Разработка автоматизированной системы экспериментальных исследований теплового двигателя

Реальные сроки восстановления работоспособности зарубежных и  отечественных машин при серьезных отказах – 10 и более суток. Это необходимо учитывать при формировании резервных мощностей и схем установок такого типа.

С подобных позиций нужно  рассмотреть другие элементы блока  генерации электроэнергии – генератор. Важной характеристикой генераторной установки является возможность приема скачка нагрузки. Следует отметить, что газовые двигатели принимают нагрузку вообще хуже, чем дизельные. Эксплуатирующие механики воспринимают это как капризность газопоршневых машин. Зарубежные высоконапряженные машины допускают скачки мощности не более 10%, менее напряженные российские – до 20%. Однако практика эксплуатации показывает, что проблем с ними значительно меньше. Предлагаемые производителями отработанные технические решения в большинстве случаев удовлетворяют заказчиков.

Другой тип силового агрегата для тригенераторных установок  – газотурбинная установка (ГТУ). Благодаря повсеместному переходу в 90-е годы на использование природного газа в качестве основного топлива для электроэнергетики, газовые турбины заняли существенный сегмент рынка. Максимальная эффективность оборудования достигается на мощностях от 5 МВт, поэтому используемые ГТУ в большинстве случаев ориентированы не на применение в единичных установках, а объединяются в несколько энергоблоков мини-ТЭЦ мощностью до 150 МВт. Но некоторые производители выпускают модели и в диапазоне 1÷5 МВт, что делает их пригодными для использования в единичных тригенераторных установках. Все представленные на рынке модели зарубежного образца.

Принцип работы газовых турбин состоит в следующем: газ, нагнетаемый в камеру сгорания компрессором, смешивается с воздухом, формируя топливную смесь, и поджигается. Образующиеся продукты горения с высокой температурой (900ºС÷1200ºС), проходя через несколько рядов лопаток, установленных на валу турбины, приводят к вращению турбины. Механическая энергия вала передается через понижающий редуктор электрическому генератору. Тепловая энергия выходящих из турбины газов поступает в теплоутилизатор. Помимо производства электричества, механическая энергия турбины может использоваться для работы насосов, компрессоров и т.п. Наиболее традиционным видом топлива для газовых турбин является природный газ, хотя это не исключает возможности использования других видов газообразного топлива. При этом газовые турбины предъявляют повышенные требования к качеству его подготовки – механические включения, влажность.

Температура исходящих  из турбины газов составляет 450°С ÷ 550°С. ГТУ производят гораздо большее  количество тепловой энергии, чем ГПА, и могут работать как в базовом  режиме, так и для покрытия пиковых  нагрузок. Количественное соотношение  тепловой энергии к электрической у газовых турбин составляет от 1.5:1 до 2.5:1, что позволяет строить когенерационные и тригенерационные системы, различающиеся по типу теплоносителя:

• Непосредственное (прямое) использование отходящих горячих газов;
• Производство пара низкого или среднего давления (8—18 кг/см²) во внешнем котле;
• Производство горячей воды (лучше, когда требуемая температура превышает 140°С);
• Производство пара высокого давления (парогазовый цикл).

КПД газовой турбины  составляет 25% — 35%, в зависимости  от параметров работы конкретной модели турбины и характеристик топлива. В составе тригенерационных систем с абсорбционными холодильными машинами эффективность возрастает до 95% в расчете на условную единицу израсходованного топлива. Газовые турбины обладают хорошими экологическими параметрами (эмиссия Nox на уровне 25 ppm).

Работа турбины сопровождается высоким уровнем шума, поэтому  для их установки используются индустриального  типа здания, которые также обеспечивают влагозащищенность оборудования.

Мини-ТЭЦ на базе ГТУ обладают следующими достоинствами:

— высокая надежность: ресурс работы основных узлов составляет до 150 тыс. часов, а ресурс работы до капитального ремонта — 50 тыс. часов;

— экономичность  установки: удельный расход условного  топлива на отпуск 1 кВТ электроэнергии составляет 0,2 кг у. т., а на отпуск 1 Гкал тепла — 0,173 кг у.т.;

— короткий срок окупаемости и небольшие сроки  строительства — до 10–12 месяцев (при наличии необходимых согласований и разрешений);

— низкая стоимость  капитальных вложений — не более $600 за установленный киловатт в пределах площадки ГТУ ТЭС;

— возможность  автоматического и дистанционного управления работой ГТУ, автоматическое диагностирование режимов работы станции;

— возможность  ухода от строительства дорогостоящих  протяженных ЛЭП, что особенно важно в нынешних условиях.

 

Т а б л и ц а 1.1 - Сравнение силовых агрегатов

Наименование	Преимущества	Недостатки	ηэл	Сервис
1	2	3	4	5
ГТУ	Надежность. Отсутствие водяной системы охлаждения. Гибкость по отношению к выбору топлива. Низкая эмиссия вредных веществ. «Высокоэнергетический» выход тепловой энергии	Нижний порог  эффективного применения (от 5 МВт электроэнергии). Производительность ниже, чем у поршневых  двигателей. Высокий уровень шума. Требуется подготовка топлива (очистка, осушка, компрессия). Длительный период запуска (0.5 –2 часа). Сложный и дорогой капитальный ремонт	25÷35%	0,08 цент/кВт
ГПА	Высокая производительность. Относительно низкий уровень начальных  инвестиций. Широкий спектр моделей  по выходной мощности. Возможность автономной работы. Быстрый запуск. Гибкость по отношению к выбору топлива	Дорогое обслуживание (обслуживающий персонал, использование  смазочных масел и охлаждающих  жидкостей). Высокая эмиссия вредных  веществ. Высокий уровень (низкочастотного) шума. Низкая тепловая эффективность. Высокое соотношение вес/выходная мощность. Ресурс работы ниже, чем у турбин	25÷40%	1,4 цент/кВт

Как недостаток следует отметить необходимость  дополнительных расходов на сооружение газокомпрессорной дожимающей станции. ГТУ требуется газ с давлением 2,5 Мпа, а в городских сетях давление газа составляет 1,2 Мпа. В табл. 1.1 суммируются данные по двигателям, используемым в когенерационных и тригенерационных системах

 

 

1.3.2 Блок утилизации теплоты

 

Теплоутилизатор является основной компонентой любой тригенерационной системы. Принцип его работы основан на использовании энергии отходящих горячих газов двигателя электрогенератора (турбины или поршневого двигателя). При достигнутых к настоящему времени параметрах циклов ДВС в полезную работу превращается 38÷46% теплоты, полученной от сжигания топлива. Далее механическая энергия расходуется либо на производство электрической энергии, либо на привод ТНУ

 С охлаждающей  жидкостью от двигателя уходит 25÷30% теплоты. Меньшее значение относится к быстроходным двигателям, большее к машинам пониженной быстроходности.

 Системой  смазывания отбирается от двигателя  5÷8% теплоты. До 5% тепла отбирается в охладителе наддувочного воздуха (ОНВ). Несколько процентов тепла отдает двигатель в окружающую среду со своей поверхности.

 Самая ценная  часть вторичной теплоты (22÷27%) – та, которая отбирается от  отработавших газов, имеющих температуру  в интервале 400÷600°С. Она может  быть направлена на различные  нужды, в том числе на выработку  пара. Менее ценные с позиций возможности использования (эксергетическая ценность) тепловые потоки охлаждающей жидкости и масла с температурой 90÷95°С.

Простейшая  схема работы теплоутилизатора состоит  в следующем: отходящие газы проходят через теплообменник, где производится перенос тепловой энергии жидкостному теплоносителю (вода, гликоль). После этого охлажденные отходящие газы выбрасываются в атмосферу, при этом их химический и количественный состав не меняется

На рис. 1.3 показан принцип действия теплового модуля. Система утилизации тепла функционирует по общей схеме работы тригенерационной установки по выработке тепловой энергии: отбор и передача тепла потребителю от систем (контуров) двигателя установки с наибольшим температурным потенциалом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.3 - Схема работы теплового модуля тригенерационной установки

 

К таким контурам относятся: система охлаждения рубашки  двигателя и масла и система  газовыхлопа. Система рассчитана на стандартную отопительную нагрузку по графику 90ºС/70ºС. Теплоноситель, поступающий из обратной магистрали отопительного контура подогревается в теплообменнике системы охлаждения до 82ºС, далее пройдя три ступени подогрева в контуре газохода имеет выходную температуру 90ºС.

В когенерационных  установках имеющаяся в составе  двигателей система охлаждения топливо - воздушной смеси с низким температурным потенциалом (максимальная рабочая температура 32-47º) в схеме утилизации не используется в связи со сложностью с технической стороны и большими материальными затратами, однако, в тригенерационных установках использование этого потенциала дает выгодные преимущества, так как представляет собой источник тепла для теплонасосной установки.

- Контур охлаждения  рубашки двигателя и масла.

В штатной комплектации в состав контура входит следующее  основное оборудование обеспечивающее необходимый температурный режим двигателя на всех режимах работы установки, включая его разогрев: механический термостатический клапан (термостат), охладитель жидкости (радиатор) и циркуляционный насос. При использовании контура для выработки тепла в контур дополнительно включаются: водо-водяной теплообменник утилизации тепла охлаждающей жидкости двигателя, трехходовой клапан регулирования температуры охлаждающей жидкости, циркуляционный насос для компенсации гидравлических потерь    дополнительного контура. Все эти элементы объединяются трубопроводом в единый контур, который  присоединяется (врезается) к штатному контуру (рисунок 1.4).

 

Рис. 1.4 - Контур охлаждения двигателя

 

Контур охлаждения двигателя включает систему трубопроводов, запорную и регулирующую арматуру и теплообменник аварийного охлаждения (по центру, теплообменник «Альфа-Лаваль»)

- Контур  уходящих выхлопных газов двигателя

 При использовании тепла выхлопных газов двигателя установки в качестве основного источника для выработки тепловой энергии контур уходящих выхлопных газов претерпевает значительные изменения. Простой газоход с глушителем превращается в систему взаимосвязанных компактных газоходов с включением в их состав следующих элементов: жидкостного охладителя газов (котел-утилизатор), регулирующих газовых заслонок с электроприводами, компенсаторов тепловых расширений и байпасного газохода (рис.1.5).  

Водо-водяной теплообменник  контура охлаждения рубашки и  масла и котел-утилизатор контура  уходящих газов последовательно объединяются трубопроводами с запорной арматурой в единый циркуляционный контур нагрева сетевой воды потребителя. Взаимодействие всех дополнительных и штатных элементов контуров двигателя и водяного циркуляционного контура потребителя тепла осуществляется по заданному алгоритму с помощью системы автоматического управления, обеспечивающей температурные режимы работы двигателя в целом с учетом работы водяного циркуляционного контура потребителя через контрольный модуль.

 

 

 

Рис.1.5 - Контур уходящих выхлопных газов двигателя

 

Контур уходящих выхлопных газов двигателя : включает котел-утилизатор (по центру), газовые заслонки, байпас.

Составляющие  баланса	Caterpillar 3516 В	Perkius PG 1250	РУМО Г98М
1	2	3	4
Электрическая мощность, кВт	1030	1000	1000
Тепловая  мощность котла-утилизатора, кВт	700	660	760
Тепловая  мощность теплообменника-утилизатора, кВт	584	700	510
КПД преобразования теплоты, %	84	81	77

 Пример практически полученных результатов на мини-ТЭС приведен в таблице 1.2, где даны значения потоков электроэнергии и теплоты для установок близкой мощности на базе генераторов Caterpillar, Perkius и РУМО.

 

Т а б л и ц а 1.2 -  Потоки теплоты

 

В таблице приведены  данные по производству электроэнергии и теплоты при 100% нагрузке. На частичных режимах доли статей баланса энергии меняются. Но в целом, наличие теплоутилизирующего блока способствует стабилизации КПД преобразования теплоты на высоком уровне.

 

1.3.3 Тепловой насос

 

Третий блок, входящий в состав тригенерационной установки-теплонасосная установка. В зависимости от вида тригенерационной системы это также может быть абсорбционная холодильная машина. Установки, имеющие в своем составе АХМ, также являются эффективными и энергосберегающим решением. Поток теплоты, производимый  электрогенераторным блоком, находится в определенной пропорции к потоку выработанной электроэнергии. В то же время графики потребляемой электроэнергии и теплоты, как правило, не согласуются между собой. Таким образом, при эксплуатации может возникнуть ситуация, когда из-за колебаний потребляемой электроэнергии сетью, потребители теплоты могут недополучать теплоту или иметь ее избыток. Для согласования производства и потребления теплоты в состав системы должны быть включены элементы, обеспечивающие регулировку теплового потока и компенсацию недостатка или избытка выработанной теплоты.