Оптимизация биогазовой системы имеет целью выбор структуры технологической схемы и состава оборудования, параметров системы (конструктивных, термодинамических, тепломассообменных и пр.), которые обеспечили бы оптимальное или близкое к оптимальному значение критерия эффективности.
Для оценки критерия оптимизации служат показатели [116-118]:
максимальная производительность по выходу биогаза
Математическое описание некоторых энергетических систем может быть основано на фундаментальных данных физики, поэтому нет потребности в обширных производственных или экспериментальных данных. Для других элементов системы такой информации недостаточно, и для разработки достоверных математических моделей необходим также эвристический подход.
Сложность и многогранность процессов, протекающих в биогазовой установке, составляют определенные трудности при решении задачи оптимизации. В связи с этим целесообразно обратиться к методам теории графов [119, 120].
Рассмотрим схему сложной биогазовой установки (рис. 4.31), которая отличается от приведенной на рис. 4.20 тем, что дана нумерация элементов системы. Этой нумерацией мы воспользуемся при построении соответствующих топологических графов.
Рис. 4.31. Схема энергокомплекса с биогазовой установкой и газокомпрессорной станцией для крупных сельскохозяйственных предприятий
На рис. 4.32 приведен топологический параметрический граф для схемы, изображенной на рис. 4.31, и соответствующая матрица инциденций.
В биогазовой установке существенен вопрос распределения исходного вещества (субстрата) на получаемый биогаз и на шлам. Поэтому представляет интерес материальный баланс рассматриваемой системы. Построим материальный потоковый граф и соответствующую матрицу инциденций (рис. 4.33) биоэнергетической установки, изображенной на рис. 4.31.
Для энергетической оценки построим эксергетический потоковый граф и матрицу инциденций (рис. 4.34).
Приведенные выше потоковые графы и соответствующие им матрицы инциденций используются следующим образом.
Сканируя по матрице инциденций для параметрического потокового графа и определяя булеву переменную на своем пути, при помощи ЭВМ определяют все необходимые данные и находят значения параметров в каждой узловой точке графа, значения тепловых и массовых потоков и, тем самым, условия оптимальной топологии схемы. Аналогично сканируя
по матрице эксергетического потокового графа, ЭВМ вычисляет значения эксергии, эксергетических потоков и, следовательно, определяет степень энергетического совершенства данного варианта системы. Анализируя несколько вариантов структурных и параметрических решений схемы установки, определяют оптимальный вариант по выбранному критерию оптимальности.
Рис. 4.32. Топологический параметрический потоковый граф и матрица инциденций схемы БГУ, схема которой приведена на рис. 4.31
Рис. 4.33. Материальный потоковый граф и матрица инциденций схемы - БГУ, изображенной на рис. 4.31
Рис. 4.34. Эксергетический потоковый граф и соответствующая матрица инциденций схемы, приведенной на рис. 4.31
В качестве технико-экономического критерия эффективности обычно принимают приведенные и эксплуатационные затраты. Более обоснованными в настоящее время являются приведенные затраты Пэ, учитывающие затраченную на осуществление процесса энергию [121]:
Из уравнения (4.132) можно получить зависимость для энергетических приведенных затрат
