Разработка системы мониторинга температуры тригенерационной установки с использованием беспроводной технологии Zigbee

Содержание
Введение……………………………………………………………………….
Аналитический обзор тригенерационных установок…………………
1.1 Постанока задачи……………………………………………………
1.2 Основы тригенерации……………………………………………….
1.3 Тригенерационная установка………………………………………..
1.4 Сравнение тригенерации и раздельного производства
энергетических продуктов………………………………………………
Беспроводная технология ZigBee стандарта 802.15.4…………………
2.1 Обзор беспроводных сетей…………………………………………..
2.2 Сравнение стандартов семейства 802.15 и 802.11b………………..
2.3 Актуальность построения сети Zigbee……………………………...
2.4 Построение и принцип работы сети………………………………...
2.5 Области применения беспроводной системы ZigBee……………...
Разработка беспроводной системы мониторинга температуры
«Тригенерационной установки»………………………………………...
3.1 Тригенерационная установка учебно-научной лаборатории
АУЭС «Энергосбережение и НВИЭ»………………………………
3.2 Выбор оборудования по ZigBee……………………………………..
3.3 Программирование беспроводной системы мониторинга
температуры ТГУ с использованием технологии ZigBee в
ПО NI LabView………………………………………………………
3.4 Разработка интерфейса беспроводной системы мониторинга
температуры ТГУ на базе оборудования XBee PRO……………...
Безопасность жизнедеятельности……………………………………….
4.1 Анализ условий труда сотрудников в лаборатории………………..
4.2 Выбор системы освещения рабочего места, расчет
искусственного и естественного освещения помещения………...
4.3 Пожарная безопасность……………………………………………...
4.4 Вывод по разделу безопасность жизнедеятельности………………
Технико-экономическое обоснование…………………………………..
5.1 Описание системы беспроводного мониторинга
температуры технологического объекта…………………………...
5.2 Расчет затрат на разработку беспроводной системы
мониторинга тригенерационной установки………………………..
5.3 Расчет затрат на разработку программного обеспечения
(ПО) первого варианта автоматизации…………………………...
5.4 Расчет затрат на оборудование первого варианта
автоматизации……………………………………………………….. 82
5.5 Расчет затрат на дополнительные работы первого варианта автоматизации………………………………………………………..
5.6 Расчет затрат на разработку программного обеспечения (ПО)
второго варианта автоматизации…………………………………...
5.7 Расчет затрат на оборудование второго варианта
автоматизации ……………………………………………………….
5.8 Расчет затрат на дополнительные работы второго варианта
автоматизации……………………………..........................................
5.9 Вывод по разделу технико-экономического обоснования………...
Заключение…………………………………………………………………….
Перечень сокращений…………………………………………………………
Список использованной литературы ………………………………………...
Приложение А. Блок – диаграмма программы «Беспроводная система
мониторинга температуры выхлопных газов ТГУ»…………………………
Приложение Б. Блок – диаграмма программы «Беспроводная система
мониторинга температуры жидкости ТО 5 ТГУ»…………………………..
Приложение В. Блок – диаграмма программы «Беспроводная система
мониторинга температуры жидкости бака – аккумулятора (БА) ТГУ»…...
Приложение Г. Дипломы и грамоты………………………………………
Постановка задачи
Тема дипломного проекта:
«Разработка системы мониторинга температуры тригенерационной установки с использованием беспроводной
технологии ZigBee».
Цель дипломного проекта заключается в разработке беспроводно
системы мониторинга температуры для тригенерационной установки,
находящейся в УНЛ «Энергосбережение и нетрадиционные возобновляемые
источники энергии», с применением технологии ZigBee в среде графического
программирования LabView. Для достижения этой цели необходимо решить
следующие задачи:
-провести обзор и сравнительный анализ тригенерационных установок;
- провести сравнительный анализ тригенерации и раздельного
производства энергетических продуктов;
- изучить тригенерационную установку;
- провести обзор и сравнительный анализ беспроводных технологий;
- изучить беспроводную технологию ZigBee;
- изучить области применения ZigBee - модулей;
- разработать беспроводную систему мониторинга температуры
базе технологии ZigBee и ее программирование в ПО LabView;
- разработать интерфейс
беспроводной системы мониторинга температуры ТГУ;
- провести статистическую обработку измеренных значений
температур в программной среде DIAdem;
- решить вопросы по безопасности жизнедеятельности;
- решить вопросы технико-экономического обоснования.
1.2 Основы тригенерации
Тепловая энергия является необходимым условием жизнедеятельности
человека и создания благоприятных условий его быта. Повышение
надежности и экономичности систем теплоснабжения зависит от работы
теплогенерирующих установок, рационально спроектированной тепловой
схемы котельной, широкого внедрения энергосберегающих технологий и
альтернативных источников энергии, экономии топлива, тепловой и
электрической энергии. Энергосбережение и оптимизация систем
производства и распределения тепловой энергии, корректировка
энергетических и водных балансов позволяют улучшить перспективы
развития теплоэнергетики и повысить технико-экономические показатели
оборудования теплогенерирующих установок [1].
Альтернативы энергосбережению в настоящее время, безусловно, нет.
Поэтому чтобы не было дефицита энергии, необходимо использовать такие
источники, которые обладали бы такими уникальными свойствами: были
возобновляемыми и экологически чистыми, а также не приводили бы к
поступлению на планету дополнительного количества теплоты. Такими
источниками являются энергия ветра и биомассы, солнечная энергия, энергия
морских волн и приливов, геотермальная энергия и ряд других
нетрадиционных и возобновляемых источников энергии.
Тригенерация — это технология комбинированной выработки энергии,
позволяющая резко увеличить экономическую эффективность использования
топлива, так как при этом в одном процессе производятся три вида энергии —
электрическая, тепловая и холод. В этом случае бросовая энергия (тепло
выхлопных газов и систем охлаждения агрегатов) используется по прямому
назначению. Стремление утилизировать эту энергию, полученную при
сжигании топлива, но не используемую при выработке основного продукта
(электроэнергии), привело к созданию конструкций, в которых вторичные
продукты: тепловая энергия (горячая вода, пар) и холод (лед-вода,
охлажденный воздух) производятся за счет тепла выхлопных газов
приводного двигателя. В составе таких систем работает абсорбционная
холодильная машина (АХМ), которая для выработки холода использует часть
утилизированного тепла [1]. Поток теплоты, который получает тепловой
модуль при генерации электричества, находится в определенной пропорции к
потоку выработанной электроэнергии. В то же время графики потребляемой
электроэнергии, теплоты и холода, как правило, не согласуются между собой.
Использование тригенерационных установок с абсорбционными
холодильными машинами является неэффективным, так как возможна такая
ситуация, когда из за колебаний потребляемой электроэнергии, потребители
теплоты или холода могут получать энергию в недостаточном количестве или
иметь их избыток.
При применении систем с принципом сложной когенерации можно
легко решать такие проблемы, при этом использование первичного топлива
будет иметь наиболее высокий коэффициент. В этом случае в составе
тригенерационной установки вместо АХМ работают тепловые насосы,
которые могут быть в режиме источника тепла, в режиме кондиционера или
быть реверсивными.
Тригенерация является выгодной, так как дает возможность
эффективно использовать утилизированное тепло не только зимой для
отопления, но и летом для кондиционирования помещений или для
технологических нужд. Это означает, что установку можно использовать
круглый год, обеспечивая тем самым наиболее скорый возврат инвестиций.
Максимальная приближенность и возможность применения для любого
потребителя как в качестве основного, так и резервного источника энергии,
возможность работы установки в любом месте (хоть в «чистом поле»),
надежность в работе, быстрая окупаемость и долгий срок службы основного
оборудования (до 25 лет до полного списания), все эти характеристики
достаточны чтобы вывести ТГУ на первое место среди альтернативных источников энергоснабжения.
Экономия энергоресурсов и сокращение выброса в атмосферу
загрязняющих веществ являются главными преимуществами систем
тригенерации. По сравнению с другими технологиями общая эффективность
систем тригенерации гораздо выше, поэтому экономия энергоресурсов при их
использовании достигает 60%. Например, у такого предприятия сферы услуг,
как гипермаркет, имеется одновременная и постоянная потребность в
существенных объемах электрической энергии, холодильной энергии для
целей кондиционирования и тепловой энергии - для отопления. Лучшие
модели систем тригенерации на испытаниях показали очень высокую общую
производительность - до 86%, часть из которой - 42% приходится на
электрическую энергию.
По сравнению с традиционными технологиями охлаждения
тригенерационная система имеет следующие преимущества [2]:
- Тепло является источником энергии, что позволяет использовать
избыточную тепловую энергию, которая обладает очень низкой себестоимостью.
- Произведенная электрическая энергия может быть подана в общую
электросеть или использоваться для обеспечения собственных нужд.
- Тепло может быть использовано для обеспечения потребностей в
тепловой энергии во время отопительного сезона.
- Требуют минимальных расходов на техобслуживание в связи с
отсутствием в абсорбционных холодильных установках подвижных деталей,
которые могли бы подвергаться износу.
- Бесшумная работа абсорбционной системы.
- Низкие эксплуатационные расходы и низкие затраты в течение всего
срока службы.
- В качестве хладагента используется вода, вместо веществ,
разрушающих озоновый слой.

1.3 Тригенерационная установка
Интерес изобретателей к вопросам получения электричества, теплоты и
холода в одной установке заметно повысился в период 2007 – 2014. В первую
очередь, это связано с преимуществами,
тригенерационная установка. которыми обладает
Тригенерация дает возможность не только полезно использовать
(утилизировать) низкопотенциальную теплоту энергогенерирующих
установок, но и повысить их экологические показатели, а в случае сжигания
органического топлива – увеличить коэффициент использования топлива.
Кроме того, тригенерационные системы являются эффективным средством
для того чтобы удовлетворить потребности потребителя в электроэнергии,
теплоте и холоде, необходимых как для реализации технологических
процессов различных отраслей промышленности, так и в сфере услуг и
жилищно-коммунальном хозяйстве.
Основными элементами тригенерационной установки, работающей по
принципу сложной когенерации, являются [1]:
- блок генерации электроэнергии в составе теплового двигателя,
электрогенератора;
- блок утилизации теплоты в составе котла-утилизатора,
утилизационного жидкостного теплообменника, гидравлической и газовой
системы трубопроводов с арматурой, электроприводами, датчиками и
предохранительными устройствами;
-контур тепловых насосов в составе компрессоров, теплообменников,
системы трубопроводов с арматурой;
-модуль автоматического контроля и управления в составе блок -
панели, управляющей электроприводами, трубопроводной арматурой и т.д.
Тригенерационные установки могут классифицироваться по следующим
аспектам [3]:
- по способу производства продукции;
- по виду используемого топлива.
По способу производства продукции можно выделить следующие типы
тригенерационных установок:
- установки с сезонным производством видов продукции;
- установки с одновременным производством электроэнергии, теплоты
и холода.
По виду используемого топлива тригенерационные установки можно
разделить на:
- установки, работающие на органическом топливе;
- установки, использующие в качестве топлива возобновляемые
источники энергии (ВИЭ);
- установки, использующие технологический перепад давления
транспортируемого газа для выработки электроэнергии.
В установках с сезонным производством видов продукции выработка
электроэнергии и холода или электроэнергии и теплоты зависит от времени
года. В холодный (зимний) период года установками вырабатывается
электроэнергия и теплота, в теплый (летний) период года, когда резко
возрастает потребность в холоде, установки вырабатывают электроэнергию и
холод.
Основу таких тригенерационных установок составляют
когенерационные установки, осуществляющие одновременную выработку
электроэнергии и теплоты.
Теплый период года характеризуется низкой потребностью в теплоте, и
при сохранении в технологическом цикле уровня электрической нагрузки
генератора возникает избыток вырабатываемой теплоты. Эту теплоту можно
использовать для генерации холода. Холод производят абсорбционные
холодильные машины (тепловые насосы), которые потребляют для этой цели
теплоту когенерационной установки. Таким образом, получается так, что в
течение года потребитель одновременно получает только два продукта:
электроэнергию и теплоту, или электроэнергию и холод.
Одновременное производство электроэнергии, теплоты и холода также
можно осуществлять с использованием когенерационной установки и
абсорбционной холодильной машины. В этом случае часть теплоты, которая
вырабатывается когенерационной установкой, направляется потребителю, а
другая часть используется холодильной машиной для генерации холода. В
качестве составной части когенерационных установок также могут
использоваться газотурбинные установки [3].
Тригенерационные установки, работающие на органическом топливе
наиболее распространены по сравнению с установками, которые используют
ВИЭ или перепад давления транспортируемого газа. Такие установки
базируются на когенерационных установках , паротурбинных установках ,
газотурбинных установках,парогазовых установках,газопоршневых
агрегатах, двигателях различных типов (двигатель Стирлинга, внутреннего
сгорания и др.). При использовании в качестве установок, газотурбинных
установок (ГТУ) или газопоршневых агрегатов (ГПА), которые вырабатывают
электрическую энергию, производство теплоты осуществляется путем
охлаждения уходящих газов ГТУ или ГПА в теплообменных аппаратах.
Холод вырабатывается либо абсорбционной холодильной машиной,
использующей тепло уходящих газов установок, либо ко мпрессионной
теплонасосной установкой,которая питается частью электроэнергии выработанной ГТУ/ГПА.
Возобновляемые источники энергии могут обеспечивать работу всей
тригенерационной установки или же только ее части. Наибольшее
распространение получили схемы тригенерационных установок с совместным
использованием первичного (органического) топлива и ВИЭ. Установки на
базе ВИЭ могут вырабатывать либо теплоту, либо электроэнергию.
Электроэнергия, полученная за счет применения ВИЭ, может использоваться
в следующих целях: 1) для отпуска потребителю; 2) для организации работы
теплонасосных установок различных типов и холодильных машин. Теплота,
полученная с помощью применения ВИЭ, может также передаваться
тепловому потребителю, или направляться на абсорбционную теплонасосную
установку для генерации холода.
Установки, использующие технологический перепад давления
транспортируемого газа для выработки электроэнергии имеют в своей
основе детандер - генераторный агрегат, в котором энергия потока
транспортируемого газа преобразуется в механическую энергию вращения
вала, а механическая энергия, в свою очередь, преобразуется в электрическую .
На основе детандер
-генераторных агрегатов можно создать
тригенерационные установки, вырабатывающих электроэнергию, теплоту и
холод [3].
Рассмотрим тригенерационные установки, работающие на различных
видах топлива (см. таблицы 1.1 – 1.3).
Таблица 1.1 - Тригенерационные установки, работающие на солярке,
природном газе и бытовом газе
Таблица 1.2 - Тригенерационные установки, работающие на паре
Технические характеристики
Изображения ТГУ
Таблица 1.3 - Тригенерационные установки, работающие на горячей воде
Технические характеристик
Изображения ТГУДвухступенчатый чиллер для горячей воды (BH)
Назначение: охлаждение
Источник теплоты: 140～200°С горячая вода
Холодопроизводительность: 174~23260 кВт
Окончание таблицы 1.3
1.4 Сравнение тригенерациит и раздельного производства
энергетических продуктов
Под тригенерацией понимается преобразование топлива одновременно в
три полезных энергетических продукта: электроэнергию, тепло (горячую воду
или пар) и холод (охлажденную воду). По сути тригенерационная система
представляет собой когенерационную систему, в которой часть тепла
используется для охлаждения воды при помощи абсорбционной холодильной
системы. На рисунке 1.1 сравниваются два подхода к производству
охлажденной воды: при помощи компрессора с электроприводом и в рамках
тригенерационной системы, при помощи абсорбционной холодильной
системы с использованием бромида лития. Как показано на рисунке ,
утилизируется как тепло выхлопных газов, так и тепло высокотемпературного
контура системы охлаждения двигателя. Необходимая гибкость в системах
тригенерации может быть достигнута за счет резервных (пиковых) мощностей
–компрессорных холодильных установок и работающих за счет
непосредственного сжигания топлива резервных водогрейных котлов [4].....