CC BY
62
Научный журнал КубГАУ, №82(08), 2012 года
УДК 621.311
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ТАЛБЭК
Медяков Андрей Андреевич к.т.н.
Онучин Евгений Михайлович к.т.н., доцент
Каменских Александр Дмитриевич аспирант
Анисимов Павел Николаевич аспирант
Поволжский государственный технологический университет, Йошкар-Ола, Россия
В статье рассмотрены особенности моделирования энергоснабжения территориального агролесоводственного биоэнергетического комплекса. Представлены принципы моделирования, описание модели процесса генерации
Ключевые слова: КАТАЛИТИЧЕСКАЯ КОТЕЛЬНАЯ, ГЕНЕРАТОР СТИРЛИНГА, АБТН, ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ
Введение
UDC 621.311
MATHEMATICAL MODEL OF ENERGY SUPPLY SYSTEM OF TERRITORIAL AGRICULTURAL AND SILVICULTURAL BIOENERGY SECTOR
Medyakov Andrey Andreevich Cand.Tech.Sci.
Onychin Evgeny Mihailovich Cand.Tech.Sci., assistant professor
Kamenskih Aleksandr Dmitrievich postgraduate student
Anisimov Pavel Nikolaevich postgraduate student
Volga State University of Technology, Yoshkar-Ola, Russia
The article describes the characteristics of the modeling of energy supply of territorial agricultural and silvicultural bio-energy sector. It also presents the principles of modeling and description of the model of the generation process
Keywords: CATALYTIC THERMAL PLANT, GENERATOR STIRLING, ABTN, TECHNICAL DECISIONS
В рамках математического моделирования энергосистемного уровня территориального агролесоводственного биоэнергетического комплекса необходимо детально рассмотреть возможности использования наиболее эффективных и перспективных технологий производства энергии. Для этого в рамках математической модели рассматривается энергетическая система, в которой предусмотрено использование:
- для генерации тепловой энергии каталитических теплофикационных установок, позволяющих повысить энергетическую и экологическая эффективность сжигания топлива;
- для генерации электрической энергии Стирлинг-генераторов, позволяющих повысить электрический КПД установок и использовать в качестве топлива - щепу и пеллеты;
http://ej.kubagro.ru/2012/08/pdf/21.pdf
Научный журнал КубГАУ, №82(08), 2012 года
- для охлаждения в технологическом цикле абсорбционного бромистолитиевого теплового насоса, который позволяет использовать низкопотенциальную теплоту для обогрева на производстве или в коммунально-бытовом секторе.
При этом математическая модель должна учитывать особенности использования представленных устройств как по отдельности, так и в рамках комплекса. Для этого в частности в математической модели учитывается использование теплового насоса для утилизации теплоты дымовых газов, образующихся при сжигании топлива для производства электрической и тепловой энергии . Так же в математической модели учитывается постоянное охлаждение рабочего тела Стирлинг-генератора посредством телпонасосной установкой.
Таким образом, рассмотрение в рамках математической модели совместно используемых наиболее эффективных и перспективных генерирующих и утилизирующих установок позволяет оценить
эффективность функционирования всего территориального агролесоводственного комплекса.
Принципы моделирования
Для моделирования был выбран метод, представленный на рисунке 1. Сначала осуществляется ввод входных величин, которые представляют собой параметры объекта моделирования и внешние параметры моделирования (совокупность внешних условий, присущих району, на разных этапах моделирования). Важным моментом является подстановка параметров в расчетную часть, в рамках которой определяется характер влияния (функциональный, случайный) и условия изменения параметров с течением времени.
http://ej.kubagro.ru/2012/08/pdf/21.pdf
Научный журнал КубГАУ, №82(08), 2012 года
Рисунок 1 - Общий принцип моделирования цикла работы энергетической
системы ТАЛБЭК
При расчетах в рамках шага моделирования принимается, что условия являются постоянными, и расчет ведется по формулам для стационарных процессов производства и преобразования энергии. Шаг моделирования выбирается с учетом соблюдения постоянства условий в течение него.
Затем осуществляются запись значений для шага моделирования в таблицу результатов. Производится изменение внешних условий в зависимости от их циклических колебаний.
Измененные в течение шага входные параметры подставляются в расчетную часть на следующем шаге моделирования.
Рассмотрим основные этапы моделирования применительно к модели энергетической системы ТАЛБЭК, реализованной в среде Microsoft Office Excel, более подробно.
http://ej.kubagro.ru/2012/08/pdf/21.pdf
Научный журнал КубГАУ, №82(08), 2012 года
Процесс генерации энергии
При моделировании процесса генерации энергии рассматривались особенности функционирования генерирующего оборудования в рамках комплекса, возможности обеспечения потребностей ТАЛБЭК в энергии при условии покрытия собственных затрат оборудования.
На рисунке 2 представлен общий принцип моделирования процессов функционирования энергетической системы. Для определения общих потребностей ТАЛБЭК в энергии необходимо учитывать потребности генерирующего оборудования, что оказывается достаточно сложно определить однозначно ввиду взаимосвязи генерации одного вида энергии с другим. В связи с этим при моделировании используется итерационный подход к вычислениям.
Первоначально используются значения требуемой ТАЛБЭК энергии без учета генерирующего оборудования (нетто). По значениям нагрузки-нетто по электрической, тепловой энергии и холоду определяются потребности генерирующего оборудования:
для стирлинг-генератора - эл. энергия Г.С., отопление помещений Г.С., охлаждение Г.С., топливо для работы Г. С.;
для каталитической котельной - эл. энергия К.К., отопление помещений К.К., топливо для работы К.К.;
для абсорбционного бромистолитиевого теплового насоса - эл. энергия АБТН, отопление помещений АБТН, топливо для работы АБТН.
Затем потребности генерирующего оборудования суммируются с потребностями ТАЛБЭК нетто и вычисления повторяются итерационно до достижения требуемой точности. В результате в конце вычисления используемые первоначально значения требуемой ТАЛБЭК энергии будут включать в себя потребности генерирующего оборудования (брутто). Также в конце вычислений по сумме топлива для работы генерирующих
http://ej.kubagro.ru/2012/08/pdf/21.pdf
Научный журнал КубГАУ, №82(08), 2012 года
установок определяются потребности в биомассе на собственные нужды ТАЛБЭК.
Потребности генерирующего оборудования определяются на основании зависимостей, полученных в результате обзора представленных на рынке установок, в соответствии с приведенными зависимостями:
для стирлинг-генераторов
ПХдс = 1,2889*Пэдс + 12,408 , (1)
где ПХдс - потребность в холоде, ПЭдс - производительность по электроэнергии;
ПТдс = 3,54 * Пэдс (2)
где ПТдс - потребность в топливе, ПЭдс - производительность по электроэнергии;
где Табтн - производительность по теплу, Хабтн - производительность по холоду;
ПТабтн = 1,4795* Хабтн + 264,85, (4)
где ПТабтн - потребность в топливе, Хабтн - производительность по холоду;
ПЭабтн = 0,0065* Хабтн + 3,4425, (5)
где ПЭабтн - потребность в электроэнергии, Хабтн -
производительность по холоду;
для каталитической котельной
ПТКК = Ткк /0,93 , (6)
где ПТкк - потребность в топливе, Ткк - производительность по теплу;
ПЭкк = 0,027* Ткк (7)
где ПЭкк - потребность в электроэнергии, Ткк - производительность по теплу.
http://ej.kubagro.ru/2012/08/pdf/21.pdf
Научный журнал КубГАУ, №82(08), 2012 года
I------------------1 |----------------1 Г~ |
| - Топливо Г.С. | I-Топливо К.К. 1 i - Топливо АБТН '
I 1 I II ^ |
---------!-------------------1--------- -|
f
I
I
I
I
L
Потребности в биомассе на собственные нужды
I
I
I
I
j
Рисунок 2 - Принцип моделирования процессов функционирования
энергетической системы
для абсорбционного бромистолитиевого теплового насоса
Табтн = 2,5849* Хабтн + 75,526,
(3)
http://ej.kubagro.ru/2012/08/pdf/21.pdf
Затраты________Итерация
Научный журнал КубГАУ, №82(08), 2012 года
ь h О
Утилизация и производство энергии НЕТТО-Вых. БРУТТО- В ых.
требуемое производство эл.энергии, кДж 38917019,65 48271276,8-7
требуемое проиэводсгво тепла, кДж 546298319,6 546764439,2
требуемое производство холода, кДж 28378825,3 111888123,9
АБТН
производство Энергия, кДж
Тепловая м.ощность насоса, кВт 3287,311333 2S4023699,l|
Холодильная м.ощн ость, кВт 1295,001434 111SSS123
ьг
Тепловые потери, кВт 230,1117933
Подводим.ая тепловая м.ощносгь (топливо), кВт 2222,421892 192017234,2
Эл. Энергия на цикл ТН, кВт 32,В7311333 2840236,991
Эл . Эн на подачу топлива (опилок) шнековымтранспортёром, кВт 0,0165 1425,6
Эл . Эн на дутьевой вентилятор, кВт О,00В25 712,8
Эл . Эн на автом.атику, кВт 0,0033 285,12
Объем м.аш. залов АБТН, м3 114,8610205
Затраты на отопление м.аш. залов АБТН, кДж 162112,9918
Стирлинг
Производство
Электрическая м.ощносгь НЕТТО (с учетом части затрат на со бет. нужды), кВт 558,6952647 48271270,87
Затраты
холод на работу, кВт (тепло получаем.ое от Стирлинга) 966,5428079 8350929^4
Подводим.ая теплота (топливо), кВт 1977,781237 170880298,9
Эл . Эн на подачу топлива (опилок) шнековымтранспортёром, кВт 19,77781237 1708802,989
Объем м.аш. залов Стирлинг, м3 4,083979249
Затраты на отопление м.аш. залов Стирлинг, кДж •Т -и-
К am алит чисекая котельная
Производство
Тепловая м.ощносгь, кВт 3040,980787 Л
Затраты
Подводим.ая теплота (топливо), кВт 3269,871814 282516924,8
Эл . Эн на подачу топлива (опилок) шнековымтранспортёром, кВт 32,69871814 2825169,248
Эл . Эн на дутьевой вентилятор, кВт 16,34935907 1412584,624
Эл . Эн на автом.атику, кВт 6,539743629 565033,8495
Объем котельного цеха, м.З 211,3121308
Затраты на отопление котельного цеха, кДж 298242,5854
Рисунок 3 - Общий вид модуля генерации энергии
В соответствии с общим принципом, представленным на рисунке 2, и зависимостями (1-7) модуль генерации энергии был реализован в среде Microsoft Office Excel, следующим образом (Рисунок 3). В рамках Microsoft Office Excel итерационные вычисления реализованы с точностью 0,001 при этом максимальное количество итераций - 100.
Общая схема реализованного модуля генерации энергии представлена на рисунке 4.
http://ej.kubagro.ru/2012/08/pdf/21.pdf
Научный журнал КубГАУ, №82(08), 2012 года
Входные Внутренние
величины параметры
Выходные
величины
Нагрузка по Электричеству
Нагрузка по Теплу
Нагрузка по Холоду
Внешние
условия
Параметры оборудования энергетической системы
Потребности ген. комплекса в энергии
I---------------т
I Эл. энергия _ |
I Теп, энергия ^ J 1 Холод |
Потреб, в биомассе на собств. нужды
Рисунок 4 - Схема модуля генерации энергии Входными величинами модуля являются нагрузка ТАЛБЭК по теплу (кДж/сут), по электроэнергии (кДж/сут), холоду (кДж/сут) и внешние условия (климатические условия). Для учета случайного характера внешних условий аналогично предыдущему модулю используется функция возвращения обратного нормального распределения для расчета текущих значений по заданным значениям математического ожидания и стандартного отклонения.
В рамках модуля на основе параметров генерирующего оборудования энергетической системы определяются следующие выходные величины: потребности генерирующего комплекса в энергии в виде электрической, тепловой энергии и холода (кДж/сут);
потребности ТАЛБЭК в биомассе в виде топлива на собственные нужды (т/сут).
Для расчета требуемой (максимальной) мощности оборудования и соответственно его материалоемкости используется дополнительный расчетный лист, в котором из заданных входных параметров,
http ://ej. kubagro .ru/2012/08/pdf/21.pdf
Научный журнал КубГАУ, №82(08), 2012 года
изменяющихся в процессе моделирования, выбираются такие, которые соответствуют максимальному поступления биомассы в течение года и максимальному потреблению энергии. В соответствии с этим условием рассчитываются параметры производительности отдельных элементов модуля, которые позволяют определить материалоемкость оборудования. Для определения материалоемкости оборудования использованы зависимости, полученные в результате обзора представленных на рынке установок:
для стирлинг-генераторов
Мдс = 3,1438* Пэдс + 81,045,.
где Мдс - масса стирлинг-генератора, ПЭдс - производительность по электроэнергии;
для абсорбционного бромистолитиевого теплового насоса
Мабтн = 0,0041* Хабтн + 9,0512,
где Мабтн -масса абсорбционного бромистолитиевого теплового насоса, Хабтн - производительность по холоду;
для каталитической котельной
Мкк = 0,0038* ПТкк + 0,6353,
где Мкк - масса каталитического котла, Ткк - производительность по теплу.
Для определения потребностей жителей ТАЛБЭК в тепловой и электрической энергии был проведен анализ статистических данных за 2010-2012гг. относительно республики Марий Эл. В результате анализа при моделировании удельная величина потребления электрической энергии на одного проживающего была принята равной 491,78 квт.час в год, удельная величина потребления тепловой энергии на отопления на одного проживающего была принята равной 4,6 Гкал в год, удельная величина потребления тепловой энергии на горячее водоснабжение на одного проживающего была принята равной 0,66 Гкал в год. При этом
http://ej.kubagro.ru/2012/08/pdf/21.pdf
Научный журнал КубГАУ, №82(08), 2012 года
были учтены перечень и расчетные показатели минимальной обеспеченности социально-значимыми объектами повседневного
(приближенного) обслуживания на территории городских и сельских населенных пунктов, а также показатели количества и вместимости учреждений и предприятий обслуживания территорий малоэтажной жилой застройки.
Выводы
Таким образом, разработанная математическая модель энергетической системы территориального агролесоводственного биоэнергетического комплекса позволяет исследовать возможности использования наиболее эффективных и перспективных в настоящее время установок генерации и утилизации энергии в рамках комплекса и может быть использована при оптимизации технологических процессов на производстве.
Работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научнотехнологического комплекса России на 2007-2013 годы» (Государственный контракт № 16.552.11.7089) при поддержке
Министерства образования и науки Российской Федерации.
Библиографический список
1. Бойлс Д. Биоэнергия: технология, термодинамика, издержки / Д. Бойлс, под ред. Е. А. Бирюковой. - М.: Агропромиздат, 1987. - 152с.]
2. Лукьянов Б. Н. Экологически чистое окисление углеводородных газов в каталитических нагревательных элементах / Б. Н. Лукьянов, Н. А. Кузин, В. А. Кириллов, В. А. Куликов, В. Б. Шигаров, М. М. Данилова // Химия в интересах устойчивого развития. - 2001. - №9. - с. 667 - 677
3. Каталитические теплогенераторы Серия КТГ [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.enerob.ru/img/Buklet/Buklet.pdf, свободный.
4. Котельные на базе каталитических теплофикационных установок
[Электронный ресурс] - Режим доступа: http://ts-
s.ru/upload/buklet/kotelnye_na_baze_KTU.pdf, свободный.
http://ej.kubagro.ru/2012/08/pdf/21.pdf
Научный журнал КубГАУ, №82(08), 2012 года
5. Автономные электростанции - выбор - практические рекомендации [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.manbw.ru/analitycs/autonomous-station-choice.html, свободный.
6. Газотурбинные установки — ГТУ [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.manbw.ru/analitycs/gas-turbine_units_power_station_power_plant.html, свободный.
7. Газопоршневые электростанции (ГПЭС-ГПУ) [Электронный ресурс] - Режим
доступа: http://www.manbw.ru/analitycs/gazoporshnevye_elektrostantsii_GPES.html,
свободный.
8. Производители оборудования электростанций по типам [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://manbw.ru/analitycs/ind_manufactures-type.html , свободный.
9. Панченко В.А. Термодинамическое преобразование возобновляемой энергии посредством двигателя Стирлинга. Ч.1/ Панченко В.А / [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.akw-mag.ru/content/view/104/35/, свободный.
10. Панченко В.А. Термодинамическое преобразование возобновляемой энергии посредством двигателя Стирлинга. Ч.2/ Панченко В.А / [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.akw-mag.ru/content/view/118/35/, свободный.
11. Installation manual Whispergen MkVb [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.whispergen.com/content/library/WP503702900_UK_INSTALL.pdf, свободный.
12. Clucas D. M. Development of a hermetically sealed Stirling engine battery charger / Clucas D. M., Raine J. K. // Proc Instn Mech Engrs. - 1994. - Vol.208. - p. 357 - 366.
13. Редько И. Я Способ повышения эффективности первичного двигателя утилизационной стирлинг-электрической установки / Редько И. Я., Романов В. А., Кукис В. С.,Малозёмов А. А. // Горный журнал. - 2010. - №4.
14. Шуховцев, В. В Повышение эффективности утилизационных стирлинг-электрических установок путем совершенствования системы подвода теплоты: дис... канд. техн. наук : 05.04.02/ Шуховцев Владимир Васильевич - Челябинск, 2006. - 169 c.
15. Рыбалко, А. И. Расчетно-экспериментальное исследование процессов в двигателе стирлинга, предназначенном для утилизации бросовой теплоты: дис... канд. техн. наук : 05.04.02 / Рыбалко Андрей Иванович - Новосибирск, 2011. - 192 c.
16. Охладитель гранул жалюзийный, 1 т/час - Спико [Электронный ресурс] -Режим доступа: http://www.sp-co.ru/catalog/ohladitel_granul/35/, свободный.
17. Охладитель гранул ОКТ [Электронный ресурс] - Режим доступа:
http://www.dozagran.com/ru/catalog/grancooler, свободный.
18. Институт теплофизики СО РАН, ООО "Теплосибмаш" Абсорбционные бромистолитиевые тепловые насосы [Электронный ресурс] - Режим доступа:
http://www.sbras.ru/ES/teplonasos.htm, свободный.
19. Абсорбционные бромистолитиевые тепловые насосы ТЕПЛОСИБМАШ
[Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.teplosibmash.ru/catalog/id/7/,
свободный.
http://ej.kubagro.ru/2012/08/pdf/21.pdf
