Управление устройством подачи криогенного топлива в энергоустановку Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

m

'"ооии»«^

Управление устройством подачи криогенного топлива в энергоустановку

А.И. Цаплин,

профессор, декан факультета Пермского НИПУ, д.т.н., С.В. Бочкарев,

профессор Пермского НИПУ, д.т.н., И.Г. Друзьякин,

доцент Пермского НИПУ, к.т.н

Предложена схема автоматизированной системы управления подачей криогенного топлива в двигатель, контролирующей и ограничивающей рост давления. Описана структурная схема системы управления и регулирования расхода.

Ключевые слова: криогенные топлива, газификация, рост давления, автоматизированная система управления.

Control device for cryogenic fuel in power equipment

A.I. Tsaplin, S.V. Bochkarev, I.G. Druzyakin

A diagram of an automatic control system for cryogenic fuel supply to the engine, controlling and limiting the increase in pressure. Describes the structural scheme of the system of governance and regulation of the flow.

Keywords: cryogenic fuel, gasification, increasing pressure, automated control system.

Криогенные топлива (КТ) - сжиженный природный газ (СПГ) и жидкий водород - являются эффективными топливами для энергетических установок. Однако применение КТ порождает новые проблемы, связанные со значительными перепадами температур, вызывающими тепло-приток извне при подаче топлива в энергетическую установку (двигатель). Это приводит к тому, что в режиме ожидания при остановке подачи питания СПГ в двигатель избыточное давление в трубопроводе системы питания быстро нарастает и уже через 3 мин может увеличиться в два раза [1]. Такое

быстрое нарастание давления объясняется парообразованием в ограниченном объеме. Конечно, топливо, подаваемое в двигатель, должно быть полностью газифицировано. Интенсификация этого процесса достигается применением теплообменников с регулируемым подводом теплоты [2]. Но рост давления в магистрали перед теплообменником по-прежнему остается неконтролируемым и может привести к разрыву трубопровода, имеющего ограниченный ресурс прочности, и выбросу СПГ в окружающую среду.

Наличие неконтролируемого двухфазного потока ухудшает

технико-экономические характеристики двигателя. В работе [3] показано, что мощность, необходимая для перекачивания такого двухфазного потока, может возрастать на 23 % по сравнению с мощностью перекачивания жидкого СПГ. Принудительное охлаждение топлива с помощью специальной холодильной машины нецелесообразно по технико-экономическим соображениям. Эффективность работы двигателя на СПГ может быть повышена за счет применения сепаратора [2], разделяющего двухфазный поток на жидкую и паровую фазы. После сепарации жидкая фаза возвращается в топливный бак, а паровая подается в двигатель.

Указанные меры повышения эффективности работы двигателя на СПГ не снимают проблему неконтролируемого роста давления и вероятности разрыва топливной магистрали, в результате которого метан, являющийся основным элементом СПГ (до 95 % и более), выбрасывается в атмосферу. В этом случае, помимо ухудшения экологической обстановки, создаются условия для детонации при достижении объемного содержания метана в воздухе более 6,3 %. В работе [4] на основе неравновесной математической модели описан сценарий выброса метана из источника повышенного давления и образования воздушно-метанового вихря, сохраняющего детонационную способность в открытой атмосфере длительное время. Такой выброс может вызвать техногенную аварию и пожар.

Таким образом, при вынужденном простое транспортного средства в заправленном

ЙЯЯЯЙР Л Фв вя# efefet m фщ

«Транспорт на альтернативном топливе» № 3 (27) июнь 2012 г.

ш

'"осы**?

состоянии неконтролируемый рост давления в топливной системе является источником повышенной опасности. Возникает задача разработки автоматизированной системы управления подачей криогенного топлива в двигатель, контролирующей и ограничивающей рост давления.

Система управления подачей криогенного топлива в двигатель

Сложность регулирования неустойчивого агрегатного состояния КТ состоит в том, что резкое изменение расхода приводит к изменению двух параметров состояния - давления и температуры, при этом кипение жидкого метана при температуре насыщения приводит к росту давления в магистрали. В небольшом диапазоне давления, характерном для двигателей, температура кипения изменяется незначительно [5], поэтому управление подачей топлива будет эффективно по одному параметру состояния - давлению.

Структурная схема управления (рис. 1) подачей криогенного топлива в двигатель [2] включает теплоизолированную емкость 1 с криогенным топливом, теплообменник 7 для подогрева СПГ при повышенном расходе, дроссельное устройство 8 для адиабатного расширения СПГ, сепаратор 10, разделяющий жидкую и газообразную части двухфазного топлива, компрессор 11 подачи газообразного топлива в энергоустановку 14. После сепаратора жидкая фаза топлива возвращается компрессором в емкость. Схема включает также необходимые запорные и регулирующие вентили 2-5.

В предлагаемой схеме управления добавлены измерительные устройства: датчик давления 9 и расходомер 6, а также исполнительный орган - компрессор 13 для возврата избыточного газообразного топлива в емкость. Исполнительным органом в системе управления является теплообменник 7. Предложенное устройство включает также блок автоматизированной системы управления (АСУ) 15.

Устройство управления работает следующим образом. Криогенное топливо транспортируется по трубопроводу из теплоизолированной емкости 1 в энергоустановку 14. Расход регулируется вентилями 2, 3, 5 и измеряется расходомером 6. В дроссельном устройстве 8 жидкий метан адиабатно расширяется, частично испаряясь, в сепараторе 10 происходит разделение жидкой и газообразной фаз. Газообразная фаза подается в энергоустановку компрессором 11, а жидкая фаза насосом 12 возвращается в емкость. На трубопроводе установлен датчик давления 9. При превышении предельного значения давления ртах для гидрогазовой системы часть газа компрессором 13 возвращается в емкость. Сигналы от

Задающий блок

Блок сравнения

и

Исполнительное устройство

Измерительные преобразователи

Трубопровод

Рис. 2. Структурная схема системы управления

«Транспорт на альтернативном топливе» № 3 (27) июнь 2012 г.

m

'"ооии»«^

расходомера и датчика давления поступают в автоматизированную систему управления 15, которая подает команды на компрессор 13 и теплообменник 7

Управление давлением в трубопроводе позволяет поддерживать его в допустимых пределах при любом режиме работы двигателя, включая остановку.

Алгоритм работы системы ограничения давления (рис. 2) заключается в следующем. Текущее давление непрерывно измеряется и сравнивается с максимальным значением. При поступлении сигнала и о превышении допустимого давления исполнительное устройство отключает теплообменник и увеличивает обороты компрессора 13 (см. рис. 1), что позволяет стабилизировать давление на допустимом уровне.

Расход газа регулируется изменением частоты вращения п привода компрессора (рис. 3). В систему управления поступают сигналы заданного расхода Оза и текущего расхода О, определяемого датчиком расхода ДР. Формируется сигнал ДО = Озад - О, который преобразуется в сигнал ф, пропорциональный ДО. Привод компрессора преобразует управляющий сигнал в соответствующее число оборотов п согласно

передаточной функции 1МП (р*). Динамические свойства самого компрессора определяются передаточной функцией МК (р*).

Таким образом, система позволяет поддерживать давление в заданных пределах и снизить вероятность аварийных состояний.

В качестве технических средств реализации АСУ могут быть использованы программируемые логические контроллеры и сенсорная панель для визуализации и управления. Датчик давления должен быть во взрывоза-

щищенном исполнении. Этому требованию удовлетворяет малогабаритный оптоволоконный датчик давления, предложенный в работе [6].

Предлагаемая система автоматического управления подачей криогенного топлива в энергоустановку позволяет контролировать изменение давления в топливопроводе при разных режимах работы, включая полную остановку. Использование системы обеспечивает экологичность и безопасность работы энергоустановки.

Литература

1. Цаплин А.И., Бочкарев С.В. Моделирование теплообмена при подаче СПГ в двигатель // Транспорт на альтернативном топливе. - 2011.

- № 3 (21). - С. 66-69.

2. Тонконог В.Г. Система подачи криогенного топлива в энергоустановку и его газификация // Транспорт на альтернативном топливе.

- 2011. - № 6 (24). - С. 34-38.

3. Цаплин А.И., Бочкарев С.В. Оценка энергозатрат при подаче СПГ в двигатель // Транспорт на альтернативном топливе. - 2011. - № 6 (24). - С. 68-70.

4. Цаплин А.И., Бояршинов М.Г. Моделирование переноса метана в атмосфере и оценка возможности его детонации при аварийном сбросе давления в газопроводе // Научно-технические ведомости СПб-ГПУ. Физико-математические науки. - 2010. - № 2 (98). - С. 45-52.

5. Загорученко В.А., Журавлев А.М. Теплофизические свойства газообразного и жидкого метана. - М.: Изд-во Госстандарта СССР, 1969. - 236 с.

6. Патент № 2269755 РФ, Волоконно-оптический датчик давления. / А.И. Цаплин, В.Н. Репин, М.В. Репин. - Заявлен 07.07.2004; опубл. 10.02.2006, Б.И. № 4.

I ,.ifffflTmTTTr„- Д|Дн4Д1<

«Транспорт на альтернативном топливе» № 3 (27) июнь 2012 г.