Метод эксергетической оптимизации энергетических систем

Драганов Б.Х.

Национальный Аграрный Университет, Киев, Украина

Приведен анализ наиболее перспективных методов оптимизации технических систем: выбор оптимальных параметров технического устройства методом многомерных точек; с помощью многомерных таблиц испытаний, представляющих собой упорядоченное относительно каждого критерия оптимизации множество моделей, полученных в результате замены непрерывное множество, дискретным множеством; метод ЛП-потока, предполагающий квазиравномерный обзор пространства параметров.

Более перспективны методы, основанные на теории графов. В данном случае варианты рассматриваемых схемных решений установки приведены в виде параметрических графов, которые состоят из n разнопараметрических дуг и m простых контуров. Задача оптимизации заключается в том, чтобы определить в исходном графе множество с минимальной суммой параметричностей. Для математической постановки задачи расчета предлагается использовать топологическую модель установки в виде структурного графа.

Один из перспективных путей оптимального синтеза энергетической системы основан на методе ветвей и границ. Метод предусматривает декомпозицию исходного множества решений на подмножество, т.е. исходное множество ветвится. На каждом подмножестве определяется нижняя (или верхняя) оценка для критерия оптимизации.

Одной из разновидностей метода ветвей и границ проводится способом поиска с возвращением, основанном на так называемом "α-β-отсечении".

В последней четверти XX века для энергетической и экономической оценки технических систем благодаря работам A.Bejan, M.Moran, G.Tsatsaronis начали использовать методы эксергоэкономических (некоторые авторы пользуются термином термоэкономических) исследований.

В термоэкономическом анализе пользуются терминами: топливо (расходуемые энергоресурсы), продукт (полученный эффект), деструкция эксергии, потери эксергии, стоимость, эксергетический КПД.

В общем случае термоэкономический критерий оптимальности имеет вид

,

где Ц_п, П_п — стоимость и годовое потребление эксергии из внешних

источников;

— годовые капитальные и другие, связанные с ним затраты

в n-м элементе; е_к — годовой расход эксергии для получения к-го продукта (энергетического эффекта).

Преимущество метода является то, что позволяет получить оптимальное решение в энергетическом (в виде потерь эксергии) и экономическом (в денежном выражении) отношениях. Разработаны методы графовых построений (топологические графы), соответствующих матриц инциденций, алгоритмы эксергетического и термоэкономического анализа.

В качестве примера приведена оптимизация солнечно-теплонасосных систем с сезонным аккумулированием. Проанализировано 64 вариантов схемных решений. Построена структурная схема системы, на основе которой представлен граф эксергоэкономических затрат и соответствующая ей матрица инциденций. Это позволило построить дерево эксергоэкономических затрат. Разработанный нами метод позволяет ограничиться расчетом восьми вариантов. Следовательно время определения на ЭВМ оптимального варианта уменьшилось в 6 раз.

На основе выполненного расчета показано, что оптимальной с термоэкономической точки зрения оказалась установка мощностью 0,5 МВт, содержащая солнечный коллектор площадью 1000 м², бак-аккумулятор объемом 3000 м³ и степень использования теплового насоса в течение года — 0,8.

Необходимо подчеркнуть, что во всех технических устройствах имеют место потоки и потери энергии, которые можно выразить через эксергии и следовательно оптимизация их может решаться, основываясь на термоэкономической концепции.