Вестник Южно-Уральского государственного Университета. Серия: «Энергетика»

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГАЗИФИКАЦИИ ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ

Р.В. Безуглов — 2025-03-30

Приведены результаты исследования процесса газификации твердых бытовых и сельскохозяйственных отходов двух видов, в целом схожих по содержанию основных элементов: лузга подсолнечника и отходы малоценной древесины (хворост, валежник). Моделирование процесса производилось по равновесной модели газификации исходя из критерия минимального значения изобарно-изотермического потенциала – энергии Гиббса. При расчете параметров процесса газификации использовалась модель Пенга–Робинсона для неидеальных (реальных) газовых компонентов. Получены данные по температурному диапазону процесса газификации при полной конверсии углерода. Как показало моделирование, поведение выбранных отходов в большей степени зависит от температуры процесса (оптимальная выявленная температура 800-900 ºС), коэффициента избытка окислителя (наилучший показатель – 0,2), самого газифицирующего агента, чем от вида отхода.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ГАЗОВОГО СМЕСИТЕЛЯ НА СМЕШЕНИЕ КОМПОНЕНТОВ ГОРЕНИЯ КИСЛОРОДНО-ТОПЛИВНОЙ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ

С.К. Осипов — 2025-03-30

Для организации кислородно-топливного горения в камере сгорания энергетической установки на базе цикла Аллама подается природный газ, кислород и углекислый газ. Для обеспечения равномерного смешения кислорода с углекислым газом целесообразно организовать их предварительное смешение перед их подачей в горелочное устройство. Организовать смешение двух газов возможно в газовом смесителе. В одной из известных конструкций смесителей смешение организуются за счет подачи подмешиваемого газа через цилиндрические отверстия в камеру смешения, на выходе из которой установлена перфорированная решетка, являющаяся источником дополнительных потерь энергии потока. В работе предложена конструкция смесителя, в которой на входе в камеру смешения установлена система дефлекторов, направляющая основной поток к подмешиваемому газу, при этом на выходе из камеры смешения отсутствует перфорированная решетка. В работе представлены результаты исследования влияния геометрических параметров дефлекторов на смешение углекислого газа и кислорода. Методом исследования является математическое моделирование. Получено распределение коэффициента неравномерности концентрации углекислого газа по длине трубопровода, установленного за газовым смесителем различной конструкции. Установлено, что применение системы дефлекторов перед камерой смешения позволяет сократить путь смешения газов при минимальном гидравлическом сопротивлении.

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ДВУХСТУПЕНЧАТОЙ ЭЖЕКТОРНОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ СИСТЕМ ВАКУУМИРОВАНИЯ КОНДЕНСАТОРОВ ПАРОВЫХ ТУРБИН

С.Б. Школин — 2025-03-30

Жидкостно-газовые эжекторы широко применяются в системах вакуумирования конденсаторов паровых турбин энергоблоков ГРЭС в России и странах СНГ. Столь широкое распространение этих струйных аппаратов обусловлено простотой конструкции, в силу чего они технологичны и дешевы в изготовлении, а при эксплуатации практически не требуют существенного обслуживания.

Однако разработка и внедрение жидкостно-газовых эжекторов сопряжены с необходимостью оптимизации схем использования, проведения комплексных расчетов геометрических и режимных параметров эжектора и системы вакуумирования для исходных данных каждого конкретного проекта. Кроме того, для эжекторов, работающих непрерывно и с большим потреблением активной воды, энергоэффективность является одним из ключевых требований при проектировании.

В данной статье предлагается комплекс технических мероприятий, позволяющий снизить затрачиваемую мощность на вакуумирование парового пространства паровой турбины. Предлагаемый комплекс мероприятий включает: применение двухступенчатой установки с жидкостно-газовым эжектором первой ступени и эжектором второй ступени, в котором активной средой является вода, а пассивной – жидкостно-газовая смесь; внедрение усовершенствованной гидравлической принципиальной схемы питания установки одним насосом; расчет оптимального давления на выходе первой ступени, соответствующего максимальному КПД установки.

Для расчета оптимального давления на входе второй ступени получено уравнение зависимости потребляемой мощности двухступенчатой установки вакуумирования от давления всасывания второй ступени. Показано, что полученная зависимость имеет экстремум, которому соответствует значение давления всасывания второй ступени, обеспечивающее минимальную потребляемую мощность.

МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ РАЗМЕРОВ ГИБРИДНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ, РАБОТАЮЩИХ НА ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКАХ ЭНЕРГИИ

С.В. Митрофанов — 2025-03-30

Целью работы является анализ существующих и развивающихся методов оптимизации, применяемых в области проектирования гибридных энергетических комплексов, и определение наиболее перспективных направлений развития. В ходе систематического обзора научной литературы в рассматриваемой области использовался метод мета-анализа изданных статей. В работе выполнен анализ различных методов оптимизации гибридных энергетических комплексов, включающих в свой состав ветровой и солнечный модули, а также модуль накопления электроэнергии. В ходе анализа дано представление о применимости рассматриваемых методов оптимизации в реальных сценариях с учетом таких факторов как затраты вычислительной мощности, скорость сходимости, а также трудность реализации. Кроме того, выделены наиболее часто используемые критерии оптимизации, разделенные на две группы: критерии надежности и экономические критерии. Отмечается, что показатель LPSP (вероятность нарушения электроснабжения) является наиболее распространенным критерием оценки надежности работы гибридного энергетического комплекса. На две группы, традиционные и современные, были разделены методы оптимизации и выделена группа гибридных методов, сочетающих в себе два или более алгоритма. Выделяются особенности, а также существующие достоинства и недостатки различных методов оптимизации. Анализ литературы в области оптимизации гибридных энергетических комплексов показал, что наиболее перспективными являются методы, включающие в себя элементы искусственного интеллекта, в частности, эволюционные и метаэвристические алгоритмы. Также анализ показал преимущество применения гибридных методов, позволяющих использовать сильные стороны различных методов, компенсируя при этом их недостатки.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕСТОВЫХ СХЕМ IEEE И CIGRE ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЭНЕРГОСИСТЕМ

А.В. Коржов — 2025-03-30

В работе рассмотрены подходы по использованию тестовых схем IEEE и CIGRE как инструмента для проведения научных исследований энергосистем. Выявлены сложности использования базовых тестовых схем для различных задач исследования и возможности решения возникающих проблем. Анализ информации, содержащейся в имеющихся в открытом доступе базовых тестовых схемах, показал, что для современных исследовательских задач этой информации недостаточно. В случаях¸ когда недостающая информация может быть добавлена локально и независимо для каждого из узлов энергосистемы, учет дополнительной информации в тестовых моделях не вызывает проблем. При необходимости самосогласованных данных для всех узлов энергосистемы, предпочтительнее искать вариант схемы IEEE с оптимальной для исследования авторской базой данных или воспользоваться альтернативными базами данных и тестовых схем. Проведен обзор репозитория, содержащего наиболее полную базу находящихся в открытом доступе тестовых схем.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВНУТРЕННИХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В ГОРОДСКОЙ КАБЕЛЬНОЙ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ СЕТИ 10 кВ

Р.М. о. Бабаев — 2025-03-30

В статье представлена информация о результатах продолжительных экспериментальных исследований, проводимых в кабельных сетях 10 кВ двух энергообъектов (г. Челябинск). Для организации осциллографирования переходных процессов использовались известные и апробированные методические подходы. В течение 526 дней получено 79 осциллограмм, включающих как коммутационные, так и квазистационарные перенапряжения. В статье представлены характерные осциллограммы при: переходе однофазного замыкания на землю в междуфазное; несимметричном включение ножей разъединителя; коммутациях в сети и т.д. В условиях естественной эксплуатации кабельной распределительной сети получена зависимость совокупной вероятности возникновения перенапряжений и её статистические характеристики. Установлено, что вероятность возникновения перенапряжений с кратностью K > 2,2 о.е составляет менее 5%. Показано, что среднегодовое количество перенапряжений N_K_._год, превышающих 1,7 о.е для энергообъектов, равно 36,96 и 42,46 шт в год. Полученные данные могут быть полезны при выполнении исследований по установлению взаимосвязи между остаточной прочностью изоляции и перенапряжениями, воздействующими на неё.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЗАЩИТНОГО УСТРОЙСТВА НА ИНТЕНСИВНОСТЬ ЧР В ИЗОЛЯЦИИ КАБЕЛЯ

Я.Е. Коростелев — 2025-03-30

Статья посвящена исследованию влияния нелинейного защитного устройства на основе металлооксидных варисторов на характеристики частичного разряда (ЧР) в дефекте изоляции. В статье представлен комплексный подход, включающий математическое моделирование и анализ процессов, связанных с ЧР, что позволяет оценить эффективность применения ЗУ для защиты изоляции от негативного воздействия импульсных перенапряжений. Исследование проведено на основе математической модели, которая реализует классический механизм частичного разряда в одиночном дефекте. Защитное устройство, включенное параллельно исследуемой модели, ограничивает перенапряжение, которое моделировалось при помощи высокочастотного затухающего импульса. Моделирование производилось в мультифизической постановке задачи расчета модели методом конечных элементов, реализующей связь плотности токов и джоулева нагрева воздуха в дефекте. В математической модели получены зависимости температуры в дефекте от времени, кривые нагрева и охлаждения среды дефекта, мощности ЧР при различных значениях диаметра дефекта и кратности импульсного перенапряжения. Произведена оценка влияния ЗУ на мощность ЧР, определена степень снижения мощности ЧР. Показана возможность применения ЗУ для уменьшения негативного воздействия ЧР на изоляцию.

ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПЛЕКСА ПАРАМЕТРОВ ВИБРАЦИИ И ВНЕШНЕГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ В ЗАДАЧАХ ДИАГНОСТИКИ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ ГАЗОПОРШНЕВЫХ АГРЕГАТОВ

А.В. Зайниев — 2025-03-30

Вибродиагностика вращающихся электрических машин довольно хорошо изучена и получила широкое распространение, так как показатели вибрации непосредственно зависят от электрического и механического состояния машины. Однако, как показал ряд исследований, анализ только параметров вибрации не всегда позволяет поставить точный диагноз. Это особенно актуально для газопоршневых агрегатов, в которых значительно влияние вибрации двигателя внутреннего сгорания на синхронный генератор переменного тока. Целью исследования являлось повышение достоверности результатов вибродиагностики находящихся в эксплуатации газопоршневых агрегатов с синхронными генераторами с возбуждением от постоянных магнитов. Предложен комплекс диагностики газопоршневых агрегатов по параметрам вибрации и внешнего магнитного поля генератора. Исследование проводилось на работающей газопоршневой электростанции, состоящей из шести агрегатов единичной мощностью 2 МВт, работающих параллельно с сетью. С помощью переносного виброанализатора «Корсар+» были проведены замеры среднеквадратичного значения вибрации в контрольных точках двигателей внутреннего сгорания и синхронных генераторов, анализ полученных спектров и постановка предварительного диагноза состояния. Для уточнения диагноза были проведены измерения внешнего магнитного поля синхронных генераторов с использованием измерителя напряженности электрических и магнитных полей «П3-80», анализ амплитудных значений напряженности магнитного поля и спектральных характеристик, полученных путем быстрого преобразования Фурье. Полученные результаты показали зависимость спектрального состава напряженности внешнего магнитного поля от наличия дефектов в обмотках генератора переменного тока и позволили повысить достоверность постановки диагноза за счет однозначного определения источника повышенной вибрации.

ВЛИЯНИЕ ОКРУЖНОЙ СКОРОСТИ И ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ НА КОНСТРУКЦИЮ, СИСТЕМУ ОХЛАЖДЕНИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ В СОСТАВЕ ГИБРИДНОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ

И.Р. Гарипов — 2025-03-30

В статье представлен анализ конструкции электрической машины с внешним ротором мощностью 200 кВт, обеспечивающей высокие удельные характеристики и предназначенной для применения в составе гибридных силовых установок. Конструкция высокообротной синхронной электрической машины с возбуждением от постоянных магнитов и внешним ротором выбрана по результатам обзора как наиболее перспективная с точки зрения достижения требуемых удельных характеристик. Основным ограничением для получения предельного значения удельной мощности в подобных конструкциях являются вопросы прочностной надежности ротора. С целью определения достижимого уровня удельной мощности электрических машин при существующем уровне технологий проведен анализ электромагнитных и прочностных характеристик конструкции с различными окружными скоростями на периферии (u=200–300 м/с) и частотами вращения ротора (n=20000–30000 об/мин). В ходе расчётно-аналитического исследования установлено следующее: для минимизации пульсации крутящего момента и зубцового момента рекомендуется обеспечить окружную скорость более 230 м/с; оптимальное соотношение длины активной части машины к её диаметру составляет λ= 0,24–0,26; в качестве материала ротора целесообразно применять титановый сплав. Определено соотношение окружной скорости и частоты вращения, обеспечивающее максимальные значения удельной мощности (11 кВт/кг) и КПД электрической машины (92,653 %) обеспечиваются при следующем. Для получения указанных значений удельных характеристик определена конструкция системы охлаждения и учтены затраты мощности на нее.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВНЕШНИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ НА ЭКВИВАЛЕНТНУЮ ЕМКОСТЬ ДАТЧИКА НАПРЯЖЕНИЯ НА БАЗЕ СИСТЕМЫ ГАЛЬВАНИЧЕСКИ СВЯЗАННЫХ ТЕЛ

В.М Завьялов — 2025-03-30

В статье проведены результаты исследований датчика напряжения на базе системы гальванически связанных тел. Показана необходимость учета источников внешних электрических полей при определении эквивалентной емкости пассивного тела, входящего в состав датчика. Приведены результаты исследования с использованием компьютерного моделирования методом конечных элементов влияния полей активного тела на эквивалентную емкость пассивного тела, а также влияния на нее электрических полей соседних фаз. При исследовании влияния электрического поля активного тела рассматривалось изменение расстояния как от активного тела до измерительного резистора, так и от измерительного резистора до пассивного тела. В последнем разделе статьи приведены результаты экспериментальных исследований влияния электрического поля активного тела на эквивалентную емкость пассивного тела, подтвердившие результаты компьютерного моделирования.