Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса и постановка задач исследования 11
1.1. Основные направления и нормативные акты по энергосбережению и повышению энергетической эффективности в России и Республике Башкортостан 11
1.2. Состояние и перспективы развития молочного животноводства в Республике Башкортостан 13
1.3. Природно-климатические и инфраструктурные особенности различных территорий Республики Башкортостан 19
1.4. Анализ энергетических затрат в деятельности молочно-товарной фермы на летней стоянке 23
1.5. Анализ конструкций газогенераторных установок и технологий их работы 27
1.6. Выводы, цель и задачи исследования 42
2. Теоретические исследования по разработке и обоснованию параметров энергетического комплекса 44
2.1. Разработка энергетического комплекса для использования в процессах сельскохозяйственного производства 44
2.2. Модернизация газогенераторной установки 46
2.3. Разработка математической модели для расчета рационального распределения энергии на молочно-товарной ферме 47
2.4. Численные исследования по повышению энергоэффективности на молочно-товарной ферме 54
2.5. Оптимизация конструктивных и технологических параметров энергетического комплекса с газогенераторной установки 60
2.6. Выводы по главе 79
3. Методика проведения экспериментов 80
3.1. Разработка экспериментального образца энергетического комплекса с газогенераторной установкой 80
3.2. Измерительное оборудование, аппаратура и датчики 81
4. Результаты экспериментальных исследований 93
4.1 Результаты экспериментальных исследований энергетического комплекса на режиме раздельной выработки энергии 93
4.2 Анализ работы энергетического комплекса на режиме совмещенной выработки энергии 104
4.3 Определение КПД энергетического комплекса на различных режимах выработки энергии 108
4.4 Выводы по главе 112
5. Оценка технико-экономической эффективности от применения энергетического комплекса на молочно-товарной ферме 114
5.1 Определение экономического эффекта 114
5.2 Расчет себестоимости молока 121
5.3 Выводы по главе 123
Заключение 124
Библиографический список 126
Приложение 139
- Природно-климатические и инфраструктурные особенности различных территорий Республики Башкортостан
- Измерительное оборудование, аппаратура и датчики
- Анализ работы энергетического комплекса на режиме совмещенной выработки энергии
- Определение экономического эффекта
Введение к работе
Актуальность темы. В Российской Федерации реализуются различные программы по развитию малых сельскохозяйственных производств, к которым относится и создание семейных животноводческих ферм. Развитие малых производств в сельской местности, расположенных в отдаленных и труднодоступных районах, обладающих хорошей кормовой базой для животноводства, сдерживается ограниченной энергетической и транспортной инфраструктурой. При этом на отдельных территориях горно-лесной зоны Урала с богатой естественной кормовой базой имеются практически неограниченные возможности для использования в качестве источника энергии отходов лесохозяйственной деятельности. В связи с этим, указанные отходы можно применять как топливо для газогенераторных установок (ГГУ), которые позволяют получать тепло и генераторный газ (ГГ) - с дальнейшим использованием для получения механической и (или) электрической энергии. Большие перспективы имеют энергетические комплексы с газогенераторной установкой для использования при сушке сельскохозяйственной продукции, а также использовании в системе отопления помещений.
В этой связи работы, направленные на обеспечение удаленных животноводческих ферм и других малых сельскохозяйственных производств автономными источниками энергоснабжения (тепловая, механическая и электрическая энергия) на базе газогенераторной установки с использованием отходов лесозаготовок, являются весьма актуальными.
Степень разработанности. Анализ результатов известных исследований альтернативных источников энергии показал, что для надежного энергообеспечения животноводческих ферм в горно-лесной зоне наиболее эффективным и экономичным источником энергии является газогенераторная установка. Работа газогенераторных установок достаточно хорошо исследована. Вместе с тем вопросы разработки комплексных агрегатов для выработки тепла, механической и электрической энергии при таких установках, а также их рационального распределения в зависимости от технологического процесса производства не полностью разработаны.
Цель работы: Снижение затрат на энергообеспечение малых молочнотоварных ферм путем разработки конструкции и обоснования технологических процессов энергетического комплекса с газогенераторной установкой.
Объект исследования. Энергетическое обеспечение технологического процесса молочно-товарной фермы (МТФ).
Предмет исследования. Конструкция и режимы работы установки для выработки механической, тепловой и электрической энергии для МТФ в летний период.
Методика исследований. В теоретических исследованиях применены методы системного анализа и синтеза, моделирования, использованы положения и законы теплового баланса и математики. Экспериментальные исследования проводились в соответствии с ГОСТами, ОСТами и известными частными методиками. Полученные экспериментальные данные обрабатывались методами математической статистики с применением ЭВМ.
Научная новизна:
- математическая модель энергетического баланса комплекса с газогенера-
торной установкой, позволяющая определить рациональные режимы ее работы с учетом количественной потребности в тепловой, механической и электрической энергии в малых сельскохозяйственных производствах.
- модели оптимизации конструктивных и технологических параметров газогенераторной установки для выработки механической, тепловой и электрической энергии, выявленные закономерности показателей эффективности работы энергетического комплекса в зависимости от видов используемого топлива и потребных объемов энергетических мощностей различных видов.
Новизна технических решений и разработок подтверждена патентом на полезную модель РФ № 167783.
Практическая значимость и реализация результатов исследований. Разработан экспериментальный энергетический комплекс с газогенераторной установкой для малых сельскохозяйственных производств, предназначенный для выработки тепловой, механической и электрической энергии.
Полученные результаты исследования внедрены на молочно-товарной ферме КФХ «Мурсалимов» Янаульского района Республики Башкортостан» и в учебный процесс по дисциплине «Техническая эксплуатация автомобилей, работающих на альтернативных видах топлива» в ФГБОУ ВО «Башкирский государственный аграрный университет».
Вклад автора в проведенное исследование. Разработан энергетический
комплекс с газогенераторной установкой, обеспечивающий совмещенное и раздельное получение тепла, механической и электрической энергии; теоретически обоснованы конструктивные и технологические параметры; экспериментально определены показатели эффективности работы энергетического комплекса и рациональные его режимы работы. Приведен расчет технико-экономической эффективности применения энергетического комплекса на МТФ. Все исследования выполнены лично автором.
Апробация. Основные научные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на Международной научно-практической конференции «Аграрная наука в инновационном развитии АПК» в рамках XXV, XXVI международной специализированной выставки «Агрокомплекс» (Уфа, 2015, 2016 г.), на XI Международной научно-технической конференции «Научные проблемы технического сервиса сельскохозяйственных машин» (ГОСНИТИ, Москва 2015 г.), на Всероссийской научно-практической конференции «Технологии реновации машин и оборудования» в рамках XI промышленного салона и специализированных выставок «Промэкспо, Станки и Инструмент», «Сварка. Контроль. Диагностика», на Всероссийской научно-практической конференции «Совершенствование конструкции, эксплуатации и технического сервиса автотракторной и сельскохозяйственной техники» (Уфа 2016 г.), на II Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергообеспечения предприятий» в рамках Российского энергетического форума «Инновационная энергетика» (Уфа 2016 г.), на LVI Международной научно-практической конференции «Достижения науки – агропромышленному производству» (Южно-Уральский ГАУ, Челябинск 2017 г.), на 10-ой Международной научно-практической конференции «Экология и сельскохозяйственные технологии: агроинженерные решения» (Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственно-
го производства, Санкт-Петербург 2017 г.), а так же на Международной научно-технической конференции «Интеллектуальные машинные технологии и техника в сельском хозяйстве» (Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ, Москва 2017 г.)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК, получен 1 патент на полезную модель и свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ «Программа по оптимизации режимов работы энергетического комплекса с газогенераторной установкой».
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, библиографического списка и приложений, содержит 153 страниц машинописного текста, 53 рисунков, 35 таблицы, 12 страниц приложений, списка литературы из 126 наименований.
Природно-климатические и инфраструктурные особенности различных территорий Республики Башкортостан
В летний период коров переводят на пастбищное содержание из-за отсутствия кормовой базы вокруг круглогодичной фермы или дальним нахождением пастбищ. В связи с этим фермеры строят специализированные лагеря (навесы) для коров прямо на пастбищах, которые находятся далеко от населенного пункта. Лагеря всегда строят на возвышенностях и рядом с водоемом [18,90], но это не всегда выходит рядом с линиями электропередач, эта проблема особенно, распространена в горных и лесистых районах Республики Башкортостан, где затруднено проведение электроснабжения. Это видно по карте Республики Башкортостан (рисунок 1.6) [125]. Как правило, линии электропередач проводят рядом с дорогами, что объясняет отдаленность от лагерей.
Это не единственный фактор, который влияет на развитие животноводства. Если посмотреть на карту (рисунок 1.7) [119], где показаны поголовье скота различных районов республики, можно сказать, что развитие скотоводства распределено в степных районах Республики Башкортостан. Это связано не только с распространением электросетей, но и качеством дорог в лесных и горных районах республики по сравнению остальными районами республики. Асфальтированных дорог очень мало, что не маловажно для животноводческой индустрии (перевозка молока, кормов, топлива и др.).
Проведение линии электропередач к летним МТФ требуют больших затрат, окупаемость которых превышает пять лет (средняя стоимость ЛЭП составляет от 300 000 до 500 000 рублей за 1 километр [120] в зависимости от используемых материалов), так как электричество будет использоваться только в летний период. В связи с этим фермеры используют в большинстве случаев дизель-генератор. Для местности, где отсутствуют асфальтированные дороги, завоз топлива может вызвать затрудненность и напрямую повлиять на работу МТФ.
Республика Башкортостан занимает основную часть Южного Урала и прилегающие к нему равнины Башкирского Предуралья и возвышенно-равнинную полосу Башкирского Зауралья. Площадь территории - 143000 км2 [126].
Территория Республики Башкортостан входит в пределы четырех географических зон умеренного пояса: смешанных лесов, широколиственных лесов, лесостепную и степную зоны. Характерно, что все эти зоны под влиянием рельефа отчетливо отклоняются от широтного направления, смещаясь далеко на юг, вследствие чего различия в почвенно-растительном покрове проявляются резче с запада на восток, чем при продвижении с севера на юг. Существенную роль в этом играют Уральские горы, которые протянулись широкой полосой от северной до южной границы республики. Они предопределяют проникновение лесной зоны далеко на юг, в глубь лесостепей и степей. На Башкирском (Южном) Урале климат, почвы и растительность обнаруживают ярко выраженную высотную поясность, где природные ландшафты изменяются от степей и лесостепей в полосе подножий и низких предгорий до елово-пихтовой тайги на высотах от 600 до 1000-1100 м [126] гольцового пояса на самых высоких вершинах гор (до 1600 м и более). Лесной фонд занимает 38% [117] территории Республики Башкортостан. Леса размещены неравномерно, лесистость колеблется от 6-10% [18] в юго-западных районах до 60-90% в восточных и северо-восточных районах. Более одной трети территории покрывают леса, в которых сосредоточены самые обширные в стране площади липы - медоносной растительности. По возрастному составу наблюдается тенденция к старению лесов республики: молодого возраста занимают 17,7% лесопокрытой площади, средневозрастные составляют 27,2%, приспевающие - 15,1%, спелые и перестойные - 40%. Высокая степень пожарной опасности характерна для хвойных лесов Урала, Зауралья и Уфимского плато Республики Башкортостан (около 22% лесного фонда республики), в которых наиболее уязвимы лишайниковые, вересковые, вейниковые и другие типы вырубок по суходолам. К первому классу пожарной опасности относится большая часть лесных массивов Абзелиловского, Аскинского, Белорецкого, Бурзянского, Зилаирского, Дуванского, Дюртюлинского, Краснокамского, Караидельского, Татышлинского и Учалинского районов, расположенных в труднодоступных для пожаротушения местностях. Леса, вследствие болезней и вредителей приходят в упадок и гибнут на значительных территориях. Происходит загрязнение земель отходами на всех стадиях производства лесной продукции [126].
Актуальной является задача ухода за лесами, ликвидация перестойных лесов. Все деревья не годные для использования в строительных материалах, можно переработать и использовать в качестве древесного топлива. Наиболее эффективным для этого при одновременном получении дополнительной тепловой энергии с высоким КПД является использование в качестве топлива в ГГУ.
Измерительное оборудование, аппаратура и датчики
Для определения КПД энергетического комплекса, а также определения температуры начала пиролиза, производились измерения температуры котла газогенератора в различных зонах. Для этого использовались преобразователи термоэлектрические (ТП, термопары), которые предназначены для контроля и измерения температуры жидких, твердых, газообразных и сыпучих сред. В нашем случае использовались термопара ТП-2088/1 — упрощенный вариант ТП-2088. Предназначены для измерения температуры жидких, газообразных сред (в т. ч. агрессивных, которые не разрушают защитную арматуру изделия) и твердых тел в различных отраслях промышленности. Чувствительный элемент — проволока (ХА, ХК, НН, ЖК) [52].
Характеристики данных датчиков представлены в таблице 3.1
Межповерочный интервал (методика поверки в соответствии с РЭ и ГОСТ 8.338):
- 6 месяцев (при измерении температуры - +1100…+1800 С);
- 2 года (при измерении температуры -+850…+1100 С);
- 4 года (при измерении температуры - –40…+850 С); гарантийный срок:
- 2 года для tmax 600 C;
- 1 год для 600 С tmax 1000 C;
- не более 1000 часов эксплуатации для tmax 1000 C;
- не более 100 часов эксплуатации для tmax 1000 C и внешним диаметром кабеля 2 мм;
- 1 год для ТП в чехлах Luxal или Lunit и tmax 1000 C;
- 6 месяцев для ТП в чехлах Luxal или Lunit и tmax 1000 C;
- год для ТП в чехлах из композиционных материалов Si3N4 + SiC или Si3 N4 + Al2 O3 и tmax 1000 C;
- 6 месяцев в стационарном режиме или 20 погружений для ТП в чехлах из композиционных материалов Si3N4 + SiC или Si3N4 + Al2O3 и tmax 1000 C [74].
Тарировку термопар производились с использованием муфельной печи высокотемпературной ПМ-10, оборудованной электронным измерителем температуры. Технические характеристики данной печи представлены в таблице 3.4 [112].
Преобразователем сигналов применялся мультиметр «Mastech MY64» (рисунок 3.2), с помощью которого измеряется напряжение (mV), выдаваемое термоэлектрическими преобразователями ТП-2088/1.
Харатеристики мультиметра «Mastech MY64» представлены в таблице 2 [19].
Измерение температуры воды производилось термопарой типа «К», который входит в комплект к мультиметру «Mastech MY64», характеристики термопары представлены в таблице 3.4 [52]
Газоанализатор «Иифракар М-1.01» предназначен для измерения объемной доли оксида углерода (СО), углеводородов ( в пересчете на гексан), диоксида углерода (CO2), кислорода (О2) в отработавших газах автомобилей с бензиновыми двигателями. В газоанализаторе имеется канал для измерения частоты вращения коленчатого вала двигателя автомобиля, осуществляется расчет коэффициента избытка воздуха . Тахометр предназначен для измерения и отображения в цифровом виде частоты вращения коленчатого вала 2-х, 4-х, 6 и 8 цилиндровых четырехтактных двигателей внутреннего сгорания, с бесконтактной и контактной одноискровой системой зажигания с высоковольтным распределением [64].
Для определения объема вырабатываемого генераторного газа необходим счетчик, считывающий объем произведенного газа.
Существующие газовые счетчики не пригодны для определения объема генераторного газа из-за маленького сечения входного канала, что создает дополнительное сопротивление.
В связи с этим был предложен прибор по определению скорости потоков газов – анемометр MS - 6252A (рисунок. 3.4). Рисунок 3.7- Анемометр MS - 6252A
Цифровой анемометр используется для измерения скорости потока ветра и направления воздушных и газовых потоков. Технические характеристики прибора представлены в таблице 3.6 [65]
В качестве топлива для ГГУ используются породы древесины наиболее распространенные в Республике Башкортостан (таблица 3.7) [126].
Общий вес загружаемого топлива составляет 3 кг. Перед экспериментами влажность древесных чурок размером 4040100 мм доводилась до 20%. Определение требуемой влажности древесины производились путем высушивания пробы топлива в сушильном шкафу 2В-151 при температуре 375 – 378 К до постоянной массы. Требуемые взвешивания производились на весах ВЛВ-100. Влажность топлива определялась из формулы:
Для достижения древесными чурками необходимой влажности использовали сушильный шкаф 2В-151 (рисунок 3.6). Технические характеристики сушильного шкафа представлены в таблице 3.8.
Сушильный шкаф 2В-151 отлично подходит для решения простейших задач, связанных с достижением определенного температурного режима таких, как определения влажности некоторых материалов [23,100,101].
Все требуемые взвешивания производились на весах ВЛВ-100 (рисунок. 3.7), предназначенных для определения процентного содержания влаги в образцах древесной стружки, пиломатериалов при лабораторных испытаниях [98,99]. – весы типа ВЛКТ-100; 2 – сушильная камера с терморегулирующим устройством и контактным термометром
Рисунок 3.10 - Весы лабораторные для определения влажности ВЛВ-100 В качестве потребителя вырабатываемого генераторного газа использовался стационарный ДВС, марки FORZA FZ-188 FD (рисунок 3.8) мощностью 13 л.с., с диаметром цилиндра 88 мм, ходом поршня 64 мм, рабочим объемом 389 см3, со степенью сжатия 8, максимальной вырабатываемой мощностью 9,5 кВт при 3600 об/мин, номинальной мощностью 7.8 кВт при 3600 об/мин, максимальным крутящим моментом 23 Нм при 2500 об/мин, работающий на бензине АИ-92.
Обработка информации производилась с помощью программ (Statistica, Mathcad и Excel),э позволяющих производить статистический анализ экспериментальных данных.
Анализ работы энергетического комплекса на режиме совмещенной выработки энергии
Второй режим работы энергетического комплекса - это совмещенный (комплексный):
- механическую энергию совмещали с выработкой тепловой энергией (нагрев воды);
- тепловую энергию с выработкой генераторного газа;
Если тепловая энергия необходима к началу смены работы МТФ, то часть тепловой энергии получали совместно с получением генераторного газа, а вторую половину тепловой энергии получали при выработке механической энергии.
Экспериментальным путем были определены показатели работы установки по получению тепловой энергии совместно с получением генераторного газа (рисунок 4.11).
По полученным данным можно сделать вывод, что показания тепловой энергии отличаются от показаний тепловой энергии полученный раздельным путем, это видно по графику (рисунок 4.10)
Разница температур нагрева воды при двух различных режимах связана с тем, что при втором случае энергия распределяется не только на нагрев воды, но и на выработку ГГ.
Также были сняты показатели газоанализатора. Составы и объемы генераторного газа представлены в таблице 4.6.
Так как водяная рубашка отрицательно влияет на процесс получения генераторного газа путем отбора энергии, показатели состава газа ухудшились, но не значительно, а объем ГГ практически не отличался от раздельного режима выработки энергии. Данный фактор влияет на работу ДВС (рисунок 4.13).
Двигатель работает стабильно на генераторном газе при совмещенной выработке тепловой энергии, но при этом мощность двигателя понизилась на 3-4 %, это видно по графику (рисунок 4.14), это связано с ухудшением качества ГГ.
При комплексном режиме выработки энергии качество ГГ ухудшилось по сравнению с раздельным режимом, но незначительно, что отрицательно повлияло на мощность ДВС, а также из-за ухудшения качества генераторного газа увеличивается расход топлива на 6 %.
Определение экономического эффекта
Основной целью проведения расчетов экономической эффективности проектируемой системы является их качественная и количественная оценка по сравнению с современными действующими системами аналогичного эксплуатационного назначения, отбор наилучших вариантов при проектировании.
В технико-экономической части диссертационной работы рассматриваются следующие экономические вопросы проектирования системы:
- расчет себестоимости и цены изделия;
- анализ технологичности и конкурентоспособности;
- определение экономического эффекта при использовании системы в промышленном производстве.
Расчет ведется по следующим статьям затрат:
- расходы на сырье и материалы;
- транспортно-заготовительные расходы на поставку сырья и материалов;
- расходы на оплату труда и отчисления на социальные нужды;
- расходы на амортизационные отчисления.
Для определения экономической эффективности внедрения в производство разработки необходимо рассчитать затраты на покупные материалы с учетом транспортно-заготовительных расходов [50]. Данные на основные материалы взяты по прайс-листам заводов изготовителей, расположенных на территории Российской Федерации и представлены в таблице 5.1 .
Анализ таблицы показывает, что наиболее затратным является проведение линии электропередач до молочно-товарной фермы, которая расположена на расстоянии 2 км. Учитывая сезонность работы данной фермы, по нашему мнению, выгоднее будет использовать энергетический комплекс с газогенераторной установкой преимущества которого представим следующих таблицах [123]. С учетом транспортно-заготовительных расходов в размере 4% сумма затрат на покупные изделия для энергетического комплекса с газогенераторной установкой составит: X Зпок =351600 1,04= 365664 руб. При использовании энергетического комплекса с газогенераторной установкой, линии электропередач и дизельного генератора потребуются покупка не только материалов, но и сырья. Стоимость и потребность в сырье представим в таблице 5.2.
Из таблицы видно, что планируется доставка 15 т древесных отходов за сезон работы молочно-товарной фермы при применении энергетического комплекса с газогенераторной установкой. Затраты на сырье при этом составят 3000 руб., что значительно ниже при использовании сырья другими альтернативными видами поставки электроэнергии [47]. Транспортно заготовительные расходы на поставку сырья в нашем случае значительно выше, так как ближайший завод по переработке древесины находится на расстоянии 60 км.
Форма оплаты труда повременная. Зарплата определяется как произведение часовой тарифной ставки на трудоемкость операции (таблица 5.3).
ЗП = ЧТС t , (5.1)
где t – трудоемкость, ч;
ЧТС – часовая тарифная ставка, руб.
Расходы на оплату труда с отчислениями на социальные нужды наиболее высокие при внедрении энергетического комплекса с газогенераторной установкой. Так как кроме электромонтажника, как при последующих двух вариантах, необходимо привлечение еще обслуживающего персонала, который будет заниматься в МТФ различными работами, средняя заработная плата которого составит 12 тыс. руб. в месяц при средней продолжительности работы – 3 месяца.
Из таблицы видно, что стоимость электроэнергии на получение 1 кВт энергетического комплекса с газогенераторной установкой находится в пределах от 5 до 6,5 руб. в зависимости от вида получаемой энергии (электрической, механической). В целом, выгодным с экономической точки зрения вариантом при потреблении электроэнергии в стоимостном выражении является внедрение разработанной нами установки.
Произведем расчет и обоснование выбора энергетического комплекса с газогенераторной установкой. Показатели эксплуатационных затрат за сезон работы, которые включают расходы, связанные с использованием оборудования, а также показатели эффективности его внедрения на молочно-товарной ферме приведем в следующей таблице.