Выбор скоростного режима первичных дизельных двигателей гибридных энергетических установок с целью улучшения их экологических характеристик

Актуальность работы. Поршневые двигатели внутреннего сгорания (ПДВС) — один из основных источников энергии для человечества. В числе сфер применения ПДВС — малая энергетика, сектор экономики, обеспечивающий энергией регионы, не охваченные централизованным энергоснабжением. К малой энергетике относятся источники электроэнергии и тепла мощностью до 30 МВт. В России малая энергетика обеспечивает условия жизни и деятельности более 20 млн. граждан, многие ключевые для страны виды добывающей промышленности на 70% ее территории. Годовые финансовые обороты в малой энергетике превышают 60 млрд. USD. Ее доля в топливно-энергетическом балансе страны составляет 10% вырабатываемой электроэнергии РФ и 26% вырабатываемого тепла. В сфере малой энергетики занято около 2 млн. человек обслуживающего персонала. Средняя единичная мощность малых электростанций — 340 кВт. Суммарная выработка электроэнергии — 50 млрд. кВт-ч/год, суммарное потребление топлив — 17 млн. т условного топлива в год [44].

Дизели, используемые в качестве первичных двигателей электростанций с приводом от ПДВС (ДЭС), являются серьезным источником загрязнения окружающей среды, в первую очередь — атмосферы. Основой малой электроэнергетики являются около 50 000 энергоустановок на базе ДВС, из которых около 47 000 дизельных, суммарной установленной мощностью 17 млн. кВт. Ежегодный валовой выброс токсичных веществ в атмосферу от первичных дизелей ДЭС составляет 0.5 млн. т, в том числе, твердых частиц -150 тыс. т. Это наносит непоправимый вред окружающей среде и здоровью людей. Поэтому, проблема снижения выбросов токсичных веществ с отработавшими газами (ОГ) первичных дизелей объектов малой энергетики является актуальной. Ее актуальность существенно возрастает в связи с присоединением России к международным соглашениям в природоохранной сфере, введением в действие новых и ужесточением требований действующих государственных стандартов и других обязательных нормативных и законодательных документов.

Специфика функционирования ПДВС в составе энергоустановок позволяет значительно уменьшить абсолютные показатели выбросов токсичных веществ с ОГ и их вредное воздействие на окружающую среду путем подбора эффективных скоростных и нагрузочных режимов (снижением частоты вращения коленчатого вала при уменьшении нагрузки), не изменяя конструкции двигателя. Однако, учитывая, что частота тока энергоустановки пропорциональна частоте вращения коленчатого вала первичного ДВС, это решение влечет необходимость внесения изменений в конструкцию энергоустановки, с целью сохранения на требуемом уровне параметров качества электрической энергии, а именно, необходимо применение устройств, стабилизирующих электрические параметры ДЭС. Так как эти устройства отличаются высокой стоимостью, до последнего времени двигатель-генераторы с переменной частотой вращения промышленностью не выпускались. В связи с бурным развитием нетрадиционной энергетики, в частности ветроэнергетики, реализация данного технического решения стала экономически целесообразной, так как в состав ветроэлектростанции (ВЭС) уже должно входить устройство стабилизирующее частоту тока и другие электрические параметры.

В связи с тем, что это направление (выбор эффективного скоростного режима первичного двигателя ДЭС) является новым, в настоящее время недостаточно глубоко проработана его научная основа. Отсутствуют методы выбора целесообразного скоростного режима ПДВС в зависимости от нагрузки и с учетом различных ограничивающих факторов (особенностей функционирования в составе ДЭС, расхода топлива, ресурса, стоимости и др.), нет адаптированных для решения конкретных инженерных задач методов предварительной оценки возможного снижения выбросов токсичных веществ с ОГ, отсутствуют результаты экспериментальных исследований, подтверждающих возможность реализации и эффективности предложенного технического решения.

Сказанное свидетельствует о том, что в настоящее время существует научная проблема, обусловленная отсутствием научной основы, включающей математическую модель, отражающую особенности функционирования ДВС в составе гибридных энергоустановок с точки зрения минимизации экологического вреда от работы их первичных двигателей, методики выбора целесообразного скоростного режима и экспериментальных данных, подтверждающих эффективность того или иного технического решения и адекватность математической модели. Все это затрудняет дальнейшее развитие гибридных энергоустановок и выбор оптимальных, с точки зрения экологии, режимов работы первичного двигателя.

Гипотеза исследования. Улучшение экологических характеристик первичных дизельных двигателей гибридных энергоустановок может быть достигнуто выбором целесообразного скоростного режима их работы.

Цель исследования: Оценить влияние скоростного режима первичных дизельных двигателей гибридных энергетических установок на их экологические характеристики и дать рекомендации по выбору целесообразного скоростного режима работы дизелей ОАО «ПО Алтайский моторный завод» при условии сохранения или повышения их надежности.

Для подтверждения выдвинутой гипотез и достижения цели исследования было необходимо решить следующие задачи:

1. Проанализировать особенности функционирования первичного дизеля в составе гибридной энергоустановки.

2. Обосновать выбор математической модели рабочих процессов поршневого ДВС, отражающей особенности его функционирования в составе гибридных энергоустановок с точки зрения токсичности его отработавших газов.

3. Расчетно-теоретически и экспериментально оценить влияние частоты вращения коленчатого вала и других факторов на экологические характеристики первичного дизеля, а также на показатели его топливной экономичности и надежности. Оценить адекватность использованной математической модели.

4. Выбрать и обосновать целесообразные режимы работы первичного двигателя гибридных энергоустановок с точки зрения экологических характеристик, надежности и стоимости владения.

5. Дать экономическую оценку влияния частоты вращения коленчатого вала и других факторов на экологические характеристики первичных дизелей ОАО «ПО Алтайский моторный завод» для гибридных энергоустановок.

Объект исследования: рабочий процесс в первичных дизелях ОАО «ПО Алтайский моторный завод» размерностью 13/14 различного конструктивного исполнения.

Предмет исследования: процессы, формирующие экологические характеристики первичного дизеля гибридной энергоустановки, и зависимость этих характеристик от его скоростного режима, конструктивных и регулировочных параметров.

Методика исследования. Исследования проведены на основе использования методов теории двигателей и математического моделирования. Методика исследования предусматривала сочетание натурных испытаний с численным экспериментом. Достоверность результатов обосновывается подтверждением теоретических результатов экспериментальнымиприменением экспериментальных методов исследования, соответствующих государственным стандартамиспользованием современных средств измерений и испытательного оборудованиясопоставлением результатов с данными других исследователей.

Научная новизна работы заключается в следующих положениях, выносимых на защиту:

1. Обоснован выбор математической модели образования токсичных веществ в цилиндре первичного дизеля, отражающей особенности его функционирования в составе гибридных энергоустановок.

2. Теоретически обоснован выбор целесообразного скоростного режима работы первичного дизеля энергетической установки с точки зрения улучшения его экологических характеристик при условии сохранения или повышения их надежности.

3. Проведена экспериментальная оценка (получены результаты) влияния частоты вращения коленчатого вала и других факторов на экологические характеристики первичного дизеля гибридной энергоустановки, том числе впервые определено содержание твердых частиц в отработавших газах дизелей ОАО «ПО Алтайский моторный завод» размерностью 13/14 гравиметрическим методом.

Практическая ценность исследования. Результаты исследования могут быть использованы при создании гибридных энергоустановок и их систем, модификаций первичных дизелей, предназначенных для работы в составе гибридных энергоустановок, модернизации существующих ДВС-электростанций, при проведении НИР и ОКР, в учебном процессе.

Реализация результатов работы. Материалы диссертации используются и внедрены:

— ОАО РАО «ЕЭС России» и входившими в его состав ОАО «Научно-исследовательский институт энергетических систем» и НПЦ «Малой энергетики» (г. Москва) — при разработке и проведении полевых испытаний гибридной энергоустановки на базе ветроэлектростанции «Заполярная» (г. Воркута).

— ОАО «ПО Алтайский моторный завод» (г. Барнаул) — при доводке продукции по экологическим показателям и разработке модификаций дизелей для энергоустановок.

— НП «Сертификационный центр автотракторной техники» (г. Челябинск) — при проведении испытаний серийной продукции ОАО «ПО Алтайский моторный завод» и разработке рекомендаций по ее доводке по экологическим параметрам.

Апробация работы. Материалы диссертации были доложены и одобрены на заседаниях НТС ОАО «НИИ автотракторной техники» (г. Челябинск, 2006, 2007, 2008) — научном семинаре НТС НПК «Агродизель» (г. Москва, 2007, 2008) — IV межрегиональной научно-технической конференции «Многоцелевые гусеничные машины (Броня-2008)» (г. Омск, 2008) — научно-технической конференции «Повышение эффективности силовых установок колесных и гусеничных машин» (г. Челябинск, 2008) — на Международной научно-технической конференции «Улучшение эксплуатационных показателей автомобиле, тракторов и двигателей» (г. Санкт Петербург, 2008).

Публикации. По теме диссертации опубликовано десять печатных работ, в том числе три работы в изданиях, рекомендованных ВАК. Объем и содержание работы. Диссертация содержит 153 с. текста, 68 рисунков 12 таблиц и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 118 наименования и приложения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В связи с бурным развитием нетрадиционной энергетики, в частности ветроэнергетики, и применением на гибридных энергетических установках, устройств, стабилизирующих электрические параметры, появилась принципиальная возможность уменьшить абсолютные показатели выбросов токсичных веществ с отработавшими газами первичных дизельных двигателей и снизить их вредное воздействие на окружающую среду путем подбора эффективных скоростных и нагрузочных режимов, не изменяя конструкции двигателя.

В работе была проведена оценка влияния скоростного режима первичных дизельных двигателей гибридных энергетических установок на их экологические характеристики и даны рекомендации по выбору целесообразного скоростного режима работы дизелей ОАО «ПО Алтайский моторный завод» при условии сохранения или повышения их надежности.

В ходе выполнения работы:

Проведен анализ особенностей функционирования первичного дизеля в составе гибридной энергоустановки.

Обоснован выбор математической модели рабочих процессов поршневого ДВС, отражающей особенности его функционирования в качестве первичного двигателя гибридных энергоустановок.

Предложено использование модели рабочего цикла на основе системы уравнений энергетического и массового баланса рабочего тела в камере сгорания и кинетического механизма окисления углеводородных топлив и синтеза оксидов азота «Kipilen-97». Адекватность математической модели подтверждена экспериментально.

Выполнена расчетно-теоретическая и экспериментальная оценка (в стендовых условиях) влияния частоты вращения и других факторов на экологические характеристики первичного дизеля, а также его надежность.

Дана экономическая оценка влияния скоростного режима первичных дизельных двигателей гибридных энергоустановок на их экологические характеристики.

В результате настоящего исследования подтверждена выдвинутая гипотеза о том, что улучшение экологических характеристик первичных дизельных двигателей гибридных энергоустановок может быть достигнуто выбором целесообразного скоростного режима их работы и установлено следующее:

1. Все дизели ОАО «ПО АМЗ» соответствуют требованиям ГОСТ Р 41.96−2005. Дизель Д-3047, кроме того, соответствует требованиям ЕРА Tier-2. Изменение скоростного режима первичного дизеля в составе энергоустановки не отразится на их соответствии стандартам.

2. При снижении частоты вращения коленчатого вала в 1,2−1,5 раза по отношению к номинальной и уменьшении нагрузки энергоустановки:

2.1. Выбросы оксида углерода дизелей Д-3047 уменьшаются в 1,5−4 раза, А-41 и Д-461 — на 20−30%- выбросы дизелей А-01 и Д-442 при коэффициенте нагрузки 0,5 снижаются до 30%, при коэффициенте нагрузки 0,75 увеличиваются на 10−80%- выбросы углеводородов изменяются мало (± 20%).

2.2. Выбросы оксидов азота дизелями ОАО «ПО АМЗ» в среднем увеличиваются в 1,7−2,0 раза.

Предложена регрессионная зависимость выбросов оксидов азота от основных параметров дизеля (достоверность корреляции R =0,979). Эта зависимость может быть использована в ходе конструктивной доводки дизелей одного типоразмерного ряда по параметрам токсичности и определении допустимых, с точки зрения соблюдения требований стандартов, конструктивных и регулировочных параметров.

2.3. Выбросы твердых частиц (наиболее токсичных компонентов отработавших газов) для дизелей А-01МСИ и Д-3047 уменьшаются в 3−4 раза. Для двигателей А-41 СИ, Д-461 ВСИ и Д-442ВСИ снижение частоты вращения приводит к увеличению выбросов твердых частиц.

2.4. С позиции уменьшения выбросов токсичных веществ с отработавшими газами наиболее целесообразно снижение частоты вращения коленчатого вала первичных двигателей А-01МСИ (6413/14) и Д-3047, для которых суммарный показатель токсичности уменьшается.

2.5. Топливная экономичность улучшается. Максимальная экономия топлива может составить до 25%, при коэффициенте загрузки 0.5 экономия топлива составляет 15%.

3. Ресурс первичного дизеля при уменьшении частоты вращения в 1,21,5 раза, по результатам расчета, может быть увеличен в 2,2−2,8 раза.

4. Оптимальным, с точки зрения токсичности, топливной экономичности, надежности и стоимости владения, режимом работы первичных двигателей ОАО «ПО АМЗ» является работа по характеристике, представленной на рис. 3.38. Минимальная частота вращения не должна быть ниже 1000 мин" 1.

5. При использовании двигатель-генератора мощностью 100 кВт в составе гибридной энергоустановки, где преобразователь частоты уже входит в ее состав, абсолютная величина годового экономического эффекта для дизелей АМЗ в среднем составляет 150−330 и 750−1100 тыс. руб. при коэффициентах загрузки 0,75 и 0,50 соответственно. Преобразователь частоты окупается за 6,1 и 1,1 года, соответственно (при расчетном сроке непрерывной эксплуатации не менее 10 лет). Социальный эффект составляет в среднем по расходу атмосферного воздуха 20−47 и 25−60%, по выбросам углекислого газа 21−29 и 37−50%, по тепловому «загрязнению» 27−47 и 48−57%, по диссипации эксер-гии 27−52 и 49−70% при коэффициентах загрузки 0,75 и 0,50 соответственно.