CC BY
93
УДК 621.311.236
С. Н. Валиулин, М. В. Фролов
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КОТЛА В СОСТАВЕ КОГЕНЕРАЦИОННОЙ ДИЗЕЛЬ-ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
Введение
Совместная выработка электроэнергии и тепла, называемая когенерацией, в стационарных, судовых и других электрогенераторных установках получила в настоящее время широкое распространение благодаря высоким экономическим показателям. На многих речных судах используется схема выработки электроэнергии и тепла с применением теплоутилизационного оборудования в составе судовой электростанции. При этом теплоутилизационное оборудование включает в себя котлы-утилизаторы, отбирающие теплоту от отработавших газов дизель-генератора (ДГ), и утилизационные водо-водяные теплообменники, отбирающие теплоту из контура охлаждения ДГ [1-4]. При ряде положительных свойств такая схема обладает некоторыми серьезными недостатками.
Во-первых, жесткая зависимость выработки электроэнергии и тепла для согласования графиков выработки и потребления теплоты требует периодического включения автономного котла, что снижает эффективность работы системы.
В частности, на рис. 1 показано влияние электрической нагрузки на теплопроизводительность системы когенерации на конкретном примере дизель-электрического агрегата с утилизацией тепловых потоков отработавших газов и контура охлаждения на базе двигателя Caterpillar G3512.
Ф, кВт
Рис. 1. Влияние электрической нагрузки на теплопроизводительность системы когенерации:
Ф - тепловой поток системы утилизации; Ыэ - электрическая нагрузка генератора
Из рис. 1 видно, что теплопроизводительность и нагрузка связаны однозначно.
Во-вторых, включение в нагрузку электростанции мощных потребителей и потребителей одно- и двухфазных по произвольной программе приводит к неравномерной нагрузке генератора по фазам, что инициирует снижение качества электроэнергии, приводит к вибрации двигателей и элементов валов ДГ.
Нами предлагается новая схема судовой электростанции для выработки электроэнергии и теплоты (рис. 2).
Электроэнергия
Рис. 2. Предлагаемая схема судовой электростанции: 1 - дизельный двигатель; 2 - электрогенератор;
3 - датчики активной мощности каждой фазы; 4 - микропроцессорный блок управления;
5 - утилизационный теплообменник; 6 - котел-утилизатор; 7 - блок коммутации; 8 - электрокотел
Особенностью электрокотла является то, что он имеет три группы электронагревателей (ТЭНов), каждая группа включается в нагрузку генератора на отдельную фазу, и, кроме того, имеет несколько ступеней нагрузки.
Предложенная схема ТЭС с электрокотлом позволяет в значительной мере нейтрализовать отмеченные выше недостатки известных систем.
Принцип работы ТЭС заключается в следующем. При работе ДГ теплота отбирается из контура охлаждения и от отработавших газов и передается нагреваемому теплоносителю. Первой ступенью подогрева является утилизационный теплообменник, а второй - котел-утилизатор. Третьей ступенью является электрокотел, который выполняет несколько функций:
1. Регулировка мощности ТЭС в сторону увеличения теплопроизводительности.
2. Перераспределение нагрузки генератора между электропотребителем и электрокотлом с учетом неравномерной нагрузки по фазам синхронного генератора.
3. Обеспечение плавного набора мощности ДГ при подключении мощных потребителей.
Указанные функции электрокотла обеспечиваются благодаря возможности ступенчатого
включения ТЭНов контроллерной системой независимо на каждой фазе с обеспечением заданной температуры и суммарной электрической нагрузки ДГ.
Для проверки указанных положений спроектирован и построен экспериментальный стенд. При его создании мы исходили из необходимости полезного использования максимальной доли вторичных тепловых потоков в теплообменных аппаратах с наибольшей тепловой эффективностью. Основные элементы экспериментальной установки: электростанция с дизельным двигателем СД245.2.11 (4ЧН 11/12) и генератором БГ-60 номинальной электрической мощностью 60 кВт; котел-утилизатор водогрейный газотрубный интенсифицированный КУВИ-5,6 с площадью теплообменной поверхности 5,6 м2 и тепловой эффективностью 0,91; комбинированный водо-водяной водомасляный утилизационный теплообменник ПМКИ 2,3/2,3 с общей площадью теплообменной поверхности 4,6 м2; электрокотел (трехфазный) проточный полной мощностью 48 кВт с четырьмя ступенями мощности на каждой фазе.
В качестве нагрузки генератора использованы электрокотел, группа вентиляторов систем вентиляции и станочное оборудование предприятия, на базе которого проводились испытания, что позволяло изменять суммарную нагрузку в пределах от 0 до 60 кВт, варьируя доли мощности котла и электродвигателей в пределах от 0 до 100 % с шагом около 5 %.
Измерительная аппаратура экспериментальной установки позволяла контролировать следующие параметры: расход топлива при работе во всех режимах; расход воздуха на входе в двигатель при работе во всех режимах; электрические параметры нагрузки на клеммах генератора (активная и реактивная мощность, коэффициент мощности); температуру отработавших газов перед котлом-утилизатором и за ним; температуру охлаждающей жидкости и масла на выходе и входе в двигатель; температуру нагреваемой среды на выходе и входе утилизационного теплообменника, котла-утилизатора и электрокотла.
После пусконаладочных работ на стенде выполнено экспериментальное исследование влияния неравномерной нагрузки по фазам синхронного генератора на характеристики первичного дизельного двигателя, в том числе:
— интенсивность крутильных колебаний в системе ДГ;
— эмиссию СО, N0*;
— температуру отработавших газов.
В экспериментах нагрузка генератора находилась в пределах от 0 до 100 %. В качестве потребителя электроэнергии использовалась батарея нихромовых резистивных элементов. Для создания неравномерной нагрузки резистивные элементы коммутировались необходимым образом. Дизель-генератор в режиме неравномерной активной нагрузки работал до выхода на установившийся режим по контролируемым параметрам, после чего система при помощи электрокотла приводилась в состояние равномерной активной нагрузки.
Торсиографирование крутильных колебаний носового конца коленчатого вала двигателя показало, что влияние неравномерной активной нагрузки по фазам на колебания вала начинает проявляться при неравномерности превышающей 5 %. При этом возрастает амплитуда колебаний и на основную гармонику начинают накладываться дополнительные гармоники, в основном третья и пятая. Для иллюстрации на рис. 3 приведены графики колебаний конца вала.
Рис. 3. Графики торсиографирования носового конца коленчатого вала ДГ:
1 - при равномерной стопроцентной нагрузке; 2 - график колебаний при нагрузке по фазам 75-100-25 %;
3 - график колебаний при нагрузке по фазам 25-50-50 %
Мы отдаем себе отчет в том, что измерение параметров колебаний в единственном сечении коленчатого вала не раскрывает всей картины влияния неравномерной активной нагрузки по фазам на динамику элементов кривошипно-шатунного механизма. Кроме того, как показали расчеты крутильных колебаний, влияние исследуемой неравномерности должно сказываться различным образом на различных дизель-генераторных установках. Тем не менее тенденции этого влияния имеют общее направление. В связи с этим мы считаем возможным по полученным результатам делать общие выводы.
На рис. 4 приведены зависимости параметров первичного двигателя ДГ от суммарной нагрузки при работе в двух режимах: при равномерной и неравномерной активной нагрузке по фазам.
о
о
я
и
о
:Я
я
я
я
я
о
и
СЗ
о
10 20 30 40 50 60
Электрическая нагрузка ДГ, кВт
Рис. 4. Зависимости параметров первичного двигателя ДГ от суммарной нагрузки в двух режимах:
1 - эмиссия СО при равномерной нагрузке; 2 - эмиссия N0* при равномерной активной нагрузке;
3 - температура отработавших газов при равномерной нагрузке; 4 - эмиссия СО при неравномерной активной нагрузке 25 %; 5 - эмиссия N0* при неравномерной активной нагрузке 25 %;
6 - температура отработавших газов при неравномерной активной нагрузке 25 %
Видно, что температура отработавших газов ощутимо зависит от неравномерности активной нагрузки по фазам генератора (рис. 4, кривая 3 - равномерная нагрузка, кривая 6 - неравномерность активной нагрузки 25 %). Этот результат можно объяснить возможным ухудшением качества распыла топлива при наложении дополнительных гармоник на элементы привода топливного насоса и догоранием отдельных капель топлива на фазе расширения.
Заметным оказалось влияние неравномерной активной нагрузки по фазам на величину эмиссии N0* (рис. 4, кривая 2 - равномерная нагрузка, кривая 5 - неравномерность активной нагрузки 25 %). Можно предположить, что колебательный процесс привел в периоды активного горения топлива к некоторому росту максимальной температуры цикла, что и явилось основной причиной увеличения эмиссии N0*.
Некоторое влияние неравномерная активная нагрузка по фазам генератора оказала на образование СО (рис. 4, кривая 1 - равномерная нагрузка, кривая 4 - неравномерность активной нагрузки 25 %). Объяснить этот результат также можно отрицательным воздействием крутильных колебаний коленчатого вала на работу топливной аппаратуры.
В то же время суммарное воздействие различных факторов, связанных с неравномерной нагрузкой генератора по фазам, на топливной экономичности ДГ сказалось незначительно и не превысило доверительный интервал погрешности эксперимента.
По-видимому, частота колебаний параметров, связанных с неравномерностью вращения вала, достаточно высока, чтобы полные циклы колебаний завершались в пределах основных тактов двигателя, что не ухудшает процессы сжатия, расширения и газообмена.
Основной практической целью использования электрокотла, по нашему замыслу, в коге-нерационных дизель-генераторных установках было выравнивание активных нагрузок по фазам генератора при неравномерном нагружении одно- и двухфазными электропотребителями. Заметим, что сама по себе выработка тепла электрокотлом считается крайне неэффективным энергетическим преобразованием и применяется там, где без этого трудно обойтись, например при подогреве тяжелых нефтепродуктов перед сжиганием в судовых энергетических установках, подогреве питьевой воды в жилых домах в летнее время и пр.
Однако это положение справедливо лишь тогда, когда получение электроэнергии сопровождается потерей вторичного тепла. Применение электрокотла в составе когенерационной установки принципиально меняет соотношение статей энергетического баланса и позволяет резко увеличить эффективность использования энергии топлива, КПД всей системы.
Другое направление экспериментального исследования на стенде - определение энергетических показателей каждого из элементов когенерационной установки и КПД в целом в широком диапазоне режимов нагрузки. Осуществлены следующие ступени нагрузки: 25, 50, 75, 100 %.
В пределах каждой из указанных ступеней характер нагрузки менялся от активной до активно-индуктивной с шагом 2-4 кВт с сохранением примерного постоянства мощности дизельного двигателя в пределах продолжительности измерения.
Каждый экспериментальный режим повторялся не менее трех раз, что дало возможность провести статистическую обработку данных, в том числе найти доверительный интервал и убедиться в значимости полученных результатов.
После обработки данных эксперимента все полезно используемые потоки энергии (тепло и электроэнергия) суммировались. При расчете КПД использовалась формула
Пэ.т
N + Ф + Ф
э у э.к
вР • ^т
(1)
где пэт - КПД преобразования энергии топлива; N - электрическая мощность ТЭС, передаваемая электропотребителю, кВт; Фу - теплота, переданная потребителю из системы утилизации, кВт; Фэк - теплота, полученная в электрокотле и переданная теплопотребителю, кВт;
вр - низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг; Gт - расход топлива, кг/с.
На рис. 5 приведены графики значений КПД преобразования энергии топлива в функции электрической нагрузки генератора РдГ при различных значениях долевой составляющей мощности электрокотла.
стз
СО
І
I
Е
з
з
га
|
I
0 §
1
§
§
&
■а
I
0 §
1
сь
■е-
£
1,0
0,95
0,9
0,85
0,75
0,7 '
2
\ з\
х 1
1 1
10 20 30 40 50 60
Электрическая нагрузка ДГ, кВт
Рис. 5. Графики значений КПД преобразования энергии топлива в функции электрической нагрузки генератора РдГ: 1 - 100 % нагрузки генератора составляет нагрузка ТЭНов электрокотла;
2 - 75 % нагрузки генератора составляет нагрузка ТЭНов электрокотла;
3 - 25 % нагрузки генератора составляет нагрузка ТЭНов электрокотла
Выраженное расслоение кривых КПД в зависимости от доли нагрузки электрокотла объясняется изменением КПД синхронного генератора при изменении реактивной составляющей нагрузки с изменением теплопроизводительности котла.
Заключение
Проделанная экспериментальная работа показала, что неравномерная активная нагрузка синхронного генератора может быть скомпенсирована при помощи балластного электрокотла. Так, при соответствующем компенсирующем подключении ТЭНов электрокотла активная нагрузка приобретала характер равномерного распределения по фазам генератора и при этом исчезали отмеченные признаки воздействия неравномерности на параметры первичного дизельного двигателя.
Результаты экспериментов, по нашему мнению, представляют значительный интерес.
Во-первых, практически во всей исследованной области эффективность энергетических преобразований в предложенной когенерационной установке оказалась весьма высокой и составляла более 0,7 с максимальным значением 0,92.
Во-вторых, наивысшие значения КПД достигаются в случае выработки когенерационной установкой только тепла. С учетом того, что большинство автономных котлов небольшой мощности, в том числе судовых, работающих без экономайзеров, имеют КПД 0,82-0,86, применение когенерационных установок для выработки тепла является весьма перспективным.
Неоспоримо то, что для полноты экономической оценки необходимо учитывать капитальные затраты и весь спектр эксплуатационных расходов, но полученного результата достаточно для корректировки устоявшихся взглядов на комплектацию судовой энергетической установки (СЭУ) или мини-ТЭС.
В-третьих, применение электрокотла в составе когенерационной установки позволяет резко увеличить ее пиковую теплопроизводительность и маневренность. Например, в нашем случае, при мощности на клеммах генератора 53 кВт, суммарная теплопроизводительность при полной нагрузке генератора электрическим котлом составила 150 кВт, т. е. 280 % электрической нагрузки. Для сравнения: у большинства когенерационных установок, работающих в России и за рубежом, это соотношение составляет 110-120 %. Это говорит о возможности расширения технологических режимов когенерационной установки с электрокотлом и, в определенных случаях, о целесообразности отказа от пиковых котлов в составе мини-ТЭС или СЭУ.
В-четвертых, наличие выраженного оптимума значений КПД и стабильной тенденции к его увеличению с ростом доли активной нагрузки электрокотла позволяет рекомендовать либо закладывать в алгоритм регулировки когенерационной установки поддержание нагрузки в пределах 0,5-0,8 с приоритетом увеличения мощности электрокотла, с целью достижения максимальной топливной экономичности.
Комментируя полученные результаты, отметим, что наличие максимума на кривых эффективного КПД объясняется формой кривых эффективного КПД двигателя и КПД генератора, которые имеют максимум в зоне нагрузок 0,5-0,8.
Полученные результаты в целом позволяют пересмотреть обыденное мнение о малой эффективности электрокотлов в составе мощных энергетических установок. С учетом фактора высоких температурных напоров и высоких температур поверхности ТЭНов электрокотлов можно ожидать достижения удельных габаритов и масс мощных электрокотлов в 2-3 раза лучших, чем у котлов газовых или дизельных.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Селиверстов В. И. Утилизация тепла в судовых дизельных установках. - Л.: Судостроение, 1973. - 218 с.
2. Кривов В. Г., Синатов С. А. Повышение эффективности дизельных энергоустановок путем утилизации отходящей теплоты // Двигателестроение. - 1979. - № 10. - С. 14-18.
3. Комплексное электроснабжение на базе дизельных электростанций с внешней утилизацией отходящей теплоты / В. Г. Кривов, С. А. Синатов, С. Д. Гулин и др. // Двигателестроение. - 1988. - № 9. - С. 3-7.
4. Technology Characterization: Reciprocating Engines Prepared for: Environmental Protection Agency Climate Protection Partnership Division Washington, DC, Prepared by: Energy Nexus Group 1401 Wilson Blvd, Suite 1101 Arlington, Virginia 22209, February 2002.
Статья поступила в редакцию 25.01.2010
EFFECTIVENESS OF THE ELECTRIC BOILER IN THE COGENERATION DIESEL-ELECTRIC INSTALLATION
S. N. Valiulin, M. V. Frolov
The influence of uneven active electric load of diesel generator system with heat recovery of the secondary heat fluxes and the electric heater on the parameters of the diesel is examined. The results of series of experiments on the influence of uneven active load of diesel generator on the temperature of exhaust gases, the sum of concentrations of nitrogen oxides, the concentration of carbon monoxide in the exhaust gases are given. The results of torsiograph oscillations of the bow end of the crankshaft of the primary motor are shown taking into account the uneven active load on the synchronous generator phases. The research cogeneration plant with electric boilers and a series of experiments made to determine the amount of utilizable heat from the generator load, taking into account the load of the generator with electric boilers and other consumers of electricity in different proportions is described. The energy performance of each of the elements of cogeneration plant and efficiency in general in a wide range of load conditions is determined.
Key words: diselgenerator, electric boiler, cogeneration, uneven active load of the synchronous generator.
