CC BY
99
УДК 628.81+621.548.9 (470.21)
А.В.Бежан
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КОМПЛЕКСА, СОСТОЯЩЕГО ИЗ КОТЕЛЬНОЙ, ВЕТРОУСТАНОВКИ И ТЕПЛОВОГО АККУМУЛЯТОРА
Аннотация
Получена математическая модель комплекса «котельная + ВЭУ + ТА», позволяющая проводить вычислительный эксперимент. Приведены результаты, определяющие положительный энергетический эффект от внедрения ВЭУ и теплового аккумулятора.
Ключевые слова:
котельная, ветроэнергетическая установка, тепловой аккумулятор.
A.V.Bezhan
MATHEMATICAL MODELING OF COMPLEX CONSISTING OF BOILER,
WIND TURBINE AND HEAT STORAGE
Abstract
The mathematical model of the complex boiler + WT + HS for computer experiment is developed. The results of determining a positive energy effect from the introduction of WT and heat storage are given.
Keywords:
boiler room, wind turbine, heat storage.
Ранее [1, 2] уже рассматривался вариант теплоснабжения потребителя от системы, состоящей из котельной, ветроэнергетической установки (ВЭУ) и теплового аккумулятора (ТА). Также в работе [2] была предложена математическая модель ТА, позволяющая проводить вычислительный эксперимент и моделировать процессы зарядки, разрядки и хранения тепловой энергии. В данной статье представлены результаты математического моделирования всего комплекса «котельная+ВЭУ+ТА», входящего в состав рассматриваемой системы теплоснабжения.
В общем случае уравнение теплового баланса для котельной установки, являющейся традиционным источником тепловой энергии, можно записать в виде:
е.=е™+а, (1)
где е = V.CpT.
и Qdt = VCрТ2 - количество тепловой энергии, соответственно поступающей в единицу времени от котельной в элеватор в виде горячей воды и поступающей от разделителя к котельной (рис.1); Qq - тепло, необходимое для нагрева обратной воды до нормативного значения (оно восполняет тепловые потери здания в процессе отопления) и последующей ее подачи в тепловую сеть; V, Т и Т2 - соответственно расчетный расход и нормативные значения температуры теплоносителя, приходящего в котельную (с индексом 2) и уходящего из нее (с индексом 1). Т и Т определяются в зависимости от температуры наружного воздуха в соответствии с температурным графиком качественного регулирования отопительной нагрузки.
Рис.1. Обобщенная структурная схема системы теплоснабжения с участием комплекса «ВЭУ + ТА» (параллельное соединение ВЭУ и ТА): цифры 1, 2 и 3 означают, что теплоноситель циркулирует
соответственно по подающему трубопроводу тепловой сети, а также по обратному и подающему трубопроводам системы отопления
Расчетный расход теплоносителя Уг, поступающего от котельной на отопление, можно определить, исходя из теплового баланса котельной в соответствии с максимальной расчетной отопительной нагрузкой по формуле:
чКА (тв -тр 0) ср • (т; - т2')
= соті,
(2)
где цУздку (Те - Тр 0) - тепло, необходимое для нагрева обратной воды,
и последующей ее подачи в тепловую сеть при расчетной температуре наружного воздуха Трц (табл.1); С - теплоемкость воды, кВтч/м3 град; Т/ и Т[ - температуры
теплоносителя при расчетной температуре наружного воздуха Т 0 .
Если в систему теплоснабжения наряду с традиционным источником тепловой энергии включить дополнительный источник - ветроэнергетическую установку и тепловой аккумулятор (рис.1), то уравнение теплового баланса для котельной можно представить в виде:
01 = 0ВЭУ + й»
(3)
где 0КОТ - тепло, которое необходимо затратить котельной для нагрева обратной воды перед ее подачей в тепловую сеть.
Таблица 1
Расчетная температура воздуха наиболее холодной пятидневки Т 0, С (обеспеченностью 0.98 и 0.92) для некоторых населенных пунктов Мурманской области
Населенный пункт Обеспеченность
0.98 0.92
Кандалакша -35 -30
Ковдор -41 -34
Краснощелье -35 -32
Ловозеро -33 -31
Мончегорск -34 -30
Мурманск -29 -27
Териберка -23 -21
Умба -34 -29
Далее, приравнивая уравнения (1) и (3), можно определить
энергетический эффект от применения комплекса «ВЭУ + ТА»:
ег = а - а,, = Овэу - <24 ■ (4)
Путем дифференцирования данного выражения получим:
аоэкон ёО(0)
Я-'Кот і^ВЗУ х-'кот
Уравнения (4) и (5) определяют положительный энергетический эффект, который может быть получен от применения ВЭУ и теплового аккумулятора.
Таким образом, математическая модель комплекса «котельная+ВЭУ+ТА» будет выглядеть следующим образом:
ЖТТА _ °пост 0Удал КТА^ТА (ТТА Тв)
Жґ ут.С КС Ут, С
ТА р ТА р ТА р
0 = Ср Г^ Т, + ,-,
ж ^ ж ж
^ = Ср Г ^ Т2 +„ ^
а ^ а а жоотн _ аоВэу ао.
1(0) ікот
(6)
где первое уравнение описывает изменение температуры воды ТА, которое было рассмотрено в работе [2].
Режим работы комплекса «котельная + ВЭУ + ТА» представлен на рис.2.
б)
90 -|----------------
С участием теплового аккумулятора
О "
70" І
ІІЗДІ'У-
март
Месяцы
апрель
в)
Рис.2. Графики совместной работы котельной, ВЭУ и ТА (а, б) и диаграмма работы теплового аккумулятора (в)
На рисунке 2, а, б области белого и черного цвета - соответственно вклад ВЭУ и котельной в покрытие отопительной нагрузки. Область серого цвета - избыточная энергия ВЭУ. На рисунке 2, в участки возрастания и убывания - соответственно режимы зарядки и разрядки аккумулятора. Интервалы с равными значениями температуры - режимы ожидания аккумулятора.
В моменты времени, когда мощности ВЭУ достаточно для покрытия отопительной нагрузки, ВЭУ полностью может обеспечить потребность в тепле, а иногда даже создать избыток энергии (рис.2, а, область серого цвета), которая может полностью или частично запасаться в ТА в виде горячей воды (рис.2, в, промежутки возрастания) или сбрасываться вхолостую в случае, когда ТА заряжен полностью. Зарядке соответствует такое состояние ТА, при котором температура воды ТА находится на уровне 95-99°С (рис.2, в, горизонтальные промежутки).
В периоды холодной маловетреной погоды, когда мощности ВЭУ не хватает, в работу вступает ТА, дополняющий ВЭУ, при этом ТА находится в состоянии разрядки (рис.2, в, промежутки убывания). В случае, когда ни ВЭУ, ни ТА не могут обеспечить всю потребность в тепловой энергии, то нагрузка в значительной мере или полностью ложится на котельную (рис.2, б, область черного цвета), при этом ТА может находиться как в состоянии разрядки, так и в состоянии ожидания.
Разрядка аккумулятора продолжается до тех пор, пока мощности ВЭУ не будет достаточно для того, чтобы нагреть воду, поступающую в смеситель с температурой Т2 (для последующей ее подачи в котельную) (см. рис.1), до значения, превышающего температуру воды теплового аккумулятора Та . После этого аккумулятор переходит в состояние ожидания (рис.2, в, горизонтальные промежутки), через некоторое время в зависимости от соотношения мощностей ВЭУ и котельной ТА может снова находиться в режиме зарядки или разрядки.
Таким образом, получен математический инструмент для последующего его использования при расчетах и моделировании систем теплоснабжения.
Результаты расчета работы комплекса «котельная+ВЭУ+ТА» для здания объемом 1000 м3 представлены на рис.3, демонстрирующем тот положительный энергетический эффект, который может быть получен от участия ВЭУ (область серого цвета) в результате нагрева обратной сетевой воды от температуры Т2 до температуры Ті и ее подачи в тепловую сеть.
янв февр март аіф мш июнь июль пит сенг окт нояб дек
Рис. 3. Годовой график изменения мощности
В качестве исходных расчетных данных использовались среднесуточные значения скорости ветра и наружной температуры воздуха за период с 01.01.2011 по 31.12.20l1 г. для г.Мурманск.
Используя систему дифференциальных уравнений (6), можно отслеживать различные режимы работы котельной совместно с ВЭУ в зависимости от исходных климатических данных (скорости ветра, температуры наружного воздуха), наличия различных источников тепловой энергии, вида отопительной нагрузки. Можно также оценивать возможное участие «ВЭУ+ТА» в нагреве обратной сетевой воды, отслеживать реакцию системы отопления в случае возникновения аварийных ситуаций.
Если, например, котельная по какой-то причине вышла из строя, то в этом случае поддерживать необходимую температуру внутреннего воздуха и восполнять тепловые потери можно за счет резервных источников (дизель - генераторы, тепловые пушки, электрообогревательные приборы). В свою очередь, остановка котельной в зимнее время может привести к замерзанию отдельных узлов системы теплоснабжения. Представляет интерес оценить, как в этом случае работа ВЭУ может повысить надежность системы теплоснабжения и способствовать исключению критических ситуаций.
На рисунке 4 представлены результаты такого расчета. Видно, что за счет применения ВЭУ (кривая 1) удается не только поддерживать температурный режим воды в системе теплоснабжения на уровне не ниже нормативного расчетного значения обратной сетевой воды Т2 (кривая 2), а иногда и превышать его. Дополнительно появляется возможность на время ликвидации аварии использовать разницу между расчетной температурой воды Т2 и температурой, получаемой от использования ВЭУ для обеспечения потребностей в тепле, и соответственно уменьшать нагрузку на резервные источники.
Рис.4. Суточные колебания температуры сетевой воды, нагреваемой только за счет ВЭУ (1) и в обратном трубопроводе (2)
1. Получен математический инструмент, позволяющий отслеживать различные режимы работы котельной совместно с ВЭУ в зависимости от различных исходных климатических данных.
2. Выведены уравнения, определяющие положительный энергетический эффект от применения комплекса «котельная+ВЭУ+ТА».
3. Установлено, что наличие в системе теплоснабжения ветроустановки и теплового аккумулятора способствует повышению надежности системы и облегчению прохождения аварийных ситуаций.
Литература
1. Бежан А.В., Минин В.А. Оценка перспектив использования энергии ветра для теплоснабжения поселка Териберка // Труды Кольского научного центра РАН. Вып.3: Серия Энергетика. 2011. № 5. С. 205-213.
2. Бежан А.В., Минин В.А. Математическое моделирование работы теплового аккумулятора в системе теплоснабжения с участием ВЭУ // Труды Кольского научного центра РАН. Вып.1: Серия Энергетика. 2010. № 1. С. 158-165.
Сведения об авторе
Бежан Алексей Владимирович,
младший научный сотрудник лаборатории энергосбережения и возобновляемых источников энергии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр.Академгородок, д.21А Эл. почта: [email protected]
150
О 120 -
янв февр март апр май июнь июль авг сент окт нояб дек
Выводы
