Development of a mobile wood burning power plant for autonomous power supply of forestry facilities

Abstract

Актуальность автономного энергообеспечения объектов лесного комплекса обусловлена большими ресурсами древесины на удаленных от сетей централизованного электроснабжения и газоснабжения территориях. Целью работы является повышение эффективности автономного энергообеспечения объектов лесного комплекса путем разработки и оптимизации миниэлектростанций на древесном топливе. При решении поставленных задач применены методы численного моделирования технических систем с использованием среды динамического моделирования SimInTech. Выполнен анализ результатов серии имитационных экспериментов функционирования технологической схемы мини-электростанции. В статье предложена имитационная модель автономной энергоустановки на древесном топливе, выполненная в программе SimInTech с применением инструментов модуля «Теплогидравлика». Представлены результаты численного моделирования работы мини-электростанции электрической мощностью 3,8 МВт, на базе газовой турбины открытого цикла, турбины органического цикла Ренкина и термохимической газификации древесного топлива. Получены результаты численного моделирования в виде основных номинальных режимных параметров мини-электростанции. Определены давления, температуры и массовые расходы потоков рабочих тел циклов энергоустановки и теплоносителей. Определены механические мощности: компрессора и турбины газотурбинной установки, вентилятора системы конденсации органического рабочего тела, турбины цикла Ренкина на фреоне R113 и насоса подачи фреона в испаритель при заданном режиме работы мини-электростанции. Предложенная модель позволяет исследовать режимы работы энергоустановки, при переменных параметрах древесного топлива и окружающей среды, подбирать оптимальные конструктивные и режимные параметры компонентов миниэлектростанции. В частности, были определены оптимальные значения расхода охлаждающего конденсатор органического рабочего тела воздуха по условию максимизации КПД нетто электростанции. Полученные результаты способствуют дальнейшей технологической и конструктивной проработке энергоустановок, могут быть использованы для обоснования эффективности и реализуемости проектов автономного энергообеспечения промышленных объектов. The relevance of the theme is due to the large resources of wood in areas remote from centralized power supply and gas supply networks. Autonomous energy supply of such objects of the forestry complex can be organized using wood fuel. The aim of the study is to increase the efficiency of autonomous energy supply of timber complex objects by developing and optimizing wood-fired mini-power plants. The method is to numerical modeling. For this, a simulation model of a mini-power plant was developed using the SimInTech dynamic simulation program. We have made the numerical experiments using this mathematical model. The article presents a technological scheme of a mini-power plant based on an open cycle gas turbine, a Rankine organic cycle turbine and wood fuel gasification. The results of numerical simulation of the operation of a mini-power plant with an electric power of 3,8 MW in the SimInTech program using the tools of the Thermal Hydraulics module are presented. The main technological parameters of the power plant in the nominal operation conditions are calculated: pressures, temperatures and mass flow rates of working fluid flows of power plant cycles and heat carriers. We have also calculated the rated mechanical powers of the units: the compressor of the gas turbine plant and the gas turbine, the fan of the organic working fluid condensation system, the Rankine cycle turbine running on R113 freon, and the pump for supplying freon to the evaporator. The proposed model allows you to explore the operating modes of the power plant, with variable environmental parameters, to select the optimal design and operating parameters of the components of the mini-power plant. In particular, the dependence of the net efficiency of the power plant on the consumption of cooling air for the condenser of the organic working fluid was studied. As a result, the optimal values of the cooling air consumption were determined according to the condition of maximizing the net efficiency of the power plant. The obtained results contribute to further technological and constructive improvement of power plants. The results of the study can be used to substantiate the effectiveness and feasibility of projects for autonomous power supply of industrial facilities.