МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВНЕДРЕНИЯ ГЕЛИОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ТЕПЛОТЫ
Журнал: ВЕСТНИК АСТРАХАНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА. СЕРИЯ: УПРАВЛЕНИЕ, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И ИНФОРМАТИКА
№ 2
, 2016
Рубрики: МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Авторы:
1.
Астраханский государственный технический университет
(кандидат биологических наук; доцент кафедры безопасности жизнедеятельности и инженерной экологии)
2.
Астраханский государственный технический университет
3.
Астраханский государственный технический университет
(кандидат технических наук, доцент; доцент кафедры безопасности жизнедеятельности и инженерной экологии)
4.
Астраханский государственный технический университет
Тип:
Статья
Страницы:
с 73
по 80
Статус:
Опубликован
Получено:
05.04.2016
Одобрено:
25.04.2016
Опубликовано:
25.04.2016
Классификаторы:
ВАК 05.12.2013 Системы, сети и устройства телекоммуникаций
ВАК 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
ВАК 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
ВАК 05.13.10 Управление в социальных и экономических системах
ВАК 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
ВАК 05.13.19 Методы и системы защиты информации, информационная безопасность
УДК 661.183.2:621.575
ГРНТИ 20.01 Общие вопросы информатики
ГРНТИ 28.01 Общие вопросы кибернетики
ГРНТИ 49.01 Общие вопросы связи
ГРНТИ 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
ГРНТИ 82.01 Общие вопросы организации и управления
ВАК 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
ВАК 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
ВАК 05.13.10 Управление в социальных и экономических системах
ВАК 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
ВАК 05.13.19 Методы и системы защиты информации, информационная безопасность
УДК 661.183.2:621.575
ГРНТИ 20.01 Общие вопросы информатики
ГРНТИ 28.01 Общие вопросы кибернетики
ГРНТИ 49.01 Общие вопросы связи
ГРНТИ 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
ГРНТИ 82.01 Общие вопросы организации и управления
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
математическая модель, критерий экологической безопасности, критерий влияния метеорологических условий, критерий отчуждения территории, критерий безопасности и трудоемкости, гелиоэнергетические станции, солнечная энергия, эффективность внедрения энергоустановок
Аннотация (русский):
Цель исследования - определение и обоснование критериев оценки экологической эффективности и безопасности гелиоэнергетической техники на основе сравнения и анализа экологических и энергетических особенностей работы существующих станций и установок и создание модели для оценки эффективности работы гелиоэнергетических установок. Моделирование основано на решении критериальных уравнений, состоящих из ряда интегральных коэффициентов с такими управляемыми и неуправляемыми параметрами, как критерии экологической безопасности атмосферы, воды и почвы при загрязнении вредными выбросами; критерии влияния метеорологических условий (скорость ветра, влажность, температура и количество солнечных дней) на окружающую среду; критерий отчуждения территории (земли), занятой под установки; критерий безопасности и трудоемкости, учитывающий специфику и особенности эксплуатации энергетических объектов. В модели рассматривается система энергетических уравнений, связывающих соотношениями энергетических балансов тепловую энергию для подогрева воды в котлах и гелиоустановках; энергию, выделяющуюся при сжигании топлива в котлах, и тепловую энергию солнечного излучения, падающего на определенную площадь территории. Определены факторы, обусловливающие экологическую безопасность внедрения гелиоэнергетических установок. Расчеты критерия оценки эффективности внедрения энергетических систем по среднестатистическим данным, с учетом благоприятных метеорологических условий и усредненной стоимости земли для типовых котельных и гелиоэнергетических станций, показали, что в настоящее время целесообразно внедрение комбинированных энергетических станций, работающих на природном газе и солнечной энергии.
Цель исследования - определение и обоснование критериев оценки экологической эффективности и безопасности гелиоэнергетической техники на основе сравнения и анализа экологических и энергетических особенностей работы существующих станций и установок и создание модели для оценки эффективности работы гелиоэнергетических установок. Моделирование основано на решении критериальных уравнений, состоящих из ряда интегральных коэффициентов с такими управляемыми и неуправляемыми параметрами, как критерии экологической безопасности атмосферы, воды и почвы при загрязнении вредными выбросами; критерии влияния метеорологических условий (скорость ветра, влажность, температура и количество солнечных дней) на окружающую среду; критерий отчуждения территории (земли), занятой под установки; критерий безопасности и трудоемкости, учитывающий специфику и особенности эксплуатации энергетических объектов. В модели рассматривается система энергетических уравнений, связывающих соотношениями энергетических балансов тепловую энергию для подогрева воды в котлах и гелиоустановках; энергию, выделяющуюся при сжигании топлива в котлах, и тепловую энергию солнечного излучения, падающего на определенную площадь территории. Определены факторы, обусловливающие экологическую безопасность внедрения гелиоэнергетических установок. Расчеты критерия оценки эффективности внедрения энергетических систем по среднестатистическим данным, с учетом благоприятных метеорологических условий и усредненной стоимости земли для типовых котельных и гелиоэнергетических станций, показали, что в настоящее время целесообразно внедрение комбинированных энергетических станций, работающих на природном газе и солнечной энергии.
Ключевые слова:
математическая модель, критерий экологической безопасности, критерий влияния метеорологических условий, критерий отчуждения территории, критерий безопасности и трудоемкости, гелиоэнергетические станции, солнечная энергия, эффективность внедрения энергоустановок
математическая модель, критерий экологической безопасности, критерий влияния метеорологических условий, критерий отчуждения территории, критерий безопасности и трудоемкости, гелиоэнергетические станции, солнечная энергия, эффективность внедрения энергоустановок
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. Абросимов А. А. Проблемы защиты окружающей среды и промышленной безопасности в нефтяной отрасли / А. А. Абросимов, К. А. Мкртычев, А. В. Полищук // Химическая технология. 2001. № 6. С. 13-18.
2. Руденко М. Ф. Концепция развития экологически безопасной гелиоэнергетической техники для производства теплоты и холода / М. Ф. Руденко // Безопасность жизнедеятельности. 2006. № 10. С. 46-50.
3. Руденко М. Ф. Использование солнечной энергии в нефтегазовой отрасли / М. Ф. Руденко // Нефть и газ. 2012. № 5 (71). С. 99-107.
4. Мазур И. И. Инженерная экология / И. И. Мазур, О. И. Молдаванов, В. Н. Шишов. Т. 1: Теоретические основы инженерной экологии. М.: Высш. шк., 1996. 637 с.
5. Мазур И. И. Инженерная экология / И. И. Мазур, О. И. Молдаванов, В. Н. Шишов. Т. 2: Справочное пособие. М.: Высш. шк., 1996. 656 с.
6. Бродская Н. А. Экология. Сборник задач, упражнений и примеров: учеб. пособие для вузов / Н. А. Бродская, О. Г. Воробьев, А. Н. Маковский, А. М. Матягина, О. П. Мелехова, Н. И. Николайкин, Н. Е. Николайкина, В. М. Щербаков; под ред. О. Г. Воробьева и Н. И. Николайкина. М.: Дрофа, 2006. 508 с.
7. Руденко М. Ф. Теоретические основы проектирования экологически безопасной гелиоэнергетической техники для производства теплоты / М. Ф. Руденко, Б. Ж. Туркпенбаева, Ю. В. Чивиленко. Актау: АктГУ им. Ш. Есенова, 2008. 165 с.
8. Елекеев М. А. Особенности выбросов углекислого газа и потребление кислорода при сжигании различных видов топлива / М. А. Елекеев, А. В. Барвиков, З. А. Естемесов / Вестн. Казах. нац. техн. ун-та. 2009. № 3. С. 36-39.
9. Панов Б. С. Эколого-технологические проблемы добычи, обогащения и использования угля / Б. С. Панов, Э. В. Янковская, Панов Ю. Б., В. И. Федоров // Сб. докл. ХХII Всеукраин. науч. конф. аспирантов и студентов «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов». Донецк: ДонНТУ, 2012. Т. 2. С. 114-115.
10. Руденко М. Ф. Гелиоэнергетические термотрансформаторы «сухой» абсорбции циклического действия: моногр. / М. Ф. Руденко, Ю. В. Шипулина. Астрахань: Изд-во АГТУ, 2013. 178 с.
11. Шипулина Ю. В. Аналитические исследования концентраторов солнечной энергии с поглощающей поверхностью треугольной формы для морских и береговых энергетических комплексов / Ю. В. Шипулина, М. Ш. Каримов, М. Ф. Руденко // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2012. № 1. С. 135-140.
