Особенности экспериментальной установки для исследования универсальной системы питания и регулирования газодизельной электростанции

Размещено на http://www.allbest.ru/

Особенности экспериментальной установки для исследования универсальной системы питания и регулирования газодизельной электростанции

Вербовский В.С., с.н.с. (Институт Газа НАНУ)

Грицук И.В., к.т.н. (ДонИЖТ)

Практическим достоинством газодизелей является возможность полноценной работы как по газодизельному, так и по дизельному циклам, при сохранении в обоих случаях одинаковой мощности. Они обладают такими основными преимуществами [1]:

Более высокий КПД, чем в газовых двигателях с искровым зажиганием, переоборудованных из бензиновых двигателей, так как степень сжатия у газодизеля такая же, как и у дизеля.

Сокращается расход дизельного топлива на 70-90% при полной мощности и на 50-70% в среднем за счет замещения его газовым топливом.

Снижается на 25% суммарный выброс вредных веществ и в 2-3 раза дымность отработавших газов по сравнению с дизелями.

Увеличивается срок службы моторного масла.

Снижается на 3-5 дБА шумность работы двигателя.

Газодизели могут работать на различном газовом топливе: на сжатом природном газе, на попутных газах нефтяных и газовых месторождений, на шахтном метане, на биогазе. Эффективность использования газового топлива в газодизелях в первую очередь зависит от совершенства применяемых на них систем автоматического управления и регулирования. Несмотря на давно известные достоинства газодизелей, они до сих пор не получили широкого применения в качестве приводных двигателей для газодизельных электростанций.

На основании анализа практического использования газодизельных систем питания и регулирования [2, 5] можно оформить основные технические требования к этим системам:

Подача газового топлива под давлением во впускную систему газодизеля.

Однорежимное регулирование частоты вращения по дизельному и по газодизельному циклам.

Автоматическое регулирование соотношения между величинами подачи воздуха, газового и дизельного топлив из условия бездетонационного сгорания на максимальных нагрузках и переходных процессах.

Устойчивая работа на холостом ходу.

Надежный пуск двигателя.

Минимальное загрязнение окружающей среды токсичными компонентами отработавших газов.

Наиболее полно эти требования можно реализовать в СПГ газодизельных электростанций с применением электронных цифровых регуляторов скорости. Для исследования работы и оценки энерго-экологических показателей универсальной системы питания и регулирования газодизеля необходимо подготовить специальную установку, позволяющую выполнить вышеуказанные требования.

Анализ последних исследований и публикаций. В настоящее время вопросами использования альтернативных топлив для работы энергетических установок занимаются многие институты НАН и ВУЗы Украины: Институт угольных энерготехнологий, Институт общей энергетики, Институт проблем материаловедения, Институт электросварки, Институт биоорганической химии и нефтехимии, Институт Газа, Национальный технический университет Украины «КПИ», Национальный транспортный университет и др.

Постановка задачи в данной работе - обоснование особенностей экспериментальной установки для исследования универсальной системы питания и регулирования газодизеля.

Основная часть. Удовлетворить современные требования к энергетическим, экономическим и экологическим показателям стационарных дизелей, работающих в составе установок децентрализованного электроснабжения, возможно только при условии управления основными настроечными параметрами с использованием эффективных систем питания и регулирования, обеспечивающих управление не только топливоподачей, но и законом подачи топлива и воздуха. Для исследования и оценки энерго-экологических показателей универсальной системы питания и регулирования газодизеля была разработана экспериментальная установка на базе Института Газа НАН Украины.

Экспериментальная установка собрана на основе газодизельной электростанции АГД-100С-Т400-1Р, в состав которой входит дизельный двигатель 1 ЯМЗ-238М2, конвертированный в газодизель с топливным насосом высокого давления (ТНВД) 2, в котором в качестве регулятора скорости используется актуатор StG 2040, управляемый цифровым блоком управления DC 2040 [3]. Данное устройство обеспечивает работу дизеля на смеси дизельного топлива и СПГ по газодизельному циклу, с сохранением штатной топливной системы. Установка, оснащенная газодизельной системой питания, рассчитана на эксплуатацию в тех же условиях, что и базовый двигатель. Использование микропроцессорного управления позволяет повысить качество регулирования и надежность работы двигателя экспериментальной установки и уменьшить затрату дизельного и газового топлив при работе двигателя по газодизельному циклу.

Принципиальная схема газодизельной системы питания приведена на рисунке 1. Данная система питания двигателя обеспечивает возможность его работы как по дизельному, так и по газодизельному циклам.

Расход дизельного топлива измеряется в процессе экспериментальных исследований расходомером топлива 6 марки АИР-1. Топливо поступает из расходного лабораторного бака 7 емкостью 350 литров.

Расход газового топлива измеряется расходомером газа 8 типа РГ100. Дозирование газового топлива, поступающего во впускной трубопровод двигателя, осуществляется дозатором газа 9 с приводом от актуатора StG-2010, управляемого электронным цифровым блоком управления DC2010. Этим же актуатором через систему рычагов и воздушную заслонку 10 производится регулирование подачи воздуха в двигатель.

Рисунок 1. Схема экспериментальной установки для исследования универсальной системы питания и регулирования газодизеля

Газовое топливо в процессе экспериментальных исследований подавалось в двигатель из магистрали среднего давления (Р=0,3 МПа) через вентиль15, газовый редуктор 14 марки РДСК-50, в котором давление снижалось до величины 0,02 МПа. Очистка газа от механических примесей и влаги осуществлялась газовым фильтром 13 марки ФН2-2. Отсечка газа производилась электромагнитным газовым клапаном 12 марки ВН2Н-У. Контроль давления газа производился по манометрам 11 марки МПЗ-У.

Частота вращения коленчатого вала измерялась при помощи разработанного тахометра ЦАТ-3МУ [4] (принципиальная блок-схема которого представлена на рисунке 2, а основные параметры в таблице 1.

Рисунок 2. Блок-схема цифрового тахометра ЦАТ-3МУ

Измерение частоты вращения электронным тахометром заключается в подсчете количества импульсов, которые поступают от фотоэлектрического датчика за определенный базовый интервал времени. Импульсный сигнал датчика (60 импульсов за оборот) поступает на формирователь, который усиливается и формируется исходный сигнал с определенным числом импульсов за один оборот.

Таблица 1. Параметры и характеристика цифрового тахометра ЦАТ-3МУ

Электронный ключ пропускает сигнал на счетчик на протяжении базового интервала времени. Счетчик подсчитывает количество пришедших импульсов и записывает их в память на время, на протяжении которого поступает следующая их порция. Записанный в памяти код выводится на дешифратор с последующею индикацией на табло.

Время расхода топлива измерялось механическим секундомером СОС пр-2б-2-010 (производство Россия, Златоустивский часовой завод).

Дымность отработавших газов оценивалась по показателям шкалы (по непрозрачности) дымомера МК-3, фирмы Hartridge производства Великобритании.

Концентрация в отработавших газах монооксида углерода СО,% определялась методом инфракрасной спектроскопии с помощью газоаналитического измерительного комплекса BOSCH.

Концентрация в отработавших газах полных (суммарных) углеводородов CmHn, млн.-1 определялась методом пламенно-ионизационного дожигания газоанализатором 334 КПИ 14 в составе поста экологического контроля автомобилей ПЕКА.

Концентрация в отработавших газах окислов азота NOх, млн.-1 определялась хемилюминесцентным газоанализатором 344 ХЛ 14 в составе поста экологического контроля автомобилей ПЕКА.

Калибровка газоанализаторов выполнялась путем подачи поверочних газовых смесей.

Подготовка газоанализаторов для определения концентраций CO, СmНn и NОx осуществлялась согласно инструкции по эксплуатации поста экологического контроля ПЕКА.

Двигатель имеет радиаторное охлаждение и смонтирован на одной раме с синхронным электрогенератором 3 марки BRF 125М и шкафом управления 4. В качестве нагрузки для электроагрегата использовались сухие реостаты 5 с возможностью ступенчатого включения (рисунок 1).

Более подробное описание основных составных частей экспериментальной установки приведено ниже.

Внешний вид электростанции и ее технические данные представлены на рисунке 3.

Рисунок 3. Газодизельная электростанция АГД-100С-Т400-1Р и ее технические данные

Основные технические данные двигателя ЯМЗ-238М2:

Тип двигателя - четырехтактный, с воспламенением от сжатия

Число цилиндров - 8

Расположение цилиндров - V-образное, с углом развала 90

Порядок работы - 1-5-4-2-6-3-7-8

Диаметр цилиндров, мм - 130

Ход поршня, мм - 140

Рабочий объем всех цилиндров, л - 14,86

Степень сжатия (расчетная) - 16,5

Номинальная мощность, кВт (л.с.) - 176 (240)

Частота вращения вала при номинальной мощности, мин -1 - 2100

Максимальный крутящий момент, Н.м. (кгсм) - 883 (90)

Частота вращения при максимальном крутящем моменте, об/мин, не более - 1250-1450

Частота вращения коленчатого вала на холостом ходу, мин-1:

минимальная - 550-650

максимальная, не более - 2275

Способ смесеобразования - непосредственный впрыск

Камера сгорания - однополостная в поршне

Фазы газораспределения, град.:

открытие впускного клапана - 20 до ВМТ

закрытие впускного клапана - 46 после НМТ

открытие выпускного клапана - 66 до НМТ

закрытие выпускного клапана - 20 после ВМТ

Число клапанов на цилиндр - один впускной и один выпускной

Дизельный двигатель ЯМЗ-238М2 конвертирован в газодизельный без существенных конструктивных изменений. Изменена конструкция регулятора частоты вращения ТНВД (вместо всережимного механического регулятора установлен однорежимный электронный). Схема установки регулятора показана на рисунке 4. Подача газа осуществлялась во впускной трубопровод двигателя под воздушным фильтром. Все газодизельное оборудование на двигателе выполнено в виде приставки и не изменяет характеристики двигателя в дизельном режиме.

Рисунок 4. Привод рейки ТНВД: 1 - рейка ТНВД; 2 - телескопическая тяга; 3 - рычаг вала актуатора; 4 - актуатор ТНВД; 5 - кронштейн актуатора ТНВД; 6 - шарнир

Система питания двигателя дизельным топливом - раздельного типа, состоит из топливного насоса высокого давления, топливоподкачивающего насоса, форсунок, топливных фильтров грубой и тонкой очистки и топливопроводов.

Основные технические данные системы питания двигателя дизельным топливом:

Топливоподающая аппаратура - разделенного типа

Топливоподкачивающий насос - поршневой, с топливопрокачивающим насосом

Топливный насос высокого давления - восьмиплунжерный

Плунжеры - золотникового типа

Порядок работы секций топливного насоса - 1-3-6-2-4-5-7-8

Нумерация секций - со стороны привода

Установочный угол опережения впрыскивания, град. - 18

Муфта опережения впрыскивания - автоматическая, центробежного типа

Форсунки - закрытого типа, с многодырчатыми распылителями

Давление начала впрыскивания, МПа (кгс/см2) - 20,6 (210)

Топливные фильтры - два, грубой и тонкой очистки со сменными фильтрующими элементами. В крышке фильтра тонкой очистки установлен перепускной жиклер.

Схема элементов системы питания двигателя газовым топливом (дозатора) представлена на рисунке 5.

Система питания двигателя газом работает следующим образом. Газ из магистрали через шаровый кран и отсечной электромагнитный клапан подается на дозатор газа. Количество подаваемого во впускной коллектор двигателя газа регулируется проходным сечением между корпусом дозатора газа и дроссельной заслонкой дозатора.

С дозатора газ по трубопроводу поступает в проставку, установленную под воздушным фильтром на вводе впускного коллектора. Для качественного смешивания всасываемого двигателем воздуха с поступающим из дозатора газом, в проставке установлен съемный распылитель.

Управление подачей воздуха в цилиндры двигателя осуществляется воздушной заслонкой 8 через двуплечный рычаг актуатора 5.

Рисунок 5. Дозатор газа: 1 - корпус; 2 - ось; 3 - дроссельная заслонка; 4 - рычаг; 5 - телескопическая тяга; 6 - рычаг актуактора; 7 - актуатор

Структурная схема регулирования скорости газодизельной электростанции представлена на рисунке 6.

В состав системы регулирования скорости входят:

- электронный регулятор топливного насоса (РТН);

- электронный регулятор дозатора газа и воздуха (РДТВ);

- датчик частоты вращения вала двигателя (ДЧВ);

- актуатор топливного насоса (АТН);

- актуатор дозатора газа (АДГ).

Регулятор скорости предназначен для регулирования скорости вращения вала двигателя газодизеля.

Регулятор скорости представляет собой систему программно-связанных между собой цифровых электронных устройств управления (регуляторов), каждый из которых управляет своим исполнительным механизмом поворотного типа (актуатором). Связь между контроллерами регуляторов осуществляется по CAN-шине. Информация о скорости вращения вала двигателя считывается с зубьев маховика датчиком частоты вращения (ДЧВ) и поступает в РТН.

Рисунок 6. Структурная схема регулирования скорости газодизельной электростанции

К регуляторам подключены соответствующие актуаторы: к РТН - актуатор РТН; к РДТВ - актуатор РДГ. К РТН подключен также датчик тока.

Режимы работы регулятора скорости задаются сигналами, поступающими с платы автоматики газодизеля на РТН.

Регулятор скорости газодизеля представляет собой систему из двух контуров регулирования подачи двух видов топлива: дизельного топлива и газа. Управление подачей каждого вида топлива производится по отдельному контуру регулирования двумя электронными регуляторами. В режиме «ДИЗЕЛЬ» частота вращения двигателя газодизеля регулируется управлением подачи дизельного топлива, а в режиме «ГАЗОДИЗЕЛЬ» - управлением подачи дизельного топлива и газа.

Первый контур регулирования управляет работой топливного насоса высокого давления (ТНВД) и регулирует подачу дизельного топлива в двигатель. Первый контур регулирования включает в себя:

регулятор топливного насоса - РТН

магнитный датчик частоты вращения - ДЧВ

актуатор топливного насоса (исполнительный механизм поворотного типа) - АТН

Второй контур регулирования управляет дозатором газа (ДГ), регулируя подачу газа и воздуха в двигатель. Второй контур регулирования включает в себя:

регулятор дозатора газа - РДГ

актуатор дозатора газа (исполнительный механизм поворотного типа) - АДГ.

В режиме «ДИЗЕЛЬ» двигатель генераторной установки работает на дизельном топливе под управлением первого контура регулирования. Второй контур регулирования при этом отключен сигналом, поступающим с блока газодизельной автоматики. Выход на номинальные обороты и стабилизация частоты вращения двигателя производится под управлением РТН по сигналу с датчика ДЧВ.

После выхода на номинальные обороты стабилизация частоты вращения двигателя производится следующим образом. При уменьшении частоты вращения двигателя вследствие увеличения нагрузки генератора падает частота электронного сигнала, снимаемого датчиком ДЧВ с зубчатого маховика, установленного на валу двигателя. Регулятор РТН реагирует на это изменение частоты увеличением среднего значения тока, подаваемого в обмотки актуатора АТН, тем самым увеличивая угол поворота вала актуатора. При этом рейка топливного насоса, связанная шарнирной тягой с валом АТН, передвигается в направлении, увеличивающем подачу дизельного топлива. Это приводит к возрастанию частоты вращения двигателя до тех пор, пока она не сравняется с номинальной частотой генератора (50 Гц).

При увеличении частоты вращения двигателя вследствие уменьшения нагрузки генератора увеличивается частота электронного сигнала, снимаемого датчиком ДЧВ с зубчатого маховика. Регулятор РТН реагирует на это изменение частоты уменьшением среднего значения тока, подаваемого в обмотки актуатора АТН, тем самым уменьшая угол поворота вала актуатора. При этом рейка топливного насоса, связанная шарнирной тягой с валом АТН, передвигается в направлении, уменьшающем подачу дизельного топлива. Это приводит к уменьшению частоты вращения двигателя до тех пор, пока она не сравняется с номинальной.

В режиме «ГАЗОДИЗЕЛЬ» двигатель генераторной установки работает на двух видах топлива по двухконтурной системе регулирования.

Первый контур регулирования обеспечивает регулирование запальной дозы дизельного топлива. Второй контур регулирования обеспечивает подачу газа и воздуха в воздушный фильтр впускного коллектора двигателя. В первом контуре регулятор топливного насоса (РТН) внешним сигналом переключается в режим «ГАЗОДИЗЕЛЬ». Регулятор РТН работает под управлением сигнала, несущего информацию о нагрузке, поступающего с датчика тока нагрузки. Таким образом регулируется величина запальной дозы дизельного топлива в зависимости от нагрузки. В этом режиме регулятор РДГ включается сигналом управления, поступающим с блока газодизельной автоматики.

Стабилизация частоты вращения двигателя производится по второму контуру регулирования регулятором дозатора газа. Информация о частоте вращения двигателя поступает в РДГ с датчика частоты вращения. Регулирование подачи газа производится дозатором газа (ДГ), связанного шарнирной тягой с актуатором дозатора газа (АДГ). Принцип регулирования (с целью стабилизации частоты вращения двигателя) аналогичный принципу регулирования подачи дизельного топлива. Отличие заключается в том, что в управляемом вторым контуром регулирования дозаторе газа увеличивается (при увеличении нагрузки) или уменьшается (при уменьшении нагрузки) проходное сечение канала подачи газа, соответственно увеличивая или уменьшая подачу газа в воздушный фильтр впускного коллектора двигателя.

В целом, проведение натурных исследований с использованием описанной установки подтвердило ее работоспособность и возможность использования всего комплекса оборудования для получения основных характеристик двигателя с экспериментальной универсальной системой питания и регулирования газодизельной электростанции.

Выводы. В статье обоснованы параметры и конструктивные особенности экспериментальной установки для исследования универсальной системы питания и регулирования газодизеля на основе электростанции АГД-100С-Т400-1Р.

Список литературы

топливо газодизель подача воздух

1. Вербовский В.С. Возможности применения газодизельных электростанций в Украине // Экотехнология и ресурсосбережение. - 2003. - № 1. - с. 13-17.

2. Поликер Б.Е., Михальский Л.Л., Марков В.А., Васильев В.К., Буханец Д.И. Дизельные двигатели для электроагрегатов и электростанций / Под. ред. Б.Е. Поликера. - М: Легион-Автодата, 2006. - 328 с.

3. www.heinzmann.de.

4. Грицук І.В., Лісовий Є.П. Цифровий тахометр для випробування двигунів внутрішнього згорання. /УГПІ.-Умань., 1997.-15 с. - Деп. в УкрНДІНТІ 14.01.97, № 61-Ук97. 15 с.

5. Автомобілі з бензогазовими двигунами і газодизелями: особливості конструкції і технічного обслуговування / К.Є. Долганов, А.Г. Говорун, О.І. П'ятничко та ін.- К.: Техніка, 1991. - 128 с.

Размещено на Allbest.ru