CC BY
104
6. Бродский, Р. Е. Медленная фрагментация при квадратичном законе дробления [Текст] / Р. Е. Бродский, Ю. П. Вирченко // Вестник Херсонского национального технического университета. - 2013. - Вып. 2 (47). - С. 63-66.
7. Ziff, R. M. An explicit solutions to a discrete fragmentation model [Text] / R. M. Ziff // Journal of Physics A: Mathematical and General. - 1992. - Vol. 25, Issue 9. - P. 2569-2576. doi: 10.1088/0305-4470/25/9/027.
8. Кутовой, В. А. Термовакуумный метод получения нанодисперсных материалов [Текст] / В. А. Кутовой, Ю. Г. Казаринов, А. С. Лу-ценко, А. А. Николаенко, В. И. Ткаченко // Вопросы атомной науки и техники. - 2014. - Вып. 103, № 2 (90). - С. 153-157.
9. Кошельник, В. М. Энергосберегающая термовакуумная сушка и измельчения бурого угля [Текст] : XXI мiжн. наук.-прак. конф. / В. М. Кошельник, В. А. Кутовой, Ю. Г. Казаринов, А. С. Луценко // Наука техшка, технолопя, осв^а, здоров'я. -Харгав, Украша, 2013. - С. 297.
10. Пат. 81138 Украша. МПК F26B9/06. Пристрш для термовакуумного сушшня [Текст] / Кутовий В. О. - №а200507488; заявл. 27.07.2005; опубл. 10.12.07. Бюл. №20. - 5 с.
-□ □-
Розроблена енергозбериаюча технологiя двох-стадтног газификаци дрiбнодисперсноi бюмаси для когенерацшних установок малоп потужностi на базi ДВЗ. Приведет результати експериментальних дослиджень технологи двохстадiйноi газифтацп бюмаси. Представлен результати оцтки ефективностi роботи ДВЗ на рiзних видах палива. Розроблена тех-нологiчна схема когенерацiйноi установки «газогене-ратор+ДВЗ» та проведена оцшка ефективностiроботи на основi эксергетичного i економiчного аналiзу
Ключовi слова: бюмаса, двохстадшна газифжащя, когенерацшна установка, двигун внутршнього зго-
рання, эксергетичний аналiз
□-□
Разработана энергосберегающая технология двух-стадийной газификации мелкодисперсной биомассы для когенерационных установок малой мощности на базе ДВС. Приведены результаты экспериментальных исследований технологии двухстадийной газификации биомассы. Представлены результаты оценки эффективности работы ДВС на различных видах топлива. Разработана технологическая схема коге-нерационной установки «газогенератор+ДВС» и проведена оценка эффективности работы на основе экс-ергетического и экономического анализа
Ключевые слова: биомасса, двухстадийная газификация, когенерационная установка, двигатель внутреннего сгорания, эксергетический анализ -□ □-
УДК 621.314:662.76.034:536.72
| РР1: 10.15587/1729-4061.2014.30986 |
РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ ДВУХСТАДИЙНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ БИОМАССЫ ДЛЯ КОГЕНЕРАЦИОННЫХ УСТАНОВОК
Е. В. Кремнева
Ассистент
Кафедра промышленной теплоэнергетики Национальная металлургическая академия Украины пр. Гагарина, 4, г. Днепропетровск, Украина, 49005 Е-mail: kati-denis@rambler.ru
1. Введение
Необходимость сокращения потребления природного газа в Украине на сегодняшний день является общегосударственной задачей, направленной на повышение энергетической безопасности страны. Решение этой задачи регламентируется на законодательном уровне путем стимулирования развития технологий, использующих возобновляемые источники энергии [1-3]. Среди таких источников доступным является биомасса. Наряду с этим имеется потребность в автономных источниках электрической и тепловой энергии для промышленных и сельскохозяйственных предприятий, которая может быть удовлетворена за счет применения когенерационных установок. Использование биомассы в когенерационных установках
позволяет получать электрическую и тепловую энергию с максимальным энергетическим и экологическим эффектом. Наиболее перспективным является использование когенерационных установок малой мощности (до 1 МВт) на базе двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с предварительной газификацией биомассы. Полученный путем газификации биомассы генераторный газ, содержит значительное количество смол и не может быть использован в качестве топлива для ДВС без дополнительной очистки. Включение в схему когенераци-онной установки системы очистки от смол значительно повышает капительные и эксплуатационные затраты, а соответственно увеличивает себестоимость вырабатываемой энергии. Технологии газификации биомассы, ориентированные на получение газа с малым содержанием смол, изучены недостаточно. Практическая реа-
ё
лизация таких технологии носит единичным характер, а данные этих исследовании недостоверны, изменяются в широком диапазоне и зависят как от технологии газификации, так и от вида используемой биомассы.
Для широкого внедрения технологий энергетического использования биомассы в когенерационных установках необходимо разработать принципиально новую технологию переработки биомассы, а также соответствующие конструктивные решения для ее реализации.
2. Анализ литературных данных и постановка проблемы
Основой для развития когенерационной биоэнергетики является наличие сырьевой базы. По состоянию на 2013 год оценка энергетического потенциала биомассы в Украине в соответствии с данными, приведенными в работах [4], представлена в табл. 1.
Таблица 1
Энергетический потенциал биомассы
Вид биомассы млн. т. у. т./год
Энергетические культуры 9,13
Отходы сельскохозяйственного производства 7,24
Солома 5,38
Газообразное топливо (биогаз) 1,5
Жидкие топлива (биодизель, биоэтанол) 1,46
Древесная биомасса 1,77
Торф 0,4
термическом и физическом методе удаления смол. Однако применение данных технологий очистки в когенерационных установок малой мощности на базе ДВС значительно удорожает и утяжеляет установку в целом и делает ее неконкурентоспособной.
Таблица 2
Содержание смол в газе в зависимости от технологии газификации
Технология газификации Содержание смол в газе, г/м3
Газификация биомассы в плотном слое с восходящим движением газа 6,7-100,0
Газификация биомассы в плотном слое с нисходящим движением газа 0,025-5,0
Газификация биомассы в кипящем слое 0,16-40,0
Значительную часть биомассы составляют отходы сельскохозяйственного производства (шелуха подсолнечника, лузга гречихи и пр.) солома и отходы древесины, энергетический потенциал которых суммарно составляет около 14 млн. т. у. т./год и в настоящее время почти не используется.
Внедрение и развитие в Украине технологий энергетического использования биомассы в когенерацион-ных установках должно учитывать в первую очередь опыт эксплуатации таких установок в странах ЕС, США, Индии и др. [5].
Среди технологий энергетического использования биомассы в когенерационных установках малой мощности на базе ДВС в основном используется газификация биомассы, как в плотном, так и кипящем слое. Выбор технологи газификации в первую очередь связан с содержанием смол в генераторном газе. Содержание смол в генераторном газе в зависимости от технологии газификации приведены в табл. 2.
Производители ДВС указывают различные требования к содержанию смол в генераторном газе приемлемые для работы выпускаемых ими двигателей, которые изменяются в диапазоне 5,0-100,0 мг/м3. Таким образом, в соответствии с данными, приведенными в табл. 2, ни одна из существующих технологий газификации биомассы не удовлетворяет требованиям производителей ДВС к содержанию смол в генераторном газе.
На сегодняшний день существует ряд технологий очистки генераторного газа от содержащихся в нем смол [6]. Технологии, основанные на каталитическом,
Наряду с применением традиционных технологий газификации биомассы в когенерационных установках на базе ДВС сегодня активно проводятся исследования по разработке технологии газификации биомассы, ориентированной на получения газа с малым содержанием смол.
В основном такие исследования базируются на модернизации технологии газификации биомассы в плотном слое с нисходящим движением газа. В основу модернизации положена многостадийная технология газификации биомассы, заключающаяся в разделении процесса пиролиза и газификации протекающих в одном или разных реакторах.
В работе [7] предложены газогенераторы основанные на комбинации принципов разделения процесса пиролиза и газификации, а также дифференциации подачи воздуха в слой топлива. Содержание смол в генераторном газе, полученном в установках, работающих по данной технологии, находится в пределах 15^35 мг/м3. Однако существенным техническим недостатком такой схемы является сушка и пиролиз биомассы в шнековых питателях, что ограничивает вид используемой биомассы. Такие виды биомассы как рисовая шелуха, солома, лузга подсолнечника, лузга гречихи, достигая пластинчатого состояния в период пиролиза, образовывают на поверхности слоя топлива спекшуюся корку, нарушающую газопроницаемость слоя. Переработка мелкодисперсной биомассы на основе данного способа не возможна.
В качестве ДВС для когенерационных установок могут использоваться:
- газовые ДВС;
- модернизированные дизельные ДВС работающие 100 % на генераторном газе;
- модернизированные дизельные ДВС работающие одновременно на дизельном топливе и на генераторном газе в разных соотношениях;
- модернизированные ДВС работающие одновременно на бензине и на генераторном газе в разных соотношениях.
При переводе газового ДВС с природного газа на генераторный газ, не возникает никаких трудностей кроме потери мощности двигателя до 55,0 % вследствие низкой теплоты сгорания генераторного газа от 4,5^6,5 МДж/м3. В этом случае работы по реконструкции двигателя сводятся к минимуму и связаны лишь с перерегулировкой двигателя.
При переводе дизелей на генераторный газ рабочая смесь воздуха и генераторного газа образуется не в цилиндрах, а в специальном смесительном устройстве, устанавливаемом перед двигателем. Существует два способа перевода дизельных двигателей с жидкого топлива на генераторный газ.
Первый способ предусматривает работу двигателя на топливе двух видов одновременно: генераторном газе и жидком дизельном топливе. При этом на номинальной нагрузке 80,0-85,0 % мощности вырабатывается на генераторном газе, а 20,0-15,0 % - на жидком топливе. Второй способ предусматривает использование в качестве топлива для двигателя только генераторного газа. Перевод на чисто газовый режим серийно выпускаемых дизельных двигателей предусматривает: дополнительное оборудование двигателя системами подачи и принудительного зажигания смеси; существенную переделку системы регулирования; увеличение степени сжатия. Степень сжатия может оставаться и без изменения, однако это приведет к снижению к. п. д. двигателя с 45,0 % до 30,0 % и как следствие к снижению мощности двигателя на 20,0-30,0 %.
При переводе ДВС, работающего на бензине на генераторный газ, возникают проблемы, связанные с падением мощности двигателя, которое составляет 40,0-50,0 %. Во избежание потерь мощности в конструкцию двигателя вносят соответствующие изменения: устанавливают новые головки цилиндров с повышенной степенью сжатия; устраняют подогрев газовоздушной смеси и увеличивают сечения впускных трубопроводов. В результате чего падение мощности двигателя не будет превышать 20,0-35,0 %.
3. Цель и задачи исследования
Целью работы является разработка энергосберегающей и экологически чистой технологии получения электрической и тепловой энергии на основе двухста-дийного процесса газификации биомассы.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
- разработка двухстадийного процесса газификации мелкодисперсной биомассы и определение эффективных режимов процесса;
- проведение экспериментальных исследований двухстадийного процесса газификации биомассы в плотном слое;
-оценка эффективности работы ДВС на различных видах топлива;
- разработка технологической схемы когенераци-онной установоки «газогенератор+ДВС», реализующей двухстадийный процесс газификации мелкодисперсной биомассы, а также оценка эффективности работы схемы на основе эксергетического и экономического анализа.
4. Методы и результаты экспериментальных исследований технологии двухстадийной газификации биомассы
Проведенные ранее теоретические и экспериментальные исследования [8, 9] позволили разработать
двухстадийный процесс газификации мелкодисперсной биомассы, заключающийся в разделении процессов пиролиза мелкодисперсной биомассы и газификации коксового остатка. Образующийся в процессе пиролиза пиролизный газ, содержащий значительное количество смол используется в качестве топлива для выработки тепловой энергии, образующийся в процессе газификации коксового остатка генераторный газ с минимальным содержанием смол без дополнительной очистки используется в качестве топлива в ДВС. При этом первая стадия двухстадийного процесса газификации реализуется в виде процесса окислительного пиролиза в плотном слое в режиме фильтрационного горения.
Источником тепла в данном случае служит тепло выделившееся за счет частичного окисления пиролиз-ных газов. Теплота, выделившаяся от частичного окисления пиролизных газов, расходуется на сушку, нагрев и пиролиз ниже лежащих слоев биомассы.
В качестве окислителя используется воздух. Слой биомассы разжигается со стороны противоположной подаче воздуха. Выделившиеся пиролизные газы содержащие СО, СО2, Н2, СН4, N и значительное количество смол, реагируя с кислородом воздуха, образуют фронт горения, который смещается навстречу потока воздуха. За фронтом горения образуется раскаленный коксовый остаток. Пиролизные газы и продукты их частичного окисления, двигаясь в одном направлении с потоком воздуха, проходят через слой раскаленного коксового остатка. При этом содержащиеся в пиролизных газах смолы разлагаются по мере продвижения газа в слое за счет действия высоких температур в неконденсирующиеся газы (СО, СО2, Н2, и др.).
Таким образом, данная организация процесса окислительного пиролиза позволяет реализовать процесс без использования внешнего источника тепла на, а также снизить содержание смол в пиролизных газах. Кроме того, за счет регулирования расхода воздуха, возможно изменять количество теплоты, выделяющееся при частичном окислении пиролизных газов, необходимое для сушки биомассы. Это позволяет использовать биомассу со значительной влажностью.
Для исследования двухстадийного процесса газификации биомассы в плотном слое в лаборатории кафедры «Промышленной теплоэнергетики» Национальной металлургической академии Украины была создана опытная установка тепловой мощностью по исходной биомассе до 100 кВт. Схема опытной установки по исследованию двухстадийного процесса газификации биомассы в плотном слое представлена на рис. 1. В качестве мелкодисперсной биомассы при проведении исследований использовались скорлупа грецкого ореха и лузга подсолнечника.
Реактор (пиролизер/газификатор) представлял собой вертикальный аппарат шахтного типа диаметром 0,550 м и высотой 1 м. В верхней части реактор оборудован люком загрузки биомассы, а в нижней части патрубком для подачи воздуха. Слой биомассы размещался на стальной воздухораспределительной решетке. В качестве тепловой изоляции использовались листы из стекловолокна, экранированные жаростойкой алюминиевой фольгой.
Технологически двухстадийный процесс газификации биомассы был организован следующим об-
разом. Предварительно взвешенная биомасса через герметично закрываемый люк загружалась в камеру реактора.
Рис. 1. Схема опытной установки по исследованию двухстадийного процесса газификации биомассы в плотном слое: 1 — реактор; 2 — люк загрузки топлива;
3 — патрубок для подачи воздуха; 4 — воздухораспределительная решетка;5 — тепловая изоляция;6 — горелочное устройство; 7 — воздуходувка типа ТГ-0,25; 8 — фильтр для очистки газа от конденсирующихся продуктов; 9 — вентиль для регулирования расхода воздуха;10 — диафрагма для измерения расхода воздуха и и-образный манометр; 11 — вторичный прибор для измерения температуры;
12 — газовый хроматограф;
Т — Т14 — термоэлектрические термометры
Слой биомассы разжигался в верхней части реактора через люк загрузки при помощи газового запальника. Подача воздуха в слой осуществлялась в нижнюю часть реактора, т. е. со стороны противоположной зоне розжига.
Образовавшиеся в процессе пиролиза газы сжигались в горелочном устройстве. На начальной стадии процесса пиролиза для поддержания горения пиро-лизных газов использовался газовый запальник.
После окончания процесса пиролиза реализовы-валась вторая стадия двухстадийного процесса - газификация раскаленного коксового остатка. Подача воздуха в слой раскаленного кокса, также как и на первой стадии, осуществлялась снизу. Образовавшиеся генераторные газы сжигались в горелочном устройстве.
Расход воздуха определялся по перепаду давления на расходомерной диафрагме. Измерение перепада давления на диафрагме осуществлялось с помощью водяного и- образного манометра.
Измерение температуры в слое осуществлялось в центральной и периферийной части с помощью термоэлектрических термометров типа ТХА с диаметром электродов 0,5 мм. Для изоляции термоэлектродов использовались фарфоровые чехлы. В качестве вторичного прибора, при измерении температур, использовался программно-аппаратный комплекс, позволяющий в режиме реального времени одновременно
контролировать до 24 входных сигналов от термоэлектрических термометров.
Анализ состава пиролизного и генераторного газов осуществлялся путем отбора проб в герметичные камеры и в дальнейшем производился на газовом хроматографе. В ходе экспериментальных исследований осуществлялся визуальный контроль за цветовой дифференциацией газового факела и его фотографирование. Также выполнялся технический анализ проб коксового остатка, и определялось содержание смол в пиролизном и генераторном газе.
В результате первой серии экспериментов был установлен оптимальный диапазон удельного расхода воздуха с точки зрения устойчивости протекания процесса окислительного пиролиза биомассы в плотном слое, который составил 25,0^55,0 м3/(м2 ■ ч). Снижение расхода воздуха менее 25,0 м3/(м2.ч) вызывает снижение температуры в слое биомассы (менее 500 °С) и последующее затухание процесса окислительного пиролиза в виду недостатка теплоты для реализации процесса. Увеличение расхода воздуха более 55,0 м3/(м2 ■ ч) приводит к увеличению температуры в слое биомассы (более 800 °С) и переходу процесса пиролиза к процессу газификации.
Результаты экспериментальных исследований двухстадийного процесса газификации биомассы представлены в табл. 3.
Таблица 3
Результаты экспериментальных исследований двухстадийного процесса газификации биомассы
Наименование показателей Исследованные режимы
Вид биомассы Скорлупа грецкого ореха Лузга подсо-лнеч-ника
Окислительный пиролиз биомассы
Вес загружаемой биомассы, кг 41 | 10
Удельный расход воздуха, м3/(м2 ч) 40,0
Температура процесса пиролиза, °С 670 630
Состав газа, об. % СО Н2 СО2 СН4 N2 О2 5,6 9.5 12,7 6,3 57,3 8.6 6.7 9.8 11,8 6,4 56,3 9,0
Выход пиролизного газа, м3н /кг биомассы 1,16 1,07
Теплота сгорания пиролизного газа (с учетом содержания смол), МДж/м3 8,1 8,3
Содержание смол, г/м3н 141,0 144,0
К.п.д. процесса окислительного пиролиза, % 98,0 97,5
Газификация коксового остатка
Масса кокса, кг 12,4 2,44
Удельный расход воздуха на газификацию, м3/(м2.ч) 445,3 403,4
Температура процесса газификации, °-С 950-1000
Состав газа, об. % СО Н2 СО2 СН4 N2 О, 29,4 8,3 2,6 1,5 58,1 0,1 26,4 11,8 2,6 2,5 56,6 0,1
Выход газа, нм3/кг кокса 4,5 3,8
Теплота сгорания генераторного газа, МДж/м3 5,2 5,5
Содержание смолы, мг/м3н 6,5 7,1
К.п.д. процесса газификации коксового остатка, % 96,4 96,0
При обработке результатов экспериментальных исследований были составлены материальные элементные и тепловые балансы процессов окислительного пиролиза и газификации. При этом К. П. Д. процесса окислительного пиролиза достигает 98,0 % с учетом утилизации всех тепловых потоков. К. П. Д. процесса газификации коксового остатка без использования физической теплоты генераторного газа составляет в среднем 78,0 %. Использование физической теплоты генераторного газа позволяет повысить К.П.Д. процесса газификации в среднем до 96,4 %.
5. Методы и результаты расчетно-теоретических исследований работы ДВС на различных видах топлива
Необходимо отметить, что полученный на второй стадии процесса генераторный газ имеет сравнительно низкую теплоту сгорания 5,1-5,5 МДж/м3 газа. При переводе газового ДВС на такой генераторный газ снижение номинальной мощности двигателя может достигать 50,0 %.
В связи с этим в работе исследованы возможные варианты повышения теплоты сгорания газа путем применения в качестве окислителя в процессе газификации коксового остатка воздуха и пара в определенных соотношениях с разными температурами. При исследованиях использован термодинамический метод расчета равновесного состава газа по константам равновесия [10-12]. Результаты этих исследований, приведены в табл. 4.
Таблица 4
Результаты расчетно-теоретических исследований процесса газификации коксового остатка
с использованием методики изложенной в работе [13]. В основу, которой заложен метод теплового расчета действительного цикла ДВС. В результате выполнения теплового расчета, определяются основные параметры газа в характерных точках индикаторной диаграммы, что позволяет проанализировать особенности работы двигателя при использовании различных видов топлива. В ходе исследований получены зависимости эффективной мощности газового ДВС от вида используемого топлива (рис. 2), а также зависимость эффективной мощности ДВС при работе его на смеси природного и генераторного газов в различных соотношениях (рис. 3).
Рис. 2. Эффективная мощность газового ДВС в зависимости от вида используемого топлива: ПГ — природный газ, ВГ и ПВГ — генераторный газ, полученный путем воздушной и паровоздушной газификации кокосового остатка
Наименование параметра Варианты исследованных режимов
Тип окислителя Воздух Воздух + пар Воздух + пар
Температура окислителя, °С - воздух - пар 20 20 100 450 100
Расход окислителя, - воздух, м3/кг - пар, кг/кг 3,71 2,71 0,35 1,94 0,55
Состав газа, об.% СО Н2 N2 С02 29,7 10,0 58,4 1,90 32,7 19,4 46,4 1,50 35,9 27,6 35,5 0,90
Выход газа, м3н/кг 4,94 4,70 4,29
Теплота сгорания газа, МДж/м3 4,9 6,3 7,6
О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Доля генераторного газа в смеси, %
Рис. 3. Эффективная мощность газового ДВС при работе его на смеси природного и генераторного газов
Как видно из табл. 4, использование в качестве окислителя при газификации кокосового остатка воздуха и пара в определенных соотношениях позволяет увеличить теплоту сгорания генераторного газа до 7,6 МДж/м3.
В работе проведена комплексная оценка эффективности работы газового ДВС 100 % на генераторном газе, а также на смеси генераторного и природного газа в различных соотношениях. Расчет ДВС производился
Как видно из рис. 2, при переводе газового ДВС с природного газа на генераторный газ (ВГ) общее падение эффективной мощности двигателя достигает 36,0 %. При этом минимальное падение мощности составляет 16,0 % при работе ДВС на генераторном газе (ПВГ) с теплотой сгорания 7,6 МДж/м3. Стоимость выработки электрической энергии при работе двигателя на данном генераторном газе минимальная и составляет 0,39 грн/(кВт- час).
Как показано на рис. 3, увеличение доли природного газа в смеси более 40,0 % приводит к повышению стоимости выработки электрической энергии до 1,04 грнДкВт- час), т. е. соответствует стоимости электрической энергии из внешней энергосистемы.
6. Разработка схемы когенерационной установки и оценка эффективности ее работы
На основе исследований двухстадийного процесса газификации биомассы разработана технологическая схема когенерационной установки электрической мощностью 80,7 кВт приведенная на рис. 4.
г Вода. в_ систему. ГВС_ ^ _.
Охладитель ^уходящих газов ДВС
Уходящие газы ДВС
лизер, газификатор, блок «ДВС-электрогенератор», водогрейный котел, теплообменные аппараты.
В качестве биомассы в данной когенерационной установки используется лузга подсолнечника с расходом 1,1 кгб/(кВт ■ час). Для выработки тепловой энергии в схеме предусмотрен водогрейный котел, топливом для которого служит пиролизный газ с теплотой сгорания 8,3 МДж/м3, полученный на первой стадии двух-стадийного процесса газификации биомассы. Тепловая мощность водогрейного котла - 233 кВт. Суммарная тепловая мощность когенерационной установки при утилизации физической теплоты генераторного газа, продуктов сгорания ДВС и воды в системе охлаждения ДВС составляет - 389,2 кВт. Выработка электрической
энергии осуществляется в блоке «ДВС-электроге-нератор». Топливом для ДВС служит генераторный газ с теплотой сгорания 3
!зола Вода в систему ГВС
Рис. 4. Схема когенерационной установки электрической мощностью 80,7 кВт, тепловой
мощностью 389,2 кВт
Для анализа эффективности работы предложенной схемы когенерационной установки разработана методика эксергетического анализа. В основу методики положено составление эксергетических балансов отдельных элементов оборудования схемы: пиро-
5,1 МДж/м3, полученный на второй стадии двухста-дийного процесса газификации биомассы.
В основу методики эк-сергетического анализа оценки эффективности работы когенерационной установки положено составление эксергетиче-ских балансов отдельных элементов оборудования схемы: пиролизер (рис. 5), газификатор (рис. 5), блок «ДВС-электрогенератор» (рис. 6), водогрейный котел (рис. 6), теплообмен-ные аппараты [14]. Эксергетический к.п.д. когенерационной установки составил пЭУ = 45 %. Себестоимость электрической и тепловой энергии с учетом эксплуатационных затрат и затрат на биомассу составит соответственно 0,55 грн/(кВт ■ час) и 49,5 грн/ГДж.
Рис. 5. Эксергетические балансы пиролизера и газификатора: ЕХБМ — химическая эксергия биомассы; ЕфБМ — физическая эксергия биомассы; ЕфВ — физическая эксергия воздуха; ЕХК — химическая эксергия кокосового остатка; ЕфК — физическая эксергия кокосового остатка; ЕХПГ — химическая эксергия пиролизных газов; ЕфПГ — физическая эксергия пиролизных газов; ЕХСМ — химическая эксергия смолы; Ефсм — физическая эксергия смолы; ЕфВ — физическая эксергия подогретого воздуха; ЕХГГ — химическая эксергия генераторного газа; ЕфГГ — физическая эксергия генераторного газа; ЕфЗ — физическая эксергия золы
ЕФПСГ=60,4 кВт
=49,6 кВт
ЕфЫХ =14,9 кВт
Ехгг=208,8кВт Ефогг=0,1 кВт
t Электрогенератор
ЕЭЭ=80,7кВт
м Ефв=0 кВт
Ефвк 2=145,8 кВт А
Ехпг=120,0квт -►С п Ефпспг=5,4 кВт
Водог- ]—►
Ефпг=21,7кВт ■+U рейный котел nf = 0,48
Ехсм=111,2квт
Ефсм=3,2 кВт -*• сн- Ефв=0 кВт
г=0 кВт ЕФМ =0 кВт
ПЭ
ДВС-ЭЭ = 0,91
2 ЕДВС,ЭЭ =208,9кВт 2 ЕДВСОТ-
205,7 кВт
■ ЕФВК1 =52,8 кВт 2 ЕВКод =306,7 кВт 2 ЕВВыход = 151,2 кВт
Рис. 6. Эксергетический баланс блока «ДВС-электрогенератор»: Ефогг — физическая эксергия охлажденного генераторного газа; ЕфПсГГ — физическая эксергия продуктов сгорания генераторного газа на выходе из ДВС;
Е
— физическая эксергия воды на входе в систему охлаждения (рубашку) ДВС; Еф
— физическая эксергия
воды на выходе из системы охлаждения (рубашки) ДВС; Е^1 — физическая эксергия масла на входе в ДВС;
Е
— физическая эксергия масла на выходе из ДВС; ЕфПСПГ — физическая эксергия
продуктов сгорания пиролизного газа на выходе из водогрейного котла; ЕФВК1 — физическая эксергия воды на входе в водогрейный котел; ЕФВК2 — физическая эксергия воды на выходе из водогрейного котла.
7. Выводы
Разработан двухстадийный процесс газификации мелкодисперсной биомассы, обеспечивающий содержание смол в генераторном газе не более 7,1 мг/м^, что соответствует требованиям производителей ДВС. На основе результатов экспериментальных исследований двухстадийного процесса газификации мелкодисперсной биомассы определены эффективные режимы процесса. При этом оптимальный диапазон удельного расхода воздуха, обеспечивающий стабильный процесс окислительного пиролиза биомассы в плотном слое при температуре процесса пиролиза не более 800 °С составляет 25,0-55,0 м3/(м2 ■ ч).
К. П. Д. процесса окислительного пиролиза достигает 98,0 % с учетом утилизации всех тепловых потоков. К. п. д. процесса газификации коксового остатка без использования физической теплоты генераторного газа составляет в среднем 78,0 %. Использование физической теплоты генераторного газа позволяет повысить К. П. Д. процесса газификации в среднем до 96,4 %.
Выполненные расчетно-теоретические исследования работы газового ДВС показали, что оптимальным является работа газового ДВС на генераторном газе (ПВГ) с теплотой сгорания 7,6 МДж/м3. При этом падение эффективной мощности ДВС составляет 16,0 %, а стоимость выработки электрической энергии составляет 0,39 грн/(кВт-час). Результаты исследований показали также, что увеличение доли природного газа в смеси более 40,0 % является не целесообразным, так как приводит к повышению стоимости выработки электрической энергии до 1,04 грнДкВт-час), что соответствует стоимости электрической энергии из внешней энергосистемы.
Проведенный эксергетический анализ работы ко-генерационной установки показал высокое значение общего эскергетического к. п. д. 45 %, при этом экс-ергетические К. П. Д. отдельных элементов схемы, таких как пиролизер и газификатор достигает 96 %, а блока «ДВС-электрогенератор» - 91 %. Такие значения К. П. Д. обусловлены глубокой утилизацией всех тепловых потоков в схеме.
Е
Е
Литература
1. Постанова Кабшету MiHicTpiB Украни вщ 9 липня 2014 р. № 293 «Про стимулювання замщення природного газу у сферi теплопостачання» (1з змшами, внесеними зпдно з Постановою КМ № 451 вщ 10.09.2014) [Текст] / Верховна Рада Украши. -Офщ. вид. - К.: Офщшний вюник Украши, 2014. - № 62. - С. 34.
2. Закон Украши «Про електроенергетику» вщ 16 жовтня 1997 р. № 575/97-ВР (1з змшами) [Текст] / Верховна Рада Украши. -Офщ. вид. - К.: Офщшний вюник Украши. - 1997. - № 1. - С. 1.
3. Постанова НКРЕ «Про затвердження Порядку встановлення, перегляду та припинення ди «зеленого» тарифу для суб'ек-ив господарсько!' дiяльностi» вщ 22 ачня 2009 р. № 32. [Текст] / Верховна Рада Украши. Офщ. Вид. Офщшний вюник Украши. - 2009. - № 7. - С. 233.
4. Гелетуха, Г. Г. Сучасний стан та перспективи розвитку бюенергетики в Укршш [Електронний ресурс] / Г. Г. Гелетуха, Т. А. Железна, П. П. Кучерук, 6. М. Олшник // Анаштична записка БАУ. - 2014. - № 9. - С. 32. - Режим доступу: http://www.uabio.org/img/files/docs/position-paper-uabio-9-ua.pdf.
5. Kirjavainen, M. Small- scale biomass CHP technologies situation in Finland, Denmark and Sweden [Electronic resource] / M. Kirjavainen, T. Savola. - Espoo, 2004. - Available at: http://www.opet-chp.net/download/wp2/small_scale_biomass_chp_ technologies.pdf
6. Devi, L. Catalytic removal of biomass tars; Olivine as prospective in-bed catalyst for fluidized-bed biomass [Text] / L. Devi. -Technische Universiteit Eindhoven, 2005. - 142 p.
7. Ulrik, H. The Design, Construction and Operation of a 75 kW Two-Stage Gasifier [Text] / H. Ulrik // ECOS-2003, Copenhagen, Denmark, 2003.
8. Шевченко, Г. Л. Комплексная технология термической переработки биомассы [Текст] / Г. Л. Шевченко, Ю. В. Шишко, Е. В. Кремнева // Техшчна теплофiзика та промислова теплоенергетика: збiрник наукових праць. - 2010. - Вип. 2. -С. 217-227.
9. Пат. 41146 Украша, МПК (2009) B01J 20/20. Споаб газифжацй твердого палива [Текст] / Кремнева К. В., Шевченко Г. Л., Шишко Ю. В., Усенко А. Ю., Кремнев В. Е., Губинський С. М. - заявник та власник патенту Нацюнальна металургшна ака-демiя Украши. - № u 2008 13136; заявл. 12.11.2008; опубл. 12.05.2009, Бюл. № 9.
10. Корчевой, Ю. П. Экологически чистые угольные энерготехнологии [Текст] / Ю. П. Корчевой, А. Ю. Майстренко, А. И. Топал. -К.: Проект "Наукова думка", 2004. - 186 с.
11. Канторович, Б. В. Основы теории горения и газификации твердого топлива [Текст] / Б. В. Канторович. - М.: Издательство академии наук СССР, 1958. - 593 с.
12. Кадышев, В. Г. Расчет рабочего процесса поршневых и комбинированных автотракторных двигателей [Текст] / В. Г. Кады-шев, С. В. Тиунов. - Набережные челны: КамГПИ, 2002. - 62 с.
13. Кремнева, Е. В. Исследование влияния основных параметров паровоздушной газификации древесного угля на качество генераторного газа [Текст] / Е. В. Кремнева, В. Е. Кремнев // Металлургическая теплотехника. - 2005. - Т. 1. -С. 283-292.
14. Дмитроченкова, Э. И. Эксергетический анализ когенерационной установки на базе реконструированного двигателя внутреннего сгорания [Текст] / Э. И. Дмитроченкова // Вюн. Донбасько! нац.акад. будiвн. i арх^ектури. 1нженерш системи та техногенна безпека. -2010. - Вип. 6 (86). - С. 108-116.
-□ □-
В статтi розв'язано задачу оцтю)вання надiйностi роботи електроенергетичног системи при видмовах силового, комутацшного та вторинного обладнання. В якостi показника надiйностi прийнято ризик виник-нення системног авари, що дозволяв оцтити причини авари, сценари гг розвитку та наслидки. Для оцтюван-ня ризику запропоновано iмовiрнiсно-статистичний метод з урахуванням техтчного стану електрооблад-нання системи та стану протиаваршног автоматики Ключовi слова: ризик, iмовiрнiсть, видмова, системна аварiя, системна автоматика, iмовiрнiсно-стати-
стичний метод
□-□
В статье решена задача оценивания надежности работы электроэнергетической системы при отказах силового, коммутационного и вторичного оборудования. В качестве показателя надежности принят риск возникновения системной аварии, что позволяет оценить причины аварии, сценарии её развития и последствия. Для оценивания риска предложен вероятностно-статистический метод с учетом технического состояния электрооборудования системы и состояния противоаварийной автоматики
Ключевые слова:риск, вероятность, отказ, системная авария, системная автоматика, вероятностно-статистический метод -□ □-
УДК 621.311.001.57
[DPI: 10.15587/1729-4061.2014.32043 |
ДОСЛ1ДЖЕННЯ ВПЛИВУ В1ДМОВ ПРОТИАВАР1ЙНОТ АВТОМАТИКИ НА РИЗИК ВИНИКНЕННЯ АВАР1Т В ЕНЕРГОСИСТЕМ1
В. В. Л i т в i н о в
Кандидат техшчних наук, доцент Кафедра гщроенергетики 3anopi3bKa державна шженерна академия пр. Ленша, 226, м. Зaпорiжжя, УкраТна, 69006 E-mail: v.v.litvinov1985@mail.ru
1. Вступ
На сьогодшшнш день електроенергетичш системи (ЕЕС) Украши та шших краш схщно! бвропи пра-
цюють у тяжких умовах, як виникли внаслщок ди наступних фактор1в:
- до 75 % силового, комутацшного та вторинного обладнання повшстю ввдпрацювало свш ресурс;
