CC BY
14Статья поступила в редакцию 16.01.13. Ред. рег. № 1506 The article has entered in publishing office 16.01.13. Ed. reg. No. 1506
УДК 631.371:621.311.4
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
ЖИВОТНОВОДСТВА
И.Ю. Долгов
Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) 109456, Москва, 1-й Вешняковский проезд, 2, ВИЭСХ Тел. (499) 171-27-43; e-mail: viesh@dol.ru, d89163950310@yandex.ru
Заключение совета рецензентов 23.01.13 Заключение совета экспертов 30.01.13 Принято к публикации 06.02.13
Рассмотрены основные схемные решения и принципы построения систем энергоснабжения сельскохозяйственных предприятий животноводства, для их типового варианта выполнен энергетический и эксергетический анализ при собственной выработке электроэнергии на когенерационной тепло-электростанции, определен их эксергетический коэффициент полезного действия, обоснована необходимость введения удобных для расчетов единиц измерения теплоты, электроэнергии, эксергии.
Ключевые слова: когенерационная теплоэлектростанция, тепловой насос, энергия, эксергия, тепловой киловатт, электрический киловатт, эксергетический киловатт, газовый котел, электроводонагреватель, калорифер, пиролизный котел длительного горения, биогазовая энергоустановка, синтезгазовая энергоустановка.
BASIC PRINCIPLES OF ENERGY SUPPLY SYSTEMS DESIGN OF LIVESTOCK FARMS
I.Yu. Dolgov
All-Russian Scientific Research Institute for Electrification of Agriculture (VIESH) VIESH, 1st Veshnyakovsky pr., 2, Moscow, 109456, Russia Tel. (499) 171-27-43; e-mail: viesh@dol.ru, d89163950310@yandex.ru
Referred 23.01.13 Expertise 30.01.13 Accepted 06.02.13
Basic schematic principles of energy supply systems of livestock farms. Energy and exergy analyses for their own electric energy production using cogeneration heat-power plant have been carried out for their typical variant. Exergy efficiency has been determined; necessity of introducing convenient measurement units of heat, electricity, and exergy is stipulated.
Keywords: cogeneration power plant, heat pump, energy, exergy, thermal kilowatt, electric kilowatt, exergy kilowatt, gas boiler, electric heater, radiator, pyrolysis long burning boiler, biogas power plant, syntesgas power plant.
Сведения об авторе: ГНУ ВИЭСХ, Руководитель лаборатории применения тепловых насосов в сельском хозяйстве
Образование: Московский Энергетический Институт (МЭИ) (1966-1972); аспирантура МЭИ с отрывом от производства (1974-1977)
Область научных интересов: Высокоэффективные термо- и электродинамические устройства преобразования энергии, в том числе из окружающей среды
Публикации: 22 научных работы, 5 авторских свидетельств, в том числе 17 в соавторстве
Игорь Юрьевич Долгов
Основными энергопотребляющими отраслями сельскохозяйственного производства, на которые приходится до 85% от общего потребления
энергоносителей в них, являются животноводство (до 50%), птицеводство (до 22%) и тепличные хозяйства (до 13%). Таким образом, построение
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 02 (119) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
энергосберегающих систем энергоснабжения этих групп сельхозобъектов: животноводческих комплексов, птицефабрик и тепличных хозяйств является важнейшим направлением повышения энергоэффективности сельского хозяйства.
Основными видами энергии, используемыми большинством предприятий различных отраслей сельского хозяйства (далее объектами энергоснабжения ОЭ), является электроэнергия Wэ и тепловая энергия WТ. Снабжение ОЭ электроэнергией осуществляется либо от централизованных систем (электросетей), либо от автономных, установленных на ОЭ когенерационных теплоэлектростанций (КТЭС) совместной выработки электроэнергии и теплоты, представляющих собой варианты системы электроснабжения (СЭ) ОЭ. Теплоснабжение ОЭ осуществляется либо от централизованных теплосетей, либо от автономных, установленных на ОЭ систем теплоснабжения (СТ). Таким образом, системы энергоснабжения (СЭС) ОЭ состоят из СЭ и СТ. Электропотребление РЭ (т) и теплопотребление 0Т(т) ОЭ существенно зависят от времени т суток и года. Номинальные (максимальные) мощности СЭ и СТ определяются по максимальным электрическим Рэ (т) макс= Р ном, и тепловым 0т(т) макс=Рном нагрузкам. В целом СЭ и СТ должны обеспечивать равенство вырабатываемых ими энергий Рсэ(т) и 0ст(т), потребляемым ОЭ в любой момент времени т:
Р сэ (т) = Р э (т) (1)
0 ст(т) = От (т) (2)
Следует отметить, что соотношение (1) одновременно является равенством выработанной и потребленной работоспособной энергии - эксергии, поскольку электроэнергия (с учетом высокоэффективного ее превращения в работу) есть 100% эксергия [1]. Соотношение (2) в общем случае такого равенства не устанавливает, однако равенство выработанной Ест и потребленной Ет эксергии теплоты является условием минимальных ее потерь при нагреве [2]:
Ест(т) = Ет (т) (3)
где: Ест(т) = рст (т) [ТВЫх (т) - То (т)] /
/ Т вых (т) = Ост(т) С ст (Твых,То, т) (4)
Ет(т) = От (т) [Тпотр(т) - То (т)] / Т потр(т)=
(т) С
т (Тпотр,То, т) (5)
Твых(т)- температура на выкоде СТ, 0 К
Т0 (т) - температура окружающей среды, 0 К,
Тпотр(т) -температура, требуемая ОЭ, 0 К,
Т0К
- температура в градусах Кельвина, связанная с температурой в градусах Цельсия 0С:
т0к= г0е + 273
В отопительном периоде с диапазонами температур работы СТ сельскохозяйственных
объектов Ъ= -300С - +150С, ^ = +400С - +900С, Стр = +350С (воздушное отопление) - +850С (водонагрев, водяное отопление) величины эксергетических характеристик ^ст, т могут принимать следующие значения:
Сст= 0,08-0,33; Ст= 0,06-0,32
Наибольшие значения ^ст, т относятся к минимальной температуре окружающей среды и максимальной температуре нагрева, наименьшие - к температуре окружающей среды завершения отопительного периода и наименьшим температурам нагрева. Для среднего значения температуры окружающей среды отопительного периода центрального региона России 10=-3°С усредненные за отопительный период величины ^ст, т могут принимать значения
с ст от = 0,13-0,25; Ст от = 0,12-0,24
Таким образом, сельскохозяйственные объекты требуют теплоснабжения с низкими долями эксергии в потребляемой ими теплоте. Это обуславливает значительные потери эксергии в теплогенераторах прямого огневого и электронагрева, когда высокотемпературная (высокоэксергетичная)
теплота сгорания топлива или электроэнергия (практически 100 % эксергия) в указанных теплогенераторах теряется при низкотемпературном нагреве. Электроснабжение сельхозобъектов (как и любых других), наоборот, требует 100% эксергии.
При незначительной разности температур Твых(т), Тпотр(т), что собственно и обеспечивается СТ, равенства (2) и (3) совпадают и, следовательно, соотношения (1) и (2) являются условиями наименьших потерь эксергии при потреблении выработанной электроэнергии и теплоты.
В случае энергоснабжения ОЭ от централизованных электро и теплосетей, в которых невозможно гибкое, в течение суток, изменение вырабатываемых электроэнергии и теплоты, условия (1) и (2) нарушаются. Это приводит к бессмысленному перерасходу энергоносителей на электростанциях СЭ и в теплогенераторах СТ. Поэтому во всех случаях, когда возможно осуществление децентрализованного
энергоснабжения ОЭ, оно является наиболее предпочтительным. В частности, для большинства объектов сельхозпроизводства, имеющих
централизованное газоснабжение, собственная выфаботка электроэнергии и теплоты на КТЭС позволяет, наряду с уменьшением затрат на электроснабжение, получать его большую надежность [3], а децентрализованное теплоснабжение ввиду рассредоточенности сельхозобъектов на обширных территориях, как правило, в большинстве случаев является
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 02 (119) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
единственным возможным способом их теплообеспечения. Таким образом, собственная выработка и потребление электроэнергии и теплоты на сельхозобъектах должны осуществляться в строгом соответствии с соотношениями (1) и (2). Следовательно, наивысшая эффективность использования энергоносителей при выработке электроэнергии на КТЭС достигается при одновременном полном использовании отработанной теплоты WоTp с мощностью Ротр(х) прямых рабочих циклов двигателей привода электрогенераторов КТЭС с учетом изменения во времени теплопотребления и электропотребления ОЭ. Однако практическое обеспечение условий (1) и (2) является затруднительным. В летнее время года, при отсутствии отопительной и какой-либо другой тепловой нагрузки, полезное использование теплопотока Ротр(х) невозможно, и для обеспечения выработки электроэнергии требуется его отвод в окружающую среду (оснащение двигателей КТЭС радиаторами-теплообменниками с принудительным обдувом воздуха) с нарушением условия (2). При использовании для теплоснабжения ОЭ геотермальной энергии (теплоты грунта) с помощью теплонасосных установок (ТНУ), отвод теплоты КТЭС в грунт земли посредством грунтовых коллекторов ТНУ, обеспечивающей теплоснабжение ОЭ, позволяет реализовать накопление (аккумулирование) этой теплоты в грунте земли, повышая эффективность ее трансформации при работе ТНУ в отопительный период, когда тепловая нагрузка ОЭ рт(х)^0. Таким образом, построение СЭС ОЭ должно осуществляться на основании данных по его динамическим характеристикам Рэ(т) и Рт(х) и по совместным тепловому и электрическому балансам.
Расчеты и схемные решения СЭС для животноводческой отрасли сельского хозяйства, являющейся наиболее крупной из указанных отраслей, представлены далее. В сельхозобъектах животноводства значительная часть потребляемой теплоты используется круглогодично для водонагрева, что может в значительной степени выполнить условие минимума энергетической дельта- функции:
Q отр (т) - Q т (т) = A Qt
Min
(6)
Эффективность работы СЭС в основном определяется оптимальным выбором первичных источников и технологий производства энергии, накопителей энергии и эффективной работой их систем управления, в результате чего обеспечиваются условия, близкие к описываемым соотношениями (1) и (2).
Для типового объекта животноводства (ТОЖ) -комплекса молочного производства на 400 голов крупного рогатого скота (КРС) на Рис. 1 представлены упрощенно-аппроксимированные динамические характеристики суточного тепло- и электропотребления, на Рис. 2 - характеристики их изменения в течение года, а в Таблице 1 - данные по сводному электро- и теплобалансу этого ТОЖ. Теплобаланс составлен на основании данных [4]. Электробаланс - на основании данных [5, 6]. Динамические характеристики суточного электропотребления - на основании данных ВИЭСХ (чл. корр. Россельхозакадемии Цой Ю.А.) Все указанные данные относятся к привязному способу содержания КРС, как наиболее энергозатратному (наиболее тяжелому случаю энергоснабжения ТОЖ).
Рис. 1. Аппроксимированные динамические характеристики суточного тепло- и электропотребления типового объекта животноводства (привязное содержание) для центрального
региона России, максимум холодов. Fig. 1. Approximated dynamic characteristics of heat and power daily consumption of typical livestock farm (captive keeping) for central region of Russia, the coldest period.
Рис. 2. Аппроксимированные характеристики электропотребления и теплопотребления типового объекта животноводства в течение года (привязное содержание) для
центрального региона России. Fig. 2. Approximated characteristics of heat and power annual consumption of typical livestock farm (captive keeping) for central region of Russia.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 02 (119) 2013
© ScientificTechnical Centre «TATA», 2013
Таблица 1.
Годовой энергетический баланс типового животноводческого комплекса на 400 голов КРС молочного производства (привязное содержание) для центрального региона России.
Table 1.
Annual energy balance model of typical livestock complex for 400 head of cattle for dairy production (field keeping) for the _ central region of Russia.__
Наименование помещения, технологического процесса Мощность Годовой расход энергии
для теплоты Q^ кВт.т для другого Рэ, кВт.э на теплоту №т,кВт.ч.т» на другое W3, кВт.ч.э(%)
Стойловые помещения (нагрев воздуха) 68х2 - 18414 (2,42%)
Доение (6 т молока/сут) - 17.8 х 2 - 206517(45,61%)
Молочный блок (отопление) 19 - 40511(5,33%)
Охлаждение молока 9,0 - 27105(5,98%)
Водонагрев 127,6 - 391051(51,43%)
Денники для отела 48 гол. Отопление 30 - 19157(2,52%)
Нагрев воздуха 46 - 58233(7,66%)
Уборка навоза - 22,0 - 23360(5,16%)
Ветсанпро-пускник 30 чел Отопление 33 - 75335(9,93%)
Нагрев воздуха 33 - 65808(8,65%)
Изолятор 5 мест (х) 28 - 12186(1,60%)
Ветпункт (амбулатория )(х) 10 - 19709(2,59%)
Освещение - 19,6 - 131400(29,05%)
Другое: Помещение для тракторов 37 59880(7,87%)
Раздача кормов 12,0 64373(14,2%)
Итого 499,6 98,2 760284 100% 452755 100%
Максимальные суммарные (номинальные) величины 500,0 Q^ кВт.т 100,0 Рэ, кВт.э 760284 W^ кВт.ч т 452755 W3, кВт. ч.э
Примечание. Затраты тепловой мощности и энергии на отопление и нагрев воздуха при расчетах суммируются как составные части требуемой тепловой мощности 0от(т) и требуемой тепловой энергии Wот на отопление ТОЖ.
Из Таблицы 1 следует, что в целом годовое потребление электроэнергии и теплоты ТОЖ находится в соотношении:
W3 / WT = 452755/760284 = 0,6= [¥] э/т,
(7)
тепловой нагрузки ТОЖ на нужды водонагрева 0в(т) перекрывается по времени характеристикой электронагрузки Рэ(т) и ее максимальная (номинальная) величина составляет примерно 127 кВт, а отношение:
где [¥] - требуемое ОЭ (в среднем за год) отношение выработанной электроэнергии к теплоте в относительной единице э/т - «Электро/Тепло», учитывающей различную физическую сущность электроэнергии и теплоты.
Фактическая величина имеющая место при выработке электроэнергии и теплоты на КТЭС, определяется следующими процентными долями: 34% - электроэнергия, 56% - теплота, 10% - потери [7], т.е.:
¥= 34% / 56% = 0,61 э/т
(8)
электроэнергии W:,
выработкой сопутствующей теплоты W0
Г.
W^1 = W.3 / ¥= 452755 кВт.ч э / 0,61 э/т= = 742221 кВт. ч т,
(9)
Рэ ном/Qb ном=(80-100) кВт.э/127 кВт.т=
0,63-0,78 э/т >рсэ макс/Qотр макс
=(80-100) кВт.э /[(80-100) кВт.э /0,61 э/т] = = 0,61 э/т
Q„
с= (80-100) кВт.э /0,61 э/т =
= 131-164 кВт.т > Q в ном= 127 кВт.т
(10)
(11)
Следовательно, в среднем за год выработка
на ТОЖ сопровождается
близкой по величине с годовым теплопотреблением Wт=760284 кВт.ч т ТОЖ. Из Таблицы 1 и Рис. 1 и 2 также следует, что характеристика динамической
Таким образом, из соотношений (7)-(11) следует, что мощность потока отработанной теплоты КТЭС 0отр(т), сопутствующая синхронно во времени выработке электроэнергии с мощностью Рэ(т), полностью удовлетворяет потребности водонагрева с учетом требуемой теплопроизводительности 127 кВт.т. Перекрытие по времени динамической характеристикой потока (мощности) сопутствующей теплоты 0отр(т) при выфаботке электроэнергии на КТЭС характеристики требуемого теплопотока (мощности) водонагрева 0в(т) позволяет осуществить полное электроснабжение и водонагрев, на который в рассматриваемом ТОЖ, как следует из Таблицы 1, за год потребляется WВГ/WтГ=391051 кВт. ч т/760284 кВт. ч т=0,51 или
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 02 (119) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
51% от общего потребления теплоты по ТОЖ.
Важно отметить, что максимальная (номинальная) тепловая мощность ТОЖ, как следует из Таблицы 1, рном=500 кВт.т, т.е. в 3-3,8 раза
превосходит Ротр макс,
следовательно,
AWotp= Wotp
-WB,
Г = 742221 кВт. ч
- 391051 кВт. ч т = 351170 кВт.ч т
' + AWotpT нот /(т с
г+т нот)
для
удовлетворения потребностей теплоснабжения ТОЖ в отопительный период требуются дополнительные теплогенераторы. Сравнение величин WотpГ и WвГ показывает, что водонагрев не использует полностью отработанную теплоту КТЭС. Величина энергетической дельта-функции расхождения тепловой энергии, выработанной КТЭС и потребленной ТОЖ на водонагрев, определяется в виде:
=Wэ 0,1/0,34(э/т) + AW отр. 1 / ( 1 + т от / т нот ) = =452755 кВт. ч э 0,1/0,34( э/т) + +351170 кВт. ч т / ( 1+ 4920 / 3840) = = 133163 кВт. ч т + 154022 кВт. ч т = = 287185 кВт. ч (15)
Коэффициенты преобразования энергоносителей в теплоту в дополнительных теплогенераторах, как минимум, не ниже 0,85---0,86 характерных для твердотопливных пиролизных котлов длительного горения [12], при этом потери в них с учетом (14) определяются в виде:
W ДТГ = W VVnOT VV I
ДТГ ( 1/ Кп ДТГ - 1) =
= 173539 кВт . ч т { [1 / (0,85 --- 0,86) ] -1}--29501 кВт. ч т
(16)
В отопительный период на нужды отопления ТОЖ может быть использована часть ЛWотp, определяемая с учетом энергетических характеристик Рис. 2 в виде:
W
= A W отр т ,
/ ( т от + т нот) отр
/ (1+т нот /т от)=351170 кВт. ч т / /(1+ 3840/4920) = 197286 кВт. ч т
/
(12)
Эта
величина
Wo
позволит
частично
W /W Г = W
отр от отр
0t/(Wt - Wb г )=
(13)
=197286 кВт. ч т /(760284 кВт. ч т -- 391051 кВт. ч т) = 0,53, или 53 %
WoTr=369233 кВт. ч т; Wot r/W т = = 369233 кВт ч т/760284 кВт ч т =0,49
Wotp ОТ / W т Г = 197286 кВт. ч т / / 760284 кВт. ч т = 0,26 или 26 %.
Доля тепловой энергии, подлежащей выработке дополнительными теплогенераторами, составит:
Witt r=Wo
- r(1-0,53)=0,47WoT Г=
=0,47. 369233 кВт. ч т = 173539 кВт. ч т
(14)
Суммарные годовые потери СЭС WпOT сэс рассматриваемого ТОЖ, выполненной на базе КТЭС и дополнительных теплогенераторов, составляют:
' + W,
ДТГ
= 287185 кВт. ч т +
+29501 кВт. ч т =316686 кВт. ч т
(17)
обеспечить нужды отопления ТОЖ по завершении суточного водонагрева в теплоаккумуляционных водонагревателях с мощностью теплопотока Ротр (т) в следующем отношении к общему количеству теплоты, затрачиваемому на отопление ТОЖ:
Следовательно, рассматриваемая СЭС позволяет получить требуемые в соответствии с энергобалансом (см. Таблицу 1): Wэ = 452755 кВт. ч э, Wт = 760284 кВт. ч т при потерях WпOT сэс=316686 кВт. ч т., или в относительных единицах к величине первичного энергоносителя Wпеp э:
т пот сэс
Wmp э = Wэ. (1/ э/т) + Wt + W = 1529725 кВт. ч т
W3/W пер э = 452755 кВт. ч э / 1529725 кВт. ч т = = 0,29 э/т
WT/W пер э = 760284 кВт. ч т / 1529725 кВт. ч т = =0,5
W^T сэс/ ^^пер э = 316686 кВт. ч Т /
(18)
WГ ДТГ / W^ =173539 кВт . ч т / 760284 кВт . ч т = = 0,23 или 23 %
В неотопительный период неиспользованная часть AWOтpГ подлежит рассеянию в окружающую среду воздушными теплообменниками КТЭС с мощностью 0отр(т)=0 пот э(т), пополняя годовые потери СЭС, связанные с выработкой электроэнергии:
/ 1529725 кВт. ч т = 0,21
* - учет преобразования первичного энергоносителя в электроэнергию.
Таким образом, СЭС для рассматриваемого ТОЖ, построенная на базе КТЭС и дополнительных теплогенераторов, позволит полностью обеспечить его тепло- и электроснабжение с потерями порядка 21%, при доле тепловой энергии, подлежащей выработке дополнительными теплогенераторами WдтгГ/WотГ=0,47 или 47% от теплопотребления ТОЖ на отопление, 173539 кВт. ч т /760284 кВт. ч т = 0,23 или 23% от общего годового теплопотребления ТОЖ, или 173539 кВт. ч т / 1529725 кВт. ч т = 0,11 или 11% от годового потребления энергоносителя.
Из энергобаланса ТОЖ, с учетом вышеуказанных значений эксергетических характеристик £г, Сг.от. следует, что в целом по ТОЖ эксергия, слагаемая из электропотребления Wэ и доли теплопотребления Wт. сред.г составляет, с
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 02 (119) 2013
© ScientificTechnical Centre «TATA», 2013
СЭС
пот э пот
т -
W = W
пот сэс пот э
учетом водонагрева в неотопительный период (1с>150С) со значениями ^т нот=(Тпотр-Т0)/Тпотр= =[(85+273)-(15+273)] / (85+273) < 0,2 , не менее:
Е тож = 452755 + 760284 (0,12-- 0,2) -
-544000—605000 кВт. ч. экс (19),
где кВт. ч экс-эксергетический киловатт-час -единица измерения работоспособной энергии различной физической сущности. Таким образом, в целом по ТОЖ величина эксергии сопоставима с величиной потребленной теплоты 760284 кВт. ч. т, но кардинальным образом отличается от последней по качеству (способности совершать работу).
Эксергетический коэффициент полезного действия (термодинамического совершенства) СЭС, определяемый отношением эксергии на ее выходе к эксергии на входе, с учетом того, что низшая теплота сгорания газообразного, жидкого или твердого топлива есть 100 % эксергия [1-2], имеет значения:
К =Е /Е ^ Е1 ^ =
Ах-е сэс -^вых сэс' ^вх сэс -^тож' у * пер э
=(544000---605000)/1529725=0,35---0,39 (20)
Важно отметить, что в сельхозобъектах животноводства, птицеводства, т.е. в объектах, где имеются тепловыделения животных, птиц, производственные процессы связаны с необходимостью осуществления приточно-вытяжной вентиляции воздуха и канализационных стоков, являющихся техногенными источниками теплоты. Для рассматриваемого ТОЖ мощность потока потерь теплоты с воздухом вытяжной вентиляции коровников, Овв(т), определяемая по тепловлажностному расчету [4, 8] при минимальной температуре наружного воздуха ^ =-300С и температуре коровников 1кор=+50С, составляет 370 кВт. т, уменьшаясь до 0 при выравнивании температур: 1кор = ^ в конце отопительного периода. Этот резерв теплоты целесообразно использовать с помощью ТНУ, осуществляющих её трансформацию на температурный уровень, требуемый для теплоснабжения ТОЖ. ТНУ позволяют изменять перепад температур воздуха вытяжной вентиляции коровников ТОЖ 1кор и тепловоспринимающей поверхности испарителя ТНУ 1и независимо от обеспечивая отвод и трансформацию его теплоты в соответствии с условиями наивысшей энергоэффективности теплоснабжения ТОЖ, а также подведение трансформированной теплоты к теплоотдающим точкам в ТОЖ с наименьшими потерями (с помощью вспомогательного теплоносителя или непосредственно рабочим телом паросилового контура ТНУ с помощью «фреонового кабеля» [9]). При достаточно высоких коэффициентах преобразования ТНУ КпТНУ, определяемых отношением теплоты на выходе ТНУ к затратам энергии на ее трансформацию, возможно получение требуемой ТОЖ тепловой энергии с
малой долей эксергии с ее минимальными потерями, в отличие от ее значительных потерь, характерных для обычных теплогенераторов прямого нагрева (газовые, твердотопливные, жидко-топливные или электрокотлы) [2].
Основными энергоносителями, применяемыми в сельском хозяйстве России, являются: магистральный природный газ (до 37,5%), твердое топливо (до 28,2%), жидкое топливо (до 22,2%) и электроэнергия (до 11,1%) [10].
Альтернативными указанным основным традиционным энергоносителям могут являться ветровая, солнечная, тепловая энергия окружающей среды, тепловая энергия техногенных отходов, потенциальная тепловая энергия навоза, помета животных, птиц, получаемая в результате переработки этих экскрементов в био- или синтезгазовых энергоустановках, соответственно в био- или синтезгаз, как показано на Рис. 3, 9-12 [17]. На Рис. 3, 9-12 введены следующие обозначения: символами W1(т)/т обозначены потоки энергии (в том числе потенциальной) Wп 1(т)/т, осуществляемые
СЭС О
массопереносом, излучением; индексами «пот ' » обозначены, соответственно, потери в системе и объекте энергоснабжения, О^т) - тепловые потоки, Рк(т) - потоки электроэнергии (электрическая мощность). Мини-ГЭС - минигидроэлектростанция, ВЭС - ветроэлектростанция с мощностями, соответственно, РМ-ГЭС, Р ВЭС.
ТГ - теплогенератор (преобразователь жидкого, твердого, газообразного топлива или электроэнергии в тепловую энергию) мощностью СГУ или БГУ - синтезгазовая или биогазовая энергоустановка, работающие на навозе ТОЖ, ТОП или на различных видах твердого топлива, включая всевозможные отходы, с мощностью потоков продуцируемого ими соответственно синтезгаза или биогаза Wсгу/т, Wбгу/т = W1сгу, бгу / +W2сгу, бгу/т. КТЭС - когенерационная теплоэлектростанция, работающая на природном, синтез или биогазе или на дизельном топливе с электрической мощностью на выходе РКТЭС и сопутствующей тепловой мощностью на выходе ОКТЭС. ТНУ - теплонасосная установка, работающая на теплоте сжигания газа (на базе абсорбционного теплового насоса АБТН или парокомпрессионного теплового насоса с приводом компрессора от двигателя внутреннего сгорания - ПКТНТД или с электроприводом компрессора - ПКТН) с тепловой мощностью на выходе ОТНУ и охлажденными потоками воздуха Овв(т)х или воды WВод(т)/т. Определение типа ТНУ производится исходя из доступности вида энергоносителя (газообразное, жидкое топливо или электроэнергия) [11]. СТЭС -солнечная теплоэлектростанция с электрической мощностью на выходе РСТЭС и тепловой мощностью на выходе Остэс.
Изменение структуры СЭС в зависимости от применяемого (доступного ТОЖ) вида энергоносителя представлено на Рис. 4-12.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 02 (119) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
Структурная схема СЭС рассматриваемого ТОЖ для наиболее дешевого энергоносителя - магистрального природного газа с КТЭС и газоприводными ТНУ (абсорбционные или компрессионные тепловые насосы с приводом от двигателей внутреннего сгорания) представлена на Рис. 4. Газовые калориферы воздушного отопления коровников ТОЖ применены исходя из общепринятой практики минимизации установленной мощности ТНУ с учетом непродолжительного времени отопления коровников и малой доли их тепловой энергии в тепловом балансе ТОЖ (порядка 2,4%, см. Таблицу 1). При невозможности (недоступности) для ТОЖ магистрального газоснабжения, возможны варианты его энергоснабжения на электроэнергии от электросетей (КТЭС в таком случае отсутствует) с ТНУ с электроприводом (широко распространенные парокомпрессионные тепловые насосы с электроприводом), как показано на структурной схеме Рис. 5, или с точечными теплогенераторами прямого электронагрева с аккумуляцией теплоты с использованием льготных ночных тарифов на электроэнергию, как показано на структурной схеме Рис. 6, от электросетей - для электро-снабжения и твердом топливе - для теплоснабжения с твердотопливными пиролизными котлами длительного горения (до 7 суток от одной загрузки угля Антрацит АК [12]), располагаемых в непосредственной близости от сосредоточения точек теплопотребления ТОЖ, как показано на структурной схеме Рис. 7. Использование жидкого топлива, ввиду его наибольшей стоимости, например дизельного топлива ДТ, целесообразно лишь для выработки электроэнергии и теплоты на КТЭС при недоступности для ТОЖ магистрального газа и электросетевой электроэнергии. Структурная схема такой СЭС представлена на Рис. 8. Следует отметить, что СЭС с ТНУ могут обеспечивать не только тепло, но и холодоснабжение (кондиционирование), т.е. полностью обеспечить требуемый ТОЖ микроклимат, от которого в большой степени зависит продуктивность животных [13]. Учет повышения продуктивности животных в результате применения СЭС с ТНУ может кардинально влиять на результаты определения наилучшей СЭС для ТОЖ применительно к регионам России с жарким летом. СЭС, построенные на централизованном электроснабжении, могут реализовываться с электроснабжением от мини-ветро (ВЭС) или гидро (ГЭС) электростанций при наличии необходимых надежных их
энергопотенциалов [14-15].
КТЭС, работающие на магистральном газе, могут получать децентрализованное газоснабжение от БГУ при достаточном энергопотенциале техногенных отходов ТОЖ [16], или СГУ, преобразующих навоз, помет животных, птиц в синтезгаз для выработки электроэнергии и теплоты на КТЭС, как показано на Рис 9-12 [17]. Это позволит отказаться от традиционных энергоносителей, и при повсеместном применении СГУ на животноводческих комплексах и птицефабриках снизить их потребление в стационарных сельхозобъектах в целом примерно в 3 раза [17].
Целесообразность применения рассмотренных СЭС должна иметь экономическое обоснование в сравнении с базовыми вариантами традиционных СЭС, в частности, (при необходимости) должны быть выявлены условия (тарифы, государственные дотации, распространенные в развитых зарубежных странах), когда эти СЭС могут иметь значительную эффективность.
Система энергоснабжения ТОЖ
Рис. 3. Обобщенная структурная схема ТОЖ, СЭС и их
потоков энергии Fig. 3 Generalized structural scheme of TOL, SES and their energy flows
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 02 (119) 2013
© ScientificTechnical Centre «TATA», 2013
Рис. 4. Структурная схема системы энергоснабжения ТОЖ на магистральном природном газе с КТЭС и газоприводной ТНУ с утилизацией теплоты воздуха вытяжной вентиляции коровников
Fig. 4. Structural scheme of power supply TOL system to main natural gas line with KTES and TNU, recycling air heat from exhaust ventilation of cowsheds
Рис. 7. Структурная схема системы энергоснабжения ТОЖ с электроснабжением от электросети и теплоснабжением от твердотопливных пиролизных котлов длительного горения (ПТКДГ - Поз. 1-7) на угле АК
Fig. 7. Structural scheme of TOL power supply system using power supply network for electricity and solid-fuel pyrolysis boilers of continuous burning (PTKDG - Pos. 1-7) on coal for heat generation
Рис. 5. Структурная схема системы энергоснабжения ТОЖ на электроэнергии с электроприводной ТНУ с утилизацией теплоты воздуха вытяжной вентиляции коровников
Fig. 5. Structural scheme of power supply system of TOL using electric power from electric TNU drive, recycling air heat from exhaust ventilation of cowsheds
Калориферы Р,э(т) ,—
Приточный
"I воздух
* CO Р,:2(т)
Другие помещения животноводческого комплекса
Рис. 8. Структурная схема системы энергоснабжения ТОЖ с
выработкой электроэнергии и теплоты на КТЭС на дизельном топливе дТ с дополнительной теплогенерацией пиролизными твердотопливными котлами длительного горения (ПТКДГ Поз.1-4) на угле Антрацит АК.
Fig. 8. Structural scheme of TOL system with electricity and heat
production in KTES working on diesel fuel with additional heat generation from solid-fuel pyrolysis boilers of continuous burning (PTKDG - Pos.1-4) on coal AK.
^еплоаккумуляцион^ ные водонагреватели
Q„(i) —Л"
Вытяжной I воздух
Р,?(т)_
_
P,5«
3
Точечные теплогенераторы отопления
Рис. 6. Структурная схема системы энергоснабжения ТОЖ на электроэнергии с точечными электротеплогенераторами
Fig. 6. Structural scheme of power supply system of TOL using electric power with point electro-heat-generators
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 02 (119) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
Система автономного энергоснабжения ТОЖ на энергоносителях собственного производства
сэс W„„(i)/r
СГУ или БГУ
Wз,&,./т
КТЭС
Пусковое Рктэс газохранилище.
P. M
Приточный воздух Опв(т)
Вода W boj/t
Корм Wsop^ /t
Солнце Wncoa/x
Wae /т
W2c,6l7/T
Удобрения
Q„X(T) W„X/T
«МО
Вытяжной воздух Q„(t)
Канализационные стоки W../т
\VaM_/r Навоз
W„
ТОЖ- типовой :°(т) /т обьект животноводства
Продукция, (молоко.мясо)
Рис. 9. Обобщенная структурная схема ТОЖ с СЭС автономного самоэнергоснабжения на энергоносителях собственного производства Fig. 9. Generalized block diagram of TOL with SES of autonomous energy production using energy resources of own production
Рис. 10. Структурная схема СГУ для навоза КРС, свиней. 1 - сепаратор (разделитель навоза на жидкую и твердую фракцию), 2.1, 2.2 - обеззараживающее устройство, 3.1, 3.2.- устройство внесения Эм препарата (эффективные микроорганизмы), 4 - устройство сушки, 4.1 - теплообменники устройства сушки, 5 - устройство формирования твердого топлива, 6 - склад-аккумулятор твердого энергоносителя (топлива), 7 - реактор термохимической конверсии с воздушным дутьем и устройством газоочистки. Fig. 10. Block diagram of SGU for cattle manure. 1 - separator (separator of liquid and solid manure fractions); 2.1, 2.2 - disinfectant device; 3.1, 3.2 - device making EM preparation (effective micro-organisms); 4 - drying device;
4.1 - drying heat exchanger device; 5 - solid fuel forming device; 6 - warehouse-accumulator of solid energy source (fuel); 7 - reactor of thermochemical conversion with air blowing and gas cleaning device.
Рис. 11. Структурная схема СГУ на птичьем помете. Обозначения как на Рис.10. Fig. 11. Block diagram of SGU in the poultry litter. Legend as in Fig. 10.
Рис. 12. Структурная схема системы энергоснабжения ТОЖ с выработкой электроэнергии и теплоты на КТЭС и ТНУ на
синтезгазе от СГУ, работающей от навоза (Рис. 10) - с полным автономным собственным энергоснабжением или твердого топлива с реактором термохимической конверсии РТКОО с очисткой и охлаждением синтезгаза и пусковым энергоносителем - сжиженным газом.
Fig. 12. Structural scheme of TOL power supply system producing electricity and heat with KTES and TNU based on syntesgas from SGU operating on manure (Fig. 10) - with full
autonomous own energy supply, or on solid fuel based on reactor of thermo-chemical conversion RTKOO with syntesgas cleaning and cooling and liquid gas as starting fuel.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 02 (119) 2013
© ScientificTechnical Centre «TATA», 2013
Выводы
1. Эксергетические характеристики теплопотребления сельскохозяйственных объектов свидетельствуют о низкой доле эксергии (работоспособной энергии), обуславливающие выработку системами теплоснабжения теплоты с такой же низкой долей эксергии.
2. Корректность и упрощение расчетов систем энергоснабжения с энергией различной физической сущности: электроэнергии и теплоты требует введения следующих единиц:
- тепловой киловатт - кВт т -для теплового потока (тепловой мощности);
- тепловой киловатт час - кВт. ч т - для тепловой энергии;
- электрический киловатт - кВт э - для электрической мощности;
- электрический киловатт час - кВт. ч э - для электроэнергии;
- электро/тепло - относительная единица при преобразовании теплоты в электроэнергию;
- тепло/электро - относительная единица при преобразовании электроэнергии в теплоту, в том числе для величин коэффициентов преобразования обширного класса электротермических устройств, электротепло генераторов и тепловых насосов, в которых для осуществления процесса термотрансформации используется электроэнергия;
- эксергетический киловатт час - кВт. ч экс -единица измерения работоспособной энергии различной физической сущности.
3. Величина эксергии типового объекта животноводческой отрасли сельхозпроизводства -комплекса молочного производства на 400 голов КРС привязного содержания животных, состоящая из его электропотребления и эксергетической составляющей теплопотребления, сопоставима по величине с его теплопотреблением, кардинально превосходя по качеству.
4. Эксергетический коэффициент полезного действия (термодинамического совершенства) системы энергоснабжения типового объекта животноводческой отрасли сельского хозяйства, построенной на основе когенерационной теплоэлектростанции и теплогенераторов огневого нагрева на твердом топливе (имеющими низшие коэффициенты преобразования энергии первичного энергоносителя в теплоту по сравнению с газовыми и жидкотопливными теплогенераторами, а также по сравнению с электротеплогенераторами) составляет порядка 0,35-0,39.
5. Применение когенерационных теплоэлектростанций и теплонасосных установок, трансформирующих теплоту наиболее доступных техногенных источников для энергоснабжения животноводческих комплексов, значительно уменьшает потери эксергии при выработке теплоты,
повышая их термодинамическое совершенство и экономию энергоресурсов.
6. Динамическая тепловая нагрузка водонагрева животноводческих комплексов КРС, мало изменяющаяся по характеру в течение года, позволяет производить электроэнергию и теплоту на них с помощью когенерационных теплоэлектростанций и дополнительных теплогенераторов с выфаботкой (примерно) электроэнергии 29%, теплоты 50%, с потерями 21%.
7. Когенерационные теплоэлектростанции, обеспечивая полностью потребности животноводческих комплексов в электроэнергии, сопутствующей этой выработке отработанной теплотой приводных тепловых двигателей, обеспечивают полностью потребности водонагрева и частично отопления, которые составляют, соответственно, примерно 51% и 26% от общего теплопотребления этих комплексов, примерно 23% этого теплопотребления должно обеспечиваться дополнительными теплогенераторами.
8. Структура систем энергоснабжения (тепло и электроснабжения) животноводческих сельхозпредприятий должна основываться на их тепловом, электрическом балансах, динамических (суточных) и годовых характеристиках их энергопотребления с учетом возможности использования наиболее крупного техногенного источника теплоты - воздуха приточно-вытяжной вентиляции помещений содержания животных, а также вида энергоносителей, в том числе собственного производства.
9. Принципы построения систем энергоснабжения сельскохозяйственных предприятий животноводства состоят в следующем:
- определение доступных для применения видов энергоносителей в том числе собственного производства из навоза, помета, других отходов;
- расчет теплового и электрического баланса предприятия;
- определение динамических и статических характеристик энергопотребления предприятия и расчеты основных параметров и режимов работы когенерационных теплоэлектростанций, выбор их типов, если применяемые энергоносители позволяют их использование на предприятии, и выбор дополнительных (в случае необходимости) теплогенераторов;
- определение техногенных источников теплоты и расчеты тепловой энергии, подлежащей трансформации теплонасосными установками, если применяемые энергоносители позволяют осуществить их работу (привод);
- определение структуры и состава оборудования системы энергоснабжения;
- определение повышения производительности предприятия в результате осуществления его отопления и кондиционирования
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 02 (119) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
теплонасосными установками (полного обеспечения требуемого микроклимата);
- определение базовых лучших традиционных систем энергоснабжения, работающих на применяемом энергоносителе, и выполнение технико-экономического обоснования применения предлагаемых систем энергоснабжения, выполненных на базе когенерационных теплоэлектростанций и (или) теплонасосных установок, мини гидро- или ветроэлектростанций, био- и (или) синтезгазовых установок;
- определение, при необходимости, условий экономической целесообразности этих систем: тарифов на энергоносители, государственных дотаций, общепринятых в большинстве высокоразвитых стран;
- определение наилучшей системы энергоснабжения по критерию максимальной экономической эффективности или по условиям экономической целесообразности при выделении государственных дотаций и разработка ее рабочего проекта, изготовление оборудования, строительно-монтажные работы и ввод ее в эксплуатацию.
Список литературы
1. Бродянский В.М., Фратшер В., Михалек К. Эксергетический метод и его приложения. Москва, Энергоатомиздат, 1988 г.
2. Рант З. Процессы нагрева и второй закон термодинамики. В книге Эксергетический метод и его приложения. Москва: «МИР». 1967.
3. Дьяченко Ю.А. Оценка целесообразности электроснабжения птицефабрики «Мирная» от автономного источника питания. Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. Агроинженерия. 2008. №2. Стр. 39-43.
4. Рекомендации по расчету, проектированию и применению систем электротеплоснабжения животноводческих ферм и комплексов. ВАСНИЛ, ГИПРОНИИСЕЛЬХОЗ, ВИЭСХ, ЦНИПТИМЭЖ, Запорожье,1985.
5. Цой Ю.А. Структура энергозатрат, технологические и технические аспекты энергосбережения на молочных фермах. Труды 7-й Международной научно-технической конференции. 18-19 мая 2010 года. Ч. 1. Москва, ГНУ ВИЭСХ, стр. 55-58.
6. Цой Ю.А., Мансуров А.А., Мамедова Р. А. и др. Основные направления энергосбережения в доильных залах. Труды 7-й Международной научно-
технической конференции. 18-19 мая 2010 года, Ч.3. ГНУ ВИЭСХ, стр. 106-109.
7. Когенерационные установки Vitobloc 200. Тепловые насосы Vitocal. Техинформация фирмы Viessmann http://www.viessmann.ru.
8. Рекомендации по расчету и проектированию систем обеспечения микроклимата животноводческих помещений с утилизацией теплоты выбросного воздуха. Научно-проектный центр «Гипронисельхоз», Москва, 2004.
9. Промышленные системы кондиционирования Sanyo. http://www.sanyo-airservice.ru
10. Лачуга Ю.Ф., Стребков Д.С. и др. Энергетическая стратегия сельского хозяйства России на период до 2020 г. Москва, ГНУ ВИЭСХ, 2009 г.
11. Долгов И.Ю. Термодинамический анализ, энергетические и эксергетические характеристики парокомпрессионных тепловых насосов с механическим приводом от тепловых двигателей и их сравнение с абсорбционными тепловыми насосами и парокомпрессионными с электроприводом. Международный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 8 (112) 2012 г. Стр. 34-42.
12. Твердотопливные пиролизные котлы Stropuva (Литва). http ://www.mk-termo.ru/catalog
13. Мурусидзе Д.Н., Трунов С. С. и др. Установки для создания микроклимата на животноводческих фермах. Изд-во «КОЛОС», Москва, 1979.
14. Николаев В.Г. Методология ресурсного и технико-экономического обоснования использования ветроэнергоустановок. Автореф. дисс. на соиск. ученой степени доктора технических наук. Москва, ГНУ ВИЭСХ, 2011 г.
15. Гущинский А.Г., Рузанова Н.И. Повышение надежности энергоснабжения сельских потребителей путем внедрения мини-ГЭС. Труды 7-й Международной научно-технической конференции. 18-19 мая 2010 г., Ч. 4, Москва, ГНУ ВИЗСХ, стр. 247-252.
16. Тихонравов В.С. Ресурсосберегающие биотехнологии производства альтернативных видов топлива в животноводстве. Москва, ФГБНУ «Росинформагротех», 2011 г.
17. Долгов И.Ю. Энергетика и экология автономных систем энергоснабжения сельскохозяйственных объектов животноводства и птицеводства на энергоносителях собственного производства. Международный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 9 (113) 2012 г, стр. 152-165.
Г>П
- TATA —
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 02 (119) 2013
© ScientificTechnical Centre «TATA», 2013
