Энергетический комплекс с газогенераторной установкой для малых сельскохозяйственных производств Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

механизированного производства продукции растениеводства и животноводства / ИАЭП. -С-Пб, 2014. - №85. - С.93-100.

18. Эрк А.Ф., Размук В.А. Автоматизированная система стабилизации температуры воздуха в помещении для откорма телят с применением частотных регуляторов. // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства/ИАЭП. - С-Пб, 2015. -№86. - С. 163-169

19. Эрк А.Ф.,Судаченко В.Н Методы повышения надежности энергообеспечения крестьянских (фермерских) хозяйств// Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. Теоретический и научно-практический журнал. 2016. №88-С. 53-59.

20. Попов В.Д., Судаченко В.Н, Папушин Э.А. Возобновляемые источники энергии Северо-Запада России и перспективы их использования в сельскохозяйственном производстве// Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. Труды 6-й Международной научно- практической конференции (13-14 мая 2008 года, Москва, ГНУ ВИЭСХ) Часть 4 Возобновляемые источники энергии. Местные энергоресурсы. Экология. Москва, 2008, С 32-37

21.Судаченко В.Н Состояние энергообеспечения и перспективы использования ВИЭ на сельских территориях Северо-Запада России// Третий Инновационный форум «ЭЭТТ».ВИЭ-2010»-Возобновляемые источники энергии в России: проблемы, решения, перспективы. Сборник докладов научно - практической конференции 1: «ВИЭ в России: проблемы, пути решения, перспективы» «ЭЭТТ» ВИЭ-2010.

УДК 621.436.44

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС С ГАЗОГЕНЕРАТОРНОЙ УСТАНОВКОЙ ДЛЯ МАЛЫХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПРОИЗВОДСТВ

ИИ. ГАБИТОВ, д-р техн. наук; Д.Ф. БАЛТИКОВ

ФГБОУ ВО «Башкирский государственный аграрный университет», Уфа, Россия

В статье рассматриваются вопросы рационального применения энергетического комплекса с газогенераторной установкой для энергообеспечения малых сельскохозяйственных производств. Энергетический комплекс обеспечивает утилизацию отходов лесозаготовок и использует их в качестве топлива для газогенераторной установки, а также для выработки тепловой энергии. Использование генераторного газа в двигателе внутреннего сгорания может обеспечить также потребности производства в механической и электрической энергии. Разработаны различные варианты применения энергетического комплекса в энергообеспечении различных технологических процессов в малых сельскохозяйственных производствах.

Ключевые слова: энергетический комплекс; газогенераторная установка; генераторный газ; утилизация отходов; молочно-товарная ферма; тепловая энергия; механическая энергия; электрическая энергия.

Технологии и технические средства механизированного производства продукции

растениеводства и животноводства_

POWER COMPLEX WITH GAS-GENERATING INSTALLATION FOR SMALL-SCALE AGRICULTURAL PRODUCTIONS

I.I. GABITOV, DSc (Engineering), professor; D.F. BALTIKOV

Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Professional Education "Bashkir State Agrarian University", Ufa, Russia

The article considers the rational application of the power complex with a gas-generating installation for power supply of small-scale agricultural enterprises. The power complex provides recycling of logging waste, using it as fuel for gas-generating installations and thermal energy production. The use of generated gas in an internal combustion engine can meet the production requirements for mechanical and electric energy. Various application options of the power complex for power supply of different technological processes in small-scale agricultural productions have been developed.

Keywords: power complex; gas-generating installation; generated gas; waste recycling; commercial dairy farm; thermal energy; mechanical energy; electric energy.

ВВЕДЕНИЕ

В Российской Федерации реализуются различные программы по развитию малых сельскохозяйственных производств, к которым относится и создание семейных животноводческих ферм. Многие малые животноводческие фермы в летний период переводятся на летнее содержание в местности с богатой, естественной кормовой базой. При развитии малых производств в отдаленных и труднодоступных местах, актуальной проблемой является организация их надежного энергообеспечения. Так, в отдельных местах отсутствуют линии электропередач, в частности в горно-лесной зоне Урала, где имеются практически неограниченные возможности для использования в качестве источника энергии тепло от сжигания отходов лесохозяйственной деятельности. Рациональное использование тепловой энергии при термическом разложении отходов от лесохозяйственных и сельскохозяйственных производств открывает широкие перспективы по решению экологических проблем по утилизации отходов, сводит к минимуму загрязнение окружающей среды. Проведенный анализ показал, что для малых сельхозпроизводств, наиболее предпочтительным является использование газогенераторных установок, которые позволяют получать тепло и генераторный газ (ГГ), с дальнейшим использованием ГГ в качестве топлива для ДВС (выполнение механической работы) и привода генератора (выработка электрической энергии). Работа газогенераторных установок достаточно хорошо исследована. Вместе с тем, вопросы разработки комплексных агрегатов, обеспечивающих комплексную и (или) раздельную выработку тепла, механической и электрической энергии, а так же их рациональное распределение в зависимости от технологического процесса производства детально не исследованы. В связи с этим, работы направленные на разработку мобильного надежного источника энергообеспечения на основе газогенераторной установки и эффективных методов распределения (использования) по видам энергии являются весьма актуальными [2,3]

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

В Башкирском ГАУ разработан энергетический комплекс, в основе которого приняты газогенераторная установка, двигатель внутреннего сгорания и генератор электрического

тока. Использование ГГ в качестве топлива в ДВС позволяет в последующем расширить возможности установки для выработки механической и электрической энергии. Таким образом, энергетический комплекс предназначен для преобразования энергии горения твердого древесного топлива в различные виды энергии, при одновременном решении задачи, утилизации отходов лесохозяйственной деятельности. Выбранная концепция проектирования и разработки энергетического комплекса основывалась на универсальности применения его как мобильного источника энергообеспечения для удовлетворения сельских потребителей в тепле, электричестве, механизации процессов и пр.

Теоретические и экспериментальные исследования выполнены на основе технической термодинамики, системного анализа и синтеза. При проведении испытаний использовались сертифицированные оборудования и эксперименты проводились в соответствии с ГОСТами, ОСТами и разработанными частными методиками.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

На рис.1 представлена схема энергетического комплекса с модернизированной газогенераторной установкой для использования в производственной деятельности летней молочно-товарной фермы (МТФ), где в соответствии с технологическим процессом в различных временных интервалах возникает потребность в электричестве, тепле, приводе механических агрегатов и пр. Данный энергетический комплекс с газогенераторной установкой может использоваться для работы на различных режимах: выработки тепловой энергии, электрической и механической, как отдельно, так и совместно[4,8].

Выработка генераторного газа происходит в котле 6, куда загружаются древесные отходы через люк 5 и при горении с недостаточной подачей воздуха, происходит их термическое разложение. На начальном этапе после розжига топлива, отбор газа из котла 6 производится разгонным вентилятором 20, до момента образования стабильного потока генераторного газа. После этого вентилятор 20 отключается и отбор ГТ производится началом работы ДВС 15 или компрессорным устройством 19 сбора ГГ. В зависимости от потребности, очищенный ГГ так же может собираться компрессорным устройством 19 для сбора газа в емкости 18 для хранения газа с возможностью его дальнейшего применения для ДВС 15.

Генераторный газ из котла 6, поступает в фильтр 3 грубой очистки, где очищается от конденсата, смол и крупных частиц. Затем ГГ поступает в систему охлаждения 2 и заключительном этапе проходит через фильтр 1 тонкой очистки. В ДВС 15 генераторный газ поступает уже охлажденным до температуры 20...50 °С. При работе ДВС через выходной вал редуктора 13 крутящий момент передается на электрогенератор 12, или на привод 14 потребителя механической энергии.

Во время работы ГГУ выделяется большое количество тепла, которое можно использовать для аккумулирования тепловой энергии через теплообменник. Для этого котел 6 оборудован водяной рубашкой, которая соединена через систему трубопроводов с водяным насосом 10 и емкостью 12. При открытом вентиле 15 начинается циркуляция воды в системе, скорость циркуляции регулируется водяным насосом 13. После того как температура воды в емкости 12 достигает заданного значения, насос 13 отключается блоком управления 4 и закрывается вентиль 15. Нагретая вода может использоваться для рабочих нужд через канал отбора воды.

Рис. 1. Общая схема энергетического комплекса: 1 - фильтр тонкой очистки; 2 - система охлаждения генераторного газа; 3 - фильтр грубой очистки; 4 - электронный блок управления (ЭБУ); 5 -загрузочный люк; 6 - котел;

7 - датчик температуры; 8 - клапан (вентиль) запорный; 9 - емкость для хранения нагретой воды; 10 - водяной насос; 11 -электроуправляемая заслонка; 12 - электрогенератор; 13 - редуктор; 14 - привод агрегатов доильной установки; 15 - двигатель внутреннего сгорания; 16 - разгрузочный люк; 17 - электромагнитный клапан; 18 - баллоны сбора генераторного газа; 19 - компрессорное устройство; 20 - разгонный вентилятор;

21- аккумуляторная батарея.

На рис. 2 дано примерное графическое представление потребности в электричестве, тепле, приводе насосов доильной установки и пр. для летней молочно-товарной фермы в соответствии с технологическим процессом и временными интервалами. Указанные суждения были заложены в основу разработки математической модели энергетического баланса для определения рациональных режимов работы отдельных агрегатов и комплекса в целом. К граничным условиям, используемым в математической модели энергетического баланса комплекса, следует отнести также поголовье скота, число смен, среднюю температуру воздуха и др.

Время суток 05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 05:00

Вид энергии

Электроэне ргия

Тепловая энергия

Механичес кая энергия (ДУ)

Рис. 2. График примерной потребности в различных видах энергии в производственных

процессах летней МТФ

Уравнение теплового баланса с учетом принятых ограничений технологического процесса работы МТФ в общем виде можно представить:

Оэ.к ^Оагр.+ пот (1)

где (},„ - количество тепла, производимое энергетическим комплексом, кДж; ХОагр. -количество тепла, направленное на полезное использование, кДж; ХОпот - сумма тепловых потерь различного происхождения, кДж.

10агр= 02.+ 0з.+ 01+ 05 (2)

где СЬ, СЬ, Оь 05 - количество тепла, расходуемое соответственно для преобразования в механическую, тепловую (нагрев воды), электрическую энергию и подзарядку АКБ, кДж.

Количество теплоты, расходуемое на выработку механической энергии, определяется в зависимости от выбора мощности агрегатов энергетического комплекса, поголовья коров МТФ, количества операторов и от выбора вида топлива:

С>2= Г|мех х С>2 = Лмех х (Оч>< (п^^ор/ Пст.)хС>н.т.) (3)

где т|Мех - КПД двигателя; СЬ - количество энергии затрачиваемое доильной установкой, кДж; Оч - часовой расход топлива ДВС, кг/ч (м3/ч); псот, пкор- количество доильных станков в МТФ и поголовье коров МТФ; 1:КОр- норма времени на дойку 1 коровы, ч; <3Н.Т.- низшая теплота сгорания используемого топлива, кДж/кг.

Количество теплоты расходуемой на нагрев воды:

0з= Лтеп х0з = ((ПсотхУсот+ПкорХУкор)ХСХ^241)) ><Г|теп. (4)

где <3з - необходимое количество энергии на нагрев воды; конечная и начальная

температура теплоносителя, °С (К); Усот, Укор,- нормы расхода нагретой воды на оператора и корову, л (кг.); с- удельная теплоемкость теплоносителя, кДж/(кг К); г|теп. - КПД нагревателя газогенераторной установки.

Технологии и технические средства механизированного производства продукции

растениеводства и животноводства_

Количество теплоты для преобразования в электрическую энергию определяется исходя из потребности холодильного оборудования и работы электронасосов:

Ql= Лмех xQi' = Г|мех x(G4x(QX0J1+QHac) / (QreH X г|эль.)х QHX) (5)

где Qi - количество энергии затрачиваемое электрогенератором, кДж; QX0JI - энергия, затрачиваемая холодильным устройством, кВт; QHac - энергия, затрачиваемая водяным насосом, кВт; QreH - производительность электрогенератора, кВт/ч. G4- часовой расход топлива ДВС, кг/ч (м3/ч); г|ЭЛь- КПД электрогенератора.

Количество теплоты для подзарядки АКБ определяется:

Qs= Г|мех х Qs = Лмех x(G4x(QX0J1+QHac+ Q0CB) / (QreHX Г1эль.)х QHX) (6)

где СЬ - количество энергии, затрачиваемое электрогенератором на подзарядку АКБ; Q0CB-количество энергии затрачиваемая на ночное освещение, кВт.

Потери тепла при работе энергетического комплекса определяется [ 1 ]:

ZQnoT=Q7+ Qs+Q9 (7)

где Q7 - потери при охлаждении и очистки генераторного газа, кДж; Qx -потери от химической неполноты горения, кДж; Q9 -потери от механической неполноты горения, кДж.

Потери от химической неполноты горения:

Q8 = Ver х(126,5хСО +108,х1Н2 + 358,2хСН4) (8)

где СО, Н2, СН4 - соответственно содержание окиси углерода, водорода и метана в продуктах сгорания в % по объему; Vcr - объем сухих газов, м3/кг.

Потери от механической неполноты сгорания:

Q9 = QP + Q™n + Qf (9)

где Qp - потерн тепла с провалом, при сжигании древесного топлива в слоевых топках происходят ввиду провала части топлива между колосниками, кДж; Q™, - потери тепла с недожогом в шлаке, обусловлены содержанием горючих в шлаке, кДж; Qf - потеря тепла с уносом, происходит ввиду выноса из топки с дымовыми газами мелких частиц несгоревшего топлива, кДж.

Потери при охлаждении и очистки ГГ:

Q7=Cr0p*Vr*(Tyx-tB) (10)

где Vr - полный объем продуктов сгорания 1 кг топлива, т.е. это объем газов на выходе газогенераторной установки (объем воздуха, поступившего в топку плюс объем ГГ, от сгоревшего древесного топлива), м3; Сгор - теплоемкость ГГ, Дж/кгхК; Тух -температура выходящих ГГ, С (К); tB- температура воздуха, С (К).

Из формулы (10) видно, что величина потерь с уходящими газами зависит от объема воздуха проходящего через котел газогенератора и разницы температур. Для уменьшения потерь необходимо снижать температуру на выходе печи. Нижний предел температуры ограничивается опасностью возникновения конденсата и не может быть ниже 125-150- С, а снижение объемов воздуха приводит к ухудшению процесса горения, и тоже имеет свои ограничения. Потери при охлаждении и очистки ГГ в могут достигать 30%. Потери от химической неполноты Qx и потери от механической неполноты горения Q9 составляют 3-5 %.

С использованием результатов теоретических исследований был разработан мобильный энергетический комплекс, экспериментальными исследованиями подтверждена работоспособность всех агрегатов и комплекса в целом, затем проведены работы по модернизации всего комплекса [6,7].

На следующем этапе экспериментов исследовалась эффективность совместной работы различных агрегатов комплекса при выработке тепловой и механической энергии. Были определены коэффициенты полезного действия агрегатов, характеристики ДВС и генератора при выработке электрического тока. В частности, сравнительный состав отработавших газов ДВС на генераторном газе и бензине приведен в таблице.

Таблица

Сравнительные характеристики состава отработавших газов

Вид топлива СО, % CH,ppm CO2, % О2, %

Береза 0,27 24 7,90 11,34

Сосна 0,25 20 7,52 12,78

Бензин 0,31 98 2,68 16,54

Результаты исследований подтвердили более лучшие показатели по составу отработавших газов (СН и СОг) ДВС при работе на генераторном газе, чем на бензиновом топливе.

Энергетический комплекс с газогенераторной установкой можно установить на режим выработки только тепловой энергии (рис.3). При данном режиме работы, установка подключается к системе отопления. Газогенераторная установка 1 производит ГГ с одновременной выработкой тепловой энергии, а получаемый газ поступает по каналу 5 в газовый котел 2, где происходит его сжигание и тем самым через теплообменник 3 вырабатывается дополнительная тепловая энергия. Теплообменник газогенераторной установки не взаимосвязан с теплообменником газового котла.

Рис. 3. Энергетическая установка с вторичным газовым котлом: 1 - газогенераторная установка; 2 - вторичный газовый котел; 3, 6 -теплообменник; 4 - канал подачи генераторного газа; 5 - канал выхода отработавших газов; 7 - горелка.

Такую систему работы установки можно использовать для отопления в сельских школах, машинотракторных парках и других сельских учреждениях.

Разработанную энергетическую установку также можно подключить к сушильному агрегату зерноочистительного комплекса (рис. 4).

Рис. 4. Подключение энергетической установки к сушильному агрегату зерноочистительного комплекса: 1 - газогенераторная установка; 2 - камера загрузочная; 3 - барабан; 4 -вентилятор;

5 - канал подачи генераторного газа; 6 - водяная рубашка; 7 - горелка.

В приведенной схеме энергетическая установка работает в режиме выработки генераторного газа с последующим его использованием в сушильном агрегате. При этом конструкция сушильной установки не подвергается изменениям, а в качестве топлива в ГТУ может использоваться шелуха, при одновременном решении проблемы утилизации зерновых отходов данного предприятия.

ВЫВОДЫ

1. Разработан мобильный энергетический комплекс с газогенераторной установкой для энергообеспечения малых сельскохозяйственных и лесохозяйственных производств. Энергетический комплекс обеспечивает утилизацию отходов лесозаготовок использованием

21

их в качестве топлива для газогенераторной установки и выработки тепловой энергии. При дальнейшем использовании вырабатываемого генераторного газа обеспечиваются потребности производства в механической и в электрической энергии согласованием работы ДВС и электрогенератора энергетического комплекса.

2. Разработанная модель расчета теплового баланса для летней молочно-товарной фермы позволяет определять рациональные режимы работы энергетического комплекса по выработке различных видов энергии в зависимости от производственных условий.

3. Экспериментальными исследованиями подтверждена работоспособность работы, как отдельных агрегатов, так и в целом энергетического комплекса.

4. Предложены различные варианты применения энергетического комплекса в энергообеспечении различных технологических процессов в малых сельскохозяйственных производствах, для отопления в сельских школах, машинотракторных парках и других сельских учреждениях. Рациональное использование тепловой энергии при термическом разложении отходов от лесохозяйственных и сельскохозяйственных производств открывает широкие перспективы по решению экологических проблем по утилизации отходов, сводит к минимуму загрязнение окружающей среды.

ЛИТЕРАТУРА

1. Теплотехника [Текст]: учебное пособие для студ. вузов, обучающихся по направлению " Агроинженерия": рек. УМО по образованию / Г. А. Круглов, Р. И. Булгакова, Е. С. Круглова. - СПб.; М.; Краснодар: Лань, 2010. - 207 с.

2. Газогенераторная установка для энергообеспечения летних животноводческих лагерей / И.И. Габитов, Д.Ф. Балтиков, М.Ф.Ганиев // В сборнике: Аграрная наука в инновационном развитии АПК материалы международной научно-практической конференции, посвященной 85-летию Башкирского государственного аграрного университета, в рамках XXV Международной специализированной выставки «Агрокомплекс-2015». Башкирский государственный аграрный университет. 2015. С. 243246.

3. Газогенераторная установка малой мощности для энергообеспечения производственных процессов малых молочно-товарных ферм / Д.Ф. Балтиков, У.К. Галимов, М.Ф. Ганиев // Труды ГОСНИТИ. 2015. Т. 118. С. 91-94.

4. Газогенераторная установка с модернизированным котлом для энергообеспечения автономных малых производств / Д.Ф. Балтиков, С.И. Габитов // Труды ГОСНИТИ. 2016. Т. 123. С. 35-39.

5. Регулирование выработки генераторного газа в газогенераторных установках малой мощности / И.И. Габитов, У.К. Галимов // В сборнике: Совершенствование конструкции, эксплуатации и технического сервиса автотракторной и сельскохозяйственной техники. Материалы Международной научно-практической конференции. 2013. С. 82-86.

6. Альтернативный источник энергии для энергообеспечения производственных процессов летних молочно-товарных ферм / Д.Ф. Балтиков // В сборнике: Актуальные проблемы энергообеспечения предприятий. 2016. С.147-156.

7. Обоснование выбора источника альтернативной энергии и способа ее получения / К.В. Костарев, O.K. Садритдинов, Д.Ф. Балтиков // В сборникеб Наука молодых -инновационному развитью АПК материалы Международной молодежной научно-практической конференции. 2016. С. 339-342.

Технологии и технические средства механизированного производства продукции

растениеводства и животноводства_

8. Пат. 167783 РФ, МПК C10J 3/20 (2006.01) Газогенераторная установка с локальным подогревом / И.И. Габитов, К.В. Костарев, Д.Ф. Балтиков, O.K. Садритдинов; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО Башкирский ГАУ. № 2016101480; заявл. 19.01.2016; опубл. 10.01.2017.

УДК 621.311.24, 620.9, 004.8

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НЕЧЕТКОЙ ЛОГИКИ И НЕЙРОННЫХ СЕТЕЙ

Н.В. ЗУБОВА, канд. техн. наук

Новосибирский государственный технический университет, Новосибирск, Россия

Энергия, получаемая от ветра, имеет потенциал роста на энергетическом рынке и играет жизненно важную роль для формирования устойчивой энергетики во всем мире. Решающей проблемой её популяризации стало дальнейшее снижение стоимости производства электроэнергии. Таким образом, важной задачей является повышение энергоэффективности ветроэнергетических установок, что связано с понятием максимального захвата энергии. На сегодняшний день разработано множество стратегий управления для регулирования угловой скорости вращения ветроколеса ветроэнергетической установки и мощности, вырабатываемой ею, для изменения угла заклинения лопастей и, следовательно, их угла атаки, для ориентации гондолы на ветер. Помимо стандартных Р1- и P1D- контроллеров ученые и инженеры всего мира обращаются к интеллектуальным адаптивным системам управления. В статье рассмотрены достоинства и недостатки алгоритмов на основе нечеткой логики и нейронных сетей, даны заключения о плюсах их совместного применения. Кроме того, в работе приведены результаты обзора исследований, посвященных применению адаптивных систем нейро-нечеткого вывода в ветроэнергетике. Предлагается способ реализации разработанного нейро-нечеткого алгоритма для прогнозирования выработки мощности ветроэнергетической установки с помощью специального графического редактора адаптивных сетей ANFIS в среде MATLAB. Значения мощности на выходе ветроэнергетической установки, прогнозируемой на основании данных о скорости ветра и коэффициента мощности ВЭУ и полученные в результате настройки и обучения, являются удовлетворительными и позволяют говорить о корректности предлагаемого алгоритма.

Ключевые слова: ветроэнергетическая установка; нечеткая логика; нейронная сеть; система нейро-нечеткого вывода; энергоэффективность.

DEVELOPMENT OF CONTROL AND PREDICTION ALGORITHMS TO IMPROVE ENERGY EFFICIENCY OF WIND TURBINES USING FUZZY LOGIC AND NEURAL NETWORKS

N.V. ZUBOVA, Cand. Sc. (Engineering)

Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russia

Wind energy has the potential for growth in the energy market and plays a vital role in sustainable energy generation around the world. The main concern in its promotion is the further decrease in electrical