Россия
Обозначена важная научно-техническая задача повышения эффективности эксплуатации дизель-генераторных электростанций. Разработка дизель-генераторных установок, работающих в режиме переменной частоты вращения при долевых нагрузках на электростанцию, является одним из возможных способов решения поставленной задачи. Отмечена возможность внедрения в практику подобных дизельных электростанций в последние десятилетия в связи с появлением необходимого преобразовательного полупроводникового оборудования, а также существенным повышением цен на углеводородное топливо и объективно сформированными требованиями по улучшению экологических показателей работы технических комплексов. Представлен сравнительный анализ энергетической эффективности эксплуатации двух электростанций: на базе классических дизель-генераторных установок и электростанции с дизель-генераторной установкой переменной частоты вращения. Сравнение энергетической эффективности указанных электростанций предлагается проводить на основе расчета удельного и абсолютного расхода топлива. Рассматривается методика определения показателей по расходу топлива. Методика основана на использовании многопараметровой характеристики дизельного двигателя и значений коэффициентов полезного действия элементов силового оборудования установок. Приведены результаты расчета удельного расхода топлива рассматриваемых электростанций при изменении мощности нагрузки с учетом режима работы генераторных установок. Результаты подтверждают энергетическую эффективность электростанции, в состав которой входит дизель-генераторная установка переменной частоты вращения. Эффективность повышается за счет экономии углеводородного топлива. Наибольшая экономия соответствует работе электростанции в диапазоне нагрузок ниже 20 % от номинальной.
судовая электростанция, дизель-генераторная установка переменной частоты вращения, коэффициент полезного действия, нагрузка, частота вращения
Введение
Повышение эффективности эксплуатации дизель-генераторных электростанций является важной научно-технической задачей. Один из возможных способов ее решения связан с разработкой дизель-генераторных установок (ДГУ), работающих в режиме переменной частоты вращения при долевых нагрузках на электростанцию [1]. Обоснование целесообразности принудительного регулирования частоты вращения дизельного двигателя с целью оптимизации расхода потребляемого им углеводородного топлива в зависимости от мощности нагрузки на электростанцию доказано и подтверждено экспериментально профессором А. В. Орловым еще в 70-е гг. ХХ в. Однако внедрение в практику подобных дизельных электростанций стало возможным только
в последние десятилетия, в связи с появлением необходимого преобразовательного полупроводникового оборудования, а также существенным увеличением цен на углеводородное топливо и объективно сформированными требованиями по улучшению экологических показателей работы технических комплексов.
Дизель-генераторные установки являются основными источниками электроэнергии на многих технических объектах, в том числе и на транспортных. На судах морского и речного флота ДГУ работают в составе судовой электростанции (СЭС) как в автономном режиме, так и параллельно с другими ДГУ. Очевидно, что повышение энергетической эффективности эксплуатации ДГУ в составе СЭС позволит оптимизировать расход потребляемого топлива, а также существенно снизить нагрузку на окружающую среду за счет уменьшения объема отработанных газов [2–5].
Расчет энергетической эффективности судовой электростанции
В настоящей работе проведено сравнение энергетической эффективности эксплуатации двух СЭС. Одна из СЭС состоит из двух ДГУ классического типа, каждая из которых работает при постоянной частоте вращения. Другая, наряду с классической ДГУ, имеет в своем составе вентильную ДГУ, частота вращения которой регулируется на долевых режимах нагрузки СЭС. Сравнение энергетической эффективности указанных СЭС проведено на основе расчета удельного и абсолютного расхода топлива электростанций. Определение показателей по расходу топлива осуществляется по методике, основные положения которой рассмотрим ниже.
На рис. 1 представлена энергетическая диаграмма дизель-генераторной установки переменной частоты вращения (ДГПЧВ), состоящей из дизельного двигателя (ДВС), синхронного генератора (СГ), полупроводникового преобразователя (ПП) и трансформатора (Т).
Рис. 1. Энергетическая диаграмма дизель-генераторной установки переменной частоты вращения
Fig. 1. Energy diagram of a variable speed diesel generator
Для определения значений топливных показателей при работе ДГПЧВ используется многопараметровая характеристика ДВС и значения коэффициентов полезного действия (КПД) элементов силового оборудования ДГПЧВ.
Коэффициент полезного действия СГ определяется по формуле
где Р1М – подводимая механическая мощность; РΣСГ – суммарные потери в СГ.
Суммарные потери в СГ определяются по формуле
где Рс – потери в стали; Рщ – потери в переходных контактах щеток; Pэл – электрические потери; Рдоб – добавочные потери; Рмех – механические и вентиляционные потери.
При работе на долевых режимах нагрузки СЭС частота вращения ДГПЧВ принудительно регулируется, как следствие, СГ работает при переменных значениях как величины, так и частоты напряжения в обмотках статора (f). При этом меняется величина потерь в стали, которые состоят из потерь от гистерезиса, пропорциональных частоте перемагничивания в первой степени, и потерь от вихревых токов, пропорциональных частоте перемагничивания во второй степени:
Зависимость суммарных потерь от частоты перемагничивания выражается степенной функцией, показатель которой зависит от свойств стали (ее марки) [6].
На рис. 2 представлена зависимость КПД СГ от мощности нагрузки при разных значениях частоты напряжения в статоре, т. е. при разных частотах вращения ДВС.
Рис. 2. Зависимость КПД синхронного генератора МСК91-4 от мощности нагрузки:
1 – f = 50 Гц; 2 – f = 35 Гц; 3 – f = 25 Гц
Fig. 2. Dependence of the efficiency of the synchronous generator MSK91-4: 1 – f = 50 Гц; 2 – f = 35 Гц; 3 – f = 25 Гц
Расчет произведен в пакете MathCad. В качестве СГ был выбран МСК91-4 (Pном = 75 кВт, nном= 1 500 об/мин).
Расчет КПД полупроводникового преобразователя и трансформатора производили с учетом долевой нагрузки на СЭС. Коэффициент полезного действия трансформатора определяется по формуле
где РΣТ – суммарные потери в трансформаторе.
Суммарные потери определяются по формуле
где Р1Т, Р2Т – электрические потери в первичной и вторичной обмотках трансформатора соответственно; Рст – потери в стали сердечника трансформатора [7].
Коэффициент полезного действия ПП равен произведению КПД неуправляемого выпрямителя (НВ), широтно-импульсного преобразователя (ШИП), фильтра (Ф) и автономного инвертора (АИ):
На рис. 3 представлены зависимости КПД полупроводникового преобразователя и трансформатора от мощности нагрузки.
Рис. 3. Зависимости КПД полупроводникового преобразователя (1) и трансформатора (2) от мощности нагрузки
Fig. 3. Dependences of the efficiency of a semiconductor converter (1) and a transformer (2) on the load capacity
С учетом КПД элементов силового электрооборудования ДГПЧВ в пакете MathCad были произведены расчеты удельного потребления топлива для двух вариантов СЭС: классической, состоящей из двух ДГУ постоянной частоты вращения, и СЭС, которая помимо классической ДГУ имеет в своем составе ДГПЧВ.
В расчетах использовалась многопараметровая характеристика дизельного ДВС (рис. 4) номинальной мощностью 129 кВт (2 100 об/мин).
Рис. 4. Многопараметровая (универсальная) характеристика дизеля СМД-62: Ne – мощность дизеля, л. с. (кВт);
n – обороты дизеля; ge – удельный расход топлива, г/(л. с.·ч) [г/кВт·ч];
pe – среднее эффективное давление на поршень
Fig. 4. Multi-parameter (universal) characteristic of the СМД-62 diesel engine: Ne - diesel power, hp (kW);
n - diesel rotations; ge - specific fuel consumption, g / (hp · h) [g / kW · h]; pe - average effective pressure on the piston
На основании произведенных расчетов построены графики (рис. 5) удельного расхода топлива рассматриваемых электростанций при изменении мощности нагрузки в диапазоне от 10 до 100 % номинальной мощности, с учетом режима работы генераторных установок (автономный или параллельный).
Рис. 5. Удельный расход топлива двух электростанций при изменении мощности нагрузки
Fig. 5. Specific fuel consumption of two power plants with changing load capacity
Согласно рис. 5 использование ДГПЧВ позволит существенно повысить энергетическую эффективность СЭС за счет экономии углеводородного топлива. Наибольшая экономия соответствует работе СЭС в диапазоне нагрузок ниже 20 % от номинальной и составляет 10–16 %.
Заключение
Предложена методика расчета, позволяющая определить показатели потребления топлива, и представлены результаты сравнительного анализа энергетической эффективности эксплуатации двух СЭС: одна из которых состоит из двух ДГУ классического типа, другая – наряду с классической ДГУ – имеет в своем составе ДГПЧВ, частота вращения которой регулируется в зависимости от мощности нагрузки СЭС. Сравнение энергетической эффективности указанных СЭС проведено на основе расчета удельного и абсолютного расхода топлива. Результаты расчета демонстрируют очевидную экономию топлива при использовании электростанции, в состав которой входит ДГПЧВ.
1. Хватов О. С., Бурда Е. М., Тарпанов И. А., Дарьенков А. Б., Кобяков Д. С. Параллельная работа дизель-генераторных установок постоянной и переменной частоты вращения // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2018. № 1. С. 93–99.
2. Хватов О. С., Тарпанов И. А., Кузнецов П. В. Судовая электроэнергетическая система с обратимой валогенераторной установкой по схеме машины двойного питания и дизель-генератора переменной частоты вращения // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2021. № 3. С. 93–100.
3. Хватов О. С. Электротехнические генераторные комплексы переменной частоты вращения на основе машины двойного питания: моногр. Н. Новгород, 2015. 276 c.
4. Delgado C., Dominguez-Navarro J. A. Optimal design of a hybrid renewable energy system ecological vehicles and renewable energies // Ninth international conference on publication year (EVER). 2014. P. 1–8.
5. Хватов О. С., Дарьенков А. Б., Самоявчев И. С., Поляков И. С. Автономные генераторные установки на основе двигателей внутреннего сгорания переменной частоты вращения: моногр. Н. Новгород, 2016. 172 с.
6. Кислицин А. Л. Синхронные машины: учеб. пособие. Ульяновск: Изд-во УлГТУ, 2000. 108 с.
7. Вольдек А. И. Электрические машины. СПб.: Питер, 2008. 320 с.
