Разработка автоматизированной системы экспериментальных исследований теплового двигателя

Поскольку главным  и независимым в установке  является блок генерации электроэнергии, блок утилизации теплоты должен «подстраиваться» под параметры теплоносителей, а  система автоматического управления путем воздействии на расходы теплоносителей должна обеспечивать требуемый передаваемый в сеть тепловой поток. Осуществление этих процедур производится управляемыми высокотемпературными газовыми заслонками и гидравлическими клапанами. Недостаток производства тепла может восполняться применением аккумулятора тепла, что делается в подавляющем большинстве случаев в зимний период эксплуатации когенерационных и тригенерационных установок. Но как быть в летнее время, когда пик потребления электроэнергии проходит, а нагрузка на кондиционирование остается прежней. Применение систем с абсорбционными чиллерами представляется возможным, но весьма сложным решением. Как показывает практика, АХМ вообще система довольно капризная, главное условие для ее нормальной работы является соблюдение температурных режимов греющего источника, что в данной ситуации сделать непросто. Проблема теплохладоснабжения в межсезонье с точки зрения эксплуатации тоже является не из легких. Применение тригенерационных систем с ТНУ позволяет решать такие проблемы.

Тепловые насосы – устройства (машины), воспринимающие низкопотенциальную теплоту для последующей передачи ее телу с более высокой температурой. Иначе говоря, это устройство, позволяющее передать теплоту от более холодного тела более нагретому за счет использования дополнительной энергии. Применение ТНУ- один из  важнейших путей утилизации теплоты вторичных энергетических ресурсов. Примером носителей такой теплоты может служить нагретый воздух, уходящий в атмосферу из систем вентиляции и кондиционирования, или теплые бытовые и промышленные сточные воды, имеющие температуру примерно 20-40⁰С. В тригенерационной установке источником тепла может быть вытяжной воздух системы вентиляции помещения, в котором расположен двигатель.

Тепловые насосы различают, прежде всего, по способу  преобразования теплоты. Типы тепловых насосов, совпадающие с типами холодильных  установок, так как реализуют  один и тот же термодинамический  цикл, подразделяют на парокомпрессионные, газокомпрессионные, сорбционные, пароэжекторные и термоэлектрические.

Наиболее распространенные в настоящее время являются парокомпрессионные тепловые насосы, использующие в качестве рабочего агента один из фреонов или  их смесь. Парокомпрессионные тепловые насосы (ПТН) по агрегатному состоянию возобновляемого низкотемпературного источника теплоты (НИТ) и нагреваемой среды за исключением вышеописанного случая подразделяются по типу используемого компрессорного оборудования – на спиральные, поршневые, винтовые и турбокомпрессорные. Принцип действия парокомпрессионного теплового насоса аналогичен принципу действия домашнего холодильника. В нем морозилка (испаритель) забирает тепло из охлаждаемых продуктов. Это тепло и выделяется в помещение из радиатора (конденсатора), который расположен на задней стенке снаружи холодильника. «Перекачиваемое» тепло несколько раз превосходит затраченную энергию. Точно так же как и ПТН забирает тепло из природного (вода, грунт, воздух) или постоянного техногенного источника низкопотенциальной теплоты, затрачивая некоторую энергию на свою работу, преобразует энергию низкого потенциала в тепловую  энергию среднего потенциала, пригодную для потребителя.

 

1.3.4 Модуль автоматического контроля и управления

 

Блоки утилизации, работающие в комплексе с современными быстроходными двигателями производят на номинальном режиме теплоту в количестве Q_т = (1,1÷1,2) Nэ, кВт, где Nэ – электрическая мощность генератора. При этом примерно 60% всего теплового потока дает котел-утилизатор и 40% - утилизационные теплообменники. Подогрев сетевой или технологической воды ведется двумя ступенями, где первой ступенью является подогреватель, а второй – котел.

 В подавляющем  большинстве при эксплуатации  когенерационных и тригенерационных установок придерживаются следующих основных принципов: регулирование тепловых потоков выполняется как в первой ступени (в подогревателе), так и во второй (в котле). Однако цели регулирования по ступеням различны.

 В «горячем»  контуре подогревателя первой  ступени регулирование, главным образом, ведется с целью получения теплового потока при условии обеспечения штатных температур в системах охлаждения и смазывания двигателя. Для обеспечения этой функции в «горячем» контуре устанавливается трехходовой терморегулирующий клапан, который по сигналу термодатчика (рис. 1.6) подает теплоноситель либо в утилизационный подогреватель, либо в систему штатного охладителя. Автоматика программируется так, чтобы не допускать как перегрева, так и переохлаждения теплоносителей в двигателе. При этом теплопроизводительность теплообменника утилизатора на всех режимах нагрузки, как правило, находится в определенной пропорции к мощности генератора.

Регулирование теплового потока установки с  целью обеспечения нагрузки тепловой сети выполняется котлом-утилизатором. Глубина регулирования при этом составляет около 60%, что, в большинстве случаев, удовлетворяет потребителей.

 

Рис. 1.6 - Устройство защиты двигателя от перегрева

 

Датчики аварийной ситуации дают команду на подачу теплоносителя в систему аварийного охлаждения, если температура охлаждающей жидкости поднимется выше допустимых пределов. Такая ситуация возникает при отсутствии тепловой нагрузки потребителя. Опция позволяет защитить установку от аварийных ситуаций без участия оператора, что повышает надежность системы. Регулирование производится перепуском горячих отработавших газов двигателя либо в котел, либо в байпасную линию газохода. Управление заслонками выполняется посредством электроприводного механизма по сигналу системы управления, запрограммированной в соответствии с требованиями сети.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Разработка автоматизированной системы ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

 

2.1 Описание технологической схемы тригенерационной установки

 

В работе рассматривается  тригенерационная система – экспериментальный лабораторный стенд, где вырабатывается три вида энергии:  электричество, тепло и холод. В качестве первичного источника энергии взято дизельное топливо. Суть  заключается в том, что помимо теплового модуля тригенерационной установки, тепло и холод вырабатываются тепловыми насосами, имеющими прямой привод от силового агрегата – система сложной когенерации.

Результаты  экспериментальных данных могут  быть заложены в основу проектирования таких систем энергоснабжения, где комбинированная выработка тепловой, электрической энергии и холода устанавливается  расчетным образом от потребности в энергоносителе в том или ином  технологическом процессе. Это является выгодным с точки зрения эксплуатации тригенерационной установки, так как дает возможность использования тепла и холода, вне зависимости от сезона года (наиболее перспективно в период межсезонья), и этим продлить время работы в течение всего года.

Лабораторный  стенд позволяет проводить эксперименты, осуществлять сбор необходимой информации для расчета реального показателя эффективности системы при её работе в различных режимах, составлять энергетический баланс и проводить мониторинг протекающих процессов.

На рисунках 2.1 и 2.2 представлены изображение экспериментальной тригенерационной установки и технологическая схема экспериментальной тригенерационной установки соответственно. В состав тригенерационной установки входит следующее оборудование: бак-аккумулятор, воздушный радиатор, двигатель внутреннего сгорания, циркуляционный насос, теплообменник, электрогенератор, фильтр-осушитель, влагоотделитель.

 

Рис. 2.1 - Лабораторный стенд тригенерационной установки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                  Рис. 2.2 - Схема тригенерационной установки

Схема тригенерационной установки  включает:

1 – бак-аккумулятор;

2 – воздушный радиатор;

3 – двигатель внутреннего  сгорания;

4 – циркуляционный насос;

5 – теплообменник;

6 – электрогенератор;

7 – фильтр-осушитель;

8 – влагоотделитель.

 

Лабораторный стенд включает:

1. Бойлеры BS-300SF cо спиралью SC-250;

2. Дизель-генераторная  установка  FG Wilson K8-1 (N_Э=6,5кВт);

3. 2 тепловых насоса, расположенных оппозитно на базе компрессоров ТМ31;

4. Рекуператор тепла выхлопных газов;

5. Циркуляционные насосы;

 

Повышение эффективности  работы устройства обусловлено тем, что кроме  электрической энергии, производимой электрогенератором, дополнительно вырабатываются следующие виды энергии: тепловая энергия в контурах – I (до 90⁰С) и холод (или тепло до 60⁰С) – в контуре II .

В контуре I теплота отбирается от систем охлаждения двигателя и выпуска отработавших газов. Происходит ступенчатый подогрев сетевой воды, теплоноситель, проходя последовательно систему охлаждения двигателя 1, рекуператор тепла отходящих газов 3, а затем встроенный теплообменник бойлера 2, подогревается до расчетной температуры.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                             Рис. 2.3 - Контур I

Контур I включает в себя  1 – двигатель, 2 – бак-аккумулятор, 3 – теплообменник выхлопные газы - вода, 4,8 – трехходовой клапан, 5 – система аварийного охлаждения, 6 – электрогенератор, 7 – циркуляционный насос.

 

 

Охлаждение выхлопных  газов происходит в две ступени. После рекуператора 3 газы с температурой 250˚С подаются в  теплообменник

бойлера 2, где  охлаждаются до 130÷150˚С. Регулирование  теплового потока выполняется в первой ступени подогрева. Главным образом, оно ведется с целью обеспечения условия штатных температур в системах охлаждения и смазывания двигателя. Для выполнения этой функции в контуре охлаждения установлен трехходовой терморегулирующий клапан, который по сигналу термодатчика включает электронагревательную вставку, расположенную в бойлере 2, либо подает теплоноситель в систему штатного охладителя. Автоматика программируется так, чтобы не допускать как перегрева, так и переохлаждения теплоносителей в двигателе. В момент запуска системы трехходовой клапан 4 открывается так, что теплоноситель циркулирует через систему охлаждения двигателя 1 и рекуператор 5, минуя бойлер 2. Когда температура повышается до 90˚С, трехходовой клапан 4 открывается в направлении бойлера 2, имитирующего тепловую нагрузку. Когда температура воды в бойлере 2 также достигает 90˚С, с целью обеспечения штатных температур двигателя 1, трехходовой клапан направляет теплоноситель через систему аварийного охлаждения 5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.4 - Контур II

 

Контур II включает в себя: 1 – двигатель, 2 – компрессор, 3 – бак-аккумулятор, 4 – дополнительный тепловой насос (эл.), 5 – реверсивный клапан, 6 – циркуляционный насос, 7 – теплообменники контура тепловых насосов.

В контуре II вырабатывается холод и (или) тепловая энергия с температурой не более 60˚С. Компрессоры тепловых насосов 2, имеют механический привод и подключены к двигателю посредством ременной передачи, работая на нагрев бойлера 3 по линии I и вырабатывают холод по линии II. В бойлере 3 для имитации низкопотенциального источника с помощью электронагревательной вставки и дополнительного теплового насоса 4 поддерживается заданная температура в интервале 2÷20°С. Изменение температуры подающей линии тепловых насосов осуществляется с помощью терморегулирующего вентиля (ТРВ). Очевидно, что при их изменении КОП тепловых насосов будет также меняться, причем, чем меньше разница этих температур, тем выше будет КОП.  Тепловые насосы имеют реверсивные клапаны 5, что позволит проводить опыты в режимах нагревания и охлаждения.

 

 

2.2 Разработка двухуровневой автоматизированной системы экспериментальных исследований

 

2.2.1 Общая  характеристика систем управления

 

Система управления – это совокупность управляемого объекта или процесса и устройства управления, к которому относится  комплекс средств приема, сбора и  передачи информации и формирования управляющих сигналов и команд. При  этом действие системы управления направлено на улучшение и поддержание работы процесса или объекта. В некоторых случаях без АСУ вообще невозможно решение задачи в силу сложности процесса управления. Управляемый объект - это элемент системы, который для нормального функционирования нуждается в систематическом контроле и регулировании. Управляющий объект - элемент системы, который обеспечивает слежение за деятельностью управляемого объекта, выявляет возможные отклонения от заданной программы и обеспечивает своевременное приведение его к нормальному функционированию.

Все системы  управления, с точки зрения логики их функционирования, решают три задачи:

1. Сбор информации об управляемом объекте;

2. Обработка информации;

3. Выдача управляющих воздействий в той или иной форме.

В зависимости  от вида системы, управление представляет собой воздействия на физическом или информационном уровне, направленные на поддержание или улучшение функционирования  управляемого объекта в соответствии с имеющейся программой или целью управления.