Інтелектуальна система керування температурним режимом у метантенках біогазової установки

Abstract

Актуальність теми. Розвиток енергозберігаючих технологій, скорочення споживання природного газу є найбільш актуальними задачами сьогодення України. Енергетична безпека країни істотно залежить від ступеня диверсифікованості енергоносіїв, які використовуються для задоволення її енергетичних потреб. Проблеми, що виникли в Україні із газопостачанням, знову продемонстрували нагальну необхідність пошуку і впровадження відновлюваних і альтернативних джерел енергії та енергоощадних технологій. Найбільш перспективним для заміщення природного газу та інших викопних палив у нашій країні серед інших відновлюваних джерел енергії є використання біомаси. Біомаса – це вуглецевомісткі органічні речовини рослинного і тваринного походження (рослинні залишки сільськогосподарського виробництва, солома, деревина, гній, органічна частина твердих побутових відходів, іноді торф). Для виробництва енергії переважно застосовують тверду біомасу, а також отримані з неї газоподібні та рідкі палива – біогаз, біодизель, біоетанол. Оскільки біомаса є СО2-нейтральним паливом, її використання не підсилює глобальний парниковий ефект на планеті. Отже, біомаса є екологічно чистим, відновлюваним паливом (за умови екологічно раціонального виробництва і подальшого використання). У сучасному світовому виробництві серед інших видів палива біомаса за значимістю посідає 4 місце і забезпечує понад 2 млрд. тон у.п. на рік, або 14% загального споживання первинних енергоносіїв у світі (у країнах, що розвиваються – понад 30%) [3]. Виробництво енергії з відновлюваних джерел, включаючи біомасу, динамічно розвивається у більшості Європейських країн. На сьогодні поновлювані джерела енергії (ПДЕ) покривають понад 10% енергоспоживання країн ЄС, у т.ч. біомаса – 6-7%, (більше половини). В окремих країнах частка біомаси у загальному споживанні первинних енергоносіїв суттєво перевищує середньоєвропейську і складає: у Фінляндії, яка є світовим лідером серед розвинених країн – 23%, у Швеції – 19%, у Данії – 14%, в Австрії – 12% [29]. Україна має значний потенціал доступної для енергетичного використання біомаси. Економічно доцільний потенціал біомаси оцінюється у понад 28 млн. т у.п. на рік [7]. Основними складовими потенціалу є відходи сільськогосподарського виробництва, а також енергетичні культури. Використання цього потенціалу до виробництва енергії здатне задовольнити близько 13-15% потреби України у первинній енергії за теперішніх умов. Розвиток біоенергетичного сектора нашої країни повинен проходити обґрунтовано і послідовно і має враховувати можливий вплив на навколишнє середовище і національну економіку. Використання біогазу є одним із шляхів часткової заміни традиційних видів палива у сільській місцевості. Крім того, технології переробки органічних відходів на біогаз дозволяють одночасно вирішувати такі 4 проблеми: енергетичну (отримання енергії та різних видів палива), екологічну (ліквідацію відходів агропромислового виробництва), агрохімічну (отримання екологічно чистих добрив, і, як наслідок, продуктів, із одночасним підвищенням родючості ґрунту), соціальну (покращення побутових і виробничих умов для населення). Для виробництва біогазу придатними є різноманітні відходи сільськогосподарського виробництва: відходи рослинного і тваринного походження, гній, побутові відходи. В агропромислових і побутових відходах за певних умов відбуваються біохімічні процеси, у результаті яких з відходів отримують не тільки біогаз, але й ще один цінний продукт – концентровані органічні добрива для використання у сучасних технологіях вирощування агрокультур. Останнім часом біогазові установки набувають все більшого розповсюдження у країнах із високим рівнем промислового розвитку, особливо у країнах ЄС, де приблизно 75% їх припадає на невеликі установки (об’єм реактора складає 100…300 м3), сировиною для роботи яких є відходи тваринництва. Широкий інтерес до створення біогазових установок (БГУ) за кордоном у значній мірі зумовлений дієвим екологічним законодавством, державними дотаціями на впровадження ПДЕ, введенням світових квот на метанове забруднення довкілля. Необхідність зменшення шкідливих викидів у навколишнє середовище, а також доцільність автономного енергозабезпечення ферм із власного джерела енергії перетворюють БГУ на обов’язковий елемент сучасного тваринницького комплексу. Інколи вважається, що головним призначенням БГУ є отримання біогазу як джерела додаткового місцевого енергопостачання. Оцінюючи з такої точки зору економічну ефективність переробки біомаси необхідно враховувати, що БГУ є альтернативним обладнанням для утилізації і переробки гною і відходів. Тому витрати на їх створення і експлуатацію необхідно віднести до заходів зі знезараження гною, виробництва високоякісних добрив і захисту довкілля. В цьому випадку БГУ завжди будуть мати позитивний економічний ефект. Розрахунки показують, що, незважаючи на великі капітальні вкладення, строк окупності промислової БГУ складає близько 3 років [18,22]. Технічних варіантів реалізації метаногенезу біомаси є дуже багато, починаючи з конструктивно простих установок і закінчуючи технологічно досконалими установками довгочасної безперервної дії. Ефективне використання таких установок вимагає ретельного дотримання технологічних режимів і регламентів, що стає можливим із використанням сучасних технічних засобів автоматизації у складі систем автоматичного керування процесом виробництва біогазу. Об’єктом дослідження є процес виробництва біогазу в біогазових установках. Предметом дослідження є закономірності і взаємозв’язки режимів функціонування БГУ 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 програмованого логічного контролера. 4. Обґрунтувати вдосконаленняI системи автоматичного керування температури в біореакторі БГУ. 5. Розробити схему системи автоматичногоI керування робочимиI параметрами біореактора.