CC BY
15
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 1 (67)
ЕКОНОМ1КА ТА УПРАВЛ1ННЯ
УДК [697.1:620.925]:378.091.6
О. М. ПШШЬКО1*, В. О. ГАБР1НЕЦЬ2*, В. Г. КУЗНЕЦОВ3*
1 Каф. «Управлшня проектами, буд1вл1 та будавельт матер1али», Дшпропетровський нацюнальний ушверситет
зал1зничного транспорту 1мен1 академжа В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дншро, Украша, 49010,
тел. +38 (056) 373 15 46, ел. пошта [email protected], ОЯСГО 0000-0002-1598-2970
2*Каф. «Теплотехшка», Дншропетровський нацюнальний ушверситет затзничного транспорту 1меш
академжа В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дшпро, Укра1на, 49010, тел. +38 (056) 373 15 87,
ел. пошта [email protected], ОЯСГО 0000-0002-6115-7162
3*Каф. «1нтелектуальш системи електропостачання», Дшпропетровський нацюнальний унiверситет залiзничного транспорту iменi академiка В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дншро, Украша, 49010, тел. +38 (056) 373 15 25, ел. пошта укш@тиа, ОЯСГО 0000-0003-4165-1056
ЗАСТОСУВАННЯ РЕГЮНАЛЬНИХ В1ДНОВЛЮВАЛЬНИХ Б1ОРЕСУРС1В ДЛЯ РОБОТИ СИСТЕМИ ТЕПЛОПОСТАЧАННЯ
Мета. У дослщженш необхвдно проаналiзувати можливiсть та умови забезпечення ефективно! роботи систем теплопостачання при переходi частки теплогенеруючих потужностей на бiопаливо. В якосп бюпали-ва пропонуеться застосовувати солому злакових культур, яш широко розповсюджеш в Приднiпровському регiонi. Головною метою роботи е науковий прорахунок можливосп та вартостi конкретних заходiв для такого переходу. Для прикладу береться котельня компактного мютечка Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту iменi академiка В. Лазаряна (ДНУЗТ), що споживае природний газ. Методика. В робот проведено аналiз законодавчо! бази Укра1ни, що стимулюе застосування вщновлюваль-них джерел в якостi палива, а також зроблено аналiз механiзмiв стимулювання та розвитку цього напрямку. Також визначаються можливостi Приднiпровського региону щодо забезпечення отримання та поставок со-ломи для роботи котельш. Аналiзуються вартiснi показники перевезень вантаж1в по територп Укра1ни в 2016 рощ, яш залежать вiд вщсташ та розмiру вантажiвок. Цi показники, а також показники, що пов'язаш з кушвлею соломи, розглядаються сумюно з енергетичними можливостями 11 застосування в якосп палива. Результата. При юнуючих в Украíнi (станом на 2016 рш) продуктивностi зернових у сшьському господарс-твi та вартюних показнишв у галузi перевезень, переведення частки потужностей на вiдновлювальне паливо е досить рентабельним. Вартiсть одинищ теплово! потужностi при цьому може бути знижена в чотири рази. Наукова новизна. Вперше запропоновано використовувати новi комплекснi пiдходи для оцшки вартостi одиницi потужностi теплово! котельш при переходi на застосування вщновлювальних джерел енерги. Авторами також запропонована нова логiстика доставки цих джерел до мюця 1х застосування. З техшчно! та вар-тюно! сторiн визначено оптимальний порядок потужносп переводу на новi вiдновлювальнi джерела енерги у конкретному регiонi, в залежносп вiд структури посiвних площин та 1х продуктивностi. Практична значимкть. Введення запропонованих рiшень та пiдходiв до забезпечення потужностi котельнi вщновлювальними джерелами енерги можуть бути реалiзованi при вiдносно невеликих капiталовкладеннях та можуть дати значний економiчний ефект.
Ключовi слова: бюресурси; згоряння соломи; система тепло- та гарячого водопостачання; тепловi втрати; тепловий режим; теплотворна здатшсть; вартiсть перевезення; вiдновлювальнi джерела енерги
Вступ
На сьогодшшнш день основним енергонось ем в кра!ш залишаеться природний газ (34,8 % загального первинного постачання енерги (ЗППЕ)), на другому мющ вугшля (34,6 %), хо-ча тенденщею останшх кшькох роюв е знижен-ня споживання газу та збшьшення використан-ня вугшля та бюмаси. Близько третини загального обсягу природного газу - 31 % (16 млрд. м3) - споживаеться населенням, 19 %
(10 млрд. м3) ще на теплопостачання шдприем-ствами ЖКГ, а промисловють використовуе 37 % (20 млрд. м3). Система центратзованого теплопостачання в Укра!ш е досить розвине-ною. За даними 2013 року обсяг споживання теплово! енерги в Укра!ш становив порядку 237 млн. МВт-год. Виробництво теплово! енерги для забезпечення потреб сектор1в економ1чно! д1яльност1 та населення Укра!ни здшснюеться системами центратзованого теплопостачання, що охоплюють близько 60% споживач1в, i сис-
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 1 (67)
темами шдивщуального теплопостачання. За даними Мшютерства Регюнального Розвитку, Буд1вництва та Житлово-Комунального госпо-дарства загалом по Укра!ш експлуатуеться 35 424 котелень сумарною тепловою потужшстю 136 982 МВт. На газу працювало 24 564, на рщ-кому палив! - 333, на твердому палив! - 9 781. Але з фшансових, а також пол1тичних чинниюв в Укра!ш потр1бно скорочувати витрати тради-цшного палива. Кр1м того надо брати до уваги майбутне заюнчення цих вид1в палива. Це спо-нукае на необхщшсть пошуку засоб1в та техш-чних ршень для застосування вщновлювальних вид1в палива [7]. З р1зних вид1в вщновлюваль-но! енергетики для отримання теплово! енерги в осшнш та зимовий перюди найбшьш приваб-ливим виглядае бюенерпя, яка отримуеться з бюресуршв, що щор1чно вщновлюються у ви-гляд1 рослин та у вигляд! переробки продукпв сшьського господарства. В Укра!ш на вщнов-лювальних видах палива в 2013рощ працювало 2 535 котелень й було спожито 1 433 тис. т н.е. теплово! енерги вироблено! з бюмаси. Зпдно Нацюнального плану дш з вщновлювально! енергетики на перюд до 2020 року цю цифру плануеться шдвищити до 4000 тис. т н.е. Фак-тичне споживання теплово! енерг!! в систем! ЖКГ Укра!ни за 2013 р. складае 112 млн. МВт-год, у т.ч. населенню - 64 млн. МВт-год, на ко-мунально-побутов! потреби - 25,4 млн. МВт-год, на виробнич! потреби - 13,5 млн. МВт-год, шшим шдприемствам - 8,7млн. МВт-год. Сере-дш втрати теплово! енерг!!' складали близько 14,3 %. Особлива увага до цього виду вщнов-лювально! енерг!! пояснюеться тими обстави-нами, що в багатьох випадках перех!д вщ тра-диц!йних вид!в палива на альтернативш не по-требуе значних каттальних витрат. Тобто шляхом шдбору в!дпов!дних режим!в гор!ння бюпалива можливо застосовувати вже !снуюче обладнання.
Мета
В цш робот! вивчаеться питання виробницт-ва енерг!! для котелен з бюмаси, яка виробля-еться в Дн!провському рег!он!. Особлива увага присвячена визначенню ц!льових показник!в економ!чно! доц!льност! реал!зац!! такого проекту та оптимальних обсяг!в виробництва теплово! енерг!! з бюресурс!в та можливосп забезпе-
чення котельно! паливною сировиною. Такий тдхщ вiдповiдаe нацiональним планам, енерге-тичнш стратегi! держави щодо збiльшення час-тки вiдновлювальних джерел енергi! в енерге-тичному балансi кра!ни та плану заходiв з iMn-лементацп Директиви Свропейського Парламенту та Ради 2009/28/еС вiд 23 кв^ня 2009 р. щодо стимулювання використання вщновлюва-льних джерел енергi!.
У ще! статтi розглядаеться конкретна мож-ливiсть переходу на споживання бюпалива для частки потужностей котельнiй на природному ra3i Днiпропетровського нацiонального ушверситету затзничного транспорту iменi академша В. Лазаряна. Основнi вихiднi даш цiе! котельно! представленi у табл. 1.
Таблиця 1
Основш показники для котельноТ Дншропет-ровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту iменi академша В. Лазаряна
Table 1
Basic indicators for the boiler house of Dnipropet-rovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan
Назва тдприемства, на баи якого планують реалiзувати проект Дшпропетровський нацюнальний ушверси-тет затзничного транспорту 1меш академжа В. Лазаряна
Адреса майданчика м. Дшпропетровськ, вул. Лазаряна, буд. 2
Короткий опис площадки Загальна площа 24 га
Пiдключення тепл. нава-нтаження ОП/ГВП 19,7 Гкал/год.
Загальне рiчне виробниц-тво т.е. Гкал. 23 630,831
Частка розподшу спожи-вачiв. % нас/бюдж/комерц 43/51/6
Очiкувана встановлена потужнiсть котла на бю-палевi 7 558 Квт
Вид будiвництва : но-ве/реконструкцiя реконструкц!я
Плановий вид бюпалива агропелети
Очшувана схема логiстики Автотранспортом
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нащонального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 1 (67)
Закiнчення табл. 1
Назва тдприемства, на баи якого планують реалгзувати проект Дшпропетровський нацюнальний унiверси-тет зал1зничного транспорту 1меш академ1ка В.Лазаряна
Наявнють зручних тд'!здних шлях!в. Оц!-ттъ в!д 1 до 5 балш 5 бал1в
Наявнють територп для будшництва витратних склада палив1, ор1енто-вана площа, га Прим1щення площею 0,04 га Ввдкрита площадка 1 га
М1н1мальна в1дстань до житлово!' забудов, ор1ен-товано 150-170 м.
Оч1куван1 оргашзацшно-техн1чн1 р1шення Реконструкщя старо! котельн! для генера-ц!! теплово! енерг!l з бюмаси
К1льк1сть споживач1в зведена (ор1ентовано) Станом на 01.02.2015 тис.чол. 4 000
Загальна потреба у теп-ловш енергИ (Гкал/р1к) в 23 630,831
- на опалення 14 780,781
- на гаряче водопоста-чання (ГПВ) 8 850,349
З них забезпечуеться за-вдяки централ1зованому теплопостачанню. Гкал/р1к: 23 630,831
- опалення 14 780,781
- ГВП 8 850,349
К1льк1сть котелень централ1зованого тепло-постачання, шт. 1
Ор1ентована частка бага-топоверхово! забудови, % 65 %
Ор1ентована частка 1нди-в^дуального опалення, % 35 %
Сектор роботи котельш Бюджетна сфера
з ПДВ. Котельня обладнана комерцшними вуз-лом облшу з коректором витрати газу по тиску та температур^ встановленим до ГРП. Вида-лення димових газiв проходить за допомогою природно! тяги димовою трубою з цегли дiаме-тром 1 500 мм (на найвищш точщ), висотою 45 м, встановлену бшьше 40 рокiв тому. На ко-тельнi наявний вузол облiку вщпущено! тепло-во! енергi!. Проте, зi сторони споживання облi-ку немае.
Зношенiсть теплових мереж по пiдприемст-ву призводить до високих втрат теплово! енер-гi! та надмiрного споживанням електрично! енергi!. Тепловi втрати з витоком води з трубо-проводiв i втрати тепла за рахунок охолоджен-ня води в трубопроводах складають близько 12 %, хоча щ даш представляються занижени-ми, а точна цифра може бути встановлена при впровадженш повного облшу тепла у спожива-чiв. Питоме споживання електроенергi! складае близько 10 кВт-год/Гкал (вiдпущену). Перелiк основного обладнання, яке е в котельш, наве-дене в табл. 2.
Таблиця2 Перелiк основного обладнання котельш
Table 2
Main boiler house equipment list
Вартють природного газу для котельш в 2015 р. становила 9 600 грн. за 1 тис. куб. м
Теплогене-руюче об-ладнання Тип, марка котла Поту-жн!сть , Гкал Введен- ня в експлу-атацгю ККД, %
Котел № 1 (робочий) КВГ-6.5-150 6,5 - 90
Котел № 2 (в резерв^ КВГ-6.5-150 6,5 - 89
Котел № 3 (на консе-рвацп) КВГ-4-150 4 91
Котел № 4 (робочий) Е-1/9 1 - 85
Котел № 5 (робочий) Е-1/9 1 - 85
Котел № 6 (резерв- ний) Е-1/9 1 85
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 1 (67)
Розподш теплоти по категор1ям споживачiв для котельнi наведено в табл. 3.
Графш розподшу виробки теплово! eHepriï для котельш по мюяцям 2015 року наведено на рис. 1.
Таблиця 3 Розподш теплоти по категорiям сиожива'мв
Table 3
Heat distribution by categories of consumers
Категорiя споживачш Од. 2013 2014 2015 (план)
Населения Гкал/год 1,874 1,874 2,278
Бюджет-них уста-нов Гкал/год 2,231 2,231 2,525
1нших спожива- чiв Гкал/год 0,058 0,058 0,079
ВСЬОГО 4,163 4,163 4,882
434$ 4093
29W 2ГЗЕ
-
1103 954
|-1 ^ 42 11 |-1
Рис. 1. Рiчний план постачання теплово! енерги котельш (2015), Гкал
Fig. 1. Annual plan for heat energy supply of the boiler house (2015), Gcal
Методика
Теплова енерпя буде вважатися такою, що отримана з дотриманням критерив сталого роз-витку, коли !! виробництво включатиме еколо-пчний та сощальний фактори та мш!м!зуватиме свш вплив протягом свого життевого циклу по всьому ланцюгу постачання по вщношенню до сощально-економ!чного оточення. Директива Свропарламенту з вщновлювальних джерел енерги 2009/28/ЕС визначае та робить обов'яз-ковими для дотримання критери сталосп. Ко-мю!ею були розроблеш та рекомендован! схеми сталосп для даних вид!в бюмаси, а кра!ни-doi 10.15802/stp2017/92530
члени наразi в процесi запровадження нацюна-льних критерiïв сталостi бiомаси. Серед критерив сталосп для твердоï бiомаси, що викорис-товуеться для виробництва тепловоï енергiï в котельнш можна розглядати наступнi:
1) скорочення викидiв парникових газiв при впровадженш бiоенергетичних технологiй ма-ють становити не менше 35 % у порiвняннi з аналогiчним використанням викопних палив, з 1 ачня 2017 р. не менше 50%, з 1 ачня 2018 р. Не менше 60 % для установок, введених в експлуатащю з 01.01.2017. Цей критерш ви-конуеться, оскiльки скорочення викцщв парникових газiв протягом всього життевого циклу технологи виробництва теплово!' енерги iз агробюмаси (агропелет) становить близько 88-92 % (даний показник був розрахований для котельноï установки меншоï потужносп та для умов Украши.
2) висока ефективнiсть процесу виробництва тепловоï енерги iз бiомаси. Цей критерiй ви-конуеться, оскiльки котельня на агробiомасi характеризуеться ефективнютю на рiвнi не ни-жче 85 %.
3) сощальний ефект, що пов'язаний зi ство-ренням нових робочих мюць. Цей критерiй ви-конуеться - введення в експлуатацiю котельш на бюмас з виробництвом 1 ГВтгод тепловоï енерги створюе 1,6 робочих мюць в т.ч. на су-мiжних ринках. Таким чином, очшуеться, що реалiзацiя проекту призведе до створення 5-6 нових додаткових робочих мiсць у порiвняннi iз базовою ситуацiею (без ланцюга лопстики, це окремий сектор виробництва бюпалива, тут розглядаеться лише прирост робочих мюць на котельш- джерелi тепловоï енерги).
В роботi проаналiзовано законодавчу база стосовно вiдновлюваноï енергетики Украши, в тому чи^ в секторi бiоенергетики. Закон Украïни «Про альтернативш види палива» [6] визначае правов^ соцiальнi, економiчнi, еколо-гiчнi та оргашзацшш засади виробництва (ви-добутку) i використання альтернативних видiв палива. В закош «Про альтернативнi види палива» даеться визначення основних понять в секторi бiоенергетики: бюмаса, бiопаливо, бiогаз, виробник бiопалива, тверде бюпаливо та iн. Так, зпдно закону: бiомаса - бiологiчно вщ-новлювальна речовина органiчного походжен-ня, що зазнае бюлопчного розкладу (вщходи
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 1 (67)
сшьського господарства (рослинництва i тва-ринництва), лiсового господарства та техноло-гiчно пов'язаних з ним галузей промисловостi, а також оргашчна частина промислових та по-бутових вiдходiв. Бiологiчнi види палива (бю-паливо) - тверде, рщке та газове паливо, виго-товлене з бюлопчно вiдновлювальноï сировини (бюмаси), яке може використовуватися, як паливо або компонент шших видiв палива.
В роботi розглянуто мехашзми стимулю-вання та розвитку вщновлювальних джерел енергiï, такi,як нещодавно прийнята Постанова КМУ № 293 вщ 09.07.2014 «Про стимулювання замiщення природного газу у сферi теплопоста-чання», що набирае чинностi з 01.10.2014 [9]. У разi виробництва тепловоï енергiï для насе-лення рiзниця мiж тарифом на виробництво тепловоï енергiï на теплогенеруючих установках (^м теплоелектроцентралей, теплоелект-ростанцiй i атомних електростанцш) з викорис-танням будь-яких видiв палива та енерги (за винятком природного газу) i тарифом на виро-бництво теплово1' енергiï для потреб населення на зазначених теплогенеруючих установках з використанням будь-яких видiв палива та енерги (за винятком природного газу) тдлягае компенсаци з державного бюджету. Органам мюцевого самоврядування рекомендуеться сприяти реалiзацiï швестицшних проектiв виробництва теплово1' енерги з використанням будь-яких видiв палива та енерги (за винятком природного газу), в тому чи^ з вщновлюваних джерел енерги. Також важливою е Постанова КМУ № 453 вщ 10.09.2014 «Про стимулювання замщення природного газу тд час виробництва теплово1' енергiï для установ та оргашзацш, що фiнансуються з державного i мюцевого бюджет» [8]. Згiдно цiеï Постанови, тариф на виробництво теплово1' енергiï для бюджетних установ та органiзацiй на теплогенеруючих установках (^м ТЕЦ, ТЕС i АЕС) з використанням будь-яких видiв палива та енерги (за винятком природного газу) встановлюеться на рiвнi ддачого тарифу на виробництво теплово1' енергiï для бюджетних установ та оргашзацш з використанням природного газу та перегляда-еться у разi змiни граничного рiвня цiни на природний газ, що використовуеться для виробництва теплово1' енерги для бюджетних установ та оргашзацш. Органи мюцевого самовря-
дування мають сприяти реал1заци швестицш-них проекпв з виробництва теплово! енерги з використанням будь-яких вид1в палива та енерги (за винятком природного газу), в тому числ1 з вщновлюваних джерел енерги. Постанова набирае чинност з 1 жовтня 2014 р. та д1е до 1 жовтня 2019 року.
В Укра!ш розроблено ряд важливих про-грам/стратегш стосовно прюритетний напрям-юв розвитку сектору ВДЕ. Деяю з них е ддачи-ми, шш1 знаходяться в статус проекту. Енерге-тична стратепя Укра!ни на перюд до 2030 року (2013) . В СтратегИ зазначено, що Укра!на мае значний потенщал розвитку бюенергетики. Для широкого комерцшного використання найбли-жчими роками доцшьно впроваджувати технологи спалювання бюмаси в котлах { технологи збору й утил1заци бюгазу на пол1гонах твердих побутових вщход1в, оскшьки щ технолог^ поки що найкраще розроблеш. Потенцшна встанов-лена потужнють у сегмент бюенергетики може становити 10-15 ГВт теплових й 1-1,5 ГВт еле-ктричних. Затверджено Нащональний план дш з вщновлювано! енергетики на перюд до 2020 року. План дш було розроблено на виконання Укра!ною И зобов'язань як члена Енергетично-го Сшвтовариства. Головна мета документу -досягти в 2020 рощ 11% частки енерги, вироб-лено! з вщновлюваних джерел, у загальному кшцевому енергоспоживанш кра!ни. Зпдно проекту Плану дш, у 2020 рощ на опален-ня/охолодження буде використовуватися 4 млн. т н.е. бюмаси, в тому числ1 твердо! - 3,9 млн. т н.е., бюгазу - 0,1 млн. т н.е. Встановлена потужнють об'екпв електроенергетики на бюмас становитиме у 2020 рощ 530 МВт (1,1% загаль-ного обсягу виробництва), в тому числ1 на тве-рдш бюмас - 400 МВт, на бюгаз1 - 130 МВт.
Результати
Питанням економи традицшних ресуршв в ДНУЗТ придають велике значення [4, 10]. В ще! робой проанал1зовано можливост переводу частки потужностей для генераци теплово! енерги на бюпаливо. При анал1з1 переводу брались до уваги сучасш шдходи стосовно ефективносп систем теплопостачання [5], а також !х термомодернизаци [2]. Оцшка такого переходу проводилась вщповщно сучасним ш-дходам до цього [1,3]. Брались також до уваги
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 1 (67)
можливi змiни техшчних характеристик облад-нання при робой на новому вцщ палива [11-14]. Пюля зробленого аналiзу було запро-поновано для спалювання бiомаси по встанови-ти спецiальнi котли, для котрих в котельнiй ДНУЗТ е вшьш мiсця . Перше вшьне мiсце -приблизно 10х7м (потенцшне мiсце для котлiв на бюмаа) розташовано на першому поверсi, та друге 15х7 м на другому поверх. Висота пер-шого поверху 8 м, другого - 4 м. Безпосередньо до котельш примикае будiвля, яю зараз викори-стовуються, як лабораторп. Корисна площа ще! будiвлi складае вiдповiдно до генплану 860 м2. Доступ до ще! будiвлi вiд тдЧзних шляхiв в> льний, тому вона iдеально шдходить для орга-шзацп складу бюпалива для бюмасово! котель-нi. Вщстань до найближчого житлового будин-ку (11-ти поверхова житловий дiм) вщ границi котельнi складае близько 170 м.
Реконструкщя котельнi з переведенням на бiомасу частини потужностей з використанням юнуючо! будiвлi технiчно повнютю можлива. Для цього е вс необхiднi передумови, а саме: вшьне мюце у котельнiй, наявнiсть шфраструк-тури у котельнiй, наявнiсть будiвлi пiд склад бiопалива у безпосереднш близькостi до коте-льнi (5 м), наявнють вiльних i просторих шд'!зних шляхiв для маневру будь-якого автотранспорту, наявшсть точки тдключення до електромереж^ димово! труби, наявшсть нава-нтаження на ГВП вл^ку (частково) i взимку, Тобто реконструкщя котельш з переведенням на бюмасу частини потужностей з використанням юнуючо! будiвлi технiчно повнiстю можлива. (частково) i взимку, дорогий «бюджет-ний» природний газ, що буде замiщуватися. У будiвлi юнуючо! котельш достатньо мюця (10х5х8 м) для встановлення одного котла на бюмас потужнiстю до 3,0-3,5 МВтт або двох котлiв по 1,5-1,75 МВтт. Для цього треба здш-снити демонтаж i перенесення юнуючого до-помiжного обладнання (насосiв, теплообмшни-кiв, ХВО, тощо). Взагалi котельня вiдрiзняють-ся нещiльним розмiщенням юнуючого обладнання усередиш будiвлi, тому бшьш компактне розмiщення допомiжноí шфраструктури забез-печить достатньо мiсця для потужносп до 3,5 МВтт на бюмасг Як буде показано дат, оптимальною потужнiстю котла на бюмаш можна вважати дiапазон бшьше 2 МВт. Такий дiапазон
потужност! також добре узгоджуеться !з простором, наявним у котельш та у господарськш буд!вл! для складу: за габаритами. Як зазначено вище, газова котельня може буде частково ре-конструйована для спалювання бюмаси та буде залишатися у власносп ДНУЗТ. Потужн!сть обладнання на бюпалив! буде складати або 2х1,5 МВт (1 котел на ГВП, шший - на опален-ня), або 1 котел 1,2 МВтт (на ГВП), 2-й котел -2 МВтт (на опалення). Один газовий котел КВГ-6,5 та котел КВГ-4,0 залишаються в робот! для опалення в найбшьш холодний перюд року (шчень-лютий) паралельно з котлом на бюмасг Другий газовий котел КВГ-6,5 залишаеться в резерв!. Двое з трьох газов! котл!в Е-1/9 про-довжують покривати потреби ГВП в опалюва-льний пер!од та в п м!сяц! л!та, коли котли на бюмас! не працюватимуть. За вщсутносп нава-нтаження опалення, один з котл!в на б!омас! переключаеться на забезпечення потреб. Як i рашше, плануеться забезпечувати 100 % щло-р!чну потребу споживачiв в тепловш енергi! для потреб опалення та ГВП. Облш вiдпущено! теплово! енергп з котельнi плануеться здiйсню-вати на основi показникiв приладiв автоматичного облшу.
Наукова новизна та практична значимкть
Ресурси соломи з Дшпровського регiону, як палива визначаються з одного боку теплотворною здатнютю !!, а з другого кшькютю само! соломи коло мiсця !! споживання, як палива. Теплотворна здатнють соломи рiзних видiв на-дана в табл. 4.
Таблица 4 Теплотворна здатнкть с/х вщход1в
Table 4
Heating value of agricultural wastes
Вид с/х отходов Теплотворна здаттсть, МДж/кг
Пшенична солома 17-18
Рапсова солома 16-17
Кукурудза 18
Древесина 18,5
Для розрахунку соломи потрiбно можливоï кiлькостi зiбраноï враховувати врожайнiсть
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 1 (67)
пшенищ. Вщповщно статистичним даним для Днiпровського регiону кшьюсть соломи з одного гектару по мае буде дорiвнювати 0,8-1 вщ врожайностi пшеницi. Розбiжнiсть пов'язана з сортом та технолопею зборки. В подальших розрахунках ми будемо застосовувати найниж-чий коефiцiент 0,8. Для Дшпропетровсько! об-ластi 63 % зайнят посiвними площами. Це складае для регiону 1 968 тис га. Частка зерно-вих становить 55 % вщ загально! площи пiд по-сiвними культурами. Будемо вважати врожай-нiсть пшенищ i ячменю в середньому 30 цент-нерiв з га. Будемо вважати котельню ДНУЗТа, як центр доставки соломи збудь якого напряму. Оскiльки котельна розташована в центрi мiста Дншро, то будемо вважати, що вокруг не! юнуе кругова площина радiусом 10 км, з яко! солома не збираеться. Попереднi пiдрахунки показали, що вона повинна збиратися з кшьця мiж внут-рiшнiм радiусом 10 км та зовнiшнiм 20 км, як показано на рис. 2.
Рис. 2. Схема збору соломи для котельно!
Fig. 2. Scheme of straw collection for the boiler house
Тод! потенцшна кшьюсть соломи в тонах, яку можна отримати для котельнш з площ! ра-д!усом R (це вiдстань збору та доставки соломи) можна шдрахувати по сшввщношенню:
20
M(R) = J 0,63 • 0,55 • I%KR • dR, (1)
10
де I - врожайнють зернових, K - коефщент, який визначае долю соломи, що можна застосо-вувати для опалення. В!н приблизно дорiвнюе
0,5. 1нша солома застосовуеться, як корм для скота.
Результати шдрахунок маси зiбрано! соломи по сшввщношенню (1) наведено на рис. 3.
Рис. 3. Можлива шльшсть зШрано! соломи 6!ля мюта Дшпра
Fig. 3. Possible number of collected straw near Dnipro city
Можлива потужтсть котельно! при безпе-рервно! ро6от! на протяз! опалювального сезону, який дорiвнюе 180 дшв i яку здатна забез-печити зiбрана 6!ля Днiпра з р!зно! площини солома при ККД ТЕЦ =0,82, теплотворнш здат-ност! соломи 17 МДЖ/кг наведена на рис. 4.
10 12 14 16 18 20
Бщстань збору соломи. км
Рис. 4. Можлив! потужносп ТЕЦ, яка працюе на зiбраноi бiля Днiпра соломi:
1 - потужтсть котла КВГ-4-159 (4.64МВт);
2 - потужнiсть котла КВГ-6.5-150 (7.54МВт);
3 - сумарна потужтсть »^rab^i (22,87МВт)
Fig. 4. Available power of thermal station, which is operated using the straw collected near Dnipro
1 - boiler power KVG-4-159 (4.64MWt);
2 - boiler power KVG-6.5-150 (7.54MWt);
3 - total boiler house power (22,87MWt)
Крапками 1, 2, 3 визначають потужтсть ос-новних агрегаив котельноi та самоi котельно].',
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету зашзничного транспорту, 2017, № 1 (67)
а також необхщний для !х роботи радiус збору соломи. З графша видно, що для того щоб за-безпечити безперервну роботу вше! котельнi ДНУЗТа на протязi опалювального сезону по-трiбно збирати солому в радiусi не бiльш 18 км. При переходi на бiопаливо потрiбно враховува-ти не тiльки його вартють, а також вартiсть пе-ревезень.
Вартють перевезень по Укра!ш залежить вiд вiдстанi перевезення. Якщо апроксимувати данi рiзних фiрм вiдносно вартост одного тонноки-лометра в 2016 рощ квадратичною залежнютю, то ми будемо мати сшввщношення (2).
S (Я ) = 3,53214 - 0,0114295Я +
+0,0000160748Я2.
(2)
Для лшшно! залежностi маемо сшввщно-шення вартiсть одного тонокилометра для 2016 року
S (Я) = 3,39517 - 0,0077453Я,
(3)
треба брати до уваги також вартють доставки соломи для котельно!. Загальну вартють соломи можна пiдрахувати як суму купiвлi та доставки по сшввщношенню:
Я 2
Бд = Бс • М(Я)+|М(Я)•£(Я)• ёЯ, (4)
Я1
де 8д - сумарна вартiсть куплено! та доставлено! соломи, грн., БС - вартiсть купiвлi соломи, грн. S (Я) - вартють доставки соломи в залеж-носп вщ вiдстанi, грн, М (Я) - маса зiбраноí
соломи в залежносп вiд радiуса збору, т.
Розрахунок витрат на кутвлю та доставку соломи до котельш по сшввщношенню (4) наведено на рис. 6.
де Я - вщстань доставки вантажу, яким в цiеí робой е солома, що зiбрана на ще! вiдстанi. Тому в наступних сшввщношеннях Я дорiв-нюе також вщсташ збору соломи.
Обробка статистичних даних по вартостi одного тонокилометра для 2016 року для л> нейной та квадратично! залежностей наведена на рис. 5.
Рис. 6. Вартють доставки з1брано! соломи з врахуванням вартост1 кушвл1
Fig. 6. Shipping cost of collected straw with account the cost of purchase
Була також прорахована вартють одного МВт потужносп котельш в залежносп вщ вщ-сташ збору,що можна вважати також i вiд по-тужностi само! котельш. Розрахунок здшсню-вався по сшввщношенню:
S1 =
M ( Я ) rf
ThSM :
(5)
Рис. 5. Середня вартють перевезень вантажу для Укра!ни в 2016 рощ
Fig. 5. Average cost of cargo transportations in Ukraine in 2016
Сама вартють соломи для Укра!ни складае щну вщ 500 грн до 1 500 грн за тону. Цю солому потрiбно також доставити до котельно!. Тодi
де M (Я) - маса зiбрано! соломи, r - теплотворна здатнють соломи,17 МДж/кг, - ККД коте-льно!,0,82, Th - тривалють опалювального сезону, 180 дiб, Sд - вартiсть купiвлi та доставки
соломи. Результати розрахунку по сшввщно-шенню (5) наведеш на рис. 7.
1.11944 х106
ср
m 1.11942 х 106 I-
СО с
5 1.11940 Х106 .0
1.11938 х106
m 1.11936 х106
1.11934 х106
10 12 14 16 18 20 ВДстаннь збору, км
Рис. 7. Вартють одного МВт потужносп котельнi в залежностi ввд ввдсташ збору
Fig. 7. Cost of one MWt of boiler house power depending on the distance of collection
Для пор1вняння вартють одного МВт на протяз1 опалювального сезону для газу по щш 9 600гривен за 1 000 м3 буде дор1внювати 4,48 -106 гривен. Тобто приблизно в чотири рази дорожче.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 1 (67)
Висновки
Таким чином на прикладi ДНУЗТа iснуe можливють переводу частки потужностей ко-телень Дншровського регiону на застосування бюпалива в якостi пального. При юнуючому станi речей вiдносно собiвартостей купiвлi та перевезень бiопалив собiвартiсть одше! пгака-лорii буде приблизно в чотири разi нижчiй в порiвняннi с застосуванням природного газу в якост пального. Негативними факторами при застосуванш в якостi пального соломи е досить велика площина тд склад пального та велика корозшна активнiсть димових газiв, якi ство-рюються при палiннi соломи. Загальним недолгом для усiх вид1в бiопалива е необхiднiсть перебудови котлiв под. конкретний тип бюпа-лива. Це потребуе значних кошт1в. Однак окуп-нiсть при застосуваннi бюпалив складае 3-5 рокiв.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. ДСТУ 4472-2005. Системи енергетичного менеджменту. Загальш вимоги. - Ки!в : Держстандарт Украши, 2005. - 28 с.
2. Никитин, Е. Е. Концептуальные вопросы модернизации теплообеспечения населенных пунктов Украины / Е. Е. Никитин // Проблеми загальноi енергетики : наук. зб. / Нац. акад. наук Укра!ни, 1н-т заг. енергетики. - Ки1в, 2012. - Вип. 2. - С. 5-11.
3. Никитин, Е. Е. Оценка технико-экономической эффективности комплексной термомодернизации централизованной системы теплоснабжения и зданий / А. В. Дутка, Е. Е. Никитин // Энергетика и ТЭК. -2013. - № 9 (126). - С. 22-26.
4. Шдвищення ефективносп роботи системи теплопостачання шфраструктури громадських будiвель на прикладi ДНУЗТ / О. М. Пшшько, В. Г. Кузнецов, Д. К. Яценко, В. О. Габршець // Наука та прогрес транспорту. - 2016. - № 3 (63). - С. 97-107. doi: 10.15802^2016/74728.
5. Показники ефективносп систем теплопостачання / В. I. Дешко, М. М. Шовколюк, Ю. В. Шовколюк, С. М. Дудшков // Вентилящя, освгглення та теплогазопостачання : наук.-техн. зб. - Ки1в, 2012. -Вип. 16. - С. 182-192.
6. Про альтернативш джерела енергп [Електронний ресурс] : Закон Украши ввд 20 лют. 2003 р. № 555-1У. - Режим доступу: http://zakon2.rada.gov.ua/laws/show/555-15. - Назва з екрана. - Перевiрено : 10.01.2017.
7. Про Нацюнальний план дш з ввдновлювано! енергетики на перiод до 2020 року [Електронний ресурс] : розпорядж. Кабшету Мiнiстрiв Укра!ни ввд 1 жовт. 2014 р. № 902-р. - Режим доступу: http://zakon0.rada.gov.ua/laws/show/902-2014-%D1%80. - Назва з екрана. - Перевiрено : 10.01.2017.
8. Про стимулювання замщення природного газу пвд час виробництва теплово! енергii для установ та оргашзацш, що фшансуються з державного i мiсцевого бюджепв [Електронний ресурс] : постанова Кабшету Мiнiстрiв Укра!ни вiд 10 верес. 2014 р. № 453. - Режим доступу: http://zakon5.rada.gov.ua/laws/show/453-2014-%D0%BF. - Назва з екрана. - Перевiрено : 10.01.2017.
9. Про стимулювання замщення природного газу у сферi теплопостачання [Електронний ресурс] : постанова Кабшету Мiнiстрiв Укра!ни вщ 09 лип. 2014 р. № 293. - Режим доступу: http://zakon5.rada.gov.ua/laws/show/293-2014-%D0%BF. - Назва з екрана. - Перевiрено : 10.01.2017.
10. Пшшько, О. М. Аналiз ефективносп системи теплопостачання студмютечка Дшпропетровського нащонального ушверситету залiзничного транспорту / О. М. Пшшько, В. А. Габршець, В. М. Горячшн // Наука та прогрес транспорту. - 2014. - № 2 (50). - С.74-82. doi: 10.15802^2014/23756.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету зашзничного транспорту, 2017, № 1 (67)
11. Heiland, H. G. Flow and temperature field measurements of thermal convection in a small vertical gap using liquid crystals / H. G. Heiland, G. Wozniak, K. Wozniak // Heat and Mass Transfer. - 2007. - Vol. 43. - Iss. 9. - P. 863-870. doi: 10.1007/s00231-006-0165-z.
12. Jaremkiewicz, M. Accurate measurement of unsteady state fluid temperature / M. Jaremkiewicz // Heat and Mass Transfer. - 2016. - P. 1-11. doi: 10.1007/s00231-016-1866-6.
13. Taler, D. Experimental determination of correlations for average heat transfer coefficients in heat exchangers on both fluid sides / D. Taler // Heat and Mass Transfer. - 2013. - Vol. 49. - Iss. 8. - P. 1125-1139. doi: 10.1007/s00231-013-1148-5.
14. Stephan, P. Local heat flow and temperature fluctuations in wall and fluid in nucleate boiling systems / P. Stephan, T. Fuchs // Heat and Mass Transfer. - 2007. - Vol. 45. - Iss. 7. - P. 919-928. doi: 10.1007/s00231-007-0320-1.
А. Н. ПШИНЬКО1*, В. А. ГАБРИНЕЦ2*, В. Г. КУЗНЕЦОВ3*
1 Каф. «Управление проектами, здания и строительные материалы», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днипро, Украина, 49010, тел. +38 (056) 373 15 46, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0002-1598-2970
2*Каф. «Теплотехника», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днипро, Украина, 49010, тел. +38 (056) 373 15 87, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0002-6115-7162
3*Каф. «Интеллектуальные системы электроснабжения», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днипро, Украина, 49010, тел. +38 (056) 373 15 25, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0003-4165-1056
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕГИОНАЛЬНЫХ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ БИОРЕСУРСОВ ДЛЯ РАБОТЫ СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
Цель. В исследовании необходимо проанализировать возможность и условия обеспечения эффективной работы систем теплоснабжения при переходе части теплогенерирующих мощностей на биотопливо. В качестве биотоплива предлагается применять солому злаковых культур, которые широко распространены в Приднепровском регионе. Главной целью работы является научный просчет возможности и стоимости конкретных мероприятий для такого перехода. Как пример берется котельная компактного городка Днепропетровского национального университета железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна (ДНУЖТ), потребляющая природный газ. Методика. В работе проведен анализ законодательной базы Украины, которая стимулирует применение возобновляемых источников в качестве топлива, а также сделан анализ механизмов стимулирования и развития этого направления. Также определяются возможности Приднепровского региона по обеспечению получения и поставок соломы для работы котельной. Анализируются стоимостные показатели перевозок грузов по территории Украины в 2016 году, которые зависят от расстояния и размера грузовиков. Эти показатели, а также показатели, связанные с покупкой соломы, рассматриваются совместно с энергетическими возможностями ее применения в качестве топлива. Результаты. При существующих в Украине (по состоянию на 2016 год) производительности зерновых в сельском хозяйстве и стоимостных показателей в области перевозок, перевод доли мощностей на биотопливо является достаточно рентабельным. Стоимость единицы тепловой мощности при этом может быть снижена в четыре раза. Научная новизна. Впервые предложено использовать новые комплексные подходы для оценки стоимости единицы мощности тепловой котельной при переходе ее на применение возобновляемых источников энергии. Авторами также предложена новая логистика доставки этих источников к месту их применения. С технической и стоимостной сторон определен оптимальный порядок мощностей перевода на новые возобновляемые источники энергии в конкретном регионе, в зависимости от структуры посевных площадей и их продуктивности. Практическая значимость. Введение предлагаемых решений и подходов к обеспечению мощностей котельной возобновляемыми источниками энергии могут быть реализованы при относительно небольших капиталовложениях и могут дать значительный экономический эффект.
Ключевые слова: биоресурсы; сгорание соломы; система тепло- и горячего водоснабжения; тепловые потери; тепловой режим; теплотворная способность; стоимость перевозки; возобновляемые источники энергии
HayKa Ta nporpec TpaHcnopTy. BicHHK .OHmponeTpoBCLKoro Ha^oHantHoro ymBepcmeTy 3&ni3HHHHoro TpaHcnopTy, 2017, № 1 (67)
0. M. PSHINKO1*, V. O. GABRINETS2*, V. H. KUZNETSOV3*
1 Dep. «Projects Management, Buildings and Construction Materials», Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryan St., 2, Dnipro, Ukraine, 49010, tel. +38 (056) 373 15 46, e-mail [email protected], ORCID 0000-0002-1598-2970
2*Dep. «Heat Engineering», Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryan St., 2, Dnipro, Ukraine, 49010, tel. +38 (056) 373 15 87, e-mail [email protected], ORCID 0000-0002-6115-7162
3*Dep. «Intelligent Systems of Electric Supply», Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryan St., 2, Dnipro, Ukraine, 49010, Ten. +38 (056) 373 15 25, e-mail [email protected], ORCID 0000-0003-4165-1056
USING REGIONAL RENEWABLE ENERGY RESOURSES FOR HEATING SUPPLY SYSTEMS
Purpose. The study analyzes the possibility and conditions for the effective operation of heating systems during the transition of the heat-generating capacity to biofuels energy. The straw of cereal crops, which are prevailing in Dnipro region, is used for this. The main purpose is scientific calculation of opportunities and cost of specific measures for such a transition. As an example it was taken the boiler-room of campus at Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan (DNURT) that consumes natural gas. Methodology. The work analyzes the legislative base of Ukraine, which promotes the using of renewable energy sources as fuel, as well as the incentive mechanisms for the development of this trend. The paper identifies opportunities of Prydniprovsk region to ensure straw supply for the boiler-room. Cost parameters of cargo transportation on the territory of Ukraine in 2016, which depend on the distance and the size of the trucks, are analysed. These indicators, as well as indicators related to its purchase, are considered together with energy potential of using the straw as fuel. Findings. With existing in Ukraine (as of 2016) the grain yielding capacity in the agriculture and cost indicators in the field of transportations, the transition of capacity share to biofuel is sufficiently profitable. The thermal power unit cost can be reduced fourfold. Originality. For the first time it is proposed to use the new integrated approaches to assess the cost of thermal power unit boiler with its transition to the use of renewable energy sources. The authors also proposed a new logistics delivery of these sources to the place of their application. From a technical and cost points of view it was determined the optimal order of capacity transfer for new renewable sources of energy in a given region depending on the structure of areas under crops and their productivity. Originality. The introduction of the proposed solutions and approaches to capacity boiler renewable energy sources can be realized with a relatively small investment and can provide significant economic benefits.
Keywords: biological resources; straw combustion; heat and hot water supply; heat loss; thermal regime; calorific value; transportation costs; renewable energy
REFERENCES
1. Systemy enerhetychnoho menedzhmentu. Zahalni vymohy, DSTU 4472-2005 (2005).
2. Nikitin, E. E. (2012). Conceptual issues of a modernization of heat supply to settlements in Ukraine. The Problems of General Energy, 2, 5-11.
3. Nikitin, E. E., & Dutka, A. V. (2013). Otsenka tekhniko-ekonomicheskoy effektivnosti kompleksnoy termomodernizatsii tsentralizovannoy sistemy teplosnabzheniya i zdaniy. Energy and TEK, 9(126), 22-26.
4. Pshinko, O. M., Kuznetsov, V. H., Yatsenko, D. K., & Gabrinets, V. O. (2016). Improving the efficiency of the heating system for public buildings infrastructure in the context of DNURT. Science and Transport Progress, 3(63), 97-107. doi: 10.15802/stp2016/74728
5. Deshko, V. I., Shovkolyuk, M. N., Shovkolyuk, Y. V., & Dudnikov, S. M. (2012). Pokaznyky efektyvnosti system teplopostachannia. Ventilation, Lighting and Heat Supply, 16, 182-192.
6. Pro alternatyvni dzherela enerhii: Zakon Ukrainy 2003, number 555-IV (2003). Retrieved from http ://zakon2.rada.gov.ua/laws/show/555-15
7. Cabinet of Ministers of Ukraine. (2014). Pro Natsionalnyi plan dii z vidnovliuvanoi enerhetyky na period do 2020 roku, number 902-p. Retrieved from http://zakon0.rada.gov.ua/laws/show/902-2014-%D1%80
8. Cabinet of Ministers of Ukraine. (2014). Pro stymuliuvannia zamishchennia pryrodnoho hazu pid chas vyrobnytstva teplovoi enerhii dlia ustanov ta orhanizatsii, shcho finansuiutsia z derzhavnoho i mistsevoho biudzhetiv No. 453. Retrieved from http://zakon5.rada.gov.ua/laws/show/453-2014-%D0%BF
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 1 (67)
9. Cabinet of Ministers of Ukraine. (2014). Pro stymuliuvannia zamishchennia pryrodnoho hazu u sferi teplopostachannia No. 293. Retrieved from http://zakon5.rada.gov.ua/laws/show/293-2014-%D0%BF
10. Pshinko, O. M., Gabrinets, V. O., & Horyachkin, V. N. (2014). Effectiveness analysis of campus heat supply system of Dnipropetrovsk National University of railway transport. Science and Transport Progress, 2(50), 74-82. doi: 10.15802/stp2014/23756
11. Heiland, H. G., Wozniak, G., & Wozniak, K. (2007). Flow and temperature field measurements of thermal convection in a small vertical gap using liquid crystals. Heat and Mass Transfer, 43(9), 863-870. doi: 10.1007/s00231-006-0165-z
12. Jaremkiewicz, M. (2016). Accurate measurement of unsteady state fluid temperature. Heat and Mass Transfer, 1-11. doi: 10.1007/s00231-016-1866-6
13. Taler, D. (2013). Experimental determination of correlations for average heat transfer coefficients in heat exchangers on both fluid sides. Heat and Mass Transfer, 49(8), 1125-1139. doi: 10.1007/s00231-013-1148-5
14. Stephan, P., & Fuchs, T. (2007). Local heat flow and temperature fluctuations in wall and fluid in nucleate boiling systems. Heat and Mass Transfer, 45(7), 919-928. doi: 10.1007/s00231-007-0320-1
Стаття рекомендована до друку д.т.н., проф. Ю. С. Барашем (Украгна), д.т.н., проф.
М. В. Губинським (Украгна)
Надшшла до редколеги: 27.10.2016
Прийнята до друку: 11.01.2017
