ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Баласанян Геннадій Альбертович
УДК 621.311.22 : 620.91.011.46
Ефективність перспективних ІНТЕГРОВАНИХ систем ЕНЕРГОЗАБЕЗПЕЧЕННЯ НА БАЗІ УСТАНОВОК когенерації малої ПОТУЖНОСТІ
(теоретичні основи, аналіз, оптимізація)
05.14.06 – технічна теплофізика і промислова теплоенергетика
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук
Одеса - 2007
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана на кафедрі теплових електричних станцій та енергозберігаючих технологій Одеського національного політехнічного університету міністерства освіти і науки України.
Науковий консультант доктор технічних наук, професор
Мазуренко Антон Станіславович,
Одеський національний політехнічний
університет, завідувач кафедри
теплових електричних станцій
та енергозберігаючих технологій
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Кошельник Вадим Михайлович,
Національний технічний університет
„Харківській політехнічний інститут”,
завідувач кафедри теплотехніки
доктор технічних наук, професор
Морозюк Тетяна Владиленівна,
Одеська державна академія холоду,
завідувач кафедри холодильних машин
доктор технічних наук, професор
Нікульшин Володимир Русланович,
Одеський національний політехнічний
університет, завідувач кафедри
загальної, теоретичної та
нетрадиційної енергетики
Захист відбудеться “ 2 ” ___жовтня____ 2007 р. о __1400_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.052.04 у Одеському національному політехнічному університеті за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Одеського національного політехнічного університету за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1.
Автореферат розісланий “_20__” __вересня___ 2007 р.
Вчений секретар
Спеціалізованої вченої ради Зайцев О.М.
Загальна характеристика роботи
Актуальність теми. Стійка тенденція підвищення цін на енергоносії як на світовому, так і на внутрішньому ринку, з кожним роком загострює проблему енергетичної безпеки України. Тому ефективність використання паливно-енергетичних ресурсів на основі широкого впровадження енергозберігаючих технологій є стратегічним напрямком державної політики України. Одним із шляхів підвищення ефективності використання первинного палива є впровадження сучасних когенераційних технологій сумісно з альтернативними джерелами тепла, що дозволяє підвищити ефективність і надійність систем енергоспоживання за рахунок комплексного використання різних відновлюваних джерел енергії.
Основними стримуючими факторами розвитку систем розподіленої генерації є відсутність технічних можливостей ефективного використання переваг когенераційних технологій автономними споживачами малої потужності. Це зумовлено невідповідністю графіків електричного і теплового навантаження споживача відповідним графікам когенераційної установки, їх значною добовою і сезонною нерівномірністю та низькою ексергетичною ефективністю системи в цілому.
Вирішити задачу ефективного використання когенераційних технологій і підвищення конкурентоспроможності систем альтернативного теплопостачання можливо за рахунок впровадження інтегрованих систем енергозабезпечення (ІСЕ), що поєднують когенераційні установки малої потужності і додаткові (альтернативні) джерела тепла. Завдяки такої інтеграції стає можливим зняття більшості обмежень та недоліків, що властиві окремо кожній системі.
Тому задача дослідження та науково-технічного обґрунтування ІСЕ на основі когенераційних установок малої потужності з використанням додаткових альтернативних джерел енергії (сонячної, геотермальної, нізькопотенційного тепла ґрунту, водоймищ, промислових і побутових скидань та ін.) для ефективного комбінованого енергозабезпечення промислових і комунально-побутових споживачів є дуже актуальною.
Таким чином, можна сформулювати науково-технічну проблему – підвищення ефективності використання когенераційних установок малої потужності та альтернативних джерел енергії шляхом інтеграції їх до єдиної системи та визначення умов і режимів ефективного функціонування інтегрованої системи.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні наукові та практичні результати дисертаційної роботи одержано при виконанні НДР, які виконувались відповідно до статті № 7 Закону України „Про приоритетні напрями розвитку науки i техніки” в межах пріоритетного напряму 3. „Збереження навколишнього середовища (довкілля) та сталий розвиток”, напряму 6. „Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі”, а також відповідно до державної програми 4.7. „Нетрадиційні відновлювальні джерела енергії і ефективні системи їх використання” у межах приоритетного напряму 4. „Екологічно чиста енергетика і ресурсозберігаючі технології” та галузевою науково-технічною програмою Міністерства освіти та науки України в межах приоритетного напряму 38. „Наукові проблеми енергозбереження шляхом діагностики, інтенсифікації технологій в енергетиці, промисловості і сільському господарстві при одержані екологічних вимог”, а також в рамках держбюджетних НДР № 402-41, № ДР 01860110130 за темою „Перспективні напрямки використання енергозберігаючих технологій в теплоенергетиці” (20012005 рр.), автор співвиконавець теми, № 563-41 № ДР 0107U001964 за темою „Удосконалення структури паливно-енергетичного балансу регіональної енергетики” (20062008 рр.), автор – відповідальний виконавець; ряду господарсько-договірних робіт: № 1343-41: „Розробка технічних рішень щодо підвищення надійності та енергетичної ефективності роботи енергообладнання Молдавської ДРЕС” (2001-2003), автор співвиконавець теми; № 1458-41: „Обстеження системи відпустки тепла гарячою водою споживачам по теплових мережах ВАТ „Одеська ТЕЦ” (2005 р.), автор – відповідальний виконавець; № 450-41: „Підвищення ефективності систем енергопостачання на базі когенераційних установок виробництва АТВТ „Первомайськдизельмаш” (2006-2007 рр.), автор – відповідальний виконавець та ін.
Мета і задачі дослідження. Метою роботи є науково-технічне обґрунтування і дослідження нового класу комбінованих установок інтегрованих систем комплексного енергозабезпечення на базі когенераційних установок малої потужності та альтернативних джерел енергії для вирішення проблем енергозбереження; розробка теплових схем таких установок, розвиток методів їх аналізу, оптимізація параметрів і режимів функціонування.
Для досягнення поставленої мети було сформульовано наступні задачі:
- аналіз сучасного стану впровадження технологій когенерації на базі установок малої потужності;
- обґрунтування вибору критеріїв ефективності функціонування інтегрованої системи, методик розрахунку обраних критеріїв;
- розробка математичної моделі інтегрованої системи енергозабезпечення на базі когенераційної установки і альтернативних джерел енергії різних конфігурацій, визначення основних параметрів, що впливають на її ефективність;
- розробка методики параметричної оптимізації системи, оптимізація конфігурації та режимів функціонування системи;
- моделювання режимів роботи ІСЕ і визначення умов найбільш ефективного функціонування системи в цих режимах;
- оцінка впливу конфігурації інтегрованої системи на режими її функціонування;
- дослідження енергетичної та економічної ефективності системи та її елементів з урахуванням специфіки і потенціалу використаних джерел первинної енергії та особливостей споживачів.
Об'єкт дослідження інтегрована система енергозабезпечення на базі когенераційної установки малої потужності з використанням альтернативних джерел енергії, в якій інтегровано декілька, відмінних за своєю природою і енергетичному потенціалу, джерел первинної енергії. Предмет дослідження режими роботи і процеси в інтегрованих системах енергозабезпечення різних класів і конфігурацій, що об’єднують когенераційні установки малої потужності та альтернативні джерела енергії.
Методи дослідження. Системний підхід до моделювання процесів в елементах інтегрованих систем і режимів їх функціонування, використання математичного апарату і алгоритмів багатофакторної оптимізації систем.
Наукова новизна отриманих результатів. Вперше при дослідженні комплексу взаємозв’язаних джерел і споживачів енергії різної природи отримано наступні нові наукові результати:
- теоретично обґрунтовано ефективність створення перспективних інтегрованих систем на базі когенераційних установок малої потужності та альтернативних джерел енергії, що забезпечують комплексне енергопостачання споживачів (електроенергією, теплом, холодом та ін.) при підвищенні ефективності використання різних джерел енергії;
- розроблено математичну модель режимів функціонування систем енергозабезпечення різних класів і конфігурацій з ранжируванням впливу визначальних параметрів на ефективність системи;
- виконано постановку задачі та розроблено методику комплексної оптимізації параметрів, конфігурації і режимів функціонування запропонованих класів інтегрованих систем енергозабезпечення;
- запропоновано систему критеріїв комплексної оцінки ефективності інтегрованої системи енергозабезпечення на базі когенераційних установок і альтернативних джерел енергії, теоретично обґрунтований вибір найбільш важливих критеріїв, розроблено методику їх раціонального використання;
- одержано аналітичні залежності для оптимального проектування інтегрованих систем енергозабезпечення різних класів з урахуванням їх конфігурацій і природи відновлюваних джерел енергії чисельними методами.
Практична значимість і впровадження результатів дослідження
- запропоновані перспективні напрями розвитку розподілених систем генерації на базі установок когенерації малої потужності та альтернативних джерел енергії, що забезпечують підвищення ефективності когенераційних технологій і конкурентоспроможності систем альтернативного теплопостачання, могуть бути впровадженні для ефективного комплексного енергозабезпеченням споживачів;
- теплові схеми інтегрованих систем різної конфігурації та їх параметри, що розроблені в роботі, служать важливою вхідною інформацією при проектуванні систем енергозабезпечення з різними джерелами первинної енергії і видами енергетичної продукції;
- методика комплексної оптимізації параметрів і конфігурації теплових схем, режимів функціонування системи та узагальнена математична модель ІСЕ, що запропонована а роботі, дозволяє досліджувати ефективність інтегрованих систем різної конфігурації при варіюванні їх параметрів, структури джерел і споживачів енергії;
- на основі одержаних в роботі результатів розроблено та впроваджено практичні рекомендації щодо підвищення ефективності систем енергозабезпечення на базі когенераційних установок АТВТ “Первомайськдизельмаш”, а саме, промвузлу м. Бровари для автономного енергопостачання ТОВ “Торговий Будинок “Українські порошкові матеріали” та когенераційних установках, що використовуються у якості автономного джерела енергопостачання безпосередньо на АТВТ “Первомайськдизельмаш”;
- на основі одержаних в роботі результатів розроблено технічне завдання щодо проекту автономного енергозабезпечення Одеського національного політехнічного університету на базі когенераційної установки потужністю 630 кВт та прийнято технічні рішення щодо підвищення ефективності використання установки.
Особистий внесок здобувача. Приведені в дисертаційній роботі результати теоретичних та експериментальних досліджень виконано здобувачем особисто, а впровадження результатів досліджень виконувалося при безпосередній участі автора. Автором виконано критичний аналіз сучасних методів аналізу систем енергозабезпечення на базі установок когенерації і альтернативних джерел енергії; розроблено принципи побудови раціональних теплових схем інтегрованих систем комплексного енергозабезпечення, методику дослідження і теоретичне обґрунтування технічної можливості створення ефективних систем енергозабезпечення на базі установок когенерації та альтернативних джерел енергії; створено математичну модель елементів і режимів роботи інтегрованої системи, яка дозволяє оптимізувати режими функціонування системи і обрати її оптимальну конфігурацію; виконано постановку задачі, розроблено методику і програми чисельного моделювання з урахуванням вигляду і конфігурації ІСЕ; визначено діапазон оптимальних параметрів функціонування системи; розроблено практичні рекомендації щодо використання ІСЕ різних класів, сформульовано напрямки подальших досліджень і висновки по роботі.
Внесок Баласаняна Г.А. у роботи, що написані у співавторстві, надано у списку публікацій наприкінці автореферату.
Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи були оприлюднені на: науково-технічній конференціях „Енергозбереження в системах опалення, вентиляції и кондиціювання” (2001, 2002 рр., Одеса); міжнародній науково-методичній конференції „Проблеми математичного моделювання” (Дніпродзержинськ, 2003 р.); науково-технічних конференціях „Енергозбереження в Україні: Законодавство, теорія, практика” (Київ, 2003 р., 2004 р.); міжнародній конференції „Когенерація в промисловості і комунальній енергетиці” (2004 р., Київ); на міжнародній конференції „Енергозбереження, екологія, ефективність” (2005 р., Київ); на науково-практичному семінарі ”Енергозбереження в комунальному господарстві Одеси” (2005 р., Одеса); на XI та XIII міжнародних науково-практичних конференціях „Інтегровані технології та енергозбереження”, (2005, 2007 рр., Алушта, Україна); на науковому семінарі „Енергетичні і теплотехнічні процеси і устаткування” (2006 р., Харків); на міжнародній науково-технічній конференції „Проблеми енергозберігаючих технологій в АПК” (2006 р., Київ); Міжнародному форумі енергетиків GRE’2006 „Енергетичне господарство і устаткування” (2006 р., м. Белсько-Бяла, Польща); V міжнародній конференції „Проблеми промислової теплотехніки” (2007 р., Київ,); Всеукраїнської науково-технічній конференції; „Альтернативні екологічно чисті та відновлювальні джерела енергії” (2007 р., Вінниця); XV Міжнародній науково-практичній конференції „Екологія і здоров’я людини. Охорона повітряного басейну. Утилізація відходів”, (2007 р., м. Щелкино, Україна); Всеукраїнської науково-практичній конференції „Енергозбереження в промисловості України”, (2007 р., Київ, Україна), на науковому семінарі „Проблеми енергозбереження України і шляхи їх вирішення” (2007 р., Харків).
Публікації. За темою дисертації опубліковано 34 наукові роботи (15 одноосібні), з них 23 статті у спеціалізованих фахових виданнях ВАК України, 6 повних текстів доповідей на міжнародних та вітчизняних конференціях і форумах.
Структура і об’єм роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел. Роботу викладено на 356 стор., з них 309 стор. основного тексту, 3 додатки на 24 стор. список використаних джерел з 247 найменувань на 23 стор., 106 рисунків та 22 таблиці.
Основний зміст роботи
У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету і задачі дослідження, викладено наукову новизну і практичну цінність, представлено апробацію результатів і особистий внесок здобувача у виконаній роботі.
В першому розділі проаналізовано сучасній стан впровадження когенераційних технологій на базі установок малої потужності та розглянуто перспективи підвищення ефективності систем енергозабезпечення на базі когенераційних технологій. Надано аналіз використання інтегрованих систем енергозабезпечення на базі установок когенерації і відновлюваних джерел енергії, який доводить, що їх впровадження є одним з шляхів підвищення ефективності та надійності систем розподіленої генерації. Показано, що при використанні ІСЕ основний енергозберігаючий ефект забезпечується за рахунок зняття обмежень, що характерні для автономних систем енергозабезпечення на базі тільки когенераційних установок або відновлюваних джерел енергії.
На рис.1 представлено формалізовану схему інтегрованої системи енергозабезпечення. Джерелом первинної енергії в системі є органічне паливо (природний газ, біогаз, піролізний газ та ін.), призначене для теплового двигуна. У якості додаткового використовується відновлюване джерело енергії (сонячна, геотермальна, нізькопотенційна енергія навколишнього середовища та ін.), що за своїм енергетичним потенціалом і питомій вазі нижче за основний, проте дозволяє створити більш гнучкішу та адаптовану систему. Механічна робота, яка генерується тепловим двигуном, подальше перетворюється на електроенергію, або безпосередньо використовується для приводу машин і механізмів (компресорів ГТУ, теплових насосів, холодильних машин, технологічних механізмів системи). Утилізоване тепло системи охолоджування вихлопних газів та теплового двигуна, залежно від споживача, використається для підігріву мережної води або виробництва пари для систем ГВП, опалювання, абсорбційних холодильних машин і теплових насосів, або для технологічних потреб.
Рис. 1. Формалізована схема інтегрованої системи енергозабезпечення
Інтеграцію до системи енергії від додаткових (відновлюваних) джерел у вигляді тепла відносно низького потенціалу технологічно можливо виконати в контурі мережної води.
Проведено аналіз літературних джерел, який показав, що у відомих публікаціях існують методики порівняльного аналізу, оцінки ефективності та оптимізації систем енергозабезпечення на базі когенераційних установок або відновлювальних джерел енергії, але не виявлено досліджень щодо ефективного комбінованого енергозабезпечення, комплексної оптимізації параметрів, режимів функціонування і схемних рішень для різних типів і конфігурацій інтегрованих систем, запропонованих автором.
Для комплексної оцінки ефективності інтегрованих систем енергозабезпечення було проведено аналіз та теоретично обґрунтовано вибір найбільш важливих критеріїв:
- ефективність ІСЕ за методом енергетичного балансу:, де електроенергія, тепло або інший вид енергетичної продукції, що виробляються системою; -й енергетичний потік на вході в систему;
- ступінь термодинамічної досконалості системи за ексергетичним ККД:, де ексергія - го потоку робочого тіла на виході системи; втрати ексергії в системі;
- коефіцієнт перетворення енергії =, де сума електричної енергії і ексергії теплових продуктів, що виробляються інтегрованою системою; сумарне тепло, що підводиться до системи.
Аналіз і оптимізація енергетичних систем повинні ґрунтуватися на суспільно-необхідних витратах, тому оптимізацію параметрів та вибір варіанту ІСЕ здійснено за методом ексергоекономічного аналізу, що поєднує другий закон термодинаміки і економічний аналіз.
Ексергоекономічна оцінка, що проводиться на рівні компонентів системи, використовує наступні критерії для -го компоненту:
- ціна ексергії “палива” ; ціна ексергії “продукту” ;
- вартість, що пов’язана с деструкцією ексергії;
- капітальні та експлуатаційні витрати,
- ексергоекономічний фактор ,
де ексергія “палива” (будь-яке зменшення ексергії потоку між входом і виходом компонента); ексергія “продукту” (будь-яке збільшення ексергії потоку між входом і виходом компонента); відповідно капітальні витрати або інвестиційні та експлуатаційні витрати.
У ексергоекономічному аналізі поняття ексергії використовується як основа для формування витрат в енергоперетворюючих системах, тобто для визначення ексергетичної вартості. Ексергетична вартість входить до балансів вартості, що формуються для кожного компоненту. Баланс вартості для окремого енергоперетворюючого компоненту показує, що сума вартостей, пов’язаних з процесом транспорту ексергії, дорівнює сумі вартостей всіх видів ексергії плюс відповідна вартість капітальних інвестицій та витрат на обслуговування
де, відповідно вхідна і вихідна вартості потоків ексергії в -му компоненті; вартість потоку ексергії, що пов’язана з витратою роботи в компоненті; вартість потоку ексергії, що пов’язана з виведенням тепла з компоненту.
Баланси вартості для всіх компонентів та допоміжні рівняння вартості утворюють систему лінійних рівнянь, розв’язання якої визначає вартість кожного матеріального і енергетичного потоку в системі. Система рівнянь балансів вартості компонентів та додаткових рівнянь вартості доповнюється математичною моделлю, яка встановлює залежність технологічних параметрів в кожній точці системи від капітальних витрат на усунення термодинамічної неефективності устаткування та експлуатаційних витрат системи.
Показано що найбільш об’єктивним критерієм оцінки термодинамічної ефективності ІСЕ є ексергетичний ККД, а оптимізації параметрів та вибору варіанту системи підсумкова вартість енергетичних продуктів на виході системи та ексергоекономічний фактор.
Виконано порівняння інтегрованих систем енергозабезпечення за структурою, режимами навантаження і надійністю. Сформульовано задачі дослідження ІСЕ та перспективи підвищення ефективності систем енергозабезпечення на базі установок когенерації малої потужності.
Зроблено висновок про необхідність дослідження впливу різних конфігурацій і режимів роботи ІСЕ на енергетичну, економічну та екологічну ефективність системи в цілому, а також її складових частин.
В другому розділі визначено основні положення, що визначають принципи побудови математичної моделі ІСЕ, розроблено математичні моделі складових частин ІСЕ, що враховують різні варіанти конфігурації і типи ІСЕ, джерела і споживачів енергетичної продукції, визначено основні фактори, що впливають на ефективність роботи складових частин ІСЕ і системи в цілому.
Найбільш загальна постановка задачі комплексної оптимізації інтегрованих систем містить оптимізацію термодинамічних, витратних, конструктивних, компоновочних, режимних параметрів, виду теплової схеми та впливу на систему зовнішніх умов.
При оптимізації ІСЕ враховується система обмежень у формі відповідних рівнянь і нерівностей, які задають можливий діапазон зміни параметрів системи:, де вектор параметрів -го елемента системи; відповідні вектори мінімально і максимально припустимих значень параметрів -го елемента системи.
Задача оптимізації також містить систему балансових рівнянь для усіх елементів установки, які зв’язують між собою термодинамічні, витратні, технологічні характеристики процесів та складається з:
- рівнянь енергетичного балансу для кожного -го елемента системи:,
де відповідно -ті вхідні та -ті вихідні потоки енергії; кількість вхідних та вихідних потоків енергії у -му елементі;
- рівнянь балансу витрати -го енергоносія у -му елементі:, де відповідно витрати -го енергоносія на вході та виході -го елемента системи;
- рівнянь гідравлічного або аеродинамічного балансу -го енергоносія у -му елементі:, де відповідно тиск -го енергоносія на вході та виході та зміна тиску -го енергоносія -го елемента системи.
Викладено узагальнені принципи побудови математичних моделей, які використано при моделюванні ІСЕ на базі когенераційних установок малої потужності відповідних типів, а саме: систем когенерації на базі газопоршневих двигунів-генераторів; інтегрованих систем з геліоколектором, з геотермальними джерелами тепла, з тепловими насосами компресорного або абсорбційного типу, систем тригенерації.
Розроблені математичні моделі є основою для багатоваріантного аналізу, дослідження, моделювання та оптимізації термодинамічних, витратних, конструктивних, компонувальних, режимних параметрів, виду теплової схеми та оцінювання впливу на систему зовнішніх умов.
У третьому розділі запропоновано концепцію комплексного підходу щодо аналізу режимів роботи ІСЕ.
ІСЕ на базі когенераційних установок залежно від виду джерел первинної енергії і споживачів характеризуються широкою різноманітністю схем і режимів роботи, проте їх умовно можна розділити на чотири основні групи, на основі яких буде проведено аналіз ефективності режимів роботи систем, а саме:
- ІСЕ, які не використовують додаткові джерела енергії, але мають на виході енергетичні продукти, використання яких пов’язане з трансформацією їх енергетичного потенціалу (установки, що працюють в режимі тригенерації);
- ІСЕ з відновлюваними джерелами, продуктивність яких залежить від кліматичних, астрономічних факторів та їх енергетичний потенціал достатній для прямого використання (ІСЕ на базі когенераційних установок і геліоколекторів);
- ІСЕ з відновлюваними джерелами, продуктивність яких не має добових або сезонних обмежень та енергетичний потенціал достатній для прямого використання (ІСЕ на базі когенераційних установок і геотермальних джерел тепла);
- ІСЕ з відновлюваними джерелами, продуктивність яких не має добових або сезонних обмежень, але енергетичний потенціал не достатній для прямого використання і вимагає відповідної трансформації (ІСЕ на базі когенераційних установок і низькопотенційних природних або промислово-побутових джерел тепла, енергетичний потенціал яких необхідно підвищити за рахунок використання теплових насосів компресорного або абсорбційного типу);
Розроблено методику багатоваріантного аналізу режимів роботи ІСЕ різної конфігурації, на підставі якої можна обирати ефективний режим роботи системи.
Методика аналізу роботи ІСЕ з геліоколектором (рис. 2) в багатоваріантному режимі заснована на енергетичному балансі системи, приведеного до бака-акумулятора тепла, оскільки він є проміжним вузлом теплової схеми, в якому сходяться потоки тепла, що генеруються системою, та виходять відповідні потоки до споживача. Враховуючи природу джерел енергії, для БА № 1 використовується принцип акумуляції при постійному об’ємі теплоносія в ньому (= const), але при змінній температурі (= var), а для БА № 2 навпаки, температура теплоносія відносно постійна, а його об’єм змінна величина (= const, = var).
Рис. 2. Теплова схема ІСЕ с геліоколектором
Рівняння енергетичного балансу для бака-акумулятора геліоколектора в багатоваріантному вигляді
(1)
Рівняння енергетичного балансу для БА когенераційної установки в багатоваріантному вигляді
(2)
де відповідно густина і теплоємність теплоносія;, відповідно площа, ефективний коефіцієнт відведення тепла і приведений оптичний коефіцієнт геліоколектора; густина потоку сонячного випромінювання; температура навколишнього повітря;, відповідно коефіцієнти втрат енергії геліоколектора і бака-акумулятора; відповідно витрата, теплоємність і температура мереженої води; відповідно витрата тепла на ГВП і баків-акумуляторів; час.
Приведені системи рівнянь (1), (2) в багатоваріантному вигляді описують відповідно три режими роботи контуру геліоколектора, три режими роботи когенераційної установки, якими відповідають три режими споживання тепла.
Розв’язання рівняння (1) для довільного інтервалу часу надається у вигляді
. (3)
Розв’язання рівняння (2) на заданому інтервалі часу надається у вигляді
. (4)
Результати аналізу режимів роботи ІСЕ, яка включає: газопоршневу КУ, геліоколектор з баком-акумулятором (БА № 1) і систему ГВП з акумуляцією тепла (БА № 2), представлено в систематизованому вигляді в табл. 1, 2, які містять характеристики режимів роботи ІСЕ та вирази для розрахунку коефіцієнтів, які входять до рівнянь енергетичного балансу (1), (2).
Таблиця 1.
Результати моделювання коефіцієнтів рівняння (1) для різних режимів роботи ІСЕ з геліоколектором
Режим роботи геліосистеми | Особливості роботи ІСЕ | Вирази для визначення коефіцієнтів
Для всіх режимів
Режим 1 Тепловий потік на виході геліоколектора дорівнює нулю
Режим 2 Тепловий потік на виході геліоколектора дорівнює нулю | Інсоляція недостатня
Режим 3 Пряме теплопостачання від геліоколектора
Таблиця 2.
Результати моделювання коефіцієнтів рівняння (2) для різних режимів роботи ІСЕ і системи ГВП
Режим роботи когенераційної установки | Особливості роботи ІСЕ | Вирази для визначення коефіцієнтів
Для всіх режимів
Режим 1 Теплопостачання від резервного джерела тепла
Режим 2 Відсутня необхідність споживання тепла
Режим 3 Теплопостачання споживача за рахунок тепла, що утилізується
Аналогічні розв’язання одержано для систем рівнянь, що складені для ІСЕ з ТН компресорного і абсорбційного типів.
Задача оптимізації режимів навантаження ІСЕ в загальному випадку включає оптимізацію режимів електричного, теплового навантаження системи, холодильного навантаження (для систем тригенерації), навантаження додаткового (альтернативного) джерела теплопостачання. Можливі також різні комбінації вказаних режимів, або вибір пріоритетного режиму навантаження.
Як критерій оптимізації режимів навантаження ІСЕ обрано експлуатаційні витрати на виробництво необхідних видів енергетичної продукції, що приведені до певного інтервалу часу (годині, доби), які включають:
- витрати на виробництво кожного виду енергетичної продукції когенераційною установкою;
- витрати на можливе придбання кожного виду енергетичної продукції від стороннього виробника при виникненні дефіциту його в системі;
- прибуток від можливої реалізації надлишкової енергетичної продукції сторонньому споживачу;
- витрати на отримання тепла від додаткового (альтернативного) джерела.
Цільова функція задачі оптимізації добового режиму навантаження ІСЕ:
де порядковий номер часу доби; середнєгодинна електрична потужність, що генерується;, відповідно середнєгодинне електричне навантаження, що придбається з енергосистеми або постачається до неї; середнєгодинна вартість електроенергії від когенераційної установки;, відповідно тарифи на електроенергію, що придбається та постачається до мережі;, відповідно середнєгодинна утилізована теплова потужність когенераційної установки і додаткового джерела тепла;, відповідно середнєгодинні вартості утилізованої теплової потужності когенераційної установки і додаткового джерела тепла.
Враховуючи характер залежності між змінними, задача оптимізації відноситься до класу задач нелінійного програмування і в загальному вигляді може бути записана як
,
де перша складова цільова функція, друга система обмежень (погодинних), третя система граничних умов, відповідно мінімально та максимально припустимі значення середньогодинних електричних навантажень;, відповідно мінімально та максимально припустимі значення середньогодинних навантажень утилізованого тепла та теплової потужності додаткового джерела тепла.
Результатом оптимізації для ІСЕ різних конфігурацій є добові графіки електричного навантаження когенераційної установки, графіки постачання і придбання електроенергії з енергосистеми, утилізованого тепла, тепла від додаткового джерела і динаміка акумуляції тепла, що забезпечує мінімум витрат.
Методику розв’язання задачі узгодження графіків електричного і теплового навантаження системи розглянуто для варіантів автономної роботи ІСЕ та синхронізації ІСЕ з енергосистемою.
Автономна робота ІСЕ відповідає режиму експлуатації КУ за електричним графіком навантаження, при якому виконується умова рівності миттєвих значень споживаної і генеруємої в системі електричних потужностей:. При значній величині небалансу між утилізованим теплом КУ і теплом, що споживається = доцільно використовувати баки-акумулятори мережної води, параметри яких визначають номінальну потужність КУ і залежать від режимів роботи і виду переважаючого навантаження споживача, з яких можна виділити:
Режим 1. Теплове навантаження споживача значно менше утилізованого тепла когенераційної установки:. Для даного режиму акумуляція тепла не використовується, оскільки утворюється надлишок утилізованого тепла, який відводиться до навколишнього середовища;
Режим 2. Теплове навантаження споживача сорозмірне з кількістю утилізованого тепла:, якщо тепловий акумулятор заряджається, при тепловий акумулятор розряджається.
Місткість акумулятора визначається з виразу:, де коефіцієнт ефективності акумуляції тепла. Можливість покриття пікових теплових навантажень за рахунок акумуляції тепла визначається з умови:, де запас тепла в акумуляторі у момент часу; дефіцит тепла в системі у момент часу , якщо.
Якщо умова не виконується, то покриття дефіциту тепла здійснюється за рахунок додаткового джерела, потужність якого:.
Номінальна потужність установки визначається за піковим значенням електричної потужності графіка електричного навантаження:;
Режим 3. Теплове навантаження споживача значно більше утилізованого тепла. Покриття дефіциту тепла здійснюється за рахунок додаткового джерела. У цьому режимі застосування акумуляції тепла не знижує номінальну потужність когенераційної установки, але дозволяє знизити номінальну потужність додаткового джерела. Економічна ефективність акумуляції буде вища при низькому коефіцієнті заповнення графіка теплового навантаження споживача, проте загальна ефективність даного режиму невисока, оскільки значна частина тепла виробляється при роздільній генерації.
Робота ІСЕ при синхронізації КУ з енергосистемою відповідає режиму експлуатації установки за тепловим графіком навантаження, при якому виконується умова рівності теплового навантаження споживача кількості утилізованого тепла від КУ і додатково тепла від альтернативного джерела
.
Миттєве значення небалансу споживаної і генеруємої електричної потужності залежно від його знаку може компенсуватися постачанням надмірної електричної потужності до системи, або придбанням потужності з системи при її дефіциті =.
Наявність додаткового джерела тепла передбачає також другий варіант компенсації небалансу за рахунок зміни при відповідній зміні. При цьому електрична потужність, що генерується, визначається тепловою утилізованою потужністю
Вибір варіанту компенсації позитивного значення визначається співвідношенням збільшення витрат на придбання електроенергії з енергосистеми: або зниження прибутку від зменшення тепла, одержаного від додаткового (альтернативного) джерела:.
Підвищення коефіцієнту використання встановленої потужності когенераційної установки і відповідне зниження її номінальної теплової потужності (а, отже, і електричної) можливе за рахунок заміщення пікових теплових навантажень закумульованим теплом.
При акумуляції тепла номінальна теплова потужність когенераційної установки дорівнює
де кількість годин на добу, в які; кількість годин в добу, в які ;.
Розроблено методику оптимізації параметрів теплової схеми ІСЕ, що заснована на ексергоекономічному методі аналізу ефективності енергоперетворюючих елементів системи. Оптимізація параметрів теплової схеми виконується з метою мінімізації сумарної вартості енергетичних продуктів, що виробляються системою (електроенергії, тепла на ГВП і опалювання або холоду), з урахуванням капітальних витрат на створення системи та експлуатаційних витрат.
Задача вибору оптимальної структури ІСЕ є другою частиною загальної задачі комплексної оптимізації параметрів і конфігурації системи енергозабезпечення. Математичне формулювання цієї частини задачі оптимізації полягає в послідовному застосуванні методів нелінійного дискретного програмування для множини технологічних графів, що відображають різні структурні стани теплової схеми ІСЕ.
Система елементів і зв’язків, що моделюють теплову схему ІСЕ, представляється у вигляді графа, в якому кожному елементу устаткування відповідає вершина графа, а зв’язки між елементами схеми або із зовнішніми об’єктами дугами графа.
На рис. 4 представлено граф, який відповідає спрощеній схемі когенераційної установки (рис. 3).
Будь-яка теплова схема ІСЕ математично може бути задана у вигляді матриці з’єднань вершин графа (табл. 3) і матрицею видів зв’язків по енергоносіях (табл. 4). Логічна ознака наявності -го зв’язку для -го елементу теплової схеми задається числом “1” в -х рядках матриці
Рис. 3. Спрощена теплова схема когенераційної установки на базі газопоршневого двигуна-генератора:
Рис. 4. Граф спрощеної теплової схеми когенераційної установки
з’єднань. Знак “+” визначає, що - й зв’язок входить, а “”, що зв’язок виходить з -го елементу схеми. Матриця з’єднань повністю відображає топологічну структуру графа теплової схеми. Ідентифікація топологічної структури теплової схеми дозволяє перекласти мовою матричної алгебри або теорії множин теплові схеми ІСЕ будь-якої конфігурації і є початковим етапом рішення задачі вибору їх оптимальної структури.
Таблиця 3. Таблиця 4.
Матриця з’єднань вершин графа,
представленого на рис. 4.
Номер зв’язку | Ознака наявності зв’язку для елементу теплової схеми за енергоносієм певного виду
Паливо | Повітря | Гази | Вода | Електроенергія | Мех. енергія
1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0
2 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0
3 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1
4 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0
5 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0
6 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0
7 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0
8 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0
9 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0
10 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0
11 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0
12 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0
13 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0
Номер зв’язку | Ознака наявності зв’язку для -го елементу теплової схеми
І | ІІ | ІІІ | ІV | V
1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0
2 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0
3 | -1 | 0 | 0 | 0 | 1
4 | -1 | 1 | 0 | 0 | 0
5 | -1 | 1 | 0 | 0 | 0
6 | 0 | -1 | 0 | 0 | 0
7 | 0 | -1 | 0 | 1 | 0
8 | 0 | -1 | 1 | 0 | 0
9 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0
10 | 0 | 0 | -1 | 0 | 0
11 | 1 | 0 | -1 | 0 | 0
12 | 1 | 0 | 0 | -1 | 0
13 | 0 | 0 | 0 | 0 | -1
На другому етапі необхідно сформувати набір типових елементів теплових схем ІСЕ певного класу (двигун когенераційної установки, система опалювання, бойлер ГВП, котел-утилізатор та ін.). Для кожного типового елементу, з урахуванням потоків, що входять і виходять, складаються: рівняння балансу вартості потоків ексергії і додаткові рівняння вартості; набір змінних, що беруть участь в зовнішніх зв’язках; залежності, що зв’язують зовнішні параметри; коефіцієнти, що визначають наявність і напрям зовнішніх зв’язків, значення яких визначаються з відповідних матриць і приймаючих значення “0”, “1” або “-1”; залежності технологічних параметрів від капітальних витрат на усунення термодинамічної неефективності та характерні експлуатаційні витрати.
На третьому етапі складається вираз для цільової функції, значення якої мінімізується, а вигляд визначається сумарною вартістю енергетичних продуктів для системи даної конфігурації (електроенергія, гаряча вода, тепло на опалювання та ін.).
В результаті задача вибору оптимальної структури ІСЕ представляється у вигляді
де – цільова функція, яка дорівнює сумарній вартості енергетичних продуктів для системи з конфігурацією, що визначається графом; – вартість -го виду енергетичного продукту в інтервалі часу для системи, що функціонує за період часу; – вектор внутрішніх змінних для -го елементу теплової схеми; – вектор зовнішніх змінних для -го елементу теплової схеми; – співвідношення між внутрішніми та зовнішніми змінними в му елементі, які виражаються системою балансових рівнянь; – рівняння балансу вартості потоків ексергії та додаткові рівняння вартості для -го елементу теплової схеми; – матриці, що визначають топологію -й конфігурації з можливих варіантів теплової схеми; – відповідно мінімальні та максимальні значення внутрішніх та зовнішніх змінних -го елементу теплової схеми; – число елементів теплової схеми; – кількість енергетичних продуктів в системі; – відповідно кількість внутрішніх і зовнішніх змінних -го елементу теплової схеми.
Результатом розв’язання поставленої задачі є -й варіант теплової схеми ІСЕ, який забезпечує мінімум сумарної вартості енергетичних продуктів системи для ІСЕ певного класу при однаковому енергетичному ефекті.
У четвертому розділі наведено аналіз результатів дослідження інтегрованих систем когенерації, кінцевим результатом якого є:
- визначення теплової потужності додаткових джерел тепла, їх конструктивних і режимних параметрів, що забезпечують найбільш ефективний і надійніший режим роботи системи для ІСЕ різних конфігурацій;
- визначення номінальних параметрів енергогенеруючих елементів ІСЕ залежно від характеристик, переважних режимів навантаження системи і режимів акумуляції тепла;
- визначення оптимальних параметрів теплових схем ІСЕ різних класів на основі ексергоекономічного аналізу;
- побудова оптимальних добових графіків навантажень ІСЕ, що забезпечують мінімальні експлуатаційні витрати на виробництво всіх видів енергетичної продукції в системі;
- вибір оптимальної конфігурації теплових схем ІСЕ за критерієм мінімальної вартості всіх видів енергетичної продукції в системі;
- визначення чутливості системи щодо зміни внутрішніх параметрів ІСЕ і зовнішніх умов.
Дослідження ІСЕ с геліоколектором було виконане на прикладі об’єкта енергопостачання (два 150-квартирні житлові будинки), для автономного енергозабезпечення яких використовується КУ номінальною електричною потужністю = 315 (виробник – Первомайський з-д “Дизельмаш”), основні експлуатаційні характеристики якої: витрата природного газу – 110; нижча теплота згорання газу –; коефіцієнт надлишку повітря на двигун КУ –; номінальний електричний ККД КУ – = 33 %; номінальна теплова утилізована потужність КУ – = 500.
Розрахунки, що проведені на математичній моделі ІСЕ даного класу, довели можливість повного покриття дефіциту тепла в системі за рахунок відновлюваного джерела (геліоколектора площею 670) в літні місяці і необхідність використання дублера (водогрійного котла) у весняно-осінні місяці для покриття дефіциту тепла в об’ємі до 30 % (рис. 5). Найменша ефективність покриття дефіциту тепла геліосистемою площею, що розрахована для липня, відзначається в жовтні.
Рис. 5. Сезонна зміна теплового навантаження об’єкту
На рис. 6 представлено залежність показників, що запропоновані для комплексного аналізу ефективності ІСЕ з геліоколектором: ексергетичного ККД –, коефіцієнта перетворення енергії –, ексергоекономічного фактора –, коефіцієнта використання теплоти палива когенераційної установки без додаткових джерел тепла, та коефіцієнта ефективності ІСЕ за енергетичним балансом від коефіцієнту заміщення альтернативним джерелом тепла.
При порівнянні відповідних показників з системою когенерації без геліоколектора можна відзначити певне зростання коефіцієнта ефективності ІСЕ за енергетичним балансом при збільшенні – від 0,865 до 0,886 і ексергетичного ККД від – 0,368 до 0,376, що пов’язане із зменшенням частки використання органічного палива в системі і відповідним зменшенням деструкції ексергії в системі.
Рис. 6. Залежність показників ефективності ІСЕ з геліоколектором від коефіцієнта заміщення альтернативним джерелом тепла
При досліджені ІСЕ з геотермальним джерелом тепла прийнято, що термальна вода маломінералізована, тому вона безпосередньо використовується в системі опалювання і як теплоносій для підігріву водопровідної води в першому ступені бойлера ГВП. Піковий догрів води на опалювання і ГВП здійснюється у відповідних бойлерах опалювання і ГВП мережною водою від когенераційної установки. Початкові дані, що використано для чисельного моделювання системи: тривалість опалювального сезону – 160; тривалість експлуатації свердловини за рік: = 8500.; температура геотермальної води на вході системи: = 50; температура скидної термальної води на виході: = 40 ; температура води на ГВП: = 55; розрахункове опалювальне навантаження: = 1; розрахункове теплове навантаження на ГВП: = 0,3.
На рис. 7 представлено показники щодо комплексного аналізу ефективності ІСЕ з геотермальним джерелом тепла. Порівняння показників ефективності ІСЕ даного класу (,)