Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,829

СПОСОБЫ СНИЖЕНИЯ РАСХОДА ТОПЛИВА ДИЗЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

Лукутин Б.В. 1 Шандарова Е.Б. 1
1 ФГБОУ ВПО Национальный исследовательский Томский политехнический университет
В статье произведен обзор существующих конструкций дизельных электростанций. Предложены способы, позволяющие повысить эффективность работы дизельной электростанции. Для снижения расхода топлива дизельная электростанция снабжается выпрямительно-зарядным устройством, буферным накопителем энергии и автономным инвертором. В данной схеме режим загрузки дизельного двигателя поддерживается на уровне средней мощности нагрузки. Двигатель работает в режиме, близком к номинальному, поддерживая оптимальный расход топлива. Предлагается оптимизировать режим работы дизельной электростанции, содержащей несколько дизель-генераторов, с помощью блока прогнозирования нагрузки и датчика температуры. Датчик температуры измеряет температуру окружающей среды и посылает сигнал на блок прогнозирования нагрузки, который определяет прогнозируемую мощность нагрузки дизельной электростанции. В зависимости от величины прогнозируемой мощности в работу включается один или несколько дизель-генераторов в соответствии с критерием минимальных удельных расходов топлива. Предложенные в статье структурные схемы дизельных электростанций позволяют оптимизировать режимы работы станции и повысить эффективность ее работы за счет снижения расхода топлива.
буферный накопитель энергии
выпрямительно-зарядное устройство
датчик температуры
нагрузка
эффективность
расход топлива
дизель-генератор
дизельная электростанция
1. Департамент энергетики администрации Томской области [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://nedra.tomsk.gov.ru/tek/ (Дата обращения 19.02.2013).
2. Лукутин Б. В., Климова Г. Н., Обухов С. Г., Шутов Е. А. Исследование закономерностей формирования графиков электрических нагрузок децентрализованных потребителей Республики Саха (Якутия) // Электрические станции. – 2008. – № 9. – С. 53–58.
3. Патент РФ № 2282733, 27.08.2006.
4. Патент РФ № 113885, 27.02.2012.
5. Патент РФ №109801, 27.10.2011.
6. Штерн В. И. Эксплуатация дизельных электростанций. – М.: Энергия, 1980. – 243 с.

Введение

Дизельные электростанции (ДЭС) представляют собой практичное и эффективное решение проблемы автономного энергоснабжения различных объектов. К основным достоинствам ДЭС можно отнести универсальность применения, низкую стоимость оборудования, быструю окупаемость, достаточную надежность и долговечность. Дизельное топливо не обладает летучестью, как пары бензина или газ, поэтому даже его значительная утечка не создает опасности окружающим и работникам.

В силу этих обстоятельств дизельные электростанции нашли широкое применение как источники постоянного или аварийного электроснабжения. Одним из важных показателей ДЭС является ее экономичность, которая определяется отношением вырабатываемой энергии к расходу топлива за час работы при номинальной нагрузке. Обычно основные затраты на электроснабжение автономных объектов связаны с закупкой дизельного топлива, например, для ДЭС Томской области его удельный расход характеризуется значительным разбросом и лежит в интервале 350–720 г у.т./кВт.ч, при этом стоимость отпускаемой потребителям электрической энергии очень высока (4,9–9,8 руб./кВт.ч) [1].

Снижение расхода топлива позволяет повысить эффективность работы ДЭС. Основными причинами увеличения расхода топлива являются низкие температуры и неэффективная загрузка ДЭС.

ДЭС могут эксплуатироваться в тяжелых погодных условиях – при температуре воздуха от -50 до +50 ºС. Однако при низких температурах изменяется вязкость топлива, что ухудшает процесс образования воздушно-топливной смеси. Из-за этого часть топлива не сгорает в цилиндрах двигателя, и его мощность снижается.

Оптимальной считается нагрузка ДЭС, лежащая в диапазоне от 40 % до 75 % от номинального значения. Если нагрузка составляет менее 40 % номинальной мощности, дизель работает с повышенным удельным топливопотреблением. Загрузка ДЭС более чем на 75 % так же ведет к снижению коэффициента полезного действия и перерасходу топлива. Влияние температуры окружающей среды, не отрегулированная подача воздушно-топливной смеси и другие негативные факторы могут снижать экономичность двигателя почти на 30 % [6].

Целью исследования являлась разработка новых схем построения ДЭС, позволяющих повысить эффективность работы станции за счет снижения расхода топлива.

Для решения данной задачи был произведен анализ существующих конструкций ДЭС, а также предложены новые способы повышения эффективности работы дизель-генераторов.

Обычно в состав дизельной электростанции входит дизельный двигатель, синхронный генератор и система управления, которые регулирует частоту оборотов и, соответственно, развиваемую мощность дизельного двигателя, а также ток возбуждения синхронного генератора для стабилизации величины напряжения.

Подобная конструкция ДЭС не позволяет решить проблему максимального снижения расхода топлива, так как дизельный двигатель неизбежно будет работать на частичных режимах, в том числе с малой величиной нагрузки в соответствии с графиком электропотребления. При работе двигателя на малую нагрузку значительно увеличивается удельный расход топлива и проявляется эффект карбонизации, вызванной скоплением в цилиндрах продуктов неполного сгорания топлива, что негативно влияет на ресурс двигателя.

Для снижения расхода топлива предлагается снабдить ДЭС выпрямительно-зарядным устройством, вход которого подключен к выходу синхронного генератора и к системе управления, буферным накопителем энергии, вход которого соединен с выходом выпрямительно-зарядного устройства, автономным инвертором, вход которого подключен к выходу буферного накопителя энергии и к системе управления, а выход соединен с нагрузкой ДЭС (рис. 1).

Рис. 1. Структурная схема ДЭС с буферным накопителем энергии

Снижение расхода топлива достигается за счет того, что режим загрузки дизельного двигателя поддерживается на уровне средней мощности нагрузки [4]. При этом в режимах, когда выходная мощность синхронного генератора превышает текущую мощность нагрузки, избыток энергии аккумулируется в буферном накопителе энергии, а в режимах, когда выходная мощность синхронного генератора меньше мощности нагрузки, энергия из буферного накопителя отдается в нагрузку. В результате дизельный двигатель работает в режиме, близком к номинальному, соответственно, расход топлива уменьшается.

В процессе работы ДЭС интеллектуальная система управления контролирует энергосиловое оборудование, регулирует расход топлива дизельного двигателя и ток возбуждения синхронного генератора, поддерживая оптимальную загрузку ДЭС и обеспечивая реализацию энергоэффективного режима и структуры энергетического комплекса.

В автономных энергоустановках, работающих независимо от сети централизованного электроснабжения, довольно часто используются два и более дизель генератора. Кроме повышения надежности системы электроснабжения, многоагрегатная ДЭС позволяет включать в работу необходимое количество дизель-генераторов в соответствии с текущим графиком нагрузки [3]. Это позволяет оптимизировать загрузку агрегатов и улучшать технико-экономические характеристики ДЭС в целом.

Однако известный принцип построения многоагрегатных ДЭС не решает проблему максимального снижения расхода топлива в дизельных электростанциях, так как автоматический останов или пуск конкретного дизель-генератора производится по текущему значению потребляемой мощности, исходя из условия минимизации расхода топлива. Так как режимы работы потребителей постоянно меняются, может возникнуть ситуация, при которой ДЭС работает на границе или в пределах выбранного условия, при этом дизель-генераторы будут работать в тяжелых условиях пуск-остановка, что сокращает срок их службы и увеличивает расход топлива.

Снизить расхода топлива, а также оптимизировать режимы работы дизель-генераторов возможно, снабдив ДЭС блоком прогнозирования нагрузки и датчиком температуры (рис. 2). В данном случае микроконтроллер будет управлять процессом включения и выключения дизель-генераторов на основании информации, поступающей от блока прогнозирования нагрузки по температуре окружающей среды, которую измеряет датчик температуры [5].

Системный анализ экспериментальных данных, представленных в виде суточных ведомостей электрических нагрузок ДЭС, и их статистическая обработка позволяет определить зависимость суточной выработки электрической энергии и суточной максимальной мощности нагрузки от температуры окружающего воздуха для конкретной ДЭС. Установлено, что график электропотребления определяется сезонными изменениями температуры, которые косвенно связаны с продолжительностью светового дня [2].

Таким образом, появляется интегральный параметр, по которому можно управлять процессом пуска и остановки дизель-генераторов на основании зависимости, которая связывает величину мощности электрической нагрузки ДЭС с температурой окружающего воздуха и находится в блоке прогнозирования нагрузки. Так как температура воздуха с течением времени изменяется плавно, из процесса работы ДЭС исключаются режимы, при которых происходят частые пуски и остановки дизель-генераторов, и они работают в режимах, близких к номинальным. В результате происходит оптимизация режимов работы дизель-генераторов и снижение расхода топлива.

Рис. 2. Структурная схема ДЭС блоком прогнозирования нагрузки и датчиком температуры В качестве блока прогнозирования нагрузки (БПН) может использоваться микроконтроллер, реализующий функцию, связывающую величину мощности электрической нагрузки ДЭС с температурой окружающей среды, которую измеряет датчик температуры. Для определения зависимости, связывающей мощность нагрузки конкретной ДЭС с температурой окружающей среды, используются суточные ведомости электрических нагрузок ДЭС, годовой график среднедневной температуры района, в котором расположена ДЭС, а также суточные графики нагрузок в характерные сезоны года. Эти зависимости аппроксимируют полиномами четвертого порядка, а затем производят нормирование – сортировку значений по температуре. Это позволяет получить зависимости температуры окружающей среды, объемы выработки электрической энергии и мощности электрической нагрузки ДЭС от дней года в виде линейных трендов. Решение полученных алгебраических выражений относительно общей переменной позволяет получить линейные зависимости, связывающие суточную выработку электрической энергии и максимальную мощность электрической нагрузки с температурой окружающего воздуха. Данная методика была опробована на нескольких ДЭС Сахаэнерго и показала хорошую достоверность полученных результатов. Погрешность этой методики составляет порядка 14 % [2].

Алгоритм функционирования предлагаемой структуры энергокомплекса следующий. В процессе работы ДЭС датчик температуры измеряет температуру окружающей среды и посылает сигнал на блок прогнозирования нагрузки, который, на основании измеренной температуры, по заданной линейной зависимости определяет прогнозируемую мощность нагрузки ДЭС и посылает сигнал на микроконтроллер. Если мощность нагрузки не превышает значения мощности, при которой удельные расходы топлива дизель-генераторов равны, микроконтроллер посылает сигнал на первый блок управления, при этом происходит пуск первого дизель-генератора меньшей мощности, который работает на всю нагрузку ДЭС.

Если БПН прогнозирует увеличение мощности нагрузки, и эта мощность превышает значение мощности, при которой удельные расходы топлива дизель-генераторов равны, микроконтроллер посылает сигнал на второй блок управления, который запускает в работу второй дизель-генератор. При этом со второго дизель-генератора сигнал подается обратно на микроконтроллер, который подает сигнал на отключение первого выключателя и включение второго выключателя. В результате полную нагрузку ДЭС питает второй дизель-генератор большей мощности.

Если прогнозируемая мощность нагрузки превышает значение мощности, при которой расход топлива ДЭС одинаков при работе одного второго дизель-генератора большей мощности или совместной работе дизель-генераторов, то микроконтроллер подает сигнал на первый блок управления, который включает первый дизель-генератор. При этом сигнал с первого дизель-генератора поступает на микроконтроллер, который включает первый выключатель и оба дизель-генератора работают на нагрузку, которая распределяется между ними.

Если БПН определяет, что прогнозируемая мощность нагрузки будет уменьшаться, и мощность нагрузки превышает значение мощности, при которой удельные расходы топлива дизель-генераторов равны, то микроконтроллер подает сигнал на первый блок управления и первый выключатель. Первый дизель-генератор меньшей мощности отключается, и первый выключатель размыкается. Если мощность нагрузки будет продолжать уменьшаться, и мощность нагрузки не превышает значения мощности, при которой удельные расходы топлива дизель-генераторов равны, микроконтроллер, подает сигнал на первый блок управления, при этом запускается первый дизель-генератор, сигнал с которого поступает на микроконтроллер. С микроконтроллера сигналы поступают на выключатели и второй блок управления. В результате первый выключатель замыкается, второй выключатель размыкается, второй дизель-генератор отключается, и на всю нагрузку работает только первый дизель-генератор.

Применение блока прогнозирования нагрузки дает возможность исключить из процесса работы ДЭС режимы, при которых происходят частые пуски и остановки дизель-генераторов. Оптимизация работы дизель-генераторов позволяет снизить расход топлива и, следовательно, повысить эффективность работы станции.

Предложенные в статье структурные схемы дизельных электростанций позволяют оптимизировать режимы работы станции и повысить эффективность ее работы за счет снижения расхода топлива.

Рецензенты:

Кабышев Александр Васильевич, д-р физ.-мат. наук, профессор кафедры электроснабжения промышленных предприятий Энергетического института НИ Томского политехнического университета, г. Томск.

Муравлев Олег Павлович, д-р техн. наук, профессор кафедры электромеханических комплексов и материалов Национального исследовательского Томского политехнического университета, г. Томск.


Библиографическая ссылка

Лукутин Б.В., Шандарова Е.Б. СПОСОБЫ СНИЖЕНИЯ РАСХОДА ТОПЛИВА ДИЗЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 2.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=8615 (дата обращения: 14.12.2017).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252