УДК 621.314
О.C. Хватов, А.Б. Дарьенков, И.С. Самоявчев
Методика оценки экономии топлива в единых электростанциях
автономных объектов на базе двигателей внутреннего сгорания переменной скорости
вращения
Нижегородский государственный
технический университет им. Р.Е. Алексеева
Волжская
государственная академия водного транспорта
На водном, автомобильном и
железнодорожном транспорте все большее распространение получают системы
электродвижения. При этом тяговые (гребные) электродвигатели могут питаться вместе
с другими потребителями от единой электростанции автономного объекта (ЕЭС).
Применение ЕЭС позволяет повысить надежность и упростить обслуживание
энергосистемы автономного объекта за счет уменьшения количества составляющих ее
компонентов. В качестве первичных двигателей ЕЭС широко используются двигатели
внутреннего сгорания (ДВС).
Как правило, ЕЭС строится на базе
ДВС постоянной скорости вращения. Повышение экономичности электростанции
возможно за счет применения ДВС
переменной скорости вращения [1]. Экономия топлива достигается за счет
задания для каждого значения мощности нагрузки оптимальной скорости вращения
вала ДВС, соответствующей наименьшему удельному расходу топлива.
Функциональная схема предлагаемой
авторами ЕЭС автономного объекта (на примере судна) на базе ДВС переменной
скорости вращения представлена на рис.1 [2, 3].
Рис. 1. Функциональная схема ЕЭС судна на базе ДВС переменной скорости
вращения
1 – ДВС; 2 – синхронный генератор; 3,4 –
преобразователи частоты; 5 – гребной синхронный двигатель (ГД); 6 – гребной
винт; 7 – выводы для подключения потребителей судовой сети; 8 – датчик скорости
вращения ДВС; 9,10 - датчики тока; 11, 12 – датчики напряжения; 13 – датчик
скорости вращения гребного винта (ГВ);
14 – БОС; 15 – БМН; 16 – задатчик частоты; 17 – блок регулирования
частоты
Представленная на рис.1 ЕЭС
построена на базе ДВС 1, приводящего во вращение синхронный генератор (СГ) 2.
Гребной винт (ГВ) 6 приводится во вращение синхронным двигателем (СД) 5. Блок
14 формирования оптимальной скорости вращения (БОС) ДВС 1 задает скорость
вращения его вала, оптимальную с точки зрения потребления топлива. Блок 14
формирует выходной сигнал согласно заложенной в его памяти многопараметровой
характеристики ДВС в зависимости от
выходных сигналов блока 15 вычисления мощности нагрузки (БМН) и датчика
8 скорости вращения ДВС [4]. Многопараметровая характеристика представляет
собой зависимость эффективной мощности ДВС от скорости вращения его вала дизеля
при наименьшем удельном расходе топлива. Блок 15 определяет мощность нагрузки
на основе сигналов от датчиков тока 9, 10 и датчиков напряжения 11, 12. В
соответствии с требуемой скоростью движения судна задатчик частоты 16 формирует
сигнал задания частоты выходного напряжения преобразователя частоты (ПЧ) 3, и
тем самым определяет скорость вращения гребного электродвигателя (ГД) 5. Блок
регулирования частоты 17 формирует
сигнал управления частотой ПЧ 3 на основе сигналов от задатчика частоты 16 и
датчика 13 скорости вращения гребного
электродвигателя. Таким образом, ПЧ 3
является согласующим элементом между СД 5 и СГ 2, работающими с разными
скоростями вращения. Для питания электропотребителей судна на выходе СГ включен
ПЧ 4, который обеспечивает стабильные значения амплитуды и частоты напряжения
бортовой сети.
Авторами разработана методика
расчета топливной экономичности ЕЭС на базе ДВС переменной скорости вращения,
согласно которой рассчитывается общий КПД цепи СГ2-ПЧ3-ГД5. Алгоритм расчета
КПД учитывает, что элементы электрооборудования, входящие в состав ЕЭС на базе
ДВС переменной скорости вращения (СГ, ГД, ПЧ) работают при переменной частоте и
амплитуде напряжения. Таким образом, при известной мощности нагрузки на ГВ 6
можно определить мощность нагрузки на валу ДВС 1. Расход топлива ДВС при
конкретных значениях мощности нагрузки и скорости вращения вала определяется по
многопараметровым характеристикам ДВС. При расчете мощности нагрузки на валу
ДВС 1 необходимо учитывать также мощность, потребляемую ПЧ 4, от которого
питаются потребители судовой сети.
В качестве примера ниже приведены
результаты расчета энергетических характеристик ЕЭС малого гидрографического
судна. В качестве ДВС используется дизель типа РС4-480 мощностью 1100 кВт. Максимальная
скорость вращения ГВ равна 300 об/мин. При данной скорости мощность на ГВ равна
807 кВт. Расчеты расхода топлива ДВС проводились для скоростей вращения ГВ в
диапазоне от 75 до 300 об/мин с шагом 25 об/мин.
На основании данных расчетов
построены сравнительные характеристики удельного и абсолютного расхода топлива ДВС в составе ЕЭС (рис.2, 3) для двух
режимов работы: с регулированием скорости работы ДВС в зависимости от мощности
нагрузки (кривые 1) и с постоянной скоростью вращения ДВС (кривые 2).
Рис. 2. Зависимость
удельного расхода топлива ЕЭС малого
гидрографического судна от скорости вращения ГВ
Ge – удельный расход топлива ДВС, P – мощность
нагрузки ЕЭС
Рис. 3. Зависимость
абсолютного расхода топлива ЕЭС малого гидрографического судна от скорости
вращения ГВ
G –
абсолютный расход топлива ДВС, P – мощность нагрузки ЕЭС
Регулирование скорости вращения
вала ДВС в зависимости от мощности нагрузки целесообразно реализовывать ступенчато.
Произведен расчет влияния ступенчатого регулирования на топливную экономичность
ЕЭС (рис. 4).
G – абсолютный
расход топлива ДВС, P – мощность нагрузки ЕЭС
Из представленных расчетов видно,
что при переходе от бесступенчатого регулирования к ступенчатому регулированию
топливная экономичность снижается. В частности, при регулировании в 5 ступеней
увеличение потребления топлива составляет от 45,3 % в диапазоне малых нагрузок
до 6,5 % в диапазоне максимальной нагрузки. Очевидно, что уменьшение количества
ступеней будет приводить к увеличению потребления топлива. В рамках данной
работы авторами были также рассчитаны показатели топливной экономичности при
регулировании в 10 ступеней. Увеличение потребления топлива при регулировании в
10 ступеней составило от 30% до 5% в том же диапазоне нагрузок.
Применение ЕЭС на базе ДВС
переменной скорости вращения позволяет добиться существенной экономии топлива,
что является крайне важным показателем в современных условиях растущих цен на
энергоносители и повышающихся требованиях к снижению уровня вредных выбросов в
атмосферу. Обеспечение оптимального режима ДВС требует нового подхода к
управлению топливоподачей, который возможно реализовать на базе
интеллектуальной системы управления нейросетевого типа [5].
Библиографический список
1. Дарьенков,
А.Б. Автономная высокоэффективная электрогенерирующая станция./ Дарьенков
А.Б., Хватов О.С.//Труды Нижегородского государственного технического
университета, том 77, Н.Новгород, 2009, - С. 68-72.
2. Самоявчев,
И.С. Единая электростанция автономного объекта на базе ДВС переменной
частоты вращения/Самоявчев И.С., Хватов О.С., Дарьенков А.Б.// Тезисы докладов
IX Международной молодежной научно-технической конференции/ НГТУ. Н.Новгород,
2010, С. 62-63.
3. Дарьенков, А.Б. Патент № 2436691 от 29.09.2010
г. Система электродвижения автономного объекта/ Дарьенков А.Б., Хватов О.С.,
Самоявчев И.С. Заявлено 29.06.2010 г.,
опубл. бюл. № 35, 2011 г.
4. Хватов,
С.В. Математическая модель единой
электростанции автономного объекта на базе ДВС с переменной скоростью вращения.
/ Хватов С.В., Дарьенков
А.Б., Самоявчев И.С., Хватов О.С.// Материалы научно-технической
конференции Актуальные проблемы электроэнергетики / НГТУ. Н.Новгород. 2010. С. 58-63.
5. Хватов,
О.С. Интеллектуальные средства
управления высокоэффективной дизель-генераторной установкой переменной частоты
вращения/О.С. Хватов, А.Б. Дарьенков// Известия ТулГУ. Технические науки.
Вып.3, ч. 4. - Тула: Изд-во ТулГУ,
2010.- С. 126 - 131.