CC BY
384
4. СНиП 11-7-81* Строительство в сейсмических районах / Минстрой России. -М.: ГП ЦПП, 1995. - 52 с.
5. СНиП П-23-81* Стальные конструкции / Госстрой России. - М.: ГУП ЦПП, 1998. - 96 с.
УДК 629.424.3
А. Б. Буянов, Д. Ю. Комаров
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ КОГЕНЕРАЦИОННЫХ ГАЗОПОРШНЕВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
Когенерационные газопоршневые электростанции получают все большее распространение в развитых странах и начинают находить применение в нашей стране. Достоинством таких энергетических установок является короткий срок окупаемости, составляющий всего 2-3 года. При выборе конкретных агрегатов для электростанции возникает сложный вопрос увязки электрической нагрузки потребителей с их тепловой нагрузкой, зависящих друг от друга. В статье рассмотрены производители когенерационных газопоршневых электростанций, технические характеристики этих агрегатов на номинальном и частичных режимах работы, а также разработаны рекомендации по совместному учету электрических и тепловых нагрузок подключенных потребителей.
когенерация; газопоршневая электростанция; нагрузка; электроэнергия; тепловая энергия; мини-ТЭЦ.
Введение
Ресурсосбережение, растущее экологическое сознание населения и ограниченность запасов природного топлива повышают требования к эффективности процессов получения различных видов энергии. В этом аспекте большое будущее за мини-ТЭЦ (мини-теплоэлектроцентраль) на основе газопоршневых двигателей. Эти когенерационные газопоршневые электростанции производят электрическую и тепловую энергию децентрализованно. Они обеспечивают максимальную эффективность процесса преобразования химической энергии газообразного топлива при минимальном загрязнении окружающей среды [1]-[5].
Мини-ТЭЦ позволяет экономить более 40% энергии газообразного топлива по сравнению с раздельным производством электрической и тепловой энергии. Выработанная на мини-ТЭЦ электрическая и тепловая энергия может потребляться на месте, а также продаваться соседним потребителям. При этом к.п.д. мини-ТЭЦ составляет около 90%, а поскольку потребители энергии находятся рядом с ней, то потери энергии при распре-
делении оказываются меньше, чем у централизованных электро- и теплосетей. Это также снижает стоимость получаемой энергии.
Мини-ТЭЦ представляет собой когенерационную газопоршневую электростанцию, состоящую из приводного двигателя внутреннего сгорания, соединенного с электрогенератором, а также теплообменников охлаждающей воды и выхлопных газов двигателя, системы автоматизации и распределения энергии. Срок службы газопоршневых двигателей таких электростанций, работающих на природном газе, достигает от 60 000 до 200 000 часов, что свидетельствует о надежности их работы. Значительный по величине общий к.п.д. способствует малому сроку окупаемости строительства мини-ТЭЦ.
По определению Американского общества инженеров по теплотехнике, холодильным установкам и кондиционированию воздуха (ASHRAE), когенерация представляет собой использование первичного источника энергии для одновременной выработки двух видов энергии - электрической и тепловой. Для газопоршневых электростанций под когенерацией понимается использование теплоты горения газообразного топлива в поршневом двигателе внутреннего сгорания (ДВС) для выработки электроэнергии на присоединенном к ДВС электрогенераторе и выработки тепловой энергии (в виде горячей воды или пара) путем утилизации тепловых потерь этого же ДВС. К.п.д. газопоршневой электростанции при выработке только электрической энергии на номинальном режиме работы составляет всего 35-40%. При этом оставшиеся 66-60% тепловой энергии, выделившейся при горении газообразного топлива (природный газ, сжиженный газ, биогаз, попутный нефтяной и т. д.), отводится в окружающую атмосферу через систему охлаждения ДВС и с выхлопными газами.
В когенерационной газопоршневой электростанции коэффициент использования газообразного топлива при выработке электрической и тепловой энергии достигает 85-87%, т. е. всего 15-13% тепловой энергии топлива выбрасывается в окружающую атмосферу в виде лучистой и конвективной теплоты от нагретых частей электростанции, а также оставшейся теплоты выхлопных газов.
Так как на когенерационной газопоршневой электростанции к.п.д. по выработке электрической энергии остается прежним (35-40%), то на долю выработки тепловой энергии приходится (85%-35%) =50% - (87% - 40%) = 47% теплоты горения топлива. Отсюда видно, что соотношение мощностей электрической и тепловой энергии, которую можно получить в когенера-ционной электростанции, составляет (50% / 35%) ... (47% / 40%), т. е. 1 / (1,4. 1,2), или на 1 МВт выработанной электрической мощности можно получить 1,2.1,0 Гкал/ч тепловой мощности.
В случае применения газопоршневой электростанции без когенерации ее "собственнику" приходится либо покупать тепловую энергию (для технологических процессов, отопления, горячего водоснабжения, вентиляции
или кондиционирования воздуха) у другого ее производителя, либо производить ее самому (в своей котельной), дополнительно затрачивая топливо для получения этой тепловой энергии. При этом топливо является основной составляющей общих эксплуатационных затрат.
Современные паротурбинные электростанции, работающие на городскую энергосеть, имеют к.п.д. по выработке электроэнергии 35%, так же как и современные газопоршневые электростанции. Однако с учетом порядка 10% потери электрической энергии при ее транспортировке и преобразовании окончательный коэффициент использования топлива на современной паротурбинной электростанции составляет всего 32%. Поэтому при современном развитии техники децентрализованная выработка электрической и тепловой энергии с точки зрения снижения общих эксплута-ционных затрат становится все более экономически привлекательной.
Таким образом, когенерация - это прогрессивная технология получения двух видов энергии при резком снижении эксплутационных затрат.
1 Краткая характеристика когенерационных газопоршневых
электростанций 1.1 Отечественное оборудование
Перспективным направлением отечественного двигателестроения является создание электростанций с газопоршневыми двигателями на базе дизельных модификаций. По такому пути пошли в ОАО «Дизельпром» (г. Чебоксары) при разработке агрегата ЭАГ-315.
На ОАО "Барнаултрансмаш" созданы совместно с немецкой фирмой "Gaspower" когенерационные установки на базе дизель-генераторов мощностью 100 и 200 кВт с утилизацией теплоты выхлопных газов, охлаждающей жидкости и масла. Эти электростанции (мини-ТЭЦ) могут изготавливаться как открытого исполнения, так и внутри шумо- и теплоизолирующего кожуха [5]. Их техническое характеристики представлены в таблице 1.1 .
Планируется в дальнейшем расширить модельный ряд электростанций на мощности 16, 30, 60 и 315 кВт, а также перевести дизельные двигатели этих электростанций на газообразное топливо.
Выпуск когенерационных газопоршневых электростанций широкого мощностного ряда (таблице 1.2) производится на ООО "Эконефтегаз" (Московская обл.). Базовыми двигателями для них используются хорошо зарекомендовавшие себя дизели для тракторов, тягачей, карьерных самосвалов, тепловозов, речных и морских судов. За счет применения газообразного топлива ресурс работы двигателей увеличивается на 30-50%. Утилизация теплоты обеспечивается за счет теплоты охлаждающей жидкости, масла и выхлопных газов. В зависимости от варианта утилизации выработка тепловой энергии составляет от 70 до 140% от выработки электрической энергии.
ТАБЛИЦА 1.1. Основные технические характеристики электростанций (3 ф., 50 Гц)
Показатель Величина
Номинальная электрическая мощность, кВт 100 200
Номинальная тепловая мощность, кВт 150 300
Напряжение, В 400 400
Расход топлива, кг/ч 26 52
Максимальная температура "прямой" воды, °С 90 90
Максимальная температура "обратной" воды, °С 70 70
Расход сетевой воды, м /ч 7 14
Время непрерывной необслуживаемой работы, ч 240 240
Ресурс до капитального ремонта, ч 20000 20000
Уровень шума, ДБА 81 81
Габариты электростанции (ДхШхВ), м 4,05x1,45x2,08 4,8x1,45x2,1
Масса, кг 4000 5500
Электростанции могут быть в открытом исполнении, под капотом и в транспортабельных блок-боксах. Срок их окупаемости составляет 2-2,5 года при базовой цене за 1 кВт установленной электрической мощности 7,5 тыс.руб.
Основным недостатком рассматриваемого отечественного оборудования является малый моторесурс до капитального ремонта - всего 20 000 часов, который может быть выработан (при непрерывной эксплуатации около 8000 часов в год) за период от 2,5 до 7,5 лет.
1.2 Зарубежные мини-ТЭЦ
Ведущим и самым крупным мировым производителем когенерацион-ных газопоршневых электростанций является американская корпорация "Caterpillar". Счет изготовленных этой фирмой мини-ТЭЦ идет на десятки тысяч штук. Единичная мощность когенерационых электростанций составляет от 70 до 3385 кВт, напряжение от 380 В до 13,2 кВ. Режим работы может быть резервным или непрерывным (до 8600 часов в год). Общий моторесурс электростанций составляет от 100 000 до 200 000 часов. В качестве газообразного топлива могут быть использованы: природный газ, попутный газ, биогаз, пропан и другие горючие газы. Электростанции с газопоршневыми двигателями серий G 3300, G 3400, G 3500 могут поставляться в двухтопливном исполнении: основное газообразное топливо -природный газ, в качестве резервного топлива - сжиженный газ пропан.
ТАБЛИЦА 1.2. Основные технические характеристики когенерационных электростанций (3 ф., 50 Гц)
Показатель Величина
Номинальная электрическая мощность, кВт 16 30 60 100 200 500 630 800 1000 1500 2500
Номинальная тепловая мощность, кВт 22 42 84 140 280 700 880 1120 1400 2100 3500
Напряжение, В 400 400 400 400 400 400 400 6300 6300 6300 6300
Номинальная частота вращения, об/ мин 1500 1500 1500 1500 1500 1500 1500 750 1000 1000 1000
Расход природного газа, м3/ч 8 15 24 35 70 175 220 280 350 525 875
Минимальное давление газа, атм 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 0,3
Электрический к.п.д., % 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35
Тепловой к.п.д., % 49 49 49 49 49 49 49 49 49 49 49
Суммарный к.п.д., % 84 84 84 84 84 84 84 84 »84 84 84
Габаритные размеры (ДхШхВ), м 6,0x1,0 х1,5 2,2x1,0х 1,6 2,4x1,Ох 1,6 2,8х1,2х 1,6 3,'4х1,2х 1,6 4,8x1,6 х2,2 4,8x1,6 х2,2 5,3х1,6х 2,3 5,5х1,6х 2,3 6,0х1,8х 3,0 6,8х2,2х 3,0
Масса агрегата на раме, т 0,7 0,9 1,7 2,7 3,6 9,5 10,0 22,0 18,0 26,0 33,5
Ресурс до капитального ремонта, ч 20000 20000 20000 30000 30000 40000 40000 70000 60000 60000 60000
Расход масла, г /(кВт-ч) 1,13 1,13 1,1 2,0 2,0 1,54 1,54 1,1 1,4 1,4 1,4
Выхлоп двигателей отвечает самым жестким мировым нормам TA-LUFT. Когенерационные газопоршневые электростанции могут поставляться открытого исполнения для установки в помещении или в арктическом контейнере (до температур наружного воздуха минус 50°С). Система утилизации теплоты включает утилизацию теплоты системы охлаждения и выхлопных газов. При этом потребитель может получать горячую воду или пар низкого давления (до 0,2 МПа). Например, на когенерационной электростанции электрической мощностью 900 кВт можно получить 1400 кВт (1,2 Гкал/ч) тепловой энергии с горячей водой или около 1,5 т пара низкого давления в час. В этом случае общий к.п.д. агрегата достигает 83-87%.
Основные технические характеристики этих электростанций с газопоршневыми двигателями приведены в таблице 1.3.
Мини-ТЭЦ поставляет также известная английская фирма "F.G. Wilson", входящая в корпорацию "Caterpillar". Эта фирма использует современные газопоршневые двигатели известной английской фирмы "Perkins" В качестве отличительной особенности таких когенерационных электростанций фирмы "F.G. Wilson " можно отметить относительно низкую цену и высокое качество изготовления. Серийно изготавливаются когенераци-онные электростанции с утилизацией теплоты системы охлаждения газопоршневого двигателя для воздушного отопления заводских помещений или для воздушных тепловых завес. Эти электростанции могут работать на природном газе, на попутном газе, на пропане или на биогазе. Использование газообразного топлива существенно увеличивает срок службы газопоршневого двигателя по сравнению с дизельным двигателем: моторесурс до капитального ремонта газопоршневых двигателей достигает 60120 тыс. часов, а полный моторесурс - 150-240 тыс. часов.
Крупнейшим европейским производителем когенерационных электростанций с газопоршневыми двигателями является австрийская фирма "Jenbacher Energiesysteme AG". Электростанции этой фирмы отличает высокий к.п.д. выработки электроэнергии, достигающий 40%. При этом соблюдаются все международные нормы по эмиссии вредных веществ в выхлопных газах. В двигателях используется процесс "Leanox" для сгорания бедной газовой смеси, что уменьшает на 90% выделение вредных веществ уже в камерах сгорания цилиндров двигателя. Это достигнуто специальной конфигурацией камеры сгорания и регулятором "Leanox", корректирующим параметры топливной смеси в функции NOx и мощности двигателя. Кроме того, указанный регулятор позволяет компенсировать колебания низшей теплоты газообразного топлива во время работы двигателя, что особенно важно при использовании попутных газов и биогаза в качестве топлива.
ТАБЛИЦА 1.3. Основные технические характеристики электростанций (3 ф., 50 Гц., напряжение от 380 В до 13200 В)
Серия Тип Кол-во Мощность, кВт К.п.д. Степень Частота вращения, об/мин Топливный газ Удельные выбросы, г/кВт-ч
цилиндров электрогенератора двигателя двигателя сжатия Давление, кгс/см2 Часовой расход, нм3/ч (м /кВт-ч эл/эн.) NOx СО
G 3300 G3306NA G3306TA 6 6 70 125 78 139,4 0,31 0,35 8 10,5 1500 1500 0,1-0,7 0,83-1,72 или 0,1-0,7 27,3 0,390 42,9 (0,343) 20.3 24.4 1,02 0,67-
G 3400 G3406 G3408 G3412 6 8 12 210 255 390 229 273 416 0,363 0,352 0,342 10,3 9,7 9,7 1500 1500 1500 0,1-0,35 1,4-1,72 или 0,1-0,35 1,4-1,72 или 0,1-0,35 68,4 (0,326) 84,1 (0,330) 131,7 (0,338) 24,9 26,3 24,7 0,8 0,94 0,94
G 3500 G3508 8 506 535 0,353 11 1500 2,2-2,8 или 0,1-0,5 164,4 (0,325) 1,61 2,41
G3512 12 763 803 0,347 11 1500 2,2-2,8 или 0,1-0,5 251 (0,329) 1,6 2,55
G3516 16 1,020 1,070 0,347 11 1500 2,2-2,8 или 0,1-0,5 334,2 (0,328) 1,07 2,15
Примечание. Данные представлены для следующих технических условий:
1) температура воды на входе в холодильник надувочного воздуха минус 32°С;
2) теплота сгорания топлива 7933 ккал/нм3 (33,72 МДж/нм3).
Ниже представлен пример распределения энергии, выделившейся при горении природного газа, на когенерационной электростанции модели JMS 320GS фирмы " Jenbacher E. AG."
Поступление энергии - природный газ 100%
Производимая механическая энергия 42% Производимая тепловая энергия 58%
Выработанная электроэнергия 40% Потери на электрогенераторе 2% Потери тепловой энергии 8% Общие потери энергии 10% Полезная тепловая энергия от теплообменников воды, масла и выхлопных газов 50%
Из этого распределения энергии видно, что к.п.д. использования топлива в этой когенерационной электростанции достигает 90%. Причем общие потери энергии (10%) складываются из потерь энергии в электрогенераторе, теплообменниках, теплового излучения и конвективного теплообмена от нагретых деталей агрегата, а также из остаточной теплоты выхлопных газов.
Моторесурс газопоршневых двигателей электростанций фирмы "Jenbacher E. AG." составляет от 40 до 100 тыс. часов. Данные электростанции могут поставляться в контейнере в виде готового блока.
Другим крупнейшим европейским производителем когенерационных электростанций с газопоршневыми двигателями является фирма "Spark Energy". Её когенерационная электростанция HPG300P позволяет получать воду для системы отопления по температурному графику 90/70°С; при этом утилизируется теплота системы охлаждения двигателя и теплота выхлопных газов. В параллель с теплообменником для охлаждающей воды газопоршневого двигателя предусмотрен полноразмерный воздушный радиатор. В зависимости от тепловой нагрузки утилизационные теплообменники системы охлаждения и выхлопных газов частично или полностью байпасируются с помощью автоматической системы управления.
Изготавливает когенерационные электростанции также немецкая фирма "Haats Blockheizkraft" (г. Кельн). Она производит электростанции на базе газопоршневых двигателей с использованием в качестве топлива природного газа или биогаза. Для утилизации теплоты системы охлаждения и выхлопных газов газопоршневого двигателя применен пластинчатый теплообменник для системы отопления по температурному графику 90/70°С. При этом вода системы охлаждения газопоршневого двигателя (раствор антифриза) циркулирует по замкнутому контуру: через двигатель, через утилизационный кожухо-трубчатый теплообменник выхлопных газов и затем через пластинчатый теплообменник сетевой воды, работающий в температурном диапазоне по греющей воде 102/80°С. Технические данные когенерационных электростанций представлены в таблице 1.4. Поставляется оборудование для подключения к этим когенерационным электростанциям абсорбционной холодильной установки для выработки холода с температурой +6°С.
При работе когенерационной газопоршневой электростанции на систему отопления рекомендуется в параллель с пластинчатым теплообменником на тепловой сети устанавливать пиковый водогрейный газовый котел. Когенерационные электростанции обеспечены системой автоматического управления выработки электрической и тепловой энергии. Они позволяют также осуществлять параллельную работу с аналогичными электростанциями и с внешней электрической сетью. Ограничениями на использование этих электростанций являются: максимальное содержание се-
"5
ры (до 1 г/нм ) в газообразном топливе и его давление на входе от 40 до 50 мбар. Электростанции могут быть поставлены в шумоослабляющем кожухе или в контейнере при обеспечении европейских требований по шуму "LWA100". Для обеспечения жестких требований стандарта TA-LUFT за глушителем газопоршневого двигателя электростанции по тракту выхлопных газов устанавливается каталитический нейтрализатор.
В Германии недавно принят закон о ликвидации атомных электростанций, которые будут заменять когенерационными газопоршневыми, и для этого законодательно выработана целая система льготного налогообложения такого перехода. Эта техническая политика сразу положительно сказалась на расширении номенклатуры и повышении эффективности мини-ТЭЦ немецких компаний.
2 Электрические и тепловые параметры когенерационных газопоршневых электростанций на номинальной нагрузке, частичных нагрузках, при перегрузке и на холостом ходу
Когенерационная электростанция предназначена в первую очередь для обеспечения потребителей электрической энергией, а во вторую очередь -тепловой энергией. При этом возможны три варианта обеспечения потребителей электроэнергией.
1. Электростанция покрывает все виды нагрузок потребителей, т. е. является единственным и автономным источником электроснабжения.
2. Электростанция покрывает только базовую часть электрической нагрузки, а внешняя электросеть покрывает пиковую часть.
3. Электростанция покрывает только пиковую часть электрической нагрузки, а внешняя электросеть - базовую часть нагрузки.
В зависимости от этих вариантов использования электростанции возможны слабые или значительные, суточные или сезонные колебания электрической нагрузки. При этом вне зависимости от варианта использования электростанции выработка электроэнергии жестко определяет возможности выработки ею тепловой энергии, в то время как потребление тепловой энергии в свою очередь определяется другими факторами и зависит от вида, количества и сменности работы потребителей, их графика суточной и сезонной работы. Таким образом, при проектировании всей системы необходимо учитывать множество таких факторов, как виды потребителей, ре-
жимы их работы (часовые, суточные, сезонные), а также ближайшие и отдаленные перспективы расширения электрических и тепловых нагрузок.
Все заводы-изготовители когенерационных газопоршневых электростанций в технических характеристиках своих агрегатов приводят только их данные на номинальном режиме выработки электрической энергии. В то же время реальные электростанции эксплуатируются на таких режимах не более 3-5% своего моторесурса, т. е. только очень малую ее часть. На частичных режимах электрических нагрузок данные по эффективности работы когенерационных электростанций и по соотношению выработки электрической и тепловой энергии либо отсутствуют, либо очень ограничены, хотя они очень важны при выполнении технико-экономического обоснования целесообразности применения когенерационной газопоршневой электростанции.
Поэтому проведем подробный анализ таких характеристик на примере когенерационных газопоршневых электростанций фирмы "F.G.Wilson" с двигателями "Perkins". Выполним анализ характеристик электростанций с двигателями двух серий (серии "3000" и серии "4000") с разным числом цилиндров: 6, 8, 12 и 16 - и разной компоновкой цилиндров: рядная компоновка (модели двигателей 4006 и 4008) и V-образная (модели двигателей 3012, 4012 и 4016), а также без турбонаддува (модель 3012-SI) и с турбо-наддувом (остальные модели). В таблице 2.1 приведены данные заводских испытаний электростанций для различных нагрузок (110%, 100%, 75%, 50%, 25% и на холостом ходу), пропуск в колонках означает то, что эти данные у завода-изготовителя отсутствуют.
Анализ приведенных данных показывает влияние особенности характеристик газопоршневого двигателя на выработку им тепловой энергии. Так, при уменьшении электрической нагрузки электростанции со 100% на 50%, т. е. в 2 раза, ее тепловая мощность (выработка тепловой энергии) уменьшается всего в 1,52-1,64 раза в зависимости от конструкции двигателя. Это свидетельствует о том, что небольшие колебания электрической нагрузки когенерационной электростанции почти не будут сказываться на выработке ею тепловой энергии. Кроме двигателя, на эти соотношения мощностей в общем случае оказывают влияние и характеристики самого электрогенератора когенерационной электростанции. В таблице 2.2 представлены заводские характеристики электрогенератора, которым комплектует свои когенерационные электростанции фирма "F.G.Wilson". Эти характеристики показывают, что конструкторы электрогенераторов, используя современные технические решения и технологии, добились их высоких к.п.д. и в зоне малых нагрузок. С учетом изменения к.п.д. электрогенераторов от нагрузки в таблице 2.3 приведены относительные параметры различных когенерационных газопоршневых электростанций фирмы "F.G.Wilson". При этом проценты нагрузки соответствуют приводному двигателю (эффективной мощности двигателя), а условные обозначения
приняты следующие: Q2 - относительная теплота охлаждения двигателя;
Q3 - полезная относительная теплота выхлопных газов, полученная в утилизационном теплообменнике (при охлаждении выхлопных газов до температуры 140°С и к.п.д. теплообменника 0,98); Q4 - относительная утилизационная суммарная теплота системы охлаждения двигателя и выхлопных газов; Q2 = Q2NI, Q3 = Q3NI, Q4 = Q4/^ - отношение выработки соответствующей тепловой энергии к выработке электрической энергии; Ыэл - относительная электрическая мощность электрогенератора с учетом изменения его к.п.д. от нагрузки.
ТАБЛИЦА 2.1. Технические данные электростанций с двигателями "Perkins", работающими на природном газе (Q^ = 34,71 МДж/нм3)
Модель двигателя/электростанции
Показатель 3012- 4006TESI- 4008TESI- 4012TESI- 4016TESI-
SI/PG310 LC/PG410 LC/PG550 LC/PG810 LC/PG1100
1 2 3 4 5 6
1. Часовой расход топлива, нм3/ч, при нагрузке:
110% 84,04 222 303,2
100% 74,7 101,7 139,8 203,3 279,5
75% 59,6 79,86 111,1 157,9 219
50% 58,75 80,7 112,4 156,5
25% 32,95 50,5 68,1 97,5
холостой ход 14,8 20,3 29,6 40,7
2. Тепловая мощность го-
рения топлива, кВт,
при нагрузке:
110% 810 2140 2923
100% 720 991 1329 1947 2658
75% 574,5 769,9 1071 1522 2111
50% 566,4 778 1083,5 1509
25% 317,6 486,8 656,5 940
холостой ход 142,7 195,7 285 392
3. Эффективная мощность
двигателя, кВт,
при нагрузке:
110% 297 389,4 520,3 764,5 1018,6
100% 270 354 473 695 926
75% 202,5 265,5 354,8 521,3 694,5
50% 135 177 236,6 347,5 463
25% 67,5 88,5 118,3 173,8 231,5
холостой ход 0 0 0 0 0
4. Электрическая мощ-
ность, кВт, при нагрузке:
110% 276 362 484 711 947
100% 252 330 441 648 864
Продолжение табл. 2.1.
1 2 3 4 5 6
75% 188,3 247 330 485 646
50% 123,8 162 217 319 425
25% 58,5 76,7 102,6 150,7 201
холостой ход 0 0 0 0 0
5. Потеря теплоты в окру-
жающую среду от нагретых
частей, кВт, при нагрузке:
110% 67 49 34 53 100
100% 63 46 32 50 94
75% 53 39 27 42 79
50% 42 31 21 34 63
25% 32 23 16 26 47
холостой ход 21 15 11 17 31
6. Общая тепловая мощ-
ность, отводимая в двига-
теле в систему охлаждения
и с выхлопными газами,
кВт, при нагрузке:
110% 467 1376 1876
100% 417 591 823 1201 1638
75% 333 484 714 995 1386
50% 373,4 540 730,5 1021
25% 218 368 480 692
холостой ход 128 185 268 361
7. Тепловая мощность вы-
хлопных газов, кВт, при
нагрузке:
110% 223 541 762
100% 199 263 380 472 665
75% 159 215 329 391 563
50% 166 249 287 415
25% 97 170 189 281
холостой ход 57 85 105 147
8. Тепловая мощность сис-
темы охлаждения, кВт, при
нагрузке:
110% 244 835 1114
100% 218 328 443 729 973
75% 174 269 385 604 823
50% 207,4 291 443,5 606
25% 121 198 291 411
холостой ход 71 100 163 214
9. Температура выхлопных
газов, °С (при нагрузке):
110% 685 648 669 605 610
100% 635 600 621 563 567
75% 511 485 501 457 460
Продолжение табл. 2.1.
1 2 3 4 5 6
50% 388 370 381 352 354
25% 264 255 260 246 247
холостой ход
10. Тепловая мощность,
полученная в утилизаторе
теплоты выхлопных газов,
кВт, при нагрузке:
110% 174 408 576
100% 152 198 288 348 491
75% 113 150 232 266 384
50% 101 154 170 246
25% 43 77 80 119
холостой ход
ТАБЛИЦА 2.2. Зависимость электрического к.п.д. электрогенератора LSA50VL5/4P фирмы "F. G. Wilson" от его электрической нагрузки
(при U = 400 В, 3 ф., 50 Гц, cos ф = 0,8)
Величина нагрузки , % 100 75 50 25
Лэд, % 93,3 93 91,7 86,7
ТАБЛИЦА 2.3. Относительные параметры когенерационных электростанций фирмы
"F. G. Wilson"
Модель двигателя/электростанции
Показатель 3012- 4006TESI- 4008TESI- 4012TESI- 4016TESI-
SI/PG310 LC/PG410 LC/PG550 LC/PG810 LC/PG1100
1 2 3 4 5 6
1. Ыш при нагрузке:
110% 1,095 1,097 1,098 1,097 1,096
100% 1 1 1 1 1
75% 0,747 0,748 0,748 0,748 0,748
50% 0,491 0,491 0,492 0,492 0,492
25% 0,232 0,232 0,233 0,233 0,233
холостой ход 0 0 0 0 0
2. Q2, при нагрузке:
110% 1,119 1,145 1,145
100% 1 1 1 1 1
75% 0,7982 0,8201 0,8691 0,8285 0,8458
50% 0,6323 0,6569 0,6084 0,6228
25% 0,3689 0,4470 0,3992 0,4224
холостой ход 0,2165 0,2257 0,2236 0,2199
3. Q2/Nэл, при нагрузке:
110% 0,8841 1,174 1,176
100% 0,8651 0,9939 1,005 1,125 1,126
75% 0,9241 1,0891 1,167 1,245 1,274
Продолжение табл. 2.3.
1 2 3 4 5 6
50% 1,2802 1,341 1,3903 1,426
25% 1,578 1,930 1,931 2,045
холостой ход
4. Qз, при нагрузке:
110% 1,145 1,172 1,173
100% 1 1 1 1 1
75% 0,7434 0,7576 0,8056 0,7644 0,7821
50% 0,5101 0,5347 0,4885 0,5010
25% 0,2172 0,2674 0,2299 0,2424
холостой ход
5. Qз/Nэл, при нагрузке:
110% 0,6304 0,5738 0,6082
100% 0,6032 0,6000 0,6531 0,5370 0,5683
75% 0,6001 0,6073 0,7030 0,5485 0,5944
50% 0,6235 0,7097 0,5329 0,5788
25% 0,5606 0,7505 0,5309 0,5920
холостой ход
6. Q4, при нагрузке:
110% 1,129 1,154 1,154
100% 1 1 1 1 1
75% 0,7757 0,7966 0,8440 0,8078 0,8245
50% 0,5856 0,6088 0,5696 0,5820
25% 0,3118 0,3762 0,3445 0,3620
холостой ход 0,2165 0,2257 0,2236 0,2199
7. Q4/Nэл, при нагрузке:
110% 1,514 1,748 1,785
100% 1,468 1,594 1,658 1,662 1,694
75% 1,524 1,696 1,869 1,794 1,868
50% 1,901 2,051 1,923 2,005
25% 2,138 2,680 2,462 2,637
холостой ход
Заключение
Анализируя технические данные таблицы 2.3, можно сделать следующие выводы:
• 50%-ное снижение нагрузки газопоршневого приводного двигателя приводит к сохранению 61-66% тепловой нагрузки, покрытие которой обеспечивается теплотой системы охлаждения двигателя Q2 ;
• такое же снижение нагрузки газопоршневого двигателя обеспечивает 49-53%-ное покрытие тепловой нагрузки за счет утилизации теплоты выхлопных газов двигателя Qз и 57-61%-ное покрытие тепловой на-
грузки за счет утилизации теплоты системы охлаждения и выхлопных газов Q4 ;
• на холостом ходу когенерационная газопоршневая электростанция обеспечивает примерно 22 % тепловой энергии, вырабатываемой системой охлаждения Q2 на номинальном режиме двигателя;
• соотношение мощностей вырабатываемой тепловой энергии от системы охлаждения двигателя и электрической энергии Q2/NOT превышает единицу на всех режимах и увеличивается по сравнению с номинальным режимом как в сторону перегрузки двигателя, так и на частичных режимах его нагрузки, а на режимах нагрузки 25% выработка тепловой энергии превышает выработку электрической энергии в 1,6-2,0 раза в зависимости от модели двигателя;
• соотношение мощностей выработанной тепловой энергии от утилизации теплоты выхлопных газов и электрической энергии Q3/Nm почти не зависит от режима нагрузки электростанции и составляет 53-75%, в то время как соотношение общей выработанной тепловой энергии Q4/NOT при уменьшении нагрузки электростанции возрастает до 2,1-2,7 при 25%-ной загрузке газопоршневого двигателя.
Проанализируем эффективность использования топлива в когенераци-онной газопоршневой электростанции при различной утилизации потерь теплоты в приводном двигателе на основе расчетных данных электростанций фирмы "F. G. Wilson" (табл. 2.4). При этом использованы следующие условные обозначения: Л41 = Nm/Qx; Ыэл - мощность выработанной электроэнергии электрогенератора, кВт; Q-^ - мощность, выделившаяся при горении природного газа внутри цилиндров двигателя, кВт;
Л42 = (Q2 + NJ/ Qт ; Л43 = (Q3 + N,}/ Qт ; Л44 = (Q2 + Q3+ N0/ Qт ;
Л4 = (Q2 + Q3 } / Qi-. На основе полученных расчетных данных можно сделать следующие выводы:
с уменьшением нагрузки газопоршневого двигателя эффективность выработки электроэнергии л41 снижается с 35% до 22%, что обусловлено снижением к.п.д. электрогенератора и к.п.д. газопоршневого двигателя; эффективность использования топлива при выработке электроэнергии и утилизации теплоты системы охлаждения двигателя л42 в широком диапазоне нагрузок (110-50%) остается практически неизменной, составляя величину (65-70%); затем эта эффективность слабо падает при уменьшении нагрузки до 25%, а на холостом ходу (при нулевой выработке электроэнергии) составляет 40-57% в зависимости от модели двигателя; при утилизации теплоты выхлопных газов двигателя и выработке электрической энергии эффективность использования топлива Л43 также остается практически неизменной в широком диапазоне нагрузок (110-50%) и составляет 56-44% в зависимости от модели двигателя;
4
• аналогичная ситуация и для ^4 : при полной утилизации тепловых потерь двигателя и выработке электрической энергии этот (общий) к.п.д. ко-генерационной электростанции в широком диапазоне нагрузок (110-50%) слабо меняется и составляет большую величину 83-91%;
• одновременно с этим коэффициент использования топлива при выработке только тепловой энергии остается почти неизменным во всем диапазоне нагрузок газопоршневого двигателя вплоть до холостого хода. Это свидетельствует о том, что газопоршневой двигатель является почти идеальным источником тепловой энергии при использовании его в составе когенерационной электростанции.
ТАБЛИЦА 2.4. Эффективность использования топлива в когенерационных газопоршневых электростанциях фирмы "F.G. Wilson"
Модель двигателя / электростанции
Показатель 3012-SI/PG 310 4006 TESI-LC/PG-410 4008 TESI-LC/PG-550 4012 TESI-LC/PG-810 4016 TESI-LC/PG-1100
1 2 3 4 5 6
1. Коэффициент использования топлива на выработку эл. энергии ^41 при нагрузке:
110% 0,3407 0,3322 0,3240
100% 0,350 0,333 0,3318 0,3328 0,3251
75% 0,328 0,3208 0,3081 0,3187 0,3060
50% 0,286 0,2789 0,2944 0,2816
25% 0,2415 0,2108 0,2296 0,2138
холостой ход
2. Коэффициент использования топлива при утилизации теплоты системы охлаж- 2 дения ^4 при нагрузке:
110% 0,642 0,7224 0,7051
100% 0,6528 0,6640 0,6652 0,7072 0,6911
75% 0,6306 0,6702 0,6676 0,7155 0,6959
50% 0,6522 0,6530 0,7037 0,6832
25% 0,6225 0,6175 0,6728 0,6511
холостой ход 0,3994 0,5110 0,5719 0,5459
3. Коэффициент использования топлива при утилизации теплоты выхлопных га- 3 зов при нагрузке:
110% 0,5556 0,5229 0,5210
Продолжение табл. 2.4.
1 2 3 4 5 6
100% 0,5611 0,5651 0,5485 0,5116 0,5098
75% 0,5245 0,5157 0,5247 0,4934 0,4879
50% 0,4643 0,4769 0,4513 0,4447
25% 0,3769 0,3689 0,3514 0,3404
холостой ход
4. Коэффициент ис- 0,8568 0,9131 0,9022
пользования топлива
при утилизации теп-
лоты системы охлаж-
дения и выхлопных
4 газов
при нагрузке:
110% 0,8639 0,8638 0,8819 0,8860 0,8758
100% 0,8273 0,8650 0,8842 0,8903 0,8778
75% 0,8305 0,8509 0,8606 0,8463
50% 0,7579 0,7757 0,7947 0,7777
25% 0,4975 0,5110 0,5720 0,5459
холостой ход
5. Коэффициент ис- 0,5160 0,5808 0,5782
пользования топлива
при выработке только тепловой энергии ^45
за счет полной утили-
зации (без учета электроэнергии)
при нагрузке:
110% 0,5139 0,5308 0,5500 0,5532 0,5508
100% 0,4996 0,5442 0,5761 0,5716 0,5718
75% 0,5445 0,5720 0,5662 0,5646
50% 0,5163 0,5649 0,5651 0,5638
25% 0,4975 0,5110 0,5719 0,5459
холостой ход
Полученные данные проведенного выше анализа характеристик коге-нерационных газопоршневых электростанций фирмы "F.G. Wilson" на различных нагрузках являются общими вне зависимости от завода-изготовителя электростанции и позволяют сформулировать следующие рекомендации для выбора и проектирования таких установок.
1. С экономической точки зрения на электростанции целесообразно применить утилизацию теплоты системы охлаждения двигателя и теплоты выхлопных газов. При этом в качестве регулирования тепловой нагрузки может быть применено частичное или полное байпасирование теплообменника выхлопных газов.
2. Если подключенная к электростанции тепловая нагрузка мала по величине, то ее целесообразнее покрывать за счет утилизации теплоты
системы охлаждения, чем за счет утилизации теплоты выхлопных газов. Это связано с тем, что при работе электростанции даже на холостом ходу (в случае отключения потребителей электроэнергии) может быть обеспечено до 22% тепловой мощности от номинальной тепловой мощности системы охлаждения двигателя.
3. При проектировании когенерационной газопоршневой электростанции необходимо учитывать особенность эксплуатации мощных газопоршневых двигателей (согласно данным завода-изготовителя двигателя), заключающуюся в том, что эти двигатели не допускают их эксплуатацию на малых нагрузках и холостом ходу. Так, двигатели мощностью до 500 кВт допускают нагрузку не менее 40% номинальной, а мощностью свыше 500 кВт - не менее 50-60% номинальной. В противном случае усиливается нагарообразование в цилиндрах двигателя и снижается его моторесурс. Этот фактор необходимо учитывать при выборе числа агрегатов, устанавливаемых для параллельной работы на электростанции для обеспечения электрической нагрузки потребителей с учетом ее суточного колебания.
4. Для случая, когда когенерационная газопоршневая электростанция является единственным автономным источником электроснабжения, т. е. она покрывает базовые и пиковые электрические нагрузки подключенных потребителей, с учетом п. 3 базовая тепловая нагрузка потребителей теплоты не должна превышать 60-70% тепловой мощности двигателя на номинальной нагрузке, а пиковые тепловые нагрузки должны обеспечиваться за счет установки баков-аккумуляторов теплоты или пиковых водогрейных котлов.
5. Если когенерационная газопоршневая электростанция обеспечивает только базовую часть электрической нагрузки, а внешняя электросеть покрывает пиковую ее часть, то базовая тепловая нагрузка потребителей теплоты не должна превышать 80% тепловой мощности двигателя на номинальной нагрузке. При этом пиковые тепловые нагрузки могут покрываться путем установки баков-аккумуляторов теплоты или пиковых водогрейных котлов.
6. Если когенерационная газопоршневая электростанция обеспечивает только пиковую часть электрической нагрузки, а внешняя электросеть -базовую часть нагрузки, то базовая тепловая нагрузка определяется на основе анализа пиковых электрических нагрузок и будет составлять 25-30% от тепловой мощности двигателя на номинальной нагрузке.
Библиографический список
1. Энергетическая эффективность теплофикации от блок-ТЭЦ на базе районных котельных / А. И. Андрющенко // Изв. вузов. Сер. Энергетика. - 1991. - № 6. - С. 15-20.
2. Теплофикационные установки и их использование / А. И. Андрющенко, Р. З. Аминов, Ю. М. Хлебалин. - М.: Высшая школа, 1989. - 138 с.
3. Отечественное дизелестроение и проблемы малой энергетики / В. Т. Бурдуков, М. И. Левин // Двигателестроение. - 1977. - №4. - С. 3-4.
4. Когенерационные установки фирмы "Русский дизель"/ В. А. Шляхтов, А. И. Коньков, В. Р. Пургин // Двигателестроение. - 1997. - № 4. - С. 7-9.
5. Технико-экономические показатели мини-ТЭЦ на базе когенерационных установок ОАО "Барнаултрансмаш" / В. В. Логвиненко // Двигателестроение. - 1998. -№ 6. - С. 17-20.
УДК 528.1
М. Я. Брынь, А. В. Астапович, П. А. Веселкин, М. Д. Каралис, А. А. Никитчин
УРАВНИВАНИЕ СПУТНИКОВЫХ И НАЗЕМНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРИЧЕСКИМ СПОСОБОМ В ПЛОСКИХ КООРДИНАТАХ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ МОСТОВЫХ РАЗБИВОЧНЫХ СЕТЕЙ
Приведен вывод параметрических уравнений поправок, возникающих в плановых наземно-спутниковых сетях, создаваемых для решения задач геодезического обеспечения строительства и эксплуатации мостовых переходов. Уравнения приведены для случаев выбора в качестве необходимых параметров как координат определяемых пунктов, так и разностей координат. Дан алгоритм решения этих уравнений по методу наименьших квадратов. Приведены результаты исследований по установлению весовых матриц спутниковых определений для совместного уравнивания с наземными измерениями.
приращение координат, уравнение поправок, уравнивание, метод наименьших квадратов, весовая матрица.
Введение
В последние годы наметилась тенденция к усложнению конструкций мостовых переходов, сокращению сроков их строительства, повышению качества их эксплуатации. Это предъявляет повышенные требования к точности геодезического обеспечения их строительства и эксплуатации, прежде всего - к созданию мостовых разбивочных сетей.
Для построения таких сетей традиционно используются высокоточные угловые и линейные измерения. В последнее время стали использоваться спутниковые измерения, основанные на измерениях по сигналам спутников навигационных систем ГЛОНАСС (Россия) и GPS (США), выполняемых двумя (и более) наземными приемниками. По результатам спутниковых относительных измерений с высокой точностью, оцениваемой единицами миллиметров, определяются разности AX, AY, AZ геоцентрических
