Разработка автоматизированной системы экспериментальных исследований теплового двигателя

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, получаемую 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, которая для выработки холода использует часть утилизированного тепла. Поток теплоты, получаемый тепловым модулем  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 неэффективно, так как может возникнуть ситуация, когда из за колебаний потребляемой электроэнергии, потребители теплоты или холода могут недополучать или иметь их избыток. Применение систем с принципом сложной когенерации позволяет кардинально решать такие проблемы, обеспечивая наиболее высокий коэффициент использования первичного топлива. При этом в составе тригенерационной установки вместо АХМ работают тепловые насосы, которые могут быть в режиме источника тепла, в режиме кондиционера или быть реверсивными

Рис. 1.1 - Преобразование энергии топлива в системах генерации

 

Из  рисунка 1.1 видно, что при традиционном способе генерации энергии коэффициент эффективности использования топлива составляет 58%, при использовании когенерационных систем может достигать 90%. В случае сложной когенерации, например, когда теплонасосная установка работает в режиме источника тепла, эффективность системы может достигать 235%. На первый взгляд столь большое значение кажется противоестественным.  Это объясняется тем,  что относительно небольшие затраты энергии на работу компрессора теплонасосной установки дают возможность значительно повысить потенциал теплоносителя,  накопленный другими источниками энергии (Солнце,  внутреннее тепло Земли и т. д.)

 

1.2. Тригенерационная установка

 

Основными элементами тригенерационной установки, работающей по принципу сложной когенерации, являются:

-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.

 

 

               Рисунок 1.2 - Тригенерационная установка «Steamford» 

 

Блоки генерации электроэнергии и утилизации теплоты монтируются  на своих фундаментных рамах и  поставляются, как правило, в виде, подготовленном к монтажу на рабочем месте. Элементы установки могут монтироваться в капитальных зданиях без специальных фундаментов под оборудование, в легких быстровозводимых конструкциях на основе теплоизолированных плит, в контейнерах стандартного исполнения, либо специально спроектированных и т.п. Высокая степень готовности поступающих на монтаж элементов позволяет возводить как единичные установки малой мощности, так и мини-ТЭС мощностью до нескольких десятков мегаватт в очень сжатые сроки – от 2 до 10 месяцев.

На рис. 1.2 представлена компактная тригенерационная установка «Steamford» предназначенная для энергоснабжения птицеводческой фермы.

Энергонагрузка объекта составляет: 

- электрическая  мощность – до 1 МВт (967,3 кВт);

- тепловая мощность  – до 0,63 МВт (0,56 Гкал/ч)

- холод –  до 0,28 кВт

Электрическая нагрузка – коммунальная, электроснабжение жилого фонда и инфраструктуры производственного  объекта. Тепловая нагрузка – сезонная отопительная жилых и производственных помещений. Холод - кондиционирование производственных помещений в летний период. Топливо – биогаз.

 

1.3 Сравнительный анализ чего?

 

1.3.1 Блок генерации электроэнергии

 

Главным, самым  дорогим, самым ответственным и  самым капризным является блок генерации электроэнергии, а в нем – двигатель. Стоимость двигателя составляет до половины стоимости всей установки.

В ДВС процесс  сгорания топлива с выделением теплоты  и превращением ее в  механическую  работу происходит  непосредственно  в  цилиндрах.  Наиболее экономичными являются поршневые и комбинированные двигатели внутреннего сгорания. Они имеют достаточно большой срок службы, сравнительно небольшие габаритные размеры и массу. Основным недостатком этих двигателей следует считать возвратно-поступательное движение поршня, связанное с наличием кривошатунного механизма, усложняющего конструкцию и ограничивающего возможность повышения частоты вращения, особенно при значительных размерах двигателя. Осуществление рабочего цикла ДВС в одном цилиндре с малыми потерями и значительным перепадом температур между источником теплоты и холодильником обеспечивает высокую экономичность этих двигателей. Высокая экономичность – одно из положительных качеств ДВС.

Среди ДВС дизель в настоящее время является таким  двигателем, который преобразует  химическую энергию топлива в  механическую работу с наиболее высоким КПД в широком диапазоне изменения мощности. Это качество

 дизелей  особенно важно, если учесть, что  запасы нефтяных топлив ограничены.

К положительным  особенностям ДВС стоит отнести  также то, что они могут быть соединены практически с любым потребителем энергии. Это определяется широкими возможностями получения соответствующих характеристик изменения мощности и крутящего момента этих двигателей.

Важным положительным  качеством ДВС является возможность  их быстрого пуска в обычных условиях. Двигатели, работающие при низких температурах,  снабжаются специальными устройствами для  облегчения  и ускорения  пуска.  После  пуска  двигатели  сравнительно  быстро могут принимать  полную  нагрузку.  ДВС  обладают   значительным   тормозным моментом,  что  очень  важно  при  использовании  их  в тригенерационных установках.

На практике применяют  два типа поршневых двигателей:

• С воспламенением от сжатия (аналог автомобильного или судового дизеля), которые могут работать на дизельном топливе или природном газе (с добавлением 5% дизельного топлива для обеспечения воспламенения топливной смеси). Несмотря на повсеместную тенденцию использовать газ (в основном по экологическим причинам), в некоторых случаях (отсутствие газопровода, цена строительства, время работы) экономически оправданно использовать дизельное топливо
• С искровым зажиганием (аналог автомобильного бензинового двигателя). Электрическая выходная мощность двигателей этого типа, как правило, на 15—20% ниже, чем у дизелей (ограничивается специально для предотвращения детонации). Тепловая мощность у них также ниже, чем у дизелей. Двигатели с искровым зажиганием могут работать на чистом газе (природный газ, био и другие условно бесплатные газы)

ГПА с воспламенением от искры имеют наилучшее соотношение «расход топлива/энергия» и наиболее эффективны при мощностях от 0,03 до 5–6 МВт. ГПА с воспламенением от сжатия (дизеля) работают в диапазоне мощностей от 0,2 до 20 МВт. ГПА работают в двух основных режимах:

— номинальный  режим — режим максимальной нагрузки и скорости в течение 24 час. В сутки на протяжении года с остановкой на плановое обслуживание; работа с перегрузкой в 10% возможна в течении 2-х час. В сутки;

— резервный  режим — круглосуточная работа без  перегрузки в период простоя основного источника энергии

Достоинства и  особенности применения ГПА:

— наиболее низкий уровень выбросов окислов азота, который можно устранить полностью  при работе ДВС на богатой смеси  с последующим дожиганием продуктов сгорания в котле;

— более высокий, по сравнению с ГТУ, ресурс работы, достигающий 150–200 тыс.час;

— наиболее низкий уровень  капитальных затрат и эксплуатационных расходов на производство энергии;

— простота перехода с одного вида топлива на другой. ГПА не рекомендуется применять при потребности в получении большого количества теплоносителя с температурой более 110˚С, при большой потребляемой мощности, а также при ограниченном числе пусков

Но наряду с положительными качествами ДВС обладают рядом недостатков. Среди них ограниченное по сравнению, например, с паровыми и газовыми турбинами агрегатная мощность, высокий уровень шума, относительно большая частота вращения коленчатого вала при пуске и невозможность непосредственного соединения его с ведущими колесами электрогенерирующего устройства, токсичность выхлопных газов, возвратно-поступательное движение поршня, ограничивающие частоту вращения и являющиеся причиной появления неуравновешенных сил инерции и моментов от них. Также существенное ограничение состоит в работе на неполной мощности — поршневой двигатель, как правило, не рекомендуется запускать с нагрузкой менее 50% на продолжительный период времени

Поскольку одно из главных  требований к тригенерационным установкам это компактность, то в качестве двигателей, в подавляющем большинстве, используются быстроходные ДВС со средней скоростью поршня 8-11 м/с и частотой вращения вала 1000-1500 об/мин

В нашей стране предприятия  по производству такого типа двигателей нет. Промышленность России производит ограниченный ряд двигателей этого  класса, особенно предназначенных для работы на газовом топливе.

Тем не менее, с учетом Российских предприятий, изготавливающих двигатели по лицензии ведущих зарубежных фирм, типоразмерный ряд, представленный нашими заводами в значительной мере удовлетворяет требованиям заказчиков.

 Среди ведущих отечественных  производителей ОАО «РУМО», г.Н.Новгород. Продукция: генераторные установки с двигателями Г68Д, Г98Д, Г68М, Г98М, (6ЧН 36/45), 8Г22Г1 (8ЧН 22/28), 6ЧН 32/40.

 ОАО «Коломенский завод», г. Коломна. Продукция: генераторные установки и двигатели 4ЧН 26/26, 8ЧН 26/26, 12ЧН 26/26, дизели и газодизели в широком ряде модификаций.

 ОАО «Пензадизельмаш»  г. Пенза. Продукция: дизель 1-ПД 4А.

 ОАО «Брянский машиностроительный  завод» г. Брянск. Продукция: массогабаритные дизели 6ДКРН 26/98. 8ДКРН 26/98. 8-6 ДКРН 35/105, 8-6 ДКРН 42/136, 8-6 ДКРН 60-160, 12 ДКРН 60/160.

 ОАО «Волжский дизель  имени Маминых» г. Балаково, генераторы  на базе газового двигателя 6ЧН 21.

  ОАО «Звезда-Энергетика»  г. Санкт Петербург. Продукция:  газопоршневые генераторы с двигателями 6 ГЧН 15,9/15,9, 16 ГЧН 15,9/15,9, 16 ГЧН 18/20 и другие

Зарубежные производители  предлагают очень широкую гамму  быстроходных двигателей. В первую очередь это Caterpillar, Cummins, Perkins, Jenbacher, Ford, Deutz, MTU, Wartsila, Volvo, Waukesha и др.

Эти и другие фирмы формируют  ряд двигателей на мощности от десятков кВт до десятков мВт. Конструктивное качество и качество сборки у представленных машин стабильно высокое. При  наличии широкого ряда отечественных и зарубежных двигателей встает естественный вопрос выбора. Какой является лучшим? При такой постановке однозначного ответа нет. Всегда нужно учитывать, какая характеристика нас интересует в первую очередь, или какой суммирующий параметр оптимизации мы хотим использовать.

 Так одним из главных эксплуатационных показателей является удельный расход топлива и масла.

 По расходу топлива  российские машины если и уступают  зарубежным, то незначительно. Новые  газовые двигатели Г98М, 8Г22Г1 ОАО  «РУМО» практически сравнялись с лучшими зарубежными. По расходу масла отечественные машины уступают иностранным. Но поскольку наши двигатели используют недорогие отечественные масла (М10Г2, М10Г2С, М14В2С, М14В2С, М14Г2, и др.), эксплуатационные расходы, связанные с заменой масел различаются не сильно.

Очень важная характеристика – ресурс двигателя.

Массогабаритные характеристики практически всех быстроходных зарубежных двигателей лучше, чем у российских. Однако это объясняется тем, что  большинство отечественных машин  имеют пониженную быстроходность. Так, двигатели «Коломенского завода» имеют среднюю скорость поршня 8,7 м/с, двигатели Г98 ОАО «РУМО» - 7,5 м/с. Само по себе это не плохо – понижается механическая и тепловая напряженность, снижаются скорости износов, вибрация, обеспечиваются повышенные запасы прочности.

Так как речь идет об автономной системе энергоснабжения, то большое значение для эффективной эксплуатации двигателя имеет организация технического обслуживания и ремонтов. Разные производители и поставщики предлагают разнообразные условия и сроки исполнения этих процедур. В целом, чем мощнее производитель, тем эффективнее работа с ним. Однако, по данным специалистов, прошедших длительный путь этих отношений, заявляемые 48-часовые, или подобные сроки замены вышедших из строя деталей или узлов специалистами обслуживающих фирм не соблюдаются.