В настоящее время все большую актуальность приобретают современные средства «Малой энергетики». Это объясняется тем, что в последние годы заметно ухудшилось состояние систем электро- и теплоснабжения городов России. Возросли потери тепловой энергии на транспорте и распределении теплоносителей вследствие износа систем транспортировки. Из-за дефицита финансовых ресурсов для замены и реконструкции источников и энергосетей увеличилось количество аварий, что приводит к снижению надежности и качеству энергоснабжения [1].
Поэтому сегодня применения средств Малой энергетики на базе поршневых двигателей для постоянного и резервного электро- и теплоснабжения различных объектов является особенно актуальным.
Малые электростанции на основе поршневых двигателей не только дешевы в строительстве. Их особенность в том, что тепло, выделяемое при производстве электроэнергии, тоже идет в дело — на отопление жилых домов, например. Прибавьте к этому низкий расход топлива, экологическую безопасность «всеядность» станции (она может работать на природном и попутном газе)
Основным преимуществом установок когенерации относительно установок раздельной выработки электрической и тепловой энергии является сокращение потерь энергии топлива. Сокращение потерь происходит как в самом процессе преобразования топлива в конечные энергоносители, так и в процессе транспортировки энергоносителей на более короткие расстояния, при выработке энергоносителей в точном соответствии с потребностью в них. Заметные преимущества имеют установки когенерации в экологическом плане — суммарные выбросы в атмосферу вредных компонентов от газовой турбины в составе установки когенерации всегда меньше выбросов этой же турбины и теплофикационного котла.
Рациональное использование энергоресурсов при производстве электроэнергии на основе поршневых двигателей невозможно без глубокой утилизации тепла отработавших газов, масла, охлаждающей жидкости. Именно на глубокой утилизации вторичных энергоресурсов основано действие когенерационных установок или мини-ТЭЦ. Применение установок данного типа позволяет увеличить коэффициент использования введенного в двигатель топлива до 85–90 %, однако при их использовании возникает ряд проблем, поскольку в отличие от электрической энергии использование тепловой носит более индивидуальный характер.
Мощность силовых установок, отдаваемая в сеть потребителя, не постоянна по времени [2]. Так, расход воды, подаваемой насосами в населенные пункты, уменьшается до минимума ночью, а в дневное время, особенно летом, он достигает наибольшей величины, расход газа в магистральных газопроводах, питающих промышленные районы, от начала рабочей недели увеличивается вплоть до субботы, а в воскресенье или праздничные дни он резко сокращается. Расход электроэнергии является наиболее характерным показателем производственно-трудовой деятельности и культурной жизни общества. На рис. 1 представлен график потребления электроэнергии населенным пунктом с развитым промышленным производством и культурными предприятиями (театры, кино, клубы, и пр.). Обычно минимум потребления приходится на периоды от 4 до 6 часов, максимум — на периоды от 8 до 16–17 часов с «провалом» с 11–12 до 13–14 часов, с пиковым потреблением с 19–20 до 23–24 часов. В различное время года потребление энергии, воды, газа также меняется и достигает максимума зимой (газ, электроэнергия) и минимумов в летнее время (для воды максимум потребления летом). Такая цикличность потребления неизбежна, она используется как фактор, позволяющий поддерживать техническое состояние энергетической установки (ЭУ) на необходимом уровне.
Рис. 1. График суточной загрузки дизельной электростанции
Каждая ЭУ является не только источником электроэнергии, но и ее потребителем для удовлетворения собственных нужд. Потребляется главным образом электрическая энергия, используемая для привода вспомогательных механизмов, обслуживающих собственно главные силовые агрегаты, для отопления, освещения, вентиляции и др. Чем больше мощность ЭУ, тем меньше относительное собственное потребление энергии. Как показывают расчеты, анализ потребления энергии на собственные нужды колеблется в пределах от 2 % и более.
Кроме того, следует отметить, что выработка теплоты мини-ТЭЦ на базе газопоршневых ДВС зависит от нагрузки на ДВС, которая в свою очередь определяется потреблением электрической мощности объектом. Следовательно, необходимо знать также зависимость между величиной вырабатываемой электрической энергии и величиной тепловой энергии, получаемой в результате отвода вторичного тепла от ДВС.
Это количество теплоты, получаемое от системы утилизации, можно определить по следующей формуле:
QСУ =Qм + Qохл. + Qг, (1)
где QСУ — теплота, получаемая от системы утилизации, Qм — теплота, от охлаждающего масла ДВС, Qохл- теплота, от системы охлаждения ДВС, Qг — теплота, от выпускных газов ДВС.
На основании анализа данных, полученных в ходе экспериментальных испытаний газового двигатель-генератора ГДГ-90 на базе двигателя 6 ЧН 21/21 мощностью 500 кВт с частотой вращения коленчатого вала 16,67 с-¹ были получены следующие зависимости составляющих теплового баланса ГДГ от электрической мощности установки:
(2)
где Qм –теплота, отведенная с ОЖ в контуре ОНВ и масла, кВт.
(3)
где Qо.г. — теплота, отведенная с выхлопными газами, кВт.
(4)
где Qо.ж. — теплота, отведенная с ОЖ от двигателя, кВт, Ре — электрическая мощность установки, кВт.
Представленные зависимости позволяют определить количество теплоты, вырабатываемое мини-ТЭЦ на любом режиме работы.
Таким образом, необходимо отметить специфику работы ДВС в составе ЭУ с выработкой переменного тока, которая заключается в том, что частота вращения коленчатого вала ДВС является величиной постоянной для обеспечения необходимой стабильной частоты тока. Данное обстоятельство говорит о необходимости повышенного требования к узлам и деталям данных ДВС. К основным и наиболее дорогостоящим узлам относится коленчатый вал. Поэтому повышение его надежности обеспечит надежность и когенерационной установки с ДВС в целом.
Также надежность энергоснабжения может повысить наличие резервного агрегата, который будет включаться при выходе из строя одного из основных или для покрытия пиковых нагрузок.
Литература:
- Николаев Ю. Е. Эффективность применения малых ТЭЦ с газовыми турбинами для энергоснабжения промышленных и коммунальных потребителей: учеб. пособие / Ю. Е. Николаев, С. В. Сизов. Саратов: Сарат. Гос. техн. ун-т, 2011. 68 с.
- Ливенцев Ф. Л. Силовые установки с двигателями внутреннего сгорания Л.: Машиностроение, 1969. 320 с.
- Овсянников М. К. Петухов В. А. Эффективность топливоиспользования в судовых дизельных установках.- Л.: Судостроение, 1984.-96 с.
- Разуваев А. В. Поршневые двигатели внутреннего сгорания с высокотемпературным охлаждением. — Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т.- 2001.- 128 с.
- Агафонов А. Н., Разуваев А. В. Совершенствование характеристик энергетических установок на базе двигателей ЧН 21/21 объектов малой энергетики. — Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т.- 2006.- 148 с.
