Введение к работе
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 расчетных 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 количе
ства 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 двух учебных корпусов Сочинского государственного университета (СГУ); спортзала Белгородского государственного технического 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 зашиту:
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 тепло
сетью;
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 ) в ресурсе (зима, весна, лето, осень) в условиях субтропиков;
- способ измерения интегральной плотности экранирующего действия смо
га, 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» (Мо-
сква, 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.
