Email this article Gimazetdinov R.R., Malozemov A.A., Kukis V.S. Diesel-generator plant with the recovery of waste heat of the piston engine
- Authors: Gimazetdinov R.R1, Malozemov A.A1, Kukis V.S1
-
Affiliations:
- South Ural State University
- Issue: Vol 85, No 2 (2018)
- Pages: 3-7
- Section: Articles
- URL: https://journals.eco-vector.com/0321-4443/article/view/66358
- DOI: https://doi.org/10.17816/0321-4443-66358
- ID: 66358
Cite item
Full Text
Abstract
The subject of the investigation was the waste heat recovery system of a small-scale heat electropower station that can be used as stationary and primary, reserve or additional source of electrical and thermal energy. The object of the investigation was the waste heat recovery system of the diesel engine D 180 and the small-scale heat electropower station on the basis of the diesel generator plant DGU-100C produced by JSC «ChTZ». The aim of the investigation was an experimental estimation of the efficient use of the diesel engine’s waste heat recovery system. The recovery system was consisted of an original heat exchanger for the recovery of the waste heat of the diesel engine’s cooling system, the waste heat of the lubricating system, the centers of which is made in a common housing, and the heat exchanger for the recovery of the exhaust gases waste heat from the diesel engine (pre-heater boiler PZD-600). The article presents the small-scale heat electropower station’s arrangement with the waste heat recovery system, the original heat exchanger arrangement and a scheme of the small-scale heat electropower station with the waste heat recovery system. The principle of operation of the proposed system is described. In comparison with the known constructions, in the proposed cogeneration power plant there is no need to separately regulate the temperature of the cooling liquid and the lubricating oil at the inlet to the piston internal combustion engine and the necessity to use an additional liquid-oil heat exchanger or oil cooler in the operation of the cogeneration plant without thermal load. Collectively, it was ensured a reduction of the complexity, material consumption and overall dimensions of the recovery system and the cogeneration power plant in general. The absolute economic effect from the using of the waste heat recovery system is 240…300 thousand rubles for the engine life, specific - 22…28 rubles/h. The payback period of the waste heat recovery system is less than a year. The obtained results convincingly indicate the economic feasibility of implementing the proposed system of waste heat recovery of the diesel engine D 180 of a small-scale heat electropower station based on the DGU-100S.
Full Text
Введение Малая энергетика России обеспечивает условия жизни и деятельности более 20 млн граждан, а также многие виды добывающей промышленности на 70 % ее территории [1, 2]. Основой малой электроэнергетики являются около 50000 энергоустановок на базе двигателей внутреннего сгорания (ДВС), из которых около 47000 - дизельные. Суммарная мощность этих установок составляет 17 млн кВт, а выработка электроэнергии - около 50 млрд кВт·ч в год. Расход топлива этими энергоустановками составляет около 6 млн т у.т. [3, 4] В энергетическом балансе дизелей, чаще всего являющихся первичными двигателями энергоустановок малой мощности, существенное место занимают «сбросовые» потери теплоты, выделившейся при сгорании топлива в цилиндрах, через смазочную систему, систему охлаждения и с отработавшими газами, которые, в зависимости от режима работы установки, составляют от 55 до 100 % от энергии, вводимой с топливом [5, 6]. Сказанное свидетельствует о том, что чрезвычайно важно, чтобы была организована утилизация сбросовой теплоты первичными двигателями средств малой энергетики. Этот путь является одним из решений задачи повышения эффективности энергетических установок [7, 8, 9]. Цель исследования Целью исследования, результаты которого приведены в настоящей статье, являлась оценка эффективности использования системы утилизации сбросовой теплоты (СУСТ) дизеля мини-ТЭЦ, которая может быть использована в качестве стационарного основного, резервного или дополнительного источника электрической и тепловой энергии. Материалы, методы исследования и обсуждение результатов Исследования проводились экспериментальным методом. Объектом исследования являлась СУСТ дизеля 4ЧН15,0/20,5 (Д 180) и мини-ТЭЦ на базе дизель-генераторной установки ДГУ-100С [10]. На рис. 1 показана компоновка мини-ТЭЦ с СУСТ, на рис. 2 - теплообменник СУСТ, а на рис. 3 - схема мини-ТЭЦ с системой утилизации сбросовой теплоты. Мини-ТЭЦ с СУСТ работает следующим образом. Поршневой двигатель внутреннего сгорания 1 вращает вал генератора 2, который вырабатывает электрическую энергию, передаваемую потребителю. Охлаждающая жидкость прокачивается насосом 11 через систему охлаждения двигателя и внутренний контур системы утилизации. Если температура охлаждающей жидкости ниже, чем установленная регулировками термостата 4 (например, сразу после запуска двигателя), то она направляется из термостата 4 в тройник 13 и рубашку охлаждения двигателя 1. Если температура охлаждающей жидкости выше, чем установленная регулировками термостата 4, но ниже, чем установленная регулировками термостата 3, то она направляется из термостата 3 через сердцевину 5 теплообменника 6 системы утилизации и далее через тройники 12 и 13 в рубашку охлаждения двигателя 1. Если температура охлаждающей жидкости выше, чем установленная регулировками термостата 3 (например, при отсутствии тепловой нагрузки), то она направляется из термостата 3 в радиатор 10 и далее через тройники 12 и 13 в рубашку охлаждения двигателя 1. Смазочное масло прокачивается насосом системы смазки двигателя 1 через сердцевину 7 теплообменника 6 системы утилизации сбросовой теплоты. Благодаря тому, что сердцевины 5 и 7 размещены в общем корпусе, через который протекает вода внешнего контура системы утилизации, температура смазочного масла поддерживается близкой к температуре охлаждающей жидкости, и нет необходимости в устройствах для ее дополнительного регулирования. Вода внешнего контура системы утилизации сбросовой теплоты, поступающая от потребителя тепловой энергии, проходит через теплообменник 6, нагреваясь от тепла, передаваемого от охлаждающей жидкости - через сердцевину 5 и от смазочного масла через сердцевину 7. Далее вода проходит через теплообменник 8 и нагревается от тепла отработавших газов, после чего поступает к потребителю тепловой энергии. Результаты испытаний (проведенных в соответствии с требованиями [11]) приведены в табл. 1. Минимальный расход воды через второй контур СУСТ, из условия непревышения температуры воды на выходе 105 °С, составляет 4000 кг/ч (что может быть обеспечено применением труб диаметром не менее 2½’’). Серийная система термостатирования дизеля Д 180 обеспечивает автоматическое поддержание температуры масла и охлаждающей жидкости в допустимых пределах. Абсолютный экономический эффект от использования СУСТ - 240…300 тыс. руб. за моторесурс, удельный - 22…28 руб./ч. Срок окупаемости СУСТ - менее года. Получаемого на номинальном режиме тепла достаточно для отопления 4-этажного здания площадью застройки 16×16 м. По сравнению с известными конструкциями, в предлагаемой когенерационной энергетической установке отсутствует необходимость раздельного регулирования температуры охлаждающей жидкости и смазочного масла на входе в поршневой ДВС и необходимость использования дополнительного жидкостно-масляного теплообменника или охладителя масла при работе когенерационной установки без тепловой нагрузки. В совокупности это влечет уменьшение сложности, материалоемкости и габаритных размеров системы утилизации и когенерационной энергетической установки в целом. Заключение Результаты проведенного исследования подтвердили эффективность предлагаемого технического решения и убедительно свидетельствуют об экономической целесообразности реализации системы утилизации сбросовой теплоты дизеля Д 180 мини-ТЭЦ на базе ДГУ-100С. Рис. 1. Компоновка мини-ТЭЦ с системой утилизации сбросовой теплоты: 1 - поршневой двигатель внутреннего сгорания; 2 - шкаф управления; 3 - генератор; 4 - теплообменник отработавших газов; 5 - рама; 6 - теплообменник охлаждающей жидкости и смазочного масла; 7 - аккумуляторные батареи Рис. 2. Теплообменник 6 (см. рис. 1): 1 - патрубки внутреннего контура; 2 - крышка; 3 - сердцевина контура системы охлаждения; 4 - сердцевина контура системы смазки; 5 - патрубки Рис. 3. Схема мини-ТЭЦ с системой утилизации сбросовой теплоты: 1 - поршневой двигатель внутреннего сгорания; 2 - генератор; 3, 4 - термостаты; 5, 7 - сердцевины теплообменника 6; 6, 8 - теплообменники; 9 - газовая турбина; 10 - радиатор; 11 - жидкостный насос; 12, 13 - тройники Таблица ١ Характеристика системы утилизации сбросовой теплоты дизеля Д١٨٠ Параметры Электрическая мощность, ٪ от номинальной 0 25 50 75 100 Температура воды на выходе из СУСТ, оС 74,1 76,5 79,2 82,1 85,0 Количество теплоты, снимаемое СУСТ, кВт 36,1 45,8 60,9 76,7 95,9 Суммарная полезная мощность мини-ТЭЦ (тепловая + электрическая), кВт 36,1 70,6 112 153 195 КПД СУСТ, % 62,9 57,8 57,0 53,6 50,3 КПД СУСТ и дизеля, % 69,9 72,1 73,7 71,9 69,5 КПД мини-ТЭЦ, % 62,9 66,6 69,0 67,8 66,0×
About the authors
R. R Gimazetdinov
South Ural State University
Email: idem37@mail.ru
A. A Malozemov
South Ural State University
Email: idem37@mail.ru
DSc in Engineering
V. S Kukis
South Ural State University
Email: idem37@mail.ru
DSc in Engineering
References
- Малозёмов А.А., Ильковский К.К., Редько И.Я. Дизельные электроагрегаты - база малой энергетики // Малая энергетика. М.: 2004. С. 14-18.
- Бондарь В.Н., Малозёмов А.А. Совершенствование энергоустановок с поршневыми ДВС. Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2007. 199 с.
- Антошкин А.С., Балашов А.А., Валуйский Н.И., Лихачев А.С., Матиевский Д.Д. Средства малой энергетики с поршневыми двигателями внутреннего сгорания / под ред. Д.Д. Матиевского. Барнаул: Изд-во «Агентство рекламных технологий», 2008. 368 с.
- Логвиненко В.В., Червяков Ю.С., Матиевский Д.Д, Кисляк С.М. Технико-эко-номические показатели мини-ТЭЦ на базе когенерационных установок ОАО ХК «Барнаултрансмаш» // Промышленная энергетика. 1999. № 10. С.15-17.
- Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей / под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. М.: Машиностроение, 1983. 372 с.
- Двигатели внутреннего сгорания. Кн.1. Теория рабочих процессов / под ред. В.Н. Луканина. М.: Высшая школа, 2005. 368 с.
- Ливинский А.П., Казаринов Л.С., Осипов И.С., Галанов В.Ф., Белавкин И.В. Стратегия энергосбережения: региональный подход / под ред. П.П. Ливинского // Челябинск: Областной фонд энергосбережения, 1996. 170 с.
- Байкалов С.П., Логвиненко В.В., Матиевский Д.Д. Роль и место когенерационных установок в концепции развития энергетики Алтайского края // Двигателестроение. 1998. № 4. С. 6-7.
- Алешков О.А. Анализ тенденций развития малой и нетрадиционной энергетики // Научный вестник ЧВВАКИУ. 2007. Вып. 19. Челябинск: ЧВВАКИУ. С. 143-148.
- Малозёмов А.А., Казанцев М.А. Мини-ТЭЦ на базе электростанции ДГУ-100С // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2001. № 9. С. 17-18.
- ГОСТ 26658-85. Электроагрегаты и передвижные электростанции с двигателями внутреннего сгорания. Методы испытаний. М.: Изд-во стандартов, 1985. 39 с.
Supplementary files
СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).