CC BY
21
УДК 62-97/-98
Канд. техн. наук Д. С. АГАПОВ
(СПбГАУ, аИГетт176(й>М.Г11)
ВЫБОР ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ
РЕЖИМОВ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Энергетические установки, подбор оборудования, энергопотребление предприятия, управление
Энергообеспечение предприятий сельскохозяйственного назначения является актуальной задачей современной энергетики. Однако потребление энергии перерабатывающими предприятиями имеет ряд особенностей, таких как цикличность, периодичность и др. В связи с этим возникает вопрос о сравнении централизованного и автономного способа энергоснабжения и выборе наилучшего.
При структурной оптимизации любого технологического процесса решается ряд важных для дальнейшего функционирования задач, таких как:
- подбор оборудования (для вновь проектируемых предприятий); здесь необходимо учитывать не только возможность обеспечения выбираемым оборудованием технологических задач, но и надёжности функционирования предприятия в целом. Другими словами, при прочих равных условиях два станка меньшей мощности могут оказаться предпочтительней в случае выхода одного из них из строя;
- рациональное размещение оборудования с учётом оптимизации потоков массы, энергии и информации в процессе функционирования; также при этом необходимо учитывать и другие факторы, например, удобство создания микроклиматических условий, подведённые мощности и др.
Для небольшого ассортимента технологического оборудования, предлагаемого на рынке, а также при незначительных масштабах производства эти задачи решаются исходя из опыта ведущих специалистов и технологов. В противном случае необходимо прибегнуть к постановке задачи дискретного программирования, определив целевую функцию как:
I (1)
Л"с£>
где В — дискретное множество возможных решений задачи структурного синтеза, X — вектор технических характеристик оборудования, возможного для приобретения.
Целевая функция 1< выражает суммарные (капитальные, эксплуатационные и др.) затраты. В этом случае задача решается на минимум. Она может выражать прибыль, производительность или их отношение, что приводит к необходимости решения задачи на максимум.
Для решения таких комбинаторных задач зачастую используются методы ветвей и границ. В качестве уравнений связи (2) выступают ограничения, связанные с общим количеством используемых машин, обеспечением необходимой производительности, уравнения баланса мощностей, возможности буферизации (складских площадей) для сырья и готовой продукции, логистические ограничения по поставкам сырья, финансовые возможности закупки сырья и расходных материалов и другие условия, связанные с графиками функционирования, операциями по ТО и Р.
п < п
шах
УN < N
/ 1 I шах
у Ал)<у ^
/ , л V 1 1 1 к I скп
где п и птах — соответственно принятое и максимальное число машин, способных реализовать производственную программу. А', и Ытах — соответственно потребляемая мощность 1-й машины и максимальная мощность потребления исходя из возможностей энергетического оборудования и
сетей. А. — вектор массогабаритных показателей сырья и/или готовой продукции. Ускл и 8СКЛ —
соответственно объём и площадь складских помещений.
Ограничениями, накладываемыми на переменные, будут являться условия их неотрицательности.
В качестве примера осуществлён подбор газопоршневых энергетических установок «Сиазсог» для ООО «Бекон».
При годовом выпуске продукции предприятием ООО «Бекон» около 17 ООО ООО кг/год потребляется 4995241,97 кВ' ч электрической энергии и 6942439,36 кВт ч теплоты в год. В сумме годовое энергопотребление для ООО «Бекон» составляет 11937681,33 кВт ч.
При односменной работе (8 часов/сутки) количеством рабочих дней 247 в 2013 году средняя мощность суммарного энергопотребления составила 41167,83 Вт. При этом мощность потребления электроэнергии составила 17226,4 Вт, а теплоты соответственно 23941,43 Вт. Средняя производительность 2,39 кг/с.
Удельное потребление энергии на 1 кг продукции составляет суммарно 2527979,58 Дж/кг. При этом требуется 1057815,95 Дж/кг электрической энергии и 1470163,63 Дж/кг теплоты.
Производственная мощность бойни предприятия ООО «Бекон» составляет 120 гол. свиней и 20 гол. крупного рогатого скота в час.
Средний вес свиньи перед забоем составляет 110 кг в живом весе. После забоя и обработки (отделение копыт, головы, шкуры и т.д.) остается 62% от первоначального веса. Это убойный вес. От убойного веса идет выход: 10% костей, 2% — отходы, 21% сала и 67% мяса. Эти показатели приведены для породы Русская белая, которая является наиболее распространенной в нашей стране. Очевидно, что для других пород отношение сала и мяса может быть другим.
Средним весом большинства взрослых коров считается 350-450 кг. Коровы, которые в силу своей породы не могут быть большими, весят в среднем 200-300 кг. Крупные коровы мясных пород могут достигать веса в 700-800 кг. Если брать вес быков, то он в среднем в полтора раза выше, чем у коров той же породы. То есть средний вес быка - 500-700 кг, а у крупных мясных пород он, как правило, составляет больше 1000 кг. Следует отметить, что вес мяса коровы составляет примерно 50% от ее полной массы. Если подвести общий итог, то можно условно считать 400 кг средним для коров.
При среднем весе свиньи 110 кг и крупного рогатого скота 400 кг получается, что при работе линии в номинальном режиме производительность по мясу составляет ~ 2,6342(4) кг/с.
Следовательно, для ООО «Бекон» максимальная мощность энергопотребления производственного оборудования составляет суммарно «6,64 МВт. Мощность электропотребления при этом составит «2,78 МВт, и потребление теплоты «3,86 МВт.
Годовая загрузка линии примерно 33%, а резерв мощностей составляет около 67%.
Таблица 1. Параметры энергетического баланса и стоимость энергетических установок
на номинальных режимах работы
Марка Электрическая мощность, кВт Максимальная тепловая мощность, кВт Максимальный полный КПД, % Стоимость установок, у.е.
8РС1Л)560 957,00 1282,00 91,24 18046623,74
8РвМ560 1025,00 1325,00 90,79 18527135,24
ШМ560 1204,00 1561,00 96,45 19653832,38
8РС1Л)480 813,00 1095,00 91,06 16905117,77
РС1Л)480 703,98 1086,00 90,86 15897199,91
зретлэзбо 609,00 812,00 90,53 14882727,87
ретлэзбо 528,55 820,00 90,51 13890961,86
8РС1Л)240 347,00 526,00 89,09 10945273,46
ретл)240 405,00 548,00 90,36 12027209,47
ШМ240 502,00 555,00 90,25 13530200,84
БРИЛ) 180 304,00 397,00 89,93 10019193,91
РОЛ) 180 264,28 403,00 90,17 9038931,59
Рв180 142,80 239,00 88,38 4730115,35
Результат решения не является очевидным. На первый взгляд, кажется, что необходимо приобрести несколько установок типа НСМ560. так как они имеют набольшее соотношение КПД к стоимости. Для покрытия потребностей в электроэнергии и теплоте достаточно будет трёх установок этого типа, и именно такое решение даёт ЭВМ при задании в качестве целевой функции наименьших затрат на покупку или наибольшего значения общего КПД. При этом суммарная электрическая мощность составит 3612 кВт, а суммарная тепловая мощность — 4683 кВт, что соответственно приведёт к недогрузке электроэнергетического оборудования на 76,97% по электроэнергии и на 82,43% по теплоте (табл. 2).
Таблица 2. Показатели выбранного оборудования
Энергетические установки Количество Электрическая мощность Тепловая мощность кпд Стоимость, у. е
ШМ560 3 1204,00 1561,00 96,45 19653832,38
Суммарная мощность 3612 4683
Требуемая мощность 2780 3860
Недогрузка установок по мощностям, % 23,03433001 17,57420457
Общий КПД установок 0,965
Общая стоимость 58961497,14
Такое решение не является оптимальным, так как недогрузка оборудования приведёт к снижению его КПД, а также перерасходу денежных средств за неиспользуемые мощностные возможности. Кроме того наличие нескольких одинаковых по характеристикам установок снижает маневренные возможности управления энергетическим оборудованием предприятия.
Поэтому в качестве целевой функции взята сумма разностей мощностей, полученных в ходе решения и потребных как по электроэнергии, так и по теплоте.
(ЕКЭЛ,, расч-Кэл^б)+ (ЕМтепл,, расч-Ктеш1треб)^ш1п (3)
В качестве уравнения связи задано
ум . Расч>м треб
—" ^тепл, 1 —1 мспл V ' /
Граничными условиями будут условия неотрицательности и целочисленности переменных
п,>0; п^Я (5)
Решение данной задачи оптимизации указывает на необходимость приобретения следующего перечня оборудования, (табл. 3). При этом требования по всем видам энергии практически совпадают.
Таблица 3. Показатели выбранного оборудования
Энергетические установки Количество Электрическая мощность Тепловая мощность КПД Стоимость, у.е
8Ретл)Збо 1 609,00 812,00 90,53 14882727,87
8ретл)240 2 347,00 526,00 89,09 13890961,86
ШМ240 1 502,00 555,00 90,25 10945273,46
8РетЛЛ80 1 304,00 397,00 89,93 12027209,47
РОЛ) 180 2 264,28 403,00 90,17 13530200,84
Рв180 1 142,80 239,00 88,38 10019193,91
Суммарная мощность 2780,35 3861
Требуемая мощность 2780 3860
Недогрузка установок по мощностям, % 0,013 0,026
Общий КПД установок 0,898
Общая стоимость 83130648,08
Однако если имеются ограничения по количеству приобретаемых установок, то в уравнения граничных условий добавляется количественное ограничение.
Еп^п (6)
В этом случае решение сводится к следующим показателям (табл. 4).
Таблица 4. Показатели выбранного оборудования
Энергетические установки Количество Электрическая мощность Тепловая мощность КПД Стоимость, у.е
ШМ560 1 1204,00 1561,00 96,45 19653832,38
ретл)480 1 703,98 1086,00 90,86 15897199,91
8Ретл)Збо 1 609,00 812,00 90,53 14882727,87
РОЛ) 180 1 264,28 403,00 90,17 9038931,59
Суммарная мощность 2781,25 3862
Требуемая мощность 2780 3860
Недогрузка установок по мощностям, % 0,045 0,052
Общий КПД установок 0,93
Общая стоимость 59472691,76
Расчёты показывают, что максимальное количество единиц приобретаемого оборудования равно восьми, а минимальное трём. Принимаем решение в пользу наименьшего количества оборудования, так как это априорно связано с наименьшими затратами по монтажу, обслуживанию, ремонту, регистрации и другим, не учитываемым в модели показателям.
Тогда, задавая в уравнении связи максимальное значение количества оборудования равного трём, получаем следующее решение системы (табл. 5).
Таблица 5. Показатели выбранного оборудования
Энергетические установки Количество Электрическая мощность Тепловая мощность КПД Стоимость, у.е
8ретл)560 1 957,00 1282,00 91,24 18046623,74
ШМ560 1 1204,00 1561,00 96,45 19653832,38
ретл)480 1 703,98 1086,00 90,86 15897199,91
Суммарная мощность 2864,975 3929
Требуемая мощность 2780 3860
Недогрузка установок по мощностям, % 2,97 1,76
Общий КПД установок 0,93
Общая стоимость 53597656,03
Таким образом, окончательно принимается решение на приобретение трёх различных энергетических установок БРОЬОЗбО НОМЗбО РСЬ0480 по одной единице, которые, работая совместно, обеспечат необходимые показатели, представленные в табл. 5.
После подбора необходимого технологического оборудования возникает вопрос оптимального управления данными системами. Это обусловлено тем обстоятельством, что подбор оборудования, описанный выше, осуществлялся на основе значений максимального энергопотребления с той целью, чтобы принятые к приобретению энергетические установки имели возможность покрывать пиковые нагрузки энергопотребления. Однако большая часть времени эксплуатации энергетического оборудования осуществляется при средних нагрузочных режимах, что, безусловно, влияет на показатели его эффективности. А значит, и на показатели эффективности всей системы, в которую оно встроено.
Рассмотрим энергетические балансы тепловых двигателей, работающих в составе рассматриваемых нами энергетических установок на четырёх различных режимах нагружения, соответственно 40%, 60%, 80% и 100%.
Нагрузка
Рис. 1. Составляющие теплового баланса двигателей энергетических установок
По приведённым данным были получены уравнения регресии второго порядка, достоверно описывающие все составляющие теплового баланса в зависимости от нагрузки (табл. 6). Так как для двигателей, работающих на генератор, характерно постоянство частоты вращения коленчатого вала, то нагрузка может оцениваться по крутящему моменту или среднему эффективному давлению в цилиндре. В качестве нагрузочного фактора использована относительная величина Р, представляющая собой отношение текущего значения крутящего момента к его номинальному значению (7). Во всех случаях величина достоверности аппроксимации, Я = 1.
Р=Мкр/Мкрном, (7)
где Мкр — текущее значение крутящего момента двигателя, Н м. М,ф ном — номинальное текуее значение крутящего момента двигателя, Н м.
Таблица 6. Уравнения составляющих теплового баланса
Наименование Уравнение
Механическая мощность №=0'(0,2222-р3 - 0,6004-р2 + 0,5876-р + 0,1861)
Теплота отработавших газов, (охлажденных до 25 °С) 0ог = 0■ (0,0367-р3 - 0,081-р2 + 0,0271-р + 0,2696)
Теплота, отводимая системой охлаждения 0со = О'(-0Л788-р3 + 0,4776-р2 - 0,4387-р + 0,3859)
Теплота, отводимая через маслоохладитель Осс= О (-0,1086-р3 + 0,2935-р2 - 0,2987-р + 0,1584)
Теплота промежуточного охладителя (интеркулера) 0по=0-(0.0268-р3 - 0,1016 р2 + 0,1561-р - 0,039)
Теплота, теряемая излучением 0и= О'(0,0018-р3 + 0,0119-р2 - 0,0333-р + 0,0391)
Подводимая теплота 0=0номЧ0.8879-р +0,1117)
Для поиска оптимального алгоритма управления и составления нагрузочной карты управления необходима модель оптимизационной задачи. Оптимизацию ведём по критерию расхода топлива. При этом в уравнения связи заложено условие, что нагрузка не должна быть меньше 40%.
шш;
.{Е.В)жтре6- (8)
/ , тепл1 ' АЛ / — шеил ' V •'
0,4 ^ Д 11; Д е Д';
Решая систему (8) относительно неизвестных и Д, получаем множество решений с шагом нагрузки 10% (табл. 7).
Примечательным является режим, в котором сохраняется соотношение между потребляемой электроэнергией и теплотой. В табл. 7 он прослеживается при равных значениях электро- и теплопотребления (выделен серым цветом). При этом графически режим управления наглядно демонстрируется графиком на рис. 2, а долю генерируемой энергии отображает график на рис. 3. Все ограничения удовлетворены и соблюдены граничные условия.
При других зависимостях для соотношений тепло- и электропотребления, а также для получения данных о режимах, не имеющих точного соответствия с табличными, необходимо решить систему (7) заново или прибегнуть к интерполированию данных табл. 7.
Таблица 7. Оптимальные режимы нагрузок для энергетических установок, %
Потребность в электроэнергии от максимальной Установки Потребность в теплоте от максимальной
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
0 8РС1ЛЭ560 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 40.0 40.0 83.5 99.3 88.0
НСМ560 0.0 0.0 0.0 61.3 46.6 75.3 40.0 40.0 40.0 43.7 88.0
Р01ЛЭ480 0.0 40.0 61.6 0.0 41.9 40.0 56.5 97.4 83.5 99.3 88.0
0.1 8РС1ЛЭ560 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 40.0 40.0 83.5 99.3 88.0
НСМ560 0.0 0.0 0.0 61.3 46.6 75.3 40.0 40.0 40.0 43.7 88.0
Р01ЛЭ480 40.0 40.0 61.6 0.0 41.9 40.0 56.5 97.4 83.5 99.3 88.0
0.2 8РС1Л)560 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 40.0 40.0 83.5 99.3 88.0
НСМ560 0.0 0.0 0.0 61.3 46.6 75.3 40.0 40.0 40.0 43.7 88.0
Р01Л)480 72.0 72.1 72.1 0.0 41.9 40.0 56.5 97.4 83.5 99.3 88.0
0.3 8РС1Л)560 0.0 85.40 0.0 0.0 0.0 0.0 40.0 40.0 83.5 99.3 88.0
НСМ560 71.8 0.0 71.8 71.8 40.0 75.3 40.0 40.0 40.0 43.7 88.0
Р01Л)480 0.0 0.0 0.0 0.0 51.77 40.0 56.49 97.4 83.5 99.3 88.0
0.4 8РС1Л)560 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 92.8 40.0 40.0 83.5 99.3 88.0
НСМ560 96.2 96.3 96.3 96.3 96.3 0.0 40.0 40.0 40.0 43.7 88.0
Р01Л)480 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 40.0 56.49 97.4 83.5 99.3 88.0
0.5 8РС1Л)560 0.0 79.53 79.53 79.53 0.0 79.53 87.75 40.0 83.5 99.3 88.0
НСМ560 53.5 0.0 0.0 0.0 71.9 0.0 0.0 40.0 40.0 43.7 88.0
Р01Л)480 100.0 79.5 79.5 79.5 71.9 79.5 87.8 97.4 83.5 99.3 88.0
0.6 8РС1Л)560 78.0 92.3 92.3 92.3 0.0 92.3 92.3 0.0 83.5 99.3 88.0
НСМ560 78.0 0.0 0.0 0.0 77.6 0.0 0.0 94.0 40.0 43.7 88.0
Р01Л)480 0.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 94.0 83.5 99.3 88.0
0.7 8РС1Л)560 80.8 80.8 100.0 100.0 80.8 100.0 80.8 80.8 97.6 99.3 88.0
НСМ560 100.0 100.0 83.8 83.8 100.0 83.8 100.0 100.0 97.6 43.7 88.0
Р01Л)480 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 99.3 88.0
0.8 8РС1Л)560 76.4 76.4 76.4 76.4 76.4 76.4 76.4 76.4 ,*36.4 99.3 88.0
НСМ560 76.4 76.4 76.4 76.4 76.4 76.4 76.4 76.4 76.4 43.7 88.0
РС1Л)480 76.4 76.4 76.4 76.4 76.4 76.4 76.4 76.4 76.4 99.3 88.0
0.9 8РС1Л)560 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 88.0
НСМ560 65.2 65.2 65.2 65.2 65.2 65.2 65.2 65.2 65.2 65.2 88.0
Р01Л)480 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 88.0
1 8РС1Л)560 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0
НСМ560 89.7 89.7 89.7 89.7 89.7 89.7 89.7 89.7 89.7 89.7 89.7
РС1Л)480 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0
8000
7000
« о
5 ^
0) Н
н и
8 «
5 §
о и
I (I §
а. о
Е
Ц о
- ё
§ а
К О
а §
к'
О
6000
5000
4000
3000
2000
1000
ОД 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
Доля нагрузки на систему от максимальной □ 8Р01Л)560 ЯНОМ560 ШР01Л)480
Рис. 2. График управления системой энергоустановок
100%
0.1
0.2
0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Доля нагрузки на систему от максимальной
□ Броишо ^шм5бо претлшо
и
о
Рис. 3. График управления системой энергоустановок
Таким образом, в данной главе рассмотрены энергетические балансы современных газопоршневых энергетических установок Оиаэког (Италия) и тепловых двигателей, входящих в их состав, определены составляющие теплового баланса, рассмотрены влияющие на них факторы, получены регрессионные уравнения для расчёта их значений.
Для конкретного предприятия ООО «Бекон», специализирующегося на убое КРС и свиней, были подобраны современные когенерационные газопоршневые установки, позволяющие целиком покрыть энергетические нужды производства, а именно 8РОЬБ560, РЮМ560 и РСЬ0480.
Кроме того, для эффективного совместного функционирования всей энергосистемы из подобранных установок расчётным методом были определены оптимальные режимы их функционирования и управления для любых энергетических потребностей. При этом учитывались
технические особенности функционирования установок. Так, например, отсутствуют режимы установок с нагрузкой менее 40% (требования производителя).
Литература
1. Агапов Д.С. Концепция термодинамического совершенствования энергоустановок // Известия Санкт-
Петербургского государственного аграрного университета. - №23. - 2011. - С 367-371.
2. Агапов Д.С. Повышение эффективности энергоустановок в условиях квазистацио-нарного теплового
режима // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - №34. - 2014. С 191-196.
УДК 621.436.2 Канд техн. наук P.A. ЗЕЙНЕТДИНОВ
(СПбГАУ, zra61iS>mail.ra)
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭКСЕРГЕТИЧЕСКОГО МЕТОДА ПРИ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОМ
АНАЛИЗЕ НЕРАВНОВЕСНЫХ ПРОЦЕССОВ В ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЯХ
Эксергетические потери, энтропия, диссипация, тепловая энергия, поршневой двигатель
Изучение процесса преобразования теплоты в механическую работу и поиск условий, обеспечивающих улучшение топливно-экономических и экологических показателей двигателей внутреннего сгорания (ДВС), представляет важную проблему в развитии теории внутрицилиндровых процессов и имеет большое практическое значение в двигателестроении. При этом одним из центральных вопросов остается повышение индикаторного КПД двигателя, который зависит как от совершенства рабочего процесса, так и от тепловых потерь, связанных с теплоотдачей в стенку цилиндра и уносом теплоты с отработавшими газами.
Известно, что поршневой двигатель внутреннего сгорания - это техническая система, в которой происходят процессы различной физической природы - механические, тепловые, гидравлические, газодинамические и другие, а совместные действия их с внешней средой определяют возможности возникновения различных диссипативных процессов. При диссипации, вследствие наличия различных сил сопротивления (трения, вязкости, теплопроводности и т.п.), энергия упорядоченного процесса переходит в энергию неупорядоченного процесса и в конечном счете в теплоту.
В связи с этим существующие методы исследования индикаторного КПД //, в большинстве своем не позволяют выделить и количественно оценить индивидуальное влияние на величину //, внутрицилиндровых и тепломассообменных процессов с учетом особенностей их развития. При этом не рассматривается и не раскрывается сущность процесса преобразования теплоты в механическую работу, а только описывается изменение индикаторного КПД. Поэтому невозможно оценить степень совершенства и значимость влияния на КПД rji процессов, формирующих рабочий цикл двигателя. Также имеются недостатки, связанные с технологией реализации метода. К ним относятся громоздкость и сложность эксперимента, обусловленного стремлением учесть влияние большого числа факторов на параметр rji и необходимостью обеспечить изменение одного из них при неизменности остальных и т.д. Следовательно, при таком подходе обедняется практическая значимость получаемых результатов в проведении целенаправленного поиска резервов повышения индикаторного и эффективного КПД двигателя [1,2].
Эмпирические методы не раскрывают механизма возникновения необратимых потерь теплоты в цикле. Конечная цель при разработке методов - установление математической зависимости КПД 77, от одного фактора или некоторой их совокупности, получаемой аппроксимацией результатов экспериментальных исследований, в которых 77, подсчитывается по индикаторной работе, определяемой обработкой индикаторной диаграммы или с помощью безиндикаторных методов. Исследованиями фиксируется только изменение возмущающего фактора и реакции на него двигателя в форме изменения КПД 77,. Развитие эмпирических методов обязано работам Т.М. Мелькумова, М.М. Масленникова, А.И. Толстова, Д.А. Портнова, Н.М. Глаголева, Кудряша А.П., Д.Д. Матиевского и др.
