| 4. Принципиальная схема теплообменного блока мини-ТЭЦ
В состав теплоутилизационного блока входят теплообменники контуров охлаждения блока цилиндров и масляной системы двигателя. В случае, когда в соответствии с конструкцией двигателя тепло масляной системы передается охлаждающей жидкости внутри двигателя (двигатель ЯМЗ 8401), теплосъем обеспечивает один теплообменник. Как правило, это современные эффективные пластинчатые теплообменники. Тепловой потенциал продуктов сгорания утилизируется в высокотемпературном газо-водяном кожухо-трубном теплообменнике. В двигателе с турбонаддувом в контуре охлаждения надувочного воздуха (иногда его называют низкотемпературным контуром) используется либо пластинчатый теплообменник (при целесообразности использования тепла с низким температурным потенциалом), либо стандартный радиатор. При низкой тепловой нагрузке или при ее отсутствии для охлаждения двигателя используется штатный радиатор двигателя. В стандартных схемах подключения к тепловым сетям внутренний контур теплоутилизационного блока связан с внешним контуром отопления через промежуточный пластинчатый теплообменник и циркуляцию охлаждающей жидкости (воды, гликоля) обеспечивает циркуляционный насос мини-ТЭЦ.
Для обеспечения необходимого температурного режима двигателя и поддержания заданной температуре в контуре теплоснабжения теплообменники теплоутилизационного блока снабжены байпасными линиями и соответствующими регуляторами.
Принципиальная схема включения теплообменников мини-ТЭЦ представлена на рис. 3.
Теплоносители теплоутилизационного блока мини-ТЭЦ циркулируют по четырем контурам: контур охлаждающей двигатель жидкости, контур продуктов сгорания, контур охлаждения надувочного воздуха и внутренний контур теплоносителя мини-ТЭЦ.
Охлаждающая жидкость от блока цилиндров и масляной системы помпой двигателя направляется через байпас БПЗ в пластинчатый теплообменник ТО1. При превышении температуры жидкости выше допустимой для двигателя регулирующий клапан КЗ переключает часть потока (или весь поток) жидкости на радиатор Р1. Если температура охлаждающей жидкости опускается ниже заданной (низкая тепловая нагрузка у потребителя), регулирующий клапан К1 переключает часть потока жидкости внутреннего контура мини-ТЭЦ на байпасную линию БШ.
После теплообменника ТО1 вода (гликоль) внутреннего контура поступает в кожухо-трубный теплообменник ТО2. Для поддержания температуры продуктов сгорания на выходе из ТО2 выше температуры «точки росы» теплообменник снабжен байпасной линией БП2 и регулирующим клапаном К2, переключающим поток теплоносителя внутреннего контура (или его часть) на байпасную линию. Для предотвращения вскипания теплоносителя во внутреннем контуре мини-ТЭЦ и для обеспечения работы установки в режиме выдачи только электроэнергии служит байпас продуктов сгорания БП4 и регулирующий высокотемпературный клапан К4.
Теплоноситель внутреннего контура мини-ТЭЦ передает тепло внешнему контуру теплоснабжения в пластинчатом теплообменнике ТОЗ. Байпасная линия теплообменника БП5 и регулирующий клапан К5 служат для обеспечения заданной температуры воды во внешнем контуре теплоснабжения.
Низкотемпературный контур охлаждения надувочного воздуха состоит из теплообменника ТО4, циркуляционного насоса Н2 и воздушного радиатора Р2. В ряде конструкций двигателей теплообменник ТО4 (интеркуллер) является штатным агрегатом двигателя. При необходимости использования низкопотенциального тепла этого контура вместо радиатора Р2 используется пластинчатый теплообменник. Топливо-воздушная смесь после сжатия в турбокомпрессоре двигателя охлаждается в теплообменнике ТО4 и подается в дроссельное устройство двигателя.
При сохранении общих принципов построения рассмотренная схема может адаптироваться к конкретным задачам потребителя: обеспечение теплом только системы ГВС, производство технологического пара и т.д.
5. Результаты стендовых испытаний теплоутилизационного блока мини-ТЭЦ на базе двигателя МЗ 8401
Представленная на рис. 3 схема реализована в теплоутилизационном блоке мини-ТЭЦ, созданной на базе дизельного двигателя Ярославского моторного завода ЯМЗ 8401, конвертированного для работы на природном газе. Номинальная электрическая мощность энергоблока 315 кВт. Стендовые испытания проводились на экспериментальном стенде ОИВТ РАН. Алгоритм и аппаратное оформление системы автоматического регулирования были отработаны в процессе испытаний газопоршневой мини-ТЭЦ на базе двигателя ЯМЗ 240 номинальной электрической мощностью 180 кВт [7].
В состав теплоутилизационного блока входит пластинчатый теплообменник NT 100 THV / CDL -10/20 компании «Машэкспорт» с теплопередающей поверхностью 4,5 м2, мощностью 275 кВт, кожухотрубный теплообменник конструкции ОИВТ РАН-Электро-ЛТ расчетной мощностью 250 кВт, штатный радиатор двигателя, циркуляционный насос внутреннего контура мини-ТЭЦ, радиатор и насос контура охлаждения надувочного воздуха. Система тепловой автоматики построена на базе стандартных промышленных контроллеров, датчиков с унифицированным выходным сигналом и регулирующих клапанов с электроприводами. В контуре продуктов сгорания установлены управляемые высокотемпературные шиберы конструкции Электро-ЛТ.
В процессе испытаний определялась эффективность теплообменников, КПД установки при работе на активную электрическую нагрузку ( cos ( p =0,98-0,99), коэффициент использования топлива. Коэффициент избытка воздуха составлял 1,14-1,2; температура воздуха на входе в компрессор - 14,6 °С; степень сжатия компрессора в номинальном режиме - 1,85. Результаты испытаний приведены на рис. 4, 5. Обозначения теплообменников - в соответствии со схемой рис. 3.
Зависимости активной мощности и тепловых нагрузок от расхода природного газа приведены на рис. 4.
Зависимость КПД установки от активной мощности представлена на рис. 5. Следует отметить, что даже при нагрузке, составляющей 50 % от номинальной, КПД составляет 29 %.
Эффективность мини-ТЭЦ принято характеризовать коэффициентом использования топлива к:
где W т— полезная тепловая нагрузка; W эл — электрическая нагрузка; QP Н — низшая теплота сгорания газа.
Испытания показали, что вплоть до нагрузки, составляющей 30 % от номинальной, коэффициент использования топлива практически не менялся и составлял порядка 80 %.
Рассмотрим составляющие теплового баланса теплоутилизационного блока.
При номинальной нагрузке степень сжатия газо-воздушной смеси в компрессорах составила 1,85 при температуре смеси на выходе из компрессора 92 °С. При снижении температуры до 40 °С после охлаждения смеси в интеркуллере тепловая мощность, рассеиваемая в радиаторе Р2 (рис. 3), составила 30 кВт. При этом уровень температуры охлаждающей воды не превысил 32 °С. Результаты измерений хорошо согласуются с расчетами в приближении адиабатного сжатия. Как уже отмечалось, полезно использовать тепло с таким низким температурным потенциалом затруднительно.
Температура продуктов сгорания на выходе из теплообменника ТО2 в номинальном режиме составила 180 С. Соответственно увеличение поверхности теплообмена кожухо-трубного теплообменника, снижение температуры уходящих газов до температуры «точки росы» и максимальное использование теплового потенциала продуктов сгорания позволит дополнительно получить 20 кВт тепла.
Баланс энергии мини-ТЭЦ при номинальной нагрузке, составленный по результатам испытаний, показан на рис. 6.
Коэффициент использования топлива в номинальном режиме составил 81 %. Доработка кожухо-трубного теплообменника позволит получить предельный для данной установки коэффициент использования топлива - 83 %.
6. Заключение
Совершенно очевидно, что как бы ни были высоки характеристики мини-ТЭЦ - КПД и эффективность теплоутилизационного блока, эффективность использования установки будет определяться согласованностью режимов работы мини-ТЭЦ с графиками изменения электрической и тепловой нагрузок потребителя. Идеальная ситуация, когда и электрическая, и тепловая нагрузки постоянны и их соотношение соответствует характеристикам мини-ТЭЦ, практически маловероятна. Каждая группа потребителей, каждый климатический пояс имеет свою специфику, определяемую суточными, недельными, сезонными графиками изменения нагрузок, и оптимальные варианты подключения мини-ТЭЦ к тепловой сети потребителя будут также различны. Это может быть схема с баком-аккумулятором с соответствующей системой его зарядки [8], схемы с использованием пиковых водогрейных котлов (наиболее распространенный вариант), схемы с адсорбционными холодильниками, обеспечивающие полезное использование тепловой энергии для целей кондиционирования в жаркий период года, схемы с водогрейными электрокотлами. В каждом случае для конкретных условий эксплуатации выбирается оптимальная схема подключения мини-ТЭЦ и соответствующие технические характеристики агрегата.
| 
