Дизайн және өнімділікті талдау А16 кВт дизельдік генераторҚалдық жылуды пайдаланатын тоңазытқыш жүйесі

Өткен зерттеу жағдайында бөлінген когенерация жүйесін жобалау және модельдеу тым режим болып табылады.

1 жүйе интеграциясының дизайны

Таңдалған аралдың тұрғын ауданы 16 кВт дизельдік генератормен жұмыс істейді, дизельдік қозғалтқыштың пайдаланылған газында көп жылу энергиясы бар және литий бромиді сіңіру салқындатқышы пайдаланылған газды пайдаланушыларды тоңазытқышта жұмыс істейтін жылу көзі ретінде қабылдайды. Салқындату жүктемесінің реттелетін диапазонын ұлғайту үшін жану типті тоңазытқыш қабылданған. Аралдың 16 кВт дизельдік генератор жүйесінің жалпы дизайны 1-суретте көрсетілген.

Электрлік салқындату (16 кВ дизельдік генераторға сәйкес салқындатқыш) конструктивтік принципіне сүйене отырып, салқындатқышты сәйкес таңдау осы құжатта жүзеге асырылады. Тұрғын ауданның жалпы ауданы шамамен 4850 М2 және 16 кВ дизельдік генератордың номиналды қуаты 350 кВт. 16 кВт дизельдік генератор шамамен 450 температурада пайдаланылған газды шығарады°C, ал салқындатқышқа қол жетімді жылу энергиясы шамамен 420 кВт құрайды. Тоңазыту коэффициенті 1,4 және қуаты 582 кВт болатын қос эффективті параллельді литий бромидті сіңіру салқындатқышы таңдалды. Аралды пайдаланушылардың орташа салқындату жүктемесі 120 Вт/м2 құрайды. Тергеу деректері бойынша, 120 Вт/м2 аралды пайдаланушылардың салқындату жүктемесіне деген сұранысын қанағаттандырады. Сондықтан, 16 кВ дизельдік генератор номиналды жұмыс жағдайында жұмыс істегенде, пайдаланылған газдың қалдық жылуы тоңазытқыштың сұранысын қанағаттандыра алады. 16кВ дизельдік генератордың тоңазытқыш жүйесінің жобалық параметрлері 1-кестеде көрсетілген.

2. Математикалық модельдеу

16 кВ дизельдік генератордың тоңазытқыш жүйесі өте күрделі, ол динамика, термодинамика және жылу беру сияқты көптеген пәндерді қамтиды, сондықтан қолайлы модельдеу әдісін таңдау өте маңызды. Бұл жұмыста 16 кВ қалдық жылуды кәдеге жарату тоңазытқыш жүйесінің имитациялық моделі модульдік модельдеу әдісі арқылы құрылған. 16 кВ дизельдік генератордың қалдық жылуды кәдеге жарату тоңазытқыш жүйесі типтік термодинамикалық жүйе болып табылады, модульдер жұмыс заты мен энергияның өтуіне қарай бөлінеді.

Модельдеу идеясын анықтағаннан кейін жүйенің жұмысын дәл модельдеу үшін ақылға қонымды әдісті таңдау керек.

Бұл жұмыс негізінен 16 кВ дизельдік генератордың ішкі жұмыс процесін есепке алмай, әртүрлі жүктемелер кезінде 16 кВ дизельдік генератордың шығыс қуаты мен пайдаланылған жылу энергиясын зерттейді. Орташа есептеу әдісін қолданатын модельдеу жүйені біріктіру деңгейінде 16 кВ дизельдік генераторды модельдеудің дәлдігін қамтамасыз етеді.

16 кВ дизельдік генератордың тоңазытқыш жүйесінде жылу алмастырғыштардың көптеген түрлері бар және жылу алмастырғыштар арасында қысым-ағынды байланыс бар. Дәстүрлі модельдеу әдісі модульді физикалық модельге сәйкес бөледі, баланс теңдеуіне сәйкес әрбір модульдің қысымы мен шығынын жеке есептейді және шекаралық тең шектеу шартын қанағаттандыруы керек. Сондықтан итерациялық есептеуден құтылу мүмкін емес және есептеу уақыты артады. Бұл мәселені шешу үшін көлемдік инерция әдісімен қалдық жылуды пайдаланатын 16 кВ дизельдік генератордың тоңазытқыш жүйесінің имитациялық моделі құрылды.

Көлемдік инерция әдісі бойынша әрбір құрамдастағы ағын жылдамдығы теңдестірілмейді, ал әрбір компонент көлемдік инерция байланысы бойынша қарастырылады. Ол әрбір компонентті көлемдік модуль ретінде, ал әрбір құрамдас арасындағы байланыстырушы құбырды қарсылық модулі ретінде қарастырады. Көлемдік модуль үшін сұйықтықтың ішкі кедергісін елемей, көлем модулінің ішіндегі қысым біркелкі болады. Көлемдік модульдегі қысымды көлем модулінің екі шетіндегі массалық шығынның айырмашылығына және көлем модуліндегі температураның өзгеруіне сәйкес есептеуге болады. Дегенмен, кіріс пен шығыс арасындағы қысым айырмашылығы және құбыр қабырғасының үйкеліс жоғалуы ағынның өзгеруіне әкеледі, ал ағынның динамикалық мәнін импульстің сақталуына сәйкес есептеуге болады.

Мысал ретінде l құбырының ұзындығын алып, ол көлемдік модуль және қарсылық модулі болып бөлінеді және оның көлемдік инерция моделі белгіленеді.

1) дыбыс деңгейі модулі.

Көлемдік модульге уақыт бірлігіндегі ағын жылдамдығы M1, ал көлем модулінен бір уақыттағы шығыс жылдамдығы M2. Массаның сақталуына сәйкес: Көлем модуліне ағын - көлем модулінен шығатын ағын = көлем модулінің массалық өсімі, көлем модулінің массалық өсімін есептеуге болады:

Формулада: М – көлемдік модульдегі жұмыс сұйықтығының массасы, кг; v – көлем модуліндегі жұмыс сұйықтығының көлемі, М3; кг/м3 – көлемдік модульдегі жұмыс сұйықтығының тығыздығы; М1 және М2 - көлемдік модульге кіретін және шығатын сұйықтықтың массалық ағыны, кг/с.

2) резистивті модуль.

Резистивті модульде ағын жылдамдығы қысым айырмашылығына және сұйықтықтың үйкеліс кедергісіне байланысты өзгереді. СЫЗЫҚТЫҚ ИМПЕНТтің сақталу заңы бойынша: Резистивті модульге түсетін импульс-резистивті модульден шығатын импульс + сыртқы күштің импульсі = кедергі модулінің импульсінің өсімі, резистивті модуль қимасы арқылы өтетін сұйықтықтың массасын есептеуге болады:

бет_нөмірі_екітап=33,бет_нөмірі_кітап=25

Формулада: М – құбыр арқылы өтетін жұмыс сұйықтығының массалық шығыны, кг/с; v – жұмыс сұйықтығының жылдамдығы, м/с; a - құбырдың көлденең қимасының ауданы, м 2; l - құбырдың ұзындығы, м; p 1 және P 2 - резистивті модульдің екі жағындағы қысым, PA; UL - құбыр қабырғасындағы сұйықтықтың үйкеліс кедергісі, минус таңбасы сұйықтық ағынына қарама-қарсы бағытта үйкеліс кедергісін білдіреді, U - құбырдың ылғалды шеңбері, U - аудан бірлігіне үйкеліс кедергісі, = 1/2 FV 2, F - жылу алмастырғыштың үйкеліс коэффициенті, оның формуласына сәйкес эмпирикалық жолмен алуға болады.

3 Жүйе өнімділігін талдау

Бұл жұмыста төрт тактілі турбокомпрессорлы 16 кВ дизельдік генератор компрессорға, турбинаға, турбиналық роторға, аралық салқындатқышқа, қабылдау және шығару құбырына, басқарушыға, цилиндрге және генераторға бөлінген, орташа әдіспен 16 кВ дизельдік генераторды модельдеу моделі жасалған.

16 кВ дизельдік генератордың тоңазытқыш жүйесінде жылу алмастырғыштардың көп саны бар, ал көлемдік инерция әдісі әрбір компоненттің модельдеу үлгілерін құру үшін қолданылады. Жүйедегі сұйық жұмыс ортасы негізінен қалдық газдан, литий бромиді ерітіндісінен, судан, су буынан және т.б. тұрады. Модельді есептеудің дәлдігін қамтамасыз ету үшін фитинг формуласы бойынша жұмыс ортасының жылулық қасиеттерін есептеу моделі құрылды. 16 кВт және литий бромидті сіңіру салқындатқыштарының модельдеу үлгілері сәйкесінше Matlab/Simulink бағдарламалық құралында құрастырылған және жөнделген. Соңында, қалдық жылуды пайдаланатын 16 кВ дизельдік генератор салқындатқыштарының модельдеу моделі 4-суретте көрсетілгендей біріктірілген.

Стационарлық жағдайды модельдеуде жобалық параметрлерге сәйкес біріншіден, шекаралық шарттар Matlab/Simulink имитациялық бағдарламалық құралда орнатылып, модельдің күй айнымалыларының бастапқы мәндері тағайындалады. Модельдеу уақытын 2000с етіп орнату үшін жоғары модельдеу дәлдігі бар ODE45 алгоритмі қолданылады. 2-кестеде тұрақты күйдегі модельдеу нәтижелері мен дизайн параметрлері арасындағы салыстыру көрсетілген.

2-кестеде 16кВ дизельдік генератордың тоңазытқыш жүйесінің тұрақты күйдегі модельдеу мәні мен жобалық параметрлері арасындағы салыстырмалы қателік 3%-дан аз екенін көрсетеді, бұл жүйе модельдеу дәлдігі талабына сәйкес келеді және модельдеу үлгісінің дұрыстығы мен дәлдігін тексереді. Жүйедегі жұмыс ортасының жылулық параметрлері фитинг формуласымен алынады, модельдеу кезінде қажетті болжамдар жасалады, ал құрамдас бөліктердің қателері құрастырылған кезде ұлғаяды, бұл салыстырмалы қателердің себептері.

Тұрақты жағдайды модельдеу нәтижелеріне сүйене отырып, 16 кВ дизельдік генератордың қалдық жылуды кәдеге жарату тоңазытқыш жүйесінің жалпы энергияны пайдалану коэффициенті бағаланды. Жүйенің жалпы энергияны пайдалану коэффициентін есептеу әдісі формула түрінде.

X - 16 кВ дизельдік генератор жүйесінің жалпы энергияны пайдалану коэффициенті, PG - 16 кВ дизельдік генератор, кВт, RC - либрді сіңіру салқындатқышы, кВт, EC - жүйенің басқа энергия тұтынуы, кВт; FC - дизельдік генератордың отын шығыны, кВт; ДК – жүйенің қуат тұтынуы, кВт.

Жобаланған жұмыс жағдайында 16 кВт дизельдік генератордың қуаты 357,6 кВт, литий бромидті сіңіру салқындатқышының қуаты 579,79 кВт, жүйенің басқа энергия тұтынуы 132 кВт, ал 16 кВ дизельдік генератордың отын шығыны шамамен 1286 кВт, сорғы жүйесінде және басқа қондырғыларда қуат тұтынуы шамамен. 30кВт.

Формула (6) есебіне сәйкес, 16 кВ дизельдік генератордың тоңазытқыш жүйесінің жалпы энергияны пайдалану коэффициенті шамамен 0,813 құрайды, ал энергияны пайдалану тиімділігі айтарлықтай жақсарды, бұл 0,8-ден асады және дизайн талаптарына сәйкес келеді.

16 кВт дизельдік генератордың жүктемесі тұтынылатын қуатпен анықталады. Жүктеменің өзгеруі 16 кВ дизельдік генератордың ағынының температурасы мен ағынының жылдамдығының өзгеруіне әкеледі, бұл жүйенің төменгі жағындағы литий бромиді сіңіру салқындатқышының салқындату қабілетіне әсер етеді.

Жүйенің термодинамикалық процесі күрделі, инерциялық кідірістері бар. Модельдеу уақытының барлығын 2000-шы жылдардан бастап 6000с етіп орнату, қадамдық өзгерісті қосу арқылы 16кВ дизельдік генератордың жүктемесі 100%-дан 80%-ға дейін төмендейді және динамикалық модельдеу есебі жүргізіледі.

2000-шы жылдардан бастап жүктеме 352,3 кВт-тан 287,48 кВт-қа дейін, шығарындылар ағыны 1,3187 кгс-тан 1,1192 кг-ға дейін, ауа температурасы 462-ден төмендеді.16 кВт дизельдік генератор үшін °C - 453 °C. Барлық динамикалық жауап беру процесі шамамен 100 секундты құрайды. Дизель жүктемесі 20%-ға төмендеді, дизель қозғалтқышының жылдамдығы артты, басқарушы жылдам әрекет етеді, белгіленген нүктеде жылдамдық тұрақтылығын сақтау үшін отын бүркуін азайтады. Дизельдік қозғалтқышта жанармай бүркуінің азаюы пайдаланылған ауаның температурасы мен шығынының төмендеуіне әкеледі.

Салқындату қуаты аздап өсті, содан кейін 579,79 кВт-тан 507,15 кВт-қа дейін басқа тұрақты мәнге тез төмендеді. 9-суреттен көрініп тұрғандай, тоңазыту коэффициенті аздап өсті, содан кейін 1,394-тен 1,402-ге дейін төмендеді. 16 кВт дизельдік генератор жүктемесінің төмендеуі 16 кВ дизельдік генератордың бүкіл жүйесіне түсетін жылу энергиясының төмендеуіне әкелді, бұл салқындатқыштың тоңазытқыш сыйымдылығының төмендеуіне әкелді, бірақ салқындату коэффициенті аздап өсті және бүкіл динамикалық процесс шамамен 2000 ж. аяқталды.

4 ҚОРЫТЫНДЫ

Мысал ретінде аралдың тұрғын ауданын ала отырып, дизельдік электр энергиясын өндірудің қалдық жылуын пайдаланатын жаңа энергия үнемдейтін тоңазытқыш технологиясы зерттеледі.

1) 16кВ дизельдік генератордың қалдықтарды жылуды кәдеге жарату салқындату жүйесінің кешенді жобасы жүргізіліп, жобалық параметрлері анықталды. Жүйелік статикалық және динамикалық модельдеуді есептеу арқылы жүйенің өнімділігі талданады, содан кейін басқару жүйесі жобаланады және жүйені оңтайландыру жүзеге асырылады.

2) тұрақты жағдайды модельдеу жобалық жағдайда жүзеге асырылады, ал салыстырмалы қателік 3%-дан аз, бұл жобалық талаптарға сәйкес келеді және модельдің дәлдігі мен дұрыстығын растайды. Тұрақты жағдайды модельдеу нәтижелері бойынша жүйенің жалпы энергияны пайдалану коэффициенті шамамен 0,813 құрайды, бұл жобалық талаптарға сәйкес келеді.

3) 16 кВт жүктеменің бұзылуын динамикалық модельдеу жүзеге асырылады, бұл 16 кВт жүктеменің төмендеуіне, электр энергиясын өндірудің төмендеуіне, пайдаланылған газдың жылу энергиясының төмендеуіне, салқындату қабілетінің төмендеуіне және салқындату коэффициентінің шамалы өсуіне әкеледі. Модельдеу нәтижелері көрсеткендей, 16 кВт электр станциясының салқындату қуаты 16 кВт электр станциясына қарағанда төмен, ал 16 кВт электр станциясының өнімділігі 16 кВ электр станциясына қарағанда төмен және пайдаланылған газдың жылу энергиясы 16 кВ дизельдік генераторға қарағанда төмен.