РОЗДІЛ 2
РОЗРОБКА МОДЕЛЕЙ ІНТЕГРОВАНИХ СИСТЕМ ЕНЕРГОЗАБЕЗПЕЧЕННЯ НА БАЗІ УСТАНОВОК КОГЕНЕРАЦІЇ МАЛОЇ ПОТУЖНОСТІ
2.1. Загальні положення щодо побудови математичної моделі інтегрованих систем енергозабезпечення
Для сучасного стану розвитку інтегрованих систем енергозабезпечення на базі установок когенерації характерним є різноманітність умов функціонування [54, 71, 75, 85], яке визначається:
- великою кількістю типів і конструкцій когенераційних установок;
- широким діапазоном видів, якості та вартості палива;
- наявністю в одній системі декількох видів енергетичної продукції і джерел енергії, які відрізняються як за природою, так і за потенціалом;
- інтегруванням до теплової схеми когенераційної установки інших енергоперетворюючих установок, які відрізняються за принципом дії;
- змінними режимами навантаження та ін.
Означені тенденції розвідку підвищують значимість досліджень, які спрямовані на визначення оптимальних параметрів, раціональної структури технологічних схем, підвищення ефективності використання інтегрованих систем енергозабезпечення.
Вирішення таких задач неможливе без використання методів математичного моделювання. Сучасні методи математичного моделювання дозволяють:
- виконати дослідження взаємозв'язку параметрів інтегрованої системи та аналіз їх впливу на термодинамічні, масові, економічні та екологічні показники системи;
- виконати дослідження впливу зовнішніх умов на термодинамічні та економічні показники;
- здійснити комплексну оптимізацію параметрів, структури і режимів використання системи.
Аналіз сучасних досліджень в області когенераційних технологій [54, 63, 67, 81, 174, 175] свідчить, що більшість з них стосується питань оптимізації.
Постановка задачі комплексної оптимізації інтегрованих систем енергозабезпечення містить оптимізацію термодинамічних, витратних, конструктивних, компоновочних, режимних параметрів, виду теплової схеми та впливу на систему зовнішніх умов [154, 176, 177].
До термодинамічних параметрів ІСЕ відносяться початкові і кінцеві параметри циклу.
Конструктивні параметри містять форму, розміри окремих елементів ІСЕ, поверхонь нагріву, діаметрів трубопроводів та ін.
Режимні параметри визначаються відповідним графіками навантаження системи.
Варіанти теплової схеми реалізують будь-яку інтегровану технологію на базі когенерації і відрізняються наявністю або відсутністю відповідних компонентів, або зв'язків між ними.
Зовнішні умови визначаються цінами і тарифами на енергоносії, взаєминами зі споживачами енергетичної продукції системи, впливом установки на довкілля.
При оптимізації ІСЕ враховується система обмежень у формі відповідних рівнянь і нерівностей, які задають можливий діапазон зміни параметрів системи
,
де - вектор параметрів -го елемента системи;
- відповідні вектори мінімально та максимально припустимих значень параметрів -го елемента системи.
Задача оптимізації також містить систему балансових рівнянь для усіх елементів установки, які зв'язують між собою термодинамічні, витратні, технологічні характеристики процесів та складається з:
- рівнянь балансу енергії для кожного -го елемента системи
де - відповідно -ті вхідні та -ті вихідні потоки енергії;
- кількість вхідних та вихідних потоків енергії у -му елементі;
- рівнянь балансу витрат -го енергоносія у -му елементі
де - відповідно витрати -го енергоносія на вході та виході -го елемента системи;
- рівнянь гідравлічного або аеродинамічного балансу -го енергоносія у -му елементі
де - відповідно тиск -го енергоносія на вході та виході та зміна тиску -го енергоносія -го елемента системи.
Як правило, кінцева мета розв'язання задачі оптимізації складних енергетичних систем передбачає мінімізацію сукупних витрат щодо отримання заданого об'єму продукції від системи при виконанні усіх обмежень або максимального об'єму продукції при заданих витратах [178].
Отже задачу комплексної оптимізації ІСЕ можна сформулювати наступним чином:
Визначити таке поєднання термодинамічних, витратних, конструктивних, режимних параметрів і виду теплової схеми системи, при якому задані об'єми електричної, теплової та інших видів енергії забезпечуються за мінімальними витратами при виконанні усіх зовнішніх і внутрішніх обмежень її функціонування.
Математично ця задача має бути представлена у вигляді цільової функції, за яку приймають будь-які підсумкові показники ефективності [158, 178]:
- приведені витрати, які використовують при техніко-економічній оптимізації всієї системи;
- термодинамічні, енергетичні та інші показники ефективності при термодинамічній оптимізації циклів або окремих процесів в системі;
- будь-які технічні параметри при оптимізації окремого елемента.
При порівнянні теплових схем різних ІСЕ невід'ємною умовою коректного порівняння варіантів є приведення їх до однакового енергетичного ефекту, тобто вирівнювання варіантів за корисним відпуском електроенергії, тепла, інших видів енергетичної продукції, для чого можна скористатися одним з наступних методів [151, 156]:
- для усіх варіантів прийняти рівні номінальні потужності установки;
- номінальні потужності установки варіювати, але вихідну продукцію системи для різних варіантів прийняти однаковою;
- для усіх варіантів прийняти рівними потужності джерел енергії або витрату палива на вході системи.
Таким чином, розв'язання задачі техніко-економічної оптимізації ІСЕ на підставі математичного моделювання передбачає виконання трьох пов'язаних операцій:
- розв'язання системи нелінійних балансових рівнянь;
- вибір припустимого поєднання значень параметрів системи;
- розрахунок цільової функції.
Викладені вище узагальнені принципи побудови математичних моделей дозволяють перейти до моделювання інтегрованих систем енергозабезпечення на базі когенераційних установок малої потужності конкретних типів.
2.2. Моделювання систем когенерації на базі г