованы уравнения состояния воды и водяного пара для машинных расчетов термодинамических процессов [79]. Перечень используемых в программе констант и переменных приведен в Приложении 2 вместе с распечаткой программы. Модуль Energy производит расчет энергетических характеристик ПЭБ в соответствии с приведенным выше алгоритмом. Энергетические характеристики передаются в модуль Data для распечатки, а также используются в модуле Exergy для эксергетических расчетов. Для проверки достоверности расчетов в модуле Energy предусмотрен блок по расчету возможного расхождения значений энергетического и эксергетического КПД в зависимости от основных эмпирических данных, используемых в программе. При задаче доверительного интервала в 0.8 для основных эмпирических данных, эксергетический КПД попадает в интервал от 26,8% до 27,6% , а энергетический - от 20,9% до 21,5%, что считается приемлемым для установок такого типа сложности [92].
Критерий минимума эксергетических затрат на всем жизненном цикле энергетической установки
В связи с тем, что полезной работой ПЭБ является выработка и передача электрической и тепловой энергии на трансформаторную подстанцию и тепловой пункт, исследование влияния уровня теплофикационной мощности на КПД по электроэнергии и эксергетический КПД по электроэнергии и тепловой энергии представляет интерес для различных по тепловой мощности рабочих режимов ПЭБ, связанных, например, с временами года.
Уже достаточно давно продолжаются споры о том, как распределять затраты топлива на электроэнергию и тепловую энергию при их совместном производстве [12, 112]. Предлагается все исследования, связанные с комбинированной выработкой ПЭБ электроэнергии и тепла, вести на основании единиц эксергии на основании рекомендаций [145]. В этом случае однозначно определяется критерий энергосбережения топлива (ядерного горючего для ПЭБ) по абсолютному ресурсу -эксергии.
Изменение уровня теплофикационной мощности от 0 до 100% реализуется в рабочей программе варьированием переменной NSP, значение которой задается во входящих в программу параметрах. Результаты исследования представлены на рисунках 3.7 и 3.8. На рис. 3.7 представлено абсолютное изменение КПД-нетто, показывающее отношение мощности, передаваемой на трансформаторную подстанцию (NE, здесь и далее обозначения приводятся в соответствии с табл. 3.1), к мощности реактора (NP), и суммарного эксергетического КПД-нетто (без учета электричества, расходуемого на собственные нужды ПЭБ). В дальнейшем эти величины будем называть как энергетический КПД-нетто и эксергетический КПД-нетто. Рис. 3.8 показывает относительное изменение указанных переменных.
На табл. 3.3 представлены значения потерь эксергии в элементах ПЭБ для уровня теплофикационной мощности 0, 25, 50, 75 и 100%.
С увеличением мощности теплофикационного блока эксергетический КПД линейно возрастает, а КПД-нетто по электроэнергии линейно уменьшается. Этот факт является далеко не очевидным и характерен непосредственно для данного ПЭБ и объясняется небольшой (по эксергии) полной тепловой мощностью ПЭБ, что наглядно видно из эксергетической диаграммы Грассмана. Оценочные расчеты, проведенные с помощью рабочей программы, показывают, что в случае увеличения отношения эксергии теплой воды к эксергии вырабатываемого электричества, в несколько раз, зависимости становятся нелинейными. Изучение таких режимов выходит за рамки данной работы, однако следует отметить, что этот вопрос представляет определенный интерес при проектировании подобных станций большей электрической и, особенно, тепловой мощности. При этом анализ оптимальных режимов возможен только через применение эксергетических расчетов.
Можно заметить из рис. 3.7 и 3.8, что эксергетический КПД-нетто увеличивается несколько быстрее, чем уменьшается КПД по электроэнергии, передаваемой на трансформаторную подстанцию. Таким образом, для исследуемого ПЭБ получены зависимости эксергетического и энергетического КПД в зависимости от теплофикационной мощности. Результаты данного исследования будут полезными при принятии решения о выборе режима работы ПЭБ в конкретных условиях. С учетом тарифа на поставляемую электроэнергию и тепловую воду, а также стоимости единицы ядерного горючего могут выбираться оптимальные режимы работы ПЭБ на определенный технологический период. При этом следует учесть, что экономия дорогостоящего ядерного горючего даже на полпроцента будет существенной экономией с учетом жизненного цикла ПЭБ. Детальный технико-экономический анализ должен изучать целый комплекс эксплуатационных характеристик ПЭБ.
Выбор оптимальных соотношений между электроэнергией и теплом может быть решен при проектировании новых ПЭБ. В первой главе отмечалось, что данный проект ПЭБ взял за основу существующие СЯЭУ, в который теплофикационный контур не предусматривался. Следовательно, по мере дальнейшей реализации проекта строительства серии АТЭС ММ возможно конструктивное улучшение ПЭБ. Разработанный алгоритм и энергетического и эксергетического расчета ПЭБ может быть рекомендован для сознания обобщенной термодинамической модели ПЭБ. Созданная программа инженерно-экологического анализа ПЭБ предусматривает усовершенствование блока исходной информации для создания обобщенных моделей.
По результатам тестирования программы энергетического расчета [76] сделан вывод, что перераспределение конденсата сетевого подогревателя, мощного потребителя пара, между деаэратором и главным конденсатором (перемычка g на рис. 3.1) может быть использовано на частичных режимах. При определенных частичных режимах может возникнуть ситуация, когда не понадобиться отбор греющего пара на деаэратор в связи с тем, что мощный поток конденсата с сетевого подогревателя полностью обеспечит подогрев питательной воды в деаэраторе (спецификационная температура 104-106 С).
Выбор оптимального количества ступеней регенеративного подогрева представляет особый интерес для проектировщиков энергетических установок подобных рассматриваемой. Программа расчета энергетической установки ПЭБ позволяет проследить за изменениями ее основных характеристик в случае использования различного числа ступеней регенеративного подогрева.
Проанализируем с точки зрения эксергетического метода термодинамического анализа пять вариантов подогрева питательной воды. Для сравнения выберем полностью нерегенеративный цикл. Будем последовательно использовать регенеративный подогрев только в деаэраторе (одноступенчатый подогрев), затем как в деаэраторе, так и в первой ступени в соответствии с рис. 3.1 (усовершенствованный одноступенчатый подогрев), далее в деаэраторе, первой и второй ступенях (двухступенчатый подогрев) и, наконец, в деаэраторе, первой, второй и третьей ступенях (трехступенчатый подогрев), который используется в рабочей программе как основной режим работы ПЭБ.
В программе количество ступеней регенеративного подогрева задается положениями клапанов в соответствующих ступенях и деаэраторе. Положение клапанов задается во входящих в программу данных в блоке Data. Соответствующие изменения энтальпии программа выполняет автоматически. Исследования проводились при условии сохранения параметров пара в точках отбора из главной турбины.
