Энергосбережение и инновационные технологии в топливно-энергетическом комплексе: материалы Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов, посвященной 50-летию создания Тюменского индустриального институ

возобновляемым ресурсам относятся все те ресурсы, которые можно восстановить с помощью фотосинтеза в обозримый отрезок времени. Это все виды растительности и те ресурсы, которые можно из неѐ получить. К невозобновляемым относятся полезные ископаемые, которые в обозримое геологическое время уже не восстановятся. Используемые человечеством технологии ориентированы в первую очередь на использование невозобновляемых природных ресурсов. Это нефть, уголь, руды и т.п. При этом их использование технологически влечѐт за собой нарушения в окружающем мире: уменьшается плодородие почв и количество пресной воды, загрязняется атмосфера и т.п [2]. Альтернативой существующим технологиям являются технологии, ориентированные на переработку растений, использующих для своего роста солнечную энергию. Получающиеся при этом продукты могут закрыть практически все потребности человечества в энергоресурсах. В качестве авиационного топлива можно использовать этанол

[1].

Энергия, которой обладает ежегодно прирастающее на планете количество биомассы, эквивалентна 40 млрд. тонн нефти. При этом мировое потребление нефти составляет около 3 млрд. тонн в год [3]. Таким образом, перспектива использования биомассы в качестве топлива для производства тепла, электричества и механической работы просматривается вполне отчетливо (рисунок 1).

Рис. 1. Схема кругооборота веществ при производстве и потреблении биотоплив на примере этанола

Биоэтанол – как альтернативный вид топлива

Проанализирована возможность использования биоэтанола в автомобильной промышленности взамен существующему бензину.

Высокие антидетонационные качества определяют преимущественное использование спиртов в двигателях внутреннего сгорания с принуди-

171

тельным (искровым) зажиганием. При этом основные мероприятия по переводу двигателей на работу на чистых спиртах сводятся к увеличению вместимости топливного бака, увеличению степени сжатия двигателя до 12—14 с целью полного использования детонационной стойкости топлива и большую степень обеднения смеси [4].

Этиловый спирт является химическим соединением, содержащим в своѐм составе кислород, поэтому он является сильнейшим катализатором горения бензина. Стехиометрический состав бензиновой смеси должен содержать 14.5 долей воздуха на долю топлива. При использовании в топливе, например, 30% этилового спирта требуемое содержание воздуха снижается до 9 долей. Это означает, что для сжигания такого же объѐма топлива, но имеющего в своѐм составе этиловый спирт необходимо в полтора раза меньше воздуха, чем при сжигании топлива на 100% состоящего из чистого бензина. Во-первых - это значительное увеличение максимальной мощности двигателя - не меняя конструкцию двигателя можно сжигать при том же объѐме подаваемого воздуха в 1.5 раза больше топлива. В то же время, вследствие низкотемпературного горения спиртового топлива мгновенная нагрузка на силовые элементы намного ниже, чем при горении чистого бензинового топлива. Во-вторых - увеличивается крутящий момент двигателя на низких оборотах из-за более раннего воспламенения топливной смеси. Для улучшения смазывающих свойств в спиртовые топлива можно вводить до 1% касторового масла.

Автотранспорт является источником загрязнения атмосферы. Вредные вещества, выбрасываемые автотранспортом составляют примерно 70% всех выбросов а атмосферу. Средняя длительность пребывания загрязняющих веществ от выбросов топлива в атмосфере составляет примерно 2 года. При замене бензина на этанол происходит уменьшение выбросов загрязняющих веществ в атмосферу [5].

Анализ использования спирта в качестве топлива

Для анализа использования спирта в качестве топлива были проведены экспериментальные испытания на кафедре ДВС [6]. Анализируя диссертацию Сакулина Р.Ю. под руководством Еникеева Р.Д. видно, что демонстрационный образец двигателя разработан на базе четырехтактного дизельного двигателя Д–65Н.

Для каждого экспериментального топлива исследование производилось на двух нагрузочных режимах:

1.Полная нагрузка (содержание О2 в отработавших газах порядка

1,5%)

2. Частичная нагрузка (содержание О2 в отработавших газах порядка 5%)

Выбор испытательных режимов продиктован, прежде всего, условием образования максимального количества оксидов азота. Эмиссия оксидов азота максимальна при коэффициенте избытка воздуха ≈ 1.05 – 1,1,

172

что соответствует условиям первого испытательного режима. При дальнейшем обогащении горючей смеси не происходило роста среднего индикаторного давления, а эмиссия оксидов азота уменьшалась.

Второй режим выбран из условия максимально возможного обеднения для сгорания однородной спиртоводовоздушной смеси. При дальнейшем обеднении ухудшалась стабильность работы двигателя, и возникали пропуски воспламенения. Кроме того, этот испытательный режим наиболее близок к условиям работы базового двигателя на режиме полной нагрузки ( ≈ 1.4), что даѐт возможность сопоставить результаты.

Для точного определения контролируемых параметров на каждом исследуемом режиме для каждого топлива снималась регулировочная характеристика по углу опережения впрыска топлива (в диапазоне 45 – 75 градусов до в.м.т.) и углу опережения зажигания (в диапазоне 5 – 20 градусов до в.м.т.).

Для удобства анализа полученные значения исследуемых параметров были сгруппированы в сводные графики (рисунок 2-3).

объѐму	14				12,0	12,4	12,3
			11,5	11,2
	12					10,9
	10	9,5
% по
	8
2,	6
СО
Эмиссия	4
	2
	0
		Дизель	95		70	45
		Содержание этанола в топливе, % по объѐму

		CO2	стандартного дизеля		CO2 при максимальном Pi
		CO2	при минимальном NO

Рис. 2. Зависимость изменения эмиссии CO2 от вида топлива; режим частичной нагрузки (О2 ≈ 5%)

173

Эмиссия NOx, ppm

2500
2000	1941
1500	1134
1125
1000
500		409
			185	171 59
0
Дизель	95	70		45
Содержание этанола в топливе, % по объѐму

NO стандартного дизеля NO при максимальном Pi

NO минимальное

Рис. 3. Зависимость изменения эмиссии оксидов азота от вида топлива; режим частичной нагрузки (О2 ≈ 5%)

Результаты, полученные в работе, позволяют утверждать, что данное направление развития ПДВС является перспективным. Однако, для выхода ПДВС, работающих на обводнѐнном этаноле, на товарный уровень, необходимо выполнить комплекс дополнительных исследований, связанных, прежде всего, с обеспечением холодного запуска и устойчивой работы двигателя во всѐм диапазоне нагрузок и скоростей [6].

Литература

1.Производство биоэтанола [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.bioethanol.ru/bioethanol/ свободный.

2.Гарипов, М.Д., Еникеев Р.Д., Сакулин Р. Ю. Рабочие процессы и конструирование двигателей, работающих на биотопливах: учебное пособие – Уфимский государственный авиационный технический университет – Уфа: УГАТУ, 2008. – 107 с.

3.Биомасса — источник энергии/ Н.А. Рустамов, С.И. Зайцев, Н.И. Чернова // «Энергия», 2005, № 6. С. 20-28.

4.Экология атмосферы. А.П.Морозов // Проблемы окружающей среды и природных ресурсов. 2006. - 2. - с.127-137.

5.Экология, окружающая среда и человек/под ред. Ю.В.Новикова. Издательско-торговый дом «Гранд», Москва, 1998

6.СНИЖЕНИЕ ЭМИССИИ ОКСИДОВ АЗОТА В ДВС С УНИФИЦИРОВАННЫМ РАБОЧИМ ПРОЦЕССОМ ПРИ РАБОТЕ НА ОБВОДНЕННОМ ЭТАНОЛЕ. Дисс. Сакулин Р.Ю. Уфа, 2010.

174

ПУТИ СНИЖЕНИЯ ПОТРЕБЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ УСТАНОВКАМИ ЭЛЕКТРОЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ

Сираев Р.М., Хакимьянов М.И.

г. Уфа, ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»

e-mail: [e-mail]

Современными приоритетными направлениями технической политики во всех развитых странах мира являются энергосбережение и энергетическая эффективность технологических процессов. Это связано как с ограниченностью энергетических ресурсов, так и с постоянным ростом их стоимости. Расчет нормативных удельных энергетических затрат на технологические процессы добычи нефти и газа позволяет заранее прогнозировать затраты на подъем и подготовку нефти, оценивать эффективность производственных процессов и планировать разработку и внедрение энергосберегающих мероприятий.

Подъем жидкости из скважин, эксплуатируемых электроцентробежными насосами (ЭЦН), сопровождается потерями мощности во всех элементах установки [1]. Структура потерь электроэнергии в узлах установки ЭЦН приведена на рисунке 1. Как видно из рисунка 1, потребляемая установкой ЭЦН мощность складывается из потерь в станции управления, в трансформаторе, в кабельной линии и мощности, потребляемой погружным электродвигателем.

Потери мощности в станции управления PСУ

Потери мощности в трансформаторе PТР

Потери мощности в кабельной линии PКЛ

Мощность, потребляемая погружным электродвигателем PПЭД

Рис. 1. Структура потерь мощности при подъеме скважинной жидкости установкой ЭЦН

175

Мощность, потребляемая электродвигателем, складывается из полезной мощности, расходуемой центробежным насосом на подъем скважинной жидкости, из потерь мощности в насосе, которые определяются его КПД при заданной производительности, мощностей, потребляемых предвключенными устройствами и гидрозащитой, а также потерь мощности в погружном двигателе. Следует отметить, что потери мощности в насосе и двигателе задаются их характеристиками и изменяются в зависимости от подачи насоса и загрузки двигателя [2].

P

P

P

P

P

P

P

ΔP

ЭЦН

ПУ

ПР

,

ПЭД

ЦН

ПУ

ПР

ПЭД

ηПЭД.Ф.

(1)

где PЦН – мощность, потребляемая насосом, кВт;

PПР

– мощность,

потребляемая протектором, кВт; PПУ – мощность, потребляемая предварительно включенным устройством, кВт; ηПЭД.Ф. – фактический КПД электро-

двигателя.

Если используется частотно-регулируемый привод ЭЦН, то мощности этих элементов должны приводиться к фактической скорости вращения.

Потери мощности в кабельной линии составляют существенную часть потерь и определяются длиной питающего кабеля, его удельным сопротивлением, а также средней температурой.

ΔPКЛ	1,732 ρ L	[1 α(t 20)] I2	,
		каб.
		F

(2)

где – удельное сопротивление материала кабеля, Ом∙м (для меди= 0,0195∙10-6 Ом∙м); - температурный коэффициент расширения меди (для меди = 0,0041); Lкаб. - длина кабеля, м; t – средняя температура кабеля, оС; I -рабочий ток, А; F -площадь поперечного сечения жилы, м2.

Следует отметить, что определение средней температуры кабеля – задача весьма сложная. Необходимо определить изменение температуры жидкости вдоль ствола скважины от забоя до пояса постоянной температуры (пояс находится на глубине 25-30 м, где прекращаются суточные и сезонные изменения температуры), учесть нагрев от работающего ЭЦН, а также самонагрев жил кабеля от протекающего тока.

Потери мощности в станции управления определяются ее КПД и должны приводиться в паспортных данных. При их отсутствии можно полагать, что потери в цепях управления станций составляют 0,3…0,5 кВт. При наличии преобразователя частоты, его КПД учитывается в составе станции управления и составляет обычно СУ = 0,95.

176

При установке преобразователя частоты происходит генерация высокочастотных помех как в питающую сеть, так и в электродвигатель. Это вызывает перегрев двигателя, что сопровождается ускоренным старением изоляции и снижением коэффициента полезного действия, а также ухудшает энергетические характеристики сети. Для снижения отрицательных последствий до и после преобразователя ставят два фильтра: сетевой и выходной. В фильтрах также происходят потери мощности, которые необходимо учитывать [3].

Для определения удельного энергопотребеления установки ЭЦН следует энергию, потребляемую из сети за определенное время, разделить на объем добытой за то же время нефти.

WОБ.	W	,	(3)
УД.	QЧ T

где WУДОБ.. – объемный удельный расход электроэнергии, кВт∙ч/м3; W

– энергия, потребляемая из сети, кВт∙ч; QЧ - часовая подача, м3/ч; Т – вре-

мя, ч.

Целью данного расчета является определение участков в технологической цепочке скважинной добычи нефти, где расход энергии производится недостаточно эффективно и имеются резервы для оптимизации. Среди наиболее эффективных способов снижения расхода электроэнергии в установках ЭЦН можно выделить использование частотного регулирования и замену асинхронных погружных двигателей на вентильные.

Литература

1.Хакимьянов М.И., Шабанов В.А., Лавринович А.В. Энергопотребление основных узлов установки электроцентробежного насоса // Электропривод, электротехнологии и электрооборудование предприятий: сборник научных трудов I Международной (IV Всероссийской) научно-технической конференции / редкол.: В.А. Шабанов и др.– Уфа: Изд-во УГНТУ, 2013. – С. 249-253.

2.Гинзбург М.Я., Павленко В.И., Климов В.П. Об энергетических показателях УЭЦН // Инженерная практика. – 2010. – №8. – С. 12-17.

3.Тарасов В.П. Энергосберегающий дизайн УЭЦН // Инженерная практика. – 2010. – №3. – С. 26-31.

177

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ УБОРКИ ПРИДОМОВЫХ ТЕРРИТОРИЙ ЗА СЧЕТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СНЕГОПЛАВИЛЬНЫХ ПУНКТОВ

Спиричев М.Ю., Мадьяров Т.М., Костырченко В.А., Шитый В.П.

г. Тюмень, ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет» e-mail: [e-mail]

Как известно, уборка и вывоз снега являются самым сложным видом клининговых услуг, поскольку эти работы постоянно проводятся при низких температурах и неблагоприятных погодных условиях. Зимой погода очень изменчива: снегопады сменяются дождями, затем опять ударяют морозы и образуется гололед. Все эти факторы создают препятствия для проведения жизни в привычном ритме. Именно поэтому одной из самых важных задач является уборка снега с территорий, его вывоз и обработка территории антигололедными реагентами. Такие работы производятся либо вручную, либо при использовании специальной техники (аренда трактора, аренда самосвала и др.).

Отличие зимней уборки городских дворов от уборки дорог заключается в отсутствии мест для складирования снега. Современная мощная дорожная техника способна сдвинуть снег к лотковой части дороги и отбросить его на необходимое расстояние за обочину. Однако на дворовой территории сразу за лотковой частью идет тротуар для прохода пешеходов, а за ним – дома. Поэтому снег с городских дворов необходимо вывозить, а это – процесс дорогостоящий.

Применительно к уборке дворов города и вывоз загрязненного снега в места его утилизации обходится в несколько миллиардов рублей за зимний сезон. Увеличение плеча перевозки снега на 10 километров по стоимости сравнимо с затратами на топливо, требующимися для плавления такого же количества снега. Кроме того, перевозка снега автотранспортом приводит к дополнительной экологической нагрузке на воздушную среду города за счет загрязнения ее выхлопными газами. Поэтому целесообразно иметь сеть утилизирующих снег сооружений, относительно равномерно распределенных по территории города.

Проведем патентный анализ для выявления методик и способов уборки снега.

Патент №2197577 способ уборки снега в мегаполисах и устройство для его осуществления

Основные достоинства

-Большая производительность

-Очистку сборника грязи производят летом и вывозят за город Недостатки

-Сбор и вывоз снега за пределы мегаполиса. Недостатки:- требуется

178

огромное количество самосвалов, особенно в дни "пиковых" нагрузок, когда в течение 3-х суток мегаполис (его автомобильные дороги) могут получить до нескольких тысяч тонн снега;

Патент № 2237136 СНЕГОТАЯЛКА Основные достоинства

-Повышение эффективности работы снеготаялки при одновременном повышении степени осветления талой воды и исключение попадания минеральных примесей и крупных плавающих загрязнений в канализационную сеть.

Недостатки

-Сложность извлечения из бункера негабаритных включений, высокая энергоемкость установки, обусловленная использованием искусственного теплоносителя (трубчатого нагревателя), наличие регулировочной аппаратуры, снижающей надежность работы установки в морозы, возможность засорения разгрузочного отверстия бункера и пространства между трубками нагревателя различными загрязнениями при таянии снега.

Патент № 2314385 СНЕГОТАЯЛКА Основные достоинства

-Снижение рабочего шума снеготаялки до допустимых норм, снижение затрат на перевозку снега по городу, повышение эффективности уборки снега за счет увеличения временного ресурса работы, улучшение экологии, универсальность устройства при работе и на замкнутых участках, и на городских дорогах.

Недостатки

-Все предыдущие установки громоздки, трудоемки для строительства, занимают большие площади, поэтому должны возводиться вне черты города. Следовательно, требуются транспортные затраты на сбор и доставку снега.

Патент №2337207 СПОСОБ ПЛАВЛЕНИЯ СНЕГА Основные достоинства

-Повышение производительности процесса за счет интенсификации теплообмена

Недостатки

-Дополнительные затраты на приготовление специального солевого раствора, используемого для таяния снега, и на утилизацию солевого раствора

-экологически вредного продукта.

Патент №2470109 СНЕГОТАЯЛКА Основные достоинства

Источник тепла выполнен на основе, как минимум, одного генератора, волновода и аппликатора, аботающих на микроволновом, терагерцовом, оптическом диапазоне длин волн.

Недостатки

179

Низкая эффективность, сложность и дороговизна конструкции. необходимость спользования источника горячей воды, от которого

требуется большое количество горячей воды, постоянно оддерживающейся на уровне 2/3 от общего объема камеры таяния из-за слива воды, образующейся в процессе таяния снега.

Патент №2226591 СНЕГОТАЯЛКА Основные достоинства

Повышение эффективности работы путем увеличения объема плавильной зоны, упрощении конструкции и условий ее эксплуатации

Недостатки Недостатками предыдущей установки являются: сложность кон-

струкции и невысокая надежность из-за возможности повреждения трубопроводов системы орошения при загрузке снега сверху и заклинивания створок глыбами снега и мусором; низкая эффективность ее работы в связи с малым объемом плавильной зоны по сравнению с объемом камеры таяния

Патент №2335597 УСТАНОВКА ДЛЯ ПЛАВЛЕНИЯ СНЕГА Основные достоинства Снегоплавильная камера снабжена с внешней стороны теплоизоля-

цией. Устройство для измельчения снега выполнено в виде фрезы. Повышение производительности процесса плавления снега за счет

интенсификации теплообмена. Недостатки

Дополнительные затраты на приготовление специального солевого раствора, используемого для таяния снега, и на утилизацию солевого раствора - экологически вредного продукта.

По результатам проведенного патентного анализа была выявлена тенденция к увеличению роста числа заявок на изобретения устройств по растеплению снежной массы, что свидетельствует об актуальности исследований.

Литература

1. Основы теории тепловых процессов и машин. Часть II, Н.Е. Александров, А.И. Богданов, К.И. Костин и др. 2006 г., 571 стр.

2.Поляков Д.В. Рабочие процессы и обоснование параметров электрических снеготаялок [Рукопись]: автореф. дис. канд. техн. наук: 05.05.04 / А.Л. Егоров; ТюмГНГУ. - Тюмень, 2006. - 16 с.

3.Динамика тепловых процессов - Киев: Наукова думка, 1980г.-133с.

4.Методические указания по составлению энергетических характеристик для систем транспорта тепловой энергии. СПО ОРГРЭС, 1999 г.

180