CC BY
69
kashkin // Measurement Techniques. — 1999. — № 42. — T. 4. — C. 383-339. DOI: 10.1007/BF02504401.
24. Ey6HOB, A. B. 3^^eKTHBHHH cnoco6 peryAHpoBaHHA 3AeKTponpHBO^a c ^a3OBOH cннxpoннзaцнeн / A. B. Ey6HOB, A. H. Hy^HHOB, B. A. EMamoB // H3BecTH3 BbicmHx y^e6Hbix 3aBe^eHHH. 3AeKTpoMexaHHKa. — 2011. — № 5. -C. 46-49.
25. Hong, S. The Research on Adaptive Fuzzy Control Systems of Brushless DC Motors Based on DSP / S. Hong, Z. Xiaohui, L. Ming // Int. Journal of Control and Automation. — 2014. — № 9. — T. 3. — C. 257—364. DOI: 10.14257/ijca.2016.9.3.33.
26. Maklakov, A. S. Integration prospects of electric drives based on back to back converters in industrial smart grid / A. S. Maklakov, A. A. Radionov // 12th Int. Conf. on Actual Problems of Electron. Instrument Eng. — Novosibirsk, Russia, 2014. — C. 770 — 774. DOI: 10.1109/APEIE.2014.7040790.
27. Lanza, P. T. Improved acquisition in a phase-locked loop using sliding mode control techniques / P. T. Lanza, Y. B. Shtessel, J. L. Stensby // Journal of the Franklin Institute. — 2015. — №352 (10). — C. 4188 — 4204. DOI: 10.1016/j.jfranklin.2015.06.001.
28. Radionov, A. A. Smart Grid for main electric drive of plate mill rolling stand / A. A. Radionov, A. S. Maklakov, V. R. Ga-
siyarov // Proc. of 2014 Int. Conf. on Mech. Eng., Automation and Control Syst. — Tomsk, Russia, 2014. DOI: 10.1109/MEACS. 2014.6986842.
БУБНОВ Алексей Владимирович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой электрической техники. Адрес для переписки: bubnov-av@bk.ru ЕМАШОВ Василий Алексеевич, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры электрической техники.
Адрес для переписки: emashov@omgtu.ru ЧУДИНОВ Александр Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры электрической техники.
Адрес для переписки: chudinov_al@mail.ru
Статья поступила в редакцию 06.10.2016 г. © А. В. Бубнов, В. А. Емашов, А. Н. Чудинов
УДК 62-83:681.532.55
В. Р. ВЕДРУЧЕНКО В. В. КРАЙНОВ Е. С. ЛАЗАРЕВ П. В. ЛИТВИНОВ
Омский государственный университет путей сообщения
О ВЫБОРЕ СПОСОБА ПОВЫШЕНИЯ ЭКОНОМИЧНОСТИ ДИЗЕЛЯ С НАДДУВОМ ПРИ РАБОТЕ НА МАЛЫХ НАГРУЗКАХ И ХОЛОСТОМ ХОДУ_
Выполнен теоретический анализ р асчетных и опытных соотношений по определению характеристик турбокомпрессоров для дизелей транспортного назначения. Приведена методика выбора и расчета основных показателей дизеля и газотурбонагнетателя с учетом режима работы двигателя. Сформированы методы и технические решения, направленные н а экономичную р а боту дизелей с турбонаддувом в режимах ма лых нагрузок и холостом ходу.
Ключевые слова: н аддув, холостой ход двигателя, х а рактеристики турбонагнетателя и дизеля, плотность и давление воздушного заряда, цикловая подача топлива, экономичность, тепловая н апряженность деталей двигателя.
Введение. Тепловозные и судовые дизели с наддувом в эксплуатации работают на полной мощности не более 30 — 60 % от всего времени работы [1, 2]. Остальная часть времени работы приходится на малые нагрузки, холостой ход и переменные режимы. Длительность работы на режимах холостого хода и малых нагрузок достигает 90 % у маневровых и 60 % у магистральных тепловозов. А принятая в отрасли среднеэксплуатационная экономичность работы тепловоза зависит от экономичности работы дизеля на всех режимах [1].
Переход в работе дизеля с наддувом с расчетного режима полной мощности к малым нагрузкам ведет
не только к утрате высокой удельной топливной экономичности, но и к появлению дымления вследствие ухудшения организации рабочего процесса. В результате усиливается нагарообразование, засоряется смазочное масло нагаром и несгоревшим топливом, что приводит к ускорению износа деталей двигателя. Устранение или хотя бы ослабление этих недостатков работы дизелей является не менее важной задачей, чем обеспечение высокой топливной экономичности на режиме номинальной мощности. Особенно это важно для дизелей вспомогательного флота и манев-ровых тепловозов, где удельный вес затрат на ремонт и техническое обслуживание зани-
J_I
"тсв
Рис. 1. Изменение давления в цилиндре дизеля (индикаторные диаграммы) при полной нагрузке (Ре=100 %) и холостом ходе (Р=0 %) с соответствующими периодами задержки воспламенения ф( и фй
П.
0,5
0,4
0,3
0,2
гУ(кВт ч) 200
180
160
_140
1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 3,2 3,6 а
Рис. 2. Изменение индикаторного КПД ^ и удельного индикаторного расхода топлива д1 в зависимости от коэффициента избытка воздуха а в быстроходном дизеле с открытой камерой сгорания типа ЯМЗ
мает первое место в расходах на судовое и локомотивное хозяйство.
Анализ особенностей режимов эксплуатации дизелей и агрегатов наддува. При переходе дизеля с расчетного режима к малым нагрузкам вследствие резкого нарушения нормальной работы топливной аппаратуры, снижения температуры внутренней поверхности камеры сгорания и температуры наддувочного воздуха ухудшается процесс смесеобразования и сгорания топлива, одновременно растут относительные потери на теплопередачу [1 — 7]. Появляется недожог и унос топлива и, как следствие, снижается индикаторный КПД до 0,4 и ниже на холостом ходу. С уменьшением нагрузки происходит падение механического КПД двигателя (т), усугубляемое снижением температуры смазочного масла. В итоге резко падает эффективный КПД двигателя ().
Наиболее чувствительны к ухудшению работы на малых оборотах и нагрузках четырехтактные средне- и высокооборотные двигатели. Поэтому в последних модификациях этих двигателей увеличивают давление впрыскивания на номинальном режиме до 150 — 200 МПа [8]. Фирма «Катерпиллар» с этой же целью ввела гидравлический привод плун-
жера ТНВД, позволивший сохранять высокое давление впрыскивания на всем диапазоне скоростных режимов [8].
Предпосылки для формирования методики выбора характеристик турбокомпрессора. Располагая кривыми механического и индикаторного КПД т и т],, не представляет труда объяснить и изменение эффективного КПД (Це = Т,Тм) [2, 7]. Так, на режиме холостого хода те =0. С увеличением нагрузки те достигает максимума при среднем эффективном давлении ре= 70-75 % от номинального. К выходу на режим номинальной мощности те несколько снижается вследствие снижения индикаторного КПД (рис. 1-2).
На малых нагрузках на устойчивую работу двигателя оказывает влияние техническое состояние топливной аппаратуры, неравномерность подачи топлива по отдельным цилиндрам [6, 7]. Чем выше степень неравномерности подачи, тем больше колебание частоты вращения.
Влияние перечисленных факторов учитывается при регулировке двигателя на режиме полного хода, но с уменьшением частоты вращения неравномерность подачи топлива возрастает тем больше, чем выше износ топливной аппаратуры [5-7].
С другой стороны, в области холостого хода и малых нагрузок имеется значительное снижение температуры стенок камеры сгорания [4, 6].
Известно, что параметры агрегатов газотурбинного наддува, обеспечивающие работу дизельного двигателя, выбирают таким образом, чтобы обеспечить надежную и экономичную работу на номинальном и близком к нему режимах [6-8]. С уменьшением нагрузки или скоростного режима рассогласование между требуемыми и выдаваемыми агрегатами наддува параметрами воздуха значительно возрастает, приводя к существенному ухудшению экономичности.
Теоретический анализ расчетных соотношений и методика расчета характеристик наддува. Проанализируем изменение показателей наддува -давления рк и плотности воздуха рк, поступающего в цилиндр двигателя.
Эффективную мощность двигателя можно определить по формуле [8]:
Ье Р •, • V • п
N = — = е ' 11
е ^ 120
30т
(1)
Ьп • а
• % • Тм • Рх ,
(2)
где Иш — низшая теплотворная способность топлива; Т — индикаторный КПД; Ь0 — теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива; а — коэффициент избытка воздуха; ттV — коэффициент наполнения; ] — механический КПД; рк — плотность заряда (воздуха).
Для повышения Ре увеличивают рк, повышая давление воздуха рк и пропорционально увеличивая подачу топлива.
Величина плотности воздушного заряда будет:
Рк =
Р к
Я • Тх
(3)
Рк = Рк • Я • Т
(4)
Плотность воздуха, поступившего в цилиндр, рекомендуется определять по [8]. Необходимый часовой расход воздуха (кг/ч), при котором обеспечивается полное сгорание топлива:
Ск = а • Ц • де • N е 1
(5)
где де — эффективный удельный расход топлива, кг/ (кВт.ч).
За одну секунду в цилиндры двигателя поступает количество воздуха (кг/с):
Схс
3600
(6)
Масса воздуха, поступившего в цилиндр за цикл (два оборота):
М =
вц
а • Ь0 • де • Ме • 120
п •3600
Плотность воздуха, поступившего в цилиндр а • Ь • де • Ne • 120
(7)
Рк = Т
М
- вц -
I • V,.
п •, • V, • 3600
(8)
где т — тактность двигателя (для четырехтактного — 4, двухтактного — 2); , — число цилиндров; п — частота вращения коленчатого вала, об/мин; V, — рабочий объем цилиндра, см3.
Из анализа формулы (1) следует, что при постоянном объеме IV, величину N можно увеличить, повышая п и Ре. Величина Ре представляет собой среднее эффективное давление, которое за один такт (ход поршня) совершает работу, равную работе, выполняемой переменным давлением в цилиндре за цикл.
Известно, что
Пример. Определим рк для быстроходного дизельного двигателя 4ЧН13/14 при Ме = 100 кВт, 1У=8 л, п= 1750 мин-1:
1,8 • 14,5 • 0,23 • 100 • 120 . , 3 р к =-5-= 1,43 кг/м3.
1750 • 8 • 10-3 • 3600
Определяя необходимую плотность, находят давление, которое должен создать компрессор.
Из уравнения равенства мощностей компрессора и турбины (^ = Мт), принимая
Р = ——т
кт - 1
к -1 Я
Я
—т т Т Т (9)
^ гу, \ад.т шд.к ' * ' "воздТ0
где кт — показатель адиабаты воздуха; к — средний показатель адиабаты; Я1 — газовая постоянная выпускных газов; Я — газовая постоянная воздуха; Ст — расход газов через турбину; Тт — температура газов; Овозд — расход воздуха через двигатель; Т0 — температура воздуха перед нагнетателем;
- адиабатный КПД турбины; Цадк — адиабатный КПД компрессора, можно получить известное соотношение [3-6]:
1-|^1 "
где Рк=(0,15-0,18)Ре.
При Ре до 0,6 МПа значение ра = р0 = 0,1 МПа (атмосферное давление без наддува).
Величины рк и рк связаны уравнением:
к-1
Р— 1 ^ - 1 = РТ, р0
На основе данной формулы при заданном давлении Рк и известной Тт можно определить давление перед турбиной рт, необходимое для работы системы. Требуемый баланс энергии определяется величинами р ,Т , т ,т .
^ т' т' 1ад.т' 1ад.к
Добавим, что излишне большие количества воздуха, подаваемого в двигатель, не только увеличивают затраты мощности на его подачу, но и ухудшают рабочий процесс двигателя [1-9].
Таким образом, соотношения (1) — (10) позволяют выполнить не только качественные, но и оценить количественные соотношения параметров рабочего процесса агрегатов наддува дизеля при работе на различных нагрузочных и скоростных режимах.
Результаты экспериментов в условиях стенда.
На рис. 3 приведена схема дизельного двигателя со свободным турбокомпрессором и турбиной постоянного давления [9]. Воздух поступает на лопатки крыльчатки центробежного компрессора 3 и из улитки диффузора нагнетается в цилиндр. На одном валу с крыльчаткой компрессора сидит рабочее колесо газовой турбины 2. Отработавшие газы из цилиндра двигателя 1 по трубопроводу поступают в сопловой
Ре • I • V, • п
И Т =
Р
к -1
Чад.пТад.к . (10)
р
м
Рис. 3. Схема двигателя с турбокомпрессором: 1 — двигатель; 2 — газовая турбина; 3 — центробежный компрессор; 4 — выпускной клапан; 5 — впускной клапан
аппарат газовой турбины, а из него на рабочее колесо. Из турбины газы выходят в атмосферу.
Проблема повышения экономичности двигателя на холостом ходу и малых нагрузках имеет много различных решений. К ним можно отнести:
— ступенчатое и бесступенчатое регулирование скорости вращения вала турбокомпрессора с изменением нагрузки;
— дросселирование воздуха на впуске в двигатель;
— дросселирование отработавших газов на выпуске из двигателя перед турбиной;
— перепуск части выпускных газов в атмосферу;
— перепуск воздуха на вход в газовую турбину или за турбину;
— регулирование подачи воздуха путем изменения проходного сечения турбины или компрессора;
— применение надувочного агрегата с независимым приводом и др.
Указанные способы в той или иной степени повышают экономичность двигателя на малых нагрузках, но либо приводят к усложнению конструкции двигателя, либо к ухудшению условий работы турбины или компрессора.
В работе [9] приведены результаты экспериментов с системой рециркуляции воздуха через компрессор турбонагнетателя дизеля 8ЧН25/34, которые показали, что предлагаемое техническое решение позволяет повысить экономичность дизеля на малых нагрузках и холостом ходу.
На рис. 4 показана схема системы наддува, которая позволяет реализовать предложенный способ [9]. Система содержит двигатель 1, турбокомпрессор, включающий рабочее колесо компрессора 3, корпус 6, кольцевую камеру 5 и направляющий аппарат 4, рабочее колесо турбины 7, нагнетательный патрубок компрессора 8, поворотную заслонку 9, установленную в нем, перепускной трубопровод 2 и выхлопной трубопровод 10.
Система работает следующим способом [9]. При работе двигателя на малых нагрузках или холостом ходу заслонка 9 приоткрывается и сообщает нагнетательный патрубок 8 с перепускным трубопроводом 2, а часть сжатого воздуха будет поступать обратно на вход в компрессор через кольцевую камеру 5, предварительно получив положительную закрутку в направляющем аппарате 4. Это обеспечивает снижение плотности воздуха на этих нагрузках,
Рис 4. Схема системы наддува с рециркуляцией воздуха через компрессор: 1 — дизельный двигатель; 2 — перепускной трубопровод; 3 — турбокомпрессор; 4 — направляющий аппарат; 5 — кольцевая камера; 6 — корпус; 7 — рабочее колесо турбины; 8 — нагнетательный патрубок компрессора; 9 — поворотная заслонка; 10 — выхлопной трубопровод
что приводит к уменьшению коэффициента избытка воздуха и повышению экономичности двигателя на этих режимах.
Для опытной проверки эффективности указанного способа повышения экономичности на дизель-генератор ДГР630/500 (двигатель 8ЧН25/34) была оборудована система перепуска (рециркуляции) наддувочного воздуха. Наддувочный воздух из переходного патрубка подводился в полость вокруг фасонной вставки турбокомпрессора ТК 23СЧ3. Посадка фасонной вставки была тщательно уплотнена резиновыми кольцами, а в самой вставке было выполнено 12 отверстий диаметром 8 мм с общей площадью 6 см2. Положительное влияние рециркуляции наддувочного воздуха на экономичность двигателя наблюдается при мощностях, меньших 150 кВт (24 % от номинальной мощности). Наибольший положительный эффект от рециркуляции воздуха имеет место на режиме холостого хода, где экономичность двигателя с рециркуляцией наддувочного воздуха увеличивается на 8,6 % [9].
Выводы.
1. При работе дизельного двигателя с газотурбинным наддувом на режимах малых нагрузок и холостого хода имеет место рассогласование характеристик дизеля и газотурбокомпрессора.
2. При выборе способа повышения экономичности дизеля с газотурбинным наддувом на режимах малых нагрузок и холостого хода и разработке технических решений целесообразно использовать перепуск (рециркуляцию) наддувочного воздуха в компрессор газотурбонагнетателя с выполнением расчетов характеристик сопрягаемых машин.
Библиографический список
1. Исследование и доводка тепловозных дизелей / Н. П. Си-ненко [и др.]. — М. : Машиностроение, 1975. — 184 с.
2. Обеспечение надежности судовых дизелей / М. А. Малиновский [и др.]. — Одесса : Феникс, 2003. — 148 с.
3. Судовые двигатели внутреннего сгорания / Ю. Я. Фомин [и др.]. — Л. : Судостроение, 1989. — 344 с.
4. Хандов, 3. А. Судовые двигатели внутреннего сгорания / 3. А. Хандов. - М. : Транспорт, 1969. - 304 с.
5. Теория двигателей внутреннего сгорания / Н. Х. Дьяченко [и др.]. — Л. : Машиностроение, 1974. — 552 с.
6. Камкин, С. В. Эксплуатация судовых дизелей / С. В. Кам-кин, И. В. Возницкий, В. П. Шмелев. — М. : Транспорт, 1990. — 344 с.
7. Шароглазов, Б. А. Двигатели внутреннего сгорания: теория, моделирование и расчет процессов / Б. А. Шароглазов, М. Ф. Фарафонтов, В. В. Климентьев. — Челябинск : Изд-во ЮУрГУ, 2004. — 344 с.
8. Макушев, Ю. П. Агрегаты наддува двигателей / Ю. П. Ма-кушев, С. В. Корнеев, В. В. Рындин. — Омск : Изд-во СибАДИ, 2006. — 58 с.
9. Шквар А. Я. О влиянии рециркуляции воздуха через компрессор на работу судового двигателя 8ЧН25/34 / А. Я. Шквар, В. С. Наливайко, С. Н. Литвин // Судовое энергомашиностроение. Николаевский кораблестроительный институт им. адм. С. О. Макарова. — Николаев, 1985. — С. 11 — 14.
ВЕДРУЧЕНКО Виктор Родионович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры теплоэнергетики.
Адрес для переписки: vedruchenkovr@mail.ru КРАЙНОВ Василий Васильевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры теплоэнергетики.
Адрес для переписки: KrainovVV@omgups.ru ЛАЗАРЕВ Евгений Сергеевич, преподаватель, инженер кафедры теплоэнергетики. Адрес для переписки: Incoe@yandex.ru ЛИТВИНОВ Павел Васильевич, аспирант кафедры теплоэнергетики.
Адрес для переписки: p_vasilich55@mail.ru
Статья поступила в редакцию 12.10.2016 г. © В. Р. Ведрученко, В. В. Крайнов, Е. С. Лазарев, П. В. Литвинов
УДК 621-318 В. К. ФЕДОРОВ
Е. Н. ЛЕОНОВ Д. В. ФЕДОРОВ
Омский государственный технический университет
Тюменский индустриальный университет
ВЛИЯНИЕ
РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ГЕНЕРАЦИИ НА ПОТЕРИ И КАЧЕСТВО ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ_
В данной статье представлен качественный анализ влияния источников распределенной генерации (РГ) на работу электрических сетей с большим проникновением РГ. Обсуждается влияние РГ н а потери электрической энергии и на пряжения, а также на показатели качества электроэнергии. Анализ указанной проблемы позволяет сделать вывод, что влияние РГ в значительной степени зависит от степени проникновения РГ в распределительную сеть и режима работы источников РГ.
Ключевые слова: распределенная генерация, потери напряжения и мощности, качество электроэнергии.
Технические, политические и экологические факторы в последнее время стимулируют относительно быстрый рост числа установок распределенной генерации (РГ) в мире. При этом общая установленная мощность РГ в Российской Федерации остается небольшой, и ее влияние на работу энергосистемы остается незначительной. Однако, по мере того как установленная мощность РГ увеличивается, влияние, которое она оказывает на сеть, будет усиливаться. Характеристика и количественная оценка этого воздействия является достаточно сложной научно-технической задачей, поскольку должны быть проанализированы одновременно аспекты функционирования системы контроля напряжения, координации релейной защиты, потерь и качества электроэнергии, надежности и многие другие. Некоторые из этих аспектов также неразрывно свя-
заны с процессами устойчивости энергосистемы, и, следовательно, они должны быть рассмотрены в исследованиях общей надежности работы энергосистем.
Чтобы произвести оценку влияния РГ на работу энергосистемы, в данной статье выполнен анализ взаимодействия энергосистемы с сетями, имеющими большую долю РГ.
Важность влияния РГ на эксплуатацию, устойчивость и управление энергосистемы признали уже в конце 1970-х годов. Одна из самых интересных публикаций на эту тему [1]. В конце 1990-х годов эта тема вызвала интерес в научных и производственных кругах, что вылилось в большое количество публикаций как за рубежом [2 — 4], так и в России [5, 6].
Одним из наиболее существенных факторов, влияющих на взаимодействие между РГ и энерго-
