Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время все большую актуальность приобретают проблемы, связанные с производством и транспортировкой энергии. Развитие экономики и прирост населения влекут за собой значительное повышение энергопотребления как в нашей стране, так и во всем мире. С другой стороны, все чаще встает вопрос об ограниченности и истощении топливных ресурсов, в частности углеводородного топлива: нефти, угля и газа. В связи с этим остро возникает вопрос о необходимости их более рационального использования. В сложившихся условиях необходимо находить рациональные и эффективные решения по организации энергоснабжения потребителей.
Перспективным направлением повышения эффективности систем
энергоснабжения является использование когенерационных установок
(КУ) на базе поршневых и газотурбинных двигателей. Применение мини-
ТЭЦ на базе поршневых двигателей для комбинированной выработки
электрической и тепловой энергии обеспечивает повышение
эффективности энергоснабжения за счет экономии топлива и сокращения потерь при транспортировке энергоносителей.
В то же время сегодня отсутствуют или требуют уточнения методики оценки эффективности применения КУ на базе газопоршневых агрегатов (ГПА). Большинство из применяемых методик расчета эффективности КУ исходят из допущения их работы на номинальной мощности без учета переменного характера нагрузки объекта, что приводит к завышению расчетной экономической эффективности. При этом отсутствуют обоснованные рекомендации по выбору количества КУ на объекте и ряд других вопросов, что сдерживает их применение на объектах различного назначения.
Работа выполнена в соответствии с Федеральным законом № 261 от 23 ноября 2009 г. «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности», государственной программой Российской Федерации «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года» от 27 декабря 2010 г. и научным направлением СГТУ имени Гагарина Ю. А. по проблеме 05.В.05 – «Оптимизация систем энерго- и теплоснабжения при применении поршневых энергоустановок».
Объектом исследования является энергетический комплекс с когенерационными установками на базе газопоршневых агрегатов, работающий в системе электро- и теплоснабжения автономного объекта.
Целью исследования является повышение эффективности электро- и теплоснабжения автономных объектов различного назначения с переменными нагрузками при использовании энергетических комплексов с газопоршневыми агрегатами.
Для достижения указанной цели в диссертации решаются следующие основные задачи:
-
Разработка математической модели определения статей теплового баланса газового двигатель-генератора ГДГ-90 с двигателем 6ЧН21/21 для определения величины утилизируемой вторичной теплоты, вырабатываемой когенерационной установкой, в зависимости от ее эксплуатационной электрической мощности;
-
Разработка научно обоснованных рекомендаций по применению энергетического комплекса на базе газопоршневых энергоустановок путем подбора рационального количества агрегатов, повышения эффективности системы охлаждения тепловой машины, обеспечения необходимой надежности энергоснабжения;
-
Разработка методики обоснованного определения мощности дополнительного источника теплоты в структуре энергетического комплекса электро- и теплоснабжения объекта на базе методов математического моделирования и экспериментальных исследований;
-
Проведение технико-экономического обоснования повышения эффективности системы электро- и теплоснабжения различных объектов с применением методики оценки эффективности инвестиционных проектов, учитывающей переменную нагрузку энергетического комплекса с газопоршневыми установками.
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
1. Определение закономерностей и построение математических моделей зависимостей тепловых потоков, отводимых от двигателя с выхлопными газами, охлаждающей жидкостью, маслом от величины электрической мощности для нового газопоршневого двигателя-генератора ГДГ-90 с двигателем 6ЧН21/21 на основании проведенных экспериментальных исследований, отличающихся структурой моделей с учетом нелинейности
закономерностей для повышения точности прогнозирования и
учитывающих особенности конструкции конкретных двигателей.
2. Разработка методики обоснования выбора количества используемых
двигателей на энергоустановке, обеспечивающей учет изменения нагрузки
и требуемого уровня надежности.
3. Анализ экономической эффективности применения малых ТЭЦ с
поршневыми двигателями в энергетическом комплексе и построение
технико-экономического обоснования, позволяющего учесть реальные или
прогнозируемые режимы работы и оценить целесообразность построения мини-
ТЭЦ с ГПА на стадии предпроектных работ.
Выносимые на защиту научные положения и научная новизна результатов работы соответствуют п. 3,5 и 6 паспорта специальности 05.14.01 – Энергетические системы и комплексы.
Практическая ценность исследования заключается в возможности использования проектными организациями разработанных методических положений для выбора оптимального количества энергоустановок на объекте с переменным характером нагрузки, применения созданных алгоритмов и программных продуктов для определения мощности дополнительного источника теплоты, расчета срока окупаемости инвестиций в КУ. Результаты работы могут использоваться студентами и аспирантами энергетических специальностей в учебном процессе.
На защиту выносятся:
1. Математические модели статей теплового баланса для газового
двигателя-генератора ГДГ-90 с двигателем 6ЧН21/21, позволяющие
определить зависимость величины утилизируемой вторичной теплоты,
вырабатываемой КУ, от ее эксплуатационной электрической мощности.
2. Алгоритм и программа расчета мощности дополнительного
источника теплоты в структуре энергетического комплекса электро- и
теплоснабжения автономного объекта на базе методов математического
моделирования с учетом реальных параметров объектов.
3. Рекомендации по внедрению энергетических комплексов на базе
газопоршневых энергоустановок на основе подбора рационального
количества агрегатов с учетом необходимой надежности энергоснабжения.
4. Технико-экономическое обоснование повышения эффективности системы
электро- и теплоснабжения различных объектов с применением методики
оценки эффективности инвестиционных проектов, учитывающей реальные
параметры энергетического комплекса с газопоршневыми и
когенерационными установками.
Достоверность результатов и выводов обеспечивается
использованием методологии системных исследований в энергетике,
фундаментальных законов технической термодинамики, теплопередачи и
теории надежности систем энергетики, применением широко
апробированных методик расчета энергетических установок.
Апробация работы. Основные научные и прикладные результаты
диссертационного исследования докладывались и обсуждались на научных
семинарах кафедры «Теплоэнергетика» СГТУ имени Гагарина Ю. А.; на
Международных конференциях: «Современные научно-технические
проблемы теплоэнергетики и пути их решения» (Саратов, 2012);
Международной научной конференции «Математические методы в
технике и технологиях – ММТТ-25, 26, 27» (Волгоград, 2012; Саратов,
2013, 2014); Восьмой Международной научно-технической конференции
студентов, аспирантов и молодых ученых «Энергия-2013» (Иваново, 2013);
2-й Международной научной конференции «Поколение будущего: Взгляд
молодых ученых – 2013» (Курск, 2013); на Всероссийских конференциях:
V Всероссийской научно-технической интернет-конференции «Энергетика.
Инновационные направления в энергетике. CALS-технологии в
энергетике» (Пермь, 2012); Всероссийской молодежной конференции «Химическая физика и актуальные проблемы энергетики» (Томск, 2012); на Республиканской научно-практической конференции «Современные технологии в электроэнергетике и промышленности» (Таджикистан, 2012).
Публикации. Основные положения и результаты диссертационного исследования опубликованы в 27 печатных работах, из них – 4 публикации в рекомендованных перечнем ВАК Минобрнауки РФ изданиях. Получен 1 патент РФ и зарегистрировано 2 программы для ЭВМ.
Объем диссертационной работы. Диссертация изложена на 153 страницах и состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников, приложения. Работа содержит 37 рисунков, 45 таблиц. Список использованных источников включает 129 наименований.