CC BY
41
УДК 662
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ
ЭНТАЛЬПИЙНОГО ПОДХОДА
Д.С. Агапов1
Санкт-Петербургский государственный аграрный университет (СПбГАУ), 196605, г. Санкт-Петербург ,г. Пушкин, Петербургское ш. д.2.
Составлены энергетические балансы современных газопоршневых энергетических установок и тепловых двигателей входящих в их состав. Построены регрессионные уравнения для расчёта значений составляющих теплового баланса в зависимости от нагрузочного фактора. Для конкретного предприятия подобраны современные когенерационные газопоршневые установки, позволяющие целиком покрыть энергетические нужды производства.
Ключевые слова: энергетическая установка, двигатель, КПД, энергетический баланс, параллельное и последовательное соединение, когенерационная установка
ENHANCEMENT OF HEAT POWER SYSTEMS ON THE BASIS OF ENTALPIYNY APPROACH
D.S. Agapov
St. Petersburg State Agrarian University (SPbGAU), 196605, St. Petersburg, g. Pushkin, Petersburg Rd. D 2
Energy balances of the modern gas-piston power stations and heat engines which are their part are made. Are constructed the regression equations for calculation of the values which are working out thermal balance depending on a load factor. For the specific entity the modern cogeneration gas-piston installations allowing to cover entirely energy needs of production are picked up.
Keywords: power station, engine, efficiency, energy balance, parallel and consecutive connection, cogeneration installation
Введение
Одним из основных факторов, определяющих структуру системы, является её назначение. Однако область допускаемых решений может включать в себя различные схемные варианты соединения отдельных элементов системы в группы без нарушения функциональных возможностей системы в целом. При этом для задания вектора технических характеристик необходимо знать технические характеристики для групп системных элементов с различной внутренней структурой, не нарушающей условий функционирования всей рассматриваемой технической системы. Так, например, насосы, двигатели и др. элементы системы можно группировать и включать на параллельную работу или последовательную.
1. КПД группы тепловых двигателей с параллельной и секвентальной внутренней структурой
В настоящее время отечественной и зарубежной промышленностью выпускается множество различных тепловых двигателей, имеющих различные топливно-экономические и энергетические показатели, назначение и габариты. При этом в составе энергетических установок и комбинированных агрегатов двигатели могут работать на общий вал и быть включены параллельно и последовательно. При этом, как правило, при парал-
1 Агапов Дмитрий Станиславович - кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры Автомобили, тракторы и технический сервис СПбГАУ, e-mail: different76@list.ru
лельном включении двигатели устанавливаются одинаковые, а при секвентальном (сериесном) включении двигатели устанавливаются разные (например, турбокомпаундные энергоустановки и установки с утилизацией теплоты отработавших газов). В связи с этим возникает необходимость определения КПД энергетических установок имеющих в своём составе два и более тепловых двигателя [1 - 4].Пусть имеется два различных тепловых двигателя «Д1» и «Д2», КПД которых соответственно «Пи» и «Пе».
В случае их последовательного соединения (рис.1) теплота, отводимая от первого двигателя, является подводимой теплотой для второго двигателя.
Общий КПД установки определится как: О 9
Оотв2 (1)
Л = 1"
Q
подв1
ботв2 = QU ■(1 2); (2)
1 — Л).
Подставляя в уравнение (2) QOTI! 1 из уравнения (3) имеем:
Qam = бподв! '(l-^l)-(l —It 2 ) . (4)
Рисунок 1 - Последовательное соединение двигателей
Двигатель №1 ---^
Источник теплоты
Холодильник
Двигатель №2
Ь 2
Рисунок 2 - Параллельное соединение двигателей
П = -
Подставив в уравнение (1) QоTв 2 из уравнения (2.4) получим:
а - |йод-к; -п\{(-п2 )=--(.)•(.-п,=>
еподв1
После несложных преобразований окончательно имеем:
П=П. + Цг -П. 'Пг (5)
В случае параллельного соединения двигателей (рис. 2) суммарный КПД определится сле-
\п N+\1
дующим образом: п = — — _ ——
(6)
-'Иодв1
\к\ = |еподе^- Пп (7)
Ы=ей П (8)
Подставляя в уравнение (6) значения \ь1
и \Ь2 \ из уравнений (7) и (8) имеем:
п =
|бподв11 ' П1 + бподв 2 'П2
|еподв1 + бподв 2
(9)
Обозначив Х1 и Х2 соответственно доли теплоты подведённой к первому и второму двигателю:
|Оподв11
X, =
1 Ieu.ll+
о.
подв2
X =
подв2
[^подв^ ^ |еподв2 |
окончательно получим:
п= х1' П. + х2 ' Пг . (10)
Из сопоставления формул (5) и (10) видно, что если КПД обоих двигателей равен 50%, то при последовательном соединении суммарный КПД равен 75%, а при параллельном 50%.
Из изложенного следует, что при секвен-тальном соединении двигателей, суммарный КПД установки всегда выше наибольшего из КПД двигателей входящих в состав установки, или в худшем случае равен ему. При параллельном соединении общий КПД группы не превышает наибольшего из КПД двигателей, входящих в состав установки или в лучшем случае равен ему.
Другие схемные решения групп, с большим числом элементов рассматриваются путём декомпозиции на основе приведённых зависимостей.
Таким образом, рассмотрены способы соединения тепловых двигателей, а также приведены зависимости для определения суммарного КПД составной энергетической установки при различных способах соединения тепловых двигателей. Это позволит нам в дальнейшем при структурной оптимизации технических систем определять технические характеристики групп элементов и использовать их в качестве данных для расчёта.
2. Теоретические основы разработки способа подвода теплоты к рабочему телу ДВС при температурно-динамических ограничениях
При параметрической оптимизации технических объектов при формировании областей допустимых решений, записи ограничений и граничных условий для оптимизационных моделей воз-
никает необходимость определения возможных предельных режимов экплуатации объектов, а также возможных его режимов работы. Лимитирующими факторами для режимов работы экплуа-тируемого объекта могут служить такие физические параметры как тмпература, нагрузки, давления, усилия, частоты и др. [5].
В современных двигателях наблюдается тенденция форсирования применением наддува, изменением степени сжатия и других конструктивных параметров, применением других видов топлив и т. д. При этом практически всегда лимитирующим фактором являются механическая прочность и термонапряжённость конструкции. Допускаемые конструкцией давления и температуры развиваются в цикле лишь на короткое время, что в принципе даёт возможность повысить данные параметры на протяжении цикла и получить дополнительную работу. В связи с этим необходимо адаптировать существующие теоретические циклы поршневых ДВС для наиболее полного использования ресурса их конструкции.
Пусть Pmax максимальное давление цикла, допустимое по условию прочности, а TPmax максимальная температура, соответствующая данному давлению. В процессе расширения давление уменьшается, но возрастает температура газов и если подвод теплоты при этом продолжается, то, несмотря на снижение давления, прочность конструкции может быть нарушена температурным фактором.
В связи с этим подвод теплоты в процессе расширения необходимо вести так, чтобы произведение давления на абсолютную температуру PT оставалось постоянным, то есть PT = const. Пусть: PT = Ch (11)
Тогда из уравнения состояния идеально газа Pv = R0T следует: P2u = RPT
l = 2
С учётом уравнения (11): Р = ,
и
( 12)
Удельная работа расширения в этом слу-
чае:
нуЛ mvn
l = j P■ du = ylRС ■ j и-0,5 • du = 2yjR,(\ Vu
(13)
Обозначив 2^1 Е(Я\ как константу работы
С с учётом уравнения (11) при заданных начальных условиях Ртах и ТРтах можно написать:
Я = 24Е . Рп
L 2Л/ R v0 P max TP max
(14)
Тогда удельная работа расширения:
P ■ T
max P max
\НМТ
' U = С
\ВМТ l
■ (1иНМТ "JUBMT )
(15)
l =
2V
л/й = 2 ■ (РНМТ ■
|НМТ „ \НМТ
U = 2 ■ P ■U
\ВМТ \ВМТ
u — P
uНМТ 1 ВМТ
й
НМТ ВМТ
') 2 ' '(ТНМТ ТВМТ ) (16)
Если попробовать описать данный процесс уравнением политропы Р1>1=сот1, то можно сказать, что процесс протекает с показателем политропы 0,5.
Это позволит увеличить эффективную мощность двигателя в 1,5 - 1,8 раз. При этом существенно возрастёт расход топлива, повысится температура отработавших газов и эффективный КПД снизится. Если поршневой мотор работает в составе турбокомпаундного двигателя или просто оснащён турбиной, то экономичность установки и её КПД может остаться без изменений или даже снизиться, так как газы впоследствии будут отдавать свою энергию лопаткам турбины.
Применить такой способ подвода теплоты можно переключением топливоподающей аппаратуры на соответствующий режим, когда от двигателя требуется полная мощность, и если при этом повышенный расход топлива не будет иметь принципиального значения.
Таким образом, на основе этих теоретических предпосылок определялись предельные режимы работы ДВС для формирования областей допустимых решений, записи ограничений и граничных условий при параметрической оптимизации энергетических установок, имеющих в своём составе поршневые тепловые двигатели.
3. Система предпусковой тепловой
подготовки дизелей с использованием
аккумулированной энергии
Определение в предыдущих пунктах этой статьи технических характеристик объектов в зависимости от их структуры и режимных факторов являются важным и необходимым условием для составления и решения задачи оптимизации и тер-модинамичекого совершенствования рассматриваемого технического объекта [6].
Однако, необходимо заметить, что до того как система выходит на расчётный режим эксплуатации параметры её функционирования не являются оптимальными. В этом случае необходимы технические решения и мероприятия по скорейшему достижению системой своих оптимальных рабочих параметров.
Кроме того, на современных предприятиях используемая техника размещается как в закрытых помещениях, так и на открытых специально оборудованных площадках. В последнем случае про-
блема быстрого введения в эксплуатацию тракторов в зимний период является довольно острой. В первую очередь, данная проблема характерна для тракторов отечественного производства. Существует достаточно большое количество методов предпусковой тепловой подготовки дизелей. Авторам представляется целесообразным с учётом работ профессора М.И. Куколева [7] и других исследователей [8] использовать для этих целей аккумулированную энергию.
Для проведения эксплуатационных испытаний системы предпусковой тепловой подготовки выбран колёсный трактор «Белорус - 320» с дизелем ЛДВ-1603 с разделённой камерой сгорания. Испытуемый трактор выполнял работы по расчистке проезжих дорог, прифермских территорий от снежных заносов, осуществлял операции по снегозадержанию на посевных полях. За весь период проведения эксплуатационных испытаний была обеспечена безгаражная стоянка трактора. Задачами эксплуатационных испытаний являются монтаж системы, отладка выбранной схемы, оценка работоспособности и эффективности системы тепловой подготовки в условиях эксплуатации, а также отработка технической документации на окончательную установку системы в соответствии с результатами испытаний и техническими требованиями к элементам комплектации системы.
Температура окружающего воздуха То во время испытаний изменялась от минус 28 до минус 2оС. Тракторный дизель имеет объём системы охлаждения 10 литров охлаждающей жидкости, при этом внутренний и внешний контуры системы охлаждения имеют объём 5 литров.
Тепловой аккумулятор фазового перехода установлен слева по ходу трактора в месте, удобном для монтажа испытательного оборудования (рис. 3).
Рисунок 3 - Расположение теплового аккумулятора фазового перехода на двигателе испытуемого трактора
При температуре 0 0С окружающей среды дизель отстоял 16 часов с заряженным ТАФП (температура расплава 96 0С). При этом температура в тепловом аккумуляторе опустилась до 80 0С. Далее начинался процесс тепловой подготовки.
Во время работы системы в режиме разрядки ТАФП (подогрева двигателя) испытатель, находящийся в кабине трактора, через равные промежутки времени (30 с) регистрирует показания термопар. При пуске дизеля оценивается время пуска. При этом контролируется температура окружающей среды на всех режимах работы системы.
В течение первых 10 мин от момента включения автономного электронасоса средняя скорость увеличения температуры ОЖ достигает
АТ
очень высоких значений - - = (1,2...2) оС/с, а
Ат
разность температур между входом и выходом из ТАФП составляет до 25оС. Это свидетельствует о том, что ТАФП отдает высокую стартовую тепловую мощность. Последующие 10 мин. разрядки ТАФП (от 10 до 20 мин) характеризуются уменьшением средней скорости изменения температуры
АТ
ОЖ - от (0,12.2) до 0оС/с и АТ до 17оС. Затем
Ат
температуры ОЖ на входе и выходе из ТАФП изменяются незначительно, при этом АТ в течение 100 мин плавно уменьшается от 17 до 0оС.
По результатам экспериментальных исследований построен график зависимости температуры охлаждающей жидкости от времени прогрева дизеля в режиме отдачи теплоты тепловым аккумулятором при температуре окружающей среды 0 0С (рис. 4).
Анализ полученных зависимостей показывает, что охлаждающая жидкость во внутреннем контуре охлаждения (объём которого составляет 6 литров ОЖ) прогревается до температуры 77 0С за 15 мин. При 77 0С открывается клапан-термостат, при этом подключается внешний контур охлаждения (объём внешнего контура составляет 13 литров ОЖ). В течение 3-х минут температура ОЖ падает до 62 0С. Это объясняется тем, что за эти три минуты холодная жидкость из внешнего контура перетекает (Тоб) в нагретый внутренний контур и охлаждает общую систему до 62 0С. Затем температура охлаждающей жидкости с помощью ТАФП за 12 минут поднимается до температуры 75 0С.
В связи с вышеизложенным предпусковую тепловую подготовку дизеля в стендовых условиях можно осуществить за 15 минут, подогрев ОЖ до температуры 75 ... 77 0С. Однако за 5 ... 8 минут ОЖ прогревается до температуры 40 . 55 0С. А при этих температурах время выхода дизеля на
пусковые обороты и продолжительность пускового периода вполне удовлетворительная и составляет 3 ... 5 секунд (рис. 5).
Рисунок 4 - Изменение температуры ТАМ и температуры ОЖ в системе охлаждения дизеля при эксплуатационных испытаниях
Твых., сек
10
Выход . Прод V/ элжительн эсть
У/ V/ //// Выход
Тпрод., сек
10
20
40
60
1ож, С
Рисунок 5 - Зависимость времени выхода дизеля на пусковые обороты и продолжительности пускового периода от температуры охлаждающей жидкости
На основании проведённых исследований можно рекомендовать осуществлять пуск дизеля при температуре предварительно прогретой до 40 ... 55 0С ОЖ, но делать это допустимо при температурах окружающей среды не ниже минус 25 0С. При этом время тепловой подготовки будет составлять 5 ... 8 мин., выход на пусковые обороты и продолжительность пуска в сумме будут составлять 6.10 с.
В режиме хранения теплоты фиксируется время межсменной стоянки трактора на открытой площадке при воздействии низких температур окружающей среды. Процесс хранения теплоты продолжался в течение 14 ч при температуре наружного воздуха минус 17.19 оС.
Установить термопары во внутреннюю полость ТАФП, заполненную охлаждающей жидко-
стью, либо разместить их внутри теплоаккумули-рующей капсулы в условиях эксплуатации трактора не удалось. Несомненно, это позволило бы получить достоверную информацию о тепловом состоянии ТАМа в любой момент времени и в любом режиме функционирования системы. Поэтому об эффективности ТАФП в процессе хранения теплоты в условиях эксплуатации трактора можно судить лишь по интегральным показателям, получаемым в процессе его разрядки.
По апробированной методике были проведены сравнительные испытания системы подогрева тракторного дизеля с раздельным и непосредственным впрыском топлива при температурах окружающей среды от минус 25 0С до 0 0С и определено время, в течение которого осуществляется надёжный пуск дизеля (рис. 6).
По результатам испытаний [9] установлено, что для дизелей с раздельным впрыском легче осуществить предпусковую тепловую подготовку разрабатываемым методом. Это объясняется тем, что у дизелей с раздельным впрыском камера сгорания находится в головке блока. При организации предпусковой тепловой подготовки нагреваемая ТАФП жидкость поступает сразу в головку блока, а затем в рубашку блока цилиндров дизеля. Тем самым тепловые условия для самовоспламенения топлива в дизеле с разделённой камерой сгорания создаются быстрее на 3 ... 6 мин. В дизелях с непосредственным впрыском камера сгорания находится в поршне. При организации предпусковой тепловой подготовки нагреваемая ТАФП жидкость поступает в рубашку блока цилиндров дизеля, а затем в головку блока. Поскольку камера сгорания находится в поршне, необходимо прогреть блок цилиндров и поршни. Поэтому условия для самовоспламенения топлива в дизеле с непосредственным впрыском создаются на 3 . 6 мин дольше. Этот вывод относится к дизелям, имеющим одинаковый объём охлаждающей жидкости в системе охлаждения. Опыт проведения экспериментальных исследований показал, что время предпусковой тепловой подготовки дизелей с тур-бонаддувом увеличивается на 3 . 5 мин при прочих равных условиях из-за наличия турбины.
Данные значения температур определены с условием, что аккумуляторная батарея полностью заряжена. Однако в условиях реальной эксплуатации чаще складывается ситуация, когда мощности аккумуляторной батареи недостаточно. В этом случае при пуске дизеля мощность аккумуляторной батареи затрачивается на нагрев свечей накала, а вывести дизель на пусковые обороты уже мощности АКБ не хватает. Особенно часто такие ситуации складываются после длительного хранения мобильной автотракторной техники на откры-
тых площадках при температурах ниже минус 20 0С.
Тп, мин
20'
15
10
РАЗДЕЛЬ НЫЙ ВПРЫ
НЕПОСРЕ/! ВПР СТВЕННЫЙ ЫСК
-25
-20
-15
-10
0 ♦ °Г
н.п.' °
Рисунок 6 - Зависимость времени надёжного пуска дизелей от температуры в условиях экспериментальных исследований. (Размер точек соответствует погрешности измерений)
В результате проведенных эксплуатационных испытаний системы предпускового подогрева тракторного дизеля сделаны следующие выводы:
1. Разработанная система работоспособна. В процессе зимней эксплуатации она показала высокую степень адаптации к серийному дизелю.
2. Работа трактора при изменении температуры окружающей среды в диапазоне от -28 до -2оС в режиме накопления теплоты осуществлялась в течение 120 мин. ТАФП обеспечивал эффективное хранение накопленной теплоты в указанном выше диапазоне температур окружающего воздуха в течение 17 ч. Подогрев дизеля с помощью ТАФП производился в течение 20 мин, при этом температура охлаждающей жидкости в системе охлаждения достигала 47,7оС. Время выхода на пусковые обороты и продолжительность пуска дизеля при этом составляет 6 ... 8 с. Время подготовки дизеля к принятию нагрузки составляет 10 ... 12 мин.
4. Подбор оборудования на основе энергетического баланса
При структурной оптимизации любого технологического процесса решается ряд важных для дальнейшего функционирования задач, таких как:
- подбор оборудования (для вновь проектируемых предприятий); здесь необходимо учитывать не только возможность обеспечения выбираемым оборудованием технологических задач, но и надёжности функционирования предприятия в целом. То есть при прочих равных условиях два станка меньшей мощности могут оказаться предпочтительней в случае выхода одного из них из строя;
- рациональное размещение оборудования с учётом оптимизации потоков массы, энергии и информации в процессе функционирования; также при этом необходимо учитывать и другие факторы, например, удобство создания микроклиматических условий, подведённые мощности и др.
Для небольшого ассортимента технологического оборудования предлагаемого на рынке, а также при незначительных масштабах производства эти задачи решаются исходя из опыта ведущих специалистов и технологов. В противном случае необходимо прибегнуть к постановке задачи дискретного программирования, определив целевую функцию как:
^ (х) ^ ехГ , (17)
где: И - дискретное множество возможных решений задачи структурного синтеза.
х - вектор технических характеристик оборудования, возможного для приобретения.
Целевая функция F выражает, суммарные (капитальные, эксплуатационные и др.) затраты. В этом случае задача решается на минимум. Она может выражать прибыль, производительность или их отношение, что приводит к необходимости решения задачи на максимум.
Для решения таких комбинаторных задач зачастую используются методы ветвей и границ, а также более сложные методы оптимизации на основе нейронных сетей. В качестве уравнений связи (18) выступают ограничения, связанные с общим количеством используемых машин, обеспечением необходимой производительности, уравнения баланса мощностей, возможности буферизации (складских площадей) для сырья и готовой продукции, логистические ограничения по поставкам сырья, финансовые возможности закупки сырья и расходных материалов и другие условия, связанные с графиками функционирования, операциями по ТО и Р.
п <
X N < N,
I / (д)
< V V £
скл скл
(18)
где: п и птах - соответственно принятое и максимальное число машин способных реализовать производственную программу; N и Nmax - соответственно потребляемая мощность г-ой машины и максимальная мощность потребления исходя из возможностей энергетического оборудования и
сетей; Д - вектор массогабаритных показателей сырья и/или готовой продукции; Vскл и £скл - соответственно объём и площадь складских помещений.
<
Ограничениями, накладываемыми на переменные, будут являться условия их неотрицательности.
В качестве примера осуществлён подбор газопоршневых энергетических установок «Guascor» для ООО «Бекон» [10]. При годовом выпуске продукции предприятием ООО «Бекон» около 17 000 000 кг/год потребляется 4995241,97 кВтч электрической энергии и 6942439,36 кВтч теплоты в год. В сумме годовое энергопотребление для ООО «Бекон» составляет 11937681,33 кВтч. При односменной работе (8 часов/сутки) количеством рабочих дней 247 в 2013 году средняя мощность суммарного энергопотребления составила 41167,83 Вт. При этом мощность потребления электроэнергии составила 17226,4 Вт, а теплоты соответственно 23941,43 Вт. Средняя производительность 2,39 кг/с. Удельное потребление энергии на 1 кг продукции составляет суммарно 2527979,58 Дж/кг. При этом требуется 1057815,95 Дж/кг электрической энергии, и 1470163,63 Дж/кг теплоты.
Производственная мощность бойни предприятия ООО «Бекон» составляет 120 голов свиней и 20 голов крупного рогатого скота в час.
Средний вес свиньи перед забоем составляет 110 кг. в живом весе. После забоя и обработки (отделение копыт, головы, шкуры и т.д.) остается 62% от первоначального веса. Это убойный вес. От убойного веса идет выход: 10% костей, 2% - отходы, 21% сала и 67% мяса. Эти показатели приведены для породы "Русская белая", которая
Результат решения не является очевидным. На первый взгляд, кажется, что необходимо приобрести несколько установок типа HGM560, так как они имеют наибольшее соотношение КПД к стоимости. Для покрытия потребностей в электроэнергии и теплоте достаточно будет трёх устано-
является наиболее распространенной в нашей стране. Очевидно, что для других пород отношение сала и мяса может быть другим. Средним весом большинства взрослых коров считается 350450 кг. Коровы, которые в силу своей породы не могут быть большими, весят в среднем 200-300 кг. Крупные коровы мясных пород могут достигать веса в 700-800 кг. Если брать вес быков, то он в среднем в полтора раза выше, чем у коров той же породы. То есть средний вес быка - 500-700 кг, а у крупных мясных пород он, как правило, составляет больше 1000 кг. Следует отметить, что вес мяса коровы составляет примерно 50% от ее полной массы. Условно можно считать вес 400 кг средним для коров.
При среднем весе свиньи 110 кг и крупного рогатого скота 400 кг получается, что при работе линии в номинальном режиме производительность по мясу составляет примерно 2,6342(4) кг/с. Следовательно, для ООО «Бекон» максимальная мощность энергопотребления производственного оборудования составляет суммарно «6,64 МВт. Мощность электропотребления при этом составит «2,78 МВт, и потребление теплоты около 3,86 МВт. Годовая загрузка линии примерно 33%, а резерв мощностей составляет около 67%.
Для задания вектора технических характеристик оборудования будем использовать модельный ряд газопоршневых энергетических установок итальянской фирмы «Оиа8СОГ», представленных в таблице 1, как одного из признанных лидеров на рынке энергетических установок.
вок этого типа и именно такое решение даёт ЭВМ при задании в качестве целевой функции наименьших затрат на покупку или наибольшего значения общего КПД. При этом суммарная электрическая мощность составит 3612 кВт, а суммарная тепловая мощность 4683 кВт, что соответству-
Таблица 1 - Параметры энергетического баланса и стоимость энергетических установок на номинальных режимах работы
Марка Электрическая мощность, кВт Максимальная тепловая мощность, кВт Максимальный полный КПД, % Стоимость установок, у.е.
8РвЬБ560 957,00 1282,00 91,24 18046623,74
8РвМ560 1025,00 1325,00 90,79 18527135,24
И0М560 1204,00 1561,00 96,45 19653832,38
8РвЬБ480 813,00 1095,00 91,06 16905117,77
РвЬБ480 703,98 1086,00 90,86 15897199,91
8РвЬБ360 609,00 812,00 90,53 14882727,87
РвЬБ360 528,55 820,00 90,51 13890961,86
8РвЬБ240 347,00 526,00 89,09 10945273,46
РвЬБ240 405,00 548,00 90,36 12027209,47
ИвМ240 502,00 555,00 90,25 13530200,84
8РвЬБ180 304,00 397,00 89,93 10019193,91
РвЬБ180 264,28 403,00 90,17 9038931,59
Рв180 142,80 239,00 88,38 4730115,35
ет 76,97% нагрузки по электроэнергии и 82,43% по теплоте. При этом будет наблюдаться недогрузка электроэнергетического оборудования, (табл. 2).
Такое решение не является оптимальным, так как недогрузка оборудования приведёт к снижению его КПД, а также перерасходу денежных
Таблица 2 - Показатели выбранного оборудования
средств за неиспользуемые мощностные возможности. Кроме того наличие нескольких одинаковых по характеристикам установок снижает маневренные возможности управления энергетическим оборудованием предприятия.
Энергетические установки Количество, шт. Электрическая мощность, кВт. Тепловая мощность, кВт. КПД, % Стоимость, у. е
НвМ560 3 1204,00 1561,00 96,45 19653832
Суммарная мощность 3612 4683
Требуемая мощность 2780 3860
Недогрузка установок, % 23,03 17,57
Общий КПД установок 0,97
Общая стоимость 58961497
Поэтому в качестве целевой функции взята сумма разностей мощностей полученных в ходе решения, и потребных как по электроэнергии, так и по теплоте.
(Е^л, г РаСЧ - ^л^) + (Е^епл, г - ^е^) ^ ШП
(19)
В качестве уравнений связи задано:
удТ раэт > дт треб.
Е *эл, г — Мэл ;
ЕМ ,расч — N треб (20)
*тепл, г — 1 *тепл
Таблица 3 - Показатели выбранного оборудования
Граничными условиями будут условия неотрицательности и целочисленности переменных:
Пг — 0; Пг еЯ (21)
Решение данной задачи оптимизации указывает на необходимость приобретения следующего перечня оборудования (табл. 3). При этом требования по всем видам энергии практически совпадают.
Энергетические установки Количество, шт. Электрическая мощность, кВт. Тепловая мощность, кВт. КПД, % Стоимость, у.е
8РвЬБ360 1 609,00 812,00 90,53 14882727,87
8РвЬБ240 2 347,00 526,00 89,09 13890961,86
НвМ240 1 502,00 555,00 90,25 10945273,46
8РвЬБ180 1 304,00 397,00 89,93 12027209,47
РвЬБ180 2 264,28 403,00 90,17 13530200,84
Рв180 1 142,80 239,00 88,38 10019193,91
Суммарная мощность 2780,35 3861
Требуемая мощность 2780 3860
Недогрузка установок, % 0,013 0,026
Общий КПД установок 0,9
Общая стоимость 83130648,08
Таблица 4 - Показатели выбранного оборудования
Энергетические установки Количество, шт. Электрическая мощность, кВт. Тепловая мощность, кВт. КПД, % Стоимость, у.е
НвМ560 1 1204,00 1561,00 96,45 19653832,38
РвЬБ480 1 703,98 1086,00 90,86 15897199,91
8РвЬБ360 1 609,00 812,00 90,53 14882727,87
РвЬБ180 1 264,28 403,00 90,17 9038931,59
Суммарная мощность 2781,25 3862
Требуемая мощность 2780 3860
Недогрузка установок, % 0,045 0,052
Общий КПД установок 0,93
Общая стоимость 59472691,76
Однако, если имеются ограничения по количеству приобретаемых установок, то в уравнения граничных условий добавляется количественное ограничение.
Ъп, > п (22)
В этом случае решение сводится к следующим показателям (табл. 4).
Расчёты показывают, что максимальное количество единиц приобретаемого оборудования равно восьми, а минимальное трём. Принимаем
Таблица 5 - Показатели выбранного оборудования
решение в пользу наименьшего количества оборудования, так как это априорно связано с наименьшими затратами по монтажу, обслуживанию, ремонту, регистрации и другим, не учитываемым в модели, показателям.
Тогда, задавая в уравнении связи максимальное значение количества оборудования равного трём, получаем следующее решение системы (табл. 5).
Энергетические установки Количество, шт. Электрическая мощность, кВт. Тепловая мощность, кВт. КПД, % Стоимость, у.е
SFGLD560 1 957,00 1282,00 91,24 18046623,74
ИвМ560 1 1204,00 1561,00 96,45 19653832,38
FGLD480 1 703,98 1086,00 90,86 15897199,91
Суммарная мощность 2864,975 3929
Требуемая мощность 2780 3860
Недогрузка установок, % 2,97 1,76
Общий КПД установок 0,93
Общая стоимость 53597656,03
Таким образом, окончательно принимается решение на приобретение трёх различные энергетических установок (SFGLD560, ШМ560, FGLD480) по одной единице, которые, работая совместно, обеспечат необходимые показатели, представленные в табл.5.
С использованием энтальпийного подхода на основе энергетического баланса нами была решена задача оптимизации приобретаемого оборудования для покрытия потребностей предприятия в электроэнергии и теплоте.
5. Управление энергетическими системами на основе энергетического баланса
После подбора необходимого технологического оборудования возникает вопрос оптимального управления данными системами. Это обусловлено тем обстоятельством, что подбор оборудования, описанный выше, осуществлялся на основе значений максимального энергопотребления, с той целью, чтобы принятые к приобретению энергетические установки имели возможность покрывать пиковые нагрузки энергопотребления. Однако большая часть времени эксплуатации энергетического оборудования осуществляется при средних нагрузочных режимах, что, безусловно, влияет на показатели его эффективности. А значит и на показатели эффективности всей системы, в которую оно встроено [11 - 14].
Рассмотрим энергетические балансы тепловых двигателей, работающих в составе рассматриваемых нами энергетических установок на четырёх различных режимах нагружения, соответственно 40%, 60%, 80% и 100% см. Современные методы и средства измерения тепловых потоков позволяют
получать достаточно достоверную картину энергетического баланса [15]. Графически данную информацию можно представить на диаграмме (рис. 7) в виде зависимости долей составляющих теплового баланса от нагрузки [16].
у 40%
о
(ч
о в
вол
п
е т
е
и щи
30%
т с о С
20%
10%
0%
40% 60% 80% 100%
Нагрузка
• Механическая мощность
И Теплота рубашки охлаждения Ж Теплота интеркулера А Теплота маслоохладителя
♦ Теплота выхлопных газов (охлаждённых до
25 градусов С) = Излучение
Рисунок 7 - Составляющие теплового баланса двигателей энергетических установок
По приведённым данным (рис. 7) нами были получены [17] уравнения регрессии второго порядка, достоверно описывающие все составляющие
теплового баланса в зависимости от нагрузки (табл. 6). Так как для двигателей, работающих на генератор характерно постоянство частоты вращения коленчатого вала, то нагрузка может оцениваться по крутящему моменту или среднему эффективному давлению в цилиндре. В качестве нагрузочного фактора использована относительная величина Р, представляющая собой отношение текущего значения крутящего момента к его номинальному значе-
нию (23). Во всех случаях величина достоверности аппроксимации, Я2 = 1.
Р = Мкр / Мкр ном (23)
где: Мкр - текущее значение крутящего момента двигателя, Нм.
Мкр ном — номинальное текущее значение крутящего момента двигателя, Нм.
Таблица 6 - Уравнения составляющих теплового баланса тепловых двигателей, работающих в составе когенерационных установок «Оиазсог»
Наименование Уравнение
Механическая мощность Ne=Q-(0,2222-р3 - 0,6004-р2 + 0,5876-р + 0,1861)
Теплота отработавших газов, (охлажденных до 25 °С) Qar= Q40,0367-p3 - 0,081 р2 + 0,0271 р + 0,2696)
Теплота, отводимая системой охлаждения QC.o= Q4-0,1788f3 + 0,4776-р2 - 0,4387f + 0,3859)
Теплота, отводимая через маслоохладитель QCC= Q4-0,1086f3 + 0,2935-р2 - 0,2987f + 0,1584)
Теплота промежуточного охладителя (интеркулера) Qn.o = Q-(0,0268-р3 - 0,1016-р2 + 0,1561р - 0,039)
Теплота, теряемая излучением QИ= Q(0,0018f3 + 0,0119-р2 - 0,0333 р + 0,0391)
Подводимая теплота Q=Qном • (0,8879 • р + 0,1117)
Для поиска оптимального алгоритма управления подобранными для ООО «Бекон» установками и составления нагрузочной карты управления необходимо разработать модель оптимизационной задачи. Оптимизацию ведём по критерию расхода топлива. При этом в уравнения связи заложено условие, что нагрузка не должна быть меньше 40%.
Решая систему (24) относительно неизвестных Е и рг- получаем множество решений с шагом нагрузки 10% (табл. 7).
XQ, fa Р min;
х nm i (Е; Р )* ^элреб;
< XN^(Е;РN^; (24)
0 < 1; Ei е Z;
0,4 < р < 1; р е N;
Примечательным является режим, в котором сохраняется соотношение между потребляемой электроэнергией и теплотой. В табл. 7 он прослеживается при равных значениях электро- и теплопо-требления (выделен серым цветом). При этом режим управления наглядно демонстрируется графиком на рис. 8, а долю генерируемой энергии отображает график на рис.9. Все ограничения удовлетворены и соблюдены граничные условия.
При других зависимостях для соотношений тепло- и электропотребления для нужд ООО «Бекон», а также для получения данных о режимах, не имеющих точного соответствия с табличными необходимо решить систему (24) заново или прибегнуть к интерполированию данных табл.7.
Из табл.7, а также рисунков 8 и 9 видно, что оптимальный режим управления в случае одинаковых долей потребности по электроэнергии и по теплоте должен осуществляться следующим образом.
До достижения нагрузки на систему энергетического снабжения 26 - 27% (первая треть нагрузочных графиков) все потребности покрываются исключительно за счёт установки FGLD480. При дальнейшем увеличении нагрузки до 40 - 41% установка FGLD480 выключается и запускается установка HGM560. Дальнейшее повышение нагрузки до 62% требует совметной работы FGLD480 и SFGLD560, причём как видно из графиков регулирование в этом диапазоне осуществляется засчёт FGLD480. Последующее возрастание нагрузки на энергосистему до 75% вызывает необходимость включения на параллельную работу HGM560 и SFGLD560. В диапазоне от 75 - 100% нагрузки должны работать все три энергетические установки FGLD480, ШМ560 и SFGLD560 совместно.
Безусловно, покрытие энергетических потребностей возможно и другими сочетаниями включения установок, но сочетания, приведённые выше обеспечать минимальные эксплуатационные затраты.
Таким образом, в данной статье рассмотрены энергетические балансы современных газопоршневых энергетических установок Guaskor (Италия) и тепловых двигателей входящих в их состав, определены составляющие теплового баланса, такие как общая подводимая теплота, теплота теряемая излучением, теплота промежуточного охладителя (интеркулера), теплота, отводимая через маслоохладитель, теплота отводимая системой охла-
ждения и механическая мощность. Получены регрессионные уравнения для расчёта значений составляющих теплового баланса в зависимости от нагрузочного фактора.
Для конкретного предприятия ООО «Бекон», специализирующимся на убое КРС и свиней,
были подобраны современные когенерационные газопоршневые установки, позволяющие целиком покрыть энергетические нужды производства, а именно SFGLD560, ШМ560 и FGLD480.
Таблица 7 - Оптимальные режимы нагрузок для энергетических установок
Потребность в Потребность в теплоте от максимальной
электроэнергии в долях от Установки 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
максималь-
ной
SFGLD560 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 40,00 40,00 83,54 99,25 87,98
0 HGM560 0,00 0,00 0,00 61,27 46,59 75,28 40,00 40,00 40,00 43,68 87,98
FGLD480 0,00 40,00 61,61 0,00 41,85 40,00 56,49 97,42 83,54 99,25 87,99
8РGLD560 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 40,00 40,00 83,54 99,25 87,98
0,1 ИGM560 0,00 0,00 0,00 61,27 46,59 75,28 40,00 40,00 40,00 43,68 87,98
РGLD480 40,00 40,00 61,61 0,00 41,85 40,00 56,49 97,42 83,54 99,25 87,99
8РGLD560 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 40,00 40,00 83,54 99,25 87,98
0,2 HGM560 0,00 0,00 0,00 61,27 46,59 75,28 40,00 40,00 40,00 43,68 87,98
РGLD480 72,09 72,09 72,09 0,00 41,85 40,00 56,49 97,42 83,54 99,25 87,99
8РGLD560 0,00 85,40 0,00 0,00 0,00 0,00 40,00 40,00 83,54 99,25 87,98
0,3 ИGM560 71,79 0,00 71,79 71,79 40,00 75,28 40,00 40,00 40,00 43,68 87,98
РGLD480 0,00 0,00 0,00 0,00 51,77 40,00 56,49 97,42 83,54 99,25 87,99
8РGLD560 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 92,81 40,00 40,00 83,54 99,25 87,98
0,4 ИGM560 96,23 96,23 96,23 96,23 96,23 0,00 40,00 40,00 40,00 43,68 87,98
РGLD480 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 40,00 56,49 97,42 83,54 99,25 87,99
8РGLD560 0,00 79,53 79,53 79,53 0,00 79,53 87,75 40,00 83,54 99,25 87,98
0,5 ИGM560 53,52 0,00 0,00 0,00 71,91 0,00 0,00 40,00 40,00 43,68 87,98
FGLD480 100,0 79,53 79,53 79,53 71,91 79,53 87,76 97,42 83,54 99,25 87,99
8РGLD560 78,00 92,32 92,32 92,32 0,00 92,32 92,32 0,00 83,54 99,25 87,98
0,6 ИGM560 78,00 0,00 0,00 0,00 77,64 0,00 0,00 93,95 40,00 43,68 87,98
РGLD480 0,00 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 93,95 83,54 99,25 87,99
8РGLD560 80,78 80,78 100,0 100,0 80,78 100,0 80,78 80,78 97,58 99,25 87,98
0,7 ИGM560 100,0 100,0 83,82 83,82 100,0 83,82 100,0 100,0 97,57 43,68 87,98
РGLD480 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 99,25 87,99
8РGLD560 76,43 76,43 76,43 76,43 76,43 76,43 76,43 76,43 76,43 99,25 87,98
0,8 ИGM560 76,43 76,43 76,43 76,43 76,43 76,43 76,43 76,43 76,43 43,68 87,98
РGLD480 76,43 76,43 76,43 76,43 76,43 76,43 76,43 76,43 76,43 99,25 87,99
SFGLD560 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 87,98
0,9 ИGM560 65,22 65,22 65,22 65,22 65,22 65,22 65,22 65,22 65,22 65,22 87,98
РGLD480 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 87,99
8РGLD560 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0
1 ИGM560 89,68 89,68 89,68 89,68 89,68 89,68 89,68 89,68 89,68 89,68 89,68
РGLD480 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0
Кроме того, для эффективного совместного функционирования всей энергосистемы из подобранных установок расчётным методом были определены оптимальные режимы их функционирования и управления для любых энергетических потребностей. До достижения нагрузки на систему энергетического снабжения 26-27% (первая треть нагрузочных графиков) все потребности покрываются исключительно за счёт установки FGLD480. При дальнейшем увеличении нагрузки до 40-41% установка FGLD480 выключается и запускается установка HGM560. Дальнейшее повышение нагрузки до 62% требует совметной работы FGLD480 и SFGLD560, причём как видно из графи-
ков регулирование в этом диапазоне осуществляется засчёт FGLD480. Последующее возрастание нагрузки на энергосистему до 75% вызывает необходимость включения на параллельную работу ШМ560 и SFGLD560. В диапазоне от 75-100% нагрузки должны работать все три энергетические установки FGLD480, HGM560 и SFGLD560 совместно.
При этом учитывались технические особенности функционирования установок. Так, например, отсутствуют режимы установок с нагрузкой менее 40% (требования производителя).
ч
с _
и н
¡- И
сч ^
з а
ы s
о и
2 t4
? о
К к
& е
« 5
% S
§ 3
к о
& S tí
8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Доля нагрузки на систему от максимальной
Рисунок 9 - Обеспечение выбранными установками различных энергетических потребностей предприятия ООО «Бекон» при постоянном соотношении электроэнергия/теплота
0,9
ми 0,8
ак
§ :§ 0,7
0,6
се су р
й то0,5
0 В
1 ё 0,4 ур и ии
р г0,3
ер
не
2 ?5 0,2 я
й 0,1
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Доля нагрузки на систему от максимальной
Рисунок 10 - Загрузка энергетических установок при обеспечении различных энергетических потребностей предприятия ООО «Бекон» при постоянном соотношении электроэнергия/теплота
Литература
1. Агапов Д.С. Суммарный КПД тепловой энергетической установки. / Д. С. Агапов // Сборник научных трудов научно-технической конференции по теме: «Улучшение эксплуатационных показателей автомобилей, тракторов и двигателей». - СПб.: Изд-во СПбГАУ. - 2011. - С. 252-255.
2. Агапов Д.С. КПД комбинированной тепловой энергетической установки. / Д. С. Агапов // Сборник научных трудов научно-технической конференции по теме: «Улучшение эксплуатационных показателей автомобилей, тракторов и двигателей». - СПб.: Изд-во СПбГАУ. - 2010. - С. 223-225.
3. Агапов Д.С. Определение КПД составной тепловой энергетической установки. / Д. С. Агапов // Сборник научных трудов международной научно-технической конференции института технических систем, сервиса и энергетики по теме: «Улучшение эксплуатационных показателей автомобилей, тракторов и двигателей». -СПб.: Изд-во СПбПУ. - 2014. - С. 181-183.
4. Лепеш Г.В. Критерии оптимальности объединения машин и агрегатов в системы. / В.А. Богатырев, С.В. Богатырев, Г.В. Лепеш // Технико-
технологические проблемы сервиса. - 2009. - № 8. -С. 30-34.
5. Агапов Д.С. Разработка способа подвода теплоты для получения максимальной работы при темпе-ратурно-динамических ограничениях. / Д. С. Агапов // Сборник научных трудов научно-технической конференции по теме: «Улучшение эксплуатационных показателей автомобилей, тракторов и двигателей». - СПб.: Изд-во СПбГАУ. - 2009. - С. 250-251.
6. Агапов Д.С. Моделирование процессов предпусковой тепловой подготовки дизелей с использованием аккумулированной энергии. / Д. С. Агапов, А.П Картошкин //Журнал Известия Международной академии аграрного образования - СПб.: Изд-во СПбГАУ. - 2013. - №19. - С. 45-48.
7. Куколев М. И. Модели тепловых процессов в накопителях энергии для обоснования проектных решений: дисс. докт. техн. наук : 05.14.04 / С.-Петерб. политехн. ун-т Санкт-Петербург. - 2006. -280 с.
8. Бекман Г. Тепловое аккумулирование энергии / Г. Бекман, П. Гилли; пер. с англ. В.Я. Сидоров, Е.В. Сидоров; под ред. В.М. Бродянского. - М.: Мир. -1987.
9. Агапов Д.С. Результаты экспериментальных исследований системы предпусковой подготовки бензиновых двигателей с тепловым аккумулятором фазового перехода. / Д. С. Агапов, И.А. Косенков,
A.П. Картошкин // Сборник научных трудов научно-технической конференции по теме: «Улучшение эксплуатационных показателей автомобилей, тракторов и двигателей». - СПб.: Изд-во СПбГАУ. -
2010. - С. 302-310.
10. Агапов Д. С. Расчет потребности предприятия в энергетическом оборудовании. / Д. С. Агапов, А.П. Картошкин // Журнал Сельский механизатор. -2015. - №5. С. 26-27, 31.
11. Агапов Д. С. Оптимальные режимы работы газопоршневых установок. / Д. С. Агапов, А.П. Кар-тошкин // Журнал Сельский механизатор. - 2015. -№5. - С. 32-33.
12. Рубинштейн Я.М., Щепетильников М.И. Расчет влияния изменений в тепловой схеме на экономичность электростанций. / Я.М. Рубинштейн, М.И. Щепетильников. - М: Энергия. - 1969. - 224 с.
13. Рубинштейн Я.М., Щепетильников М.И. Исследование реальных тепловых схем ТЭС и АЭС. / Я.М. Рубинштейн, М.И. Щепетильников. - М.: Энергоиз-дат. - 1982. - 272 с.
14. Готовский М.А. Суслов В.А. Тепломассообмен в технологических установках ЦБП. / М.А. Готовский,
B.А.Суслов. - СПб. - 2011. - 123 с.
15. Сапожников С.З. Теплометрия в цилиндре двигателя внутреннего сгорания с использованием градиентных датчиков теплового потока. // Известия вузов и энергетич. объединений СНГ. / Сапожников
C.З., Митяков В.Ю., Митяков А.В. Известия Российской академии наук. Энергетика. - 1997. - № 9-10. С. 53.
16. Alkidas AC. The application of availability and energy balances to a diesel engine. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. - 1998. - №110(3), рр. 462-469.
17. Агапов Д.С. Эксергетическая функция теплоты и термический КПД энергоустановок при переменной температуре. / Д. С. Агапов // Известия СПбГАУ -
2011. - №24. - С. 322-325.
1
0
