Экономия топлива при генерации электроэнергии дизель-генераторной установкой с переменной частотой вращения дизеля

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 621. 311
В.В. Завалишин
ЭКОНОМИЯ ТОПЛИВА ПРИ ГЕНЕРАЦИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРНОЙ УСТАНОВКОЙ С ПЕРЕМЕННОЙ ЧАСТОТОЙ ВРАЩЕНИЯ ДИЗЕЛЯ
Рассмотрен метод повышения топливной экономичности дизель-генераторной установки.
Дизель-генераторная установка, удельный расход топлива, частота вращения дизеля, преобразователь частоты, система управления впрыском топлива.
V.V. Zavalishin
FUEL ECONOMY IN THE PROCESS OF ELECTRICITY GENERATING BY DIESEL-GENERATOR SET WITH VARIABLE FREQUENCY OF DIESEL ENGINE ROTATION
The method to increase fuel economy of diesel-generator set is considered in the article.
Diesel-generator set, specific fuel consumption, frequency of diesel engine rotation, frequency converter, electronic fuel injection.
В настоящее время в качестве источника электроэнергии потребителей, отдаленных от сетей централизованного электроснабжения, наибольшее распространение получили установки, содержащие двигатели внутреннего сгорания. К ним относятся: газотурбинные электрогенераторные (ГТУ) и дизель-генераторные (ДГУ) установки. В последние годы ГТУ нашли применение в качестве резервных и основных источников электроэнергии. Прежде всего, это связано с малым удельным весом, компактностью, простотой транспортировки и легкостью монтажа, высокими экологическими показателями.
Электрогенерирующие установки с дизельным двигателем занимают значительное место в электрификации народного хозяйства страны. Широкое использование ДГУ связано с высокой готовностью к работе, быстротой запуска, простотой обслуживания, комплектностью и высокой степенью автоматизации. Эффективный КПД дизеля составляет 25−42%, ресурс до первого капитального ремонта составляет 10−20 тысяч часов, удельная масса — 10−50 кг/кВт, а частота вращения в основном 1500 или 1000 об/мин. Они распространены в различных отраслях легкой и местной промышленности, коммунальном и сельском хозяйствах.
К недостаткам дизеля можно отнести:
— наличие большого количества трущихся и вращающихся деталей, усложняющих конструкцию и ограничивающих возможность повышения частоты вращения-
— сравнительно высокую стоимость и большой расход топлива, составляющий 200 300 г/(кВт-ч) —
— малый (не более 500 ч) межрегламентный ресурс работы-
— наличие токсичных выбросов отработанных газов и высокий уровень шума (8590 дБ).
К вновь разрабатываемым автономным электростанциям предъявляются следующие требования, основными из которых являются: повышение экономичности и увеличение ресурса работы, снижение массы и габаритов при одновременном увеличении установленной мощности- увеличение КПД и повышение надежности- повышение стабильности и точности поддержания параметров электроэнергии- обеспечение простоты и безопасности эксплуатации.
Одним из основных показателей эффективной работы дизель-генераторной автономной электростанции является удельный расход топлива на выработку одного кВт-ч электрической энергии. Минимальный расход топлива дизельных электростанций (ДЭС) обеспечивается только при номинальной нагрузке.
Автономные электростанции, питающие распределенную нагрузку, как правило, работают при умеренных и низких коэффициентах использования установленной мощности, то есть при недостаточной загрузке оборудования и резкопеременных сезонных и суточных графиках энергопотребления, типичных для нашей страны и обострившихся из-за резкого падения промышленного производства.
Переменные режимы работы автономной электростанции определяются следующими внешними по отношению к дизелю причинами.
— во-первых, необходимостью изменять мощность, вырабатываемую автономной электростанцией, если изменилась потребляемая мощность-
— во-вторых, изменением атмосферных условий: давления и особенно температуры атмосферного воздуха, поступающего в дизель.
Для дизеля, как и для любого первичного двигателя, основной задачей является обеспечение необходимой мощности (заданной потребителем), при этом должно быть обеспечено поддержание постоянной частоты вращения электрического генератора для получения стабильной частоты (50 Гц) генерируемого напряжения.
Это требование должно быть выполнено при произвольных атмосферных условиях и параметрах нагрузки.
Наличие переменного графика нагрузки не позволяет эксплуатировать дизель-генераторы в экономически выгодном режиме с минимальным удельным расходом топлива.
Необходимо отметить, что одновременно с существенным увеличением удельного расхода топлива при малых загрузках ухудшаются условия эксплуатации первичного двигателя, и сокращается его моторесурс, поэтому для каждого типа первичного двигателя устанавливается величина минимально допустимой нагрузки.
Несмотря на незначительную мощность этих установок генерируемое ими напряжение должно строго укладываться в установленные Правилами пределы, так как в данном случае ДЭС используется как основной источник электроснабжения.
Рассмотрим, как можно удовлетворить сформулированным условиям на примере дизельной автономной электростанции.
Повышение топливной экономичности ДГУ в настоящее время может достигаться несколькими способами:
1. Первый способ заключается в наличии нескольких ДГУ различной мощности.
Так как средняя нагрузка автономной электростанции всегда меньше, чем номинальная мощность генераторов, то значительную часть времени электроагрегаты работают в режиме с увеличенным расходом топлива.
Потребление топлива можно уменьшить, если количество и мощности одновременно работающих электроагрегатов оперативно приводить в соответствие с нагрузкой. Другими словами, должна решаться задача минимизации функционала
m
ф = Е Pk, —о ' (1)
k=1
где Рк.н.н — номинальная мощностьго электроагрегата- Р50 — мощность электроприемников стандартной частоты 50 Гц.
Для выполнения поставленной задачи необходимо, чтобы в составе автономной СЭС были электроагрегаты различной единичной мощности, а изменение набора работающих агрегатов происходило за минимальное время [1].
2. Второй способ снижения эксплуатационного расхода топлива ДГУ заключается в том, что при работе дизель-генератора с малой нагрузкой или в режиме холостого хода часть цилиндров дизельного двигателя отключают.
3. Третий способ заключается в том, что при изменении графика нагрузки изменяют скорость вращения первичного двигателя таким образом, чтобы скоростной режим работы двигателя попал в область оптимальных значений минимального расхода топлива при данной величине нагрузки.
На рис. 1 приведена схема классической электрической части
ДГУ.
Схема содержит две системы автоматического управления: частотой вращения дизеля и напряжением генератора. Однако у представленной схемы есть два принципиальных недостатка. Во-первых, дизель должен работать при строго постоянной частоте вращения, требуемой для стабилизации частоты выходного напряжения, что вынуждает
отказываться от оптимизации режимов его работы, обеспечивающих уменьшение расхода топлива и увеличение срока его службы. Во-вторых, при резких изменениях электрической нагрузки происходит значительное изменение напряжения генератора по величине и частоте, которое не может быть быстро отработано системами автоматического управления генератора и дизеля.
Для устранения отмеченных недостатков, присущих классической схеме построения ДГУ, необходимо схему дополнить устройством, имеющим собственные каналы регулировки частоты и напряжения, и создать автоматическую систему оптимизации частоты вращения дизеля по минимуму расхода топлива. Устройством, имеющим собственные каналы регулировки частоты и напряжения с лучшими динамическими характеристиками, являются полупроводниковые преобразователи частоты.
Поясним это на следующем примере.
Рис. 1. Классическая схема дизель-генераторной установки
Рис. 2. Структурная схема электронного управления подачей топлива
Задачу создания
автоматической системы
управления частотой вращения дизеля по минимуму расхода топлива во всех режимах работы возможно решить на основе модернизации
существующих микропроцессорных систем управления работой дизеля.
Стандартная структурная схема управления подачей топлива с применением микропроцессорного блока представлена на рис. 2.
К электронным системам управления впрыском топлива программного типа относятся системы, осуществляющие управление электромагнитными форсунками по заранее заданному закону управления или программе. Необходимым элементом таких систем является постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), где хранится информация о необходимом количестве впрыскиваемого топлива в виде кодовых комбинаций, представленных в двоичной системе исчисления (программа включения-выключения форсунок в зависимости от режимов работы двигателя).
Микропроцессорный блок управления двигателем (МПБУД) включает в себя микропроцессор, постоянное запоминающее устройство, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), совокупность датчиков и органы управления. Для эффективного управления системой определяются характеристики режимов работы двигателя, которые изменяются с изменением мощности электропотребления. МПБУД отслеживает данные о состоянии дизеля, рассчитывает необходимую потребность топлива и определяет длительность импульсов для подачи топлива форсунками.
Для сбора информации о работе дизельного двигателя предусмотрены три типа датчиков. К первому типу относятся: датчик частоты вращения вала дизеля, датчик мощности нагрузки и датчик положения рейки топливного насоса высокого давления (ТНВД). Ко второму типу относятся датчики, осуществляющие коррекцию подачи топлива в зависимости от условий работы дизельного двигателя. Они определяют температуру топлива в топливном баке, температуру всасываемого воздуха ТНВД, атмосферное давление. К третьему типу относятся блок датчиков предупреждения аварийных режимов дизеля (БАД): датчики температуры и давления масла дизельного двигателя, датчик температуры охлаждающей жидкости дизельного двигателя.
На рис. 3 представлена схема ДГУ с микропроцессорной системой управления впрыском топлива.
Рис. 3. Структурная схема ДГУ с микропроцессорной системой управления впрыском топлива
Дизель-генераторная установка работает следующим образом. При изменении нагрузки электропотребления происходит изменение частоты вращения вала дизельного двигателя и, как следствие, напряжения на выходе генератора. Установленный за генератором преобразователь частоты стабилизирует параметры сгенерированной электроэнергии.
Зафиксированные сигналы с датчика мощности (ДМ), датчика частоты вращения вала дизельного двигателя и генератора (ДЧВ), датчика положения рейки топливного насоса высокого давления (ДП), датчика температуры масла дизельного двигателя (ДТМ), датчика давления масла дизельного двигателя (ДДМ), датчика температуры охлаждающей жидкости дизельного двигателя (ДТО), датчика температуры топлива в топливном баке (ДТТ), датчика температуры всасываемого воздуха в топливный насос высокого давления (ДТВ) и датчика атмосферного давления (ДАД) поступают в аналого-цифровой преобразователь, который переводит их в цифровую форму и передает на микропроцессор (МП). По данным с блока датчиков коррекции (БДК) осуществляется корректировка необходимого количества впрыскиваемого топлива и воздуха в дизельный двигатель. По сигналам с датчика мощности, датчика частоты вращения вала дизельного двигателя и генератора, датчика положения рейки топливного насоса высокого давления вычисляется необходимое воздействие на шаговый двигатель топливного насоса высокого давления (ШД).
Постоянное запоминающее устройство хранит информацию значений о выходной мощности установки, частоте вращения вала дизельного двигателя, положении рейки топливного насоса высокого давления, температуре топлива в топливном баке, температуре всасываемого воздуха, атмосферном давлении, температуре и давлении масла в дизельном двигателе, температуре охлаждающей жидкости в дизельном двигателе, количестве и длительности впрыска топлива в дизельный двигатель, а также программное обеспечение, которое осуществляет опрос всех датчиков, обработку полученных данных и формирование управляющего воздействия.
Микропроцессор осуществляет сравнение данных, поступающих с аналогоцифрового преобразователя, с данными, хранящимися в постоянном запоминающем устройстве, производит расчет и выбор режима работы дизельного двигателя в соответствии с минимальным расходом топлива в зависимости от изменяемой нагрузки.
Определение удельного расхода топлива при разной величине нагрузки и частоты вращения выходного вала дизеля (в качестве примера выбран дизель 8ЧН 13/14 (ЯМЗ-238Н)) производится на основе комбинированных характеристик дизельного двигателя, представленных на рис. 4.
Рис. 4. Комбинированная характеристика дизеля 8ЧН 13/14 (ЯМЗ-238Н)
При выработке электроэнергии на существующих традиционных схемах построения ДГУ (рис. 1) поддерживается строго постоянная частота вращения вала генератора, что является необходимым условием для получения стандартной частоты генерируемого напряжения. Прямой линией АВ отмечены режимы работы дизель-генераторной электростанции при постоянной частоте вращения ротора генератора. Из графика видно, что удельный расход топлива при изменении нагрузки от 15 до 200 кВт сопровождается изменением удельного расхода топлива от 450 до 238 г/кВт-ч. Минимум расхода топлива приходится на мощность 140 кВт (точка В) и составляет при этом 216,2 г/кВт-ч.
Штрихпунктирная линия ОА1В1 соответствует наиболее экономичным режимам работы дизеля с точки зрения расхода топлива при изменяющейся нагрузке. Графики показывают, что с изменением нагрузки необходимо изменять и частоту вращения вала дизеля.
На рис. 5 в ортогональной системе координат построен график
экономической характеристики частоты вращения дизеля при изменении нагрузки на его валу, соответствующей минимальному удельному расходу топлива
График (рис. 5) состоит из двух участков. Первый участок — это участок, в пределах которого частота вращения вала дизеля остается постоянной и равной 1000 об/мин. Нагрузка при этом может меняться от 15 до 75 кВт. По условиям работы дизеля мы не имеем возможности регулировать обороты дизеля на этом участке. Второй
п, об/мин
Рис. 5. График частоты вращения дизеля 8 ЧН 13/14 (ЯМЗ-238Н), соответствующий минимальному удельному расходу топлива при изменении нагрузки на его валу
участок — это участок регулировки оборотов дизеля в зависимости от величины нагрузки. Частота вращения здесь меняется от 1000 до 2000 об/мин, мощность при этом изменяется в пределах от 75 до 200 кВт. Удельный расход топлива на этом участке составляет 214−230 г/кВт ч.
Аналитическое выражение для графика частоты вращения дизеля 8 ЧН 13/14 (ЯМЗ-238Н), соответствующей минимальному удельному расходу топлива при изменении нагрузки на его валу, можно записать в виде следующей системы:
у, 15 & lt- Ые & lt- 75
* ^ «, (2)
n. =& lt-
& lt-5emm
h-(k-Ne + x), 75 & lt- Ne & lt- 200'
где ng. — частота вращения дизельного двигателя при минимальном удельном расходе
топлива, об/мин- у = 1000, h = 998,35, к = 1/30, х = -1,5, Q = 0,3363 — постоянные коэффициенты.
Изменение частоты вращения приводит к необходимости регулировки подачи топлива дизеля. График минимального удельного расхода топлива для поддержания скорости ng дизеля 8ЧН 13/14 (ЯМЗ-238Н) при изменении нагрузки представлен на
рис. 6.
Аналитическое выражение количества минимального удельного расхода топлива, необходимое для поддержания скорости ng для дизельного двигателя 8ЧН 13/14
(ЯМЗ-238Н) имеет вид:
g. = а-(к-N, + b)6 + с (к-Ne + b)5 + d-(к-N, + b)4 +
+ e -(к-N. + b)3 + f -(к-N. + b)2 + m -(к-N. + b)+ p, где gemin — наименьший удельный расход топлива, г/кВт- ч- Ne — мощность
вырабатываемая дизельным двигателем, кВт- а = 0,0383, b = 0,5, с = -1,2144, d = 15,601 d = -103,51, f = 373,54, к = 1/30, m = -694,76, p = 734,29 — постоянные коэффициенты.
де, г/кВт-ч
(3)
N1., кВт
Рис. 6. График минимального удельного расхода топлива дизеля 8ЧН 13/14 (ЯМЗ-238Н)
По выбранному значению минимального удельного расхода топлива дизель-генераторной установки geтт микропроцессор подает сигналы на шаговый двигатель
топливного насоса высокого давления, который перемещает рейку топливного насоса высокого давления (Р), тем самым изменяет подачу топлива в дизельный двигатель.
На рис. 7 представлен суточный график нагрузки АЭ.
Р, кВт 250 —
210 —
175 ¦
140 —
105" —
70 ¦ _
0 И И И И М I М II II I I I II I I I
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 1ч
Рис. 7. График суточной нагрузки
Используя суточный график нагрузки и комбинированную характеристику дизеля, можно рассчитать расход топлива за сутки.
По суточному графику нагрузки (рис. 7) определяем мощность, необходимую потребителю в каждый период времени. Затем эту мощность находим на
комбинированной характеристике дизеля (рис. 4) при скорости вращения 1500 об/мин (прямая АВ). На их пересечении будет расположена точка с удельным расходом топлива. Например, при мощности нагрузки 75 кВт удельный расход топлива равен 235 г/кВт • ч (точка А). Умножая величину удельного расхода топлива на время действия нагрузки, находим расход топлива за этот промежуток времени. Аналогично определяем расход топлива для всех других периодов времени и нагрузки. Суммируя расходы топлива за все периоды времени, получаем суточный расход топлива при постоянной скорости вращения генератора. Результат расхода топлива представлен на рис. 8.
При изменении скоростного режима работы дизеля в зависимости от величины нагрузки, выбор скорости вращения будет осуществляться исходя из экономически оптимального режима работы. Например, при мощности нагрузки 75 кВт необходимо уменьшить частоту вращения вала дизеля до 1000 об/мин. При этом удельный расход топлива составит 214 г/кВт- ч (точка А1). Аналогично определяются удельный расход и скоростной режим работы дизеля при других нагрузках. Результат расхода топлива за сутки при переменной частоте работы дизеля представлен на рис. 8.
-е-
аз
о.
2 50
і 40 х
у
¦
Г
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 1,4
Рис. 8. График часового расхода топлива дизель-генератора: а--------при вращении вала
---- генератора
со скоростью 1500 об/мин- б — при вращении вала генератора с переменной скоростью
Расчет в такой системе топливной составляющей в себестоимости выработанной электроэнергии производится по формуле:
где Сэл. эн — себестоимость выработанной электроэнергии, руб/кВт-ч- ЦТ — цена топлива, руб/г- GТ1, GТ2, …, 0Т24 — расход топлива на каждой ступени суточного графика нагрузки, г/кВт-
Р, Р2, ., Р24 — потребляемая мощность, кВт- 1, ?2, ., ?24 — временной промежуток каждой ступени суточного графика нагрузки, ч.
Теоретический расчет показал, что для дизеля 8ЧН 13/14 (ЯМЗ-238Н) при суточном графике нагрузки (рис. 7) и постоянной скорости вращения генератора 1500 об/мин, себестоимость выработанной энергии за сутки, вычисленная по формуле (4), составляет 5,06 руб/кВт-ч, а при регулируемом скоростном режиме составит 4,7 руб/кВт-ч. Таким образом экономия на выработку каждого кВт-ч составляет 0,36 рубля. Израсходованное топливо при 1500 об/мин составило 834,36 литра, а при изменении частоты вращения дизеля составит 798,05 литра, общая экономия топлива за сутки составит 36,31 литра. На рис. 8 области экономии топлива указаны в виде заштрихованных областей. При расчете были приняты допущения: плотность
дизельного топлива составляет 860 г/см3, цена 1 литра дизельного топлива 21 руб/л.
Достоинство данного способа заключается в том, что освобождение дизеля от работы с постоянной частотой вращения позволит улучшить технические и эксплуатационные характеристики дизеля, даст возможность сократить расход топлива и увеличить время работы при малых нагрузках, значительно улучшить экологические характеристики электрогенерирующего оборудования за счет меньшего количества выбрасываемого углекислого газа и снижения теплового загрязнения окружающей среды, сгенерировать электроэнергию, удовлетворяющую ГОСТ 13 109–97.
С,
(4)
ЛИТЕРАТУРА
1. Артюхов И. И. Повышение эффективности систем автономного электроснабжения на объектах нефтегазовой промышленности / И. И. Артюхов, А. В. Коротков // Проблемы электроэнергетики: межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 2006.
С. 4−16.
2. Левин В. М. Управление электропотреблением энергетической системы: учеб. пособие / В. М. Левин, Б. Н. Мошкин. Новосибирск: НГТУ, 2000. 88 с.
3. Герасимов А. Дизель-генераторные электростанции: работа при переменной частоте вращения дизеля / А. Герасимов, В. Толмачев, К. Уткин // Новости электротехники. 2005. № 5. С. 8−15.
Завалишин Вячеслав Владимирович — Zavalishin Vyacheslav Vladimirovich-
аспирант кафедры «Электроснабжение Postgraduate Student
промышленных предприятий» of the Department of «Electrical Supply
Саратовского государственного of Industrial Enterprises»
технического университета of Saratov State Technical University
Статья поступила в редакцию 21. 04. 10, принята к опубликованию 30. 06. 10

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой