Аннотация
Рассмотрены особенности теплового режима ДВС (двигателя внутреннего сгорания) и конструктивные схемы теплоутилизационного блока мини-ТЭЦ. Разработана принципиальная схема системы тепловой автоматики теплоутилизационного блока, обеспечивающей штатные температуры теплоносителей (охлаждающей двигатель жидкости и масла, продуктов сгорания, сетевой воды) при изменении электрической и тепловой нагрузок потребителя. Представлены результаты стендовых испытания теплоутилизационного блока тепловой мощностью 450 кВт газопоршневой мини-ТЭЦ на базе двигателя ЯМЗ-8401.
1. Введение
По прогнозам Института энергетических исследований РАН в ближайшие годы значительную часть в балансе вводимых мощностей будут составлять малые энергетические установки [1]. Многие десятилетия основой электроснабжения северных и восточных территорий России являются дизельные электростанции. В частности, в Якутии в эксплуатации находятся более 700 дизель-генераторов общей установленной мощностью 310 МВт [2]. Дизель-генераторы обеспечивают электроэнергией армию и подразделения МЧС, используются в качестве резервных и аварийных источников энергии. Установки работают в основном на привозном топливе и в ряде регионов страны себестоимость электроэнергии, производимой дизельными электростанциями, более чем на порядок превышает тарифы в районах, находящихся в зонах централизованного энергоснабжения.
В последнее десятилетие в малую энергетику активно внедряются энергоустановки, использующие в качестве первичного источника энергии газопоршневые двигатели. Подобные машины могут работать не только на природном газе, но и на попутных нефтяных газах, газообразных продуктах термохимической и биохимической переработки органических отходов [3, 4]. Газопоршневые энергоустановки отличаются высокой экономичностью, хорошей приемистостью и сравнительно высокими экологическими характеристиками [5]. Анализ российского рынка газопоршневых электростанций показывает, что наиболее востребованы
небытовым потребителем (небольшие предприятия, торговые, спортивные и развлекательные комплексы, нефте- и газодобывающие компании) установки электрической мощностью 100-500 кВт.
Рост стоимости топлива ставит задачу его наиболее эффективного использования. Температурный уровень охлаждающей блок цилиндров двигателя жидкости, масляной системы и отходящих газов дизельных и газопоршневых установок позволяет использовать их тепловой потенциал для целей теплоснабжения, горячего водоснабжения, производства технологического пара. Теоретически все тепло, за исключением радиационных и конвективных потерь тепла собственно от двигателя, может быть полезно использовано, обеспечивая тем самым высокую эффективность использования топлива. У лучших когенерационных установок (мини-ТЭЦ) эффективность использования топлива (отношение полезной тепловой и электрической энергии к энергии, запасенной в топливе, без учета скрытой теплоты испарения воды, содержащейся в продуктах реакции горения топлива) может достигать 90 % [6]. Еще более экономичными являются установки с тригенерацией, производящие электроэнергию, тепло и холод. Принцип тригенерации позволяет максимально адаптировать энергоустановку к суточным и сезонным графикам нагрузок у потребителя.
Целью настоящей работы является создание принципиальных схем теплоутилизационного блока газопоршневой мини-ТЭЦ и системы тепловой автоматики, обеспечивающей допустимые температуры теплоносителей: жидкости, охлаждающей блок цилиндров двигателя, масла, продуктов сгорания и сетевой воды при суточных и сезонных колебаниях электрической и тепловой нагрузок потребителя.
2. Баланс мощности, предельные коэффициенты использования топлива
Механический КПД газопоршневого двигателя (ГПД) в рассматриваемом диапазоне мощности составляет 30-38 % при номинальной нагрузке. Особенностью ГПД является незначительное снижение эффективности вплоть до нагрузок, составляющих 0,3 - 0,5 от номинальной. Так, например, КПД агрегата на базе конвертированного для работы на природном газе дизельного двигателя Ярославского моторного завода ЯМЗ 8401 (12-цилиндровый двухрядный двигатель) при номинальной электрической нагрузке 320 кВт составляет 34 %, а при уменьшении нагрузки вдвое КПД снижается до 29 %.
Основные источники тепла установки (рис. 1): тепло охлаждающей блок цилиндров жидкости (воды, гликоля) - Q ож, тепло масляной системы двигателя - Qm , тепло охладителя надувочного воздуха (для двигателя с турбонаддувом) - Qhb , тепло газообразных продуктов сгорания - Qnc . Радиационные и конвективные потери тепла в окружающую среду от агрегата - QpK составляют 5-6 % от располагаемой мощности.
|
