Чисельник: дані при змінному куту нахилу. 4 страница

2. Як поділяються гідроелектростанції за величиною використання напору?

3. Як поділяються гідроелектростанції за способом створення напору?

4. Що входить до комплексу гідроспоруд пригребельно-заплавних електростанцій?

5. Що входить до комплексу гідроспоруд пригребельно-руслових електростанцій?

6. Що входить до комплексу гідроспоруд дериваційних електростанцій?

7. Що входить до комплексу гідроспоруд гребельно-дериваційних електростанцій?

8. Розкрийте зміст основних стадій проектування малих гідроелектростанцій?

9. В чому полягає мета гідрологічних розрахунків?

10. Назвіть основні показники гідрологічних розрахунків?

11. Як визначається об’єм водосховища?

12. Що є вихідними даними для гідроенергетичних розрахунків7

13. Від яких чинників залежить потужність гідроелектростанції?

14. На які види поділяються турбіни малих гідроелектростанцій за характером віддачі енергії?

15. На які типи поділяють активні турбіни малих гідроелектростанцій?

16. Що таке коефіцієнт швидкохідності робочого колеса турбіни?

17. Опишіть конструкцію двократної турбіни.

18. За якими конструкціями виконують реактивні турбіни?

19. Для чого призначені всмоктувальні труби реактивних турбін і за якою формою вони виконуються?

20. Як поділяються генератори малих гідроелектростанцій за видом розташування вала?

21. Які типи генераторів застосовують на малих гідроелектростанціях?

22. В яких випадках застосовують синхронні генератори на малих гідроелектростанціях?

23. Яка виникає головна проблема при застосуванні асинхронних генераторів в автономних системах?

24. Що повинні забезпечувати автоматичні пристрої малих гідроелектростанцій?

5 КОНСТРУЮВАННЯ БІОГАЗОВИХ УСТАНОВОК.

Біомаса є одним із найбільш поширених відновлюваних джерел енергії. В енергетиці під поняттям “біомаса” розуміють органічні речовини, які шляхом фотосинтезу утворюються рослинами і можуть бути використані для отримання енергії. Біомасу можна розділити на дві основні групи:

– первинна біомаса,

– вторинна біомаса.

Джерелом первинної біомаси є наземний та водний рослинний світ; вторинної - відходи біомаси, що утворюються після збору та переробки первинної біомаси в товарні продукти і відходи, що обумовлені життєдіяльністю людей та тварин (деревина, солома, рослинні відходи сільського господарства, відходи тваринництва та птахівництва, органічна частина побутових і промислових відходів).

Щорічно на Землі за допомогою фотосинтезу утворюється біля 120 млрд. т сухої органічної речовини, що є енергетичним еквівалентом 40 млрд. т нафти.

Відповідно до оцінок Світової енергетичної ради і Комітету ООН з нових і нетрадиційних відновлюваних джерелах енергії, одним з найважливіших відновлюваних джерел енергії в ХХІ столітті буде біомаса - як в розвинених індустріальних країнах, так і в країнах, що розвиваються. Ресурси біомаси в різних видах є майже у всіх регіонах і майже в кожному із них може бути налагоджена її переробка в енергію і паливо. В подальшому при правильній організації репродукції і збору біомаси та при застосуванні сучасних технологій її утилізації доля енергії біомаси в загальному енергоспоживанні може значно зрости.

5.1 Технологічна схема біогазової установки.

Одним з ефективних шляхів доповнення та заміни традиційних паливно-енергетичних ресурсів, особливо в сільській місцевості, є виробництво та використання біогазу, що утворюється в результаті використання технологій метанового зброджування відходів рослинної та тваринницької біомаси. Для виробництва біогазу є придатними різноманітні відходи агропромислових виробництв, як містять целюлозу та різні види цукрів, що, при застосуванні певних технологічних умов, підлягають ферментації – проходженню біохімічних процесів, кінцевим результатом яких є отримання біогазу та концентрованих органічних добрив.

В останні роки застосування біогазових технологій отримали розповсюдження як в країнах, що розвиваються, так і в промислово розвинених країнах, особливо в Західній Європі, де приблизно 75% біогазового обладнання припадає на невеликі установки з ємністю реакторів від 100 до 300м³, що утилізують в основному відходи тваринництва. Доцільність автономного енергозабезпечення ферм із власного джерела енергії та необхідність зменшення шкідливих викидів в оточуюче середовище роблять енергетичний біогазовий блок обов’язковим елементом сучасних сільськогосподарських комплексів.

Вміст органічних речовин у біомасі, що піддається ферментації, становить:

· у стоках – 0,04…0,06%;

· у харчових відходах –15%;

· у гної та гноївці – 15…20%.

Виробництво біогазу суттєво залежить від складу вихідного матеріалу, тобто речовини, що завантажується до ферментаційної камери.

Середня кількість біогазу, яку можна отримати з 1м³ виділень тварин, оцінюється у 20…25м³, хоча рентабельною кількістю в техніко-економічному відношенні вважаються 30…35м³. Таку кількість газу можна отримати шляхом сполучення виділень тварин та господарських відходів з іншою речовиною, яка відрізняється високим вмістом сухої органічної маси, а саме з відходами підприємств харчової промисловості або рослинною масою (особливо травою з площ під паром). За існуючими даними, додавання 10% за масою силосу з кукурудзи при вологомісткості 30% до гноївки (W=85%) збільшує виробництво біогазу на 50-60%, а додавання 5% за об’ємом відходів гліцерину (від виробництва ефіру при W=71%) збільшує кількість біогазу, що виробляється, на 60-70%. Значно збільшує вихід біогазу на одиницю об’єму сировини додавання жирів і комунальних стоків з господарств, розміщених неподалік.

Сировину, що завантажується, можна поділить на 3 основних категорії:

· сільськогосподарську - гноївка, гній (враховуючи більшу гідратацію лише як додатковий матеріал), енергетичні культури, залишки біомаси та інше;

· промислову - крохмаль, відходи скотобоєнь, молочних, цукрових заводів, фармацевтичної, косметичної та паперової промисловості тощо;

· господарську – органічні відходи, комунальні стоки, обрізки саду тощо.

Ферментаційний матеріал можна також розділити на основний (ферментація якого може протікати самостійно, без додавання інших речовин) та допоміжний. Основним ферментаційним матеріалом вважають гній, гноївку, молоду траву, а допоміжним – рослинні відходи від фруктів, органічні відходи, залишки їжі, жири, мелясу, органічні продукти, що розпадаються природно-біологічним шляхом, господарські стоки тощо.

В процесі анаеробної ферментації приймають участь різні види мікроорганізмів; з точки зору температурних умов проходження реакцій можна виділити два основних види мікроорганізмів - термофіли, активні при 45…70 ^оС, та мезофіли, активні при 20…40 ^оС.

Сукупність газів, що виділяються в процесі анаеробної переробки біомаси, містять 60…70% метану, 30…40% вуглекислого газу, домішок сірководню, водню, аміаку та окислів азоту. Вилучення шкідливих компонентів біогазу є обов’язковим при експлуатації біоенергетичного обладнання. Його вихід з установки залежить від якісних показників вхідної сировини (органічний склад, вміст твердих частинок) та від параметрів процесу метаногенезу (температури, кислотного показника середовища, тривалості бродіння, наявності інгібіторів і каталізаторів).

Основні технологічні операції, що забезпечують виконання процесу утворення біогазу, наступні:

– збирання та підготовка вхідної сировини;

– метанове бродіння;

– розподіл отриманих продуктів на газову та тверду (рідку) складові;

– використання продуктів технологічного процесу.

5.1.1 Збирання та підготовка вхідної сировини.

Вирішує такі питання:

– накопичення сировини (в об’ємі дози завантаження метантенка);

– доведення сировини до технологічної вологості (згущення або розбавлення. Згущення проводиться в спеціальних спорудах – відстійниках, що можуть бути за конструктивним виконанням горизонтальними та вертикальними. Їх конструювання будується за методикою, що базується на кінематиці випадання завислої речовини в осад. Розбавлення сировини – це вимушена операція, яку здійснюють добавленням рідкої фракції стоків з обов’язковим перемішуванням);

– видалення інорідних включень (каміння, металевих та дерев’яних фрагментів. Застосовують решітки різних конструкцій);

– подрібнення твердих складових сировини (за допомогою перекачуючого насоса-подрібнювача);

– підігрівання вхідної сировини до технологічної температури (подача не підігрітої маси в реактор порушує технологічний процес в реакторі і різко знижує вихід газу. Для підігрівання використовують вертикальні теплообмінники системи “труба в трубі” або барботажні пристрої – пропуск теплих газів через шар сировини.).

5.1.2 Метанове бродіння.

Здійснюється в схемах періодичної безперервної та ступінчастої (двостадійної) технології. Періодична схема вимагає застосування декілька реакторів, щоб забезпечити безперервність отримання газу. При цьому, якщо один працює, то інший завантажується (слід врахувати, що розвантажування здійснюють на 0,7…0,8 величини робочого об'єму з метою залишку мікрофлори для початку нового циклу бродіння). Крім того, така схема не можлива без газгольдеру, тому що в робочий об’єм реактора не повинен проникнути кисень (зменшується життєдіяльність анаеробних мікроорганізмів). За проточною схемою процес завантаження метантенку проходить або безперервно, або через певні проміжки часу з одночасним видаленням відповідного об’єму маси, що відбродила (об’ємно-доливний спосіб). Головною технологічною умовою проточної системи є відповідність між швидкістю росту кількості мікроорганізмів та швидкістю протоку сировини. При такій умові інтенсивність бродіння максимальна. Щоб підвищити швидкість розкладання біомаси, процес бродіння проводиться у дві стадії – кисла (виділення СО₂) та метанова (виділення СН₄) – в одному реакторі.

За конструкцією метантенки виконуються горизонтальними та вертикальними. За ступенем знезаражування – однопорожнинними та дво– (трьох) порожнинними.

Нагрівальні пристрої метантенка виконують вбудованими в стінку камери і розташовані в нижній частині за периметром у формі змійовика, в якому циркулює вода з температурою 60…70 ⁰С. Крім такої системи підігрівання, застосовують спосіб пропуску пари через шар субстрату (може призвести до відхилення технологічної норми вологості) та використовують виносні теплообмінники типу “труба в трубі”.

Для забезпечення рівномірності параметрів бродіння у всьому об’ємі реактора, застосовують операцію перемішування за допомогою механічних, гідравлічних та пневматичних пристроїв.

5.1.3 Розподіл продуктів ферментації (бродіння).

Збирання газової складової здійснюється в газгольдерах низького (до 5кПа), середнього (2…20кПа) та високого (більше 2ГПа) тиску.

Найбільш розповсюдженими газгольдерами низького тиску є “мокрі” газгольдери. Конструктивно вони складаються з рухомої частини (ковпак), що занурюється в басейн з водою (нерухома частина) (рис. 5.1). Під ковпак підводиться газопровід. Висота ковпака визначає висоту водяного резервуара. Щоб не збільшувати розміри резервуару, ковпак виконують телескопічним (рис. 5.2). Інші конструктивні рішення “мокрих” газгольдерів подані на рис. 5.3.

а) б)

1 – ковпак; 2 – басейн.

Рис. 5.1 Мокрий газгольдер після видалення (а) та заповнення (б)

1 – басейн; 2,3,4 – складові ковпаку; 5,6 – гідравлічні затвори.

Рис. 5.2 Мокрий газгольдер з телескопічними кільцями.

Основним недоліком даних установок, крім високої матеріалоємкості, є необхідність їх побудови в опалювальних приміщеннях або влаштовувати обігрівання гідравлічного затвору в холодний період року.

а – постійного об’єму суміщеного з метантенком (р =1...3кПа);

б – змінного об’єму суміщеного з метантенком та плівковою кришкою (р =1кПа);

в,г – змінного об’єму суміщеного з метантенком (р < 5кПа).

Рис. 5.3 Газгольдери мокрі низького тиску.

Щоб уникнути останнього недоліку, застосовують так звані “сухі” газгольдери (рис. 5.4). Їх можна розміщувати на відкритому повітрі.

а,б,в – з регулюванням (підтримуванням) тиску за допомогою противаг;

г – з регулюванням (підтримуванням) тиску пневматичним способом.

Рис. 5.4 Газгольдери сухі низького тиску з гнучкими елементами.

Резервуари для збирання газу середнього та високого тиску виконуються циліндричної або сферичної форми. Газ в них подається компресорними установками, що є енерговитратним елементом біогазової установки.

Тверда складова бродіння проходить технологічну операцію збезводнення шламу за допомогою наступних методів: гравітаційного, динамічного, відцентрового, флотаційного або їх комбінацій. Найчастіше застосовують гравітаційні (вертикальні та горизонтальні) відстійники або дугові сита та віброгрохоти (динамічний метод).

5.1.4 Використання продуктів ферментації.

Тверду та рідку частини використовують як високоякісні органічні добрива.

Використання газової складової для виробництва електроенергії можливе лише при тривалій експлуатації генераторної установки. Кількість газу, що необхідна для виробництва електроенергії, подана в таблиці 5.1

Слід обов’язково враховувати, що річне завантаження повинно бути рівномірно розподілене протягом року, а в електроенергію перетворюється лише 30% енергії газу. 55…60% викидної теплоти необхідно утилізувати за допомогою теплообмінного устаткування.

Таблиця 5.1 – Залежність потужності генератора від річного завантаження

Показники	Потужність генератора, кВА
Річне завантаження, годин
Необхідна кількість газу, м3/доб.
Додаткова кількість теплової енергії, МДж/доб.

5.2 Розрахунок основних блоків технологічного обладнання біогазових установок.

5.2.1 Обладнання підготовки вхідної маси.

Місткість приймальної споруди (V_зб):

,

де Q – маса сировини, т;

r - густина сировини, т/м³;

Густина залежність від вологості. Так для рідкого гною, що отриманий від сільськогосподарських тварин, вона складає:

Вологість, %
Густина, кг/м3

t_н - час накопичення сировини, діб.;

k_в - коефіцієнт, що враховує зміну густини сировини в залежності від початкової вологості за час накопичення.

Місткість резервуара для нагрівання (V_н):

,

де L – добовий вихід сировини нормативної вологості, м³;

t₀ – час нагрівання, діб.;

k’_о – коефіцієнт, що враховує зміну густини сировини за час нагрівання;

Поверхня теплообміну (F₁):

,

де Q₁ – кількість теплоти для нагрівання вхідної маси, Дж;

t_п, t_к – відповідно початкова та кінцева температура сировини, ⁰С;

k – коефіцієнт тепловіддачі, що залежить від виду теплоносія, характеру протікання процесу теплообміну, форми теплообмінника;

t_н – час нагрівання.

5.2.2 Визначення основних параметрів метантенку.

Об’єм метантенка (V_м):

,

де g – добова доза завантаження метантенка.

Тривалість бродіння (t_б):

t_б = 100 / q,

де q – питома кількість виходу газу з 1т сировини, що перероблюється.

Добовий вихід газу:

G_б= L q, м³

5.2.3 Визначення основних параметрів газгольдера.

Об’єм газгольдера (V_г):

,

де t_нб – тривалість накопичування газу за добу.

Геометричні розміри газгольдеру визначаються із умов найменших витрат матеріалу. При використанні “мокрого” газгольдера його корисний об’єм визначається:

,

де D – діаметр ковпака газгольдера;

Н₀ – висота ковпака;

h – висота шару води, що потрапляє під ковпак, як результат балансового відношення тисків;

Дійсне значення тиску під ковпаком складає:

р = р₀ – р₁ – р₂,

де р₀ – тиск, що виникає за рахунок маси ковпака:

,

де G – маса ковпака.

р₁ – зниження тиску за рахунок виштовхуючої сили, що діє на занурену частину ковпака:

,

де G’ – маса ковпака з урахуванням виштовхуючої сили:

,

де m – маса стінок ковпака.

р₂ – зменшення тиску за рахунок різниці густини повітря навколишнього середовища та газу під ковпаком:

,

де G’’ – вертикальна складова підйомної сили, що виникає як результат різниці густини повітря та газу:

,

де g_п, g_г - відповідно густина повітря та газу.

В “сухому” газгольдері різниця тиску складає:

,

де h_c - висота газового шару в газгольдері.

Тиск в газгольдері є вихідним параметром установки, тому за його величиною корегуються розміри газгольдеру.

5.2.4 Розрахунок кількості теплоти в установці.

Загальна теплова енергія від газу:

Q_заг =G_б × С_б,

де С_б - теплотворна здатність газу (с=24 МДж/ м³).

Витрати теплоти на нагрівання сировини

,

де t₁ – початкова температура нагрівання;

t₂ - режимна температура (мезофільний або термофільний процес);

С_с - тепломісткість сировини (наприклад, для гною сільськогосподарських тварин 4.06 кДж/ кг⁰С);

h – ККД нагрівача.

Витрати теплоти на власні потреби:

,

де Q_втр – кількість теплоти на компенсацію тепловтрат.

5.2.5 Визначення вихідних показників установки.

Загальна кількість газу, що витрачається на власні потреби:

G_вп = Q_вп / С_б

Кількість товарного газу:

G_т = G_б – G_вп

Коефіцієнт витрат газу на власні потреби:

.

5.3 Приклади розрахунків.

Розрахунок біогазової установки.

Дано: корівник на 200 голів, видалення гною – транспортерне, утримання – прив’язне.

1. Об’єм гноєприймача:

,

де t_н =2 доби – час накопичення гною;

k_в=1–- коефіцієнт, що враховує зміну густини сировини в залежності від початкової вологості за час накопичення.

Q_г – добовий вихід гною з ферми:

де m_e – маса екскрементів від тварин, кг

Вид та вікові групи тварин	Загальний вихід на 1 голову за добу,кг
Велика рогата худоба: – корови – нетелі – телята (до 6 міс.)	7,5
Молодняк на відгодівлі, міс – 6 – 9 – 12
Свиноматки	6,0
Поросята, міс. – до 2 – 2...4	3,3 3,6
Підсвинки (до 6 міс.)	4,2
Свині на відгодівлі	5,0
Кури	0,27...0,32
Індики	0,4...0,45
Качки	0,4...0,5
Гуси	0,6...0,7

m_в – добова кількість води, що потрапляє в систему гноєсховища;

№ п/п	Система видалення	Розрахунковий вираз
	Транспортерне (конвеєрне)	(0,1...0,2) me
	Самосплавна	(0,3...0,5) me
	Лотково-зливна із сухою чисткою	(2,0...2,5) me
	Лотково- зливна з вологою чисткою підлоги	(5,0...6,0) me
	Гідрозмив	(7,0...8,0) me

m_п – добова кількість підстилки на 1 гол., кг

Вид і вік тварин	Спосіб утримання
у групових клітках	прив’язний	боксовий	безприв’язний на глибокій підстилці
Велика рогата худоба: – корови – відгодівельне поголів’я – молодняк	–   – 1,0	1,5   1,0 1,5	0,5   – 0,5	3,0   3,0 1,5
Свині	0,5	–	–	–

Вологість підстилкового гною:

де W_e – відносна вологість екскрементів:

Види тварин	Вологість, %
кал	сеча	суміш
Велика рогата худоба	83...84	94...95	86...87
Свині	76...78	94...95	87...88
Вівці	76...69	94...95	77...79
Коні	71...72	95...96	77...79
Кури	–	–	73...76
Індики	–	–	73...76
Качки, гуси	–	–	83...85

W_п – вологість підстилки (солома –19,6%);

Р_п,Р_в – співвідношення у гнойовій масі підстилки і води, %:

W_г =86-0,01·2,32 (86-19,6) + 0,01·12,74(100-86) = 86,24%

2. Добовий обсяг завантаження метантенка:

3. Визначення об’єму бродильної камери:

,

де р – добова доза завантаження, %:

– для мезофільного процесу – 7%;

– для термофільного процесу – 15%;

q – коефіцієнт заповнення камери (в межах 0,8..0,95).

4. Добовий вихід біогазу:

де z – стан розкладання органічної речовини, %;

k – коефіцієнт розчинності біогазу (1,1...1,5);

ρ_г – густина біогазу (при СН₄ 60% та СО₂ 35% – 1,17кг/м³).

5. Витрати теплової енергії, що необхідна для підігрівання біомаси:

де – кількість теплоти, що витрачається в теплий період, МДж:

;

– кількість теплоти, що витрачається в холодний період, МДж:

;

,

де t_бр – температура бродіння (для мезофільного 35⁰С);

t_г – температура маси гною (20⁰С в теплий період; 10⁰С в холодний період);

с_г – теплоємкість гною, 4,06 кДж/кг ⁰С;

η – ККД нагрівача.

6. Кількість біогазу, що необхідна для підігрівання біомаси: