Эффективность применения электрического котла в составе когенерационной дизель-электрической установки
Валиулин С.Н. директор по технической политике
Фролов М.В. начальник отдела автоматизации
Совместная выработка электроэнергии и тепла, называемая когенерацией, в стационарных, судовых и других электрогенераторных установках получила в настоящее время широкое распространение благодаря высоким экономическим показателям. В настоящее время на многих речных судах используется схема выработки электроэнергии и тепла с применением теплоутилизационного оборудования в составе судовой электростанции. При этом теплоутилизационное оборудование включает котлы-утилизаторы, отбирающие теплоту от отработавших газов дизель-генератора (ДГ), и утилизационные водо-водяные теплообменники, отбирающие теплоту из контура охлаждения ДГ [1-4]. При ряде положительных свойств такая схема обладает некоторыми серьезными недостатками.
Во-первых, жесткая зависимость выработки электроэнергии и тепла для согласования графиков выработки и потребления теплоты требует периодического включения автономного котла, что снижает эффективность работы системы.
В частности, на рис.1. показано влияние электрической нагрузки на теплопроизводи-тельность системы когенерации на конкретном примере дизель-электрического агрегата с утилизацией тепловых потоков отработавших газов и контура охлаждения на базе двигателя Caterpillar G3512 ( где Ф- тепловой поток системы утилизации, кВт, Nэ- электрическая нагрузка генератора, кВт). Видно, что теплопроизводительность и нагрузка связаны однозначно.
Во-вторых, включение в нагрузку электростанции мощных потребителей и потребителей одно- и двухфазных по произвольной программе приводит к неравномерной нагрузке генератора по фазам, что инициирует снижение качества электроэнергии, приводит к вибрации двигателей и элементов валов ДГ.
Авторами предлагается новая схема судовой электростанции для выработки электроэнергии и теплоты (рис.2), где приняты следующие обозначения: 1- дизельный двигатель, 2- электрогенератор, 3 – датчики активной мощности каждой фазы, 4 –микропроцессорный блок управления, 5- утилизационный теплообменник, 6-котел-утилизатор, 7 – блок коммутации, 8 – электрокотел.
Особенностью электрокотла является то, что он имеет три группы электронагревателей (ТЭНов), каждая группа включается в нагрузку генератора на отдельную фазу, и, кроме того, имеет несколько ступеней нагрузки.
Предложенная схема ТЭС с электрокотлом позволяет в значительной мере нейтрализовать отмеченные выше недостатки известных систем.
Принцип работы ТЭС заключается в следующем. При работе ДГ теплота отбирается из контура охлаждения и от отработавших газов и передается нагреваемому теплоносителю. Первой ступенью подогрева являются утилизационный теплообменник, а второй – котел-утилизатор. Третьей ступенью является электрокотел, который выполняет несколько функций:
- Регулировка мощности ТЭС в сторону увеличения теплопроизводительности
- Перераспределение нагрузки генератора между электропотребителем и электрокотлом с учетом неравномерной нагрузки по фазам синхронного генератора
- Обеспечение плавного набора мощности ДГ при подключении мощных потребителей
- Интенсивность крутильных колебаний в системе ДГ
- Эмиссия СО, NO
- Температура отработавших газов
- Селиверстов В.И. Утилизация тепла в судовых дизельных установках. – Л.: Судостроение, 1973. – 218 с.
- Кривов В.Г., Синатов С.А. Повышение эффективности дизельных энергоустановок путем утилизации отходящей теплоты // Двигателестроение. – 1979. – № 10. – С. 14–18.
- Кривов В.Г., Синатов С.А., Гулин С.Д., Орлов А.Н., Поляков А.А. Комплексное электроснабжение на базе дизельных электростанций с внешней утилизацией отходящей теплоты // Двигателестроение. – 1988. – № 9. – С. 3–7.
- Technology Characterization: Reciprocating Engines Prepared for: Environmental Protection Agency Climate Protection Partnership Division Washington, DC, Prepared by: Energy Nexus Group 1401 Wilson Blvd, Suite 1101 Arlington, Virginia 22209, February 2002.
Указанные функции электрокотла обеспечиваются благодаря возможности ступенчатого включения ТЭНов контроллерной системой независимо на каждой фазе с обеспечением заданной температуры и суммарной электрической нагрузки ДГ.
Для проверки указанных положений спроектирован и построен экспериментальный стенд. При его создании, авторы исходили из необходимости полезного использования максимальной доли вторичных тепловых потоков в теплообменных аппаратах с наибольшей тепловой эффективностью. В качестве основных элементов опытный установки применены: электростанция с дизельным двигателем СД245.2.11 (4ЧН 11/12) и генератором БГ-60 номинальной электрической мощностью 60 кВт; котел-утилизатор водогрейный газотрубный интенсифицированный КУВИ-5,6 с площадью теплообменной поверхности 5,6 кв.метров, тепловой эффективностью 0,91; комбинированный водо-водяной водомасляный утилизационный теплообменник ПМКИ 2,3/2,3 с общей площадью теплообменной поверхности 4,6 кв.метра; электрокотел (трехфазный) проточный полной мощностью 48 кВт с четырьмя ступенями мощности на каждой фазе.
В качестве нагрузки генератора использованы электрокотел, группа вентиляторов систем вентиляции и станочное оборудование предприятия, на базе которого проводились испытания, что позволяло изменять суммарную нагрузку в пределах от 0 до 60 кВт, варьируя доли мощности котла и электродвигателей в пределах от 0 до 100% с шагом около 5%.
Измерительная аппаратура опытной установки позволяла контролировать следующие параметры: расход топлива на всех режимах; расход воздуха на входе в двигатель на всех режимах; электрические параметры нагрузки на клеммах генератора (активная и реактивная мощность, коэффициент мощности); температуру отработавших газов перед котлом-утилизатором и за ним; температуру охлаждающей жидкости и масла на выходе и входе в двигатель; температуру нагреваемой среды на выходе и входе утилизационного теплообменника, котла-утилизатора и электрокотла.
После пуско-наладочных работ на стенде выполнено экспериментальное исследование влияния неравномерной нагрузки по фазам синхронного генератора на характеристики первичного дизельного двигателя, в том числе:
В экспериментах нагрузка генератора находилась в пределах от 0 до 100%. В качестве потребителя электроэнергии использовалась батарея нихромовых резистивных элементов. Для создания неравномерной нагрузки резистивные элементы коммутировались необходимым образом. ДГ в режиме неравномерной активной нагрузки работал до выхода на установившийся режим по контролируемым параметрам, после чего система при помощи электрокотла приводилась в состояние равномерной активной нагрузки.
Торсиографирование крутильных колебаний носового конца коленчатого вала двигателя показало, что влияние неравномерной активной нагрузки по фазам на колебания вала начинает проявляться при неравномерности, превышающей 5%. При этом возрастает амплитуда колебаний и на основную гармонику начинают накладываться дополнительные гармоники, в основном третья и пятая. Для иллюстрации на рис.4 приведены графики колебаний конца вала: при равномерной стопроцентной нагрузке (кривая А), график колебаний при нагрузке по фазам 75-100-25% (кривая Б), график колебаний при нагрузке по фазам 25-50-50% (кривая Б).
Авторы отдают себе отчет в том, что измерение параметров колебаний в единственном сечении коленчатого вала не раскрывает всей картины влияния неравномерной активной нагрузки по фазам на динамику элементов кривошипно-шатунного механизма. Кроме того, как показали расчеты крутильных колебаний, влияние исследуемой неравномерности должно сказываться различным образом на различных дизель-генераторных установках. Тем не менее, тенденции этого влияния имеют общее направление. В связи с чем авторы считают возможным по полученным результатам делать общие выводы.
На графиках рис.3, рис.4 приведены зависимости параметров первичного двигателя ДГ от суммарной нагрузки в двух режимах: равномерной и неравномерной активной нагрузках по фазам.
Рис. 3. Кривая 1 – эмиссия СО при равномерной нагрузке; кривая 2 – эмиссия NOx при равномерной активной нагрузке; кривая 3 – температура отработавших газов при равномерной нагрузке; кривая 4 – эмиссия СО при неравномерной активной нагрузке 25 %; кривая 5 – эмиссия NOx при неравномерной активной нагрузке 25 %; кривая 6 – температура отработавших газов при неравномерной активной нагрузке 25 %.
Рис. 4. Показаны графики торсиографирования носового конца коленчатого вала ДГ: при равномерной стопроцентной нагрузке (кривая А); график колебаний при нагрузке по фазам 75-100-25% (кривая Б); график колебаний при нагрузке по фазам 25-50-50% (кривая В). По оси абсцисс (от 0 до 180) показан угол поворота коленчатого вала. По оси ординат показана неравномерность вращения коленчатого вала в относительной шкале 0,0005.
Видно, что температура отработавших газов ощутимо зависит от неравномерности активной нагрузки по фазам генератора (рис.3, кривая 3 – равномерная нагрузка, кривая 6 – неравномерность активной нагрузки 25 %). Этот результат можно объяснить возможным ухудшением качества распыла топлива при наложении дополнительных гармоник на элементы привода топливного насоса и догоранием отдельных капель топлива на фазе расширения.
Заметным оказалось влияние неравномерной активной нагрузки по фазам на величину эмиссии NOx (рис.3, кривая 2 – равномерная нагрузка, кривая 5 – неравномерность активной нагрузки 25 %). Можно предположить, что колебательный процесс привел в периоды активного горения топлива к некоторому росту максимальной температуры цикла, что и явилось основной причиной увеличения эмиссии NOx.
Некоторое влияние неравномерная активная нагрузка по фазам генератора оказала на образование СО (рис.3, кривая 1 – равномерная нагрузка, кривая 4 – неравномерность активной нагрузки 25 %). Объяснить этот результат также можно отрицательным воздействием крутильных колебаний коленчатого вала на работу топливной аппаратуры.
В то же время суммарное воздействие различных факторов, связанных с неравномерной нагрузкой генератора по фазам, на топливной экономичности дизель-генератора сказалось незначительно и не превысило доверительный интервал погрешности эксперимента.
По-видимому, частота колебаний параметров, связанных с неравномерностью вращения вала достаточно высока, чтобы полные циклы колебаний завершались в пределах основных тактов двигателя, что не ухудшает процессы сжатия, расширения и газообмена.
Основной практической целью использования электрокотла, по замыслу авторов, в когенерационных дизель-генераторных установках было выравнивание активных нагрузок по фазам генератора при неравномерном нагружении одно- и двухфазными электропотребителями. Заметим, что сама по себе выработка тепла электрокотлом считается крайне неэффективным энергетическим преобразованием и применяется там, где без этого трудно обойтись, например, при подогреве тяжелых нефтепродуктов перед сжиганием в судовых энергетических установках, подогреве питьевой воды в жилых домах в летнее время и проч.
Однако, это положение справедливо лишь тогда, когда получение электроэнергии сопровождается потерей вторичного тепла. Применение электрокотла в составе когенерационной установки принципиально меняет соотношение статей энергетического баланса и позволяет резко увеличить эффективность использования энергии топлива, КПД всей системы.
Другое направление экспериментального исследования, проведенное на стенде – определение энергетических показателей каждого из элементов когенерационной установки и КПД в целом в широком диапазоне режимов нагрузки. Осуществлены следующие ступени нагрузки: 25%, 50%, 75%, 100%.
В пределах каждой из указанных ступеней характер нагрузки менялся от активной до активно-индуктивной с шагом 2-4 кВт с сохранением примерного постоянства мощности дизельного двигателя в пределах продолжительности измерения.
Каждый экспериментальный режим повторялся не менее трех раз, что дало возможность провести статистическую обработку данных, в том числе найти доверительный интервал и убедиться в значимости полученных результатов.
После обработки данных эксперимента все полезно используемые потоки энергии (тепло и электроэнергия) суммировались. При расчете КПД использовалась формула:
– кпд преобразования энергии топлива,
– электрическая мощность ТЭС, передаваемая электропотребителю, кВт,
– теплота, переданная потребителю из системы утилизации, кВт,
– теплота, полученная в электрокотле и переданная теплопотребителю, кВт,
– низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг,
– расход топлива, кг/с.
На рис.5 приведены графики значений КПД преобразования энергии топлива в функции электрической нагрузки генератора при различных значениях долевой составляющей мощности электрокотла. Выраженное расслоение кривых КПД в зависимости от доли нагрузки электрокотла объясняется изменением КПД синхронного генератора при изменении реактивной составляющей нагрузки с изменением теплопро-изводительности котла.
Рис. 5. Кривая 1 – 100% нагрузки генератора составляет нагрузка ТЭНов электрокотла; кривая 2 – 75% нагрузки генератора составляет нагрузка ТЭНов электрокотла; кривая 3 – 25% нагрузки генератора составляет нагрузка ТЭНов электрокотла.
Проделанная экспериментальная работа показала, что неравномерная активная нагрузка синхронного генератора может быть скомпенсирована при помощи балластного электрокотла. Так при соответствующем компенсирующем подключении ТЭНов электрокотла активная нагрузка приобретала характер равномерного распределения по фазам генератора, и при этом исчезали отмеченные признаки воздействия неравномерности на параметры первичного дизельного двигателя.
Полученные результаты экспериментов, по мнению авторов, представляют значительный интерес.
Во-первых, практически во всей исследованной области эффективность энергетических преобразований в предложенной когенерационной установке оказалась весьма высокой и составляла более 0,7 с максимальным значением 0,92.
Во-вторых, наивысшие значения КПД достигаются в случае выработки когенерационной установкой только тепла. С учетом того, что большинство автономных котлов небольшой мощности, в том числе судовых, работающих без экономайзеров, имеют КПД 0,82-0,86, применение когенерационных установок для выработки тепла является весьма перспективным.
Неоспоримо то, что для полноты экономической оценки необходимо учитывать капитальные затраты и весь спектр эксплуатационных расходов, но полученного результата достаточно для корректировки устоявшихся взглядов на комплектацию судовой энергетической установки или мини ТЭС.
В-третьих, применение электрокотла в составе когенерационной установке позволяет резко увеличить ее пиковую теплопроизводительность и маневренность. Например, в нашем случае при мощности на клеммах генератора 53 кВт суммарная теплопроизводительность при полной нагрузке генератора электрическим котлом составила 150 кВт, т.е. 280 % электрической нагрузки. Для сравнения, у большинства когенерационных установок, работающих в России и за рубежом, это соотношение составляет 110-120%. Это говорит о возможности расширения технологических режимов когенерационной установки с электрокотлом, и, в определенных случаях, о це-лесообразности отказа от пиковых котлов в составе мини-ТЭС или Судовых Энергетических Установок.
В-четвертых, наличие выраженного оптимума значений КПД и стабильной тенденции его увеличения с ростом доли активной нагрузки электрокотла позволяет рекомендовать либо закладывать в алгоритм регулировки когенерационной установки поддержание нагрузки в пределах 0,5-0,8 с приоритетом увеличения мощности электрокотла, с целью достижения максимальной топливной экономичности.
Комментируя полученные результаты, отметим, что наличие максимума на кривых эффективного КПД объясняется формой кривых эффективного КПД двигателя и КПД генератора, которые имеют максимум в зоне нагрузок 0,5-0,8.
Полученные результаты в целом позволяют пересмотреть обыденное мнение о малой эффективности электрокотлов в составе мощных энергетических установок. С учетом фактора высоких температурных напоров и высоких температур поверхности ТЭНов электрокотлов можно ожидать достижения удельных габаритов и масс, мощных электрокотлов в 2-3 раза лучших, чем у котлов газовых или дизельных.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
