Содержание к диссертации
Введение
1. Проблемы и перспективы повышения топливной экономичности энергоустановок на базе поршневых двигателей 16
1.1. Проблема улучшения экономических характеристик энерго установок на базе поршневых ВС 16
1.1.1. Современное состояние автономных систем энергоснабжения на базе ДВС-электростанций 16
1.1.2. Перспективы развития когенерационных энергоустановок 20
1.1.3. Требования нормативно-технической документации к характеристикам топливной экономичности дизельных двигателей... 23
1.2. Методы повышения топливной экономичности дизельных двигателей 27
1.2.1. Общие направления повышения топливной экономичности 27
1.2.2. Совершенствование рабочего цикла двигателя 29
1.2.3. Оптимизация теплового баланса двигателя 33<
1.2.4. Снижение механических потерь 35
1.2.5. Оптимизация режимов нагружения двигателя 37
1.3. Постановка научной проблемы, цель и задачи исследования 40
1.3.1. Научная проблема исследования 40
1.3.2. Цель и задачи исследования 41
2. Математическое моделирование многофункциональных энерго технологических комплексов 43
2.1. Анализ особенностей математического моделирования многофункциональных энерготехнологических комплексов 43
2.1.1. Особенности функционирования многофункциональных энерготехнологических комплексов и дизелей в их составе 43
2.1.2. Система критериев энергетической эффективности многофункциональных энерготехнологических комплексов 53
2.1.3 Систематизация и классификация методов совершенствования энергоустановок 59-
2.1.4. Обзор и анализ существующих методов математического моделирования рабочего процесса поршневых двигателей внутреннего сгорания 60
2.2. Математическая модель МЭК с первичным дизелем . 65
2.2.1 Общие положения 65
2.2.2. Математическая модель рабочего процесса: 69
2.2.3 Математическая модель механической части энергоустановки... 75
2.2.4. Математическая модель систем и агрегатов многофункционального энерготехнологического комплекса (ИБП; генератора, СУТД) и нагрузки 77
2.3. Расчетно-теоретическая оценкамлияния скоростного режима первичного двигателя и других факторов на топливную экономичность энергоустановки 83
2.3.1. Методика расчетно-теоретическои оценки 83
2.3.2. Результаты расчетно-теоретическои оценки влияния частоты вращения на эффективный КПД первичного дизеля 84
2.3.3 Результаты расчетно-теоретическои оценки влияния частоты вращения коленчатого вала на тепловой баланс первичного дизеля и количество потенциально утилизируемого тепла 95
2.3.4. Оценка влияния частоты вращения первичного дизеля на КПД генератора и инвертора 105
2.4. Выводы и рекомендации по результатам расчетно-теоретическои части исследования 113
3. Экспериментальное исследование топливной экономичности первичных дизелей энергоустановок 115
3.1. Методика экспериментального исследования 115
3.1.1. Объекты экспериментального исследования 115
3.1.2. Приборы и оборудование 120
3.1.3. Методика испытаний и обработки результатов эксперимента 122
3.2. Экспериментальная оценка влияния скоростного режима на топливную экономичность энергоустановки 124
3.2.1. Анализ влияния скоростного режима первичного дизеля энергоустановки на параметры экономичности 124
3.2.2. Анализ влияния скоростного режима энергоустановки с первичным дизелем ЯМЗ на параметры экономичности 130
3.2.3. Основные положения методики определения оптимальной, с точки зрения минимизации удельного эффективного расхода топлива, характеристики САРЧ энергоустановки с переменной частотой вращения коленчатого вала первичного дизеля 135
3.3. Выводы и рекомендации по результатам экспериментальной части исследования 138
4. Экономическая эффективность мероприятий по оптимизации скоростного режима первичного дизеля многофункционального энерготехнологического комплекса 140
4.1. Методика оценки экономической эффективности повышения топливной экономичности энергоустановки 140
4.2. Расчет экономической эффективности снижения частоты вращения коленчатого вала первичного дизеля энергоустановки 144
4.3. Выводы и рекомендации по результатам исследования 145
Заключение 150
Список литературы 155
Приложение 167
- Методы повышения топливной экономичности дизельных двигателей
- Математическая модель МЭК с первичным дизелем
- Экспериментальная оценка влияния скоростного режима на топливную экономичность энергоустановки
- Расчет экономической эффективности снижения частоты вращения коленчатого вала первичного дизеля энергоустановки
Введение к работе
Актуальность работы. Повышение энергетической безопасности России является проблемой государственной важности. В ходе смены общественно-экономического строя и развития рыночных отношений в Российской Федерации, стали не вполне эффективными общегосударственные централизованные сети энергообеспечения. Это вызвано, в первую очередь, повышением тарифов на электрическую и тепловую энергию, которые определяются стоимостью ее производства и транспортирования. В себестоимости произведенной энергии большую часть составляют затраты на топливо (до 80 %). Расходы на транспортирование энергии пропорциональны расстоянию между генерирующими объектами и потребителями [1, 2].
Из 70 энергосистем России дефицитными по электрической мощности являются 44 энергосистемы, причем, дефицит в 50 % и более имеется в 24 энергосистемах (рис. 1) [3, 4].
Потери электроэнергии при транспортировании в развитых странах ЕЭС составляют 7.4 %, России - 12.22 %. Даже перевод ТЭЦ на относительно дешевое газовое топливо не выправит положение. Местная выработка электроэнергии на малых электростанциях в 1.5...2.0 раза дешевле, чем переработка и подача газа на крупные ГРЭС с обратной подачей электроэнергии [б].
В настоящее время около 70% территории страны с постоянно проживающим населением 10 млн. человек не получает энергию по системе централизованного энергоснабжения. Территориально это районы Крайнего Севера, Восточной Сибири, Дальнего Востока и т.д. На этой территории расположено 70 городов, более 360 поселков городского типа и около 1400 мелких населенных пунктов. Районы Севера и приравненные к ним территории включают 14 краев и областей, 6 республик, 10 автономных округов.
Для энергообеспечения районов децентрализованного энергоснабжения используется около 49,5 тыс., дизель-генераторных установок суммарной мощностью 17 млн. кВт и с выработкой электроэнергии около 50 млрд. кВт-ч в год. Расход топлива этими электростанциями составляет около 6 млн. т у.т.
Основная область применения энергоустановок ограничена электроснабжением, так как теплоснабжение большинства автономных объектов осуществляется от мелких котельных (менее 3.5...7 кВт), что приводит к перерасходу топлива. В то же время 55...65 % энергии топлива безвозвратно теряются со сбросовым теплом систем охлаждения, смазки, выброса отработавших газов. Поэтому актуальна проблема разработки систем утилизации тепла ДВС для строящихся ДЭС и дооснащение такими системами ДЭС, находящихся в эксплуатации [9,10].
Зоны децентрализованного энергоснабжения практически совпадают с зонами потенциально реализуемого ветропотенциала (Камчатка, Магаданская область, Чукотка, Сахалин, Якутия, Бурятия, Таймыр и др.) [11, 12]. Это делает целесообразным использование ветроэлектрических установок (ВЭУ) для обеспечения электроэнергией автономных потребителей (рис. 3). По экспертным оценкам, валовой ветровой потенциал России составляет 80-1015кВт-ч/год, технический ветровой потенциал - 6,2-Ю15 кВт-ч/год, экономический ветровой потенциал - 40-10 кВтч/год. Рис. 3. Распределение ветроэнергетических ресурсов по территории России
Переход к рыночным отношениям между производителями и потребителями электроэнергии, позволяют рассматривать как вполне реальный вариант децентрализованную инновационную политику в электроэнергетике, в том числе при производстве и использовании передвижных электростанций на базе поршневых двигателей внутреннего сгорания.
Основные достоинства автономных систем энергоснабжения:
• максимально высокий КПД использования тепла топлива;
• возможность уменьшения северного завоза топлива за счет использования местных и возобновляемых энергоресурсов и рационального использования сбросного тепла электрогенерирующих установок;
• возможность саморазвития, быстрота принятия и реализации проектов;
• меньшие, по сравнению с большой энергетикой, инвестиции на сооружение электростанций;
• объединение для сооружения, эксплуатации и обслуживания АСЭС средств федерального и местного бюджетов, инвестиционных проектов финансовых и других организаций; • создание необходимой инфраструктуры, как опоры развития производственно-технологических потенциалов районов;
• получение более низкой стоимости энергии для местных потребителей;
• создание дополнительных рабочих мест.
В качестве генерирующих объектов автономных систем энергоснабжения целесообразно применение многофункциональных энерготехнологических комплексов (МЭК) на базе гибридных энергоустановок. В качестве базы МЭК предлагается двигатель-генераторная установка мощностью до 3,6 МВт, работающая совместно с ветроэлектростанцией, либо другим возобновляемым, источником энергии- (ВИЭ). Особенностью двигатель-генераторной установки является работа на оптимальном, с точки зрения топливной экономичности, скоростном режиме, зависящем от нагрузки [13,14, 15].
Учитывая, что частота тока энергоустановки пропорциональна, частоте вращения первичного ДВЄ, это решение влечет необходимость применения устройств, стабилизирующих электрические параметры ДЭС, с целью сохранения на требуемом уровне параметров качества электрической энергии. Так как эти устройства отличаются высокой стоимостью, до последнего времени двигатель-генераторы с переменной частотой вращения промышленностью не выпускались. В связи с бурным развитием- нетрадиционной энергетики, в частности ветроэнергетики, реализация данного технического решения, стала экономически целесообразной, так как в состав ВЭС уже должно входить устройство стабилизирующее частоту тока и другие электрические параметры.
Это направление (оптимизация скоростного режима первичного двигателя ДЭС) является новым, и в настоящее время недостаточно глубоко проработана его научная основа. Отсутствуют методы оптимизации скоростного режима ДВС в зависимости от нагрузки и с учетом различных ограничивающих и влияющих факторов (установленной мощности, качества электроэнергии, уровня выбросов вредных веществ, наличия системы утилизации, надежности, затрат на эксплуатацию и др.), нет адаптированных для решения конкретных инженерных задач методов предварительной оценки возможного снижения удельного расхода топлива, отсутствуют результаты экспериментальных исследований, подтверждающих возможность реализации и эффективности предложенного технического решения.
Сказанное свидетельствует о том, что в настоящее время существует научная проблема, обусловленная практическим отсутствием методов оптимизации скоростного режима ДВС в зависимости от нагрузки и с учетом различных ограничивающих и влияющих факторов (установленной мощности, качества электроэнергии, уровня выбросов вредных веществ, наличия системы утилизации, надежности, затрат на эксплуатацию и др.); нет адаптированных для решения конкретных инженерных задач методов предварительной оценки возможного снижения удельного расхода топлива, отсутствуют результаты экспериментальных исследований, подтверждающих возможность реализации и эффективности предложенного в теме диссертации технического решения.
Цель исследования: повысить топливную экономичность первичного дизеля в составе многофункционального энерготехнологического комплекса оптимизацией скоростного режима.
Гипотеза исследования. Улучшение топливной экономичности первичного дизеля в составе многофункционального энерготехнологического комплекса может быть достигнуто оптимизацией скоростного режима его работы.
Для подтверждения выдвинутой гипотезы и достижения цели исследования было необходимо решить следующие задачи:
1. Проанализировать особенности функционирования первичного дизеля в составе многофункционального энерготехнологического комплекса.
2. Разработать математическую модель многофункционального энерготехнологического комплекса применительно к предмету и цели исследования.
3. Расчетно-теоретически и экспериментально оценить влияние раз
личных факторов на параметры, определяющие топливную экономичность первичного дизеля и многофункционального энерготехнологического комплекса: 1) удельный эффективный расход топлива первичным дизелем, 2) энергетический баланс первичного дизеля и потенциал утилизации сбросового тепла, 3) энергетические потери в системах многофункционального энерготехнологического комплекса (инверторе, генераторе и т. п.). Оценить адекватность использованной математической модели.
4. С использованием результатов расчетно-теоретических и экспериментальных исследований обосновать алгоритм функционирования системы автоматического регулирования частоты вращения коленчатого вала первичного двигателя, обеспечивающий максимально возможную топливную экономичность многофункционального энерготехнологического комплекса с учетом ограничивающих параметров назначения и безопасности.
5. Разработать методику и выполнить экономическую оценку влияния частоты вращения коленчатого вала и. других факторов на топливную экономичность многофункционального энерготехнологического комплекса на базе дизелей.
Объект исследования: рабочий процесс в первичных дизелях ОАО «ПО Алтайский моторный завод» и ОАО «Автодизель» (Ярославский моторный завод) размерностью 13/14 различного конструктивного исполнения.
Предмет исследования: процессы, формирующие топливную экономичность первичного дизеля многофункционального энерготехнологического комплекса, и зависимость этих характеристик от его скоростного режима, конструктивных и регулировочных параметров.
Методика исследования. Исследования проведены на основе использования методов теории двигателей и математического моделирования. Методика исследования предусматривала сочетание натурных испытаний с численным экспериментом. Достоверность результатов обосновывается подтверждением теоретических результатов экспериментальными; применением экспериментальных методов исследования, соответствующих государственным стандар 14 там; использованием современных средств измерений и испытательного оборудования; сопоставлением результатов с данными других исследователей.
Научную новизну имеют следующие положения, выносимые на защиту:
1. Система критериев: энергетической эффективности многофункционального энерготехнологического комплекса.
2. Комплексная мультифизическая математическая модель-многофункционального энерготехнологического комплекса, включающая- подмодели: первичного дизеля, трансмиссии; всережимного генератора, преобразователя частоты, ветроэлектрической установки; электрической, нагрузки, основанная на системах дифференциальных уравнений массового и энергетического балансов, кинематики и динамики, электромагнетизма; гидродинамики и позволяющая определять основные статические и. динамические характеристики многофункционального энерготехнологического комплекса на стандарт7 ных и нестандартных режимах нагружения.
3. Результаты экспериментальной оценки- топливной экономичности, энергоустановки при работе с переменной частотой вращения.
4. Аналитические зависимости параметров, энергетической1! эффективности, многофункционального энерготехнологического комплекса (КПД, удельный расход топлива) на базе первичных дизелей типа 413/14 и ЧН13/14 от скоростного и нагрузочного режимов и основных конструктивных характеристик элементов энергоустановки.
5. Основные положения- методики оптимизации , скоростного режима первичного дизеля в составе многофункционального энерготехнологического-комплекса.
6. Методика оценки экономической эффективности многофункционального энерготехнологического комплекса, в реальных условиях эксплуатации (с учетом переменной частоты,вращения и графика нагрузки).
Практическая ценность исследования. Результаты исследования, могут быть использованы при создании многофункциональных энерготехнологических комплексов и их систем, модификаций первичных дизелей, предназначенных для работы в составе МЭК, модернизации существующих ДВС-электростанций, при проведении НИР и ОКР, в учебном процессе.
Реализация результатов работы. Материалы диссертации используются и внедрены:
- ЗАО «Научно-производственный центр малой энергетики» (г. Москва) - при разработке и проведении полевых испытаний многофункционального энерготехнологического комплекса на базе ветроэлектростанции «Заполярная» (г. Воркута).
- ОАО «ПО Алтайский моторный завод» (г. Барнаул) - при разработке модификаций дизелей для энергоустановок.
- НП «Сертификационный центр автотракторной техники» (г. Челябинск) - при проведении испытаний дизелей и энергоустановок.
Апробация работы. Материалы диссертации были доложены и одобрены на заседаниях НТС ОАО «БИИ автотракторной техники» (г. Челябинск, 2006, 2007, 2008, 2009); научно-технической конференции «Повышение эффективности силовых установок колесных и гусеничных машин» (г. Челябинск, 2008); на второй всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Энергетические, экологические и технологические проблемы экономики» (г. Барнаул, 2008).
Публикации. По теме диссертации опубликовано восемь печатных работ, в том числе две - в изданиях, рекомендованных ВАК. Объем и содержание работы. Диссертация содержит 161с. текста, 89 рисунков, 24 таблицы и. состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 107 наименования и приложения.
Методы повышения топливной экономичности дизельных двигателей
В настоящее время- важнейшей задачей двигателестроения является улучшение экологических характеристик продукции, которое может быть достигнуто, в том числе, за счет некоторого ухудшения топливной-экономичности. Тем не менее, низкий-расход топлива продолжает оставаться одним из основных факторов конкурентной борьбы. Улучшение экономических характеристик может быть достигнуто различными способами: совершенствованием параметров рабочего цикла (увеличением полноты сгорания топлива), оптимизацией теплового баланса двигателя (уменьшением тепловых по терь теплопередачей через стенки камеры сгорания и с отработавшими газами), снижением механических потерь, оптимизацией режима нагружения двигателя (выбором оптимальной частоты вращения при заданном законе изменения эксплуатационной нагрузки) [25, 26].
Рассмотрим на примере серийных дизелей «Cummins» динамику изменения эффективного КПД (усредненные данные-на номинальном режиме) и мероприятия их обусловившие (рис. 1.4): 1985 - совершенствование рабочего процесса; 1990 - система тошшвоподачи с электронным управлением и увеличения давления впрыска топлива; 1995 - перепуск ОГ в турбокомпрессор (ТКР); 1998 - повышение эффективности системы перепуска ОГ в ТКР; 2000 - охлаждение ОГ в EGR (системе рециркуляции ОГ); 2003 - сажевый фильтр (КПД снизился, причина - увеличение сопротивления на выпуске); 2005 - рабочий процесс с низкотемпературным сгоранием. В планах «Cummins» - повышение КПД в ближайшие годы на 8 %, что может быть достигнуто за счет: многоточечного впрыска; многфазного впрыска; обеспечения стехиометрического состава рабочего тела; повышения эффективности смесеобразования; дальнейшего повышения давления впрыска; повышения эффективности охлаждения рециркулирующих газов EGR; электронного управления ТКР; повышения максимального давления сгорания (чем процесс ближе к изохорному, тем он экономичнее); совершенствования алгоритмов системы управления ДВС (алгоритмы с обратной связью).
Совершенствование рабочего цикла осуществляется по всем его составляющим: смесеобразование, сгорание, газообмен, сжатие и предпламен-ные процессы [27, 28, 29].
Преобладающее влияние на КПД рабочего цикла оказывает продолжительность сгорания, а не форма закона подвода теплоты. Чем ближе рабочий процесс к изохорному, тем выше КПД. Поэтому, с целью сокращения продолжительности сгорания, необходимо совершенствование процесса смесеобразования путем повышения энергии впрыска топлива, оптимизация формы камеры сгорания (для повышения доли объемного смесеобразования).
На рис. 1.5 показана зависимость эффективного удельного расхода топлива от числа и диаметра распыливающих отверстий форсунки. Чем меньше диаметр отверстий, тем качественнее распыл топлива, однако, для сохранения требуемого закона подачи топлива, необходимо увеличивать давление впрыска.
Математическая модель МЭК с первичным дизелем
Общая схема передачи и преобразования энергии различных видов в ДВС-электростанции представлена на рис. 2.12. Двигатель внутреннего сгорания является активным компонентом, в котором химическая энергия топлива преобразуется в механическую энергию вращения коленчатого вала. Далее, в генераторе, механическая энергия преобразуется в электрическую. Остальные элементы схемы являются энергопередаюшими и пассивными, в них имеют место только потери энергии. Данная схема является основой для разработки расчетной модели, основанной на математическом описании
На основе результатов анализа специализированного программного обеспечения для расчетов поршневых двигателей и их систем, моделирования сложных динамических систем и физико-химических процессов, математических зависимостей и расчетных методик, лежащих в их основе, была предложена и реализована в виде конечного программного продукта комплексная математическая модель энергетической установки с приводным поршневым двигателем.
На рис. 2.13 показана иерархическая структура предлагаемой математической модели (без указания подробных функциональных связей, которые отличаются высокой сложностью и частично проиллюстрированы при описании подмоделей). Программная реализация модели выполнена с помощью пакета MathLab/Simulink [88]. Часть программного кода была написана на языке «Си».
Математическая модель в полной мере соответствует требованиям системного единства, развития и совместимости [89, 90]. Она является «прозрачной» и может быть изменена или дополнена.
Каждый модуль, входящий в комплексную модель, может использоваться автономно, при этом граничные условия задаются исследователем. Модули образуют библиотеку элементов, из которых может составляться модель энергоустановки любой сложности.
Интерфейс Matlab/Simulink к наиболее известным программам моделирования физических процессов (Visual Nastran, MSC Adams и др.) или двигателей (AVL Boost, GT Suite, Ricardo Wave) предоставляет широкие возможности для расширения сферы приложения разработанного программного продукта.
Предварительная идентификация математической модели выполнялась с применением результатов испытаний электроагрегата ДГУ-60/100С. Коэффициент парной корреляции расчетных и экспериментальных значений составил 0,97.
В настоящей работе используется математическая модель рабочего процесса поршневого ДВС на основе системы дифференциальных уравнений массового и энергетического баланса рабочего тела [91] и уравнения состояния.
Основой метода энергетического баланса (в общем случае, с учетом горения топлива) является уравнение первого закона термодинамики в дифференциальной форме: где dQ - изменение количества теплоты подведенной к рабочему телу; dU - изменение внутренней энергии рабочего тела; dL - работа совершаемая рабочим телом.
Изменение количества теплоты, подведенного или отведенного от рабочего тела за элементарный промежуток времени: где dQt - количество теплоты, выделившееся при сгорании топлива; dQw - количество теплоты, подведенное или отведенное в процессе теплообмена со стенками цилиндра; dQ„ - количество теплоты подведенное с воздухом, поступившим в цилиндр через впускные органы; dOm -количество теплоты, отведенное с газами, вышедьшими из цилиндра через выпускные органы.
Экспериментальная оценка влияния скоростного режима на топливную экономичность энергоустановки
В табл. 3.8 и 3.9 приведены многопараметровые характеристики дизелей, полученные в результате стендовых испытаний, а на рис. 3.4-и 3.5 - результаты их обработки. В таблицах заливкой выделены экспериментальные точки, для которых получены минимальные значения удельного эффективного расхода топлива при данной мощности. ветствующая оптимальной характеристике САРЧ энергоустановки. Приравняв уравнения (3.4) и (3.7) и отбросив величины малого порядка, получим значение относительного смещения характеристик, которое равно КПД электротехнической части энергоустановки (всережимного генератора и преобразователя частоты): С точки зрения- обеспечения работоспособности двигателя и всережимного генератора минимальная частота вращения должна быть ограничена величиной 1000 мин" (для других моделей двигателей и генераторов возможны иные значения) - участок 1 на рис. 3.11. Максимальную частоту вращения целесообразно ограничить величиной 1300 мин"1 (точка А на рис. 3.11) так как при большей частоте увеличивается удельный расход топлива (см. табл. 3.10). Положение точки А, как было показано в п.2.3.4, определяется потерями в электрооборудовании энергоустановки, если они превышают экономию топлива, полученную в результате снижения частоты вращения первичного дизеля, двигатель должен быть переведен на номинальную частоту вращения, а преобразователь отключен. Это решение также способствует повышению ресурса ПЧ. В итоге, алгоритм САРЧ должен соответствовать ломаной линии 1-2-3 (рис. 3.11). В результате получим характеристику удельного расхода топлива, приведенную нарис. 3.12. На рисунке нанесены экспериментальные точки из табл. ЗЛО. Отключение преобразователя частоты позволяет снизить удельный расход топлива МЭК до 10 г/кВтч (линия 1, которая одновременно относится к режимам и=уаг и w=const). Характеристики удельного расхода топлива при работе энергоустановки с всережимным генератором и ПЧ на базе дизеля 8ЧН13/14 по оптимальной, с точки зрения минимизации удельного эффективного расхода топлива, нагрузочной характеристике (1 - характеристика при отключении ПЧ, «=1500 мин"1)
Потенциальная экономия топлива при работе энергоустановки с всережимным генератором и ПЧ на базе дизеля 8ЧН13/14 по оптимальной, с точки зрения минимизации удельного эффективного расхода топлива, нагрузочной характеристике показана на рис. 3.13. Рис. 3.13. Потенциальная экономия топлива при работе энергоустановки с всережимным генератором и ПЧ на базе дизеля 8ЧН13/14 по оптимальной, с точки зрения минимизации удельного эффективного расхода топлива, нагрузочной характеристике Как следует из рис. 3.13, работа двигателя в составе МЭК по оптимальной характеристике позволит снизить удельный расход топлива до 27 %. Зависимость потенциальной экономии топлива от нагрузки может быть представлена регрессионной зависимостью: где Age=ge(ll ar)-ge(n=const), N3 - электрическая нагрузка энергоустановки (pu). Полевые (в составе ВЭС «Заполярная») испытания энергоустановки показали следующее: работа системы автоматического регулирования частоты вращения, обеспечивающей алгоритм скоростного режима, обоснованный в результате настоящего исследования, устойчива во всём диапазоне изменения нагрузки, алгоритм САРЧполностью реализуется; показатели качества электроэнергии на нагрузке (выход источника бесперебойного питания) без отклонений, от требований НТД во всех режимах, включая аварийное отключение двигатель-генератора; функционирование МЭК при работе с ВЭУ и ДГ устойчивое, деление нагрузок при максимальном использовании мощности ВЭУ автоматическое, показатели качества электроэнергии без отклонений на нагрузках в диапазоне от 0 до 150 кВт. Подтверждена правильность технических решений и адаптивность МЭК при оптимизации энергопотребления от ВЭУ и двигатель-генератора.
Расчет экономической эффективности снижения частоты вращения коленчатого вала первичного дизеля энергоустановки
В качестве примера выполним расчет экономической эффективности МЭК электрической мощностью 200 кВт на базе двигателя 8ЧН13/14 для поселка с сельскохозяйственным производством и долей коммунально-бытовой нагрузки 40 %. На рис. 4.2 показан характерный суточный график электрической нагрузки энергосистемы и, соответственно, энергоустановки, а на рис. 4.3 - часовой расход топлива энергоустановкой в исходном варианте (с постоянной частотой вращения) и рассчитываемом варианте (с переменной частотой вращения). переключается на режим постоянной частоты вращения)
Как видно из рис. 4.1, большую часть времени МЭК работает с коэффициентом нагрузки выше, чем значение, при котором необходимо переключение на режим постоянной частоты вращения (0,65). Однако в течение семи ночных часов коэффициент нагрузки опускается ниже указанного значения, и экономия топлива становится очевидной.
Потенциальная экономия топлива энергоустановкой с переменной частотой вращения составляет в среднем около 12 кг в рабочие сутки (рис. 4.4) и 104 кг в нерабочие сутки.
Столь большая разница объясняется тем, что в нерабочие дни коэффициент нагружения уменьшается до 0.4, соответственно удельный расход топлива составит 315 г/(кВтч) для исходного и 260 г/(кВтч) для рассчитываемого вариантов.
За неделю экономия составит около 262 кг, в год - 13.66 тонн топлива или 4,6 % от годового расхода. При стоимости дизельного топлива -27,4 руб./кг, годовые затраты на его приобретение могут быть снижены на 374 тыс. рублей. При стоимости преобразователя частоты мощностью 200 кВт - 1430 тыс. руб. он окупится за 3,8 лет, что ниже нормативного срока окупаемости капиталовложений - 7 лет и нормативного срока эксплуатации ПЧ - 10 лет. Можно ожидать, что действительный ресурс ПЧ составит не менее 30 лет, так как он будет задействован только 7 часов в сутки.
Нарис. 4.5 показано относительное изменение количества потенциально утилизируемого тепла энергоустановки на базе дизеля 8ЧН13/14 работающей по графику нагрузки, рассмотренному в настоящем примере расчета.
Среднее относительное изменение количества потенциально утилизируемого тепла в рабочие дни, как летом, так и зимой составляет 0.97, в нерабочие - 0.93, средневзвешенное за год - 0.96. Средняя стоимость тепловой энергии (по Челябинской области для промышленных предприятий в 2008 году) - 267,48 руб./Гкал (310,73 руб./МВтч). При максимальной тепловой мощности 240 кВт и среднем коэффициенте нагружения в зимние месяцы 0.62, годовая выработка тепла составит 2400,62-365-24/2/1000=652 МВт. Соответственно, недоотпуск тепла - 652(1-0.96)=26 МВт, что в денежном выражении составит 26-310,73=8104 руб. или 2,2 % от экономии топлива за счет перевода энергоустановки на режим работы с переменной частотой вращения. Столь малым значением можно пренебречь, особенно с учетом того, что выработка тепла для энергоустановки не является основной функцией.
