Исследования процесса сгорания топлива в котельной при утилизации помёта птицефабрик

Исследование процесса сгорания топлива в котельной при утилизации помёта птицефабрик

С.В. Митрофанов, к.т.н., В.Ю. Соколов, к.т.н., С.А. Наумов, к.т.н., В.Б. Шлейников, к.т.н., А.Б. Садчиков, к.т.н., В.Е. Ду-доров, к.с-х.н., ФГБОУВО Оренбургский ГУ; Р.Ф. Сагитов, к.т.н, ООО «НИПИЭП»

Помёт птицефабрик является побочной продукцией птицеводства, в разы превышающей по объёму выпуск готовой продукции: при производстве 1 т мяса бройлеров выход помёта составляет 4 т. Всего птицефабрики России производят более 17 млн т помёта в год.

Материал и методы исследования. Пока ещё преобладает точка зрения, что помёт — опасный отход, снижающий прибыльность производства. Выработка пиролизного газа из подстилочного помёта технологически не эффективна, т.к. исходный помёт является более калорийным топливом, чем пиролизный газ. ООО «НИПИЭП» в сотрудничестве с Оренбургским ГУ предлагает сжигание птичьего помёта в специализированных водогрейных и паровых котлах, со скоростью термической утилизации одной порции помёта в пределах 10—15 сек. При правильной организации процесса горения концентрация выбросов меньше, чем при сжигании мазута, а образующаяся зола составляет до 14% от исходного объёма отходов. Получаемый продукт — эффективное калийно-фосфорное удобрение, и поэтому процесс сжигания помёта характеризуется отсутствием вторичных отходов, что делает технологию экологически чистой [1, 2].

Птичий помёт является сырьём для производства: энергоресурсов (тепла, пара, электроэнергии) при его сжигании в виде биотоплива с побочным получением из золы минеральных удобрений; органических удобрений.

Исследование проводили с использованием программного средства, разработанного и зарегистрированного в ОГУ «Обработка результатов многофакторного эксперимента на основе композиционного ортогонального плана ПФЭ 23».

Для исследования процессов сгорания топлива в котельной были определены входные параметры: содержание углеводородов в топливе (%), скорость подачи топлива (л/с), температуры воздуха (°С), оказывающие влияние на процесс сгорания топлива в котельной, а также выходные параметры: шумовая нагрузка (Дб), удельные финансовые затраты (руб/кДж), энергоэфективность (кДж/кг), показывающие эффективность процесса сгорания топлива [1—5].

Результаты исследования. На первом этапе была проведена серия экспериментов по изучению влияния скорости подачи топлива, температуры воздуха, содержания углеводородов в топливе на шумовую нагрузку.

Первоначально проанализировали влияние скорости подачи топлива на шумовую нагрузку при содержании углеводородов в топливе 60%, температуре воздуха 20; 70; 120°С. Результаты представлены на рисунке 1.

ю

сз

и

ж &

а ^

п X к п m

о

§

> 3

85 80 75 70 65 60 55

^^t = 20° С -Л t = 100° с

0,01

0,03

0,05

0,07

0,09

Скорость подачи воздуха, л/с

Рис. 1 - Зависимости шумовой нагрузки от скорости подачи топлива при содержании углеводородов в топливе 60%

На рисунке 1 видно, что с увеличением скорости подачи топлива от 0,01 до 0,04 л/с шумовая нагрузка снижается, при дальнейшем увеличении скорости подачи топлива шумовая нагрузка возрастает в исследованных пределах; наименьшая шумовая нагрузка получается при средней температуре воздуха (70°С); наилучшим является использование воздуха температурой 70°С и скорости подачи воздуха 0,04 л/с, при этом шумовая нагрузка составляет 60 Дб.

Далее изучали влияние температуры воздуха на шумовую нагрузку при содержании углеводородов в топливе 70%, скорости подачи топлива 0,03; 0,05 и 0,07 л/с.

Результаты исследования представлены на рисунке 2.

—^V - 0,03 л/с ^^V-0,07 л/с V-0,05 л/с

20

220

70 120 170

Температура воздуха, °С

Рис. 2 - Зависимости шумовой нагрузки от температуры воздуха при содержании углеводородов в топливе 70%

На рисунке 2 показано, что с увеличением температуры воздуха от 20 до 70°С шумовая нагрузка снижается, при дальнейшем увеличении

температуры воздуха шумовая нагрузка возрастает в исследованных пределах; наименьшая шумовая нагрузка получается при скорости подачи топлива от 0,03 до 0,07 л/с; наилучшим является использование воздуха температурой 70°С и скорости подачи воздуха от 0,03 до 0,07 л/с, при этом шумовая нагрузка составляет 58 Дб.

Динамика влияния содержания углеводородов в топливе на шумовую нагрузку при температуре воздуха 70°С, скорости подачи топлива 0,03; 0,05 и 0,07 л/с продемонстрирована на рисунке 3.

85

ю

80

и

* 75

£ 75

£ 70 п

I 65

3 60

о

55

= 0,03 л/с = 0,05 л/с ^ Ч = 0,07 л/с

40 50 60 70 80

Содержание углеводородов в топливе, %

И

4 * 7

IV л

I "

5 е- 6

^ л

ф м

£ 5

0,01 0,03 0,05 0,07

Скорость подачи воздуха, л/с

0,09

Рис. 4 - Зависимости удельных финансовых затрат от скорости подачи топлива при содержании углеводородов в топливе 60%

Анализ данных рисунка 4 показал, что с увеличением скорости подачи топлива от 0,01 до 0,05 л/с удельные финансовые затраты снижаются, при дальнейшем увеличении скорости подачи топлива удельные финансовые затраты возрастают в исследованных пределах; наименьшие удельные финансовые затраты получаются при температуре воздуха 70°С; наилучшим является использование воздуха температурой 70°С и скорости подачи воздуха 0,05 л/с, при этом удельные финансовые затраты равны 5,3 руб/кДж.

Далее анализировали результаты влияния температуры воздуха на удельные финансовые затраты при содержании углеводородов в топливе 70%, скорости подачи топлива 0,03; 0,05 и 0,07 л/с (рис. 5).

Рис. 3 - Зависимости шумовой нагрузки от содержания углеводородов в топливе при температуре воздуха 70°С

Анализ изучаемого показателя свидетельствует о том, что с увеличением содержания углеводородов в топливе от 0 до 68% шумовая нагрузка снижается, при дальнейшем увеличении содержания углеводородов в топливе шумовая нагрузка возрастает в исследованных пределах; наименьшая шумовая нагрузка получается при содержании углеводородов в топливе 68% и скорости подачи топлива 0,05 л/с, при этом шумовая нагрузка составляет 58 Дб.

На втором этапе исследования провели серию экспериментов по изучению влияния скорости подачи топлива, температуры воздуха, содержания углеводородов в топливе на удельные финансовые затраты (руб/кДж) [1—5].

Динамика влияния скорости подачи топлива на удельные финансовые затраты при содержании углеводородов в топливе — 60%, температуре воздуха 20; 70; 120°С представлена на рисунке 4.

9

ф

И 8

Рис. 5 - Зависимости удельных финансовых затрат от температуры воздуха при содержании углеводородов в топливе 70%

На рисунке 5 видно, что с увеличением температуры воздуха от 20 до 70°С удельные финансовые затраты снижаются, при дальнейшем увеличении температуры воздуха удельные финансовые затраты возрастают в исследованных пределах; наименьшие удельные финансовые затраты получаются при скорости подачи воздуха 0,05 л/с; наилучшим является использование воздуха температурой 70°С и скорости подачи воздуха 0,05 л/с, при этом удельные финансовые затраты составят 4,9 руб/кДж.

Результаты изучения влияния содержании углеводородов в топливе на удельные финансовые затраты при температуре воздуха 70°С, скорости подачи топлива 0,03; 0,05 и 0,07 л/с представлены на рисунке 6.

На рисунке 6 показано, что с увеличением содержания углеводородов в топливе от 40 до 70% удельные финансовые затраты снижаются, при дальнейшем увеличении содержания углеводородов в топливе удельные финансовые затраты возрастают в исследованных пределах; наименьшие удельные финансовые затраты получаются при скорости подачи воздуха 0,05 л/с; наилучшим является использование топлива с содержанием углеводородов 70% и скорости подачи воздуха 0,05 л/с, при этом удельные финансовые затраты 4,9 руб/кДж.

8

7,5 * ^ 7

х Ч» 6,5

В-!

п

6 5,5 5

£ >-^ п

щ п „ ,-4,5

= 0,03 л/с = 0,05 л/с У = 0,07 л/с

40

50

60

70

80

0,01

0,09

ние воздуха температурой 80°С и скорости подачи воздуха 0,05 л/с, при этом энергоэффективность составляет 450 кДж/кг.

Содержание углеводородов в топливе, %

Рис. 6 - Зависимости удельных финансовых затрат от содержании углеводородов в топливе при температуре воздуха 70°С

о

X т

I- X А. *

л ^ £ *

о ^

а а х

т

500 450 400 350 300 250 200 150

20 70 120 170

Температура воздуха, °С

220

0,03 0,05 0,07

Скорость подачи воздуха, л/с

Рис. 7 - Зависимости энергоэффективности от скорости подачи топлива при содержании углеводородов в топливе 60%

На третьем этапе исследования была проведена серия экспериментов по изучению влияния скорости подачи топлива, температуры воздуха, содержания углеводородов в топливе на энергоэффективность [1—5].

На рисунке 7 показано влияние скорости подачи топлива на энергоэффективность при содержании углеводородов в топливе 60%, температуре воздуха 20; 70; 120°С. Анализ данных свидетельствует, что с увеличением скорости подачи топлива от 0,01 до 0,055 л/с энергоэффективность возрастает, при дальнейшем увеличении скорости подачи топлива энергоэффективность снижается; наибольшую энергоэффективность можно получить при температуре воздуха 70°С; наилучшим является использование воздуха температурой 70°С и скорости подачи воздуха 0,055 л/с, при этом энергоэффективность составляет 455 кДж/кг.

Далее изучали влияние температуры воздуха на энергоэффективность при содержании углеводородов в топливе 70%, скорости подачи топлива 0,03, 0,05 и 0,07 л/с.

На рисунке 8 видно, что с увеличением температуры воздуха от 20 до 80°С энергоэффективность возрастает, при дальнейшем увеличении температуры воздуха энергоэффективность снижается в исследованных пределах; наибольшую энергоэффективность можно получить при скорости подачи воздуха 0,05 л/с; наилучшим является использова-

Рис. 8 - Зависимости энергоэффективности от температуры воздуха при содержании углеводородов в топливе 70%

Рисунок 9 демонстрирует влияние содержания углеводородов в топливе на энергоэффективность при температуре воздуха 70°С, скорости подачи топлива 0,03; 0,05 и 0,07 л/с. Его данные показывают, что при снижении содержания углеводородов в топливе от 40 до 65% энергоэффективность снижается, при дальнейшем увеличении содержания углеводородов в топливе наблюдается увеличение энергоэффективности в исследованных пределах; наибольшая энергоэффективность получается при скорости подачи воздуха 0,05 л/с; наилучшим является использование топлива с содержанием углеводородов 40% и скорости подачи воздуха 0,05 л/с, при этом энергоэффективность составляет 550 кДж/кг.

1 * I 3

а ш

I

т

700 650 600 550 500 450 400 350

—♦—0,03 л/с 0,05 л/с -А 0,07 л/с

40 50 60 70 80

Содержание углеводородов в топливе, %

Рис. 9 - Зависимости энергоэффективности от содержании углеводородов в топливе при температуре воздуха 70°С

Следует отметить, что при использовании топлива с содержанием углеводородов 40% наблюдается значительное увеличение шумовых нагрузок до 80—85 Дб и удельных финансовых затрат до 7,5-8,5 руб/кДж.

Учитывая, что определяющими выходными показателями процесса являются удельные финансовые затраты и шумовая нагрузка, можно сделать

вывод, что наиболее эффективным является использование топлива с содержанием углеводородов 70%, температуры воздуха 70°С, скорости подачи воздуха от 0,05—0,055 л/с. При этом удельные финансовые затраты составят 4,9 руб/кДж, шумовая нагрузка 58 Дб, энергоэффективность 450 кДж/кг.

Литература

1. Левин Е.В. Оценка воздействия помётохранилища бывшей птицефабрики «Снежная» в Мурманской области на атмосферный воздух и почву / Е.В. Левин, Р.Ф. Сагитов, Т.А. Гамм, В.Д. Баширов, Р.Н. Касимов, С.П. Василевская, Е.В. Волошин // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2017. № 2 (64). С. 193—196.

2. Левин Е.В. Воздействие помётохранилища бывшей птицефабрики «Снежная» Мурманской области на поверхностные

воды / Е.В. Левин, Р.Ф. Сагитов, Т.А. Гамм, В.Д. Баширов, Р.Н. Касимов, С.П. Василевская, Е.В. Волошин, А.Д. Бура-каева // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2017. № 3 (65). С. 210-212.

3. Левин Е.В. Экологическое обоснование ликвидации помётохранилища на основе результатов инженерно-экологических изысканий / Е.В. Левин, Т.А. Гамм, Р.Ф. Сагитов, С.В. Шабанова. М.: Русайнс, 2016. 128 с.

4. Егоров А.А. Анализ проблемы технических этажей в жилых зданиях / В.Д. Баширов, Р.Ф. Сагитов, В. В. Захаревич // Актуальные направления научных исследований: от теории к практике: сб. матер. III Междунар. науч.-практич. конф. Чебоксары, 2015. С. 29-30.

5. Егоров А.А. Обоснование применения крышных котельных установок в зданиях жилищно-коммунального назначения / В.Д. Баширов, Р.Ф. Сагитов, В.В. Захаревич // Актуальные направления научных исследований: от теории к практике: сб. матер. III Междунар. науч.-практич. конф. Чебоксары, 2015. С. 232-233.

Релейная защита - проблемы и перспективы

А.Ф. Абдюкаева, к.т.н, М.Б. Фомин, к.т.н., Е.М. Асман-кин, д.т.н, профессор, Ю.А. Ушаков, д.т.н, профессор, Д.С. Федотов, инженер, ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ

Сравнительно недавно в энергетике стало массово внедряться новое микропроцессорное оборудование для защиты объектов энергоснабжения, реализованное на компьютерных технологиях. В профессиональной терминологии электротехнической сферы оно получило название «Микропроцессорное устройство релейной защиты», сокращённо МУРЗ [1].

Естественно, переход от устройств релейной защиты прошлого поколения на микропроцессорный уровень основан на развитии и внедрении функций, превосходящих прежние серийные алгоритмы и позволяющих осуществлять как регистрацию процессов аварийного состояния, так и опережение отключения синхронных потребителей при нарушении устойчивости сети. Причём одним из значимых и реально востребованных плюсов микропроцессорных устройств являются их малые габариты.

Сравнение многофункциональных МУРЗ и однофункциональных электромеханических устройств релейной защиты нельзя категорировать как процедуру объективную, поскольку эти устройства являются представителями разных лиг [2].

Электромеханические реле эксплуатировались не один десяток лет, и их конструкция не претерпела принципиальных изменений на протяжении всего производственного периода. Собственно, развитие электромеханических устройств прекратилось в результате утвердившейся концепции тотальной автоматизации производства. На каком-то этапе основные мировые производители полностью прекратили выпуск электромеханических реле, не оставив технического выбора энергокомпаниям, которые были вынуждены либо продлять срок эксплуатации электромеханических устройств, либо переходить на процессорное обеспечение, меняя «хорошее на новое».

Необходимо отметить, что опыт эксплуатации МУРЗ не велик, но сравнение их с прошлым поколением устройств релейной защиты неизбежно во всём технологическом спектре, где основным критерием является надёжность. Электромеханические реле вот уже в течение 40 лет не создавали отрицательных предпосылок к их усовершенствованию и модернизации. В этой связи была чётко и функционально отработана как схема технического обслуживания, так и технология пролонгирования гарантийного срока эксплуатации. Несмотря на маркетинговый ход производителей, связанный с акцентированием на полном отсутствии подвижных элементов в конструкции МУРЗ, что, несомненно, выставляет их в выгодном свете по сравнению с электромеханическими реле, все-таки размещение всех основных элементов микропроцессорных устройств на одной плате не даёт однозначных плюсов [3, 4].

Любой инженер чётко понимает, что чем больше дополнительных функций несёт устройство, тем выше плотность монтажа микроэлементов. При этом плотность монтажа на такой плате может быть настолько высока, что выход из строя одного из элементов приведёт к разбалансировке интегральной функции при невозможности поиска неисправности и нецелесообразности реализации ремонтных операций с такой уже бесперспективной платой.

Кроме того, тепловой режим работы электронных компонентов экстремализуется и заметно сокращается их срок службы — далее, как следствие, неминуема выбраковка и замена разрушенной платы новой. Учитывая уровень цен и динамику их рыночного роста, можно понять незаинтересованность производителя в ремонте таких изделий и полную блокаду технической документации, позволяющей ознакомиться с принципиальными схемами или реализовать локальное ремонтное производство. Важно отметить, что очень серьёзного внимания требует решение вопроса электро-