Розробка системи автоматичного керування температурним режимом у біогазовій установці

Abstract

Для України біоенергетика є одним зі стратегічних напрямків розвитку сектора відновлюваних джерел енергії, враховуючи високу залежність країни від імпортних енергоносіїв насамперед природного газу та великий потенціал біомаси, доступної для виробництва енергії. На жаль, темпи розвитку біоенергетики в Україні досі суттєво відстають від європейських[1]. Динаміка розвитку відновлювальних джерел багато в чому визначається наявністю механізмів стимулювання. На сьогодні одним із інструментів підтримки відновлюваної енергетики в країні є «зелений» тариф на електроенергію, вироблену з ВДЕ, у тому числі з біомаси. Біогазова галузь має великий потенціал і має ряд переваг, не тільки в сільському господарстві, але й у промисловості, біогаз можна виробляти зі спеціально вирощених енергетичних культур, а також водоростей, одержувати біогаз на звалищах з муніципальних побутових відходів. Використання біогазових установок скорочує викид в атмосферу обмеження поширення метану, що скорочує парниковий ефект, а також перероблений гній застосовують як добрива в сільському господарстві. Це дозволяє знизити застосування хімічних добрив. В свою чергу ключовим напрямком автоматизації біогазових реакторів є контроль температури для недопущення досягнення критичних значень температури, через що метаногенні бактерії загинуть та процес виробництва біогазу зупиниться. На основі технологічного процесу виробництва біометану було розроблено рішення в галузі автоматизації, що поєднує в собі систему керування температурою засобами мікроконтролерів серії ARDUINO та людино-машинний інтерфейс (SCADA-система). Запропонована структура передбачає збір даних з виробничого обладнання, обробку отриманої інформації, прийняття рішення щодо управління технологічним процесом виробництва біогазу та візуалізацію для ефективного управління системою ANNOTATION For Ukraine, bioenergy is one of the strategic directions for the development of the renewable energy sector, given the country’s high dependence on imported energy carriers, primarily natural gas, and the large potential of biomass available for energy production. Unfortunately, the pace of bioenergy development in Ukraine still lags far behind the European pace[1]. The dynamics of renewable energy development is largely determined by the availability of incentive mechanisms. Currently, one of the tools to support renewable energy in the country is the “green” tariff for electricity produced from renewable energy sources, including biomass. The biogas industry has great potential and has a number of advantages, not only in agriculture but also in industry; biogas can be produced from specially grown energy crops and algae, and biogas can be obtained from municipal waste in landfills. The use of biogas plants reduces methane emissions into the atmosphere, which reduces the greenhouse effect, and processed manure is used as fertilizer in agriculture. This reduces the use of chemical fertilizers. In turn, the key area of biogas reactor automation is temperature control to prevent critical temperature values from being reached, which would kill methanogenic bacteria and stop the biogas production process. Based on the technological process of biomethane production, an automation solution was developed that combines a temperature control system using ARDUINO series microcontrollers and a human-machine interface (SCADA system). The proposed structure provides for data collection from production equipment, processing of the received information, decision-making on the control of the biogas production process and visualization for effective system management. ВСТУП Мета дослідження: Створення системи керування температурним режимом біогазової установки, що дозволить максимально ефективно керувати отриманням біогазу в реакторі з підвищенням якості кінцевого продукту. Актуальність теми: Забезпечення оптимального температурного режиму у біореакторах є ключовим фактором ефективного перебігу анаеробних процесів, зокрема у виробництві біогазу. Коливання температури можуть негативно впливати на активність мікроорганізмів та стабільність утворення метану. В сучасних умовах зростаючої потреби у відновлюваних джерелах енергії зростає інтерес до автоматизованих систем керування, які здатні підтримувати необхідні технологічні параметри з високою точністю. Теплові процеси в біореакторах мають складну динаміку, яка залежить від багатьох зовнішніх і внутрішніх факторів, таких як температура теплоносія, швидкість обміну теплом, геометрія апарату тощо. Тому розробка адекватної математичної моделі теплового режиму біореактора та її реалізація у вигляді імітаційної моделі у середовищі MATLAB Simulink є актуальним завданням, що дозволяє підвищити ефективність та надійність біогазових установок. Об’єкт дослідження: Тепловий режим біореактора, що використовується у складі біогазової установки, зокрема процеси теплообміну між субстратом, теплоносієм та зовнішнім середовищем. Об’єкт характеризується інерційною динамікою та великою сталою часу, що зумовлює необхідність точного моделювання та ефективного регулювання температурних параметрів для забезпечення стабільної роботи мікробіологічних процесів анаеробного розкладу. Предмет дослідження: Математичне моделювання та вдосконалення системи автоматичного регулювання температурного режиму біореактора, що використовується у біогазових установках. Дослідження охоплює побудову передатної функції об’єкта, розробку алгоритмів керування температурою, оптимізацію параметрів регулятора, а також реалізацію цифрової моделі системи у середовищі MATLAB Simulink. Особлива увага приділяється підвищенню точності регулювання, зменшенню впливу зовнішніх збурень та забезпеченню стабільності температурного режиму з метою покращення ефективності процесу утворення біогазу.