MANAGEMENT OF GAS-AIR ENERGY INSTALLATION OF INDUSTRIAL ENTERPRISE

V. Y. Lobov, K. V. Lobova, A. V. Dats

Abstract


Purpose. The goal of the work is to substantiate the issue of effective use of kinetic energy of gas-air flows used by the technological installation for generating electric power, which will allow developing a new control algorithm and creating new software for controlling the gas-air power plant. To test the adequacy of the developed control algorithms and software, to develop a laboratory gas-air power plant.

Methodology. To investigate the distribution of air-gas mass in process plants used industrial plant simulation method performed in software SolidWorks Flow Simulation. The method of simulation allowed to develop a new control algorithm and create new software taking into account the basic technical requirements for the management of the gas-air power plant. To test the efficiency of the developed algorithms and control software for the gas-air power plant, a physical modeling method was used on a developed laboratory installation connected via a USB interface with a computer and has a virtual model of the SCADA system presented in the LabVIEW environment.

Findings. Based on the modeling of gas-air flows on the developed mathematical model, the optimal ratios of pipeline sizes are rationally determined, the gas-air mixture costs necessary for the most efficient operation of the gas-air power plant, that is, in the working zone of the gas-air path, the generator screw contacts the most significant flows, providing the maximum effect rotation. The obtained results of research of gas-air flows of technological installations of an industrial enterprise in the software environment of SolidWorks Flow Simulation and on their basis the basic technical requirements for the management of a gas-air power plant are developed. An optimal control algorithm has been developed that enabled it to be introduced into the control scheme of a gas-air power plant with a microprocessor or a specialized microcontroller.

Originality. New possibilities for further improvement of the known basic mathematical models of the kinetics of gas-air flows have been found and variants of adaptation in the field of gas dynamics have been proposed for estimating the expenditure of gas-air flows during the operation of a fan installation on a pipeline. The structural scheme and algorithms for controlling the gas-air power plant are developed, which includes a fan, a generator, a pipeline and a control unit based on the use of the Arduino Uno microcontroller. The algorithm of the subroutine for connecting the gas-air power plant with the SCADA system.

Practical value. The proposed method of generating electric power by a gas-air power plant with a microprocessor control system, as shown by calculations confirmed by experimental studies on a laboratory installation, allows to reduce up to 20% of the amount of spent electricity by a process unit and can be used in industrial conditions. The introduction of gas-air power plants with a microprocessor system and a SCADA system will improve the energy efficiency of process plants.


Keywords


technological installation; gas-air streams; electric energy; control; microcontroller; algorithms

References


World Wind Energy Association, “2014 half-year report.” [Elektronnyy resurs]. – Rezhym dostupu: http://www.wwindea.org/webimages/WWEA_half_year_report_2014.pdf. – Nazva z ekranu. – Data perehlyadu: 27.01.17.

Rodrigo, T.P., Sílvio, F.R., Edwin, W., Ricardo, S., Pavol, B., Jan, P. (2013). Operation and Power Flow Control of Multi-Terminal DC Networks for Grid Integration of Offshore Wind Farms Using Genetic Algorithms. Energies, 6, 1–26. doi:10.3390/en6010001.

Alexander, K., Bruno, U.S., Lueder, V.B. (2016). Curtailment in a Highly Renewable Power System and Its Effect on Capacity Factors. Energies, 9, 510. doi: 10.3390/en9070510.

Design and operation of power systems with large amounts of wind power [Elektronnyy resurs]. – Rezhym dostupu: www.vtt.fi/inf/pdf/technology/2016/T268. pdf. – Nazva z ekranu. – Data perehlyadu: 27.01.17.

Enerhetychna stratehiya Ukrayiny na period do 2030 roku [Elektronnyy resurs]. – Rezhym dostupu: zakon1.rada.gov.ua/signal/kr06145a.doc. – Nazva z ekranu. – Data perehlyadu: 27.12.17.

Inzhenernyy analiz v srede SolidWorks Simulation [Elektronnyy resurs]. – Rezhym dostupu: sapr.ru/article/19880. – Nazva z ekranu. – Data perehlyadu: 27.01.17.

Ivashko, O. (2012). Yak pidkoryly viter suchasni Don Kikhoty : v Mykolayiv. obl. zapratsyuvala persha promyslova vitroelektrostantsiya, Uryad. kur'yer, 2, 8.

PSS E Wind and Solar Models [Elektronnyy resurs]// UWIG/EnerNex/DOE Workshop. – Elektron. dani. – NY, 2011. – Rezhym dostupu: http://www.nyiso.com/public/webdocs/markets_operations/services/planning/Documents_and_Resources/Cofeences_and_Workshops/DOE_Wind_Turbine_Plant_Mdlg_wkshop/PSSE_Wind_Solar_Models_Kazachkov.pdf. – Nazva z ekranu. – Data perehlyadu: 07.12.17.

Matskevych, P. (2011). Vykorystannya enerhiyi vitru. EKOinform. 5, 36-38.

Kuzo, I. V., Korendiy V. M. (2010). Obhruntuvannya rozvytku vitroenenerhetychnykh ustanovok maloyi ta nadmaloyi potuzhnosti, Visn. Nats. un-tu "Lviv. politekhnika". Optymizatsiya vyrobnychykh protsesiv i tekhnichnyy kontrol v mashynobuduvanni ta pryladobuduvanni, Lviv, 679, 61-67.

Petrenko, N. (2013). Vetroheneratory maloy moshchnosty. Radyoamator, 7, 40-43.

Sokolovskiy, YU. B., Sokolovskiy, A. YU., Limonov L. G. (2014). Povysheniye effektivnosti vetrovykh energeticheskikh ustanovok. Energosberezheniye. Energetika. Energoaudit, 9, 28-37.

The wind energy fact sheet - Office of Environment and Heritage [Elektronnyy resurs]. – Rezhym dostupu: http://www.environment.nsw.gov.au/resources/households/WindEnergyfactsheet.pdf. – Nazva z ekranu. – Data perehlyadu: 27.01.17.

Alekseyevsky P. D., Andrienko K. O., Turyshev K. O., Pankova O. O. Definition of the working area of the IPPN in the electromechanical system of the VEU with variable speed rotation, Electrical Engineering And Power Engineering, 2017, 1, 79–85. DOI: 10.15588/1607-6761-2017-1-10

Nemudryi I. Yu. Improving the efficiency of converting electricity into wind turbines with aerodynamic animation, Electrical Engineering And Power Engineering, 2014, 1, 79–86. DOI: 10.15588/1607-6761-2014-1-13

Shikhaylov, M. O., Favorskiy, YU. P. (2006). Osobennosti konstruktsiy i ispol'zovaniye vetroenergeticheskikh ustanovok maloy moshchnosti. Elektrik, 1-2, 29-31.

Makarchuk, O., Rusek, A., Shchur, I., Shchur, V. (2015). The electromagnetic transformer of mechanical energy into heat for wind turbine. Przegląd Elektrotechniczny, 91, 1, 179-182.

Wind turbine control [Elektronnyy resurs]. – Rezhym dostupu: https://www3.nd.edu/~tcorke/w.WindTurbineCourse/WindTurbineControl_Presentation.pdf. – Nazva z ekranu. – Data perehlyadu: 27.01.17.

Skrypnyk, O. I. Konoval, V. S. (2013). Matematychna model vitroheneratora typu DFIG dlya analizu stiykosti elektrychnykh system, Naukovi pratsi DonNTU. Seriya: «Elektrotekhnika i enerhetyka», 2 (15), 234-239.

Savaghebi, M., et al. (2012). Secondary Control Scheme for Voltage Unbalance Compensation in an Islanded Droop-Controlled Microgrid, Smart Grid, IEEE Transactions on, 3, 797-807.

Vandoorn, T. L., et al. (2012). Analogy Between Conventional Grid Control and Islanded Microgrid Control Based on a Global DC-Link Voltage Droop, Ieee Transactions on Power Delivery, 27, 1405-1414.

Pat. № 62126 Ukrayina, MPK (2011.01) H02J 13/00. Prystriy dlya avtomatychnoho keruvannya elektrospozhyvannyam / P. H. Plyeshkov, I. V. Savelenko, O. I. Sirikov; zayavn. Kirovohradskyy natsionalnyy tekhnichnyy universytet. - №201101588; zayavl. 11.02.2011; opubl. 10.08.2011; Byul. № 15. – 2 s.

Pat. № 109070 Ukrayina, MPK (2016.01) H02J 13/00. Prystriy dlya avtomatychnoho keruvannya elektrospozhyvannyam / V. Y. Lobov, YE. L. Yefimenko, M. P. Tykhanskyy, M. S. Chernyuk; zayavn. DVNZ «Kryvorizkyy natsionalnyy universytet». - №201600998; zayavl. 08.02.2016; opubl. 26.09.2016; Byul. № 18. – 7 s.

Pat. № 105303 Ukrayina, MPK (2016.01) F03D 1/04, F03D 9/25. Sposib otrymannya elektroenerhiyi / V. Y. Lobov, K. V. Lobova; zayavn. DVNZ «Kryvorizkyy natsionalnyy universytet». - № 201509470; zayavl. 01.10.2015; opubl. 10.03.2016, Byul. № 5. – 6 s.

Pat. № 119021 Ukrayina, MPK (2006) F03B 13/00/ Prystriy dlya avtomatychnoho keruvanya elektrospozhyvannyam tekhnolohichnoyi ustanovky / Lobov V.Y., Lobova K.V. Dats A.V.; zayavn. DVNZ «Kryvorizkyy natsionalnyy universytet». - № u201701906; zayavl. 27.02.2017; opubl. 11.09.2017, Byul. №17. – 7 s.

Boyko, E. A., Derynh, I. S., Okhorzyna, T. I. (2006). Aerodinamicheskiy raschet kotel'nykh ustanovok. Krasnoyarsk: KGTU, 71.

Lozhechnikov, V. F., Stopakevich, A. A. (1999). Struktura mnogomernoy matematicheskoy modeli dinamiki barabannogo kotla sredney moshchnosti. Optimizatsiya upravleniya, informatsionnyye sistemy i komp'yuternyye tekhnologii. Trudy Ukrainskoy akademii ekonomicheskoy kibernetiki (Yuzhnyy nauchnyy tsentr). Kiyev-Odessa: ISTS, 1, 2, 167–176.

Alyamovskiy, A. A., Sobachkin, A. A., Odintsov, Ye. V., Kharitonovich, A. I., Ponomarev N. B. (2008). SolidWorks 2007/2008. Komp'yuternoye modelirovaniye v inzhenernoy praktike. SPb. BKHV-Peterburg, 1040.


GOST Style Citations


1. World Wind Energy Association, “2014 half-year report.” [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://www.wwindea.org/webimages/WWEA_half_year_report_2014.pdf. – Назва з екрану. – Дата перегляду: 27.01.17.

2. Rodrigo, T.P., Sílvio, F.R., Edwin, W., Ricardo, S., Pavol, B., Jan, P. (2013). Operation and Power Flow Control of Multi-Terminal DC Networks for Grid Integration of Offshore Wind Farms Using Genetic Algorithms. Energies, 6, 1–26. doi:10.3390/en6010001.

3. Alexander, K., Bruno, U.S., Lueder, V.B. (2016). Curtailment in a Highly Renewable Power System and Its Effect on Capacity Factors. Energies, 9, 510. doi: 10.3390/en9070510.

4. Design and operation of power systems with large amounts of wind power [Електронний ресурс]. – Режим доступу: www.vtt.fi/inf/pdf/technology /2016/T268.pdf. – Назва з екрану. – Дата перегляду: 27.01.17.

5. Енергетична стратегія України на період до 2030 року [Електронний ресурс]. – Режим доступу: zakon1.rada.gov.ua/signal/kr06145a.doc. – Назва з екрану. – Дата перегляду: 27.12.17.

6. Инженерный анализ в среде SolidWorks Simulation [Електронний ресурс]. – Режим доступу: sapr.ru/article/19880. – Назва з екрану. – Дата перегляду: 27.01.17.

7. Івашко О. Як підкорили вітер сучасні Дон Кіхоти : в Миколаїв. обл. запрацювала перша промислова вітроелектростанція // Уряд. кур'єр, 2012. – № 2.–С.8.

8. PSS E Wind and Solar Models [Електронний ресурс]// UWIG/EnerNex/DOE Workshop. – Електрон. дані. – NY, 2011. – Режим доступу: http://www.nyiso.com/public/webdocs/markets_operations/services/planning/Documents_and_Resources/Conferences_and_Workshops/DOE_Wind_Turbine_Plant_Mdlg_wkshop/PSSE_Wind_Solar_Models_Kazachkov.pdf. – Назва з екрану. – Дата перегляду: 07.12.17

9. Мацкевич П. Використання енергії вітру // ЕКОінформ. –2011. – № 5. – С. 36-38.

10. Кузьо І. В. Обгрунтування розвитку вітроененергетичних установок малої та надмалої потужності / І. В. Кузьо, В. М. Корендій // Вісн. Нац. ун-ту "Львів. політехніка". Оптимізація виробничих процесів і технічний контроль в машинобудуванні та приладобудуванні. – Львів, 2010. – № 679. – С. 61-67.

11. Петренко Н. Ветрогенераторы малой мощности // Радиоаматор. – 2013. – № 7. – С. 40-43.

12. Соколовский Ю. Б. Повышение эффективности ветровых энергетических установок / Ю. Б. Соколовский, А. Ю. Соколовский, Л. Г. Лимонов // Энергосбережение. Энергетика. Энергоаудит. – 2014. – № 9. – С. 28-37.

13. The wind energy fact sheet - Office of Environment and Heritage [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://www.environment.nsw.gov.au/resources/ households/WindEnergyfactsheet.pdf. – Назва з екрану. – Дата перегляду: 27.01.17.

14. Алексієвський Д. Г. Визначення робочої області  ІППН у складі  електромеханічної системи ВЕУ зі змінною швидкістюобертання [Текст] / Д. Г.  Алексієвський, П. Д. Андрієнко, К. О. Туришев, О.О. Панкова // Електротехніка та електроенергетика. – 2017 – №1 – С. 79 – 85. DOI: 10.15588/1607-6761-2017-1-10

15. Немудрий І. Ю. Підвищення ефективності перетворення електроенергії в вітроелектричних  установках  з аеродинамічною мультиплікацією [Текст] / І. Ю. Немудрий // Електротехніка та електроенергетика. – 2014 – №1 – С. 79 – 86. DOI: 10.15588/1607-6761-2014-1-13

16. Шихайлов М. О. Особенности конструкций и использование ветроэнергетических установок малой мощности / М. О. Шихайлов, Ю. П. Фаворский // Электрик. – 2006. – № 1-2. – С. 29-31.

17. Makarchuk O. The electromagnetic transformer of mechanical energy into heat for wind turbine / O. Makarchuk, A. Rusek, I. Shchur, V. Shchur // Przegląd Elektrotechniczny (ElectricalReview). – 2015. – R. 91, nr 1. – P. 179-182.

18. Wind turbine control [Електронний ресурс]. – Режим доступу: https://www3.nd.edu/~tcorke/ w.WindTurbineCourse/WindTurbineControl_Presentation.pdf. – Назва з екрану. – Дата перегляду: 27.01.17.

19. Скрипник О.І. Математична модель вітрогенератора типу DFIG для аналізу стійкості електричних систем / О. І. Скрипник, В.С. Коновал // Наукові праці ДонНТУ. Серія: «Електротехніка і енергетика» №2 (15)’ - 2013. – С. 234-239.

20. M. Savaghebi, et al. (2012). Secondary Control Scheme for Voltage Unbalance Compensation in an Islanded Droop-Controlled Microgrid, Smart Grid, IEEE Transactions on, vol. 3, pp. 797-807.

21.  T. L. Vandoorn, et al. (2012). Analogy Between Conventional Grid Control and Islanded Microgrid Control Based on a Global DC-Link Voltage Droop, Ieee Transactions on Power Delivery, vol. 27, pp. 1405-1414.

22. Пат. № 62126 Україна, МПК (2011.01) H02J 13/00. Пристрій для автоматичного керування електроспоживанням / П. Г. Плєшков, І. В. Савеленко, О. І. Сіріков; заявн. Кіровоградський національний технічний університет. - №201101588; заявл. 11.02.2011; опубл. 10.08.2011; Бюл. № 15. – 2 с.

23. Пат. № 109070 Україна, МПК (2016.01) H02J 13/00. Пристрій для автоматичного керування електроспоживанням / В. Й. Лобов, Є. Л. Єфіменко, М. П. Тиханський, М. С. Чернюк; заявн. ДВНЗ «Криворізький національний університет». - №201600998; заявл. 08.02.2016; опубл. 26.09.2016; Бюл. № 18. – 7 с.

24. Пат. № 105303 Україна, МПК (2016.01) F03D 1/04, F03D 9/25. Спосіб отримання електроенергії / Лобов В.Й., Лобова К.В.; заявн. ДВНЗ «Криворізький національний університет». - № 201509470; заявл. 01.10.2015; опубл. 10.03.2016, Бюл. № 5. – 6 с.

25. Пат. № 119021 Україна. МПК (2006) F03B 13/00/ Пристрій для автоматичного керування електроспоживанням технологічної установки / Лобов В.Й., Лобова К.В. Даць А.В.; заявн. ДВНЗ «Криворізький національний університет». - № u201701906; заявл. 27.02.2017; опубл. 11. 09. 2017, Бюл. №17. – 7 с.

26. Бойко Е.А. Аэродинамический расчет котельных установок / Е.А. Бойко, И.С. Деринг, Т.И. Охорзина. – Красноярск: КГТУ, 2006. – 71 с.

27. Ложечников В.Ф. Структура многомерной математической модели динамики барабанного котла средней мощности / В.Ф. Ложечников, А.А. Стопакевич // Оптимизация управления, информационные системы и компьютерные технологии / Труды Украинской академии экономической кибернетики (Южный научный центр). – Киев–Одесса: ИСЦ. - 1999. – № 1. – Ч.2. – С. 167–176.

28. Алямовский А.А. SolidWorks 2007/2008. Компьютерное моделирование в инженерной практике/ А.А. Алямовский, А.А. Собачкин, Е.В. Одинцов, А.И. Харитонович, Н.Б. Пономарев. – СПб.: БХВ-Петербург, 2008. - 1040с.





DOI: https://doi.org/10.15588/1607-6761-2017-2-9

Article Metrics

Metrics Loading ...

Metrics powered by PLOS ALM

Refbacks

  • There are currently no refbacks.


Copyright (c) 2018 V. Lobov, K. Lobova, A. Dats

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Address of the journal editorial office:

Editorial office of the the science journal "Electrical Engineering and Power Engineering" ("Electrotechnics and Electroenergetics")

Zaporozhye National Technical University, 

 Zhukovskiy street, 64, Zaporizhzhya, 69063, Ukraine. 

Telephone: +38-061-769-82-96 – the Editing and Publishing Department.

E-mail: rvv@zntu.edu.ua


Reference to the journal is obligatory in the cases of complete or partial use of its materials.