автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Разработка эффективных автономных систем энергообеспечения поселков Крайнего Севера на основе использования дизельных энергетических комплексов

РГВ 08

"9 ЯИя

На правах рукописи

Ливинский Анатолий Павлович

РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНЫХ АВТОНОМНЫХ СИСТЕМ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ ПОСЕЛКОВ КРАЙНЕГО СЕВЕРА НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДИЗЕЛЬНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ

КОМПЛЕКСОВ

Специальности: 05.14.04 - промышленная теплоэнергетика,

05.09.03 - электротехнические комплексы и системы, включая управление и регулирование.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2000 г.

Работа выполнена в Южно-Уральском государственном университете 1 Московском энергетическом институте (ТУ)

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Редько И.Я.

доктор технических наук, профессор Кувшинов Ю.Я.

кандидат технических наук, профессор Борисов Б.Г.

Ивановский государственный энергетический университет

Защита диссертации состоится «23» июня 2000 г. в аудитории

...........часов на заседании диссертационного Совета К.053.16.03 в Московскор

энергетическом институте (техническом университете) по адресу: г. Москва Красноказарменная улица, дом 17, комната_.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печаты организации, просим присылать по адресу: 111250, Москва, Красноказарменна улица, дом 17, Ученый Совет МЭИ (ТУ).

№

Автореферат разослан:«....». .Л^Гк:^..2000 года.

Ученый секретарь диссертационного Совета К.053.16.03 к.т.н., доцент

Н.В. Кулешов

Актуальность работы. Энергоемкость внутреннего валового продукта »оссии во много раз выше, чем в развитых странах мира. Поэтому важнейшими вправлениями энергетической политики страны являются повышение ффективности использования топливно-энергетических ресурсов и создание 'словий для перевода экономики на энергосберегающий путь развития.

Проблема обеспечения районов Крайнего Севера и приравненных к ним ерриторий, в которых проживает в сложнейших климатических условиях жоло 10 млн. жителей, теплом и электроэнергией с высоким коэффициентом [спользования завозимого сюда топлива не может рассматриваться решенной. Совершенствование дизельных приводов электростанций, котельных малой мощности, реализация отдельных энергосберегающих мероприятий на фед'приятиях и в жилищно-коммунальной сфере снижают в некоторой степени »бъемы завозимого в эти районы топлива. Однако радикального эффекта в ювышении эффективности использования этого топлива можно достичь путем тучно-обоснованных решений при комплексном рассмотрении и оптимизации (епи: потребители энергии - системы тепло-, электроснабжения - источник жергообеспечения - экология района. -

Специфика энергообеспечения районов Крайнего Севера требует более лубоких научных и технических разработок в области комбинированного нергоснабжения, использования в источниках энергии различных видов как авозимых, так и местных топлив.

Повышение эффективности использования всех видов органического оплива за счет комбинированного производства электроэнергии и тепла на снове применения двигателей внутреннего сгорания в энергоустановках малой [ средней мощности и оптимизации структуры энергетического баланса вляется актуальной задачей для нашей страны.

Актуальность решаемых в работе задач подчеркивает и их соответствие :ак Федеральной программе «Энергообеспечение районов Крайнего Севера и :риравненных к ним территорий, а также мест проживания малочисленных ¡ародов Севера, Сибири и Дальнего Востока за счет использования «традиционных возобновляемых источников энергии и местных видов оплива на 1996-2000 годы», так и одной из подпрограмм Федеральной ;елевой программы «Энергосбережение России. 1998+2005 гг.»

Целью работы является комплексное решение вопросов повышения нергетической эффективности автономных систем энергоснабжения (АСЭС) ипового поселка районов Крайнего Севера и приравненных к ним территорий утем совершенствования схем тепло-, электроснабжения и разработки ноготопливных дизель-генераторных установок.

Достижению поставленной цели способствует: обоснование на основе статистических исследований выбора типовых населенных пунктов;

разработка принципов эффективного обеспечения тепловой и электрической энергией модельных поселков с учетом промышленной и бытовой нагрузок;

- разработка технологической схемы автономной системы энергоснабжения на основе дифференцированного метода использования мощности ДВС; ,

- исследование распределения мощностных потоков между потребителями в автономной системе электроснабжения;

- комплекс экспериментальных исследований газодизельной модификации двигателя Д-160 по установлению влияния вида топлива на энергетическую эффективность АСЭС, выбору оптимальных величин запальной дозы жидкого топлива, угла опережения подачи запального топлива и степени сжатия.

- выбор и обоснование метода уменьшения вредных выбросов и уменьшения нагрузки на окружающую среду, которые могут применяться для ДГУ в районах Крайнего Севера и приравненных к ним территорий.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• разработан дифференцированный метод оценки энергетической эффективности использования мощности автономной системы энергоснабжения, позволяющий оптимизировать по максимуму КПД распределение потоков мощности между потребителями и обосновать местоположение дизель-генераторной установки с любым количеством каналов передачи энергии;

• определены параметры модели гармонических составляющих с периодом 6, 12 и 24 часа с нормированными амплитудами и углами фазовых сдвигов, позволяющей оценить суточные и годовые графики электрической нагрузки, а также обоснованы графики тепловой нагрузки применительно к населенному пункту районов Крайнего Севера и приравненных к ним территорий;

• получены новые экспериментальные данные по нагрузочным характеристикам и ограничивающим параметрам многотопливного дизеля Д-160, работающего в газодизельном режиме;

• предложены приемы и устройство магнитоэлектрического воздействия на топливо дизель-генераторных установок, обеспечивающие формирование зародышевых центров и переход паров углеводородного топлива в пары более легких фракций, что приводит к более полному сгоранию, снижению вредных выбросов в окружающую среду, улучшению режимов эксплуатации двигателя.

Практическая ценность работы состоит в разработке методов определения тепловых и электрических нагрузок районов Крайнего Севера и приравненных к ним территорий, а также метода распределения мощности между потребителями автономной системы энергоснабжения и метода обоснования места расположения дизель-генераторной установки с учетом работы ее на различных топливах.

Реализация результатов работы

Результаты исследований по оценке энергетической эффективности дизеля использованы при применении различных видов топлива в ОАО

(Челябинский тракторный завод» при создании многотопливной дизель--енераторной установки.

Методика выбора параметров автономной системы электроснабжения знедрена в ОАО «Челябэнерго».

Реализовано устройство «синтезатор-катализатор» с электромагнитным воздействием на топливо, улучшающее экологические характеристики не только дизельных, но и бензиновых двигателей.

Отдельные разделы работы использованы в учебном процессе при □бучении студентов по специальностям 100700, 101600 и другим не электротехническим специальностям.

Апробация работы. Основные положения работы, результаты экспериментальных исследований, выводы и рекомендации докладывались, обсуждались и получили одобрение на международных и внутри российских научно-практических конференциях (Материалы Международной конференции Международного энергетического агентства, г. Женева, 1996; 2-ая Международная научно-практическая конференция, г. Пермь, 1999; Научно-практическая конференция, г. Магнитогорск, 1997; Специализированные международные выставки «Энергосбережение 1999, 2000», март, декабрь 1999, март 2000 г.; научно-технические конференции Южно-Уральского гостехуниверситета, 1996+1999 гг. и др.)

Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в пяти печатных работах, в том числе одной монографии и одном учебном пособии для ВУЗов.

Объем и структура работы. Материал диссертации изложен на 181 страницах машинописного текста. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы из 127 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении и первой главе приводятся обоснования актуальности темы диссертации, формулируются цель и задачи исследований.

Анализ различных аспектов решаемой проблемы (особенности и климатических условий и энергообеспечения поселков районов Крайнего Севера и приравненных к ним территорий, энергетические установки для автономного энергообеспечения и перспективы их развития, экологические проблемы систем энергоснабжения и др.) позволил обозначить не полностью решенные вопросы и наметить задачи исследования.

Механический перенос на населенные пункты районов Крайнего Севера методов и технических решений проблем эффективного энергообеспечения, разработанных и апробированных в центральных регионах России, не может быть использован т.к. здесь ТЭЦ подключены к электрическим сетям региона и работают по тепловому графику, а баланс выработки и потребления

электроэнергии обеспечивают за счет централизованной системь электроснабжения.

Научно-обоснованные решения вопросов энергообеспечения населенны) пунктов требуют комплексного подхода, учитывающего взаимосвязь в цепи «потребитель - системы электро-, теплоснабжения - источнш энергообеспечения - экология района».

Анализ опубликованной литературы позволяет утверждать с целесообразности использования автономного тепло- и электроснабженш населенных пунктов рассматриваемых районов на базе многотопливны? двигателей внутреннего сгорания.

В реальных условиях эксплуатации автономных систеи энергообеспечения для повышения эффективности использования ТЭР особы? практический интерес представляет оптимизация распределения потоко! мощности энергии АСЭС между потребителями. Это позволяет уже на стадш проектирования АСЭС оптимизировать режимы работы всех ее звеньев.

Комплексное рассмотрение вопросов энергообеспечения районо] Крайнего Севера и приравненных к ним территорий требует учета I экологических аспектов этой проблемы.

Сказанное предопределило постановку задач исследования.

Во второй главе на основе обобщения собранных статистические данных по тридцати населенным пунктам из двадцати районов Крайней Севера и приравненных к ним территорий выбраны два модельных типовы; населенных пункта и обоснованы их тепловая и электрическая нагрузки.

Первый поселок размещен в районе с климатическими параметрами /',=-55 °С, С"р - -21,2°С, л„-280 суток, величина градусо-суток отопительноп периода (ГСОП) ГСОП = 11500 (°Схсутки)/год, второй - в районе I параметрами: г^ = -41 °С, Ср - -8,2'С, п0 - 248 суток, ГСОП= 7000 (°Схсутки)/год. Для обеспечения современных комфортных условш проживания людей каждый поселок застроен двухэтажными кирпичным! домами (5 жилых домов по 24 квартиры в каждом и 11 домов по 12 квартир;'. здания, используемые для административных и культурных учреждений административные органы поселка, школа, медицинские учреждения магазины). Все здания обеспечены системами центрапизованноп электроснабжения, отопления, холодного и горячего водоснабжения канализации. Квартиры жилых зданий оборудованы электроплитами дл. приготовления пищи. Большинство жителей поселков работают н градообразующих предприятиях.

Выбор количества и единичной мощности АСЭС дизель-генераторо должен проводиться не только на основании удовлетворения потребностей электроэнергии, но и с учетом изменений потребности в отпускаемой теплоте течение отопительного сезона и суток.

Достаточно корректный выбор можно осуществить даже если определить только максимальные изменения коэффициентов сезонной и часовой загрузки 1грегатов К™' и ЛГ"" •

Методика выявления характерных суточных и часовых графиков тотребления теплоты адаптирована применительно к выбранным типовым заселенным пунктам с жесткими климатическими условиями.

Используемая методика выявления характерных суточных и часовых -рафиков теплопотребления поселков позволила установить, что расход теплоты, на отопление в наиболее холодные сутки на 625+500% выше, чем в наиболее теплые сутки отопительного периода. Коэффициент часовой неравномерности колеблется от 1,3 (зимой) до 2,5 (летом). Максимальное шачение коэффициента сезонной неравномерности может достигать значения ЕСссз=8,6.

Такое значительное изменение потребления теплоты по тродолжительности отопительного сезона и по часам суток отрицательно ;кажется на гидравлической устойчивости тепловых сетей, а следовательно, на надежности и комфортности теплообеспечения.

<г,>

Л ^

I ь! ^

О 4

8 12 16 Рис. 1.

24

п, ч

Кроме того, энергетическая эффективность работы ДГУ повышается только при полезном использовании образующихся при его работе ВЭР, и чес больше ВЭР использовано, тем больше энергосбережение и выше КПД ДГТЭЦ. В свою очередь, чем ниже температуры сетевой воды в тепловых сетях, тем больше количество ВЭР можно использовать для ее подогрева, но гидравлическая устойчивость традиционных тепловых сетей снижается еще больше.

Качественно суточные графики отпуска теплоты для административно-коммунального сектора модельного поселка (при максимальной 1 и минимальной 2 потребности в тепле) показаны на рис. 1.

Использование аккумуляторов (линии 3, 4 на рис. 1) позволит снизить потребную тепловую мощность источника теплоты и диаметры тепловых сетей, а также облегчит борьбу с разрегулировкой тепловой сети при колебаниях суточной тепловой нагрузки.

Для моделирования суточного и годового потребления электрической энергии с базовым промышленным потреблением и переменной годичной нагрузкой, используемой на освещение, подключение электрических приборов и электропривод водоснабжения и вентиляции применена модель гармонических составляющих с периодом 6, 12 и 24 часа с нормированными амплитудами и углами фазовых сдвигов. Определены параметры модели, адекватные усредненным показателям Северо-западной энергетической системы (Рис. 2).

По аналогии с предложенным моделированием суточного графика изменения нагрузки можно попытаться учесть годовой график нагрузки.

Л

Я,-^/;со5(в».х( + аг,)ч./»(/) (1)

В этом выражении Р„ - месячная нагрузка для п-го месяца, п можно выбрать в пределах от 1 (январь) до 12 (декабрь), Р; -среднемесячная нагрузка соответствующая изменяемой составляющей; а>„ - частота изменения нагрузки, которая для нашего случая соответствует соп =я/6 , при этом 1=п, то есть соответствует порядковому номеру месяца; а„ -угол сдвига максимума нагрузки относительно начала года, обычно этот угол для потребителей России

В третьей главе в соответствии с принятой концепцией комплексного решения проблемы энергообеспечения районов Крайнего Севера и приравненных к ним территорий рассмотрен следующий элемент цепочки -системы тепло-, электроснабжения потребителей. При этом проведенный ранее анализ показал, что основой автономного энергоснабжения выбранных нами модельных поселков будут, дизель-генераторные установки, обеспечивающие потребителей теплотой и электроэнергией, т.е. ДГТЭЦ. Проанализированы возможности использования различных (двухтрубная безэлеваторная, с насосом смешения, трехтрубная и др.) схем теплоснабжения, имеющих в качестве источников вторичные энергетические ресурсы дизель-генераторных установок. Установлены температурные точки изменения методов регулирования отпуска тепла, оценены потери энергии за счет непроизводительных потерь напора. Доказана целесообразность использования в специфических условиях районов Крайнего Севера и приравненных к ним территорий трехтрубной схемы теплоснабжения, обеспечивающей постоянство расходов теплоносителя через все. элементы системы теплоснабжения. Предложена тепловая схема автономных систем энергоснабжения на базе вторичных энергетических ресурсов дизель-генераторных установок, обеспечивающая устойчивую работу при температурах окружающего воздуха от -55°С до +20°С.

Рис.3

Количество теплоты ВЭР, которое можно использовать для подогрева сетевой воды в трехтрубной системе теплоснабжения поселка №1 - Оф, кВт-ч будет меньше, чем <ЭМ,ВЭР и определяется по выражению:

Оф-г-^р^-е,-^-г.,-А,)] (2)

где твхГ температура сетевой воды на входе в Ьый утилизационны аппарат, °С; -температурный напор в утилизационном аппарате межд температурой охладившегося потока носителя ВЭР и температурой, входящей аппарат сетевой воды, °С:

Для выявления необходимого количества дизель-генераторо; устанавливаемых на ТЭЦ, и оптимальной электрической мощности каждог агрегата необходимо определить минимальное количество работающи агрегатов, которое сможет обеспечить покрытие тепловых нагрузок пр наиболее характерных режимах теплопотребления.

Для каждого из характерных режимов теплопотребления были проведен расчеты, в ходе которых выявлялись: температура сетевой воды на выходе I охладителя и количество теплоты ВЭР, отводимой от каждого охладителя,

(з)

ср н

Результаты расчетов представлены в табл.1.

Таблица

Использование теплоты ВЭР дизель-генератора для системы теплоснабжения

Наименование режима теплопотребления и вила тепловой нагрузки Требуемая тепловая нагрузка Гкал Полезное использование теплоты ВЭР в элементах подогрева одного дизель-генератора, кВтхчас Температура сетевой воды на выходе из охладителей, °С Необходимое количество работающих дг.

ВО МО ГО пп Теплев, сета Ъ во. _ во МО го т Г0 ПП -г ПП

ЛЕТНИ! \

горя1 ее всшзе&сни; 320 20,4 323 зад 66,8 30 32,2 35,8 57,7 65 1

отопление

зимний

минимальный

гарнее асшзииаиг 320 18,6 30С7 215,% 17,9 34 36,0 39,4 63 65 1

отопление 192,3 18,6 306 ЩЗ - 34 34,4 35,2 38,8 38,8 1

средний:

горячее ввдаибгажг 320 15,0 ш - 162р 43 44,6 47,3 47,3 65 1

отопление 660 | 15,0 | 269 163,4 - 43 44,0 45,7 | 59,3 59,3 3

максимальный:

гсрячзе ямэапдааи: 320 6,9 цз - 63 63,7 65,0 65,0 65,0 1

отопление 1202 6,9 173 Щ5 - 63 64,0 66,5 95,0 95,0 7

Анализ данных табл. 1 показывает, что в теплый период года, когда 1Н > 8°С, 80,0% потребности поселка в теплоте на горячее водоснабжение можно обеспечить только от одного, работающего для выработки электроэнергии дизель-генератора.

Если для электроснабжения поселка требуется постоянная работа более одного дизель генератора, то вся потребность в теплоте будет удовлетворяться за счет воды в пиковом подогревателе за счет сжигания в нем дополнительного количества топлива.

В холодный период года (при работе системы отопления), если температура наружного воздуха близка к 1н ~ 8°С. 96,5% потребности поселка в теплоте можно удовлетворять только за счет ВЭР от двух дизель генераторов. Недостающие 3,5% будут получены за счет теплоты пикового подогревателя.

При более низких температурах наружного воздуха, когда 1н=1 „сроп= -21,2°С, среднезимняя потребность в теплоте на 83,5% может обеспечиваться ВЭР четырех дизель генераторов, вырабатывающих электроэнергию. В периоды, когда для выработки электроэнергии требуется одновременная работа более четырех дизель генераторов, - за счет их ВЭР осуществляется все теплоснабжение поселка. В остальные периоды, недостающее количество теплоты поступает от топливного подогревателя.

Максимальная потребность поселка в теплоте может быть покрыта только за счет ВЭР восьми одновременно работающих дизель генераторов.

Общее количество агрегатов для автономной системы энергоснабжения рекомендуется исходя из технико-экономических расчетов учитывающих, что с увеличением единичной мощности улучшаются удельные показатели по выработке электрической энергии на единицу массы сжигаемого топлива. Но при этом стоимость единичного агрегата увеличивается и увеличивается мощность агрегатов, находящихся в аварийном резерве.

В качестве энергетического критерия оценки эффективности энергообеспечения рациональной АСЭС будем использовать максимум КПД этой системы.

Вопросы, связанные с оптимизацией такой системы, в научно-технической литературе освещены недостаточно. Поэтому на основе исследования мощностного баланса АСЭС предлагается дифференцированный метод оценки энергетической эффективности автономной системы энергоснабжения, сущность которого заключается в аналитическом определении КПД звеньев, каналов энергопередач и КПД АСЭС на основе анализа структуры ее мощностного баланса.

Автономная энергосистема «потребитель - многопоточный КЭП -генератор - ДВС - топливо» работает в оптимальном режиме при: оптимизации структуры мощностного распределения в каждом из КЭП; рациональном распределении мощности ДВС между КЭП; оптимальных параметрах каждого из звеньев автономной энергосистемы.

КПД АСЭС с двумя каналами энергетической передачи определяем по:

if, Ал\4)л ~ fiilAjn I/. - ЧляяМ 1 --„ c '-К1 -Агкля ■

0~ A-i)rh/am.rljirm.f'e + РлгЬ.ют.г1.<тг^'г

l.tci ~ . p > vv

<■

Преобразуем (1):

Чют " 'п/от а о w

ААг

q _ ^ ют jam ^g^

'h/omPiSJK/am ~гклж1> Представим КПД технологического процесса:

Члп ~ Ч^г/к^г^. fim. ™ Ц-е^г/К^г^м (9)

fhiam " ]

(10)

Тогда КПД АСЭС:

~ AjnX»~ A c/ais;M cos?*)}

Пользуясь выражением, можно в явном виде получить зависимость КПД автономной энергосистемы от коэффициента распределения мощности ДВС на входе системы.

Анализ выражений показывает, что применение распределенных по системе источников энергии не приводит к повышению КПД в автономной системе. Так даже при общем КПД системы г|=0,9 многоканальное подключение источников энергии в различных точках, приводят к уменьшению КПД АСЭС на 9+10%. То есть, проведенный анализ показал, что целесообразно использовать АСЭС с источником энергии расположенным в одном месте.

В четвертой главе приведены описание экспериментального стенда, методик исследования газодизельной модификации на примере двигателя Д-160, результаты испытаний и их анализ.

Объектами испытаний являлись: дизель Д-160, укомплектованный системой питания сжатым природным газом и системой автоматического регулирования подачи газа, узлы и агрегаты системы питания газовым и дизельным топливом и системы автоматического регулирования подачи таза (рис. 4).

„ „ I , Pun^jnA iAjn i

Ah^jsra 1-

газ

О

Рис. 4

Работы по совершенствованию рабочего цикла газодизельной модификации двигателя Д-160 осуществлялись путем реализации мероприятий, направленных на снижение его тепломеханической нагруженности и номинальной величины запальной дозы дизельного топлива (использование ТНВД с уменьшенной неравномерностью цикловой подачи, частичного перепуска отработавших газов, ОНВ, выбор оптимальных регулировочных параметров дизельной и газовой топливной аппаратуры). План экспериментальных исследований включал:

- определение исходных характеристик двигателя на дизельном топливе в серийной комплектации;

- определение исходных характеристик двигателя на дизельном топливе в комплектации с охладителем наддувочного воздуха;

- определение характеристик газодизеля при постоянной величине запальной дозы дизельного топлива и различных углах опережения начала подачи топлива;

- определение характеристик газодизеля при постоянном угле опережения начала подачи топлива и различных запальных дозах дизельного топлива;

- определение характеристик газодизеля с различными вариантами распылителя форсунки (в том числе с увеличенным давлением начала впрыска топлива); плунжерными парами 0 12 мм и форсунками ФД-22.

Пример типичных экспериментальных данных показан на рис 5. Установка на двигатель охладителя наддувочного : воздуха (ОНВ) повлекла за собой увеличение ИЕ до 132,1 кВт (на 6,2%), снижение £Е до 233 г/кВтхч (на 4,2%). ' ' ' ""

Нагрузочная характеристика дизеля Д-160

г/кВт-ч г/Л

350 - 25

300 ■32

210 ■ 1S

Л

0 10 20 30 40 SO «О 70 80 90 100 110 кВт

—г—

27-

S4

!2 109

■ ■ I

135

л - шомшг. ей • гг фя otkg, - 7.« »ч О О ¿unuMiud фоч*сс X X геиойизлмьмый процесс

РИС. 5.

Нагрузочная, по удельному расходу топлива, характеристика газодизеля для ДГУ-100 с охладителем наддувочного воздуха, плунжерными парами диаметром 12 мм и регулировочными изменениями показана на рис. 6. Очевидно что, переход с характеристики G3=7.8kt/4 на характеристику G3=15,l кг/ч позволяет снизить и удельный расход топлива.

На рис. 7 показана зависимость относительной величины запальной дозы от часового расхода дизельного топлива и нагрузки.

Как видно, наиболее рациональной, с точки зрения обеспечения минимального эксплуатационного расхода дизельного топлива в режиме газодизеля, характеристикой является работа двигателя по кривой (Оз=7,8 кг/ч) в диапазоне мощностей до 100 кВт и кривой (линия равных давлений: Pz=H МПа) в диапазоне от 100 до 111 кВт и перегрузке до 140 кВт. Перегрузка

является нетипичным режимом работы ДГУ и не должна превышать 2 часа, поэтому возможно увеличение йз/С, до 50+60 % или переход на дизельный режим с целью увеличения ресурса дизеля. ьв[1Лв1ч|

Рис.6

Результаты эксперимента по выявлению влияния угла опережения начала подачи топлива на характеристики газодизеля показывают, что при запальной дозе дизельного топлива 7,9 кг/ч и угле опережения начала подачи топлива 24 град. ПКВ до ВМТ максимально допустимая мощность составляет 98 кВт, ограничение мощности обусловлено ростом 1„ф свыше 240 °С. Установка ОНВ привела к снижению величины Р2 с 8,9 МПа (при ^ =83,0 кВт) до 8,3 МПа (при =89,8 кВт), величины ^ф с 250 °С до 176 °С (при тех же мощностях, запальной дозе дизельного топлива 7,9 кг/ч и 7,7 кг/ч, соответственно, и одной и той же форсунке с установленной термопарой на распылителе).

При угле опережения подачи дизельного топлива 17 град. ПКВ, минимальная величина запальной дозы дизельного топлива, для обеспечения возможности работы газодизеля в составе ДГУ-75, должна быть не менее 8,5 кг/ч, в составе ДГУ-100 - не менее 14,7 кг/ч, мощность, соответствующая серийному двигателю Д-160 (125 кВт), может быть достигнута при запальной дозе дизельного топлива не ниже 12,1 кг/ч.

Замена плунжерных пар привела к снижению отношения С,т Д}т до 39,5%, при этом удельный эффективный расход топлива практически не изменился.

аивт [%]

Рис.7

При увеличении давления начала впрыска топлива до 23,0 МПа (на режимах ДГУ-100) происходит снижение величины установочной запальной порции с 15,2 до 15,0 кг/ч, реальной запальной дозы с 14,6 до 14,5 кг/ч, увеличение относительной величины запальной порции с 43,7 до 44,4%, уменьшение удельного эффективного расхода топлива с 240,3 до 234,3 г/ кВтхчас, уменьшение дымности отработавших газов, рост величины часового расхода воздуха (на 0,2%), коэффициента избытка воздуха (на 0,3%), коэффициента наполнения (на 0,1%), одновременно происходит увеличение Рг до предельно допустимого значения 11 МПа, температура распылителя форсунки возрастает до 235 °С.

Ограничивающие параметры газодизеля предназначенного для замены серийного дизеля Д-160 (РЕ=125 кВт) и предназначенного для работы в составе ДГУ-100 (РЕ=140 кВт) при указанных регулировках топливной аппаратуры и применении ОНВ обеспечивает максимальное давление сгорания Рг - 10,9/10,9 МПа;

В работе показана возможность расширения области применения методики расчета индикаторного КПД дизельных двигателей, работающих на жидких топливах или сжиженных газах на случаи использования произвольных углеводородных топлив, при работе без наддува и с наддувом, без промежуточного охлаждения наддувного воздуха и с промежуточным его охлаждением за счет оригинальных зависимостей по определению коэффициента наполнения, доли остаточных газов, удельной работы процессов сжатия и т.д.

В пятой главе рассмотрены вопросы экологичной эксплуатации ДГУ.

Установлено, что одним из перспективных направлений снижения зредных выбросов с отработанными газами двигателей внутреннего сгорания 1вляется использование магнитоэлектрического воздействия на топливо. Найдены пути и приемы воздействия на топливо, при которых происходит формирование зародышевых центров, обеспечивающих переход паров углеводородного топлива в пары с более легкими фракциями. Появление 1егких фракций во время компрессии паров приводит к их более полному :горанию (уменьшается расход топлива, уменьшается содержание углеводородов СН и аэрозольная фракция в отходящих газах двигателя), улучшению режимов эксплуатации двигателя (понижается средняя температура з камере сгорания, улучшаются условия смазки поршневой группы, гонижаются требования к смазывающим материалам, продлевается срок :лужбы двигателей). Предложено устройство, реализующее воздействие на топливо и обеспечивающее лучшее использование топлива и уменьшающее загрузку на окружающую среду. Экспериментально показано, что использование магнитоэлектрического «синтезатора катализатора» для дизельных двигателей позволяет снижать выбросы окислов азота на 12-20%, 1эрозольных включений в 1,5-3 раза, паров углеводородов на 20-30%. Установлено, что при подавлении вредных выбросов окислов азота от газодизелей целесообразно использовать воздействие импульсов яаносекундной стримерной короны, которое благодаря воздействию электронов, появлению химически активных молекулярных комплексов производит доокисление окислов вредных веществ до состояния безопасного зля окружающей среды.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Проведено комплексное исследование повышения эффективности использования энергетических ресурсов с учетом обеспечения экологической эезопасности применительно к автономному комбинированному энергосбережению на базе дизель-генераторных установок типовых поселков районов Крайнего Севера и приравненных к ним территорий, имеющих приоритет систем энергоснабжения.

Доказана необходимость первоочередной разработки многотопливных ДГУ мощностью до 315 кВт, использующих для покрытия тепловых нагрузок теплоту уходящих газов, охлаждающей воды и масла.

2. На основе статистических данных обоснованы выбор типового поселка районов Крайнего Севера и приравненных к ним территорий, проанализированы основные энергетические стандарты и приемы энергообеспечения, автономных потребителей, оценены электрические и тепловые нагрузки для них.

3. Проанализированы системы транспорта теплоты, используемые в условиях районов Крайнего Севера и приравненных к ним территорий, и

обосновано применение трехтрубной системы теплоснабжения, обеспечивающей устойчивый тепловой и гидравлический режимы работы тепловых сетей и абонентских установок при изменении температур наружного воздуха от —55°С до +20°С.

4. Доказана перспективность использования многоагрегатной схемы ДГТЭЦ, обеспечивающей повышение эффективности реализации завозимого в северные районы топлива за счет маневренного покрытия электрической и тепловой нагрузки типовыми дизель-генераторными установками и дополнительного использования аккумуляторов теплоты и пиковых водогрейных установок. '"

5. Разработан дифференцированный метод оценки энергетической эффективности использования мощности автономной' системы энергоснабжения, позволяющий оптимизировать по максимуму КПД распределение потоков мощности между потребителями и обосновать местоположение дизель-генераторной установки с любым количеством каналов передачи энергии, имеющий ряд преимуществ по сравнению с существующими.

6. Экспериментально доказана возможность без значительных капитальных затрат использования серийного дизеля Д-160 для различных теплив и их смесей, что является решающим фактором применения его в автономных системах энергоснабжения районов Крайнего Севера и приравненных к ним территорий.

Установлены значения регулировочных и ограничивающих параметров при использовании газодизеля для серийного Д-160 и в составе дгаель-генераторной установки (см. гл.4).

В частности показано, что

- угол опережения запальной дозы дизельного топлива должен приниматься равным 17 град. ПКВ, поскольку при этом снижается запальная доза до 25+30%;

- для всех вариантов регулировки газодизеля следует использовать охладитель наддувочного воздуха (ОНВ);

- увеличение давления начала впрыска топлива до 23,0 МПа приводит к уменьшению удельного эффективного расхода топлива с 240,3 г/ кВтхчас до 234,3 г/ кВтхчас, уменьшению дымности отработавших газов.

7. Расширена область применения методики расчета индикаторного КПД дизельных двигателей, работающих на жидких топливах или сжиженных газах на случаи использования произвольных углеводородных топлив, при работе без наддува и с наддувом, без промежуточного охлаждения наддувного воздуха и с промежуточным его охлаждением за счет оригинальных зависимостей по определению коэффициента наполнения, доли остаточных газов, удельной работы процессов сжатия и т.д.

8. Предложены приемы и устройство магнитоэлектрического воздействия на топливо дизель-генераторных установок, обеспечивающие формирование зародышевых центров и переход паров углеводородного топлива в пары более легких фракций, что приводит к более полному сгоранию, снижению вредных выбросов в окружающую среду, улучшению режимов эксплуатации двигателя.

Экспериментально на модельных и бензиновых двигателях показано, что предлагаемые решения позволяют снижать выбросы окислов азота на 12+20%, аэрозольных включений в 1,5+3 раза, паров углеводородов на 20+30%.

9. Результаты исследований по оценке энергетической эффективности дизеля при применении различных видов топлива использованы в ОАО «Челябинский тракторный завод» при создании многотопливной дизель-генераторной установки.

Методика выбора параметров автономной системы электроснабжения внедрена в ОАО «Челябэнерго».

Реализовано устройство «синтезатор-катализатор» с электромагнитным воздействием на топливо, улучшающее экологические характеристики не только дизельных, но и бензиновых двигателей.

Отдельные разделы работы использованы в учебном процессе при обучении студентов по специальностям 100700, 101600 и другим не электротехническим специальностям.

Основные публикации по теме диссертации

1. Ливинский A.n., Луканин В.Н., Малоземов A.A., Редько И.Я. Проблемы и перспективы развития использования газового топлива для передвижных электростанций (электроагрегатов) на базе поршневых двигателей.// Сборник трудов МАДИ (ТУ), - М.: 2000. - с. 23-35

2. Ливинский А.П., Казаринов Л.С., Осипов И.В., Галанов В.Ф., Белавкин И.В. Стратегия энергосбережения: региональный подход, под ред. Ливинского А.П./, Челябинск: Областной фонд энергосбережения, 41 ЧУ, 1996. - 170 с.

3. Ливинский А.П. Региональное законодательство по энергосбережению в Челябинской области. // Международное энергетическое агентство. Материалы международной конференции. 1996. - с. 61-65.

4. Ливинский А.П., Редько И Я. Электротехника. Учебное пособие для ВУЗов в 3-х книгах. Раздел «Автономные системы для резервного электроснабжения потребителей». Челябинск, из-во РЕКПОЛ., - 2000, - 42 с.

5. Ливинский А.П., Гордиенко В.А., Ковалев A.C., Макальский Л.М. Экологичная эксплуатация дизельных энергетических установок. //Вестник Моск. энерг. ин-та. - 2000, - №3. с. 81-85

Печ. л. /',_Тираж (i7g?_Заьаз Д ЪО

Типография МЭИ. Крнпюкаяарменная, 13.