Отчет по преддипломной практики на ООО Агро-Альянс ОМФ. НИР Дмитриева Л.В.. Топливосбережение в промышленных котельных
 Скачать 0.85 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОСССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» НОВОТРОИЦКИЙ ФИЛИАЛ ОТЧЕТ О ВЫПОЛНЕНИИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЫ на тему: _Топливосбережение в промышленных котельных______________ _________________________________________________________________ Студент группы ПТЭз-16-56 ______________ Л.В. Дмитриева Руководитель ______________ А.Н. Бушуев Оценка работы _хорошо______________ « 13_» _____февраля______ 2021 г. Новотроицк, 2021 г. МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» Новотроицкий филиал (НФ НИТУ «МИСиС») ИНДИВИДАЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ на выполнение НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЫ Студенту группы ПТЭз-16-56 Дмитриевой Любови Витальевне шифр группы (Фамилия Имя Отчество) Тема НИР: Топливосбережение в промышленных котельных Срок сдачи НИР на проверку: 02.11.2020 г. Рабочий план НИР 1. Выбор темы исследования и ее актуальность 2. Обзор научной и патентной литературы 3. Формулирование проблемы исследования 4. Обоснование методики моделирования системы управления газопоршневыми двигателями 5 Организация моделирования в программе Matlab Simulink 6 Оценка результатов исследования 7 Прогноз о развитии объекта исследования Руководитель НИР ______________ доцент, к.т.н. Бушуев А.Н. (подпись) (должность, звание, Фамилия И.О.) Дата выдачи задания «_16_» __октября___ 2020 г. Задание принял к исполнению студент Дмитриева Л.В. (подпись) (Фамилия И.О.) 3 Содержание Введение……………………………………………………………………………………….4 1 Выбор темы исследования и ее актуальность………………………………………….. 5 2 Обзор научной и патентной литературы………………………………………...............6 3 Формулирование проблемы исследования……………………………………………...9 4 Обоснование методики моделирования системы управления газопоршневыми двигателями………………………………………………………………………....... …10 5 Организация моделирования в программе Matlab Simulink……………………….. 13 6 Оценка результатов исследования…………………………………………………… 14 7 Прогноз о развитии объекта исследования…..……………………………………… 15 Заключение……………………………………………………………………………...... 18 Список использованных источников………………………………………………….... 19 4 Введение Развитие малой энергетики с комбинированным производством тепла и электроэнергии, в том числе на базе существующих отопительных и промышленно- отопительных котельных, уверенно становится альтернативой централизации энергоснабжения либо дополнением, повышающим эффективность схем энергоснабжения. Необходимо заметить, что централизованное производство и распределение электроэнергии сейчас довольно дорогое удовольствие для отдельного предприятия- потребителя, поскольку стоимость электроэнергии для потребителя составляет порядка 300-350% от себестоимости энергии. А мини-ТЭЦ позволяют решить проблему не только недорогого и независимого, в том числе и от выделенных лимитов, но и топливосберегающего режима генерации энергии. Реконструкцию промышленной котельной с надстройкой ее газопоршневыми двигателями с утилизацией дымовых газов можно рассматривать как один из наиболее эффективных способов топливосбережения в данной котельной. К тому же современные проекты реконструкции промышленных и районных котельных в мини-ТЭЦ позволяют это сделать без значительных затрат времени или средств на строительство. Таким образом, как промышленные предприятия, так и предприятия ТЭК, на основе технологических и экономических аспектов, несмотря на имеющуюся возможность энергоснабжения от имеющихся энергосетей, вполне могут принять решение о создании собственной мини-ТЭЦ. Логично, что рентабельность работы мини-ТЭЦ будет тем выше, чем больше разница между закупочными ценами на энергию и расходами, необходимыми на реконструкцию котельных. Но предприятие, как правило, не имеет возможностей влияния на закупочные цены, в то же время необходимые на производство энергии расходы (именно здесь предоставляется возможность принятия соответствующих мер по их контролированию) как раз сильно зависят от качества технических решений и от эффективности производства энергии. 5 1 Выбор темы исследования и ее актуальность Тема исследования – топливосбережение в промышленных котельных. Актуальность данной темы заключается в том, что в настоящее время все большую актуальность приобретают проблемы, связанные с производством и транспортировкой энергии с максимальной эффективностью, определяющей непосредственно топливосбережение (и энергосбережение) на всех генерирующих источниках. Энергетика является системообразующей и стратегически важной для социальной сферы, промышленности, сельского хозяйства и национальной безопасности отраслью экономики РФ. Развитие экономики страны и прирост населения влечет за собой значительное повышение энергопотребления. С другой стороны, все чаще встает вопрос об ограниченности и истощении топливных ресурсов, в частности, углеводородного топлива: нефти, угля и газа. В сложившихся условиях необходимо находить рациональные и эффективные решения по организации энергоснабжения потребителей. Перспективным направлением энергосбережения является использование комбинированных систем энергоснабжения на базе малых ТЭЦ (мини-ТЭЦ). Основные цели и задачи развития энергетики сформулированы в «Энергетической стратегии России на период до 2030 года» (утверждена распоряжением Правительства РФ от 13.11.2009 № 1715-р), в том числе, развитие технологий когенерации электрической и тепловой энергии в системах автономного энергообеспечения на основе дизельных и газопоршневых электростанций, за счет чего в последнее время все большее внимание уделяется электростанций такого типа [1,2]. В большинстве случаев мини-ТЭЦ на предприятиях строятся уже на базе существующих водогрейных или паровых котельных с надстройкой газовыми турбинами или газопоршневыми двигателями в паре со всем необходимым вспомогательным оборудованием охлаждения, дымоотводов и автоматического управления. При выборе типа двигателя при постройке мини-ТЭЦ необходимо учесть тот факт, что при единичных мощностях менее 3,5 МВт наименьшая удельная стоимость оборудования всегда будет у газопоршневых станций любого производителя. При любых 6 нагрузках удельный расход топлива на газопоршневой двигатель (ГПД) ниже, чем на газотурбинную установку (ГТУ), т.к. средний КПД при расчетной нагрузке достигает у первых 42…44%, у вторых – 34…36%. Газопоршневые двигатели выступают серьезными конкурентами для ГТУ. Применение ГТУ выгоднее по многим показателям только на электростанциях мощностью более 8…10 МВт. В настоящее время количество мини-ТЭЦ на базе газопоршневых двигателей достигает 50 тыс., а суммарная вырабатываемая электрическая мощность – 17 млн. кВт. Увеличение доли когенерационных энергоустановок, оснащенных системами утилизации сбросового тепла первичных поршневых двигателей внутреннего сгорания, может дать экономию топлива до 12 % в отрасли малой теплоэнергетики и до 4 % от общей выработки тепла в РФ [2]. На основе выше сказанного во внимание принимается вопрос именно применения газопоршневых двигателей в паре с уже существующей котельной на промышленном предприятии. За счет таких модернизаций котельной, обеспечивающих комбинированную выработку тепловой и электрической энергии, обеспечивается повышение эффективности энергоснабжения и снижение удельного топливопотребления котельной установкой. 2 Обзор научной и патентной литературы В развернутой и доступной форме современные проблемы эффективности применения газопоршневых двигателей в мини-ТЭЦ и в целом в энергетических системах и их решения представлены в диссертации Костина Д.А. [3]. Объектом исследования данной работы выбран энергетический комплекс с когенерационными установками на базе газопоршневых агрегатов, работающий в системе электро- и теплоснабжения автономного объекта В работе определены закономерности математических моделей зависимостей тепловых потоков, отводимых от двигателя с выхлопными газами, охлаждающей жидкостью, маслом от величины электрической мощности для новых газопоршневых двигателей с электрогенератором на основании проведенных экспериментальных исследований, отличающихся структурой 7 моделей с учетом нелинейности закономерностей для повышения точности прогнозирования и учитывающих особенности конструкции конкретных двигателей. Также разработана методика обоснования выбора количества используемых двигателей на энергоустановке, обеспечивающей учет изменения нагрузки и требуемого уровня надежности. В работе проведен анализ экономической эффективности применения малых ТЭЦ с поршневыми двигателями в энергетическом комплексе и построение технико- экономического обоснования, позволяющего учесть реальные или прогнозируемые режимы работы и оценить целесообразность построения мини-ТЭЦ с ГПА на стадии предпроектных работ. Об энергетической эффективности когенерационных установок также написано в статье Лешковича В.В. [4]. Здесь оценка дается на основании отношения полученной электрической и тепловой энергии к затраченной первичной энергии топлива. Недостатком этой методики является допущение, что установка работает на номинальной мощности в течение всего периода эксплуатации. О применении малых ТЭЦ на базе газопоршневых двигателей в различных секторах экономики говорится в статье [5], авторами которой были разработаны технические требования и критерии для создания типового ряда отечественных мини- ТЭЦ мощностью 0,5; 1,0; 2,0 и 4,0 МВт. А также разработаны конструкторская документация и проведены стендовые испытания. В работе [6] имеется раздел, обосновывающий эффективность применения когенерационных установок в зависимости от эксплуатационных затрат. Эксплуатационные затраты (на топливо, масло, техническое обслуживание) связаны со средней эксплуатационной мощностью энергоустановки и их можно отнести к удельным затратам при эксплуатации. Отсюда можно сделать вывод, который подтверждается и практикой [7]: чем длительней период работы энергоустановки, тем меньше удельные затраты на ее эксплуатацию. Кроме того, здесь также следует учитывать и мощность, на которой работает энергоустановка. Это связано с тем, что на себестоимость электрической энергии будут сказываться и затраты, связанные с ее приобретением, транспортировкой и монтажом. В данном случае получается, что чем выше мощность энергоустановки, тем ниже удельные затраты, связанные с ее приобретением, 8 транспортировкой и монтажом. Отсюда следует вывод, что средняя эксплуатационная мощность энергоустановки, зависящая от потребителя, является весомым аргументом при оценке экономической эффективности энергоустановки. Это положение, по аналогии, относится и к системе утилизации вторичной теплоты, что в совокупности с энергоустановкой и является когенерационной установкой. Из анализа следует, что если когенерационная установка работает с непостоянной мощностью на потребителя (например, в общую энергосистему), то в обязательном порядке необходимо учитывать ее среднюю эксплуатационную мощность при расчете экономической эффективности ее применения на объекте. Тем самым необходимо иметь методику такого расчета и по возможности инструменты быстрой оценки экономической целесообразности применения когенерационной установки на объекте еще на стадии технического предложения. Различные варианты исполнения и эксплуатации газопоршневых мини-ТЭЦ приводятся и в ряде зарубежных источников [8-9]. В работе Дубинина В.С. [10] автором предложена Единая система газоснабжения и генерации механической, электрической и тепловой энергии, как альтернатива существующей единой электроэнергосистемы. Централизованное энергоснабжение предлагается заменить автономными газопоршневыми энергоустановками. В этой системе потребители электрической энергии соединены не электросетями, а газопроводами, что позволяет вырабатывать электроэнергию комбинированно с тепловой и с высоким коэффициентом эффективности. Автором показана целесообразность применения в таких системах именно газопоршневых двигателей. Описан принцип самостабилизации частоты вырабатываемого ими тока. Однако, не ясным остаются вопросы: на каких режимах рассматривалась работа двигателей – на номинальной или же определялась среднее значение эксплуатационной мощности, а также по каким критериям проводилась оценка эффективности применения поршневых двигателей. Работа вошла также в монографию автора «Обеспечение независимости электро- и 9 теплоснабжения России от электрических сетей на базе поршневых технологий». Отдельного внимания заслуживают исследования, проведенные Николаевым Ю.Е. и Сизовым С.В. [11] в рамках диссертационной работы Сизова С.В. по повышению эффективности малых ТЭЦ с газовыми турбинами. В рамках данного исследования была разработана математическая модель расчета характеристик и показателей эффективности малой ТЭЦ с ГТУ, а также методики определения оптимального количества ГТУ малой ТЭЦ при работе по электрическому и тепловому графикам нагрузки. Однако полученные зависимости не могут применяться для расчетов малых ТЭЦ с поршневыми двигателями в силу их спецификации. В работе Мамонова А.М. [12] разрабатываются критерии обоснования применения мини-ТЭЦ в системах энергоснабжения. Автором приводятся технические, экономические и экологические критерии обоснования эффективности применения мини-ТЭЦ. Однако, при оценке экономической эффективности в качестве показателя мощности установки выбран был годовой максимум активной мощности, что значительно завышает результаты экономических расчетов. Во всех рассмотренных работах можно отметить следующее: практически большинство авторов соглашаются, что применение когенерационных установок является перспективным направлением развития энергетической системы всего мира в целом и нашей страны в частности. Это подтверждается и мировой тенденцией применения мини-ТЭЦ на базе КУ с поршневыми ДВС. 3 Формулирование проблемы исследования Одним из основных вопросов при выборе типа малой ТЭЦ на базе существующей котельной является вопрос о стоимости самой энергоустановки в целом. Как указывалось ранее, при единичных мощностях менее 3,5 МВт удельная стоимость оборудования у поршневых машин ниже. Здесь нужно заметить, что стоимость оборудования и стоимость станции не одно и то же, особенно в том случае, когда речь идет о подводе газа высокого давления (как требуется для газовых турбин) Также важным является удельный расход топлива. Удельный расход топлива на 10 выработанный кВт·ч меньше у газопоршневой установки, причем при любом нагрузочном режиме. Это объясняется немалой разницей КПД для данных машин. Таким образом, проблема исследования заключается в правильном подборе газопоршневого оборудования, его количества и исполнения совместно со всем дополнительным оборудованием и автоматикой, поскольку мини-ТЭЦ предоставляют возможности выбора наиболее эффективного пути решения проблемы энергоснабжения за счет широкого диапазона режимов эксплуатации, большого выбора вспомогательного оборудования и систем, различных вариантов компоновок, что позволяет точно и оптимально приспособить установку к работе в любых условиях применения. При невысоких капитальных и эксплуатационных затратах эти электростанции обеспечивают максимальную эффективность инвестиций за счет производства электроэнергии и тепла по весьма конкурентным ценам. Диапазон применяемых единичных мощностей от 20 кВт до 3 МВт, тип и количество устанавливаемых агрегатов обеспечивают оптимальную конфигурацию для получения необходимой мощности мини-ТЭЦ в зависимости от режимов ее использования. Немаловажным параметром является возможность принятия и сброса нагрузки различными типами газопоршневых двигателей, применяемых в мини-ТЭЦ, а также незначительные колебания тепловой мощности. 4 Обоснование методики моделирования системы управления газопоршневыми двигателями Современный этап теоретических исследований поршневых двигателей внутреннего сгорания (ПДВС) характеризуется большим разнообразием применяемых математических моделей, сложность которых постоянно возрастает. Математическое моделирование как инструмент исследования в современной теории поршневых двигателей занимает значительное место и способствует их быстрому развитию. Эволюция моделирования ПДВС в настоящее время происходит в направлении все более 11 детального учета множества различных факторов, повышения точности и придания моделям натурных свойств. В последние годы, в связи с развитием вычислительной техники и значительными успехами в области моделирования ПДВС, вопросам построения модели двигателя как динамической системы уделяется все больше внимания. В тоже время, охватить единой детальной моделью такую сложную динамическую систему как ПДВС затруднительно вследствие высоких затрат вычислительных ресурсов и проблем унификации и согласования математического описания взаимосвязанных процессов различной физической природы, определяющих функционирование ПДВС. Это особенно важно для неустановившихся режимов работы, являющихся основными и характеризующихся исключительно сложной взаимосвязью всех звеньев динамической системы. Среди математических моделей, описывающих отдельные аспекты работы ПДВС как динамической системы, следует назвать работы [13-15]. Основными тенденциями развития газопоршневого оборудования в области генерации электрической и тепловой энергии являются: – повышение гибкости и универсальности оборудования, концентрация в одном агрегате все большего числа разнородных вариантов выработки энергии; – одновременное повышение производительности и качественных показателей тепловой энергии; – повышение энергоэффективности двигателей; – существенное увеличение маневренности и динамичности изменения генерируемой мощности; – совершенствование и внедрение нового автоматизирующего оборудования. Таким образом, задачи развития современного газопоршневого и котельного оборудования предъявляют повышенные требования как ко всей системе генерации энергии в целом, так и к автоматике управления, как к основному составляющему. Результатом повышения требований к данному оборудованию являются: - высокая маневренность изменения электрической и тепловой производительности; - перегрузочная способность; 12 - равномерность движения двигателя на широком диапазоне скорости; - стабильность и повторяемость характеристик котельного агрегата и двигателя. На современном этапе развития котельного и газопоршневого оборудования, генерирующего и электрическую, и тепловую энергию можно выделить некоторые подходы к определению качества оборудования. В мировой практике преобладает комплектная поставка систем управления как для новых современных паровых и водогрейных котлов малой производительности, так и для газопоршневых и дизельных двигателей всех конструкций и мощностей, включающая как саму систему ЧПУ, так и специально разработанный электропривод исполнительных механизмов регуляторов того же производителя. К основным поставщикам комплектных систем управления для газопоршневых двигателей следует отнести Siemens, Heidenhain (Германия), Fanuc (Япония), Fagor (Испания) и некоторые другие. Качество работы таких систем проверяется по результатам серии испытаний двигателей под переменной нагрузкой на заводе на международном стандарте. В рамках стандартов четко и однозначно прописаны все аспекты проведения испытаний двигателей, электрогенераторов, рекуператоров и систем охлаждения станков, способы измерений и используемое оборудование, набор экспериментов и условия их проведения, методики обработки результатов. На современных котлах и газопоршневых двигателях усложнились задачи, выполняемые электроприводом топливных клапанов и заслонок подачи воздуха в камеры сгорания. Режимы их работы требуют четкого согласования не только с механической нагрузкой на валу двигателя, но температурой как охлаждения двигателя, так и нагрева воздуха, подогреваемого отходящими газами двигателя и подаваемого далее в котел. Важным для ПДВС является поддержание заданного значения частоты вращения, что связано с применяемыми датчиками скорости, температуры, давления и нагрузки. В настоящее время наибольшее распространение в зарубежной электронике получило бесступенчатое управление частотой вращения с использованием замк- нутых систем регулирования клапанов подачи и циркуляции. 13 5. Организация моделирования в программе Matlab Simulink Для упрощения и ускорения процесса создания новых устройств и их исследо- вания широко применяется математическая система MATLAB. Благодаря встроенному в систему MATLAB пакету Simulink можно создавать математические модели по функциональной схеме системы с помощью отдельных блоков. Блоки моделируемого устройства соответствуют отдельным деталям реального устройства; таким образом, в системе MATLAB могут быть смоделированы практически любые электрические и тепловые схемы. Виртуальная лабораторная модель двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от искры представлена на рисунке 1. Эта модель, описывающая симуляцию двигателя, основана на опубликованных ранее работах известных авторов [16-18]. В модель входят: - дроссель; - впускной коллектор; - расход воздуха; - рабочий ход; - крутящий момент на валу двигателя. Рисунок 1 – Модель газопоршневого двигателя в программе Matlab Simulink 14 Первым элементом модели является тело дросселя (Engine Speed). Вход управления является углом пластины дросселя. Уровень, на котором модель вводит воздух во впускной коллектор, описывается двумя функциями: - эмпирическая функция угла пластины дросселя; - функция атмосферных и разнообразных давлений. Имитация модели впускного коллектора отображается дифференциальным уравнением при различном давлении: 𝑃 𝑚 = 𝑅𝑇 𝑉 𝑚 (𝑚 𝑎𝑖 − 𝑚 𝑎𝑜 ) Здесь (𝑚 𝑎𝑖 − 𝑚 𝑎𝑜 ) - разность в поступающих и исходящих массовых расходах газа. Имитация модели закладывает пропорциональность производной газа по времени. Имитация дросселя и впускного клапана отображается отдельной подсистемой, показанной на рисунке 2. Рисунок 2 – Модель впускного клапана и дросселя в Matlab Simulink Модель массового расхода воздуха в клапане выступает функцией от нагрузки, давления и частоты вращения двигателя: 𝑚 𝑎𝑜 = −0,366 + 0,08979 ∙ 𝑁 ∙ 𝑃 𝑚 − 0,0337 ∙ 𝑁 ∙ 𝑃 𝑚 2 + 0,0001 ∙ 𝑁 2 ∙ 𝑃 𝑚 В газопоршневом двигателе 180 о оборота коленчатого вала разделяют воспламенение последовательно каждой группы цилиндров. В этой модели потребление, сжатие и сгорание газа и выхлопные диапазоны происходят одновременно (в любой момент каждый цилиндр находится в каждой фазе). 15 Итоговым элементом симуляции является крутящий момент, создаваемый механизмом. Эмпирическое отношение, зависящее от массы воздуха, отношения смеси воздуха/топлива, усовершенствования искры и скорости вращения двигателя, используется для расчета крутящего момента: 𝑇 𝑜𝑟𝑞 = −181,3 + 379,36𝑚 𝑜 + 21,91 ∙ ( 𝐴 𝐹 ) − 0,85 ∙ ( 𝐴 𝐹 ) 2 + 0,26𝜎 − 0,0028𝜎 2 + 0,027𝑁 − 0,000107𝑁 2 + 0,00048𝑁𝜎 + 2,55𝜎𝑚 𝑜 − 0,05𝜎 2 ∙ 𝑚 𝑜 где А – смесь воздуха, F – смесь топлива, 𝜎 - напряжение искры. В представленной модели крутящий момент (блок Engine) является функцией четырех переменных. Модель использует блок Mux, чтобы объединить эти переменные в вектор, который представляет вход в блок Torque Gen. Функциональный блок вычисляет крутящий момент механизма. 6 Оценка результатов исследования При выполнении научно-исследовательской работы в качестве одного из способов топливосбережения на промышленных котельных был предложен вариант преобразования котельной в мини-ТЭЦ с надстройкой газопоршневым двигателем. Проведенный анализ научно-технической литературы по популярной на сегодняшний день теме энергосбережения, а именно по внедрению газопоршневых технологий в процесс, показал, что работы многих авторов посвящены применению средств малой энергетики, в том числе и малых ТЭЦ именно на базе газопоршневых агргатов, но окончательный выбор и эффект будет зависеть от требуемой мощности электрогенератора. В исследовании на основании литературы показаны особенности работы мини- ТЭЦ с газопоршневыми двигателями в сравнении с газотурбинными установками. Сравнение турбинных и поршневых двигателей для применения на мини-ТЭЦ показывает, что установка газовых турбин наиболее выгодна на крупных предприятиях, имеющих значительные электрические нагрузки, собственную производственную базу, высококвалифицированный персонал для эксплуатации газовой турбины и ввод газа 16 высокого давления. Мини-ТЭЦ на базе газопоршневых двигателей перспективны в качестве основного источника электроэнергии и теплоты на предприятиях широкого диапазона деятельности, в том числе и на автономных объектах. Обзор результатов применения газопоршневых малых ТЭЦ за рубежом свидетельствует о технической и экономической целесообразности их применения на различных объектах. При проведении научно-исследовательской работы также рассматривались технические характеристики когенерационных установок как отечественного, так и иностранного производства. Также при выполнении работы был смоделирован простейший газопоршневой двигатель от 4 до 12 цилиндров с краткой вырезкой результатов, представленных в работе. 7 Прогноз о развитии объекта исследования Как было ранее сказано в работе, газопоршневые мини-ТЭЦ используются для обеспечения электрической и тепловой энергией. Они выступают существенной альтернативой существующим централизованным системам энергоснабжения и хорошим вариантов надстройки промышленных котельных с целью топливосбережения и экономии энергетических ресурсов. Используя экспериментальные данные для энергоустановок на базе газопоршневых двигателей, изложенные в работах [3, 19, 20], можно определить, что при использовании когенерационной схемы удельное количество полезно используемой теплоты топлива увеличивается примерно в 2,3-2,4 раза по сравнению с раздельным производством электроэнергии и теплоты. Также комбинированное производство двух видов энергии на мини-ТЭЦ способствует гораздо более экологичному использованию топлива по сравнению с раздельной выработкой электроэнергии и тепловой энергии на котельных установках. Замена котельных с надстройкой двигателями и турбинами, нерационально 17 использующих топливо, по сравнению с когенерацией и загрязняющих атмосферу городов и посёлков на мини–ТЭЦ способствует не только значительной экономии топлива, но и повышению чистоты воздушного бассейна, улучшению общего экологического состояния окружающей среды. Источник энергии для микротурбин, газопоршневых и газотурбинных мини–ТЭЦ, как правило, природный газ. Природный или попутный газ органическое топливо, не загрязняющее атмосферу твёрдыми выбросами. Согласно полученным данным, наименьшими выбросами парниковых газов обладают мини-ТЭЦ с газопоршневыми двигателями, а максимальными – с газотурбинными двигателями. Поэтому с точки зрения экологии при выборе мини- ТЭЦ мощностью 1 МВт предпочтение следует отдавать газопоршневым двигателям [20]. Результаты обследований в работе [21] при полной загрузке ГПД в совместной работе с существующей котельной показали, что новые агрегаты не оказывают существенного воздействия на состояние окружающей среды: экологические и санитарные нормы по загазованности и уровню шума не превышаются. По оксиду углерода как расчётные, так и измеренные концентрации в воздухе пренебрежимо малы, по оксидам азота загрязнение атмосферы в «Янгантау» выше, чем в «Красноусольске», но не превышает 0,5 ПДК. Уровни шума на обоих объектах не превышали санитарных норм. Представленные выше доводы указывают на то, что применение мини-ТЭЦ на базе газопоршневых двигателей является одним из перспективных направлений развития малой энергетики на несколько десятилетий вперед, учитывая и факт серьезной конкуренции всем другим возможным вариантам традиционной тепловой энергетики. 18 Заключение Основными тенденциями развития в области топливосбережения и энергосбережения в целом на производственных котельных являются: - повышение КПД самого парового или водогрейного котла; - повышение параметров пара в случае паровых котлов; - повышение эффективности рекуперации тепла дымовых газов котлов; - переход к когенерационной выработке энергии за счет надстройки котлов газовыми турбинами или поршневыми двигателями. При выполнении научно-исследовательской работы отмечена высокая эффективность и относительная бюджетность такой технологии, как надстройка котлов газопоршневыми двигателями при возможности отдачи электроэнергии сторонним или местным потребителям в пределах до 3,5 – 4,0 МВт. При более высоких электрических мощностях финансовая выгода от подобных модернизаций переходит на сторону газотурбинных технологий. Этому также и способствует тот факт, выявленный при выполнении данной работы, что рынок России и Европы ограничивается газопоршневыми двигателями мощностью более 1,5-1,8 МВт. При больших электрических мощностях как раз и наблюдается плавный переход рынка в зону газотурбинных технологий. Результаты, полученные при выполнении работы, и в литературном обзоре указывают на неоспоримое преимущество газопоршневых двигателей во всех сферах и направлениях энергетики при ограниченности электрической мощности в модернизируемых системах до 4 МВт. 19 Список использованных источников 1. Талеб, Д.Г. Исследование работы многоагрегатных автономных электростанций с газотурбинным и дизельным приводом: дис. …канд. техн. наук: 05.14.02 / Талеб Джабер Гаиб. – СПб., 2009. – 150 с. 2. Гимазетдинов, Р.Р. Разработка методов имитационного моделирования поршневых двигателей внутреннего сгорания на основе компонентного подхода в составе когенерационных энергетических установок: автореферат. Дис… канд.техн. 05.14.02 – Челябинск, 2019. – 20 с. 3. Костин, Д.А. Эффективность применения энергетических установок на базе поршневых двигателей в энергетических комплексах: Дис… канд.техн. 05.14.01 – Саратов, 2017. – 153 с. 4. Лешкович, В.В. Особенности оценки показателей энерго- эффективности когенерационных установок / В.В. Лешкович, Н.Н. Николаев, Ю.Н. Николаев // Энергосбережение, №7. – 2007. 5. Концепция применения и основные технологические решения создания мини-ТЭЦ на базе газопоршневых двигателей / Лоскутов А.Б., Вагин Е.Б., Солнцев Г.Я., Воеводин А.Г., Соснина Е.Н., Мамонов А.М., Петров А.А. // Труды Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева / НГТУ им. Р.Е. Алексеева. - Нижний Новгород, 2010. № 1 (80), с. 169-174. 6. Агафонов, А.Н. Совершенствование характеристик энергетических установок на базе двигателей ЧН 21/21 объектов малой энергетики./ А.Н. Агафонов, А.В. Разуваев – Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т.- 2006.- 148 с. 7. Щаулов, В. Ю. Об опыте внедрения и эксплуатации газопоршневых мини- ТЭЦ / В.Ю. Щаулов // Малые и средние ТЭЦ. Современные решения НП «Российское теплоснабжение»: матер. конф. – М., 2005. [Электронный ресурс]– режим доступа: http://www.rosteplo.ru 8. A Combined Heat and Power System for Buildings driven by Solar Energy and Gas / A.C. Oliveira, C. Afonso, J. Matos, S. Riffat, M. Nguyen and P. Doherty // Applied Thermal Engineering, 2002, vol. 22, Iss. 6, pp. 587-593. 20 9. Dispatch Strategy and Model for Hybrid Photovoltaic and Combined Heating, Cooling, and Power Systems. / Nosrat, A.; Pearce, J. M. // Applied Energy 88, 2011: 3270– 3276. 10. Дубинин В.С. Совершенствование систем энергоснабжения в газифицированных регионах России на базе поршневых технологий: автореферат. Дис… канд.техн. 05.14.01 – М., 2013. – 20 с. 11. Николаев, Ю.Е. Эффективность применения малых ТЭЦ с газовыми турбинами для энергоснабжения промышленных и коммунальных потребителей: учеб. пособие / Ю.Е. Николаев, С.В. Сизов. – Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2011 – 68 с. 12. Мамонов, А.М. Разработка технических, экономических и экологических критериев применения систем генерирования электрической энергии малой мощности: автореф. дис. … канд.тех.наук: 05.14.01. – Нижний Новгород, 2006 – 18 с. 13. Патрахальцев Н.Н. Неустановившиеся режимы работы двигателей внутреннего сгорания: монография. М.: Изд-во РУДН, 2009. 380 с. 14. Кузнецов А. Г. Разработка методов и средств повышения эффективности работы дизелей на динамических режимах: автореф. дис. … д-ра техн. наук. М., 2010. 32 с. 15. Тимошенко Д. В. Исследование и улучшение динамических качеств переходных режимов работы КДВС: дис. ... канд. техн. наук. Хабаровск, 2004. 196 с. 16. P.R. Crossley and J.A. Cook, IEEE® International Conference 'Control 91', Conference Publication 332, vol. 2, pp. 921-925, 25-28 March, 1991, Edinburgh, U.K. 17. Моделирование систем электропривода в Simulink (Matlab 7.0.1): учебное пособие / В.Б. Терѐхин. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2008. – 320 с. 18. R. W. Weeks and J. J. Moskwa, "Automotive Engine Modeling for Real-Time Control Using Matlab/Simulink," 1995 SAE Intl. Cong. paper 950417. 19. Костин, Д.А. Программное обеспечение для расчета комбинированных энергоустановок / Д.А. Костин, К.Г. Серебрякова, М.А. Кальплер // Южно-Сибирский научный вестник. – 2013. - №2 (4). – С.16-19. 21 20. Маслеева, О.В. Оценка парникового эффекта от мини-ТЭЦ с различными двигателями / О.В. Маслеева, А.А. Петров, Г.В. Пачурин // Современные проблемы науки и образования. – 2009. - №6. – С.60-61. 21. Щаулов, В. Ю. Об опыте внедрения и эксплуатации газопоршневых мини- ТЭЦ / В.Ю. Щаулов // Малые и средние ТЭЦ. Современные решения НП «Российское теплоснабжение»: матер. конф. – М., 2005. [Электронный ресурс] – режим доступа: http://www.rosteplo.ru. |