Дизель-генераторная установка с утилизацией сбросовой теплоты поршневого ДВС

Полный текст

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

Об авторах

Р. Р Гимазетдинов

Южно-Уральский государственный университет

Email: idem37@mail.ru

А. А Малозёмов

Южно-Уральский государственный университет

Email: idem37@mail.ru
д.т.н.

В. С Кукис

Южно-Уральский государственный университет

Email: idem37@mail.ru
д.т.н.

Список литературы

Дополнительные файлы