MODELING OF ECOLOGICAL EFFICIENCY OF INTRODUCTION OF SOLAR ENERGY COMPLEXES FOR HEAT GENERATION
Journal: VESTNIK OF ASTRAKHAN STATE TECHNICAL UNIVERSITY. SERIES: MANAGEMENT, COMPUTER SCIENCE AND INFORMATICS
№ 2
, 2016
Rubrics: MATHEMATICAL MODELING
Authors:
1.
Astrakhan State Technical University
(Candidate of Sciences in Biology; Assistant Professor of the Department of Life Safety and Engineering Ecology)
2.
Astrakhan State Technical University
3.
Astrakhan State Technical University
(– Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department of Life Safety and Environmental Engineering)
4.
Astrakhan State Technical University
Type:
Article
Pages:
from 73
to 80
Status:
Published
Received:
05.04.2016
Accepted:
25.04.2016
Published:
25.04.2016
Subject area:
VAC 05.12.2013 Системы, сети и устройства телекоммуникаций
VAC 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
VAC 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
VAC 05.13.10 Управление в социальных и экономических системах
VAC 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
VAC 05.13.19 Методы и системы защиты информации, информационная безопасность
UDK 661.183.2:621.575
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 28.01 Общие вопросы кибернетики
GRNTI 49.01 Общие вопросы связи
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 82.01 Общие вопросы организации и управления
VAC 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
VAC 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
VAC 05.13.10 Управление в социальных и экономических системах
VAC 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
VAC 05.13.19 Методы и системы защиты информации, информационная безопасность
UDK 661.183.2:621.575
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 28.01 Общие вопросы кибернетики
GRNTI 49.01 Общие вопросы связи
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 82.01 Общие вопросы организации и управления
Language:
Russian
Keywords:
mathematical model, criteria of ecological safety, criteria of influence of weather conditions, criteria of alienation of the territory, criteria of safety and labour intensity, solar power plants, solar energy, effectiveness of the implementation of power plants
Abstract (English):
The purpose of the study is to define and justify the criteria for assessing the environmental efficiency and safety of solar power technology based on the comparison and analysis of environmental and energy characteristics of the existing stations and facilities, and to create a model for evaluating the performance of solar power plants. The simulation is based on the solution of equations of criteria consisting of a number of integral factors with such controlled and uncontrolled parameters such as criteria of environmental safety of atmosphere, water and soil pollution with harmful emissions; criteria of influence of the weather conditions (wind speed, humidity, temperature, and amount of sunshine) on the environment; the criteria of land exclusion occupied by the installation; safety and labor criteria, taking into account the specifics and peculiarities of operation of energy facilities. In this model we consider a system of energy equations correlating with energy balances thermal energy for heating water in boilers and solar plants; energy released from the combustion of fuel in boilers and heat of solar radiation incident on a certain area of the territory. The factors that contribute to environmental safety of introduction of solar energy installations are determined. The calculations of effectiveness evaluation criteria of the implementation of energy systems according to average figures, taking into account the favorable weather conditions and the average cost of land for standard boilers and solar power stations, have shown that at present it is expedient to implemen combined power stations operating on natural gas and solar energy.
The purpose of the study is to define and justify the criteria for assessing the environmental efficiency and safety of solar power technology based on the comparison and analysis of environmental and energy characteristics of the existing stations and facilities, and to create a model for evaluating the performance of solar power plants. The simulation is based on the solution of equations of criteria consisting of a number of integral factors with such controlled and uncontrolled parameters such as criteria of environmental safety of atmosphere, water and soil pollution with harmful emissions; criteria of influence of the weather conditions (wind speed, humidity, temperature, and amount of sunshine) on the environment; the criteria of land exclusion occupied by the installation; safety and labor criteria, taking into account the specifics and peculiarities of operation of energy facilities. In this model we consider a system of energy equations correlating with energy balances thermal energy for heating water in boilers and solar plants; energy released from the combustion of fuel in boilers and heat of solar radiation incident on a certain area of the territory. The factors that contribute to environmental safety of introduction of solar energy installations are determined. The calculations of effectiveness evaluation criteria of the implementation of energy systems according to average figures, taking into account the favorable weather conditions and the average cost of land for standard boilers and solar power stations, have shown that at present it is expedient to implemen combined power stations operating on natural gas and solar energy.
Keywords:
mathematical model, criteria of ecological safety, criteria of influence of weather conditions, criteria of alienation of the territory, criteria of safety and labour intensity, solar power plants, solar energy, effectiveness of the implementation of power plants
mathematical model, criteria of ecological safety, criteria of influence of weather conditions, criteria of alienation of the territory, criteria of safety and labour intensity, solar power plants, solar energy, effectiveness of the implementation of power plants
Введение В настоящее время для производства тепловой энергии в промышленности и коммунальном хозяйстве применяются блочные и малые котельные, крупные и средние тепловые станции, работающие на газе, жидком, а иногда и твердом топливе. При сгорании традиционных видов топлива (газ, мазут, дизельное топливо, уголь, торф и т. п.) происходит загрязнение атмосферы, воды и почвы выбросами вредных веществ [1]. В связи с этим требуется поиск альтернативных видов топлива, решение новых инженерных задач, разработка значимых критериев оценки и расчетных моделей для улучшения экологического состояния окружающей среды. Для южных регионов России альтернативой при получении теплоты могут быть создание и внедрение солнечных энергетических систем и установок, однако критериев оценки экологической эффективности и безопасности гелиоэнергетической техники пока не существует. В связи с этим целью исследования являлись определение и обоснование этих критериев на основе сравнения и анализа экологических и энергетических особенностей работы существующих станций и установок и создание модели для оценки эффективности работы с солнцеиспользующими системами [2, 3]. Данная цель может быть достигнута решением следующих задач: - анализ загрязнения окружающей среды в современный период выбросами тепловых станций и устройств, работающих на традиционных видах топлива (уголь, мазут, газ); - изучение современного состояния и особенностей работы энергетической техники, использующей для производства теплоты солнечную энергию; - установление условий соответствия и границ определения нормативных экологических и энергетических факторов и показателей для сравнения эффективности использования традиционных и возобновляемых видов топлив; - разработка и обоснование критериев оценки экологической безопасности и эффективности энергетических объектов; - создание математической модели для оценки эффективности внедрения гелиоэнергетической техники. Научная новизна излагаемой нами проблемы заключается в следующем: - предлагается критериальная оценка эффективности и безопасности, состоящая из произведения отдельных факторов, влияющих на общую экологическую оценку традиционных тепловых систем и альтернативной гелиоэнергетики; - рассматривается возможность хотя бы частичной замены традиционных видов топлива (твердого - угля, древесины, торфа; жидкого - мазута, дизельного топлива, сырой нефти; газообразного - природного и сланцевого газа) на альтернативное - солнечную энергию; - формируется методология экологической безопасности окружающей среды от воздействия человеческого фактора при техническом преобразовании природы. Следует отметить, что до сих пор нет надежного механизма обоснования и оценки новых гелиоэнергетических систем, который, через критериальные коэффициенты, позволил бы проанализировать выгодность принятого решения. Существуют попытки оценить отдельные элементы гелиосистем через определение параметров, отражающих те или иные аспекты работы гелиоэнергетических установок, использующих солнечную энергию. Нами предлагается методика оценки экологической эффективности от внедрения гелиоэнергетических систем, использующих для выработки теплоты или электрической энергии энергию солнечной радиации, по сравнению с экологической эффективностью котельных или других теплообменных устройств, работающих на традиционном топливе, на основе системы интегральных критериальных коэффициентов [4]. Критерии экономической оценки загрязнения окружающей среды Для экологической оценки теплоэнергетической котельной рассмотрим интегральные коэффициенты, состоящие из критериев оценки загрязнения атмосферы воздуха, водной среды и почвы с управляемыми и неуправляемыми параметрами: . - критерий экологической безопасности атмосферы, представляющий собой сумму отношений концентраций вредных веществ, содержащихся в газе и дыме после сгорания топлива в котлах или печах и выбрасываемых в атмосферу, к предельно допустимым концентрациям (ПДК) соответствующих вредных веществ в газообразном состоянии; - критерий экологической безопасности водной среды, представляющий собой сумму отношений концентраций вредных веществ, содержащихся в отводящей технологической воде из теплообменных аппаратов или котлов, к ПДК соответствующих веществ в жидком состоянии; - критерий экологической безопасности почвы, представляющий собой сумму отношений концентраций вредных веществ, попадающих в почву из атмосферы вследствие разных метеорологических условий, к ПДК соответствующих веществ в твердом состоянии в почве. Концентрация вредного вещества, попадающего в почву, определяется температурной стратификацией атмосферы (соответствует неблагоприятным метеорологическим условиям, при которых концентрация вредных веществ в атмосфере максимальная), варьируется в зависимости от географического района от 120 до 200 и определяется количеством (массовым расходом) загрязняющих веществ, выбрасываемых источником в атмосферу. Необходимо учитывать скорость оседания вредных примесей из газовоздушной смеси в атмосферный воздух, условия выхода газовоздушной смеси из трубы (учитывают подъем факела над трубой), высоту источника выброса над уровнем земли, влияние рельефа местности, объемный расход газов (газовоздушной смеси), поступающих из источника (при рабочих условиях), а также разность между температурой выбрасываемой газовоздушной смеси и температурой окружающего атмосферного воздуха. Расчеты этого коэффициента являются довольно трудоемкими [5, 6]; - критерии влияния метеорологических условий (ветер, осадки, температура) на окружающую среду, представляющие собой произведение отношений средней (по розе ветров) скорости ветра к максимальной скорости ветров в данном регионе за время эксплуатации установки; средней относительной влажности к максимальной в данном регионе за время эксплуатации установки; средней температуры воздуха к максимальной в данном регионе в период эксплуатации установки; количества солнечных дней к полному количеству дней за сезон эксплуатации установки; - критерий экологической безопасности и трудоемкости. который учитывает специфику и особенности работы и эксплуатации энергетических объектов. Для угольной котельной = 1, мазутной котельной = 0,8, газовой = 0,6, а для гелиоэнергетических установок = 0,1. - критерий отчуждения территории, занятой под установки (тепловые котельные и гелиоэнергетические установки), представляющий собой произведение отношения площади соответствующей тепловой установки (котельной или гелиоустановки) к площади отчуждения территории, облучаемой солнечной энергией, эквивалентной мощности рассчитываемой теплоэнергетической установки Sсол.эн, и отношения стоимости земли в месте установки к средней стоимости земли в данном регионе. Отметим, что территория гелиосистем значительно превышает территорию, на которой располагаются котельная или тепловые станции, т. к. площадь солнечных систем зависит от мощности установок и определяется средней мощностью солнечного излучения, падающего на 1 м2 инсолирующей поверхности гелиосистемы (700-800 Вт/м2). Территория отчуждения выводится из севооборота, лишается прямого солнечного света и подвержена меньшему выпадению осадков, на ней скудная растительность, этой территорией мало пользуется животный мир. Особенно ценной является территория на морских буровых установках, островных и портовых терминалах. Площадь, занимаемую эквивалентной гелиоэнергетической установкой с модулями простой конструкции, равную мощности рассчитываемой установки, можно определить, связав три энергетических уравнения: уравнение тепловой энергии, идущей на подогрев воды в котлах и гелиоустановках; уравнение, связанное с расходом и видом топлива, сгорающего в котлах топлива; и уравнения, связанного с интенсивностью излучения солнечной радиации в данном регионе и законами движения солнца в период предполагаемой эксплуатации гелиоэнергетической установки. где Nгел.сист , Nкотел - расчетные эквивалентные мощности гелиоэнергетической системы и теплоэнергетической системы котельной, Вт; - расход жидкости, подогреваемой в установках, м3/с; - расход топлива, сжигаемого в котельной, м3/с; - низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг; , - температура жидкости после нагрева (выхода из установки) и до нагрева (входа в установку) соответственно, К; - средняя теплоемкость жидкости, Дж/(кг·К); , - плотность подогреваемых жидкости и топлива соответственно, кг/м3; - КПД котельной установки; - максимальная мощность солнечной радиации, падающей на горизонтальную поверхность земли; - угол, учитывающий расположение солнечных модулей; - коэффициент, учитывающий степень облачности небосвода в течение дня; - коэффициент, учитывающий суточные изменения падающей солнечной энергии; - коэффициент запыленности светопропускающего покрытия гелиоприемников ( = 0,85); - КПД модуля простой конструкции, = 0,2. Следует отметить, что площади территорий, занимаемых котельными или тепловыми станциями, включают в себя полную инфраструктуру основных и вспомогательных помещений, площадки под складирование материалов, тары, резервного топлива, шлаковых отходов и т. п. Площадь гелиоустановки Sгел.уст зависит от площади типового модуля, установления модулей в ряды по горизонтали и вертикали, расположения модулей относительно горизонта, компактности рядов [7] и т. п. Площадь гелиоустановки зависит также от эффективности работы гелиоэнергетической установки, обусловленной степенью совершенства конструкции модулей. Более совершенными модулями являются коллекторы с селективными покрытиями, концентраторами солнечной энергии, эффективными теплоизолирующими стенками [8]. , где S*уст, S гел.уст - площадь эффективной и простой (пассивной) гелиоэнергетической установки соответственно; - коэффициент степени концентрации солнечных лучей на установке адаптирующей поверхности плоского модуля типа «горячий ящик» (при однократном преломлении лучей в концентрации , при двукратном - [8]) Со.э - оптико-энергетический коэффициент, зависящий от эффективности работы солнечного коллектора (для однократного , для двукратного ; - коэффициент, учитывающий эффект применения селективных покрытий адаптирующей поверхности, принятый 0,9; - коэффициент, учитывающий применение в системе теплового аккумулятора солнечной энергии, принятый 0,85; 1,5 - коэффициент, характеризующий часовое изменение солнечной радиации в течение суток. Расчеты по площадям отчуждения территории по приведенной методике позволили получить пропорциональные зависимости значений коэффициентов отчуждения для газовой котельной; для котельной, работающей на мазуте; для котельной, работающей на угле, для эффективной гелиоэнергетической установки: 0,06 : 0,1 : 0,25 : 0,35. Отметим, что первые три критерия в интегральном показателе используются только при оценке эффективности котельных, работающих на традиционных видах топлива. Метеорологический критерий следует учитывать как для котельных, так и для гелиоэнергетических систем. На гелиоэнергетику в значительной степени влияет фактор сезонности работы. Котельные могут работать круглый год, несмотря на то, что там повышенная опасность работы (особенно в газовых котельных), требуется постоянное присутствие дежурной смены, много физического труда (особенно в угольных и мазутных котельных). Гелиоэнергетические установки (водонагревательные) могут работать только при плюсовых значениях суточной температуры в южных регионах, обильных солнечных энергией (как правило, с 15 марта по 1 ноября), в связи с чем этот фактор существен для гелиоэнергетических установок. Алгоритм математической модели С учетом вышеизложенного был разработан алгоритм математической модели, структурная схема которой представлена на рисунке. По представленному алгоритму в пакете МаthСаd был проведен расчет интегральных коэффициентов безопасности работы теплоэнергетических станций, работающих на каменном угле донецкого и кемеровского производства; мазуте и дизельном топливе; природном газе астраханского и оренбургского производства, и солнечной тепловой станции, построенной в г. Нариманове Астраханской области, которая является самой крупной в России. На территории станции площадью 2,4 тыс. м2 установлено 2200 коллекторов. Станция предназначена для функционирования в период солнечной активности, в остальное время года подача воды для нужд горячего водоснабжения осуществляется от оборудования газовой котельной. Ниже, с учетом данных [6-11], приведены средние количественные оценки расчетов. В расчетах были учтены выбросы загрязняющих веществ (диоксид и оксид азота, углерод (сажа), диоксид серы, оксид углерода, бенз(а)пирен, неорганическая пыль с содержанием двуокиси кремния, мазутной золы) из котельных, работающих с расходом топлива 20 л/с; температурой воздуха для дутья 30 °С и другими специфичными параметрами для различных видов котельных и топлив на различных видах топлива, приведенные к единому знаменателю. Расчеты показывают, что критерий экологической оценки внедрения энергетических систем может быть < 1: угля = 0,2062 ; мазута = 0,03427; газа = 0,003305; гел.уст = 0,003. Общий алгоритм расчетной модели Сравнение расчетных данных показывает, что чем ниже значения критерия оценки внедрения энергетических систем, тем более экологичнее и безопаснее их работа. Просматривается и соизмеримость экологической эффективности внедрения гелиоэнергетических систем для выработки теплоты с теплоэнергетическими установками, работающими на природном газе. Для котельных являются определяющими в обосновании экологичности проекта внедрения установок. Однако технология, строительство и эксплуатация котельных на различных видах топлива в настоящее время надежнее и совершенствуются по мере развития технического прогресса. Заключение Таким образом, на основании расчета по математической модели, экологическая безопасность внедрения гелиоэнергетических установок определяет следующими факторами: - отсутствие вредных выбросов в атмосферу, воду и почву при сжигании топлива, как это происходит в водогрейных котлах - положительный фактор, но определяющими факторами являются территория отчуждения и метеорологические условия в районе предполагаемой эксплуатации гелиоэнергетической установки; - использование гелиоэнергетических установок малой мощности (2-5 кВт), которые экологически эффективнее и удобнее в эксплуатации, чем котельные той же производительности; - совершенствование энергетической эффективности гелиоэнергетических установок и устройств, улучшающее экологические показатели и уменьшающее площади отчуждения территории; - значительное влияние на экологическую и экономическую эффективность гелиоэнергетических установок региона, места расположения и стоимости земли в местах их установления; - гелиоэнергетические системы более безопасны (взрыво-пожаробезопасны) и менее трудоемки, чем другие нагревательные системы, использующие традиционные источники энергии (уголь, мазут, газ).
1. Abrosimov A. A. Problemy zaschity okruzhayuschey sredy i promyshlennoy bezopasnosti v neftyanoy otrasli / A. A. Abrosimov, K. A. Mkrtychev, A. V. Polischuk // Himicheskaya tehnologiya. 2001. № 6. S. 13-18.
2. Rudenko M. F. Koncepciya razvitiya ekologicheski bezopasnoy gelioenergeticheskoy tehniki dlya proizvodstva teploty i holoda / M. F. Rudenko // Bezopasnost' zhiznedeyatel'nosti. 2006. № 10. S. 46-50.
3. Rudenko M. F. Ispol'zovanie solnechnoy energii v neftegazovoy otrasli / M. F. Rudenko // Neft' i gaz. 2012. № 5 (71). S. 99-107.
4. Mazur I. I. Inzhenernaya ekologiya / I. I. Mazur, O. I. Moldavanov, V. N. Shishov. T. 1: Teoreticheskie osnovy inzhenernoy ekologii. M.: Vyssh. shk., 1996. 637 s.
5. Mazur I. I. Inzhenernaya ekologiya / I. I. Mazur, O. I. Moldavanov, V. N. Shishov. T. 2: Spravochnoe posobie. M.: Vyssh. shk., 1996. 656 s.
6. Brodskaya N. A. Ekologiya. Sbornik zadach, uprazhneniy i primerov: ucheb. posobie dlya vuzov / N. A. Brodskaya, O. G. Vorob'ev, A. N. Makovskiy, A. M. Matyagina, O. P. Melehova, N. I. Nikolaykin, N. E. Nikolaykina, V. M. Scherbakov; pod red. O. G. Vorob'eva i N. I. Nikolaykina. M.: Drofa, 2006. 508 s.
7. Rudenko M. F. Teoreticheskie osnovy proektirovaniya ekologicheski bezopasnoy gelioenergeticheskoy tehniki dlya proizvodstva teploty / M. F. Rudenko, B. Zh. Turkpenbaeva, Yu. V. Chivilenko. Aktau: AktGU im. Sh. Esenova, 2008. 165 s.
8. Elekeev M. A. Osobennosti vybrosov uglekislogo gaza i potreblenie kisloroda pri szhiganii razlichnyh vidov topliva / M. A. Elekeev, A. V. Barvikov, Z. A. Estemesov / Vestn. Kazah. nac. tehn. un-ta. 2009. № 3. S. 36-39.
9. Panov B. S. Ekologo-tehnologicheskie problemy dobychi, obogascheniya i ispol'zovaniya uglya / B. S. Panov, E. V. Yankovskaya, Panov Yu. B., V. I. Fedorov // Sb. dokl. HHII Vseukrain. nauch. konf. aspirantov i studentov «Ohrana okruzhayuschey sredy i racional'noe ispol'zovanie prirodnyh resursov». Doneck: DonNTU, 2012. T. 2. S. 114-115.
10. Rudenko M. F. Gelioenergeticheskie termotransformatory «suhoy» absorbcii ciklicheskogo deystviya: monogr. / M. F. Rudenko, Yu. V. Shipulina. Astrahan': Izd-vo AGTU, 2013. 178 s.
11. Shipulina Yu. V. Analiticheskie issledovaniya koncentratorov solnechnoy energii s pogloschayuschey poverhnost'yu treugol'noy formy dlya morskih i beregovyh energeticheskih kompleksov / Yu. V. Shipulina, M. Sh. Karimov, M. F. Rudenko // Vestn. Astrahan. gos. tehn. un-ta. Ser.: Morskaya tehnika i tehnologiya. 2012. № 1. S. 135-140.
