авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Разработка системы управления энергокомплексом на базе гелиоустановки

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Петренко Владимир Николаевич

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГОКОМПЛЕКСОМ
НА БАЗЕ ГЕЛИОУСТАНОВКИ

Специальности:

05.13.06 – Автоматизация и управление технологическими процессами

и производствами (промышленность)

05.14.08 – Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2011

Работа выполнена на кафедре «Техническая кибернетика и автоматика» Московского государственного университета инженерной экологии и на кафедре «Инженерная экология, общая и неорганическая химия» Сочинского государственного университета.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Садилов Павел Васильевич
Научный консультант: доктор технических наук, доцент Мокрова Наталия Владиславовна
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Смирнов Владимир Николаевич; доктор технических наук, профессор Виссарионов Владимир Иванович
Ведущая организация: Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, г. Белгород

Защита состоится «22» декабря 2011 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212.145.02 при Московском государственном университете инженерной экологии по адресу: 105066, г. Москва, ул. Старая Басманная, д. 21/4, (ауд. В-23).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета инженерной экологии.

Автореферат разослан « ___ » _______________ 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

д.т.н., доцент Н.В. Мокрова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Расширенное строительство жилых домов и объектов инфраструктуры требуют подвода значительных электроэнергетических и тепловых мощностей при существующем их дефиците. Существующие недостатки в энергоснабжении, недостаток традиционных энергоресурсов и их постоянно растущая стоимость, а также негативное воздействие от их сжигания на окружающую среду, могут быть компенсированы за счёт внедрения и массового использования в условиях субтропического климата солнечных энергетических установок на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

Актуальность диссертационной работы обусловлена необходимостью уменьшения дефицита тепловой энергии, снижения экологического воздействия энергоустановок в городских условиях субтропического региона, повышения эффективности теплоснабжения жилых и промышленных объектов, а также уменьшения тепловых выбросов в окружающую среду.

Рядом отечественных авторов на протяжении последних десятилетий (Амерханов Р.А., Бутузов В.А., Безруких П.П., Попель О.С. и другие) были разработаны промышленные конструкции установок, использующие лучистую энергию Солнца для нагрева воды, которые используются как в южных регионах России и зарубежья, так и в широтах Москвы. Это, как правило, единичные установки, работающие на локального потребителя и не рассчитанные на совместную работу с существующими сетями традиционного теплоснабжения. Одним их важных факторов, сдерживающих применение ВИЭ, является отсутствие отработанной системы автоматики, обеспечивающей их эффективное использование в сочетании с традиционными источниками энергии. Одному из возможных вариантов решения этого вопроса на основе использования гелиоустановок горячего водоснабжения посвящена настоящая работа.

Диссертация является результатом исследований автора, которые проводились в ходе работ по заказу Федерального агентства по образованию России в период 2003 – 2007 гг., в рамках реализации Федеральной целевой программы (ФЦП) «Развитие г. Сочи как горноклиматического курорта» (2006 – 2012 гг.).

Целью диссертационной работы является разработка системы управления теплоэнергокомплексом (ТЭК) на базе гелиоустановки, рассчитанным на совместную работу с существующими и проектируемыми сетями централизованного и местного теплоснабжения традиционного типа.

Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:

  • разработка и практическая реализация реверсивного режима работы автоматизированной гелиоустановки совместно с централизованной теплосетью населённого пункта, обеспечивающего повышение коэффициента ассимиляции солнечной энергии с уменьшением теплового загрязнения окружающей среды;
  • построение системы управления ТЭК на базе гелиоустановки и разработка алгоритма её работы с учётом сезонных, суточных изменений параметров солнечного сияния и тепловых нагрузок, а также технологических особенностей существующих теплосетей;
  • исследование экологических и технико-экономических факторов, влияющих на эффективность работы гелиоустановки в городских условиях;
  • проведение расчётно-теоретических и экспериментальных исследований по моделированию компонентов технологических режимов управления гелиоустановкой;
  • реализация двухуровневой системы управления ТЭК на базе гелиоустановки;
  • методика экспериментальных исследований микропроцессорного управления реверсивным режимом теплообмена теплоэнергокомплекса с блоком компьютерной накопления и обработки статистической информации.

Методы исследования основаны на положениях теории моделирования и идентификации систем, статистическом анализе экспериментальных данных, положениях опытно-теоретического метода испытания систем автоматизации, общих закономерностях расчетов параметров и режимов энергетических комплексов на основе ВИЭ.

Достоверность и обоснованность результатов подтверждается применением современных методов исследования с использованием аналитических подходов и аналого-цифровых компьютеризованных систем измерений контролируемых параметров, корреляцией расчётных и экспериментальных данных.

Научная новизна состоит в структурном синтезе четырехконтурной системы управления гелиоустановкой и обеспечении её реверсивной работы в составе действующей системы городского водоснабжения, основными моментами реализации новизны являются:

  • алгоритм совместной эксплуатации существующей системы теплоснабжения жилых и промышленных объектов, построенный на основе анализа особенностей теплового режима гелиоустановок;
  • автоматизированный реверсный режим совместной работы ТЭК на базе гелиоустановки с сетями централизованного и местного теплоснабжения традиционного типа;
  • четырёхконтурная схема управления передачей тепла, обеспечивающая повышение эффективности работы гелиоустановки совместно с теплосетью;
  • экспериментальный теплоэнергокомплекс на базе гелиоустановки с блоком компьютерной обработки статистической информации, реализующий предложенный реверсивный режим теплообмена;
  • методика экспериментальных исследований факторов, влияющих на технико-экономические параметры эксплуатации установки.

Практическая ценность исследования:

  • синтезирован опытно-промышленный автоматизированный теплоэнергокомплекс горячего водоснабжения на базе гелиоустановки, сопряжённый с существующей городской теплосетью через теплообменник, схема подключения которого обеспечивает реверсивный режим работы;
  • разработана и внедрена в опытно-промышленную эксплуатацию система автоматического микропроцессорного управления с блоком компьютерной обработки информации, позволяющая выполнять комплекс научных исследований установок аналогичного типа;
  • внедрена система управления, позволяющая снизить годовое потребление тепла от традиционных источников на 60 %, предотвратить вредные и тепловые выбросы в окружающую среду, повысить надёжность и безаварийность работы ТЭК в целом, а также энергоснабжения объекта управления;
  • предложена схема реверсивного теплообмена, обеспечивающая повышение экономической эффективности работы солнечной коллекторной установки горячего водоснабжения (СКУ ГВС) за счёт снижения стоимости вырабатываемой тепловой энергии;
  • исследовано влияние сезонных, суточных и погодных колебаний количества солнечной энергии и смога на эффективность работы систем управления гелиоустановкой.

Практическая ценность подтверждена внедрением разработанных системы управления и алгоритмов при проектировании и внедрении промышленного ТЭК горячего водоснабжения на базе гелиоустановки для учебных корпусов Сочинского государственного университета (СГУ); спортзала Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова (БГТУ). Результаты работы могут быть использованы для проектирования и внедрения гелиотехнических энергетических систем. Основные результаты работы используются в учебном процессе СГУ и БГТУ им. В.Г. Шухова. Получено Свидетельство о государственной регистрации программы управления технологическим процессором.

Положения, выносимые на защиту:

  • четырехконтурная схема реверсивной параллельной работы системы горячего водоснабжения нового поколения с городской теплосетью в условиях субтропиков для диверсификации теплоснабжения;
  • система автоматизированного управления ТЭК, позволяющая реализовать исследование установок аналогичного типа на базе статистической информации;
  • теоретическое обоснование и алгоритм микропроцессорного управления технологическими процессами при реверсивной параллельной работе с теплосетью;
  • результаты экспериментальных исследований гелиоустановки по оценке энергетической безопасности в условиях реверсивной работы с теплосетью;
  • результаты инструментального исследования плотности годовой солнечной радиации с учётом реального широтного наклона плоских солнечных коллекторов (43 о) в ресурсе (зима, весна, лето, осень) в условиях субтропиков;
  • способ измерения интегральной плотности экранирующего действия смога, влияющего на эффективность работы гелиоустановки в условиях городской среды.

Апробация результатов исследования

Основные положения диссертационной работы докладывались на международном семинаре ЮНЕСКО в рамках работы BSTN «Культурное наследие, туризм и устойчивое развитие стран Черноморского бассейна» (Сочи, 2004), на Международном научно-практическом семинаре «Энергосбережение и возобновляемая энергетика – 2005», (Сочи, 2005); представлены и отмечены дипломом на выставке Всероссийского форума «Образовательная среда – 2005» (Москва, ВВЦ); обсуждены на 6-й Международной научно-практической конференции «Проблемы, инновационные подходы и перспективы развития индустрии туризма» (Сочи, 2006); 4-й и 5-й Международных научно-практических конференциях «Строительство в прибрежных курортных регионах» (Сочи, 2006, 2008); 1-й Всероссийской студенческой научно-практической конференции «Студенческие научные исследования в сфере туризма» (Сочи, 2007); заседании «Круглого стола» Всероссийского экономического форума «Кубань-2007»; Международных научно-практических конференциях «Устойчивое развитие городов и новации жилищно-коммунального комплекса» (Москва, 2007) и «Энергосбережение и внедрение ресурсосберегающих технологий» (Сочи, 2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ в научных журналах и сборниках трудов, материалах Международных и Всероссийских конференций, в том числе 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК. Автором предложены четырехконтурная схема и алгоритм управления реверсивным режимом теплообмена гелиоустановки с теплосетью. Доля автора в публикациях определяется в 50 – 100 %.

Структура и объём диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 125 наименований, что составляет 117 страниц машинописного текста, а также приложения; содержит 58 рисунков и 6 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, отражены научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приведены основные защищаемые положения.

В первой главе диссертации приведен аналитический обзор воздействия традиционных видов энергии на окружающую среду и экологию региона. Отмечено, что реализация ФЦП в г. Сочи с учётом коммерческого строительства и требований МОК приведёт к увеличению электропотребления в 2,5 раза (с 400 МВт до 1043 МВт), теплоснабжения в 1,2 раза (с 1662 до 1976 тыс. Гкал/год). Покрытие этих нагрузок только за счёт сжигания органического топлива приведёт к значительному увеличению вредных выбросов в окружающую среду: сооружение только Адлерской и Кудепстинской ТЭС мощностью по 360 МВт увеличит выбросы от стационарных источников по окислам азота в 2 раза. В этих условиях использование ВИЭ совместно с традиционными источниками энергии содействует диверсификации энергоснабжения, повышению надёжности энергетических систем и их экологической чистоте. В первую очередь это касается использования солнечной энергии как наиболее доступной.

Анализ сравнительных характеристик типовых схемных решений СКУ позволил выделить их недостатки. Обзор современных коллекторных гелиоустановок и сравнительный анализ эксплуатационных характеристик показал их растущую экономическую и экологическую эффективность, особенно в условиях опережающего роста цен на природные топлива. Одним из выводов анализа явилось то, что солнечные энергетические системы являются примером "закона уменьшения прибыли": с увеличением площади общий КПД установки падает, т.к. значительное количество лучевоспринимающих элементов работает при повышенных температурах. Кроме того, большая площадь покрывает нагрузку, соответствующую более низкой температуре наружного воздуха, т.е. при увеличенных коэффициентах теплопотерь. Последний фактор, по мнению автора, является спорным, так как при этом увеличивается годовой коэффициент использования установки.

В работе получен вывод, что СКУ ГВС не должны быть рассчитаны на полную тепловую нагрузку, её максимум должен покрываться пиковым источником (например, газовый котел, электрокотел и т.п.). КПД СКУ снижается и при росте расчетной температуры подогрева воды выше 60 °С, поэтому догревать воду для условий отопления при низких температурах целесообразно в котельной. В южных широтах (южнее 50 о) с помощью установок на базе солнечных коллекторов ранее рекомендовалось покрывать только нагрузку систем горячего водоснабжения (Нормы ВСН 52-86). Однако для субтропиков с ростом стоимости энергоресурсов и усилением влияния экологического фактора это положение устаревает. Сегодня СКУ становятся конкурентоспособными и в системах отопления.

Практика применения данных установок в реальных городских условиях показала, что существует целый ряд проблем:

  1. отсутствие согласования СКУ с централизованным теплоснабжением, что приводит к необходимости штатного сброса избыточной тепловой энергии в окружающую среду, приносящей экологический ущерб, снижающей экономические показатели установки и надёжность энергоснабжения;
  2. необходимость доработки отдельных узлов СКУ для эффективной реализации совместной работы с сетями водоснабжения;
  3. отсутствие алгоритмов управления совмещёнными системами теплоснабжения.

Анализ основных факторов влияющих на эффективность работы существующих сетей и СКУ приведённый в первой главе позволяет перейти разработке общих принципов совместного эффективного использования солнечной и традиционных источников энергии в системах теплоснабжения.

Во второй главе представлена общая методика теплового расчёта СКУ ГВ и определены теплоинерционные характеристики экспериментальной гелиоустановки горячего водоснабжения, разработан алгоритм совместной эксплуатации с существующей системой теплоснабжения жилых и промышленных объектов.

Основными входными величинами при разработке системы автоматического регулирования (САР) гелиоустановки является плотность солнечного излучения, которая изменяется по времени года, в течение суток, при наличии облачности и т.д. и инерционные характеристики нагрева и транспортировки теплоносителя. В качестве объекта регулирования принят солнечный коллектор (СК), образующий с пластинчатым теплообменником (ПТО1) первый контур циркуляции теплоносителя с регулируемой величиной – температурой в верхней части коллектора в области основного первичного преобразователя температуры – t1 (рис.1).

В общем случае в силу зависимости процессов теплообмена от температурного уровня нагрева коллектора система регулирования будет нестационарной нелинейной. Показано, что при практической реализации теплоэнергетических систем эту связь можно принять стационарной в силу относительно небольших изменений температуры в каждом акте регулирования.

При исследовании процессов регулирования связь между входной и выходной величинами определена аналитическим путем с помощью преобразований Лапласа и Фурье на примере теплового баланса Qx участка тонкостенного элемента «пера» солнечного коллектора , толщиной и длиной l при Sc – падающей мощности солнечного излучения (рис.2).

Получена закономерность изменения избыточной температуры «пера» – по отношению к охлаждающей жидкости ( – коэффициент теплопроводности; x – ширина «пера»)

(1)


Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.