Інтелектуальна система керування температурним режимом у БГУ

Abstract

Актуальність теми. У сучасному розвитку сільського господарства важливим є питання збільшення енергетичних ресурсів та переробки промислових відходів. За даними статистики щорічно країни ЄС виробляють побутові та сільськогосподарські відходи в об’ємах 100-120 млн. т нафтового еквіваленту (н.е.). З них 50-60 млн. т н.е. можуть бути утилізовані у віддаленій перспективі, а зараз 15-20 млн. т н.е. Аналогічні показники для альтернативних джерел енергії становлять (млн. т н.е.): геотермальна енергія — 3-7,5, сонячна енергія — 10-20, енергія вітру — 6-10. Загальне виробництво первинної енергії з біогазу в країнах ЄС в 2022р. становило понад 12 млн. т н.е. (еквівалент 18,8 млрд. м³ природного газу (ПГ). Загальна кількість біогазових установок у 2022 р. перевищувала 13800 одиниць. Домінуючим напрямом енергетичного використання біогазу є виробництво електроенергії з подальшим постачанням до електричної мережі. За останнє десятиліття почали швидко розвиватися проекти виробництва біометану з подальшим закачуванням у мережі ПГ. Звичайно, біометан подається у розподільчі мережі під тиском нижче 16 бар. Нині біометан (БМ) виробляється у 15 європейських країнах. Подача БМ у мережу відбувається в 11 країнах (Австрія, Чехія, Німеччина, Данія, Фінляндія, Франція, Люксембург, Нідерланди, Норвегія, Швеція, Великобританія). У 12 європейських країнах (Австрія, Чехія, Німеччина, Данія, Фінляндія, Франція, Угорщина, Ісландія, Італія, Нідерланди, Швеція, Великобританія) біометан використовується як моторне паливо (в тому числі у вигляді суміші з ПГ), а також для виробництва тепла (в чистому виді або в суміші з ПГ). На сьогодні загальна кількість біометанових станцій у європейських країнах досягла 250 од., з яких 200 станцій подають БМ в мережу ПГ. Дорожня карта з виробництва біогазу в країнах ЄС показує можливість виробництва біогазу в 27 країнах ЄС в 2022 р. в обсязі, еквівалентному 29,43 млн. т н.е. (еквівалент 36,29 млрд. м³ природного газу). Для цього достатньо буде використовувати 35% усіх гнойових відходів тваринницьких ферм і вирощувати енергетичні культури під біогаз на 5% сільськогосподарських земель. При цьому приблизно 3/5 обсягу біогазу планується виробляти з енергетичних культур, 1/5 – із гною, і ще 1/5 – з інших відходів і побічних продуктів промисловості та сільського господарства. За оцінками аналітиків, ринок біогазу продовжить стрімко розвиватися, заміщуючи інші енергоносії в загальній структурі енергетичного балансу країн. Для України найнагальнішою проблемою є необхідність скоротити витрати на енергію, а саме постачання природного газу, що, в свою чергу, виводить на низку видів економіки на ниві виживання. Внаслідок кількох років виснаження витрати на енергоносії зросли в кілька разів, що поставило на бік виживання не тільки сільськогосподарський виробник, але й ряд районів національної економіки. Зниження споживання енергії може бути досягнуте за рахунок впровадження принципу нових технологій. Україна має значний потенціал альтернативних джерел енергії (АДЕ). Класифікація таких джерел енергії та установок для їх використання: 1) Енергія сонця: рідинні сонячні колектори; збірники повітряних гелів; фотоелектричні батареї. 2) Енергія вітру: вітряні електростанції; вітряні турбіни. 3) Енергія Землі: гравітаційна енергія; приливні станції; геотермальна енергія; геотермальні установки. 4) Біологічна енергія: біогазові установки. Одним з таких джерел є використання технологій для отримання альтернативних джерел енергії, серед яких належне місце були прийняті технології для виробництва газоподібного органічного палива. Найбільш відомою і перевіреної у всьому світі технологією отримання газоподібного палива є анаеробне перетравлення органічної маси з викидом біогазу 55 - 70% метану, від 30 до 45% діоксиду вуглецю і менше 1% інших газів (сірководень, азот, ароматичні вуглеводні і т. д. ). Біомаса на сьогоднішній день є четвертою за величиною в світі, хоча в даний час вона забезпечує лише 14% світового споживання первинних носіїв. Біомаса, на відміну від традиційних «вичерпних» мінералів, які швидко розширюються, є джерелом постійно зростаючої енергії. Згідно з дослідженнями, технічно здійсненний потенціал виробництва біогазу з відходів гною в тваринницьких фермах України становить 1718,6 тис. тон в рік. Для досягнення таких результатів при утилізації відходів необхідно використовувати БГУ. В Україні на базі тваринницьких комплексів (село Оленівка, Дніпропетровська область, село В. Крупіл і Терезине Київської області) побудовано і функціонує 3 великих БГУ і багато невеликих БГУ. Однак методи анаеробної переробки біомаси в нашій країні вкрай обмежені. Основною причиною цього є відсутність розвитку енергетичних питань: високі витрати на температурну стабілізацію і нагрів субстрату, неналежне використання біогазу, надмірне використання електроенергії для власних потреб БГУ. При виконанні кваліфікаційної магістерської роботи проводиться дослідження технологічного процесу в БГУ, параметрів робочого обладнання та технологічний процес утилізації органічних відходів сільсько-господарських підприємств шляхом анаеробної ферментації у біореакторі для виробництва біогазу. Об’єктом дослідження є процес виробництва біогазу в біогазових установках. Предметом дослідження є взаємозв'язки і закономірності режимів функціонування біогазової установки та їх вплив на ефективність виробництва біогазу. Метою кваліфікаційної магістерської роботи є дослідження БГУ як об'єктаI контролю температурногоI режиму та вдосконаленняI системи автоматичного керування. Для реалізації поставленоїI мети вирішуються наступніI завдання: 1. Провести аналіз стану сучасних технологійI утилізації відходів сільськогосподарськогоI виробництва. 2. Розробити математичну модельI керування температурним режимом в біореакторі. 3. ПроаналізуватиI і порівняти існуючуI систему автоматизаціїI з запропонованої на основіI теорії нечіткої логіки біореактора БГУ. 4. Обґрунтувати вдосконаленняI системи автоматичного керування температури в біореакторі БГУ. 5. Розробити схему системи автоматичногоI керування робочимиI параметрами біореактора.