Рис. 7. Показники ефективності ІСЕ з геотермальним джерелом тепла в залежності від температури термальної води

Аналіз залежності показників ефективності системи від частки заміщення енергії на виході системи геотермальним теплом (рис. 8) показує, що максимальне значення ексергетичного ККД спостерігається при співвідношенні, що приблизно дорівнює 0,5. На рис. 9 представлено показники щодо комплексного аналізу ефективності ІСЕ з ТН компресорного типу від коефіцієнта перетворення теплового насоса.

Рис. 8. Залежність показників ефективності ІСЕ з геотермальним джерелом тепла від коефіцієнта заміщення альтернативним джерелом

Рис. 9. Залежність показників ефективності ІСЕ з ТН від коефіцієнта перетворення теплового насоса

Наявність в системі енергопостачання теплового насоса забезпечує заміщення частини енергії органічного палива нізькопотенційним теплом з навколишнього середовища, що визначає відповідне підвищення коефіцієнта ефективності ІСЕ за енергетичним балансом до 0,92. При збільшенні коефіцієнта перетворення ТН ексергетичний ККД системи зростає до 0,36, а коефіцієнт перетворення енергії відповідно до 0,26, що також зумовлено заміщенням частини енергії органічного палива на нізькопотенційне тепло. Ексергоекономічний фактор приймає мінімальне значення при = 3, що пов’язано із зниженням інвестицій в термодинамічну ефективність бойлера і системи опалювання при підвищенні та відповідним збільшенням інвестицій в підвищення термодинамічної ефективності ТН. Порівняння ІСЕ з системою когенерації без ТН при однакових початкових даних показує, що основні показники термодинамічної ефективності ІСЕ в діапазоні зміни коефіцієнта перетворення ТН від 2 до 4 нижчі на 5-15 % , що пов’язане з витратою значної частини ексергії високопотенційного продукту (електроенергії) на привід компресора ТН в системі, продуктом якої є нізькопотенційне тепло на опалювання і ГВП, проте доведено можливість значного розширення діапазону співвідношень електричної і теплової потужності для ІСЕ даного класу, що дозволяє повністю забезпечити потреби об’єкту теплопостачання в опалювальний період. Виконано оцінку ефективності ІСЕ за значенням коефіцієнта використання первинної енергії, досліджені різні варіанти теплових схем ІСЕ з ТН, визначено оптимальну конфігурацію системи залежно від переважаючих режимів та співвідношень електричного навантаження, теплового навантаження на опалювання і ГВП.

В результаті чисельного моделювання ІСЕ з ТН абсорбційного типу різних конфігурацій встановлено залежність показників термодинамічної ефективності ІСЕ з АТН від коефіцієнта перетворення АТН, відмічене підвищення термодинамічної ефективності ІСЕ даного класу в порівнянні з когенераційною установкою без додаткових джерел тепла, встановлено припустимі діапазони значень коефіцієнта заміщення тепла для різних варіантів ІСЕ з АТН.

За результатами чисельного моделювання когенераційної установки в режимі тригенерації встановлено залежності показників термодинамічної ефективності системи від співвідношення теплового і холодильного навантажень споживача, визначене оптимальне значення частки холодильного навантаження для теплової схеми тригенерації заданої конфігурації.

Аналіз результатів чисельного моделювання динаміки акумуляції тепла в баку-акумуляторі геліоколектора, баках-акумуляторах мережної води для ІСЕ з тепловим насосом компресорного, абсорбційного типів і когенераційної установки без додаткових джерел тепла показав, що найбільша швидкість акумуляції тепла (до 0,51) відмічена для ІСЕ з ТН компресорного типу, що пояснюється високим (до 3,04,0) значенням коефіцієнта перетворення ТН і, відповідно, високим співвідношенням теплового і електричного навантаження (до 11,0:1,0). Для ІСЕ з ТН абсорбційного типу швидкість акумуляції тепла нижче (до 0,35), що є слідством відносно невисокого значення коефіцієнта перетворення АТН (до 1,8). Для когенераційної установки без додаткових джерел тепла швидкість акумуляції не перевищує 0,28, що пояснюється співвідношенням теплового і електричного навантаження в системі на рівні 1,6:1,0.

Розв’язання задачі оптимізації добових графіків навантажень наведено для ІСЕ з ТН компресорного типу відповідно до методики, викладеної в третьому розділі. Наявність в системі додаткового джерела тепла забезпечує комплексне розв’язання задачі узгодження та задачі оптимізації добових графіків електричного і теплового навантаження системи, в результаті якого, при автономній роботі системи генеруєма електрична і теплова потужності повністю співпадають з відповідними навантаженнями споживача.

На рис. 10 представлено оптимальні добові графіки електричного і теплового навантаження ІСЕ з ТН при коефіцієнті перетворення = 3,0, які забезпечують мінімум витрат на виробництво електроенергії і тепла з коефіцієнтом заповнення графіка електричного навантаження КУ = 0,55 (піковий режим), при середньодобовому співвідношенні теплового і електричного навантажень = 6,9 : 1, яке характерне для комунально-побутових споживачів в опалювальний період.

Рис. 10. Оптимальні добові графіки: а) електричного, б) теплового навантаження ІСЕ з ТН компресорного типу

Приведені на рис. 10 графіки навантажень відповідають максимально можливому співвідношенню в системі, яке при заданому коефіцієнті перетворення ТН обмежується максимальною електричною потужністю компресора. Збільшення співвідношення до 9,8 : 1 досягається при використанні режиму акумуляції генеруємого тепла в періоди зниження електричного навантаження споживача (нічне розвантаження) і відповідного збільшення потужності ТН. При цьому коефіцієнт використання встановленої потужності КУ досягає значення 0,76.

Рис 11. Припустимі межі зміни співвідношень теплових і електричних навантажень для ІСЕ з ТН компресорного типу залежно від коефіцієнта перетворення ТН

На рис. 11 представлено результати оптимізації режимів роботи ІСЕ з ТН компресорного типу та визначено припустимі межі зміни співвідношень теплових і електричних навантажень залежно від коефіцієнта перетворення ТН і коефіцієнта заповнення графіка електричного навантаження споживача. Зменшення коефіцієнта перетворення ТН веде до відповідного зниження припустимих меж відношення для кожного з граничних режимів навантажень системи внаслідок зниження енергетичної ефективності (зменшення). Припустимі межі відношення знижуються також і при збільшенні коефіцієнта заповнення графіка електричного навантаження споживача внаслідок відповідного збільшення споживаної електричної потужності.

Економічна ефективність оптимізації режимів досліджуваної ІСЕ оцінювалася за відносним значенням цільової функції, яке визначається за виразом

,

де – оптимальне значення цільової функції, що визначається відповідно до методики, викладеної вище; – сумарні витрати на виробництво відповідних видів енергетичної продукції в системі при роздільній генерації.

Результати оцінки економічної ефективності оптимізації добових графіків навантаження ІСЕ (рис. 12) свідчать, що в цілому сумарні добові витрати на виробництво відповідних видів енергетичної продукції в системі складають 5065 % від витрат на виробництво таких же видів продукції при роздільній генерації. Збільшення коефіцієнта перетворення ТН від 2,0 до 4,0 приводить до відповідного зниження внаслідок зростання показників енергетичної ефективності системи. Такий же ефект, хоча і в менших масштабах, спостерігається і при зростанні коефіцієнта заповнення графіка електричного навантаження споживача від 0,55 до 0,85 (перехід від пікового до базового режиму електричного навантаження), як результат підвищення ККД і експлуатаційних показників КУ при зростанні коефіцієнта використання встановленої потужності.

Рис. 12. Оцінка економічної ефективності оптимізації добових графіків навантаження ІСЕ залежно від коефіцієнта перетворення ТН

Особливістю ІСЕ з ТН абсорбційного типу (на відміну від ІСЕ з ТН компресорного типу) є відсутність перетворення частини електричної енергії в теплову. Перетворення частини теплової енергії знову в теплову з невисоким коефіцієнтом перетворення (до 1,8) значно обмежує діапазон можливих режимів, що забезпечують розв’язання задачі оптимізації добових графіків навантажень. У зв’язку з чим, використання акумуляції тепла є необхідною умовою узгодження добових графіків електричного і теплового навантажень для ІСЕ даного класу.

Узгодження добових графіків навантажень при автономній роботі системи можливе в достатньо вузькому діапазоні співвідношень – від 1,7:1,0 до 2,3:1,0. При цьому коефіцієнт заповнення графіка як електричного, так і теплового навантажень споживача повинен бути не менше 0,75 (напівпіковий режим). Максимально можливе значення коефіцієнта заміщення тепла від альтернативного джерела = 0,30 досягається при базовому режимі електричного навантаження споживача.

Робота ІСЕ даного класу за тепловим графіком навантажень передбачає синхронізацію генератора КУ з енергосистемою. При цьому КУ працює в базовому режимі електричного навантаження цілу добу при номінальній електричній потужності = 800 кВт (рис. 13). При максимально припустимому співвідношенні теплових і електричних навантажень АТН також працює в базовому режимі з максимальним тепловим навантаженням.

Рис. 13. Оптимальні добові графіки: а) електричного, б) теплового навантаження ІСЕ з АТН в режимі акумуляції тепла при синхронізації КУ з енергосистемою

На рис. 14 представлено результати оптимізації режимів роботи ІСЕ з АТН які свідчать, що при роботі ІСЕ за тепловим графіком навантаження без акумуляції тепла, навіть при можливості постачання частини електроенергії, що генерується, до мережі, значно звужуються припустимі межі співвідношень теплових і електричних навантажень. При цьому коефіцієнт заповнення графіка теплового навантаження споживача повинен бути не менше 0,75 (напівпіковий режим).

В результаті порівняння економічної ефективності оптимальних режимів роботи ІСЕ з ТН компресорного типу з аналогічними режимами роботи систем ІСЕ з АТН встановлено, що ІСЕ з АТН має певні переваги перед ІСЕ з ТН компресорного типу при коефіцієнтах перетворення ТН, менших за 3,54,0, унаслідок безпосередньої трансформації тепла в тепло для ІСЕ з АТН, але максимальне (до 11:1) досягається для ІСЕ з ТН компресорного типу. Для ІСЕ з ТН абсорбційного типу максимальне не перевищує 4,1:1.

Рис. 14. Припустимі межі зміни співвідношень теплових і електричних навантажень для ІСЕ з АТН при синхронізації КУ з енергосистемою

Найбільш ефективним є режими синхронізації КУ з енергосистемою при одночасній акумуляції тепла, що забезпечує роботу КУ а режимі базового навантаження з щонайвищим ККД і експлуатаційними показниками, а також розширення діапазонів співвідношень теплових і електричних навантажень споживача.

Аналогічні дослідження виконано для ІСЕ з геліоколектором (рис. 15) і ІСЕ з геотермальним джерелом тепла (рис. 16), які свідчать, що узгодження добових графіків навантажень при автономній роботі системи можливе в достатньо вузькому діапазоні співвідношень – приблизно від 2:1,0 до 3:1,0. При цьому коефіцієнт заповнення графіка теплового навантаження споживача був прийнятий 0,65 (напівпіковий режим). При синхронізації КУ з енергосистемою припустимі межі співвідношень теплових і електричних навантажень розширюються приблизно до 2,0:1,0 – 4,8:1,0, при цьому КУ працює в базовому режимі електричного навантаження цілу добу при номінальній електричній потужності = 800. Наявність в системі додаткового джерела тепла забезпечує розширення діапазону співвідношень в 1,5–2 рази

Рис. 15. Припустимі межі зміни співвідношень теплових і електричних навантажень для ІСЕ з геліоколектором залежно від коефіцієнта заповнення графіка електричного навантаження споживача

Рис. 16. Припустимі межі зміни співвідношень теплових і електричних навантажень для ІСЕ з геотермальним джерелом тепла залежно від

Рис. 17. Енергетична ефективність когенераційної установки промвузла м.Бровари при змінних навантаженнях

Рис. 18. Оптимальні розрахункові показники ефективності когенераційної установки промвузла м. Бровари при змінних навантаженнях

за рахунок заміщення споживаного тепла в системі теплом від додаткового джерела (коефіцієнт заміщення змінюється в межах 0,05 – 0,5).

Як реальний приклад застосування розробленого автором методу аналізу та оптимізації параметрів теплової схеми ІСЕ було виконано оцінку енергетичної ефективності промислової когенераційної установки виробництва АТВТ “Первромайськдизельмаш” при змінних режимах навантаження, яка свідчить про значне зниження ефективності утилізації тепла при малих навантаженнях КУ (рис. 17). Виконано параметричну оптимізацію теплової схеми КУ при змінних навантаженнях, що забезпечило відповідне підвищення ефективності утилізації тепла та економію органічного палива для покриття пікових теплових навантажень в системі (рис. 18).

У п’ятому розділі наведено методику та результати оцінки енергетичної та економічної ефективності ІСЕ різних класів за ексергоекономічним аналізом.

Методику отримання системи рівнянь на основі ексергоекономічного методу продемонстровано на прикладі схеми ІСЕ з тепловим насосом компресорного типу (рис. 19), кожен потік пронумерований і його індекс використовується в представлених нижче рівняннях вартості.

- рівняння балансу вартості газопоршневого двигуна-генератора:

, де вартість однієї електроенергії,; електрична потужність ГДГ,; потужність на привід компресора ТН,;

Рис. 19. Схема потоків ексергії ІСЕ з тепловим насосом компресорного типу

- рівняння балансу вартості котла-утилізатора:,

- рівняння балансу вартості бойлера гарячого водопостачання:,

- рівняння балансу вартості системи опалювання:,

- рівняння балансу вартості компресора ТН:,

- рівняння балансу вартості конденсатора ТН:,

- рівняння балансу вартості випарника ТН:, де вартість відповідного го потоку ексергії, відповідно вартість капітальних витрат та витрат на обслуговування ГДГ, котла-утилізатора, бойлера, системи опалювання, компресора, конденсатора і випарника теплового насоса.

- додаткові рівняння вартості, що складені за правилом F:;

- додаткові рівняння вартості, що складені за правилом P:

- рівняння з’єднання (роз’єднання) потоків:; де ексергія відповідного го потоку,.

Представлена система рівнянь доповнюється виразами, які встановлюють залежність технологічних параметрів в кожній точці системи від капітальних витрат на усунення термодинамічної неефективності устаткування і експлуатаційних витрат системи. Цільова функція, значення якої мінімізується, дорівнює сумарній вартості продукту системи (електроенергії, гарячої води і опалювання) та визначається виразом:.

Результатом розв’язана задачі є оптимальні значення ексергії потоків, вартості потоків ексергії в кожній точці теплової схеми енергоперетворюючої системи.

За викладеним вище алгоритмом було проведено ексергоекономічний аналіз для ІСЕ з АТН, з геліоколектором, геотермальним джерелом тепла та системи тригенерації. Результати оцінки економічної ефективності ІСЕ різних класів підтвердили вищу ефективність систем енергозабезпечення, що поєднують когенераційні установки малої потужності і альтернативні джерела енергії різної природи і потенціалу. Вартість енергетичних продуктів, особливо тепла на ГВП і опалювання, майже для всіх класів ІСЕ, у всьому діапазоні режимів роботи систем, нижча навіть при порівнянні із системами когенерації без додаткових джерел тепла, і істотно нижча за аналогічні показники систем з роздільною генерацією.

Встановлено, що терміни окупності витрат, що вкладені у відповідні ІСЕ, розраховані, в основному, за економією палива (тепла), значно нижчі в порівнянні з альтернативними джерелами, що працюють автономно від систем когенерації, а з урахуванням екологічної складової сорозмірні з системами когенерації.

Енергетичні та економічні характеристики ІСЕ різних класів залежать від великої кількості вхідних вартісних показників системи та її складових частин, тому в умовах значної динаміки вказаних показників виникають певні труднощі при визначенні оптимальних режимів, параметрів і конфігурації теплових схем ІСЕ. Проте, викладена в роботі методика дозволяє визначити чутливість системи і її елементів щодо зміни основних вхідних вартісних характеристик.

Оцінку впливу на економічні показники системи відносних капітальних витрат на додаткове джерело тепла достатньо детерміновано може бути виконано тільки для ІСЕ з геліоколектором, для якого вони, в основному, визначаються вартістю 1 його поверхні (вартість 1 геліоколектора прийнята близько 500 грн.).

Залежність питомого економічного ефекту і терміну окупності системи від коефіцієнта заміщення додаткового джерела (рис. 20, 21) свідчать, що наявність в системі альтернативного джерела істотно змінює економічні показники КУ. Так, відчутний економічний ефект

Рис. 20. Залежність питомого економічного ефекту від коефіцієнта заміщення додаткового джерела при зміні витрат на паливо для ІСЕ з геліоколектором

Рис. 21. Залежність терміну окупності системи від коефіцієнта заміщення додаткового джерела при зміні витрат на паливо для ІСЕ з геліоколектором

досягається при ціні на газ тільки близько 1, при цьому простий термін окупності капіталовкладень складає 3 роки.

Оцінку економічної та екологічної ефективності системи когенерації виконано за міжнародною методикою RETScreen. Прості терміни окупності капіталовкладень не перевищують 1,5 роки, що добре узгоджується з економічними розрахунками, виконаними за іншими методиками. Зниження емісії двоокису вуглецю склало для розглядаємої системи понад 1000 на рік внаслідок відповідного зниження коефіцієнту емісії СО2 з 0,194 до 0,179. / в порівнянні з роздільною генерацією. Найбільший ефект зниження емісії парникових газів відбувається при роботі системи за тепловим графіком навантажень.

У додатках наведено результати розрахунку енергетичних, економічних та екологічних показників системи когенерації за міжнародною методикою RETScreen, відомості щодо обліку витрати тепла та газу когенераційної установки ДвГ1А-500 АТВТ “Первромайськдизельмаш”, специфікація засобів вимірювань при виконанні пусконалагоджувальних робіт когенерационной установки та акти впровадження результатів дисертаційної роботи.

На основі результатів дослідження ефективності ІСЕ різних класів можна сформулювати наступний підсумковий висновок про практичне використання інтегрованих систем.

ІСЕ різних класів, що розглянуті в роботі, мають перспективи широкого впровадження в Україні щодо підвищення ефективності комплексного енергозабезпеченням споживачів, оскільки дозволяють заощадити паливно-енергетичні ресурси і поліпшити екологічний стан навколишнього середовища. При виконанні певних умов можливе значне розширення діапазону регулювання співвідношення електричного і теплового навантаження споживача в літній та опалювальний періоди, а також повне покриття виникаючого при експлуатації системи дефіциту тепла без використання резервних джерел. Поєднання в одній системі переваг когенераційних технологій і відновлюваних джерел енергії приводить до позитивних результатів щодо заміщення значної частки традиційних видів енергії. Інтегроване використання двох, а можливо і більш джерел енергії, що відмінні за енергетичним потенціалом, створює сприятливі умови щодо підвищення ефективності використання кожного з них і підвищення ефективності роботи ІСЕ в цілому. ІСЕ різних класів можуть бути рекомендовані для широкого впровадження як автономні генератори електроенергії і тепла для крупних комунально-побутових споживачів, закладів, об’єктів готельно-курортного господарства, невеликих промислових підприємств.

Висновки

У відповідності з метою роботи було визначено умови ефективної роботи інтегрованих систем енергозабезпечення різних класів і конфігурацій на базі установок когенерації малої потужності та відновлювальних джерел енергії.

Дослідження ІСЕ, що реалізовані на основі геліоколекторів, геотермальних джерел тепла, теплових насосів компресорного або абсорбційного типу, дозволили на основі чисельного аналізу визначити оптимальні умови їх роботи з погляду найефективнішого використання енергетичного потенціалу альтернативних та низькопотенційних джерел енергії.

Розроблена математична модель ІСЕ і результати чисельного моделювання дозволили зробити висновок про певне підвищення термодинамічної, економічної та екологічної ефективності інтегрованих систем енергозабезпечення в порівнянні з системами когенерації без додаткових джерел тепла і можливості зняття цілого ряду обмежень, які характерні для систем енергозабезпечення на основі тільки когенераційних установок, або тільки альтернативних джерел тепла. Основні наукові та практичні результати роботи полягають в наступному.

1. Використання когенераційних установок малої потужності (до 1–2 МВт) на базі газопоршневих двигунів для автономного енергозабезпечення споживачів не дозволяє повністю реалізувати переваги когенераційних технологій, оскільки є ряд обмежень, що визначаються:

— невідповідністю графіків теплового і електричного навантаження споживача відповідним графікам КУ;

— значною добовою і сезонною нерівномірністю як електричного, так і теплового навантаження КУ;

— низькою ексергетичною ефективністю системи в цілому внаслідок наявності значної частки нізькопотенційної енергії на виході системи у вигляді тепла на опалювання, ГВП та ін.;

— екологічною складовою, невід’ємною при спалюванні органічних палив в КУ.

2. При експлуатації автономних систем теплопостачання на основі тільки альтернативних джерел енергії також існує ряд обмежень, які визначаються наступними факторами:

— низьким енергетичним потенціалом джерел;

— добовою і сезонною нерівномірністю джерел енергії;

— наявністю значної стохастичної складової при прогнозуванні енергоефективності джерел на заданому часовому інтервалі;

— необхідністю використання додаткових і резервних джерел енергії для забезпечення безперебійного функціонування системи;

— тривалим терміном окупності системи.

3. Використання ІСЕ з геліоколектором дозволяє:

— ефективно і повністю покрити виникаючий дефіцит тепла при роботі системи за електричним графіком навантаження при забезпеченні споживача теплом на гаряче водопостачання в літні місяці і до 70 % – в осінньо-весняні місяці для південних регіонів України;

— погоджувати і оптимізувати графіки електричного та теплового навантажень споживача за рахунок акумуляції тепла від геліосистеми і КУ;

— значно підвищити коефіцієнт використання встановленої потужності КУ (до 0,8–0,9) при роботі КУ за тепловим графіком навантаження.

4. Використання ІСЕ з геотермальним джерелом є достатньо ефективним рішенням для регіонів України, які мають відповідний потенціал, оскільки при цьому:

— значно розширюється діапазон регулювання співвідношення електричного і теплового навантаження споживача;

— підвищується термодинамічна ефективність системи за рахунок заміщення високопотенційної ексергії органічного палива на нізькопотенційну ексергію геотермального джерела;

— оптимальне значення коефіцієнта заміщення генеруємого тепла в системі геотермальним теплом рекомендується близько 0,5.

5. При використанні ІСЕ з ТН компресорного типу підвищується експлуатаційна і енергетична ефективність системи, оскільки при цьому:

— за рахунок передачі до 50 % потужності від КУ на привід компресора ТН діапазон регулювання співвідношення електричного і теплового навантаження споживача розширюється до 1:4–1:10, що дозволяє повністю забезпечити потреби системи в теплі не тільки на ГВП, але і на опалювання;

— забезпечується ефективне узгодження графіків електричного і теплового навантаження споживача в широкому діапазоні режимів роботи системи;

— значно знижується мінімально припустиме значення коефіцієнта перетворення ТН (до 1,1–1,2), що забезпечує енергетичну ефективність ТН, у відмінності від = 3–4, яке характерне для звичайного електроприводу;

— заощаджується значна частка високоцінного органічного палива за рахунок використання низькопотенційних джерел тепла для забезпечення потреб комунально-побутових і промислових споживачів.

6. Особливістю використання ІСЕ з ТН абсорбційного типу є:

— підвищення термодинамічної ефективності системи;

— розширення діапазону регулювання співвідношення електричного і теплового навантаження споживача до значень 1:2–1:3;

— максимальне значення коефіцієнта заміщення генеруємого тепла в системі теплом від АТН дорівнює 0,15 при підігріві генератора АТН мережною водою когенераційної установки і 0,3 при підігріві генератора АТН вихлопними газами ГДГ, що дозволяє рекомендувати цей варіант конфігурації теплової схеми ІСЕ з АТН як більш ефективніший.

7. Використання КУ установки в режимі тригенерації:

— забезпечує для теплової схеми розглянутої конфігурації підвищення значення коефіцієнта використання тепла палива від 0,866 до 1,077 в порівнянні з КУ, яка працює у режимі когенерації, за рахунок холоду, як додаткового корисного енергетичного продукту на виході системи;

— оптимальне значення частки холодильного навантаження, що забезпечує мінімум витрат на виробництво енергетичних продуктів для КУ заданої конфігурації, рекомендується на рівні 0,15.

8. Економічна ефективність розглянутих класів ІСЕ залежить від значної кількості визначальних факторів, з яких найбільш суттєвими є вартість органічного палива та капітальні і експлуатаційні витрати на додаткові джерела тепла. При ефективному використанні потенціалу додаткових джерел енергії термін окупності інтегрованих систем не перевищує 5 років, а при зберіганні існуючої тенденції на значне підвищення вартості органічного палива відповідно скорочується.

9. Впровадження розробленої методики аналізу ефективності та комплексної оптимізації систем енергозабезпечення на базі КУ малої потужності та результатів дослідження ІСЕ щодо підвищення ефективності використання газопоршневих когенераційних установок виробництва АТВТ “Первромайськдизельмаш” забезпечило зниження річної витрати газу більш за 25 тис. м3 та відповідний економічний ефект 20–25 тис. грн. на одну установку номінальною електричною потужністю 500 кВт.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Баласанян Г.А., Мазуренко А.С. Согласование графиков тепловой и электрической нагрузок для систем когенерации малой мощности // Пром. Теплотехника. – 2005. – № 3. – С. 32–39.

Методика узгодження графіків теплового і електричного навантаження систем когенерації в умовах обмежень передачі частини електричної потужності до мережі.

2. Баласанян Г.А., Мазуренко А.С. Оптимизация параметров интегрированной системы энергоснабжения на базе установки когенерации // Тр. Одес. политехн. ун-та. – Одесса, 2005. – Вып. 1(23). – С. 43–48.

Методика параметричної оптимізації елементів системи енергозабезпечення.

3. Баласанян Г.А., Мазуренко А.С. Использование аккумулирования тепла при согласовании графиков тепловой и электрической нагрузок когенерационных установок // Інтегровані технології та енергозбереження. – 2005. – № 3. – С. 53–58.

Визначено режими, що забезпечують найвищу ефективність використання акумулювання тепла при експлуатації установок когенерації.

4. Баласанян Г.А., Мазуренко А.С., Сычова Е.А. Повышение эффективности системы энергоснабжения на базе установки когенерации малой мощности // Новини енергетики. – 2005. – № 3. – С. 34–38.

Запропоновано ІСЕ на базі установки когенерації і геліоколектора.

5. Мазуренко А.С., Баласанян Г.А., Сычова Е.А. Эффективность регулирования отпуска теплоты когенерационной газотурбинной установкой // Вестник нац. техн. ун-та “ХПИ”. Харьков, 2005. – Вып. 6. – С. 108–112.

Проведено аналіз запропонованого способу регулювання виробництва теплоти на ефективність когенераційної установки.

6. Баласанян Г.А. Оптимизация параметров системы тригенерации на основе эксергоэкономических методов // Інтегровані технології та енергозбереження. 2005. № 4. С. 97–102.

7. Баласанян Г.А. Эффективность интегрированной системы энергоснабжения на базе когенерационной установки и теплового насоса // Новини енергетики. – 2006. – № 2. – С. 29–33.

8. Баласанян Г.А., Мазуренко А.С. Оптимизация параметров тепловой схемы интегрированной системы энергоснабжения // Тр. Одес. политехн. ун-та. – Одесса, 2006. – Вып. 1(25). – С. 59–65.

Запропоновано ІСЕ, яка забезпечує ефективне використання когенераційної установки на базі газопоршневого двигуна і теплового насоса.

9. Баласанян Г.А. Интегрированная система энергоснабжения с геотермальным источником тепла // Тр. Одес. политехн. ун-та. – Одесса, 2006. – Вып. 2(26). – С. 83–87.

10. Баласанян Г.А., Мазуренко А.С. Согласование графиков тепловой и электрической нагрузок когенерационных установок малой мощности // Zeszyty Naukowe Politechnika Opolska. Seria Elektryka. z.56. X Forum Energetykow “GRE’2006”. – Bielsko-Biala, Opole (Polska), 2006. – № 315. – P. – 33–38.

Запропоновано визначати оптимальний об’єм акумулятора тепла на основі статистичного аналізу графіків навантажень об’єкту енергозабезпечення.

11. Баласанян Г.А. Оценка эффективности интегрированных когенерационных систем // Экотехнологии и ресурсосбережение. – 2006. – № 3. – С. 9–12.

12. Мазуренко А.С., Баласанян Г.А., Сичова О.А. Оцінка ефективності когенераційних ГТУ при зміні співвідношення виробництва теплоти та електроенергії // Вестник нац. техн. ун-та “ХПИ”. – Харьков, 2006. – Вып. 5. – С. 133–137.

Засоби регулювання співвідношення виробництва тепла та електроенергії в когенераційних установках на базі ГТУ.

13. Баласанян Г.А., Мазуренко А.С. Эффективность интегрированных систем когенерации с абсорбционными тепловыми насосами // Інтегровані технології та енергозбереження. – 2006. – № 4. – С. 69–74.

Запропоновано критерії оцінювання ефективності інтегрованих систем когенерації з тепловими насосами абсорбційного типу.

14. Баласанян Г.А. Технико-экономическая эффективность интегрированных систем энергоснабжения на базе когенерационных установок // Тр. Одес. политехн. ун-та. – Одесса, 2007. – Вып. 1(27). – С. 65–71.

15. Баласанян Г.А. Эффективность интегрированных систем энергоснабжения на базе установки когенерации и гелиоколлектора // Вестник нац. техн. ун-та “ХПИ”. – Харьков, 2007. – Вып. 2. – С. 164–170.

16. Баласанян Г.А. Оптимизация режимов нагрузок интегрированной системы энергоснабжения на базе когенерационной установки и теплового насоса // Экотехнологии и ресурсосбережение. – 2007. – № 1. – С. 21–25.

17. Баласанян Г.А Оптимизация режимов нагрузок системы энергоснабжения на базе газопоршневой когенерационной установки и абсорбционного теплового насоса // Экотехнологии и ресурсосбережение. – 2007. – № 2. – С. 12–15.

18. Баласанян Г.А. Эффективность интегрированных систем когенерации с геотермальным источником тепла // Энергетика и электрификация. – 2007. – № 2. – С. 54–59.

19. Баласанян Г.А., Мазуренко А.С. Оптимизация режимов нагрузок интегрированной системы энергоснабжения на базе газопоршневой когенерационной установки и гелиоколлектора // Энергетика и электрификация. – 2007. – № 3. – С. 69–73.

Методика узгодження та оптимізації графіків електричного і теплового навантажень ІСЕ на базі когенерационной установки малої потужності і геліоколектора.

20. Баласанян Г.А. Оптимизация режимов нагрузок интегрированной системы энергоснабжения на базе когенерационной установки малой мощности и геотермального источника тепла // Холодильна техніка і технологія. – Одесса, 2007. – Вып. 1. – С. 67–71.

21. Баласанян Г.А. Оптимізація параметрів теплової схеми установки когенерації малої потужності на основі ексергоекономічних методів // Тр. Одес. Академии строительства и архитектуры – Одесса, 2007. – Вып. 25. – С. 20–26.

22. Баласанян Г.А. Согласование электрических и тепловых нагрузок интегрированных систем энергоснабжения на базе установок когенерации и альтернативных источников тепла // Холодильна техніка і технологія. – Одесса, 2007. – Вып. 2. – С. 43–47.

23. Баласанян Г.А., Мазуренко А.С. Ексергоекономічний аналіз когенераційної системи в режимі тригенерації // Энергосбережение, энергетика, энергоаудит. – 2007. – № 4. – С. 18-24.

Методика оптимізації параметрів теплових схем когенераційних установок, що працюють в режимі тригенерації на основі ексергоекономічного аналізу.

24. Баласанян Г.А. Комплексный подход к решению проблемы энергосбережения на современном этапе экономики Украины // Матер. науч.-техн. конференции „Энергосбережение в системах отопления, вентиляции и кондиционирования”. – Одесса . – 2002. – С. 39–40.

25. Баласанян Г.А., Мазуренко А.С. Согласование графиков тепловой и электрической нагрузок интегрированной системы когенерации малой мощности // Первая в Украине Международная конференция “Когенерация в промышленности и коммунальной энергетике”. – Киев. – 2004. – С. 154–155.

26. Баласанян Г.А., Мазуренко А.С. Эффективность системы энергоснабжения на базе установки когенерации малой мощности // Матер. XV Международной конференции „Энергосбережение, Экология, Эффективность”. – Киев. – 2005. – С. 9–12.

27. Баласанян Г.А., Мазуренко А.С. Оптимизация режимов использования когенерационной системы автономного энергообеспечения на примере Одесского национального политехнического университета // Матер. научно-практич. семинара „Энергосбережение в коммунальном хозяйстве Одессы”. – Одесса. – 2005. – С. 117–118.

28. Баласанян Г.А., Мазуренко А.С. Оценка эффективности интегрированных когенерационных систем // Матер. международной научно-технической конференции „Проблемы энергосберегающих технологий в АПК”. – Киев. – 2006. – С. 122–124.

29. Баласанян Г.А. Мазуренко А.С. Использование аккумулирования тепла при согласовании графиков тепловой и электрической нагрузок установок когенерации // Матер. XI международной научно-практической конференции „Интегрированные технологии и энергосбережение”. – Алушта. – 2005. – С. 44–47.

30. Баласанян Г.А., Мазуренко А.С. Эффективность интегрированных систем энергоснабжения на базе установок когенерации малой мощности // Матер. V Международной конференции „Проблемы промышленной теплотехники”. – Киев. – 2007. – С. 122–123.

31. Баласанян Г.А. Моделирование режимов работы интегрированной системы когенерации с гелиоколлектором // Матер. XIII международной научно-практической конференции „Интегрированные технологии и энергосбережение”. – Алушта. – 2007. – С. 29–35.

32. Баласанян Г.А. Оптимизация режимов нагрузок системы энергоснабжения на базе когенерационной установки в режиме тригенерации // Матер. XV международной научно-практической конференции „Экология и здоровье человека. Охрана воздушного бассейна. Утилизация отходов”. – Щелкино (Украина). – 2007. – С. 224–230.

33. Баласанян Г.А. Интегрированные системы энергоснабжения на базе установок когенерации малой мощности и альтернативных источников энергии // Матер. всеукраинской научно-технической конференции „Альтернативные экологически чистые и возобновляемые источники энергии”. – Винница. – 2007. – С. 168-169.

34. Баласанян Г.А Интегрированные системы энергоснабжения на базе установок когенерации и альтернативных источников тепла // Матер. всеукраинской научно-практической конференции „Энергосбережение в промышленности Украины”, 2007 г. – Киев. – С. 27-28.

Баласанян Г.А. Ефективність перспективних інтегрованих систем енергозабезпечення на базі установок когенерації малої потужності. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.14.06 – технічна теплофізика і промислова теплоенергетика. – Одеський національний політехнічний університет, Одеса, 2007.

Дисертаційна робота присвячена науково-технічному обґрунтуванню, розробці і дослідженню нового класу комбінованих установок – інтегрованих систем комплексного енергопостачання на базі когенераційних установок малої потужності і альтернативних джерел енергії, розробці основ побудові теплових схем і процесів таких систем, розвитку методів їх аналізу, оптимізації параметрів і режимів функціонування.

В роботі виконано порівняльний аналіз перспективних напрямів підвищення ефективності систем енергопостачання на базі установок когенерації малої потужності, запропоновані відповідні теплові схеми ІСЕ різних конфігурацій.

Виконано аналіз, обґрунтовано критерії і методи щодо комплексної оцінки термодинамічної, економічної та екологічної ефективності інтегрованих систем, сформульовані принципи побудови математичних моделей ІСЕ, розроблені математичні моделі складових частин ІСЕ з альтернативними джерелами тепла, що враховують різні варіанти конфігурацій і типи систем, джерела енергії і режими споживання енергетичної продукції.

Розроблено методику узгодження графіків теплового та електричного навантажень ІСЕ залежно від енергетичного потенціалу додаткових джерел енергії і теплоакумулюючих властивостей елементів системи. Ексергоекономічний метод аналізу ефективності енергоперетворюючих елементів системи використано для оптимізації параметрів теплових схем ІСЕ, розроблено методику вибору оптимальної структури теплової схеми ІСЕ.

Зроблено висновок про підвищення термодинамічної, економічної і екологічної ефективності інтегрованих систем в порівнянні з системами когенерації без додаткових джерел тепла та можливості зняття цілого ряду обмежень, що характерні для систем енергопостачання на основі тільки когенераційних установок або альтернативних джерел тепла.

Наведено дані про ефективність впровадження розробок на реальних об’єктах.

Ключові слова: інтегрована система енергозабезпечення, когенераційна установка, ефективність, комплексна оптимізація, режими навантаження.

Баласанян Г.А. Эффективность перспективных интегрированных систем энергоснабжения на базе установок когенерации малой мощности. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.14.06 – техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. – Одесский национальный политехнический университет, Одесса, 2007.

Диссертационная работа посвящена научно-техническому обоснованию, разработке и исследованию нового класса комбинированных установок – интегрированных систем комплексного энергоснабжения (ИСЭ) на базе когенерационных установок малой мощности и альтернативных источников энергии, разработке основ построения тепловых схем и процессов таких систем, развития методов их анализа, оптимизации параметров и режимов функционирования.

В работе выполнен сравнительный анализ перспективных направлений повышения эффективности систем энергоснабжения на базе установок когенерации малой мощности, предложены соответствующие тепловые схемы ИСЭ различных конфигураций.

Выполнен анализ, обоснованы критерии и методы комплексной оценки термодинамической, экономической и экологической эффективности интегрированных систем, сформулированы принципы построения математических моделей ИСЭ, разработаны математические модели составных частей ИСЭ с альтернативными источниками тепла, учитывающие разные варианты конфигураций и типы систем, источники энергии и режимы потребления энергетической продукции.

Выполнена классификация ИСЭ в соответствии с энергетическим потенциалом и физической природой дополнительных (альтернативных) источников энергии, разработана методика многовариантного анализа режимов работы ИСЭ различных конфигураций.

В работе разработана методика согласования графиков тепловой и электрической нагрузок ИСЭ в зависимости от энергетического потенциала дополнительных источников энергии и теплоаккумулирующих свойств элементов системы.

Эксергоэкономический метод анализа эффективности энергопреобразующих элементов системы использован для оптимизации параметров тепловых схем ИСЭ. Разработана методика выбора оптимальной структуры тепловой схемы ИСЭ как результат определения минимальной стоимости всех видов энергетической продукции для конфигурации системы, заданной в виде графа и соответствующих матриц связей элементов.

Разработанные математические модели интегрированных систем разных классов, в которых сочетание когенерационной установки и возобновляемых источников энергии, реализованных на основе гелиоколлекторов, геотермальных источников тепла, тепловых насосов компрессорного и абсорбционного типа, позволили определить оптимальные параметры, конфигурацию и режимы работы системы на основе термодинамических и эксергоэкономического методов по критерию минимальной стоимости энергетических потоков на выходе системы.

В результате решения задачи согласования и оптимизации суточных графиков электрической и тепловой нагрузок, обеспечивающих минимальные эксплуатационные затраты на производство всех видов энергетической продукции, для ИСЭ разных классов определены допустимые пределы соотношений тепловых и электрических нагрузок в функции от коэффициента заполнения графика электрической и тепловой нагрузок потребителя и коэффициента преобразования ТН.

Сделан вывод о повышении термодинамической эффективности интегрированных систем по сравнению с системами когенерации без дополнительных источников тепла и возможности снятия целого ряда ограничений, характерных для систем энергоснабжения на основе только когенерационных установок или альтернативных источников тепла.

Использование разных классов интегрированных систем, рассмотренных в работе, имеет перспективы широкого внедрения в Украине, позволяет экономить топливно-энергетические ресурсы и улучшить экологическое состояние окружающей среды, расширить диапазон регулирования соотношения электрической и тепловой нагрузки потребителя в летний и отопительный периоды, а также покрыть дефицит тепла, возникающий при эксплуатации систем энергоснабжения без использования резервных источников.

В работе выполнена оценка экономической эффективности ИСЭ разных классов на основе эксергоэкономического анализа, подтверждена более высокая экономическая эффективность систем энергообеспечения, соединяющих когенерационные установки малой мощности и альтернативные источники энергии разной природы и потенциала.

В результате исследования показателей экологической эффективности промышленной когенерационной установки определены зависимости концентрации вредных выбросов (NOх, CO) в выхлопе КУ в функции от электрической нагрузки и коэффициента избытка воздуха.

Оценка потенциала снижения эмиссии парниковых газов от использования ИСЭ выполнена по методике Министерства природных ресурсов Канады. Снижение эмиссии двуокиси углерода для рассматриваемой системы составило свыше 1000 в год при соответствующем снижении коэффициента эмиссии СО2 с 0,194 до 0,179 т/МВтч по сравнению с раздельной генерацией. Наибольший эффект снижения эмиссии парниковых газов отмечен при работе системы по тепловому графику нагрузок.

На основании полученных в работе результатов разработаны и внедрены практические рекомендации по повышению эффективности систем энергоснабжения на базе когенерационных установок производства АООТ “Первомайскдизельмаш”, усовершенствованы суточные графики нагрузок, обеспечивающие максимальную энергетическую и экономическую эффективность установок.

Приведены данные об эффективности внедрения разработок на реальных объектах.

Ключевые слова: интегрированная система энергоснабжения, когенерационная установка, эффективность, комплексная оптимизация, режимы нагрузок.

Balasanian G.A. Efficiency of the perspective energy supply integrated systems on the base of low-power co-generation units. Manuscript.

Thesis for a Doctor degree of Technical Science, specialty – 05.14.06 "Technical thermophysics and industrial heat-and-power engineering", Odessa National Polytechnic University, Odessa, 2007.

Dissertation is devoted to scientific and technical substantiation, to development and research of a new class of the combined units - complex energy supply integrated systems (ESIS) on the base of low-power co-generation units and alternative energy sources, and to development of bases for construction of thermal schemes and processes of mentioned systems, for development of methods of their