Разработка алгоритма управления энергокомплексом, состоящим из котельной, ветроэнергетической установки и теплового аккумулятора Текст научной статьи по специальности «Математика»

УДК 697.3:620.92+621.548

А. В. Бежан

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГОКОМПЛЕКСОМ, СОСТОЯЩИМ ИЗ КОТЕЛЬНОЙ, ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ И ТЕПЛОВОГО АККУМУЛЯТОРА

Аннотация

Представлены результаты разработки алгоритма управления энергокомплексом «котельная + ветроэнергетическая установка + тепловой аккумулятор», главной задачей которого является обеспечение баланса вырабатываемой и потребляемой мощности. Подробно рассмотрен каждый элемент представленного алгоритма.

Ключевые слова:

возобновляемые источники энергии, ветроэнергетическая установка, алгоритм управления, энергокомплекс, теплоснабжение, котельная, тепловой аккумулятор.

A. V. Bezhan

DEVELOPMENT OF ALGORITHM OF BOILER, WIND TURBINE AND HEAT ACCUMULATOR ENERGY COMPLEX CONTROL

Abstract

The results of development of algorithm of control of "boiler house + wind-driven power plant + heat accumulator" energy complex are presented. Its main task is to set the balance between generated and consumed powers. The article gives a detailed description of each algorithm element.

Keywords:

renewable energy sources, wind-driven power plant, control algorithm, power complex, heat supply, boiler, heat accumulator.

В районах с высоким потенциалом ветра и продолжительным отопительным сезоном теплоснабжение может осуществляться от комбинированной системы отопления, включающей в себя котельную и ветроэнергетическую установку (ВЭУ) [1].

Использование энергии ветра для генерации тепловой энергии связано с некоторыми сложностями, обусловленными главным образом тем, что скорость ветра является непостоянной величиной и в большинстве случаев носит случайный характер. В результате этого выдаваемая мощность ВЭУ, как правило, не совпадает с потребностями потребителя. Чаще всего она может быть больше или меньше требуемого уровня. Таким образом, в периоды с сильным ветром могут возникать избытки энергии, вырабатываемой ВЭУ, а в холодную маловетреную погоду мощности, выдаваемой от ВЭУ, может не хватать на покрытие графика отопительной нагрузки. Поэтому в состав энергокомплекса «котельная + ВЭУ» целесообразно включить тепловой аккумулятор (ТА), который способен накапливать в себе избытки тепловой энергии, а потом по мере необходимости расходовать их, дополняя работу ВЭУ.

На рисунке 1 представлен общий вид системы теплоснабжения от энергокомплекса «котельная + ВЭУ + ТА», которая включает в себя следующие основные структурные элементы: здание (потребитель тепловой энергии), котельная (основной источник тепла), ВЭУ (дополнительный источник тепловой энергии), тепловой аккумулятор (ёмкость для накопления и хранения тепловой энергии в виде горячей воды), разделитель и смеситель (вспомогательное оборудование), элеватор (устройство для понижения температуры горячей воды и создания требуемого гидравлического напора в системе отопления) [2].

Рис. 1. Структурная схема системы теплоснабжения от энергокомплекса «котельная + ВЭУ + тепловой аккумулятор»: V и Т — соответственно расход и температура теплоносителя; Q — количество тепловой энергии, содержащейся в теплоносителе

Для создания подобной комбинированной системы теплоснабжения требуется разработка специального блока управления, который должен управлять всеми источниками тепловой энергии в соответствии с наиболее оптимальными режимами функционирования каждого узла системы с целью обеспечения качественного и бесперебойного теплоснабжения потребителей. Устройство управления системой должно обеспечивать алгоритмы управления перетоками мощности и выполнять функции защиты от перегрузки. Элементы алгоритма управления перетоками являются ключевым звеном в обеспечении корректного функционирования системы теплоснабжения от энергокомплекса «котельная + ВЭУ + ТА» и её энергоэффективности.

В представленном на рис. 1 варианте работа энергокомплекса «котельная + ВЭУ + ТА» выглядит следующим образом: при избытке генерируемой ВЭУ энергии по сравнению с потреблением происходит заряд ТА, при дефиците — разряд. При этом ТА считается заряженным полностью, если максимальная температура воды ТА составляет 95 °С. Такая температура не допускает закипания воды и разрушения аккумулятора. Котельная включается в работу при условии, что ТА разряжен и имеется дефицит тепловой мощности. При избытке мощности и заряженном ТА избыток мощности в виде горячей воды можно использовать для нужд горячего водоснабжения или расходовать на буферную нагрузку. В качестве буферной нагрузки может выступать градирня, в которой нагретая вода разбрызгивается в специальный открытый резервуар, охлаждаясь естественным путём.

В летние месяцы, когда потребность в тепловой энергии минимальна или вообще отсутствует, избыточную энергию от ВЭУ можно накапливать в виде горячей воды, закачивая её в сезонные аккумуляторы тепла, в качестве которых могут выступать естественные и искусственные ёмкости больших объёмов (подземные водохранилища, шахты, водоносные горизонты, подземные пустоты и др.).

Рассмотрим более подробно каждый элемент (условие) алгоритма работы энергокомплекса «котельная + ВЭУ + ТА», представленного на рис. 2.

Рис. 2. Алгоритм управления энергокомплексом «котельная + ВЭУ + ТА»

Условие 1. Оно записано в верхней части рис. 2 и гласит, что температура воды Тсм, нагреваемой от ВЭУ и поступающей в котельную,

равна расчётной температуре Т1 согласно температурному графику тепловой сети (Тсм = Т1). В этом случае теплоснабжение осуществляется только за счёт работы ВЭУ, а котельная и ТА находятся в режиме ожидания тепловой нагрузки. Тогда тепловой баланс для смесителя можно записать в виде:

Далее, преобразуя уравнение (1), можно найти зависимость, определяющую температуру воды, нагреваемой за счёт ВЭУ:

Условие 2. Если указанное выше первое условие не выполняется, т. е. Тсм Ф Т1, то возможны два варианта: Тсм либо больше, либо меньше Т1.

£м=аот+а

(1)

(2)

Если Т > Т (рис. 2, левая часть), то в этом случае в зависимости от состояния ТА накладываются дополнительные условия. При Тсм > ТТА и 95 > ТТА > Тв (Тв — температура помещения, где установлен ТА)

теплоснабжение осуществляется так же, как и в первом случае, за счёт работы ВЭУ, но ТА находится уже в режиме зарядки (рис. 2, условие 2). Зарядка происходит за счёт пополнения ТА горячей водой, поступающей из смесителя с температурой Тсм и в количестве в , для этого из ТА предусмотрен одновременный слив воды с температурой ТТА. Пополнение водой продолжается до тех пор, пока ТА не зарядится полностью.

Так как Тсм > Т, то для подачи воды в тепловую сеть с нужной

температурой необходимо охладить воду в смесителе до Т, для этого предусмотрено подмешивание холодной воды, которая поступает в смеситель с температурой Тх в и расходом в .

Тогда уравнение теплового баланса для смесителя выглядит так:

б: = + 6вэу + 0,в.- бта,

(3)

где О,в. = Тх.вОх.в. и бтА = Тем^х.в.

количество тепловой энергии,

поступающей в единицу времени соответственно в смеситель и из него в аккумулятор. Отсюда расход воды можно оценить по формуле:

Ух.в. =

6: - Я кот ЯВЭУ

Т • С - Т • с

х.в. р см р

(4)

где Тсм определяется выражением (2).

Уравнение теплового баланса, описывающее состояние аккумулятора, представляет собой зависимость следующего вида:

Л (КТАСрТТА) (0)

у та р т/ = Я(О) — я — Я ¡¿ТА ¡¿слив

л

(5)

где 6слив = ТТАСрУхв — тепло, уходящее из ТА в виде нагретой воды;

6пот — тепловые потери аккумулятора.

Если предположить, что аккумулятор хорошо теплоизолирован, то тогда тепловыми потерями можно пренебречь.

Интегрирование уравнения (5) даёт экспоненциальную зависимость температуры теплового аккумулятора от времени при начальных условиях

(I = 0) ТТА , Т :

V / ТАо ' смо

ТТА = Тсм + (ТТА — Тсм ) • еХР

К,

(6)

где Qп0T = 0, ^ = 24 часа (если при расчётах используются среднесуточные значения).

Условия 3 и 4. Если второе условие не выполняется, то будет верно одно из следующих условий:

• условие 3 — это случай, когда ТА ещё заряжен не полностью, а температура воды смесителя меньше температуры воды ТА (рис. 2, условие 3);

• четвёртое условие характеризуется полной зарядкой ТА (ТТА = 95 °С). При этом температура воды в смесителе Тсм может быть не только больше или меньше, но и равна температуре воды в аккумуляторе

ТТА ( Тсм > ТТА или Тсм ^ ТТА ) (рис. 2 условие 4).

При выполнении условия 3 или 4 котельная и ТА находятся в режиме ожидания тепловой нагрузки. Имеющийся избыток тепловой энергии будет сбрасываться из смесителя в виде горячей воды и расходоваться на буферную нагрузку.

Условия 3 и 4 друг друга заменяют. То есть в случае, если условие 3 не выполнено, то энергокомплекс «котельная + ВЭУ + ТА» будет работать согласно условию 4 и наоборот.

Тепловой баланс смесителя (3) можно переписать следующим образом:

а=окот+Qвэy+а*- Qслив, (7)

где Qслив = ТсмСрУхв характеризует избыток энергии, выдаваемой от ВЭУ, который содержится в виде горячей воды с температурой Тсм и удаляется из смесителя в количестве в .

Чтобы определить в и Тсм, можно использовать соответственно формулы (4) и (2).

Условие 5 соответствует условию Т > Тсм — правая часть алгоритма (рис. 2).

Если 95 > ТТА > Т, то в этом случае теплоснабжение осуществляется за счёт совместной работы комплекса «ВЭУ + ТА», при этом ТА находится в состоянии разрядки (рис. 2, условие 5).

Тепловой баланс смесителя можно определить по формуле:

а = QK(0T+Qвэy+QтА - QТА, (8)

где QТА = ТТАСр\ТА и QТ0А = ТсмСрУТА соответственно тепло, поступающее

в смеситель, и тепло, извлекаемое из него.

Расход воды ТА после некоторых преобразований можно определить из следующего соотношения:

(1 - ОГО - (1

уТД = ^ ^кот ^вэУ . (9)

ТА ГТ! у—1 ГТ1 у—1 ^ '

ТТА ' Ср - Тсм ' Ср

Уравнение теплового баланса ТА можно представить в следующем виде:

ё(ГтаСРТТА ) = 6(0) _ 0 (10)

аХ

По аналогии с (6) экспоненциальная зависимость температуры воды теплового аккумулятора с начальными условиями (Х = 0) 7ТАо, Т будет выглядеть так:

ТТА = Тсм + (ТТА„ _ Тсм ) • еХР

.^ТА • , V

у ТА

(11)

где Х = 24 часа.

Условие 6. Следующие случаи характеризуют систему, когда не только Т > Тсм, но и Т > ТТА. В этих случаях температура ТА может находиться

в диапазоне 95 > ТТА > Тв. При этом если Тсм > ТТА , то теплоснабжение осуществляется совместной работой энергокомплекса «котельная + ВЭУ», а ТА находится в состоянии ожидания тепловой нагрузки. Если Тсм < ТТА,

в этом случае теплоснабжение осуществляется от энергокомплекса «котельная + ВЭУ + ТА», где ТА находится в состоянии разрядки (рис. 2, условие 6). Температуру смесителя Тсм можно определить с помощью

формулы (2). Данные варианты соответствуют периодам холодной маловетреной погоды, когда нагрузка в значительной мере или полностью ложится на котельную.

Выводы

1. Разработан алгоритм управления энергетическим комплексом, включающим в свой состав котельную, ветроэнергетическую установку и тепловой аккумулятор и предназначенным для отопления потребителей.

2. Применение такого алгоритма на практике позволит решить задачу оптимизации работы системы теплоснабжения с несколькими источниками тепловой энергии с целью обеспечения корректного функционирования такой системы и повышения её энергоэффективности.

3. Разработанная версия алгоритма является базовой. Её использование предполагает проектирование и разработку интеллектуального автоматизированного блока управления, который должен анализировать любые изменения, происходящие в работе энергокомплекса, и реагировать на них, посылая команды в соответствии с разработанным алгоритмом действий.

Литература

1. Бежан А. В., Минин В. А. Оценка эффективности системы теплоснабжения на основе котельной и ветроустановки в условиях Севера // Теплоэнергетика. 2017. № 3. С. 51-59.

2. Бежан А. В., Минин В. А. Оценка перспектив использования энергии ветра для теплоснабжения посёлка Териберка // Труды Кольского научного центра РАН. Энергетика. 2011. Вып. 3. С. 205-213.

Сведения об авторе Бежан Алексей Владимирович,

младший научный сотрудник лаборатории энергосбережения и возобновляемых источников энергии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А, Эл. почта: [email protected]