Программа расчета параметров газгольдера и реактора биоэнергетической станции
.pdfvk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
УДК 631.172
Программа расчета параметров газгольдера и реактора биоэнергетической станции
Виноградов А. А., Мамонтов А.Ю., Каплин А. В.
Ключевые слова: животноводство, биостанция, модель, программа, органические отходы, биогаз, программное обеспечение.
Реферат
С увеличением производственных мощностей животноводческих предприятий, увеличивается и количество животноводческого субстрата, который впоследствии выбрасывается на поля в качестве удобрений, либо становится сырьем для биогазовых установок. Все чаще фермер предпочитает биогаз как альтернативу традиционному топливу, и для использования в частном хозяйстве, самостоятельно разрабатывает вместимость и мощность оборудования. Используемые параметры вычисляются при помощи методик, часто пренебрегаемых величинами химического и физического состояния массы, впоследствии влияющими на расчет производства энергоресурсов. Так фермер, при оценке целесообразности возведения установки у себя в животноводческом хозяйстве, задается вопросом о мощности предполагаемой установки комбинированной генерации, об объемах газгольдера и реактора брожения. Тем самым, разработка методик расчета мощности установки комбинированной генерации с учетом изученных параметров, расчета объема газгольдера и реактора и реализация данных методик в программных продуктах на сегодняшний день необходима и актуальна. В данной статье предложено программное обеспечение по ранее испытанным величинам и понятиям материального баланса биоэнергетического комплекса, определяющее параметры технологического оборудования – реактора и газгольдера, при указанном значении поголовья животных на ферме. Предлагаются к использованию как данные по умолчанию, так и с возможностью редактирования: положений состояния субстрата; время цикла реакции анаэробного сбраживания; плотности полученного из указанного количества животных биогаза. Показана реализация методик расчета в программном продукте, а также продемонстрирован принцип его функционирования в условиях фермы с разным видом животных.
Введение
При планировании строительства биогазовой установки возникает необходимость в расчете объема реактора, суточного количества загрузки сырья и предполагаемого объема выхода биогаза. При составлении математической модели определения энергетической эффективности, использовались следующие показатели материального баланса, [6]:
Gж. р. Gтв. Gв. ; |
кг |
(1) |
|
час |
|||
|
|
Gж. р. – массовая переработка жидких отходов в реакторе, кг/час,
Gтв. – загрузка в реактор на переработку твёрдых (навоз и экскременты в расчёте
на сухой вес) и жидких отходов. Влажность таких, условно называемых «твёрдыми», отходов в смеси – W1, %
Gв. – расход воды на разбавление «твёрдых» отходов до окончательной влажности
пульпы в реакторе биогазовой станции – W2, %.
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
Применим термин «пульпа» для готовых к конверсии в реакторе разбавленных отходов. Тогда расход воды на получение заданной влажности жидкой смеси в реакторе – пульпы составит:
G |
|
Gтв. (W2 W ) |
; |
кг |
|
|
|||
в. |
|
100 W2 |
|
час |
|
|
|
Разработка материального баланса
Подставив (3.2) в (3.1), и учитывая, что:
G 100 Gсух.
тв. 100 W1
получим:
Gж. р. WGтв. Wg Ni ; часкг .
(2)
(3)
(4)
Откуда выходит следующее:
1 (W2 W1 ) |
|
|
|
|
||
|
100 W |
|
|
|
|
(5) |
W |
|
2 |
|
1 W1 |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
100 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Где g – взвешенный выход субстрата;
g |
(g1 N1 g |
2 N |
2 |
...) |
, |
кг |
(6) |
|
Ni |
|
|
|
|
||||
|
|
|
голов час |
|||||
|
|
|
|
|
|
|||
Ni – количество животных данного вида в хозяйстве, голов
gi – выход сухого субстрата от данного вида животных и в хозяйстве кг голов час
В расходной части:
Gг – расход газа в газгольдер
qбг – взвешенный выход биогаза с 1 кг в сухом весе отходов, перерабатываемых в
реакторе; м3
гол.
кг
бг – плотность биогаза м3 ;
Gвл . уд. – выход влажных удобрений кг .
час
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
Уравнение материального баланса для реактора будет иметь вид:
Gж. р. Gг Gвл. уд.
с учётом (4) и (5):
Wg Ni бг qбг Gсух Gвл . уд.
Из (8) получим материальный баланс для реактора в удельных единицах:
Wg Ni |
бг qбг Ni |
Gвл . уд. |
кг |
|
|
||||
час |
||||
|
|
|
Wg бг qбг g g |
|
кг |
|
|
|
уд. |
||
|
|
голов час |
(7)
(8)
(9)
(10)
Где - g уд |
Gвл . уд. |
, - |
кг |
– удельный средневзвешенный выход удобрений |
Ni |
голов час |
определённой влажности после конверсии отходов животноводства.
Коэффициент примесей:
Gг Gгэ Gг.отх; |
(11) |
откуда: |
|
Gгэ Gг Gг.отх kотхGг.отх. |
(12) |
Где - kотх 0,90;0,95 – степень загрязнения биогаза примесями.
Расчет параметров объема реактора и газгольдера
Объем реактора зависит от объема загружаемого сырья, которое не должно превышать 2/3 от общего объема реактора. Оставшаяся 1/3 объема будет использоваться для накопления биогаза, выделившегося в процессе реакции, [5]. Объем загружаемого сырья будет зависеть от суточного количества загрузки, т.к. более выгодным режимом работы станции является режим с непрерывной загрузкой, при котором реактор ежесуточно будет пополняться свежей порцией субстрата, составлять которую будет общее количество сырья, получаемого с имеющихся на ферме животных, [3]. Отработанная же часть вещества будет выгружена из реактора и позже использована в качестве удобрения на полях. Исходя из этого, можем рассчитать объем реактора по формуле:
Vр |
|
m n d |
|
m n d |
, |
(13) |
|
|
2 |
||||||
|
|
|
|
|
где:
Vр – объем реактора в м³,
m – масса навоза с одного животного в сутки, кг, n – количество животных одного типа,
d– время оборота реактора, суток,
– плотность сырья одного типа, кг/ м³.
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
Результатом вычислений будет значение объема реактора для одного типа животных. Произведя расчет для каждой группы животных, и сложив полученные результаты, получим общий объем реактора с непрерывной загрузкой для конкретной фермы, [7].
Объем суточной загрузки реактора для одного типа животных рассчитаем по следующей формуле:
V |
m n |
, |
(14) |
сут
где:
Vсут – объем суточной загрузки реактора в м³,
Также просуммировав результаты, вычислим общий объем сырья, загружаемого в сутки. Для расчета предполагаемого объема выхода биогаза воспользуемся формулой:
Vгаза m n 0.001 Vв ых , |
(15) |
где:
Vгаза – предполагаемый суточной объем биогаза для одного типа животных, м³,
m – масса навоза с одного животного в сутки, кг, n – количество животных одного типа,
Vв ых – количество биогаза с тонны субстрата от животных одного типа, м³.
Аналогично, сложив полученные значения, в результате получим общий предполагаемый объем выхода биогаза, [4].
Теперь вычислим предполагаемое усредненное количество выхода биометана. Для этого примем усредненное значение содержание биометана в биогазе за 68,5 %.
Vбиом етана Vгаза 0,01 68,5 , |
(16) |
где:
Vбиом етана– предполагаемое усредненное количество выхода биометана в сутки, м³.
Реализация полученных данных в программном обеспечении
Данный алгоритм расчета реализован в программном продукте «Программа для расчета …». Программа написана на языке C# (Си шарп) с использованием технологии
WPF.
Интерфейс программы представлен на рис. 1 и содержит две вкладки.
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
Рис. 1. Интерфейс программы при запуске
Вкладка "Главная" содержит поля, отображающие результаты расчета, и кнопку "Вычислить", по нажатию на которую, выполняется расчет, [1]. Пункт меню "О программе", расположенный вверху окна, вызывает окно с описанием программы, а меню "Файл" содержит пункт "Закрыть".
1.Вкладка «Главная», где выводятся результаты расчета.
2.Ввод возможного количества животных на ферме. 3.Продолжительность цикла анаэробного сбраживания 4.Выбор параметров выхода субстрата, выхода из субстрата биогаза и его плотности
Рис. 2. Вкладка «Параметры»
Вторая вкладка носит название "Параметры" (рис. 2) и включает в себя группы значений, доступных для редактирования пользователем. Такие группы как "Продолжительность" и "Значения" уже хранят в себе усредненные данные для выполнения расчета, которые загружаются в соответствующие поля при запуске программы. Кнопки "По умолчанию", соответственно для каждого из полей, возвращают значения к начальным.
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
Взаимодействие пользователя с программой происходит следующим образом. Выполнив переход на вкладку "Параметры", необходимо в группе "Количество" заполнить соответствующие поля, исходя из количества имеющихся на ферме животных и нажать кнопку "Применить". Далее, при необходимости, возможно отредактировать продолжительность цикла сбраживания, параметры выхода субстрата и газа или воспользоваться предложенными значениями. Перейдя на вкладку "Главная", пользователь нажимает кнопку "Вычислить", после происходит расчет, результаты которого отображаются в соответствующих полях (рис. 3).
Рис. 3. Вычисление объемов реактора и газа при указанных параметрах поголовья
Таблица 1 – Усредненные значения, использованные в программе, [2].
Тип жи- |
Усредненная плот- |
Суточный выход |
Суточный выход био- |
вотных |
ность экскрементов, |
субстрата, кг/сутки |
газа, м³/т |
|
кг/м³ |
|
|
КРС |
1015 |
55 |
45 |
Свиньи |
1060 |
5,1 |
75 |
Птицы |
852,5 |
0,18 |
65 |
Продолжительность цикла (мезофильный режим) – 10-20 сут. Усредненное 15. Суточная загрузка 1/10 при цикле 10 сут, 1/20 при – 20 сут. Усредненное 1/15. Содержание биометана в биогазе 50-87%. Усредненное – 68,5%.
Выводы
Предложенный комплексный подход вычисления параметров оборудования биостанции реализуем как в проектировании крупных животноводческих комплексов с биоэнергетическими станциями, так и в небольших фермерских хозяйствах с использованием биогазовых установок. Предложенный программный продукт позволяет добиться экономии трудовых и энергетических ресурсов, отвечает на вопрос целесообразности возведения биоэнергетической станции на ферме по исходным условиям. Концепция может быть внедрена в ряд проектных компаний.
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
Библиографический список
1.Community Dev Camp [Электронный ресурс] – режим доступа: https://msdn.microsoft.com/ru-ru, (Дата обращения 12.11.2015 г.).
2.НТП 17-99 Нормы технологического проектирования систем удаления и подготовки к использованию навоза и помета.
3.Дубровский В. С., Виестур У.Э., Метановое сбраживание сельскохозяйственных отходов. – Рига: «Знание», 1988. - 203 с.: ил. - Библиогр.: с. 185-196
4.Основы технологии получения биогаза [Электронный ресурс]. – режим доступа: http://cleandex.ru/articles/2010/02/10/biogas_article1 (Дата обращения 20.11.2015 г.).
5.Веденев А.Г., Маслов А.Н. Строительство биогазовых установок. Краткое руководство. – Б.: «Евро», 2006. – 28 с.
6.Мамонтов А.Ю. Математическая модель системы «Животноводческий комплекс
–биостанция» / Мамонтов А.Ю., Виноградов А.А., Мулява Г.С., Идельчик В.И. // Энергобезопасность и энергосбережение – 2015, №5 С. 30-34.
7.Мамонтов А. Ю. Адаптация основного уравнения биоэнергетики системы «Животноводческий комплекс – биостанция» // Вестник Мичуринского аграрного университета. – 2015. – № 3. – С. 208-213.
Bibliography
1.Community Dev Camp [An electronic resource] – the access mode: https://msdn.microsoft.com/ru-ru, (Date of the address of 12.11.2015).
2.NTP 17-99 of Norm of technological design of systems of removal and preparation for use of manure and dung.
3.Dubrovsky V. S., Viyestur U.E., Metane sbrazhivaniye of agricultural waste. – Threshing barn: "Knowledge", 1988. - 203 pages: silt. - Bibliogr.: page 185-196
4.Bases of technology of receiving biogas [An electronic resource]. – access mode: http://cleandex .ru/articles/2010/02/10/biogas_article1 (Date of the address of 20.11.2015).
5.Vedenev A.G., Maslov A.N. Building of biogas installations. Short management. – B.: "Euro", 2006. – 28 pages.
6.Mamontov A.Yu. Matematicheskaya model of Livestock Complex Biological Research Station system / Mamontov, A. Y., Vinogradov A. A., Mulawa G. S., Idelchik V. I.,// Energobezopasnost and energy saving. – 2015. – No. 5. – Page 30-34.
7.Mamontov A.Yu. Adaptation of the main equation of bio-energetics of Livestock Complex — a Biological Research Station system//Bulletin of Michurinsk agricultural university. – 2015. – No. 3. – Page 208-213.