Нетрадиционные источники энергии при энергоснабжении автономных потребителей

Расчетный удельный расход тепловой энергии на отопление здания в холодный и переходный периоды года:

Потребность в тепловой энергии на горячее водоснабжение здания

Средний за сутки отопительного периода расход горячей воды (согласно СНиП 2.04.01-85*):

где - норма расхода воды одним потребителем в средние сутки, л/сут чел.

Средняя тепловая нагрузка на горячее водоснабжение в отопительный период:

Максимальный часовой расход тепла на горячее водоснабжение при коэффициенте часовой неравномерности водопотребления :

Средняя тепловая нагрузка на горячее водоснабжение в летний период года:

где - температура холодной водопроводной воды летом;

- температура холодной водопроводной воды зимой.

Годовой расход тепловой энергии на ГВС с учетом выключения системы на ремонт:

Удельная энергоемкость системы горячего водоснабжения здания:

Потребность в электрической энергии

По степени надежности электроснабжения электроприемники дома относятся к I, II категориям. Учет электроэнергии осуществляется на ВРУ. Предусмотрены устройства защитного отключения в щитах.

Расчетная мощность установленных электроприемников:

Годовое электропотребление:

Электропотребление за средние сутки:

Удельное электропотребление:

Общий расчетный расход тепловой энергии на здание:

Общий расход тепловой энергии на здание в отопительный период:

Сведем полученные данные в таблицу 7 потребляемой за год энергии.

Таблица 7

Годовой расход потребяемой энергии

	Тепловая энергия	Электрическая энергия
Жилой дом	1272	2258
Жилой массив (15 домов)	19080	33870
Школа	219	143
Детский сад	273	142

Построим графики изменения тепловых нагрузок в зависимости от изменения температуры наружного воздуха и изменения суммарной тепловой нагрузки в зависимости от продолжительности стояния температуры наружного воздуха.

Поскольку отопительная тепловая нагрузка является сезонной по характеру протекания во времени, то тепловая нагрузка на отопление требуется потребителям теплоты только в течение отопительного периода, то есть когда

Тепловая энергия на горячее водоснабжение необходима потребителям круглогодично. В соответствии с этим определим данные, необходимые для построения графиков.

Для расчетной температуры наружного воздуха:

Для температуры наружного воздуха, соответствующей началу и окончанию отопительного периода:

Для летнего периода:

Данные для построения графика изменения тепловых нагрузок в зависимости от изменения температуры наружного воздуха приведены в таблице 8.

Таблица 8

Данные для построения графика зависимости расхода теплоты на отопление и горячее водоснабжение от наружной температуры

tн	Qh, МВт	Qhw, МВт	?Q, МВт
tн = tнро= - 26 єС	6,76	0,996	7,756
tн = tно = +8 єС	1,77	0,996	2,766
+8 єС < tн +20 єС	0	0,796	0,796

Повторяемость температур наружного воздуха в данных интервалах температур для города Владивостока приведена в таблице 9. Данные приведены в соответствии с [5].



Таблица 9

Повторяемость температур наружного воздуха в данных интервалах температур

Температура	От -29,9 до -25	От -24,9 до -20	От -19,9 до -15	От -14,9 до -10	От -9,9 до -5	От -4,9 до 0	От +0,1 до +5	от +5,1 до +8	Всего часов
Часы	2	87	419	322	850	817	863	964	4324

Данные для построения графика продолжительности работы системы теплоснабжения (графика Россандера) приведены в таблице 10.

Таблица 10. Данные для построения графика продолжительности работы системы теплоснабжения (график Россандера)

tн, єС	n, час	?Q, МВт
-26	89	7,756
-18	419	6,58
-13	322	5,846
-8	850	5,111
-3	817	4,376
2	863	3,641
8	964	2,759
8 < tн ? 20	4076	0,796

Продолжительность отопительного периода: n_o = 4324 часов.

Система теплоснабжения жилых микрорайонов 15 суток в году отключается на испытания и ремонт. Время работы системы централизованного теплоснабжения в течение года:

n_цт = 24* 350= 8400 часов.

График зависимости расхода теплоты на отопление и горячее водоснабжения от наружной температуры и график продолжительности работы системы теплоснабжения (график Россандера) приведены соответственно на рисунках 4.1. и 4.2.

Рисунок 4.1 Зависимость расхода теплоты на отопление и горячее водоснабжение от температуры наружного воздуха

Рисунок 4.2 Продолжительность тепловой нагрузки на отопление и горячее водоснабжение (график Россандера)



5. Моделирование систем на базе традиционных источников энергии

5.1 Использование программной среды TRNSYS для проектирования систем тепло- и электроснабжения автономных потребителей

Преимущества программной среды TRNSYS для расчета и сравнения различных схемных решений

Каждый элемент схем был описан с помощью общеизвестных математических формул. Далее математические модели систем были помещены в программную среду MATHCAD, где были произведены виртуальная настройка и наладка систем, а так же их апробация. Как бы ни был совершенен данный программный продукт, на данном этапе своего развития он позволяет испытывать смоделированные системы лишь при заданных статических климатических данных, что не позволяет адекватно оценить усовершенствование системы тепло- и электроснабжения.

Поэтому моделирование работ установок осуществлялось с использованием современного мощного программного продукта TRNSYS, разработанного в Висконсинском университете (США) и широко используемого зарубежными научными центрами для моделирования работы ветроустановок.

Для построения математической модели работы автономной энергоустановки прежде всего необходимо обеспечить возможность моделирования первичных возобновляемых источников энергии с характерной для них неравномерной генерируемой мощностью в зависимости от географической точки, сезона и времени суток. Для этой цели используется климатическая база среднемесячных данных, созданная в ИВТ РАН на основе обобщения результатов многолетних метеорологических наблюдений на отечественных метеостанциях и спутниковых данных NASA. Реальные климатические условия формируются в формате так называемого типичного метеогода (годовые часовые последовательности интенсивности солнечной радиации, скорости ветра, температуры наружного воздуха и других метеопараметров), что позволяет моделировать работу первичных источников в любой заданной географической точке. Генерация типичного метеогода обеспечивается с помощью современных специализированных программных средств, в качестве одного из которых авторами используется программа TRNSYS, предназначенная для моделирования сложных систем преобразования энергии возобновляемых источников в характерных для них нестационарных режимах работы.

Таким образом, исходные климатические данные максимально приближены к реальным условиям с учетом суточных, сезонных и погодных изменений параметров климата конкретного места предполагаемой эксплуатации установки.

Модульный характер TRNSYS, наличие исходного кода и четких правил описания и связывания модулей определяют открытый характер TRNSYS, позволяя пользователю создавать модули описания собственных элементов и включать их в моделируемые системы, расширяя таким образом возможности среды моделирования. Кроме того, независимой переменной при моделировании не обязательно должно быть время, что дает возможность проводить вариантные расчеты, исследуя поведение квазидинамической системы при изменении соответствующих параметров.

Установка моделируется поэлементно с обеспечением необходимых информационных связей между элементами, отражающих связи физических параметров, описывающих работу отдельных компонентов установки.

Расчетная схема энергоустановки включает в себя как стандартные модули, входящие в поставляемую конфигурацию пакета TRNSYS, так и специально написанные для решения поставленной задачи.

Отопительная тепловая нагрузка в течение отопительного периода меняется следующим образом:

,

где - установленная мощность системы отопления, ;

- расчетная температура воздуха внутри отапливаемых помещений, ;

- температура наружного воздуха, ;

- расчетная температура наружного воздуха, .

Для жилого массива:

;

Для школы:

;

Для детского сада:

Средняя тепловая нагрузка на горячее водоснабжение в отопительный период равна:

Для жилого массива:

;

Для школы:



;

Для детского сада:

Средняя тепловая нагрузка на горячее водоснабжение в летний период равна:Для жилого массива:

;

Для школы:

;

Для детского сада:

Суммарная тепловая нагрузка складывается из тепловой нагрузки на отопление и тепловой нагрузки на горячее водоснабжение. Тогда:

,

где - средняя тепловая нагрузка на ГВС, ,

- отопительная тепловая нагрузка,

Среднегодовая электрическая нагрузка:

- жилой массив:

;

- школа:

;

- детский сад:

.

5.2 Схема системы электроснабжения от дизель-генератора и теплоснабжения от водогрейной котельной

В настоящее время для энергоснабжения автономных потребителей используется система, где электрическая энергия вырабатывается на дизельной электростанции (ДЭС), а тепловая - на водогрейной котельной (ВК).

Централизованное теплоснабжение предпочтительнее для компактного населенного пункта. Выработанное тепло тратится на нужды отопления и горячего водоснабжения.

Предложенная схема изображена на рисунке 5.1.

Рис. 5.1 Тепло- и электроснабжение на базе ДЭС и котельной

Условные обозначения: I -ДЭС; II - котлоагрегат; III -электрогенератор.

Вид схемы в программной среде TRNSYS показан на рисунке 5.2.

Рис. 5.2 Вид схемы в программной среде TRNSYS

Рассмотрим подробнее процессы, происходящие в каждом элементе схемы.

Электрическая мощность, вырабатываемая ДЭС, Вт:

- требуемая электрическая мощность в соответствии с графиком нагрузки потребителей, Вт.

Расход топлива на ДЭС в год, кг/год:

где - количество электроэнергии, которое должно вырабатываться в соответствии с графиком электрической нагрузки потребителей;

- теплотворная способность дизельного топлива;

- КПД ДЭС по выработке электроэнергии.

Тепловая нагрузка, которую должна обеспечивать котельная, равна:

где Qтреб - количество тепловой энергии, необходимое потребителям на отопление и ГВС.

Расход топлива на водогрейной котельной в год, кг/год:

где - годовой отпуск тепловой энергии котельной, Вт;

- КПД котельной установки.

Суммарный расход топлива за год, кг/год:

В результате моделирования были получены следующие результаты.

Изменение температуры наружного воздуха в течение года показано на рисунке 5.3.



Рис. 5.3 График изменения температуры наружного воздуха в течение года

График изменения тепловой нагрузки в течение года показан на рисунке 5.4.

Рис. 5.4 График изменения тепловой нагрузки в течение года

График изменения электрической нагрузки в течение года показан на рисунке 5.5.

Рис. 5.5 График изменения электрической нагрузки в течение года



График изменения расхода топлива в течение года показан на рисунке 5.6.

Рис. 5.6 График изменения расхода топлива на котлоагрегат, ДЭС и общего расхода топлива в течение года

Значения расходов топлива, необходимого для покрытия потребностей потребителей в течение года, приведены в таблице 11.

Таблица 11

Расход дизельного топлива

	Расход топлива, т/год
Котельный агрегат	2277
Дизель-электрический агрегат	7363
Суммарный расход топлива	9640

Графическое отображение полученных результатов по расходам дизельного топлива для традиционного варианта энергоснабжения на базе ДЭС и водогрейной котельной показано на рисунке 5.7.

Рис. 5.7 Расходы дизельного топлива

5.3 Схема системы электроснабжения от дизель-генератора и теплоснабжения от водогрейной котельной с использованием утилизационного тепла дизель-генератора

Предложенная схема изображена на рисунке 5.8.

Рис. 5.8 Тепло- и электроснабжение на базе ДЭС и котельной

Условные обозначения: I -ДЭС; II - утилизация тепла ДЭС; III -электрогенератор; IV - котлоагрегат

Вид схемы в программной среде TRNSYS показан на рисунке 5.9.

Рис. 5.9 Вид схемы в программной среде TRNSYS

Рассмотрим подробнее процессы, происходящие в каждом элементе схемы.

Электрическая мощность, вырабатываемая ДЭС, Вт:



- требуемая электрическая мощность в соответствии с графиком нагрузки потребителей, Вт.

Расход топлива на ДЭС в год, кг/год:

где - количество электроэнергии, которое должно вырабатываться в соответствии с графиком электрической нагрузки потребителей;

- теплотворная способность дизельного топлива;

- КПД ДЭС по выработке электроэнергии.

Тепловая нагрузка, которую должна обеспечивать котельная, равна:

где Qтреб - количество тепловой энергии, необходимое потребителям на отопление и ГВС;

- количество тепловой энергии, получаемой от утилизации в ДЭС.

Расход топлива на водогрейной котельной в год, кг/год:

где - годовой отпуск тепловой энергии котельной, Вт;

- КПД котельной установки.

Суммарный расход топлива за год, кг/год:

В результате моделирования были получены следующие результаты.

График изменения тепловой нагрузки в течение года показан на рисунке 3.10.

Рис. 5.10 График изменения тепловой нагрузки в течение года

График изменения расхода топлива в течение года показан на рисунке 5.11.

Рис. 5.11 График изменения расхода топлива на котлоагрегат, ДЭС и общего расхода топлива в течение года

Значения расходов топлива, необходимого для покрытия потребностей потребителей в течение года, приведены в таблице 12.



Таблица 12

Расход дизельного топлива

	Расход топлива, т/год
Котельный агрегат	85
Дизель-электрический агрегат	7363
Суммарный расход топлива	7448

Графическое отображение полученных результатов по расходам дизельного топлива для традиционного варианта энергоснабжения на базе ДЭС с утилизацией теплоты и водогрейной котельной показано на рисунке 5.12.

Рис. 5.12 Расходы дизельного топлива

Экономия дизельного топлива по сравнению с предыдущей схемой:

- на котельный агрегат:

то есть расход топлива сокращается на 96%;

- общая экономия топлива:



то есть расход топлива сокращается на 22,7%.

Таким образом, установка ВЭУ позволяет значительно сократить расход топлива на котлоагрегат (на 96%) и в целом сэкономить 22,7% расходуемого топлива по сравнению с расходом топлива в схеме энергоснабжения без утилизации тепла ДЭС.



6. Моделирование систем на базе энергии ветра

6.1 Схема системы тепло- и электроснабжения на базе ветроэлектрической установки и котельной

Предложена схема с использованием ветроэлектрических станций на цели тепло- и электроснабжения. Она изображена на рис. 4.1. Система состоит из ветроустановки I с электрогенератором II. В качестве резервного источника электроснабжения выступает дизель-электрический агрегат IV. Обеспечение потребителей тепловой энергией на нужды ГВС и отопления осуществляется от котельной установки III, работающей на дизельном топливе.

Преимуществами системы являются применение серийного ветроэлектрооборудования, а также отказ от наружной прокладки тепловой сети, что снижает потери тепла.

Рис. 6.1 Тепло- и электроснабжение на базе ветроэлектроустановки и котельной

Условные обозначения: I - ветроустановка; II - генератор; III - котлоагрегат; IV - резервный источник электроснабжения (ДЭС).



Вид схемы в программной среде TRNSYS показан на рисунке 6.2.

Рис. 6.2 Вид схемы в программной среде TRNSYS

Рассмотрим подробнее процессы, происходящие в каждом элементе схемы.

Ветряк приводится в действие ветром, который в свою очередь вращает ротор генератора. Вращаясь ротор генератора создаёт трёхфазный переменный ток, который передаётся на электроснабжение потребителей. В данной схеме используются 6 ветроэлектрических агрегатов, мощностью 1 МВт каждый.

Для обеспечения надежной работы систем энергоснабжения помимо ВЭУ в схеме предусмотрена дизель-электрическая станция. Одной из особенностей работы ДЭС является необходимость постоянной работы дизельного агрегата при техническом минимуме нагрузки, что ведет к пережогу топлива и сбросу выработанной электроэнергии на балластных сопротивлениях. Для ДЭС, предусмотренной в схеме Электрическая мощность, вырабатываемая ДЭС, Вт:

Расход топлива на ДЭС в год, кг/год:

Где

- доля покрытия электрической нагрузки от ветроэлектрической установки;

- количество электроэнергии, которое должно вырабатываться в соответствии с графиком нагрузки;

- теплотворная способность дизельного топлива;

- КПД ДЭС по выработке электроэнергии.

Тепловая нагрузка, которую должна обеспечивать котельная, равна:

где Qтреб - количество тепловой энергии, необходимое потребителям на отопление и ГВС.

Расход топлива на водогрейной котельной в год, кг/год:

где - годовой отпуск тепловой энергии котельной, Вт;

- КПД котельной установки.

Суммарный расход топлива за год, кг/год:

В результате моделирования были получены следующие результаты.

Изменение температуры наружного воздуха в течение года показано на рисунке 6.3.

Рис. 6.3 График изменения температуры наружного воздуха и скорости ветра для рассматриваемого региона

Изменение тепловой нагрузки в течение года показано на рисунке 6.4.

Рис. 6.4 График изменения тепловой нагрузки в течение года

Изменение электрической нагрузки в течение года показано на рисунке 6.5.

Рис. 6.5 График изменения электрической нагрузки в течение года

Изменение расхода топлива в течение года показано на рисунке 6.6.

Рис. 6.6 График изменения расхода топлива на котлоагрегат, ДЭС и общего расхода топлива в течение года

Значения расходов топлива, необходимого для покрытия потребностей потребителей в течение года, приведены в таблице 13.

Таблица 13

Расход дизельного топлива

	Расход топлива, т/год
Котельный агрегат	2277
Дизель-электрический агрегат	5782
Суммарный расход топлива	8059

Графическое отображение полученных результатов по расходам дизельного топлива для варианта энергоснабжения на базе ДЭС, ВЭУ и водогрейной котельной показано на рисунке 6.7.

Рис. 6.7 Расходы дизельного топлива

Для того, чтобы оценить эффективность установки ВЭУ, определим экономию топлива по сравнению со схемой №1.

Экономия дизельного топлива:

- на котельный агрегат:

- на ДЭС:

то есть расход топлива сокращается на 21,5%;

- общая экономия топлива:

то есть расход топлива сокращается на 21,5%.

Таким образом, установка ВЭУ позволяет сэкономить 21,5% расходуемого топлива по сравнению с расходом топлива в традиционной схеме энергоснабжения.

6.2 Схема системы тепло- и электроснабжения на базе ветроэлектрической установки и котельной с утилизацией теплоты ДЭС

Предложена схема с использованием ветроэлектрических станций на цели тепло- и электроснабжения. Она изображена на рис. 4.8. Система состоит из ветроустановки I с электрогенератором II, причем помимо электрического генератора выработка электрической энергии осуществляется в дизель-электрическом агрегате IV с утилизацией выделяющейся теплоты, который выступает в качестве резервного источника электроснабжения (поскольку ВЭУ не может полностью обеспечить круглогодичные нужды потребителей в электрической энергии). Обеспечение потребителей тепловой энергией на нужды ГВС и отопления осуществляется от котельной установки III, работающей на дизельном топливе (учитывая дополнительный подогрев сетевой воды от ДЭС).

Преимуществами системы являются применение серийного ветроэлектрооборудования, а также отказ от наружной прокладки тепловой сети, что снижает потери тепла.

Рис. 6.8 Тепло- и электроснабжение на базе ветроэлектроустановки и котельной

Условные обозначения: I - ветроустановка; II - генератор; III - котлоагрегат; IV - резервный источник электроснабжения (ДЭС) с утилизацией.

Вид схемы в программной среде TRNSYS показан на рисунке 6.9.

Рис. 6.9 Вид схемы в программной среде TRNSYS

Рассмотрим подробнее процессы, происходящие в каждом элементе схемы.

Ветряк приводится в действие ветром, который в свою очередь вращает ротор генератора. Вращаясь ротор генератора создаёт трёхфазный переменный ток, который передаётся на электроснабжение потребителей. В данной схеме используются 6 ветроэлектрических агрегатов, мощностью 1 МВт каждый.

Для обеспечения надежной работы систем энергоснабжения помимо ВЭУ в схеме предусмотрена дизель-электрическая станция. Одной из особенностей работы ДЭС является необходимость постоянной работы дизельного агрегата при техническом минимуме нагрузки, что ведет к пережогу топлива и сбросу выработанной электроэнергии на балластных сопротивлениях. Для ДЭС, предусмотренной в схеме

Электрическая мощность, вырабатываемая ДЭС, Вт:

Расход топлива на ДЭС в год, кг/год:

где - доля покрытия электрической нагрузки от ветроэлектрической установки;

- количество электроэнергии, которое должно вырабатываться в соответствии с графиком нагрузки;

- теплотворная способность дизельного топлива;

- КПД ДЭС по выработке электроэнергии.

Тепловая нагрузка, которую должна обеспечивать котельная, равна:

где Qтреб - количество тепловой энергии, необходимое потребителям на отопление и ГВС;

- количество тепловой энергии, получаемой от утилизации в ДЭС.

Расход топлива на водогрейной котельной в год, кг/год:

где - годовой отпуск тепловой энергии котельной, Вт;

- КПД котельной установки.

Суммарный расход топлива за год, кг/год:

В результате моделирования были получены следующие результаты.

Изменение тепловой нагрузки в течение года показано на рисунке 6.10.

Рис. 6.10 График изменения тепловой нагрузки в течение года

Изменение электрической нагрузки в течение года показано на рисунке 6.11.

Рис. 6.11 График изменения электрической нагрузки в течение года

Изменение расхода топлива в течение года показано на рисунке 6.12.

Рис. 6.12 График изменения расхода топлива на котлоагрегат, ДЭС и общего расхода топлива в течение года

Значения расходов топлива, необходимого для покрытия потребностей потребителей в течение года, приведены в таблице 14.

Таблица 14

Расход дизельного топлива

	Расход топлива, т/год
Котельный агрегат	450
Дизель-электрический агрегат	5782
Суммарный расход топлива	6232

Графическое отображение полученных результатов по расходам дизельного топлива для варианта энергоснабжения на базе ДЭС, ВЭУ и водогрейной котельной показано на рисунке 6.13.

Рис. 6.13 Расходы дизельного топлива

Для того, чтобы оценить эффективность установки ВЭУ, определим экономию топлива по сравнению со схемой №1.

Экономия дизельного топлива:

- на котельный агрегат:

то есть расход топлива сокращается на 80,2%;

- на ДЭС:

то есть расход топлива сокращается на 21,5%;

- общая экономия топлива:

то есть расход топлива сокращается на 35,4%.

Таким образом, установка ВЭУ позволяет сэкономить 35,4% расходуемого топлива по сравнению с расходом топлива в традиционной схеме энергоснабжения и значительно уменьшить расход топлива на котлоагрегат (на 80,2%).

Для того, чтобы оценить эффективность утилизации теплоты, определим экономию топлива по сравнению с предыдущей схемой.

- на котельный агрегат:

то есть расход топлива сокращается на 80, 2%;

- на ДЭС:

- общая экономия топлива:

то есть расход топлива сокращается на 22,7%.

Таким образом, утилизация теплоты позволяет сэкономить 22,7% расходуемого топлива по сравнению с расходом топлива в схеме без утилизации и значительно уменьшить расход топлива на котлоагрегат (на 80,2%).

6.3 Схема системы электроснабжения на базе ветрокомпрессорной установки с бескомпрессорной газовой турбиной и теплоснабжения от котельной

В предлагаемой схеме (она изображена на рис. 4.14.) ветроустановка I вращает вал компрессора II. Сжатый воздух проходит через регенеративный подогреватель III, затем поступает в камеру сгорания IV, где нагревается за счет сжигания топлива, и поступает в свободную газовую турбину V. Турбина механически связана с генератором VII, работающим на электрическую сеть. Резервным источником электроснабжения выступает дизель-электрическая станция VI. В данной схеме обеспечение потребителей тепловой энергией на нужды отопления и ГВС осуществляется от котельной установки VIII, работающей на дизельном топливе, то есть отпуск тепловой и электрической энергии не связаны между собой.

Рис. 6.14 Тепло- и электроснабжение на базе ветрокомпрессорной установки с бескомпрессорной газовой турбиной

Условные обозначения: I - ветроустановка; II - компрессор; III - регенеративный подогреватель; VI - камера сгорания; V - газовая турбина; VI - ДЭС; VII -электрогенератор; VIII - котлоагрегат; ОГ - отходяшие газы; УГ- уходящие газы.

Вид схемы в программной среде TRNSYS показан на рисунке 6.15.

Рис. 6.15 Вид схемы в программной среде TRNSYS

Процесс цикла в T-S диаграмме для воздуха представлен на рис. 6.16.

Рис. 6.16 Энергетические процессы в T-S диаграмме

Процесс 1-2 - сжатие воздуха в ВКУ. Процесс 6-3 - нагрев сжатого воздуха в камере сгорания с затратами топлива. Процесс 3-4 - расширение воздуха в свободной турбине и отвод механической энергии. В регенеративном подогревателе происходит утилизация теплоты отходящих от турбины газов (процесс 4-5) и передача этой теплоты сжатому воздуху после компрессора (процесс 2-6), что позволяет снизить расход топлива в камере сгорания.

Рассмотрим подробнее процессы, происходящие в элементах схемы.

Ветряк вращается под действием ветра, и в свою очередь приводит в действие воздушный компрессор. В данной схеме используются 6 ветроэлектрических агрегатов, мощностью 1 МВт каждый.

Работа сжатия в компрессоре равна, Дж/кг:

где - показатель политропы для воздуха;

- универсальная газовая постоянная для воздуха;

- температура воздуха на всасе (температура наружного воздуха), К;

- степень сжатия в компрессоре;

- адиабатный КПД компрессора.

Расход сжатого воздуха, кг/с:

.

Температура сжатого воздуха на выходе из компрессора, К:

где - массовая теплоемкость воздуха.

После компрессора воздух попадает в регенеративный подогреватель, где получает теплоту от отходящих от турбины газов.

Количество теплоты, переданное газами воздуху, Вт:

где - температура продуктов сгорания после газовой турбины, К;

- температура продуктов сгорания после регенеративного теплообменника, К.

Температура воздуха на выходе из регенеративного подогревателя, К:

Затем поток воздуха поступает в камеру сгорания.

Расход топлива в камере сгорания, кг/с:

где - температура продуктов сгорания перед газовой турбиной;

- теплотворная способность дизельного топлива.

Работа расширения в газовой турбине:

где - адиабатный КПД турбины.

Температура продуктов сгорания после газовой турбины, К:

Мощность, вырабатываемая электрогенератором, связанным с ГТУ, Вт:

В качестве резервного источника элекроснабжения в схеме предусмотрена дизель-электрическая станция.

Электрическая мощность, вырабатываемая ДЭС:

Расход топлива на ДЭС в год, кг/год:

где - доля покрытия электрической нагрузки от ветроэлектрической установки;

- количество электроэнергии, которое должно вырабатываться;

- КПД дизель-электростанции по выработке электроэнергии.

Тепловая нагрузка, которую должна обеспечивать котельная, равна:

где Qтреб - количество тепловой энергии, необходимое потребителям на отопление и ГВС.

Расход топлива на водогрейной котельной в год, кг/год:

где - годовой отпуск тепловой энергии котельной, Вт;

- КПД котельной установки.

Суммарный расход топлива за год, кг/год:

В результате моделирования были получены следующие результаты.

Изменение тепловой нагрузки в течение года показано на рисунке 6.17.

Рис. 6.17 График изменения тепловой нагрузки в течение года

Изменение электрической нагрузки в течение года показано на рисунке 6.18.

Рис. 6.18 График изменения электрической нагрузки в течение года

Изменение расхода дизельного топлива в течение года показано на рисунке 6.19.

Рис. 6.19 График изменения расхода топлива на КА, ДЭС, ГТУ и общего расхода топлива в течение года

Значения расхода топлива, необходимого для покрытия потребностей потребителей в течение года, приведены в таблице 15.

Таблица 15

Расход дизельного топлива

	Расход топлива, т/год
Котельный агрегат	2277
Дизель-электрический агрегат	5447
ГТУ	699
Суммарный расход топлива	8424

Графическое отображение полученных результатов по расходам дизельного топлива для варианта энергоснабжения на базе ДЭС, ветрокомпрессорной установки, ГТУ и водогрейной котельной показано на рисунке 6.20.

Рис. 6.20 Расходы дизельного топлива

Для того, чтобы оценить эффективность данной схемы, определим экономию топлива по сравнению с традиционной схемой.

Экономия дизельного топлива:

- на котлоагрегат:

- на ДЭС:

то есть расход топлива сокращается на 26%;

- общая экономия топлива:

то есть расход топлива уменьшился на 12,6%.

Таким образом, данная схема позволяет сократить расход дизельного топлива на ДЭС (на 26%), но в то же время появляется расход топлива на ГТУ, и в результате суммарный расход топлива уменьшается на 12,6% по сравнению с традиционной схемой.

Чтобы улучшить данную схему и более полно использовать все ее возможности, применяют утилизацию теплоты для подогрева сетевой воды (что будет показано в следующей схеме).

6.4 Схема системы тепло- и электроснабжения на базе ветрокомпрессорной установки с бескомпрессорной газовой турбиной (с использованием утилизации теплоты для подогрева сетевой воды)

В данной схеме (она изображена на рис. 4.21.) ветроустановка I вращает вал компрессора II, который сжимает воздух. Сжатый воздух проходит через регенеративный подогреватель III, затем поступает в камеру сгорания IV, где нагревается за счет сжигания топлива, и поступает в газовую турбину V. Отходящие от турбины газы поступают в регенератор III, затем охлажденные газы направляются в котел-утилизатор IX, который является подогревателем сетевой воды. Турбина механически связана с генератором VII, работающим на электрическую сеть. Резервным источником электроснабжения является дизель-электрическая станция VI с утилизацией - системой охлаждения VIII, где происходит подогрев сетевой воды. Резервным источником тепловой энергии является котельная установка X, работающая на дизельном топливе.

Температурный график тепловой сети, как и в случае с ветроГТУ без утилизации, имеет температуру прямой воды, равную 90єC, температуру обратной - 70єC.

Рис. 6.21 Схема тепло- и электроснабжения на базе ветрокомпрессорной установки с бескомпрессорной газовой турбиной

Условные обозначения: I - ветроустановка; II - компрессор; III - регенеративный подогреватель; IV- камера сгорания; V -газовая турбина; VI -ДЭС; VII -электрогенератор; VIII -система охлаждения ДЭС; IX- котел-утилизатор; X- котлоагрегат; ОГ - отходяшие газы; УГ- уходящие газы.

Вид схемы в программной среде TRNSYS показан на рисунке 4.22.

Рис. 6.22 Вид схемы в программной среде TRNSYS

Процесс цикла в T-S диаграмме для воздуха представлен на рис. 6.23.

Рис. 6.23 Энергетические процессы в T-S диаграмме

Процесс 1-2 - сжатие воздуха в ВКУ. Процесс 7-3 - нагрев сжатого воздуха в камере сгорания с затратами топлива. Процесс 3-4 - расширение воздуха в газовой турбине и отвод механической энергии. В регенеративном подогревателе происходит утилизация теплоты отходящих от турбины газов (процесс 4-5) и передача этой теплоты сжатому воздуху после компрессора (процесс 2-7), что позволяет снизить расход топлива в камере сгорания. Утилизация теплоты отходящих газов для системы теплоснабжения происходит в процессе 6-1.

Предложенный в работе способ получения электрической и тепловой энергии с помощью ветрокомпрессорных установок позволяет сэкономить значительное количество топлива. Рассмотрим подробнее процессы, происходящие в элементах схемы.

Как и в предыдущих схемах, в данной схеме используются 6 ветроэлектрических агрегатов, мощностью 1 МВт каждый.

Ветряк приводит в действие воздушный компрессор.

Работа сжатия в компрессоре описывается уравнением, Дж/кг:

где - показатель политропы для воздуха;

- универсальная газовая постоянная для воздуха;

- температура воздуха на всасе (температура наружного воздуха), К;

- степень сжатия в компрессоре;

- адиабатный КПД компрессора.

Расход сжатого воздуха, кг/с:

.

Температура сжатого воздуха на выходе из компрессора, К:

где - массовая теплоемкость воздуха.

Количество теплоты, переданное газами воздуху в регенеративном теплообменнике, Вт:

где - температура продуктов сгорания после газовой турбины, К;

- температура продуктов сгорания после регенеративного теплообменника, К.

Температура воздуха на выходе из регенеративного подогревателя, К:

Затем поток воздуха поступает в камеру сгорания.

Расход топлива в камере сгорания, кг/с:

где - температура продуктов сгорания перед газовой турбиной;

- теплотворная способность дизельного топлива.

Работа расширения в газовой турбине, Дж/кг:

где - адиабатный КПД турбины.

Мощность, вырабатываемая электрогенератором, связанным с ГТУ, Вт:

Температура продуктов сгорания после газовой турбины, К:

После газовой турбины продукты сгорания поступают в регенеративный подогреватель, где охлаждаются до температуры , а затем проходят через котел-утилизатор, который является подогревателем сетевой воды, где охлаждаются до температуры

Количество теплоты, переданное воде отходящими газами, равно:

В качестве резервного источника электроснабжения в схеме предусмотрена дизель-электрическая станция.

Электрическая мощность, вырабатываемая ДЭС, Вт:

Расход топлива на ДЭС в год, кг/год:

где - доля покрытия электрической нагрузки от ветроэлектрической установки;

- количество электроэнергии, которое должно вырабатываться в соответствии с графиком нагрузки;

- КПД дизель-электростанции по выработке электроэнергии.

Тепловая нагрузка, которую должна обеспечивать котельная, равна:

где Qтреб - количество тепловой энергии, необходимое потребителям на отопление и ГВС;

- количество тепловой энергии, получаемой от утилизации в ДЭС, Вт;

- теплота, отданная отходящими газами после регенератора, Вт.

Расход топлива на водогрейной котельной в год, кг/год:

где - годовой отпуск тепловой энергии котельной, Вт;

- КПД котельной установки.

Суммарный расход топлива за год, кг/год:

В результате моделирования были получены следующие результаты.

Изменение тепловой нагрузки в течение года показано на рисунке 6.24.

Изменение электрической нагрузки в течение года показано на рисунке 4.25.

Рис. 6.24 График изменения тепловой нагрузки в течение года

Рис. 6.25 График изменения электрической нагрузки в течение года

Изменение расхода топлива в течение года показано на рисунке 6.26.

Рис. 6.26 График изменения расходов топлива на КА, ДЭС, ГТУ и общего расхода топлива в течение года

Значения расхода топлива, необходимого для покрытия потребностей потребителей в течение года, приведены в таблице 16.

Таблица 16

Расход дизельного топлива

	Расход топлива, т/год
Котельный агрегат	261
Дизель-электрический агрегат	5447
ГТУ	699
Суммарный расход топлива	6408

Для того, чтобы оценить эффективность данной схемы, определим экономию топлива по сравнению с традиционной схемой.

Экономия дизельного топлива:

- на котельный агрегат:

то есть расход топлива сокращается на 88,5%;

- на ДЭС:

то есть расход топлива сокращается на 26%;

- общая экономия топлива:

то есть расход топлива сокращается на 33,5%.

Таким образом, данная схема энергоснабжения позволяет сэкономить 33,5% расходуемого топлива по сравнению с расходом топлива в традиционной схеме энергоснабжения.

Для того, чтобы оценить эффективность утилизации теплоты, определим экономию топлива по сравнению с предыдущей схемой.

Экономия дизельного топлива:

- на котельный агрегат:

то есть расход топлива сокращается на 88,5%;

- на ДЭС:

- на ГТУ:

-суммарная экономия топлива:

то есть расход топлива сокращается на 88,5%.

Таким образом, данная схема энергоснабжения позволяет сэкономить 88,5% расходуемого топлива по сравнению с расходом топлива в схеме без использования утилизации.

Графическое отображение полученных результатов по расходам дизельного топлива для варианта энергоснабжения на базе ветрокомпрессорной установки, ГТУ, ДЭС и водогрейной котельной с утилизацией теплоты показано на рисунке 6.27.

Рис. 6.27 Расходы дизельного топлива



Заключение

В работе проведено вычисление расхода топлива, требуемого для удовлетворения потребностей тепло- и электроснабжения поселка городского типа, расположенного в условиях города Владивостока.

Были рассмотрены 6 схем энергоснабжения потребителей:

Ш электроснабжение от ДЭС и теплоснабжение от водогрейной котельной;

Ш электроснабжение от ДЭС и теплоснабжение от водогрейной котельной с использованием утилизации теплоты ДЭС;

Ш электроснабжение от ВЭУ, в качестве резервного источника - ДЭС и теплоснабжение от водогрейной котельной;

Ш электроснабжение от ВЭУ, в качестве резервного источника - ДЭС и теплоснабжение от водогрейной котельной с использованием утилизационного тепла ДЭС;

Ш электроснабжение от ветрокомпрессорной установки, в качестве резервного источника - ДЭС и теплоснабжение от водогрейной котельной;

Ш электроснабжение от ветрокомпрессорной установки, в качестве резервного источника - ДЭС и теплоснабжение от водогрейной котельной с использованием утилизации теплоты.

Данные схемы сравнивались по расходу топлива, необходимого для обеспечения потребителей тепловой и электрической энергией.

В результате выявлено, что наименьшие расходы топлива - в схеме с использованием для производства электрической энергии ВЭУ и ДЭС (в качестве резервного источника) с утилизацией теплоты и водогрейного котлоагрегата для производства тепловой энергии и в схеме тепло- и электроснабжения на базе ветрокомпрессорной установки с бескомпрессорной газовой турбиной с использованием утилизации теплоты. А наименьшая экономия топлива по сравнению с традиционной схемой - в схеме с использованием сжатого воздуха и бескомпрессорной газовой турбиной без утилизации теплоты отходящих газов и теплоты ДЭС.

Предложенные в работе способы получения электрической и тепловой энергии с использованием энергии ветра позволяют сэкономить значительное количество топлива, необходимого для энергоснабжения автономных потребителей. Экономия топлива позволяет не только снизить денежные затраты на производство энергии для труднодоступных районов с ограниченным количеством собственных энергоресурсов, но, что достаточно важно, приводит к уменьшению вредных выбросов, а это в свою очередь ведет к улучшению экологической обстановки в конкретном регионе и в мире в целом.

В таблице 17 приведены значения расходов дизельного топлива на котлоагрегат, дизель-электрический агрегат и общий расход топлива для рассмотренных схем.

Таблица 17

Значения расходов дизельного топлива для различных схем

Схема	ДЭС+КА	ДЭС+утил +КА	ВЭУ+ ДЭС+ КА	ВЭУ+ ДЭС+утил+ КА	ВКУ+ДЭС +КА	ВКУ+ ДЭС+утил+ КА
Расход топлива, т/год
На котлоагрегат	2277	85	2277	450	2277	261
На ДЭС	7363	7363	5782	5782	5447	5447
Суммарный расход	9640	7448	8059	6232	8424	6408

Графическое отображение полученных результатов по расходам дизельного топлива для различных вариантов энергоснабжения показано на рисунке 1.

Рис. 1. Сопоставление различных схем тепло- и электроснабжения

Условные обозначения:

ДЭС - дизель-электрическая станция;

КА - котлоагрегат;

ДЭС+утил - ДЭС с утилизацией;

ВЭУ - ветроэлектрическая установка;

ВКУ - ветрокомпрессорная установка.

При выборе конкретного способы энергоснабжения необходима следующая информация:

· климатические параметры региона по температуре и скорости ветра;

· количество жителей населенного пункта;

· существующие системы электро- и теплоснабжения, их характеристики и состояние, виды и расход топлива, а также способы их доставки.

В результате возможно:

· выбрать схему энергоснабжения;

· подобрать оборудование по типам и мощностям;

· рассчитать годовую экономию топлива;

· получить экономическую оценку проекта.



Список литературы

1. СНиП 23.01-99*. Строительная климатология / Госстрой России. - М.: ГУП ЦПП, 2005.

2. СНиП 2.04.01-85*. Внутренний водопровод и канализация зданий/ Госстрой России - М.: ГУП ЦПП, 2000.

3. СНиП 31-05-2003. Общественные здания административного назначения

4. СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий

5. Манюк В.И., Каплинский Я.И., Хиж Э.Б, Манюк А.И., Ильин В.К. «Наладка и эксплуатация водяных тепловых сетей»

6. Дж. Твайделл, А. Уэйр «Возобновляемые источники энергии»

7. World Wind Energy Association (WWEA) (Всемирная ассоциация ветроэнергетики)

8. «Ветроэнергетика Европы в 2007 году»

9. «Мировая ветроэнергетика в 2007 году»

10. http://www.riarealty.ru/ru/article/34636.html

11. http://www.wind-energie.de/en/wind-energy-in-germany/overview

12. «Wind Energy Could Reduce CO2 emissions 10B Tons by 2020» (article) («Ветроэнергетика может снизить выбросы СО₂ на 10В тонн к 2020 году»)

13. Энергетический портал. Вопросы производства, сохранения и переработки энергии

14. «Wind Power - clean and reliable» («Энергия ветра - чистая и надежная»)

15. «Wind Energy and Wildlife: The Three C's» («Ветроэнергетика и природа - три С»)

16. «Mathematical model of the system on the basis of wind-driven compressors for heat and electric power generation» Кухарцев В.В.

Размещено на Allbest.ru