Структурно-термодинамический анализ теплотехнологической схемы целлюлозно-бумажного производства

Актуальность. Сложность структуры предприятий целлюлозно-бумажной отрасли промышленности определяется большим количеством элементов в составе теплотехнологических схем производства, обратными потоками, связями с окружающей средой в виде потребляемых топливно-энергетических ресурсов и сбросной энергии в виде вторичных энергетических ресурсов. Для таких предприятий вариантов повышения энергоэффективности с включением энергосберегающего оборудования может быть множество. Поэтому для выбора эффективного варианта предложено использование структурно-термодинамического подхода к анализу теплотехнологических схем.

Цель. Разработка алгоритма структурно-термодинамического анализа, позволяющего преодолеть неоднозначность исходных данных и рассчитать достоверные значения параметров внешних энергоносителей, данные о которых зачастую отсутствуют на целлюлозно-бумажных производствах, но являются необходимыми для оценки термодинамической эффективности использования сбросной энергии.

Методы. Для достижения обозначенной цели используется системный подход с применением матричного анализа и булевой алгебры, эксергетический метод термодинамического анализа, а также разработано программное обеспечение, объединяющее перечисленные методы.

Результаты. Для теплотехнологической схемы производства бумаги определена оптимальная последовательность термодинамического расчета с минимальным количеством итераций/допущений на участках условного разрыва потоков схемы. В результате термодинамического анализа получены данные о тепловой и эксергетической эффективности элементов теплотехнологической схемы целлюлозно-бумажного производства, а также данные о потоках, использование которых обеспечит организацию оптимальной системы утилизации вторичной энергии.

Заключение. Разработанное программное обеспечение структурнотермодинамического анализа было реализовано при оценке термодинамической эффективности теплотехнологической схемы производства бумаги. Выявлено минимальное количество потоков схемы – 20 потоков, условный разрыв которых позволяет полностью выполнить термодинамический расчет схемы с минимальным количеством итераций и определить достоверные значения параметров энергетических потоков. Результаты термодинамического анализа показали, что наиболее низкий эксергетический к.п.д – у аппаратов с такими сбрасываемыми потоками как теплота охлаждения верхнего продукта колонн, отработанного воздуха после процесса сушки в бумагоделательной машине, оборотной воды, сточных вод. Поэтому именно в такие аппараты следует осуществлять возврат энергии сбросных потоков наибольшего эксергетического потенциала для повышения термодинамической эффективности теплотехнологической схемы в целом.

1. Луканин П.В., Казаков В.Г., Зверев Л.О. Концепция модернизации энерготехнологических комплексов в ЦБП. Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2022;24(4):178-191. https://doi.org/10.30724/1998-9903-2022-24-4-178-191.

2. Plotnikova L.V., Giniyatov R.R., Sitnikov S.Y., Fedorov M.A., Zaripova R.S. Perfection of the methodology for developing industrial secondary energy generation systems // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. Volume 288 (1). 2019. P. 012069.

3. Назмеев, Ю. Г. Организация энерготехнологических комплексов в нефтехимической промышленности / Ю. Г. Назмеев, И. А. Конахина. – М.: Московский энергетический институт, 2001. – 364 с. – ISBN 5-7046-0698-9. – EDN XGNUVV.

4. Валиев Р.Н. Разработка системы комплексной утилизации вторичных энергоресурсов для тепловых схем дегидрирования изоамиленов в изопрен в производстве синтетического изопренового каучука СКИ-3: дис. ... канд. техн. наук. Казань, 2001. – 161 c.

5. Федюхин А.В., Звончевский А.Г. Перспективные направления использования теплоты низкопотенциальных источников химических производств. Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2022;24(3):15-27. https://doi.org/10.30724/1998-9903-2022-24-3-15-27.

6. Степаненко М.Н., Мартынов А.В., Шелгинский А.Я. Анализ эффективности использования теплонасосных установок для утилизации теплоты вентиляционных выбросов Надежность и безопасность энергетики. 2021. Т. 14. № 4. С. 180-188.

7. Долотовский, И. В. Алгоритмы структурнопараметрической оптимизации энергетического комплекса предприятий подготовки и транспортирования углеводородов / И. В. Долотовский, А. В. Ленькова // Автоматизация. Современные технологии. – 2016. – № 11. – С. 10-15.

8. Гарипов, Н. И. Системный анализ технологического процесса реакторного узла установки производства метанола / Н. И. Гарипов, Н. Н. Зиятдинов, И. И. Емельянов // Вестник Технологического университета. – 2024. – Т. 27, № 8. – С. 109-115. – DOI 10.55421/1998-7072_2024_27_8_109.

9. G.M. Ostrovskii, T.V. Lapteva, N.N. Ziyatdinov, I.M. Zaitsev. Two-step problems of optimization of chemical engineering processes. Doklady Chemistry. – 2010. – Vol. 435, No. 2. – P. 343-346. – DOI 10.1134/S0012500810120086.

10. V. P. Meshalkin, T. N. Gartman, T. A. Kokhov, L. B. Korelstein. Heuristic Topological Decomposition Algorithm for Optimal Energy-Resource-Efficient Routing of Complex Process Pipeline Systems. Doklady Chemistry. – 2018. – Vol. 482, No. 2. – P. 246-250. – DOI 10.1134/S0012500818100087.

11. Ahmadi P., Dincer I. Thermodynamic and exergoenvironmental analyses, and multi-objective optimization of a gas turbine power plant. Applied Thermal Engineering, 2011, vol. 31, iss. 14–15, pp. 2529– 2540. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2011.04.018.

12. Юшкова Е.А., Лебедев В.А., Яковлев П.В., Акманова М.С. Структурная оптимизация эксергетическим пинч-анализом. Энергоресурсосбережение и энергоэффективность. № 5(95) 2020. С. 37-40.

13. Рыжова А.А., Емельянов И.И. Термодинамический анализ установки ЭЛОУ АВТ в сборнике: Прикладная математика и информатика: современные исследования в области естественных и технических наук. Материалы VI Международной научно-практической конференции (школы-семинара) молодых ученых. 2020. С. 399-404.

14. Ноздренко Г.В., Щинников П.А. Комплексный эксергетический анализ энергоблоков ТЭС с новыми технологиями: монография. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2009. – 190 с.

15. А.В. Волков, А.С. Маленков, А.Я. Шелгинский, Н.Е. Кутько. Эксергетический анализ системы теплоснабжения с пониженной температурой обратной сетевой воды. Надежность и безопасность энергетики. – 2018. – Т. 11, № 3. – С. 227-234. – DOI 10.24223/1999-5555-2018-11-3-227-234.

16. Долотовский И.В. Термодинамический анализ элементов энергетического комплекса газоперерабатывающих предприятий. Труды Академэнерго. 2017. № 3. – С. 7-22.

17. Плотникова Л.В., Торкунова Ю.В. Программное обеспечение системного анализа сложноструктурированных промышленных комплексов при разработке энергосберегающих мероприятий // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2022. Т. 14. №1 (53). – С. 140-154.