CC BY
9
обеспечения технологических процессов в АПК: матер. междунар. науч.-практич. конф. Оренбург, 2017. С. 39 - 44 9. Анализ способов очистки топлива на нефтебазах / В.А. Шахов, П.А. Стрельцов, И.М. Затин, Ю.А. Ушаков // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2019. № 2 (76). С. 143 - 145.
10. Пат. на полезную модель № 206576. Интегрированный фильтр. / В.А. Шахов, П.А. Стрельцов, И.М. Затин. Опубл. 16.09.2021 г. Бюл. № 26.
11. Пат. на полезную модель № 206575. Сепарирующий фильтр / В.А. Шахов, П.А. Стрельцов, П.Г. Учкин, И.В. Попов, А.Н. Кондрашов. Опубл. 16.09.021 г Бюл. № 26.
Владимир Александрович Шахов, доктор технических наук, профессор. ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет». Россия, 460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18, [email protected]
Павел Анатольевич Стрельцов, соискатель. ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет». Россия, 460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18, [email protected]
Юрий Александрович Хлопко, доктор технических наук, профессор. ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет». Россия, 460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18, [email protected]
Павел Гоигорьевич Учкин, кандидат технических наук, доцент. ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет». Россия, 460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18, [email protected]
Ильдар Мирфаизович Затин, кандидат технических наук, доцент. ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет». Россия, 460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18, [email protected]
Сергей Сергеевич Базыло, аспирант. ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет». Россия, 460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18, [email protected]
Vladimir A. Shakhov, Doctor of Technical Sciences, Professor. Orenburg State Agrarian University. 18, Chelyuskintsev St., Orenburg, 460014, Russia, [email protected]
Pavel A. Streltsov, research worker. Orenburg State Agrarian University. 18, Chelyuskintsev St., Orenburg, 460014, Russia, [email protected]
Yuri A. Khlopko, Doctor of Technical Sciences, Professor. Orenburg State Agrarian University. 18, Chelyuskintsev St., Orenburg, 460014, Russia, [email protected]
Pavel G. Uchkin, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor. Orenburg State Agrarian University. 18, Chelyuskintsev St., Orenburg, 460014, Russia, [email protected]
Ildar M. Zatin, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor. Orenburg State Agrarian University. 18, Chelyuskintsev St., Orenburg, 460014, Russia, [email protected]
Sergey S. Bazylo, postgraduate. Orenburg State Agrarian University. 18, Chelyuskintsev St., Orenburg, 460014, Russia, [email protected]
-Ф-
Научная статья УДК 621.43.01
Обоснование применения водотопливных эмульсий в дизель-генераторных установках при децентрализованном энергоснабжении муниципальных образований
Андрей Сергеевич Иванов
Государственный аграрный университет Северного Зауралья
Аннотация. На территории Российской Федерации существует много поселений и объектов, в которых отсутствует централизованное энергоснабжение, а электрическая энергия вырабатывается посредством применения дизельных электростанций и дополнительного технологического оборудования. При этом наблюдается значительный расход топлива и негативное воздействие на окружающую среду в результате выброса вредных веществ с отработавшими газами. Альтернативным мероприятием, позволяющим устранить эти недостатки или улучшить базовые показатели, является применение такой композиции, как дизельное топливо, вода и поверхностно-активные вещества (эмульгаторы). Исследование проведено с целью обоснования возможности применения водотопливной эмульсии в дизельной генераторной установке. По результатам исследования, максимальное снижение мощности при работе двигателя на эмульсии составляет 5 %, что оправдывает её применение в дизель-генераторных установках, которые работают не в максимальном нагрузочном режиме. Удельный эффективный расход эмульсии по сравнению с дизельным топливом повышается на 4 - 18 % в зависимости от режима работы двигателя, поэтому наибольший эффект при работе на эмульсии, как с технической стороны, так и с экономической, достигается в режиме загрузки двигателя на 60 - 95 %. Экономический эффект от применения эмульсии вместо традиционного дизельного топлива при загрузке дизель-генераторных установок на 80 - 95 % и при работе на установившемся режиме составит 5000 руб. за 1000 л израсходованного топлива с учётом затрат на приобретение поверхностно-активных веществ и приготовление эмульсии.
Ключевые слова: дизельный генератор, водотопливная эмульсия, топливо.
Для цитирования: Иванов А.С. Обоснование применения водотопливных эмульсий в дизель-генераторных установках при децентрализованном энергоснабжении муниципальных образований // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 6 (92). С. 198 - 202.
Original article
Justification of the use of water-fuel emulsions in diesel generator sets for decentralized power supply of municipalities
Andrey S. Ivanov
Northern Trans-Ural State Agricultural University
Abstract. On the territory of the Russian Federation, there are many settlements and objects in which there is no centralized power supply, and electric energy is generated through the use of diesel power plants and additional technological equipment. At the same time, there is a significant fuel consumption and a negative impact on the environment as a result of the emission of harmful substances with exhaust gases. An alternative measure to eliminate these disadvantages or improve the baseline is the use of a composition such as diesel fuel, water and surfactants (emulsifiers). The study was carried out in order to substantiate the possibility of using a water-fuel emulsion in a diesel generator set. According to the results of the study, the maximum power reduction when the engine is running on emulsion was 5 %, which justifies its use in diesel generator sets that do not operate in the maximum load mode. The specific effective consumption of the emulsion in comparison with diesel fuel increases by 4 - 18 %, depending on the engine operating mode, therefore, the greatest effect when working on the emulsion, both from the technical side and from the economic side, is achieved in the engine load mode by 60 - 95 %... The economic effect from the use of emulsion instead of traditional diesel fuel when loading diesel generator sets by 80 - 95 % and operating at a steady state will amount to 5000 rubles. for 1000 liters of fuel consumed, taking into account the cost of purchasing surfactants and preparing an emulsion.
Keywords: diesel generator, water-fuel emulsion, fuel.
For citation: Ivanov A.S. Justification of the use of water-fuel emulsions in diesel generator sets for decentralized power supply of municipalities. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2021; 92(6): 198 - 202. (In Russ.).
На территории России до сих пор существует много поселений и объектов, в которых отсутствует централизованное энергоснабжение. Как правило, на таких объектах электрическая энергия вырабатывается посредством применения дизельных электростанций и дополнительного технологического оборудования [1, 2]. Основная задача такого энергетического сетевого комплекса - это круглогодичное бесперебойное обеспечение объектов электроэнергией. Потребление электроэнергии в основном ежегодно возрастает по причине развития инфраструктуры поселений, что требует дополнительной выработки электроэнергии от дизельных электростанций, вследствие чего происходит рост затрат на топливо.
Рассмотрим механизм децентрализованного энергоснабжения на примере Ханты-Мансийского автономного округа (Югра, Тюменская область). В связи с труднодоступностью обслуживаемых объектов возникают трудности с доставкой дизельного топлива для работы дизельных генераторных установок. Доставка реализуется в период навигации, а также в период работы зимних снеголедовых дорог.
На сегодняшний день единственной организацией, которая занимается выработкой электрической энергии в децентрализованной зоне энергоснабжения муниципальных образований ХМАО-Югра, является АО «Юграэнерго». К географии обслуживания компании относится 22 населённых пункта, территориально расположенных в шести муниципальных образованиях автономного округа: Нижневартовского, Белоярского,
Ханты-Мансийского, Кондинского, Берёзовского и Сургутского районов [3]. В планах развития деятельности организации предусмотрены дальнейшие действия по оптимизации расхода дизельного топлива дизельными генераторными установками. В настоящее время эксплуатируются такие установки, как Perkins, Volvo, Cummins, АД и другие мощностью от 24 до 1000 кВт (рис. 1). Основные нагрузочные режимы работы установок - 40 - 85 % мощности.
Значительный расход топлива, с одной стороны, и негативное воздействие работы дизель-генераторных установок на окружающую среду в части выброса вредных веществ с отработавшими газами, с другой стороны, обуславливают внедрение иных мероприятий, позволяющих устранить эти недостатки или хотя бы улучшить базовые показатели.
Цель исследования - обосновать возможность применения водотопливной эмульсии в дизельной генераторной установке.
Применение такой композиции, как дизельное топливо, вода и поверхностно-активные вещества (эмульгаторы), направленной на повышение её качества, позволяет добиться требуемого эффекта - сократить потребление дизельного топлива путём замещения его части водой и при этом уменьшить количество выбрасываемых вредных веществ с отработавшими газами двигателями внутреннего сгорания [4, 5]. Практика применения водотопливных эмульсий в двигателях внутреннего сгорания, особенно в дизельных, показала их перспективность в части совершенствования
Рис. 1 - Дизель-генераторные установки: АД-60 (слева) и Cummins C500D5 (справа)
характеристик рабочего процесса двигателя (процесса горения топлива) [5 - 7]. Однако широкого применения водотопливные эмульсии не находят. Относительно сложный выбор способа обработки такой эмульсии, высокая стоимость разработки поверхностно-активных веществ (эмульгаторов), трудоёмкость их подбора и обеспечение стабильности состава эмульсии являются сдерживающими факторами в расширении их использования. Ещё одной причиной является зависимость качества процесса сгорания от режима работы двигателя. Большой спектр научных работ посвящён решению этих проблем, исследования проводятся с различными видами топлива, не только с дизельным.
Результаты исследования. В связи с вышеизложенным была поставлена задача разработать высокостабильную мелкодисперсную водото-пливную эмульсию, способную обеспечить качественную работу дизеля в широком диапазоне нагрузочных режимов. Полученная эмульсия с содержанием в ней воды до 20 % может находиться в стабильном состоянии в течение 15 мес. [8, 9]. Ряд проведённых испытаний в дизельном двигателе на различных режимах показали, что существенно снижается количество выбрасываемых вредных веществ в отработавших газах [10 - 12]. Что касается эффективных показателей работы
двигателя, то использование эмульсии приводит к изменению параметров смесеобразования, что сказывается на характеристиках рабочего процесса (рис. 2 и 3). При этом максимальное снижение мощности при работе двигателя на эмульсии составило 5 %, из чего можно сделать вывод о том, что её применение будет оправдано в дизель-генераторных установках, которые работают не в максимальном режиме.
Удельный эффективный расход эмульсии по сравнению с дизельным топливом повышается на 4 - 18 % в зависимости от режима работы двигателя, поэтому наибольший эффект при работе на эмульсии, как с технической стороны, так и с экономической, достигается в режиме загрузки двигателя на 60 - 95 %.
Работа дизеля на эмульсии способствует снижению температуры отработавших газов на 22 - 26 °С. Из этого можно сделать вывод, что снижается теплонапряжённость деталей цилин-дропоршневой группы. Индикаторный КПД и крутящий момент двигателя по мере роста нагрузки снижаются. На основании данных об удельных эффективных расходах дизельного топлива и водотопливной эмульсии были рассчитаны затраты на топливо за 1 час работы дизельной генераторной установки (рис. 4).
Рис. 2 - Изменение мощности и удельного эффективного расхода топлива двигателем
Рис. 3 - Изменение крутящего момента и температуры отработавших газов
Нагрузка,
Рис. 4 - Влияние режима работы дизельной генераторной установки АД-60 на затраты на топливо
Экономический эффект от применения эмульсии вместо традиционного дизельного топлива при загрузке дизель-генераторных установок на 80 - 95 % и работе на установившемся режиме составит 5000 руб. за 1000 л израсходованного топлива с учётом затрат на приобретение поверхностно-активных веществ и приготовление эмульсии. Чем больше объём потребляемого топлива, тем больше будет эффект. Для рассматриваемой организации годовое потребление топлива составляет более 7 млн л в год, и даже при том, что не все установки работают на максимальных нагрузочных режимах или близким к ним, снижение затрат может достигать нескольких миллионов рублей в год.
Выводы. Мелкодисперсная водотопливная эмульсия сгорает быстрее, чем дизельное топливо, при этом качественно изменяются процессы её горения: увеличивается поверхность горения частиц, происходит хорошее перемешивание с воздухом, но для достижения такого качества нужно уделять особое внимание процессу подготовки эмульсий. С определённой концентрацией воды в составе эмульсии (в зависимости от применяемых поверхностно-активных веществ) возможно обеспечить устойчивую работу дизельного двигателя на необходимых нагрузочных режимах.
Литература
1. Повышение бесперебойной работы малых ГЭС для электроснабжения сельскохозяйственных потребителей / В.И. Чиндяскин, В.А. Шахов, Е.В. Большаков [и др.] // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2020. № 4 (84). С. 190 - 193.
2. Увеличение энергоэффективности при применении мини-ТЭЦ в сельской местности / Р.Ф. Сагитов, С.П. Василевская, Р.Н. Касимов [и др.] // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2019. № 2 (76). С. 149 - 152.
3. АО «Юграэнерго» [Электронный ресурс]. URL: http://ugra-energo.ru
4. Воробьев Ю.В., Дунаев А.В., Малахов В.А. Перспективы применения водотопливной эмульсии // Сельскохозяйственная техника: обслуживание и ремонт. 2019. № 1. С. 49 - 55.
5. Buzdug S.R., Sajin T. Aspects of mathematical modelling of heat and mass exchange at burning of droplet of water fuel oil emulsion // Applied Mechanics and Materials. 2013; 371: 642 - 646.
6. Гареев Т.Р., Гильмутдинов А.Т. Водотопливные эмульсии как альтернатива моторному топливу // Современные наукоёмкие инновационные технологии: сб. ст. Междунар. науч.-практич. конф. Самара, 2018. С. 51 - 53.
7. Misra M., Chen S., Grimes P. Water-fuel emulsions for energy application // Innovations in Natural Resource Processing: Proceedings of the Jan D. Miller Symposium. 2005; 329 - 336.
8. Wu Y.-Y., Chen B.-C., Hwang J.-J., Chen C.-Y. Performance and emissions of motorcycle enginesusing water-fuel emulsions // International Journal of Vehicle Design. 2009; 49(1-3): 91 - 110.
9. Пат. на изобретение № 2349632 Российская Федерация, МПК C10L 1/32. Способ приготовления топливной эмульсии / А.С. Иванов. № 2007143006/04; заявл. 20.11.2007; опубл. 20.03.2009. Бюл. № 8.
10. Пат. на полезную модель № 79946 Российская федерация, МПК F02M 31/125. Устройство для обработки водотопливной эмульсии в топливной системе дизельного
двигателя / А.С. Иванов, Н.И. Смолин, А.В. Старцев, О.А. Морозов. № 2007139391/22; заявл. 23.10.2007; опубл. 20.01.2009. Бюл. № 2.
11. Иванов А.С., Чикишев Е.М. Альтернативное топливо для дизельных двигателей // Автогазозапра-вочный комплекс + Альтернативное топливо. 2016. № 2 (107). С. 14 - 19.
12. Hountalas D.T., Mavropoulos G.C., Zannis T.C., Mamalis S.D. Use of water emulsion and intakewater injection as NOx reduction techniques for heavy duty diesel engines // SAETechnical Papers - SAE World Congress; 2006 Detroit, MI; United States; Code 90162.
Иванов Андрей Сергеевич, кандидат технических наук, доцент. ФГБОУ ВО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья». Россия, 625000, г. Тюмень, ул. Республики, 7, [email protected]
Andrey S. Ivanov, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor. Northern Trans-Ural State Agricultural University. 7, Republic St., Tyumen, 625000, Russia, [email protected]
-Ф-
Научная статья УДК 621.3
Разработка и испытание контроллера зарядки аккумулятора от ветрогелиоэнергетической установки
Виктор Гаврилович Петько1, Ильмира Агзамовна Рахимжанова1,
Максим Борисович Фомин1, Александр Борисович Колесников2,
Александр Сергеевич Садчиков2, Ирина Валерьевна Колесникова3
1 Оренбургский государственный аграрный университет
2 ООО «Тюльганский электромеханический завод»
3 Оренбургский государственный университет
Аннотация. В работе представлены схема в аналоговом варианте, принцип действия и результаты испытания контроллера зарядки аккумулятора в системе альтернативный источник энергии - потребитель. Так как большинство альтернативных источников энергии в зависимости от погодных условий и от времени суток развивают переменную мощность, не совпадающую с мощностью подключённых к ним потребителей, непременным атрибутом в их структуре является наличие аккумулятора, выступающего в роли буфера между источником и потребителем. При изменяющихся мощности и напряжении источников энергии и различной степени заряженности аккумулятора во избежание его преждевременного выхода из строя не допускается превышение тока зарядки более 10 % от его ёмкости, а также увеличение напряжения на его клеммах выше 13,6...13,8 вольта (при полной зарядке) и ниже 11,4...11,8 вольта (в полностью разряженном состоянии). Не допускаются перегрузка и перегрев источников энергии. Обеспечение этих требований возлагается на контроллер зарядки аккумулятора. В лабораторных условиях были произведены испытания опытного образца контроллера такого типа, рассчитанного на зарядку аккумулятора напряжением 12 вольт ёмкостью 10А-ч. Проведённые испытания контроллера подтвердили не только его работоспособность, но и достаточную точность ограничения и тока зарядки, и напряжения при переходе в буферный режим зарядки.
Ключевые слова: ветрогелиоэнергетическая установка, аккумулятор, контроллер зарядки.
Для цитирования: Разработка и испытание контроллера зарядки аккумулятора от ветрогелиоэнергетической установки / В.Г. Петько, И.А. Рахимжанова, М.Б. Фомин [и др.] // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 6 (92). С. 202 - 209.
Original article
Development and testing of the charging controller battery from a wind-solar power plant
Viktor G. Petko1, Ilmira A. Rakhimzhanova1, Maxim B. Fomin1,
Alexander B. Kolesnikov2, Alexander S. Sadchikov2, Irina V. Kolesnikova3
1 Orenburg State Agrarian University
2 OOO «Tyulgansky Electromechanical Plant»
3 Orenburg State University
Abstract. The paper presents a circuit in an analog version, the principle of operation and the results of testing the battery charging controller in the «alternative energy source - consumer» system. Since most alternative energy sources, depending on weather conditions and on the time of day, develop variable power that does not
