автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Повышение топливной экономичности первичного дизеля в составе многофункционального энерготехнологического комплекса оптимизацией скоростного режима

/

На правах рукописи

АЛЕШКОВ Олег Алексеевич

ПОВЫШЕНИЕ ТОПЛИВНОМ ЭКОНОМИЧНОСТИ ПЕРВИЧНОГО ДИЗЕЛЯ В СОСТАВЕ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ОПТИМИЗАЦИЕЙ СКОРОСТНОГО РЕЖИМА

05.04.02 - Тепловые двигателе

00347ЭЬ22

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Барнаул-2009

003479522

Работа выполнена в Открытом акционерном обществе «Научно-исследовательский институт автотракторной техники»

Научный руководитель: Научный консультант

доктор технических наук, профессор Кукис Владимир Самойлович кандидат технических наук, доцент Малоземов Андрей Адиевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Лебедев Борис Олегович

кандидат технических наук, доцент Кузьмин Алексей Геннадьевич

Ведущая организация ЗАО «Научно-производственный центр

малой энергетики» (г. Москва)

Защита состоится 6 ноября 2009 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.004.03 при Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова по адресу: 656038 г. Барнаул, пр. им. В.И. Ленина, 46 (тел/факс (3852) 26 05 16; E-mail: D21200403@mail.ru)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного технического университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан сентября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д-р. техн. наук, профессор

А.Е. Свистула

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Для энергообеспечения районов России с децентрализованным энергоснабжением 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. 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, работающая совместно с ветро-электростанцией, либо другим возобновляемым источником энергии (ВИЭ). Особенностью установки является работа на оптимальном, с точки зрения топливной экономичности, скоростном режиме, зависящем от нагрузки.

Развитие МЭК является сравнительно новым направлением в энергетике. Поэтому 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.

Цель настоящего исследования - повысить топливную экономичность первичного дизеля в составе многофункционального энерготехнологического комплекса оптимизацией скоростного режима.

Для достижения указанной цели были решены следующие задачи:

1. Проанализированы особенности функционирования первичного дизеля в составе многофункционального энерготехнологического комплекса.

2. Обоснован выбор математической модели рабочего процесса поршневого ДВС применительно к предмету и цели исследования.

3. Расчетно-теоретически и экспериментально оценено влияние различных 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 МЭК (инверторе,

генераторе и т. п.). Оценена адекватность использованной математической модели.

4. С использованием результатов расчетно-теоретических и экспериментальных исследований обоснован 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. Разработана методика экономической оценки 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.

Научную новизну имеют следующие положения, выносимые на защиту:

1. Система критериев энергетической эффективности МЭК.

2. Комплексная мультифизическая математическая модель МЭК, 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 стандартных и нестандартных режимах нагружения.

3. Результаты экспериментальной оценки топливной экономичности энергоустановки при работе с переменной частотой вращения.

4. Аналитические зависимости параметров энергетической эффективности МЭК (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 МЭК.

6. Методика оценки экономической эффективности МЭК в реальных условиях эксплуатации (с учетом переменной частоты вращения и графика нагрузки).

Практическая ценность. Результаты исследования позволяют обеспечить максимальную экономию топлива при работе МЭК на базе двигателя 8ЧН13/14 по оптимальной характеристике до 27 %. В реальных условиях эксплуатации экономия для электростанций на базе дизелей типа 413/14 и ЧН13/14 составит около 4,6%. Материалы диссертации могут быть использованы при создании МЭК 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: в ЗАО «Научно-производственный центр малой энергетики» (г. Москва) - при разработке и проведении полевых испытаний многофункционального энерготехнологического комплекса на базе ветро-электростанции «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 «НИИ 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 165 е., в том числе 89 рисунков, 24 таблицы, и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 107 наименований, и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, поставлена цель, сформулированы научная новизна и практическая ценность работы, дана её общая характеристика и изложено краткое содержание.

В первой главе проанализированы актуальные вопросы повышения топливной экономичности энергоустановок на базе поршневых ДВС. Показано, что современное состояние автономных систем энергоснабжения на

базе ДВС-электростанций характеризуется высокой долей затрат (до 80 %) на топливо в суммарных издержках на эксплуатацию ДЭС, повышенным (на 30 %), по сравнению с номинальным, удельным расходом топлива на производство электрической энергии вследствие работы первичного дизеля на режимах неполной нагрузки, большими безвозвратными потерями энергии в системах охлаждения, смазки и с отработавшими газами, широким использованием дизелей Алтайского и Ярославского моторных заводов для привода энергоустановок (до 50 % от суммарной установленной мощности), недостаточным использованием потенциала возобновляемых источников энергии. Одним из возможных решений изложенных проблем является развитие МЭК на базе гибридных энергоустановок с переменной частотой вращения и системой утилизации сбросового тепла.

Вторая глава посвящена совершенствованию методов математического моделирования функционирования МЭК. Была предложена система критериев эффективности АСЭС с поршневыми ДВС (рис. 1), которая является основой для создания методики оптимизации параметров МЭК.

Эффективность -

Полсшиель нын результат - Отрицатель ный результат Затраты

X

Положительный результат Отрицательный результат

Затраты

Назначения

Безопасности

Назначения

Г ч / N ' ( "Ч - ■ >

Электричес- Тепловая Токсичные Шум и Топлиэо Прочие

кая энергия энергия вещества вибрация

уровень

расход

эксплуэта -ционные расход ь,|

спектр и состав

надежность

надежность

Рис. 1. Система критериев эффективности АСЭС с поршневыми ДВС

Предложена комплексная мультифизическая математическая модель МЭК, включающая подмодели: первичного дизеля, трансмиссии, всере-жимного 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 стандартных и нестандартных режимах нагружения (рис. 2).

Комплексная математическая модель

1

1 1 1 1

Газодинамика и термодинамика Кинематика и динамика Электротехника Дополнительные модули

- Впускной тракт

Впуск

впускной коллектор

Впускные клапаны

Цилиндр

Выпускной тракт

Турбина

Выпускной коллектор

Выпуск

Компрессор

Выпускные клапаны

Двигатель

X

- кшм

Уравновешивающий механизм

Распределительный механизм

Блок цилиндров с опорами

Трансмиссия

Редуктор

Передача

Нагрузка »■

Генератор и нагружающее устройство I-

Активная/ Реактивная нагрузка

Постоянной/ Переменная нагрузкэ

Короткое замыкание

Обрыв фаз

Запуск электродвигателя

Регулятор напряжения

Детальная химическая кинетика

30 газовал динамика

30 тепловая и механическая нагруженность

¡1- САРЧ и ТНВД

Атмосферные условия

Рис. 2. Иерархическая структура математической модели двигатель-генератора в составе МЭК и системы нагружения

Математическая модель первичного поршневого ДВС включает уравнения энергетического, массового балансов и состояния рабочего тела в камере сгорания:

— = {HuSq dx I dQw i dQ" dQm u'dG u"dG" dL) 1 ~ dtp " 4 dtp dcp dtp d<p dtp d<p dtp CV(G' + G")

dG' _ dG'n dG'm _ dx dq> dtp dtp 4 dtp

dG" _dG"„ dG"m . dx

— ---— + (Ьо + 1Щ —

dtp dtp dtp dtp

_ (G' + G")RT

h (О

где Т, Р, V, й- текущие температура, давление, объем и масса рабочего тела соответственно; Н„ - низшая теплота сгорания топлива; <5 - коэффициент эффективности сгорания; (1х / с1<р - характеристика выгорания топлива, qlf - цикловая подача топлива, О0 - масса воздуха, необходимого для сгорания 1 кг топлива; с1()„ - элементарное количество энергии, подведенное к рабочем телу (или отведенное от него) в процессе теплообмена со стенками цилиндра; dQ„ - элементарное количество энергии, подведенное к рабочем телу (или отведенное от него) в процессе наполнения цилиндра; с1()т - элементарное количество энергии, подведенное к рабочему телу (или отведенное от него) в процессе очистки цилиндра; сИ -элементарная работа цикла; и - удельная внутренняя энергия рабочего тела; сЮ„ - элементарное количество газа, поступившего в цилиндр через впускной клапан; сЮ„, - элементарное количество газа, вышедшего из цилиндра через выпускной клапан; Су - удельная теплоемкость воздуха; сЮр - элементарное .уменьшение массы рабочего тела вследствие утечки через зазор между поршнем и цилиндром; сЮв - элементарное увеличение массы рабочего тела вследствие подачи сжатого воздуха; Я - универсальная газовая постоянная. Символы « ' » и « " » относятся к воздуху и продуктам сгорания соответственно.

Кроме того, в модель входят закон выгорания И.И. Вибе, уравнение для определения коэффициента теплопередачи через стенки камеры сгорания Вошни, формула для определения элементарного расхода воздуха через проходные сечения впускных и выпускных клапанов.

С использованием разработанной математической модели выполнена расчетная оценка влияния различных факторов на параметры, определяющие топливную экономичность МЭК. Расчет проводился по плану полного факторного эксперимента для дизелей 1413/14 и 1ЧН13/14. Варьируемыми параметрами являлись частота вращения и нагрузка двигателя. Критерием оптимизации являлся параметр удельного эффективного расхода топлива

при заданной мощности, параметром оптимизации - частота вращения первичного дизеля. Пример зависимости эффективного удельного расхода топлива дизеля 1ЧН13/14 от частоты вращения приведен на рис. 3.

300 290 280

270 £ 260

^ 250 ä 240 230 220 210 200

1000 1100 1200 1300 1400 1600 1600 1700 1800 1900 2000 n, min*1

Рис. 3. Расчетная зависимость эффективного удельного расхода топлива дизеля 1ЧН13/14 от частоты вращения для Ne, кВт: 1- 5,5; 2 - 7,3; 3 - 9,2; 4 - 11,0; 5 - 12,8; 6 - 14,7; 7 - 16,5; 8 - 18,3; 9 - 20,2; 10 - 22,0

Полученные зависимости аппроксимировались квадратичными регрессионными уравнениями, аналогичными приведенному ниже для двигателя 1ЧН13/14:

щ = 30,8 - 26,0 ■ N'e + 70,0 ■ п' - 7,55 • N'e2 + 39,6 •N'e-ri - 56,8 • и'2, (2)

где п, N'e - относительные (от номинальных) частота вращения и эффективная мощность двигателя.

Анализ результатов расчетно-теоретического исследования показал, что основной «вклад» в повышение топливной экономичности первичного дизеля энергоустановки при снижении частоты вращения вносит уменьшение механических и насосных потерь.

Уменьшение механических и насосных потерь на 2...3,5 кВт/цилиндр и 0,4...0,6 кВт/цилиндр для 1413/14 и 1ЧН13/14 соответственно (в диапазоне п= 1000... 1500 мин"1) влечет увеличение эффективного КПД, при этом максимум КПД смещается в сторону более низкой частоты вращения. Соответствующим образом изменяется положение минимума эффективного удельного расхода топлива.

Работа первичного дизеля на переменном скоростном режиме эффективна с точки зрения топливной экономичности только в диапазоне от нулевой до определенной нагрузки (для дизеля без наддува - 12 кВт, для двигателя с наддувом - 14 кВт).

Количество потенциально утилизируемого тепла дизеля в составе энергоустановки с переменной частотой вращения в общем случае мень-

ше, чем с постоянной частотой вращения на величину до 10... 15% при нагрузках ниже средней.

Зависимость относительного изменения КПД электрической части МЭК от частоты вращения первичного дизеля приведена на рис. 4 (исследования особенностей функционирования преобразователя частоты в составе МЭК были проведены проф. д.т.н. Ю.Г. Шакаряном и проф. д.т.н. А.Е. Загорским (ОАО Научно-исследовательский институт электроэнергетики).

w, ри

Рис. 4. Зависимость относительного изменения КПД электрической части МЭК

от частоты вращения коленчатого вала первичного дизеля: 1 - электрический КПД генератора, 2 - механический КПД генератора, 3 - суммарный КПД генератора (с учетом повышения cos ф с 0,8 до 1,0), 4 - КПД преобразователя частоты, 5 - суммарный КПД электрической части МЭК (cos ф = 0,8), 6 - суммарный КПД электрической части МЭК (с учетом повышения cos ср с 0,8 до 1,0)

При относительной частоте вращення w (pu) 0,87 механические потери всережимного генератора равны потерям в обычном генераторе. При снижении частоты вращения до 0,67 механические потери снижаются примерно в три раза, что компенсирует уменьшение на 0,25...0,40 % электрического КПД. КПД преобразователя частоты в рабочем диапазоне энергоустановки изменяется в пределах от 0,995 (при номинальных нагрузке и частоте вращения) до 0,952 (при коэффициенте нагружения 0,2 и w = 0,67). По отношению к генератору ПЧ представляет собой активную нагрузку, что позволяет дополнительно снизить потери в генераторе на 1... 1,5 %.

В третьей главе приведены результаты экспериментального исследования топливной экономичности первичных дизелей энергоустановок. Эксперимент проводился в три этапа. На первом этапе были проведены стендовые испытания дизелей 4ЧН13/14 (Д-442) и 6413/14 (А-01) производства ОАО «ПО Алтайский моторный завод». Выбор объектов обуслов-

лен тем, что дизели этой размерности широко используются для привода ДГУ мощностью 60... 100 кВт, результаты исследования могут быть распространены как на дизели с газотурбинным наддувом, так и без него. На втором этапе в условиях стенда была испытана энергоустановка номинальной мощностью 200 кВт на базе дизеля 8ЧН13/14 (ЯМЗ-7514) производства ОАО «Автодизель», укомплектованная всережимным генератором (разработанным и изготовленным ОАО «Баранчинский электромеханический завод») и преобразователем частоты модели «1леЬег1 ИХА». В ходе третьего этапа проведены полевые испытания МЭК с двигатель-генератором на базе дизеля 8ЧН13/14 в составе ВЭС «Заполярная» (г. Воркута). Двигатель-генератор с преобразователем частоты и системой управления был смонтирован на шасси КамАЗ.

Обработка экспериментальных данных позволила получить эмпирические зависимости удельного эффективного расхода топлива от нагрузки и частоты вращения. Для дизеля 6413/14 уравнение имеет вид:

ge = 347,2 -1,356 ■ Ые - 0.0882 ■ п + 0,0308 ■ И2е --0,0024-Ые-п +8,768 ■ 10~5-п2 для 4ЧН13/14:

= 293,2 - 0,487 ■ Ие - 0,0973 ■ п + 0,0138 ■ Ы2 - ^ -0,0015-Ые-п +8,258 ■ 10~5-п2

Поиск экстремума уравнений (5) и (6) позволяет получить оптимальную, с точки зрения топливной экономичности, зависимость частоты вращения от нагрузки для дизеля 6413/14:

п = 13,7 ■ N е + 469, (5)

для дизеля 4ЧН13/14:

п = 9,1-Ие + 589. (6)

Экономия топлива при работе отдельно взятого двигателя по оптимальной характеристике может достичь 12... 19 % при нагрузке менее 25 % от номинальной (рис. 5). Сравнение результатов расчетно-теоретического и экспериментального исследования показало, что для дизеля 6413/14 величина среднего квадратичного отклонения расчетных и эмпирических значений удельного эффективного расхода топлива (при работе по нагрузочной характеристике) - 0,9936, для 4ЧН13/14 - 0,9774.

20,0

18,0

«V 16,0

X 14,0

¡! 12,0

я 10,0

X 8,0

у

6,0

4,0

о 2,0

0,0

-ч ■гУ ^ 2 -! —

1

Ь—

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40

0,70 0,80 0,90 1,00 1,10

0,50 0,60

Рис. 5. Потенциальная экономия топлива при работе двигателей 4ЧН13/14 и 6413/14 по оптимальной, с точки зрения минимизации удельного эффективного расхода топлива, нагрузочной характеристике: 1 -4ЧН13/14,2-6413/14

Величина среднего квадратичного отклонения расчетных и эмпирических значений потерь тепла с ОГ дизеля 6413/14 - 0,9936, для 4ЧН13/14 -0,9774.

Статистическая обработка данных многопараметровой характеристики двигатель-генератора на базе дизеля 8ЧН13/14 показала, что удельный расход топлива энергоустановкой может быть выражен с помощью квадратичной регрессионной зависимости:

г,2

gэ = 414- 0,908 ■ Ыэ - 0,226 ■п + 0,0114-Ы?э +

2

(7)

+ 0,00165 ■ ■ п + 0,000172 ■ п

Аналогично формулам, полученным для первичных дизелей:

п = 4,801- Ке +656. (8)

Оптимальные характеристики САРЧ двигатель-генератора и отдельных двигателей приведены на рис. 6. 2000 »00 1600 1400

>0 100 120 N.(N,1, кВт

Рис. 6. Оптимальная, с точки зрения минимизации удельного эффективного расхода топлива, характеристика САРЧ двигателей 4ЧН13/14 и 6413/14 и двигатель-генераторов на базе 8ЧН13/14 и 4ЧН13/14

Как видно из рисунка, линия, соответствующая оптимальной характеристике САРЧ отдельно взятого первичного дизеля, ниже, чем линия, соответствующая оптимальной характеристике САРЧ энергоустановки.

С точки зрения обеспечения работоспособности двигателя и всере-жимного генератора минимальная частота вращения должна быть ограничена величиной 1000 мин"1 (для других моделей двигателей и генераторов возможны иные значения) - участок 1 на рис. 6. Максимальную частоту вращения целесообразно ограничить величиной 1300 мин'1 (точка А на рис. 6), так как при большей частоте увеличивается удельный расход топлива. Положение точки А 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.

Потенциальная экономия топлива при работе энергоустановки с все-режимным генератором и ПЧ на базе дизеля 8ЧН13/14 по оптимальной, с точки зрения минимизации удельного эффективного расхода топлива, нагрузочной характеристике показана на рис. 7.

Рис. 7. 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 0 50 1 л 2 топлива, нагрузочной характери-

стике

К, , кВт

Полевые испытания энергоустановки показали:

- работа системы автоматического регулирования частоты вращения, обеспечивающей алгоритм скоростного режима, обоснованный в результате настоящего исследования, устойчива во всём диапазоне изменения нагрузки, алгоритм САРЧ полностью реализуется;

- показатели качества электроэнергии на нагрузке (выход источника бесперебойного питания) сохраняются без отклонений от требований нормативно-технической документации на всех режимах, включая аварийное отключение двигатель-генератора;

- функционирование МЭК при работе с ВЭУ и двигатель-генератора устойчивое, деление нагрузок при максимальном использовании мощности ВЭУ автоматическое. Подтверждена правильность технических реше-

ний и адаптивность МЭК при оптимизации энергопотребления от ВЭУ и двигатель-генератора.

В четвертой главе обоснована экономическая эффективность мероприятий по оптимизации скоростного режима первичного дизеля МЭК.

Для оценки экономической эффективности предлагаемых технических решений была предложена методика, основанная на режимах нагру-жения, имеющих место в реальных условиях эксплуатации. Расчет для МЭК на базе дизеля 8ЧН13/14 показал, что 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. Годовой недоотпуск тепла составит 26 МВт, что в денежном выражении эквивалентно 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.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В результате исследования:

1. Разработана комплексная мультифизическая математическая модель МЭК, включающая подмодели: первичного дизеля, трансмиссии, все-режимного генератора, преобразователя частоты, ветроэлектрической установки, электрической нагрузки, и позволяющая определять основные статические и динамические характеристики МЭК на стандартных и нестандартных режимах нагружения.

2. Установлено, что с понижением частоты вращения коленчатого вала первичных дизелей типа 413/14 и ЧН13/14 индикаторный КПД в рабочем диапазоне режимов нагружения снижается на 2...8%. Однако уменьшение механических и насосных потерь на 2...3,5 кВт/цилиндр и 0,4...0,6 кВт/цилиндр соответственно (в диапазоне п = 1000... 1500 мин") влечет увеличение эффективного КПД, при этом максимум КПД смещается в сторону более низкой частоты вращения. Соответствующим образом изменяется положение минимума эффективного удельного расхода топлива.

3. При относительной частоте вращения м/ = 0,87 механические потери всережимного генератора равны потерям в обычном генераторе. При снижении частоты вращения до \л/=0,67 механические потери снижаются примерно в три раза, что компенсирует некоторое уменьшение (на 0,25...0,40 %) электрического КПД. Относительный КПД преобразователя частоты в рабочем диапазоне энергоустановки изменяется в пределах от

0.995 (при номинальных нагрузке и частоте вращения) до 0,952 (при коэффициенте нагружения 0,2 и \л/=0,67).

4. Оптимальный алгоритм изменения частоты вращения может быть получен минимизацией функциональной зависимости удельного эффективного расхода топлива от нагрузки и частоты вращения с использованием математических методов поиска экстремума. В качестве исходных данных используются многопараметровые характеристики, полученные экспериментальным или расчетным путем.

5. Минимальная частота вращения первичного дизеля должна быть ограничена наибольшим из значений, определяемых технической характеристикой двигателя и генератора. Максимально допустимая частота вращения первичного дизеля определяется следующим условием: удельный расход топлива энергоустановкой не должен превышать расход базовой установки с постоянной частотой вращения. Для дизелей типа 413/14 и ЧШЗ/14 диапазон варьирования относительных частот вращений составляет 0,67...0,87. При величине потерь в преобразователе частоты, превышающей экономию топлива от снижения частоты вращения первичного дизеля, целесообразно выводить преобразователь частоты из работы, используя встроенный байпас, и устанавливать посредством САУ номинальную частоту вращения ДВС. Кроме повышения КПД электрической части МЭК это способствует повышению ресурса преобразователя частоты примерно в три раза.

6. Максимальная экономия топлива при работе МЭК на базе двигателя 8ЧН13/14 по оптимальной характеристике может достичь 27 %. В реальных условиях эксплуатации экономия будет ниже и для электростанций на базе дизелей типа 413/14 и ЧН13/14 составит около 4,6 %.

7. Изменение частоты вращения влечет снижение количества потенциально утилизируемого тепла в реальных условиях эксплуатации на 4 %, однако в денежном выражении это составляет 2,2 % (8 тыс. руб.) от экономического эффекта, связанного с повышением топливной экономичности. Поэтому при оптимизации изменение теплового баланса первичного дизеля может не учитываться.

8. Расчет с использованием разработанной методики оценки экономической эффективности многофункционального энерготехнологического комплекса в реальных условиях эксплуатации (с учетом переменной частоты вращения и графика нагрузки) показал, что годовые затраты на приобретение топлива для МЭК на базе дизеля 8ЧН13/14, работающего в населенном пункте с сельскохозяйственным производством, могут быть снижены на 374 тыс. рублей. Срок окупаемости преобразователя частоты мощностью 200 кВт 3,8 лет, что ниже нормативного срока окупаемости капиталовложений 7 лет и нормативного срока эксплуатации преобразователя частоты 10 лет.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

а) в гаданиях, рекомендованных ВАК:

1. Алешков, O.A. Повышение топливной экономичности многофункционального энерготехнологического комплекса оптимизацией скоростного режима первичного дизельного двигателя в его составе / О.А Алешков, АА Малоземов // Ползуновский вестник. - 2009. -№ 1-2. -С. 199-209.

2. Алешков, O.A. Топливная экономичность многофункционального энерготехнологического комплекса с переменной частотой вращения первичного дизельного двигателя / АА Малоземов, О.А Алешков // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. Научный журнал. - Вып. 1. - Новосибирск: ФГОУ ВПО «НГАВТ», 2009. - С. 191-192.

б) в других изданиях:

3. Алешков, ОА Анализ тенденций развитая малой и нетрадиционной энергетики / О.А Алешков // Научный вестник ЧВВАКИУ. - Вып. 19. - Челябинск: ЧВВАКИУ, 2007. -С. 143-148.

4. Алешков, О.А Эффективность использования топливоэнергетических ресурсов в гибридных энергоустановках / A.A. Малоземов, O.A. Алешков, // Экологические проблемы энергоустановок с тепловыми двигателями. - Барнаул: АлтГТУ,2007.-С. 50-62.

5. Алешков О.А Сравнительный анализ параметров тракторных дизелей зарубежного и отечественного производства / O.A. Алешков // Материалы второй всероссийской научно-практической конференции с международным участием (1-4 октября 2008, АлтГТУ им. И.И. Ползунова) «Энергетические, экологические и технологические проблемы экономики». - Барнаул, 2008. - С. 203-206.

6. Алешков, О.А Повышение топливной экономичности первичного дизеля энергоустановки оптимизацией скоростного режима / A.B. Копеин, A.A. Малоземов, O.A. Алешков // Повышение эффективности силовых установок колесных и гусеничных машин: материалы науч.-техн. конференции, посвященной 40-летию кафедры двигателей. - Челябинск: ЧВВАКИУ, 2008. - С. 31-34.

7. Алешков, О.А Оценка энергетической эффективности использования топливно-энергетических ресурсов в автономных многофункциональных энергетических комплексах / B.C. Кукис, A.A. Малоземов, O.A. Алешков // Известия Международной академии аграрного образования. - Вып. 7 (2008). - Том 1. - СПб, 2008.

С. 126-130.

8. Алешков, О.А Оценка влияния частоты вращения коленчатого вала на экономические показатели первичного дизеля гибридной энергетической установки / O.A. Алешков, A.B. Тананыкин // Научный вестник ЧВВАКИУ. - Вып. 20. -Челябинск: ЧВВАКИУ, 2009. - С. 113-138.

Подписано в печать 23.09.2009. Формат 60x84 1/16. Печать - цифровая. Усл.п.л. 0,93. Тираж 100 экз. Заказ 2009 - 525

Список основных условных обозначений и сокращений.

Введение.

1. Проблемы и перспективы повышения топливной экономичности энергоустановок на базе поршневых двигателей.

1.1. Проблема улучшения экономических характеристик энергоустановок на базе поршневых ВС.

1.1.1. Современное состояние автономных систем энергоснабжения на базе ДВС-элекгростанций.

1.1.2. Перспективы развития когенерационных энергоустановок.

1.1.3. Требования нормативно-технической документации к характеристикам топливной экономичности дизельных двигателей

1.2. Методы повышения топливной экономичности дизельных двигателей.

1.2.1. Общие направления повышения топливной экономичности

1.2.2. Совершенствование рабочего цикла двигателя.

1.2.3. Оптимизация теплового баланса двигателя. 33<

1.2.4. Снижение механических потерь.

1.2.5. Оптимизация режимов нагружения двигателя.

1.3. Постановка научной проблемы, цель и задачи исследования.

1.3.1. Научная проблема исследования.

1.3.2. Цель и задачи исследования.

2. Математическое моделирование многофункциональных энерготехнологических комплексов. 2.1. Анализ особенностей математического моделирования многофункциональных энерготехнологических комплексов.

2.1.1. Особенности функционирования многофункциональных энерготехнологических комплексов и дизелей в их составе.

2.1.2. Система критериев энергетической эффективности многофункциональных энерготехнологических комплексов.

2.1.3 Систематизация и классификация методов совершенствования энергоустановок. 592.1.4. Обзор и анализ существующих методов математического моделирования рабочего процесса поршневых двигателей внутреннего сгорания.

2.2. Математическая модель МЭК с первичным дизелем:.

2.2.1 Общие положения.

2.2.2. Математическая модель рабочего процесса:.

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.

2.3. Расчетно-теоретическая оценка влияния скоростного режима первичного двигателя и других факторов на топливную экономичность энергоустановки.

2.3.1. Методика расчетно-теоретической оценки.

2.3.2. Результаты расчетно-теоретической оценки влияния частоты вращения на эффективный КПД первичного дизеля.

2.3.3 Результаты расчетно-теоретической оценки влияния) частоты вращения коленчатого вала на тепловой баланс первичного дизеля и количество потенциально утилизируемого тепла. ^

2.3.4. Оценка влияния частоты вращения первичного дизеля на КПД генератора и инвертора.

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].

Рис. 1. Баланс электроэнергии в регионах России (по данным Международного Энергетического Агенства)

В результате затраты на транспортирование энергии из районов с положительным балансом мощности в энергодефицитные районы и потери в процессе транспортирования становятся неоправданно большими [5].

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 [6].

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.

На рис. 2 показана карта, позволяющая оценить уровень централизации производства электрической энергии в РФ.

Рис. 2. Уровень централизации производства электроэнергии в России -показатель HHI (по данным МЭА [7])

Показатель НШ (Herfindahl-Hirschman Index) является общепринятым индикатором концентрации собственности и влияния на рынке. Суммарное значение НШ выше 1800 указывает на то, что степень концентрации позволяет одной или более компаниям злоупотребить своими сильными позициями на рынке. Оптимальный уровень децентрализации для экономики России, по оценкам WADE (World Alliance for Decentralized Energy [8]), составляет 31.2 % от общего производства электроэнергии.

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 - 6,2-1015 кВт-ч/год, экономический ветровой потенциал - 40-109 кВт ч/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 ДВС, 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 различных 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 стандартам; 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 стандартных и нестандартных режимах нагружения.

3. Результаты экспериментальной оценки- топливной» экономичности( энергоустановки при работе с переменной частотой вращения.

4'. Аналитические зависимости параметров, энергетической*! 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 s 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 «НИИ 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.

Результаты исследования могут быть использованы при создании многофункциональных энерготехнологических комплексов, модификаций первичных дизелей, предназначенных для работы в их составе, модернизации существующих ВЭС и ДВС-электростанций, при проведении НИР и ОКР, в учебном процессе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения настоящей работы проведен комплекс расчетно-теоретических и экспериментальных исследований, направленных на повышение топливной экономичности многофункционального энерготехнологического комплекса путем оптимизации скоростного режима первичного дизеля в его составе:

1. Выполнен обзор и анализ современного состояния малой энергетики на базе ДВС-электростанций, показаны основные тенденции их развития. Проведен анализ особенностей функционирования первичного дизеля в составе МЭК, который выявил, что резервом повышения его топливной экономичности является перевод первичного ДВС на работу с переменной частотой вращения коленчатого вала, зависящей от нагрузки. Разработана система критериев энергетической эффективности энергоустановок, на ее основе предложена классификация методов совершенствования МЭК.

2. Обоснован выбор математической модели рабочих процессов поршневого ДВС. Применительно к предмету и цели исследования наиболее целесообразно использование модели, основанной на системе обыкновенных дифференциальных уравнений массового и энергетического баланса газов в камере сгорания дизеля, дополненной уравнением состояния рабочего тела, теплопередачи через стенки камеры сгорания, расхода газов через органы газообмена, дифференциальными моделями ветроустановки, генератора, преобразователя частоты, другого электрооборудования, кривошипно-шатунного и газораспределительного механизмов ДВС, впускных и выпускных коллекторов, турбокомпрессора, трансмиссии энергоустановки.

3. Выполнена расчетно-теоретическая оценка влияния различных факторов на параметры, определяющие топливную экономичность МЭК: а) удельный эффективный расход топлива первичным дизелем, б) энергетический баланс первичного дизеля и потенциал утилизации сбросового тепла, в) энергетические потери в системах МЭК (инверторе, генераторе и т. д.).

Предложены упрощенные зависимости, позволяющие оценить влияние частоты вращения коленчатого вала и нагрузки на эффективный удельный расход топлива и КПД первичного дизеля, относительный КПД всережимного генератора и преобразователя частоты, количество потенциально утилизируемого тепла для энергоустановок на базе дизелей типа 413/14 и ЧН13/14.

Теоретически обоснована оптимальная, с точки зрения топливной экономичности, зависимость частоты вращения коленчатого вала первичных дизелей типа 413/14 и 4Н13/14 от механической нагрузки на двигатель и электрической нагрузки энергоустановки. Обоснован выбор граничных (минимальных и максимальных) значений частоты вращения первичного дизеля в составе энергоустановки с всережимным генератором и преобразователем частоты.

4. Проведена в стендовых условиях экспериментальная оценка влияния частоты вращения коленчатого вала и режима нагружения на характеристики топливной экономичности первичного дизеля и энергоустановки. Выполнен статистический анализ экспериментальных данных, на основании которого предложены регрессионные зависимости оптимальной частоты вращения от нагрузки для дизелей типа 6413/14 и 44Н13/14, а также для энергоустановки на их базе. Предложена зависимость оптимальной частоты вращения энергоустановки от оптимальной частоты вращения первичного двигателя. Подтверждена сходимость результатов расчетно-теоретического и экспериментального исследований.

5. Обоснован, с использованием результатов расчетно-теоретических и экспериментальных исследований, алгоритм функционирования системы автоматического регулирования частоты вращения коленчатого вала первичных двигателей типа 413/14 и 4Н13/14, обеспечивающий максимально возможную топливную экономичность МЭК с учетом ограничивающих параметров назначения и безопасности.

Разработаны основные положения методики синтеза алгоритма САРЧ для энергоустановок на базе первичных дизелей других типов.

Полевые испытания энергоустановки на базе дизеля 8ЧН13/14 в составе ВЭС «Заполярная» подтвердили ее работоспособность и соответствие требованиям нормативно-технических документов.

6. Предложена методика оценки'экономической эффективности мероприятий по оптимизации скоростного режима первичного дизеля МЭК, основанная на графике его нагружения в условиях эксплуатации.

По результатам проведенного исследования можно сделать следующие выводы и рекомендации:

1. Со снижением частоты вращения первичных дизелей типа 413/14 и ЧН13/14 индикаторный КПД в рабочем диапазоне режимов нагружения ухудшается на 2. 8 %, что вызвано увеличением продолжительности сгорания топлива по углу поворота коленчатого вала. Однако, уменьшение механических и насосных потерь на 2.3,5 кВт/цилиндр и 0,4.0,6 кВт/цилиндр, соответственно, (в диапазоне п=1 ООО. 1500 мин"1) влечет увеличение эффективного КПД, при этом максимум КПД смещается в сторону более низкой частоты вращения. Соответствующим образом изменяется положение минимума эффективного удельного расхода топлива.

2. При относительной частоте вращения 0,87 pu механические потери всережимного генератора равны потерям в обычном генераторе. При снижении частоты,вращения до 0,67 pu механические потери снижаются примерно в три раза, что компенсирует некоторое уменьшение (на 0,25.0,40 %) электрического КПД. КПД преобразователя частоты в рабочем диапазоне энергоустановки изменяется в пределах от 0,995 (при номинальных нагрузке и частоте вращения) до 0,952 (при коэффициенте нагружения 0,2 и w=0,67 pu). По отношению к генератору ПЧ представляет собой активную нагрузку, что позволяет дополнительно снизить потери в генераторе на 1. 1,5 %.

3. Оптимальный, с точки зрения топливной экономичности, алгоритм изменения частоты вращения может быть получен минимизацией функциональной зависимости удельного эффективного расхода топлива от нагрузки и частоты вращения с использованием математических методов поиска экстремума. В качестве исходных данных используются многопараметровые характеристики, полученные экспериментальным или расчетным путем.

4. Минимальная частота вращения первичного дизеля должна быть ограничена наибольшим из значений, определяемых технической характеристикой двигателя и генератора. Максимально допустимая частота вращения первичного дизеля определяется следующим условием: удельный расход топлива энергоустановкой не должен превышать расход базовой, установки с постоянной частотой вращения. Для, дизелей типа 413/14 и ЧН13/14 диапазон варьирования частот вращений составляет 0,67.0,87 ри. При величине потерь в ПЧ, превышающей экономию топлива от снижения частоты вращения первичного дизеля, целесообразно выводить ПЧ из работы, используя встроенный байпас, и устанавливать посредством САУ номинальную частоту вращения ДВС. Кроме повышения КПД электрической части МЭК, такое решение способствует повышению ресурса ПЧ примерно в три раза.

5: Максимальная экономия топлива при работе МЭК на базе двигателя 8ЧН13/14 по оптимальной характеристике может достичь 27 %. В реальных условиях эксплуатации экономия будет ниже и для электростанций на базе дизелей типа 413/14 и ЧН13/14 составит около 4,6 %.

6. Изменение частоты вращения влечет снижение количества потенциально утилизируемого тепла в реальных условиях эксплуатации на 4 %, однако в. денежном выражении это составляет 2,2 % (8 тыс. руб.) от экономического эффекта связанного с повышением топливной экономичности. Поэтому при оптимизации изменение теплового баланса первичного дизеля может не учитываться.

7. Расчет, с использованием разработанной методики оценки экономической эффективности многофункционального энерготехнологического комплекса в реальных условиях эксплуатации (с учетом переменной частоты вращения и графика нагрузки), показал, годовые затраты на приобретение топлива для МЭК на базе дизеля 8ЧН13/14, работающего в населенном пункте с сельскохозяйственным производством, могут быть снижены на 374 тыс. рублей. Срок окупаемости преобразователя частоты мощностью 200 кВт -3,8 лет, что ниже нормативного срока окупаемости капиталовложений - 7 лет и нормативного срока эксплуатации ПЧ - 10 лет.

1. Берсенев, A.M. Развитие электроэнергетики России и повышение ее экологической эффективности Текст. A.M. Берсенев, JI.M. Еремин // Топливно-энергетический комплекс. 1998. - № 3-4. - С. 86-88.

2. Ливинский, А.П. Стратегия энергосбережения: региональный подход Текст. / А.П. Ливинский, Л.С. Казаринов, И.С. Осипов и др. / Под ред. П.П. Ливинского // Челябинск: Областной фонд энергосбережения, ЧГТУ, 1996. -170 с.

3. Молодцов, С.Д. Электроэнергетика в 90-х годах Текст. / С.Д. Молодцов // Электрические станции. 1999 - № 5. - С. 58-64.

4. Ольховский, Г.Г. Пути развития мировой энергетики Текст. / Г.Г. Ольховский // Электрические станции. 1999. - № 6. - С. 10-18.

5. Малозёмов, А.А. Дизельные электроагрегаты база малой энергетики Текст. / А.А. Малозёмов, К.К. Ильковский, И.Я. Редько // Малая энергетика». -М.: 2004. - С. 14-18.

6. Алешков, О.А. Анализ тенденций развития малой и нетрадиционной энергетики Текст. / О.А. Алешков / Научный вестник ЧВВАКИУ. -Вып. 19. Челябинск: ЧВВАКИУ, 2007. - С. 113-138.

7. Russian electricity reform: Emerging challenge and opportunities. International Energy Agency (TEA). 2005. 23 p.

8. World Survey of decentralized energy 2005. WADE: 2005. 71 p.

9. Щеглов, А.Г. Влияние научно-технического прогресса на повышение эффективности производства электроэнергии и тепла Текст. / А.Г. Щеглов // Теплоэнергетика. 1993. - № 3. - С. 14-20.

10. Малозёмов, А.А. Мини-ТЭЦ на базе электростанции ДГУ-ЮОС Текст. / Малозёмов А.А., Казанцев М.А. // Тракторы и сельскохозяйственные машины. М.: Машиностроение, 2001. - № 9. - С. 17 -18.

11. Атласы ветрового и солнечного климатов России Текст. СПб: Изд-во им. А.И. Воейкова, 1997. 173 с.

12. Зубарев, В.В. Использование энергии ветра в районах Севера Текст. /В.В. Зубарев, В.А. Минин, И.Р. Степанов. -М.: Наука, 1989.-208 с.

13. Дизельные и газовые двигатели. Каталог Текст. / Под ред. Орлова Е.И., Вершинина А.С., Матвеева В.В. и др. СПб: ГУП ЦНИДИ, 2000. - 228 с.

14. Байкалов, С.П. Роль и место когенерационных установок в концепции развития энергетики Алтайского края Текст. / С.П. Байкалов, В.В. Логвиненко, Д.Д. Матиевский // Двигателестроение. 1998 - № 4. - С. 6-7.

15. Щеглов, А.Г. Влияние научно-технического прогресса на повышение эффективности производства электроэнергии и тепла Текст. / А.Г. Щеглов // Теплоэнергетика 1993 - № 3. - С. 24-28.

16. ГОСТ 10150-88. Дизели судовые, тепловозные и промышленные. Общие технические условия Текст. — Введ. 1991-01-01. — М.: Изд-во стандартов, 1989. -32 с.

17. ГОСТ 20000-88. Дизели тракторные и комбайновые. Общие технические условия Текст. Введ. 1990-01-01. -М.: Изд-во стандартов, 1997. -15 с.

18. ГОСТ Р 51998-2002. Дизели автомобильных транспортных средств. Общие технические условия Текст. Введ. 2004-01-01. - М.: Изд-во стандартов, 2003. - 6 с.

19. Гоц, А.Н., Перспективы и концепции развития дизелей и бензиновых двигателей Текст. / А.Н. Гоц, В.В. Эфрос // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 1998. - № 9. - С. 2-5.

20. Драганов, Б.Х. Конструирование впускных и выпускных каналов двигателей внутреннего сгорания Текст. / Б.Х. Драганов, М.Г. Круглов, B.C. Обухова/-Киев.: Вища ж., 1987. 175с.

21. Лазарев, Е.А. Основные положения по совершенствованию процесса сгорания топлива в дизелях промышленных тракторов Текст. / Е.А. Лазарев / Челябинск: ЧПИ, 1989. 269 с.

22. Лазарев, Е.А. Систематизация, классификация й оценка эффективности методов совершенствования процесса сгорания в дизелях Текст. / Е.А. Лазарев. Челябинск: ЧПИ, 1990. 168 с.

23. Теория двигателей внутреннего сгорания Текст. / Под. ред. Дьяченко Н.Х. Л.: Машиностроение, 1974. 552 с.

24. Погодин, С.И. Рабочие процессы транспортных турбопоршневых двигателей Текст. / С.И. Погодин. М.: Машиностроение, 1978. 312 с.

25. Матиевский, Д.Д. Снижение токсичности дизеля организацией перепуска отработавших газов охлаждаемых водой, водными растворами спиртов и аммиака Текст. / Д.Д. Матиевский, М.А. Челядников // Двигателе-строение. 1985. - №7. - С. 3-6.

26. Новиков, Л.А. Современные и перспективные технологии для организации малотоксичной работы двигателей Текст. / Л.А. Новиков // Дви-гателестроение. 2004. - № 1. - С. 7-15.

27. Новоселов, А.Л. Основы инженерной экологии в двигателестрое-нии: Учебное пособие Текст. / АЛ. Новоселов, А.А Мельберт, СЛ. Беседен / Под ред. А.Л. Новоселова. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 1993. - 98 с.

28. Millington, B.W. Frictional Losses in Diesel Engines Текст. / B.W. Millington, E. R. Hartles // SAE Paper 680590, SAE Transactions, Vol. 77, 1968.-P. 161-165.

29. Jurgen R.K. Automotive Electronics Handbook Текст. / R.K. Jurgen //McGraw-Hill Companies, Inc., Second Edition, 1999. P. 95-99.

30. Phillips, A.W. A PC-Based Vehicle Powertrain Simulation for Fuel Economy and Performance Studies Текст. / A.W. Phillips, D.N. Assanis // International Journal of Vehicle Design, 10:6, 639-658, 1989. P. 78-83.

31. A variable answer for gen set Текст. // Diesel progress international. November-December 2007. P. 52-53.

32. ГОСТ 13822-82. Электроагрегаты и- передвижные электростанции дизельные. Общие технические условия Текст. Введ. 1984-01-01. - М.: Изд-во стандартов, 1989. - 30 с.

33. ГОСТ 23377-84. Электроагрегаты и передвижные электростанции с двигателями внутреннего сгорания. Общие технические требования Текст. Введ. 1985-01-07. -М.: Изд-во стандартов, 1998.-23 с.

34. ГОСТ Р 5078395. Электроагрегаты и передвижные электростанции с двигателями внутреннего сгорания. Общие технические требования Текст. Введ. 1996-01-01. -М.: Изд-во стандартов, 1995. - 25 с.

35. Электротехнический справочник: Т.З. - Производство и распределение электрической энергии Текст. / Под общ. ред. И.Н. Орлова (гл. ред. и др.) 7-е изд., испр. и доп. -М.: Энергоатомиздат, 1988. - 880 с.

36. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения Текст. Введ. 1999-01-01. -М.: Изд-во стандартов, 1999. - 32 с.

37. Правила устройства электроустановок (ПУЭ). Раздел 6, 7 (гл. 7.1, 7.2). М: ЭНАН-Глобус, 2002. - 79 с.

38. СНиП 41-01-2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование Текст. Введ. 2005-01-01. - М.: Деан, 2004. - 144 с.

39. Наумов, A.JI. Алгоритм выбора МИНИ-ТЭЦ Текст. / А.Л. Наумов // Журнал АВОК 2006. - № 1. - С. 28-32.

40. Алешков, О.А. Эффективность использования топливо-энергетических ресурсов в гибридных энергоустановках Текст. /

41. О.А. Алешков, А.А. Малозёмов // Экологические проблемы энергоустановок с тепловыми двигателями. Барнаул, 2007. С. 50-62.

42. ГОСТ Р 51749-2001-. Энергосбережение. Энергопотребляющее оборудование общепромышленного применения. Виды. Типы. Группы. Показатели энергетической* эффективности. Идентификация Текст. -Введ. 2002-01-01. -М.: Изд-во стандартов, 2001. 27 с.

43. Двигатели внутреннего сгорания. Кн.1. - Теория рабочих процессов Текст. / Под ред. BsH. Луканина. - М.: Высш.шк., 1995. - 368 с.

44. Лазарев; Е.А. Основные принципы, методы и- эффективность средств совершенств ования- процесса сгорания, топлива для повышения технического уровня тракторных дизелей. Учебное пособие Текст. / Е.А. Лазарев. Челябинск: ЧГТУ, 1995. - 215 с.

45. Математическое моделирование и исследование процессов,в ДВС. Учебное пособие. Текст. / С.И. Алексеенко, В.В. Арапов, B.C. Бабкин.и др. / Под. ред. В.А. Вагнера, Н.А. Иващенко, В.Ю. Русакова. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 1997. - 198 с.

46. Матиевский, Д.Д. Рабочие процессы в ДВС: Учебное пособие Текст. / Д.Д Матиевский. Барнаул: АлтПИ, 1983. - 84 с.

47. Иванченко, В.И. Машинно-ориентированные методы расчета комбинированных двигателей Текст.- / В:И. Иванченко, В.И. Каплан, К.Б. Цыретдо-ров. М.: Машиностроение, 1978. - 168 с.

48. Pulkrabek, W. Engineering Fundamentals of the Internal' Combustion Engine Текст. / W. Willard, F. Pulkrabek. -New Jersey, Prentice Hall, Upper Saddle River, 2001. 424 p.

49. Heywood J.B. Internal Combustion Engine Fundamentals Текст. / J.B. Heywood McGraw-Hill, 1988. - 940 p.

50. Круглов, М.Г. Газовая динамика комбинированных двигателей внутреннего сгорания: Учебное пособие Текст. / М.Г. Круглов, А.А. Мед-нов. М.: Машиностроение, 1988. 360 с.

51. Андерсон, Д. Вычислительная гидромеханика и теплообмен Текст. / Д. Андерсон, Дж. Теннехил, Р. Плетчер. В 2-х т. М.: Мир, 1990. -384 с.

52. Монин, А.С. Статистическая гидромеханика: теория турбулентности Текст. / А.С. Монин, А.М. Яглом. М.: Наука, 1992. - 695 с.

53. Deardorff, J.W. A numerical study of three-dimensional turbulent channel flow at large Reynolds numbers Текст. / J.W. Deardorff // J. Fluid Mech. -41.-1970-P. 453-480.

54. Jennifer, C. Reitz modeling spray Atomization With The Kelvin-Helmholtz/Rayleigh-Taylor Hybrid Model Текст. / С. Jennifer, R. Beale // Engine Research Center, University of Wisconsin-Madison, Madison, Wisconsin, USA, 2001.-P. 98-105.

55. Seiser, H. Extinction and Autoignition of n-Heptane in Counterflow Configuration» Текст. / H. Seiser, H. Pitsch, K. Seshadri, W. Pitz, H. Curran. // Proceedings of the Combustion Institute. Vol. 28. - 2000. - P. 2029-2037.

56. Curran, H. A Comprehensive Modeling Study of n-Heptane Oxidation Текст. / H. Curran, P. Gaffuri, W. Pitz, C. Westbrook // Combustion and Flame. -114.- 1998-P. 149 -177.

57. Golovichev, V. Revising «Old» Good Models: Detailed Chemistry Spray Combustion Modeling Based on Eddy Dissipation Concept Текст. /

58. V. Golovichev // 5th International Conference «Internal Combustion Engines» September 23-27, 2001, Capri-Naples, Italy. .P. 136-141.

59. Wang, Н. A Detailed Kinetic Modeling Study of Aromatics Formation in Laminar Premixed Acetylene and Ethylene Flames Текст. / H. Wang, M. Frenklach // Combustion and Flame. 110. - 1997. - P. 173-221.

60. Daubert, T. Physical and Thermodynamic Properties of Pure Chemicals: Data Compilations Текст. / Т. Daubert, R. Danner. Taylor & Fransis, 1994. - 142 p.

61. Burcat, A. Ideal Gas Thermodynamic Data for Combustion and Air-Pollution Use Текст. / A. Burcat, B. McBride // Technion Report. TAE 697, 1993.-P. 73-81.

62. STAR-CD version 3.15. Methodology Текст. Computational Dynamics Limited: 2001. 141 p.

63. Fluent 6. Computational fluid dynamics software. Product description Текст. Fluent Inc., 2005. 37 p.

64. Software R. VECTIS CFD Release 3.4 Theory Manual Текст. / R. Software. Ricardo Consulting Engineers Ltd., 1999. - P. 77-85.

65. AVL Fire. 3D Flow Analysis. Product description Текст. AVL LIST GMBH. 2005.-91 p.

66. Amsden, A. KIVA-3V, release 2, improvements to KIVA-3V Текст. / A. Amsden // Los Alamos national laboratory, May 1999. P. 71-88.

67. Сеначин, П.К. Моделирование процессов самовоспламенения и горения в ограниченных объемах и двигателях внутреннего сгорания Текст. / П.К. Сеначин // Дисс. . докт. техн. наук / АлтГТУ им. И.И. Ползунова. Барнаул, 1998.-396 с.

68. Assanis, D.N. Development and Use of a Computer Simulation of the Turbocompounded Diesel System for Engine Performance and Component Heat Transfer Studies Текст. / D.N. Assanis, J.B. Heywood // SAE Paper 860329, 1986.-P. 1462-1459.

69. Разлейцев, Н.Ф. Моделирование и оптимизация процесса сгорания в дизелях Текст. / Н.Ф. Разлейцев. Харьков: Вица шк., 1980. - 169 с.

70. GT-POWER. The Industry Standard. Product description Текст. Gamma Technologies. 2005. 33 p.

71. IFP-C3D User Manual Version 1.2 Текст. LMS Imagine, 2005.255 p.

72. Performance simulation and gas dynamics Текст. // WAVE. Product description. Ricardo Software, 2004. 94 p.

73. AVL BOOST Cycle Simulation. Product description Текст. AVL LIST GMBH. 2005. 79 p.

74. Ogink, R. Applications and Results of a User-Defined, Detailed-Chemistry HCCI Combustion Model in the AVL BOOST Cycle Simulation Code Текст. / R. Ogink // Int. User Meeting 2003, AVL, 14-15 October 2003, Graz, Austria. P. 52-59.

75. Володин, А.И. Моделирование на ЭВМ работы тепловозных дизелей Текст. / А.И. Володин. М.: Транспорт, 1985. - 216 с.

76. Fritzson, P. Principles of Object-Oriented Modeling and Simulation with Modelica 2.1 Текст. / P. Fritzson. Wiley-IEEE Press, 2003. 939 p.

77. Silverlind, D. Mean Value Engine Modeling with Modelica. Master thesis Текст. / D. Silverlind. Avdelning, Institution. Dept. of Electrical Engineering. 2001. 92 p.

78. Дащенко, А.Ф. Matlab в инженерных и научных расчетах текст. / А.Ф. Дащенко, В.Х. Кириллов, JI.B. Коломиец и др. Одесса: Астропринт, 2003 - 214 с.

79. Иссерлис, Ю.Э. Системное проектирование двигателей внутреннего сгорания Текст. / Ю.Э. Исерлис, В.В. Мирошников. JI.: Машиностроение, 1981.-255 с.

80. Шеннон, Р. Имитационное моделирование систем искусство и наука Текст. / Р. Шеннон. - М.: Мир, 1978. - 53 с.

81. Гончар, Б.М. Численное моделирование рабочего процесса дизелей Текст. / Б.М. Гончар // Энергомашиностроение. 1968. - №7. - С. 28-41.

82. Костин А.К. Работа дизелей в условиях эксплуатации: Справочник Текст.,/ А.К. Костин и др. Л.: Машиностроение, 1989. - 157 с.

83. Розенблит, Г.Б. Теплопередача в дизелях Текст. / Г.Б. Розенблит. -М.: Машиностроение, 1977. 216 с.

84. Chen, S. К. Development of Single Cylinder Compression Ignition Research Engine Текст. / S. K. Chen, P. F. Flynn // SAE 650733, 1965. P. 154168.

85. Вибе, И.И. Новое о рабочем цикле двигателя Текст. / И.И. Вибе. -М.: Машгиз, 1962.-271 с.

86. Лотоцкий, К.В. Электрические машины и основы электропривода Текст. /К.В. Лотоцкий. -М.: Колос, 1964. 497 с.

87. ГОСТ 25941-83. Машины электрические вращающиеся. Методы определения потерь и коэффициента полезного действия Текст. Введ. 1984-01-01. -М.: Изд-во стандартов, 2003. - 29 с.

88. Кацман, М.М. Расчет и конструирование электрических машин Текст. / М.М. Кацман М.: Энергоатомиздат, 1984 - 360 с.

89. ГОСТ 24607-88. Преобразователи частоты полупроводниковые. Общие технические требования Текст. Введ. 1990-01-01. - М.: Изд-во стандартов, 1989. - 25 с.

90. Горский, А.Н. Расчет электромагнитных элементов источников вторичного электропитания Текст. / А.Н.Горский, Ю.С.Русин, Н.Р.Иванов и др. -М.: Радио и связь, 1988. 176 с.

91. ГОСТ 10150-88. Дизели судовые, тепловозные и промышленные. Общие технические условия. Текст. Введ. 1991-01-01. - М.: Изд-во стандартов, 1989. - 32 с.

92. ГОСТ 18509-88. Дизели тракторные и комбайновые. Методы стендовых испытаний Текст. Введ. 1990-01-01. - М.: Изд-во стандартов, 1988.-69 с.

93. ГОСТ 26658-85. Электроагрегаты и передвижные электростанции с двигателями внутреннего сгорания. Методы испытаний Текст. Введ. 1987-01-01. -М.: Изд-во стандартов, 1986. - 40 с.

94. ГОСТ Р ИСО 8528-6-2005. Электроагрегаты генераторные переменного тока с приводом от двигателя внутреннего сгорания. Часть 6. Методы испытаний Текст. Введ. 2007-01-01. - М.: Изд-во стандартов, 2006. -12 с.

95. Копеин, А.В. Вредные вещества в отработавших газах дизелей текст. / А.В. Копеин // Повышение эффективности силовых установок колесных и гусеничных машин: научный вестник. Вып. 19. - Челябинск: ЧВВАКИУ, 2007. - С. 94-101.