CC BY
337
УДК 621.431.74.004 С.П. Соловьёв
СОЛОВЬЁВ Сергей Павлович - кандидат технических наук, доцент кафедры судовой энергетики и автоматики Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: solovev.49@mail.ru © Соловьёв С.П., 2012
Противодавление на выхлопе дизеля и его влияние на удельный расход топлива
Рассматривается вопрос о влиянии сопротивления на выхлопе дизеля на его работу, одной из основных характеристик которой является удельный расход топлива. Анализируются действующие нормативные документы, паспорта заводов-изготовителей и литературные данные, в которых этот вопрос поднимается. Ключевые слова: дизели, дизель-генераторы, противодавление на выхлопе, котлы-утилизаторы, удельный расход топлива.
Backpressure in the exhaust of diesel and impact on specific fuel consumption. Sergei P. Solovyov -School of Engineering (Far Eastern Federal University, Vladivostok).
The question of the impact of resistance on diesel exhaust on his work, one of the main characteristics of which is the specific course of distribution of fuel. Refers to the relevance of this issue, and analyzes of the live normative documents, passports, manufacturers and literature-temperature data, in which this issue has been raised. Key words: diesel engines, diesel generators, the back pressure in the exhaust, cat-ly-heat, the specific fuel consumption.
Условия работы и основные характеристики дизелей при работе с противодавлением на выхлопе, несомненно, должны отличаться от номинальных, паспортных, гарантированных заводом-изготовителем при свободном выпуске выхлопных газов. Наиболее важными эксплуатационными и экономическими параметрами дизеля являются его эффективная мощность N. и удельный эффективный расход топлива Ье. Данные величины указываются поставщиками при определенных условиях, в частности, при заданном аэродинамическом сопротивлении на всасывании и выхлопе.
Имеется несколько нормативных документов [3, 4, 10], в которых значения этих величин оговариваются. Кроме этого достаточно часто они указываются изготовителями на основании собственных технических условий, которые представлены в паспортах или описаниях двигателей. Ниже будет проведен анализ этих документов и стандартных (нормальных) условий, при которых гарантируются номинальная мощность и номинальный удельный расход топлива.
Данная работа носит постановочный характер и посвящена рассмотрению имеющихся в литературе данных о влиянии сопротивления на выхлопе на работу дизелей. Практическая потребность в этом возникла из-за необходимости учета этого влияния на основной технико-экономический показатель работы дизеля - удельный расход топлива. Актуальность этой проблемы значительно возросла и потребовала решения после выхода «Положения об организации в Министерстве энергетики Российской Федерации работы по утверждению нормативов удельных расходов топлива на отпущенную электрическую и тепловую энергию от тепловых электростанций и котельных». Данное положение утверждено приказом Минэнерго России от 30 декабря 2008 года N° 323 и содержит методику расчета нормативов удельных расходов топлива для стационарных дизельных электрических станций (ДЭС) на выработку электрической и тепловой энергии.
Последняя получается за счет использования тепла выхлопных газов в котлах-утилизаторах. Нормирование удельных расходов топлива при работе дизельных электростанций является основополагающим, так как это определяет финансирование на закупку топлива для каждой ДЭС. Количество стационарных дизельных электростанций в Российской Федерации достаточно велико. К примеру, в Приморском крае их 38 штук в семи районах, суммарной установленной мощностью более 26000 кВт, а в Якутии - 135, на которых установлены 623 дизель-генераторных агрегата общей мощностью более 294000 кВт. При этом единичная мощность агрегатов составляет от 30 до 1650 кВт. Значительная часть дизель-генераторов оборудована котлами-утилизаторами.
Основной особенностью министерского документа, указанного выше, является то, что в нем говорится о выработке тепловой энергии на ДЭС за счет утилизации тепла выхлопных газов дизелей. Однако учет
влияния этого фактора на удельный расход топлива дизелей и практическая методика расчета этого влияния отсутствуют. Понятно, что руководство ДЭС, на которых установлено утилизационное оборудование, заинтересовано в получении данных о его влиянии на удельный расход топлива. Учитывая то, что дизель-генераторы работают при различных нагрузках, необходимо иметь ряд нагрузочных характеристик при различных противодавлениях на выхлопе.
Полезное использование тепла уходящих газов и охлаждающей воды производится в дизелях практически с момента появления первых надежных промышленных образцов двигателей этого типа [6]. Особенно широкое распространение этот путь повышения эффективности ДВС нашел в судовых дизельных энергетических установках. При этом доля тепла, уносимого выпускными газами в современных дизелях с наддувом, доходит до 40.. .45% от энергии сгоревшего топлива, а доля утилизированного, полезно используемого тепла - до 15.20% от этой же энергии.
Применительно к дизель-генераторам эти цифры означают то, что тепловая мощность утилизационных котлов может доходить до 60% от электрической. Так, самые распространенные в ОАО «Сахаэнерго» (Якутия) дизель-генераторы ДГ-72, работающие с утилизацией тепла, имеют электрическую мощность 800 кВт, а котлы-утилизаторы - тепловую в 494 кВт.
На начальном этапе рассмотрения этого вопроса можно сказать, что изменение противодавления на выхлопе никак не связывается производителями с изменением основных параметров работы дизеля, в том числе и с изменением (увеличением) удельного расхода топлива. И хотя в паспортах и технических описаниях дизелей часто приводятся допустимые противодавления на выпуске (до 200.500 мм вод. ст.), их влияние на удельный расход топлива никогда не оговаривается. Можно предполагать, что увеличение аэродинамического сопротивления выхлопного тракта должно привести к увеличению удельного расхода топлива, так как на преодоление этого сопротивления, несомненно, требуется дополнительная энергия, вырабатываемая в двигателе.
Сложность и неординарность данного вопроса заключается в следующем.
1. Все существующие расчетные методики рабочего процесса дизеля выполняются только для номинальной, расчетной эффективной мощности. Методик, дающих возможность рассчитывать долевые режимы работы дизеля и таким образом дающих возможность строить расчетные нагрузочные характеристики, не существует. Данные зависимости определяются только экспериментально на заводе-изготовителе или в процессе эксплуатации для каждого конкретного агрегата.
2. Существующие в настоящее время экономические оценки использования утилизационных котлов основаны только на расчете экономии топлива при выработке тепла за счет использования энергии выхлопных газов дизелей. Вопросы увеличения удельных расходов топлива, при наличии противодавления на выхлопе, по имеющимся литературным данным, весьма малочисленны и достаточно противоречивы. Нормативные документы, заводские паспорта и технические описания дизелей этого вообще не рассматривают.
3. Гарантированный заводом-изготовителем удельный расход топлива относится к стандартным (нормальным) условиям эксплуатации. Зависимостей его изменения при различных противодавлениях на выхлопе никто не приводит. В то время как нагрузочные характеристики дизелей приводятся, хотя и не часто, но в соответствии с [3] они относятся к нулевому противодавлению на выпуске и нулевому сопротивлению на всасывании.
Основные характеристики дизелей предоставляются заводами-изготовителями при определенных параметрах окружающей среды. Условия работы двигателя и параметры окружающей среды, которые принято называть стандартными или нормальными, оговариваются, как было сказано выше, тремя основными нормативными документами [3, 4, 10]. Интересно, что все три документа по-разному определяют параметры окружающей среды и условия работы дизеля при определении его номинальной мощности и соответствующего ей удельного расхода топлива. При этом условия, которые указывают заводы-изготовители, при определении Ne и be, часто также отличаются от нормативных. Правда, следует отметить, что такое допускается пунктом 2.1.5 документа [4].
Номинальная мощность, согласно [3], определяется как длительная эффективная мощность дизеля, назначаемая и гарантируемая изготовителем при заданной частоте вращения дизеля, заданных окружающих условиях, полной комплектности и рабочих условиях, для которых предназначен дизель, с учетом возможности развития максимальной мощности.
Анализ [3, 4, 10], а также заводских паспортных данных дизелей 6ЧН25/34 и 6ЧН36/45 показывает, что нет ни одного параметра, который бы во всех пяти источниках полностью соответствовал остальным, и даже условия называются по-разному - стандартные или нормальные. Таким образом, можно сказать, что единых нормативных требований по атмосферным параметрам и рабочим условиям для дизелей на сегодняшний день не существует. Это в равной степени относится и к противодавлению на выпуске, и, тем более, к увеличению удельного расхода топлива. Так, по [3] оговаривается нулевое сопротивление выхлопного тракта,
а по [4, 10] вообще никак не оговаривается. Более того, в документах [3, 4] в перечнях основных терминов и пояснений к ним понятие сопротивление или противодавление на выпуске вообще отсутствует.
Таким образом, можно утверждать, что ни нормативные документы, ни паспорта заводов-изготовителей на сегодняшний день не регламентируют изменение удельного расхода топлива в зависимости от наличия противодавления на выхлопе. При этом так и остается неясным, гарантируют ли изготовители дизелей сохранение удельного расхода топлива при увеличении противодавления на выпуске до предельного, указанного в документах на поставку. Правда, некоторые авторы, например [12], берут на себя смелость давать положительный ответ на этот вопрос. Анализ литературных источников по утилизации тепла судовых энергетических установок [1, 2, 7, 8, 9, 12] показывает, что вопрос об изменении удельных расходов топлива главных и вспомогательных дизелей СЭУ, при наличии котлов-утилизаторов на выхлопе, не рассматривается.
С 01 июля 2007 г. введены в действие изменения № 3 ГОСТа 10150-88 [3] и № 5 ГОСТа 10448-80 [4], согласно которым исключается понятие теплотворная способность топлива, равная 42000 кДж/кг, и «любой объявленный удельный расход топлива двигателя, выраженный в граммах, должен быть приведен к условной низшей теплотворной способности топлива 42700 кДж/кг». А также «пересчет номинальной или полной мощности и удельного расхода топлива на атмосферные и рабочие условия, отличные от заданных, на территории РФ проводят в соответствии с ГОСТ Р ИСО 3046-1-99».
С 01 января 2007 г. указанный ГОСТ заменен на ГОСТ Р 52517-2005 (ИСО 3046-1:2002) «Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Характеристики. Часть 1. Стандартные исходные условия, объявление мощности, расхода топлива и смазочного масла» [5]. В соответствии с этим ГОСТом вводится понятие стандартные исходные условия для определения стандартных мощности и расхода топлива, которые соответствуют следующим параметрам:
- полное атмосферное давление рг = 100 кПа;
- температура воздуха Тг = 298 К (й = 25 0С);
- относительная влажность воздуха фг = 30%;
- температура охлаждающей среды на входе в охладитель наддувочного воздуха Тег = 298 К (1ег = 25 0С);
- сопротивление на впуске и выпуске 0 мм рт. ст.;
- относительная влажность воздуха 30% при температуре 298 К (25 0С), что соответствует давлению водяного пара 1 кПа и атмосферному давлению сухого воздуха 99 кПа.
Таким образом, и самый последний ГОСТ РФ не проясняет вопрос об учете влияния противодавления на выпуске на удельный расход топлива.
Интересно отметить, что такое положение вещей существует уже более 40 лет, так как еще в работе [11] указывалось, что наличие противодавления на выхлопе должно оговариваться заказчиком и для этого противодавления изготовитель должен гарантировать основные характеристики дизеля, пока не будут разработаны и введены в действие государственные нормали, или ГОСТы. Как видно из последнего ГОСТа Р 52517-2005 (ИСО 3046-1:2002), и до настоящего времени номинальная мощность и удельный эффективный расход топлива дизелей указываются для условий работы без учета сопротивления на выпуске.
Таким образом, вопрос о влиянии противодавления на удельный расход топлива дизелей до сегодняшнего дня остается открытым и требует теоретического и экспериментального решения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Беляев И.Г. Эксплуатация судовых утилизационных установок. М.: Транспорт, 1987.
2. Беляев И.Г. Эксплуатация утилизационных установок дизельных судов. М.: Транспорт, 1979.
3. ГОСТ 10150-88. Дизели судовые, тепловозные и промышленные. Общие технические условия.
4. ГОСТ 10448-80. Дизели судовые, тепловозные и промышленные. Правила приемки. Методы испытаний.
5. ГОСТ Р 52517-2005 (ИСО 3046-1:2002) «Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Характеристики. Ч. 1. Стандартные исходные условия, объявление мощности, расхода топлива и смазочного масла».
6. Дуббель Г. Двигатели внутреннего сгорания. Стационарные и судовые. Л.: Техника и производство, 1928.
7. Камкин С.В. Анализ коэффициента полезного действия судовых дизельных установок. М.: Транспорт, 1965.
8. Коршунов Л.П. Утилизация тепла на судах флота рыбной промышленности. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1983.
9. Маслов В.В. Утилизация теплоты судовых дизелей. М.: Транспорт, 1990.
10. ГОСТ 24.060.07. Дизели стационарные, судовые, тепловозные и промышленного назначения. Метод пересчета мощности и удельного расхода топлива дизелей с наддувом при отклонении атмосферных условий от нормальных.
11. Погодин С.И. Приведение мощности дизелей к стандартным условиям. М.: Машиностроение, 1973.
12. Селиверстов В.М. Утилизация тепла в судовых дизельных установках. Л.: Судостроение, 1973.
