Система топливоподачи с электронным управлением ДВС для стационарных газопоршневых электроагрегатов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Стационарные силовые агрегаты

ш

Система топливоподачи с электронным управлением ДВС для стационарных газопоршневых электроагрегатов

В.Ю. Орлов,

ведущий инженер-конструктор ОАО ЭОКБ «Сигнал» им. А.И. Глухарева

В статье рассматриваются вопросы создания системы топливоподачи с электронным управлением для стационарного газового двигателя с электроискровым зажиганием ЯМЗ 831.10-20 без предварительного редуцирования газа и варианты ее практической реализации на примере газопоршневого электроагрегата АП-100С-Т400-1Р в составе мини-ТЭС.

Ключевые слова: система топливоподачи, электронное управление, газ, газопоршневой электроагрегат, мини-, тепло-, электростанции.

Fuel supply system with electronic control of internal combustion engine for stationary gas-piston electrical units

V.Y. Orlov

This article describes the questions of designing a fuel supply system with electronic control for the stationary gas engine with electric sparking ЯМЗ 831.10-20 without preliminary gas reduction and also its practical realization on the gas-piston electrical unit AП-100C-T400-1P in the structure of a mini thermal power station.

Keywords: fuel supply system, electronic control, gas, gas-piston electrical unit, mini thermal power stations.

В настоящее время к числу наиболее актуальных задач относятся: развитие независимых источников теплоэнергоснабжения объектов народного хозяйства; создание мини-ТЭС и разработка стационарных газопоршневых электроагрегатов, удовлетворяющих требованиям высокой энергоэффективности, рационального

использования вырабатываемых энергии и тепла, а также экологической безопасности.

Современные системы топли-воподачи двигателя внутреннего сгорания (ДВС), использующие в качестве моторного топлива природный газ, при питании от газовой магистрали среднего давления имеют, как правило,

редуцирующие устройства, пропускная способность которых в значительной степени зависит от величины давления в газовой магистрали и размера проходного сечения редуктора, что снижает общую мощность двигателя.

В ОАО ЭОКБ «Сигнал» им. А.И. Глухарева разработана и успешно прошла промышленную апробацию система топливопода-чи с электронным управлением стационарного ДВС, предназначенного для использования в составе электроагрегата мини-ТЭС. Система позволяет исключить необходимость установки редуктора низкого давления и обеспечивает устойчивую работу двигателя, в том числе и на переходных режимах работы (предпусковой режим, режим пуска, режим прогрева, режим готовности к принятию нагрузки, режим холостого хода и др.), с автоматизированной системой защиты от аварийных ситуаций, производящей останов электроагрегата при превышении одного из предельных эксплуатационных параметров двигателя или генератора.

Система топливоподачи с электронным управлением обеспечивает устойчивую работу стационарного газового двигателя (вне зависимости от его нагрузки, колебания давления газа в подводящей магистрали) и минимизацию выбросов вредных веществ в атмосферу. Структурная схема системы топливоподачи с электронным управлением газового двигателя типа ЯМЗ 831.10-20 представлена на рис. 1.

Основные элементы системы управления топливоподачей:

■ электронный блок управления;

■ газовоздушный тракт;

■ датчики первичной информации.

m

Стационарные силовые агрегаты

Подвод газа

Рис. 1. Структурная схема системы управления топливоподачей газового двигателя

ЯМЗ 831.10-20:

1 - электронный блок управления; 2 - электроуправляемый щелевой дозатор; 3 -газовоздушный тракт с электроуправляемым приводом воздушной заслонки; 4 - блоки высоковольтных катушек зажигания; 5 - датчик положения коленчатого вала двигателя; 6 - датчик положения распределительного вала; 7 - отсечной электромагнитный газовый клапан; 8 - датчик кислорода; 9 - жгуты управления и сигнализации; 10 - датчик давления газа

Электронный блок управления представляет собой вычислительное устройство, которое получает сигналы от датчиков и формирует сигналы управления расходом газа и воздуха в зависимости от нагрузки на электроагрегат, подачу аварийных сигналов и команд

на отключение при возникновении нештатных ситуаций.

Система топливоподачи работает следующим образом (рис. 1). При включении двигателя сигнал от датчика положения распределительного вала 6 поступает в электронный блок управления 1,

который выдает команду отсечному электромагнитному газовому клапану 7 на открытие. Газ из подводящей магистрали без редуцирования через отсечной электромагнитный газовый клапан 7 поступает в электроуправляемый щелевой дозатор 2. Параллельно, в результате вращения коленчатого вала (КВ) двигателя в газовоздушный тракт двигателя засасывается воздух, который поступает в смесительную камеру.

В смесительной камере происходит перемешивание газа с воздухом и образуется топливная смесь стехиометрического состава, которая поступает во впускной коллектор двигателя и далее распределяется по цилиндрам. Воспламенение топливной смеси осуществляется электроискровым зажиганием. Угол опережения зажигания автоматически корректируется в зависимости от частоты вращения двигателя и величины нагрузки. Состав топливной смеси дополнительно корректируется по содержанию кислорода в отработавших газах двигателя.

При использовании системы топливоподачи с электронным управлением экономия топлива в ДВС составляет 5% за счет точности регулирования и подачи газовоздушной смеси стехиометрического состава. Высокая стабильность работы ДВС с разработанной системой топливоподачи на всех режимах позволяет уверенно использовать его в качестве силовой установки электроагрегата АП-100С-Т400-1Р в составе мини-ТЭС для выработки электрической и тепловой энергии.

Конструкция системы топливоподачи с электронным управлением ДВС защищена патентом РФ № 2362900, имеет сертификат соответствия № 0115566 и разрешение на применение № РРС 00-30-87. Она используется для

Стационарные силовые агрегаты

управления топливоподачеи и системой зажигания газового двигателя ЯМЗ 831.10.20, выпускаемого ОАО «Автодизель» и работающего в составе электроагрегата АП-100С-Т400-1Р мини-ТЭС ГПТЭА-100 (рис. 2).

Технические характеристики электроагрегата и параметры вырабатываемой тепловой энергии мини-ТЭС приведены ниже в таблице.

По результатам эксплуатации электроагрегата с разработанной системой топливоподачи были составлены графические зависимости основных технических параметров (рис. 3-6).

Полученные зависимости указывают на соблюдение требований по поддержанию стабильности частоты вращения КВ двигателя на установившихся режимах (рис. 3), а также по изменению частоты вращения КВ двигателя и времени переходных процессов регулирования при сбросах-набросах нагрузки (рис. 4) в соответствии с требованиями III класса САРЧ (ГОСТ 10511-83).

На рис. 5 и 6 приведены зависимости изменения расхода газа и токсичности отработавших газов (содержание СН приведено с метановой составляющей) от нагрузки двигателя. Увеличение содержания окислов азота с ростом нагрузки выше 160 л.с. связано с ростом температуры отработавших газов (до 700°С), характерной для газопоршневых двигателей.

К преимуществам энергоустановок на базе стационарных газопоршневых электроагрегатов можно отнести высокую экономическую эффективность и экологическую безопасность. Стоимость тепловой и электроэнергии, вырабатываемых на мини-ТЭС, в 2-3 раза ниже тарифов на энергоносители, получаемые из централизованных систем энергоснабжения. КПД мини-ТЭС с газопоршневым двигателем составляет 85-90%.

Таблица

Основные технические характеристики электроагрегата АП-100С-Т400-1Р

и мини-ТЭС ГТПЭА-100

Параметры Природный газ (метан) ГОСТ 5542

Номинальная мощность 100 кВт

Рабочий диапазон давления газа номинальное значение - 0,10 МПа максимально допустимое - 0,13 МПа минимально допустимое - 0,05 МПа

Нестабильность частоты вращения КВ, заброс частоты вращения при сбросах - набросах нагрузки и время переходных процессов регулирования при сбросах - набросах нагрузки не ниже По III классу САРЧ (ГОСТ 10511-83)

Показатели тепловой энергии, вырабатываемой на мини-ТЭС

Тепловая мощность, кВт 150

Температура теплоносителя на входе контура потребителя, °С 48-60

Температура на выходе контура потребителя, °С 80-98

Производительность насоса в контуре потребителя, м3/ч 11

Максимальный оборот теплоносителя в контуре потребления, не менее, м3/ч 5

0 5

U,4 0,3 0,2 0,1 0

О 40 80 120 160 200 л.с. N6

Рис. 3. Зависимость изменения нестабильности частоты вращения КВ двигателя от нагрузки

1600

г--. Г--1

1L---- t-г __ -

= 1400 ;=5 1300

¡5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7,0

и

Рис. 4. Зависимость изменения частоты вращения КВ двигателя и времени переходных процессов регулирования при сбросе-набросе нагрузки от 0 до 100 кВт

40

0 40 80 120 160 200 л.с. №

Рис. 5. Зависимость изменения расхода газа от нагрузки двигателя

4000 3500 — Е 3000 и £ 2500

" 2000 1500

1000 ' 500

о

0 40 80 120 160 200 л.с. №

Рис. 6. Зависимость изменения токсичности отработавших газов от нагрузки двигателя

*