close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

...технологии для задач теплофизических свойств веществ . §;pdf

код для вставкиСкачать
МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ (МАДИ)
ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ
УСТАНОВОК ЭЛЕКТРОИ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ,
ИСПОЛЬЗУЮЩИЕ
БИОТОПЛИВА
Учебное пособие
МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
(МАДИ)
ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ
УСТАНОВОК ЭЛЕКТРОИ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ,
ИСПОЛЬЗУЮЩИЕ
БИОТОПЛИВА
Утверждено
в качестве учебного пособия
редсоветом МАДИ
МОСКВА
МАДИ
2014
УДК 621.4:662.6/.7
ББК 31.36:31.356
Т343
Авторы:
В.Ф. Каменев, М.Г. Шатров, А.С. Теренченко, К.Е. Карпухин
Рецензенты:
д-р техн. наук, проф. кафедры «АТД» МГМУ «МАМИ» Фомин В.М.,
д-р техн. наук, проф. кафедры «Теплотехника и АТД»
МАДИ Иванов И.Е.
Т343
Тепловые двигатели установок электро- и теплоснабжения, использующие биотоплива: учеб. пособие / В.Ф. Каменев, М.Г. Шатров, А.С. Теренченко [и др.]. – М.: МАДИ, 2014. – 92 с.
В учебном пособии рассматриваются вопросы разработки и испытаний тепловых двигателей, используемых в составе установок
электро- и теплоснабжения, и работающих на биотопливе. Отдельным
разделом описаны методы получения биотоплив из различных видов
органического сырья.
Учебное пособие предназначено для студентов вузов, обучающихся по специальностям 140501 «Двигатели внутреннего сгорания»,
150200 «Автомобили и автомобильное хозяйство» и 230100 «Эксплуатация и обслуживание транспортных и технологических машин и оборудования».
УДК 621.4:662.6/.7
ББК 31.36:31.356
© МАДИ, 2014
3
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
БМ – биомасса
ДВС – двигатель внутреннего сгорания
КПД – коэффициент полезного действия
ЖКХ – жилищно-коммунальное хозяйство
МПСУ – микропроцессорная система управления
ОГ – отработавшие газы
ПМ – пиролизное масло
РМ – растительное масло
ТЗ – техническое задание
ТНВД – топливный насос высокого давления
УВ – углистое вещество
СО – оксид углерода
СО2 – углекислый газ (диоксид углерода)
Н2 – водород
NOx – оксиды азота
О2 – кислород
FAME (fatty acid methyl esters) – метиловые эфиры жирных кислот
RME – метиловый эфир рапсового масла
БиоДМЭ – биодиметиловый эфир
ЭТБЭ – этил-трет-бутиловый эфир
МТБЭ – метил-трет-бутиловый эфир
МЭРМ – метиловый эфир рапсового масла
ЭЭРМ – этиловый эфир рапсового масла
МЭСМ – метиловый эфир соевого масла
МЭПМ – метиловый эфир пальмового масла
4
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................. 6
1. УСТАНОВКИ ЭЛЕКТРО- И ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ НА БАЗЕ
ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ БИОТОПЛИВ .......... 9
1.1. Децентрализованная выработка
электрической энергии и тепла ....................................................... 9
1.2. Принципиальная схема экологически безопасной установки
электро- и теплоснабжения на базе тепловых двигателей,
использующих биотопливо ............................................................ 13
1.3. Характеристики двигателей, работающих на биотопливе
в составе установок электро- и теплоснабжения........................ 18
2. БИОТОПЛИВО КАК ВИД АЛЬТЕРНАТИВНОГО ТОПЛИВА
ИЗ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ РЕСУРСОВ ДЛЯ ДИЗЕЛЕЙ ..................... 23
2.1. Виды биотоплива для комбинированной выработки тепла
и электроэнергии и ресурсы для их производства ..................... 23
2.2. Особенности получения биотоплива для тепловых
двигателей в составе корегенерационных установок
выработки тепла и электроэнергии .............................................. 24
2.3. Физико-химические свойства биотоплив,
оказывающие влияние на рабочие процессы двигателей ........ 30
2.4. Изменения в конструкции серийного двигателя,
необходимые для работы на биотопливе ................................... 40
3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ РАБОТЫ
КОРЕГЕНЕРАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ И ВХОДЯЩЕГО
В ЕЕ СОСТАВ ДИЗЕЛЯ ........................................................................ 43
3.1. Математическая модель организации работы экологически
чистой корегенерационной установки,
использующей жидкое биотопливо .............................................. 43
3.2. Математическая модель рабочего цикла теплового
двигателя, использующего жидкое биотопливо,
с системой подачи синтез-газа и рециркулируемых
отработавших газов ....................................................................... 49
5
3.3. Расчетные исследования энергетических
и экономических показателей установки ..................................... 57
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
КОРЕГЕНЕРАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ
И ВХОДЯЩЕГО В ЕЕ СОСТАВ ДИЗЕЛЯ ........................................... 64
4.1. Конструкция и состав элементов и систем установки ............... 64
4.2. Лабораторные исследования элементов
и систем установки ........................................................................ 67
4.3. Результаты лабораторных испытаний экологически
чистой установки электро- и теплоснабжения на базе
теплового двигателя с системой комбинированной
подачи синтез-газа и рециркулируемых отработавших
газов на впуск, использующего биотопливо. .............................. 73
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ........................................................................................... 87
ЛИТЕРАТУРА ............................................................................................ 87
6
ВВЕДЕНИЕ
Неуклонное развитие общества ведет к постоянному росту потребления энергии. Так по прогнозу Службы энергетической информации США EIA (Energy Information Administration) при сохранении существующей ситуации в области энергетики общее потребление
энергии в мире увеличится к 2035 г. на 49% по сравнению с 2007 г.
(рис. 1) [7].
800
–2
–1
600
400
200
0
2007
2015
2020
2025
2030
2035
Рис. 1. Мировой рынок потребления энергии, 2007–2035 гг.
(квадриллионы BTU): 1 – страны члены OECD (Организации
экономического сотрудничества и развития – США, страны
Западной Европы, Япония и др.); 2 – страны не члены OECD;
1 BTU = 1,055 кДж
Причем как видно из графиков на рис. 2 ископаемые топлива
(нефть, природный газ и уголь) составляют основную часть потребляемой первичной энергии (свыше 80%) [5, 6].
Такой рост расхода ископаемых топлив ведет не только к быстрому истощению природных ресурсов и увеличению их стоимости, но
неизбежно вызовет серьезные экологические проблемы: глобальное
7
потепление, разрушение озонового слоя, загрязнение атмосферы и, в
конечном счете, может привести к негативному изменению климата
Земли.
250
1
200
2
3
150
100
4
50
5
0
1990
2000
2007
2015
2025
2035
Рис. 2. Мировой рынок источников первичной энергии, 1990–2035 г.
(квадриллионы BTU): 1 – жидкие углеродные топлива; 2 – уголь;
3 – природный газ; 4 – из возобновляемых источников;
5 – ядерное топливо
Топливно-энергетический комплекс Российской Федерации традиционно ориентирован на имеющиеся в стране богатые месторождения полезных ископаемых. Основными энергоносителями на протяжении последних 20 лет являются нефть, уголь и природный газ [1,
2, 3, 4], на долю которых приходится свыше 60% электрической энергии вырабатываемой в стране.
Возможны два направления работ, которые позволят смягчить
эти проблемы. Первое – разработка и использование новых, более
энергоэффективных технологий. Второе направление – более широкое использование альтернативных источников для производства
энергии путем замещения ископаемых углеводородных топлив экологически чистыми источниками энергии из возобновляемых ресурсов,
например топлив на основе биомассы (биотоплива).
8
Биотоплива считаются нейтральными в отношении углерода,
поскольку все диоксиды углерода, выделяющиеся при их сгорании,
устраняются из атмосферы фиксацией углерода в процессе роста
растений. Замещение бензина или дизельного топлива биотопливом
может обеспечить снижение выбросов парникового газа в среднем от
30 до 70%, в зависимости от вида топлива. Благодаря специфическому составу, применение биотоплив, как правило, позволяет снизить
выбросы вредных веществ с отработавшими газами [8], в том числе
твердых частиц [9]. Кроме того, биотоплива подвергаются практически
полному биологическому распаду, что позволяет говорить о минимизации загрязнения почвы, рек и озер [6]. Однако сегодня в мире на возобновляемые источники приходится всего около 3% вырабатываемой первичной энергии. Причем только ~18% возобновляемой энергии используется для генерирования электрической энергии. Значительную долю в балансе выработки энергии для нужд народного хозяйства, особенно в отдаленных от центра регионах и сельской местности, занимают локальные установки электро- и теплоснабжения на
базе тепловых двигателей. При этом в силу регионального дефицита
топлив нефтяного происхождения важную роль играет вопрос перевода их питания на биотопливо, вырабатываемое из вторичного сырья
органического происхождения.
9
1. УСТАНОВКИИ ЭЛЕКТРО- И ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ НА БАЗЕ
ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ БИОТОПЛИВ
1.1. Децентрализованная выработка
электрической энергии и тепла
Традиционно, большая часть электричества в мире генерируется крупными электрическими станциями, работающими на ископаемом топливе и расположенными вблизи своих источников энергии,
иногда на значительном расстоянии от основных центров использования электроэнергии. На центральных генерирующих станциях электрическую энергию сначала трансформируют в высоковольтную (220–
500 кВ и выше), и передают по сверхдальним или магистральным линиям электропередач на большие расстояния. Далее на электрических подстанциях это напряжение понижают до распределительного
напряжения (35–150 кВ) и передают по локальным распределительным линиям электропередач при пониженном напряжении для энергоснабжения предприятий и населенных пунктов крупных районов.
Наконец это напряжение снова трансформируют до уровня используемого напряжения (110–360В) и только тогда расходуют.
Каждая трансформация электроэнергии ведет к потере мощности [11]. Например, приблизительно 2% электрической энергии, генерируемой в Англии теряется при высоковольтной передаче и приблизительно 5,5% теряется при низковольтном распределении [12]. В
странах Организации экономического сотрудничества и развития
(OECD) средние потери в сети составляют около 6,8% [13], в России
они достигают 10% и более. Поэтому логичными становятся решения,
когда часть электрической энергии производится (генерируется) локально на так называемых децентрализованных (автономных) генерирующих установках. В отличие от больших электростанций автономные установки генерируют энергию непосредственно у потребителя
для локального энергоснабжения и подают энергию прямо в локальную распределительную сеть. При децентрализованном энергоснабжении нет необходимости распределять электроэнергию по потреби-
10
телям, поэтому исключается необходимость в сложной передающей
инфраструктуре и значительно уменьшаются потери, связанные с передачей электрической энергии на большие расстояния. Подача энергии непосредственно потребителям исключает также потери на передачу и распределение, дополнительно увеличивая КПД по сравнению
с централизованным электроснабжением. Генерируемая мощность
может быть использована на месте или передана прямо в местную
сеть переменного тока. В странах – членах Организации экономического сотрудничества и развития (OECD) применение децентрализованного энергоснабжения позволяет обеспечить снижение себестоимости электроэнергии на 10–15%.
Практика европейских стран показывает, что использование небольших надежных генерирующих установок в качестве децентрализованного энергоснабжения играет очень важную роль в качестве источников резервной мощности, когда поставка первичной энергии затруднена из-за отдаленности или недоступности поставки ее потребителям. При этом децентрализованное энергоснабжение вытесняет
более дорогую доставку первичной электрической энергии. Эта проблема особенно важна не только для отдаленных регионов России, но
даже для сельских районов ее Европейской части. Российской Федерации автономное энергообеспечение может обеспечить экономию на
передаче и распределении – до 30% стоимости электроэнергии. По
существу, это является одним из наиболее важных преимуществ децентрализованного энергоснабжения. В целом, считается, что чем
меньше размер потребителя, тем большую долю составляет цена передачи и распределения в стоимости первичной электроэнергии, превышая 40% в сфере сельских фермерских хозяйств. Кроме того, децентрализованная выработка электроэнергии делает подачу электричества значительно более надежной, чем централизованное энергоснабжение. При этом следует учитывать, что фермерские хозяйства
имеют большие отходы органического сырья для переработки на небольших современных корегенерационных станциях, на базе тепловых двигателей, по их переработке в электроэнергию и полезное тепло для внутреннего потребления.
11
Технологии децентрализованного энергоснабжения обычно используют в качестве первичного источника энергии генерирующие установки на основе различных типов тепловых двигателей – внутреннего и внешнего сгорания, работающих по циклам «ОТТО», «ДИЗЕЛЯ» и «СТИРЛИНГА», газотурбинные двигатели. В качестве первичных источников используются электрохимические генераторы энергии
на топливных элементах и солнечных батареях, установки, генерирующие энергию ветра и др.
Дизели и газовые двигатели, паровые и газовые турбины производят тепло, которое можно реально использовать в высокотемпературных производственных процессах или для нагрева воды, помещений и т.п. Это является центральным принципом так называемой когенерации или одновременного комбинированного тепло- и энергоснабжения, то есть выработки тепла и электроэнергии, используемых
одновременно.
Дизельные и газовые поршневые двигатели, паровые и газовые
турбины являются хорошо зарекомендовавшими себя технологиями,
которые обеспечивают эффективный КПД на уровне 40% и имеют пониженную стоимость одного киловатта энергии. Комбинированная выработка электрической и тепловой энергии дает возможность значительно повысить общий КПД энергетической установки, благодаря
конвертированию до 90% потенциальной энергии топлива в полезную
энергию.
На рисунке 3 приведены значения эффективных КПД серийных и
прогнозируемых двигателей этих типов разной мощности [14]. Из приведенных на рис. 3 данных можно сделать вывод, что в диапазоне
мощностей 50–500 кВт наиболее оптимальным по стоимости, энергоэффективности и эксплуатационным показателям сегодня является
дизель.
Перевод работы двигателя на биотоплива, получаемые из биомассы сельскохозяйственного (фермерского) производства, позволяет
также утилизировать бытовые и сельскохозяйственные отходы.
Большинство технологий децентрализованного энергоснабжения позволяет вырабатывать тепло, которое можно повторно исполь-
12
зовать, значительно улучшая топливную экономичность энергетической установки.
60
5
4
Эффективный КПД, %
50
6
40
3
30
20
2
10
1
0
10
100
Мощность, кВт
1000
Рис. 3. Изменение эффективного КПД в зависимости
от номинальной мощности: 1 – бензиновые двигатели;
2 – вихрекамерные дизели; 3 – дизельный двигатель
с непосредственным впрыском; 4 – двигатель Стирлинга;
5 – газотурбинный двигатель с керамическими компонентами
(прогноз); 6 – топливные элементы (прогноз)
Когенерация и тригенерация могут играть важную роль в улучшении энергоэффективности и уменьшении выбросов парникового газа. По оценке [19], уменьшение выбросов парникового газа от такой
комбинированной генерирующей энергоустановки и снижение расхода
топлива может достигать 20–30% по сравнению с отдельными энергоустановками, работающими на экологически дружественных топливах.
В настоящее время, эта экономия может достигать до 1000 т СО2 на
один гигаватт вырабатываемой мощности в зависимости от замещае-
13
мых источников тепла и электроэнергии. Эксплуатируемые сегодня в
мире когенерационные установки уменьшают антропогенные выбросы
СО2 по меньшей мере на 200 млн т ежегодно. Кроме того, когенерационные установки позволяют снизить выбросы ряда других вредных
веществ, таких как SOx, NOx и частиц [22].
1.2. Принципиальная схема экологически безопасной установки
электро- и теплоснабжения на базе тепловых двигателей,
использующих биотопливо
Анализ научно-технической литературы в области установок
электро- и теплоснабжения на базе тепловых двигателей позволяет
представить ее принципиальную блок-схему (рис. 4) и сформулировать как основные требования ее низкую себестоимость, высокую
энергоэффективность, удобство технического обслуживания при эксплуатации, низкие уровни шума и вибрации, минимальные выбросы
вредных и парниковых газов, возможность эксплуатации при различных условиях, в том числе на Крайнем Севере и высокогорье.
Для выполнения этих требований принципиальная блок-схема
энергоустановки предусматривает разработку конструкции, выполненную по модульной схеме с максимальным использованием серийно выпускаемых компонентов и оборудования, обеспечивающую возможность автоматической работы в любых условиях эксплуатации и
использование прогрессивных технологий по улучшению энергоэффективности и экологических качеств.
Принципиальная блок-схема предусматривает, чтобы установка
электро- и тепло снабжения, имеющая блочно-модульную конструкцию, была смонтирована на общей раме и включала в свой состав:
– первичный источник преобразования энергии биотоплива на
базе теплового двигателя, использующего биотопливо;
– электрический генератор;
– систему получения тепловой энергии;
– систему управления энергоустановкой;
– систему хранения жидкого топлива.
14
Рис. 4. Принципиальная блок-схема комбинированной установки
электро- и теплоснабжения на базе теплового двигателя
Важнейшим элементом разрабатываемой установки является
система получения тепловой энергии, выполненная двухконтурной с
принудительной циркуляцией охлаждающей жидкости. Она подключается к системе охлаждения двигателя и системе выпуска ОГ и
предназначена для выполнения функций охлаждения и утилизации
теплоты ОГ ДВС, выработки тепловой энергии для внешнего потребителя (малых хозяйственных и социальных объектов) и варьирования
соотношения электрической и тепловой энергии в зависимости от текущих потребностей.
Обобщенная принципиальная схема энергоустановки электро- и
теплоснабжения приведена на рис. 5 и в табл. 1 приведен перечень
необходимых узлов и агрегатов установки электро- и теплоснабжения
на базе дизеля, использующего биотопливо.
Таблица 1
Перечень узлов и агрегатов установки электро- и теплоснабжения
на базе дизеля, использующего биотопливо
Поз.
Обозначение
1
1
2
3
4
Наименование
2
Двигатель внутреннего сгорания
ТНВД
Выпускной коллектор
Впускной коллектор
Кол.
3
1
1
1
1
15
Продолжение табл. 1
1
5
6
7
8
9
Н1
Н2
Н3
То1
То2
То3
То4
То5
То6
То7
И1
И2
И3
И4
И5
Др
Бл
Кл1, Кл2, Кл8
Кл3
Кл4
Кл5, Кл6
Кл7
ЗП1, ЗП2
КлД1, КлД2
КлД3
Ф1
Ф2
Ф3
Ф4
Рм1, Рм2
Рм3
РД
См1, См2
ДТ1, ДТ2
ДТ3
ДТ4
2
Электрогенератор
Щит управления
Система нейтрализации ОГ
Глушитель шума выпуска
Предпусковой подогреватель
Масляный насос
Циркуляционный насос ДВС
Циркуляционный насос
вторичного контура
Охладитель ОЖ ДВС
Охладитель масла
Охладитель ОГ
Электронагреватель
Радиатор РСО
Охладитель ОГ системы рециркуляции
Подогреватель топливной магистрали
Масляный резервуар
Расширительный бачок ДВС
Расширительный бак вторичного контура
Топливный бак
Топливный бачок
Заслонка аварийного останова двигателя
Баллон синтез-газа
Клапан подачи синтез-газа
Клапан системы рециркуляции ОГ
Клапан слива конденсата
Клапан 3-ходовой вторичного контура
Клапан подачи масла
Заслонка поворотная газовая
высокотемпературная
Клапан дроссельный подачи синтез-газа
Клапан дроссельный рециркуляции ОГ
Фильтр синтез-газа
Фильтр воздушный
Фильтр грубой очистки топлива
Фильтр тонкой очистки топлива
Расходомер синтез-газа
Датчик массового расхода топлива
Регулятор давления
Смеситель синтез-газа
Датчик температуры ОГ
Датчик температуры сетевой воды
на входе к потребителю
Датчик температуры сетевой воды
на выходе от потребителя
3
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
5
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
3
1
1
2
1
2
2
1
1
1
1
1
2
1
1
2
2
1
1
16
Окончание табл. 1
1
ДТ5
ДУ1
ДУ2
ДУ3
2
Датчик температуры сетевой воды на выходе из РСО
Датчик уровня ОЖ ДВС
Датчик уровня воды вторичного контура
Датчик уровня масла
3
1
1
1
1
Для генерирования электроэнергии в состав установки введен
электрогенератор. В соответствии с ГОСТ 50703-95 «Электроагрегаты
и передвижные электростанции с двигателями внутреннего сгорания.
Общие технические требования» энергоустановка должна обеспечивать выработку трехфазного электрического тока напряжением 400 В,
частотой 50 Гц. В этой связи в качестве электрического генератора
целесообразно использовать синхронный силовой генератор трехфазного переменного тока серийного производства. Применительно к
первичному источнику энергии (для примера дизелю ЯМЗ-238) электрогенератор должен обеспечивать электрические параметры, приведенные в табл. 2.
Таблица 2
Электрические параметры
Параметр
Значение
Мощность, кВт
80–120
Напряжение, В
400
Частота тока, Гц
50
Ток, А
180
КПД, %
90
Частота вращения, мин–1
Коэффициент мощности (cosφ)
1500
0,8
Система управления энергоустановкой электро- и теплоснабжения на базе теплового двигателя, использующего биотопливо, должна
осуществлять пуск двигателя, автоматическое регулирование частоты
вращения, штатную и аварийную остановку двигателя; защиту двигателя от аварийных режимов работы и ряд других функций, связанных
с управлением двигателем и энергоустановкой в целом (в том числе в
ручном режиме).
17
Рис. 5. Оптимальная принципиальная схема энергоустановки электро- и теплоснабжения
18
1.3. Характеристики двигателей, работающих
на биотопливе в составе установок электро- и теплоснабжения
Анализ тенденций развития установок такого рода в мире показал, что в качестве теплового двигателя энергоустановки наиболее
целесообразно использовать предварительно форсированный и модернизированный для работы на жидком биотопливе из биомассы четырехтактный дизель. Повышенная энергоэффективность дизеля, по
сравнению с другими тепловыми двигателями, обеспечивает низкие
расходы топлива и пониженные выбросы основного парникового газа
СО2. Однако уменьшение выбросов других вредных компонентов отработавших газов, особенно оксидов азота и твердых частиц, остается сложной задачей, требующей не только модернизации его конструкции и введения системы нейтрализации отработавших газов, но и
дополнительных усилий в отношении применяемого биотоплива. В
России в различных отраслях наиболее широко используются дизели
ЯМЗ-236 и ЯМЗ-238. В таблице 3 и на рисунке 6 приведены краткая
техническая характеристика, основные конструктивные параметры, по
данным технических условий ТУ 37.001.1504-88 «Двигатель автомобильный ЯМЗ-238М2», и его внешняя скоростная характеристика.
Таблица 3
Техническая характеристика
Параметр
Тип двигателя
Значение
4-тактный, дизельный
Число и расположение цилиндров
Рабочий объем, см3
V-образное, 90°
14,86
Диаметр цилиндра, мм
130
Ход поршня, мм
140
Степень сжатия
16,5
Номинальная мощность, кВт (л. с.)
–1
176(240)
при частоте вращения, мин
2100
Максимальный крутящий момент, Нм
883
Частота вращения при максимальном
крутящем моменте мин–1
1250–1450
Минимальный удельный расход топлива, г/кВтч
214
19
Рис. 6. Внешняя скоростная характеристика дизеля ЯМЗ-238
Анализ конструкции и особенностей рабочего процесса взятого
для примера дизеля ЯМЗ-238 показали, что применение его в качестве основного элемента энергетической установки дает возможность
обеспечить необходимые показатели установки при работе на жидком
биотопливе за счет внесения ряда изменений в конструкцию.
Необходимость модифицирования двигателя обусловлена применением вместо дизельного топлива, получаемого из сырой нефти,
20
биотоплива из биомассы растительного происхождения, поскольку
ряд его физико-химических характеристик (повышенная коррозионная
агрессивность, пониженная теплота сгорания, повышенная вязкость и
плотность, худшие пусковые качества) заметно отличаются от соответствующих характеристик дизельного топлива.
Для обеспечения работы на жидком биотопливе, в конструкцию
серийного дизеля потребовалось внести ряд изменений, в том числе:
– для обеспечения надежной и долговечной работы системы топливоподачи все резиновые уплотнительные элементы были заменены на элементы, выполненные из материала стойкого к воздействию
биотоплива;
– улучшения фильтрации топлива на режимах холодного пуска и
прогрева двигателя были применены фильтры тонкой очистки с интегрированным нагревательным элементом;
– регулирования частоты вращения была применена микропроцессорная система управления (МПСУ) двигателем вместо центробежного всережимного регулятора.
Анализ дизеля ЯМЗ-238 и выбранной принципиальной схемы
энергоустановки показывает, что для выполнения предьявляемых к
ней технических требований, необходима оптимизация конструкции
двигателя и элементов базовой энергоустановки в направлении:
– увеличения до 15–25% доли биотоплива в смеси с дизельным
топливом с целью снижения расхода дизельного топлива и
уменьшения выбросов парникового газа СО2 на 15–25%;
– снижения тепловых потерь и более полной утилизации тепла
энергоустановки с целью повышения общего КПД энергоустановки.
Для совершенствования технико-экономических и экологических
показателей и процессов смесеобразования и сгорания теплового дизельного двигателя ЯМЗ-238 в составе энергоустановки в оптимизированной принципиальной схеме, предусмотрены система рециркуляции отработавших газов, позволяющая регулировать количество и
температуру ОГ, подаваемых во впускную систему двигателя в зависимости от нагрузочного и теплового режима, и автономная система
хранения и подачи компримированного синтез-газа, позволяющая бо-
21
лее точно регулировать его химический состав и подачу во впускную
систему двигателя в зависимости от нагрузочного и теплового режимов работы двигателя.
Ожидается, что синтез-газ и рециркулируемые ОГ, предварительно смешанные во впускном трубопроводе, поступят в цилиндр,
где воспламенятся с минимальной задержкой со струями биодизельного топлива и обеспечат более быстрое и мягкое сгорание с пониженными максимальными давлением и температурой цикла. Это, в
свою очередь, поможет существенно уменьшить вредные выбросы,
особенно NOx и твердые частицы, а также улучшить индикаторный
КПД двигателя. Кроме того, рециркуляция отработавших газов позволит дополнительно дожечь несгоревшие углеводороды.
Таким образом установка электро- и теплоснабжения на базе
теплового двигателя, использующего жидкое биотопливо позволяет
достигнуть следующие показатели:
– снижение расхода дизельного топлива и уменьшение
выбросов парникового газа СО2 на 15–25%;
– выполнение экологических требований Правил ЕЭК ООН
№ 96-02;
– возможноть эксплуатации при значениях температуры окружающего воздуха от минус 60°С до плюс 40°С, относительной влажности
до 98% при температуре плюс 25°С, запыленности воздуха до 0,4 г/м3
и в районах, расположенных в горных условиях на высоте до 3000 м
над уровнем моря (при соответствующем снижении мощности).
Для обеспечения эффективной работы двигателя с увеличенной
до 15–25% долей биотоплива в смеси с дизельным топливом в рамках
реализации оптимизированной принципиальной схемы предусмотрена корректировка топливоподачи дизельным топливным насосом высокого давления (ТНВД) путем изменения положения упора максимальной подачи топлива и настройки угла опережения впрыска с помощью электромагнитного привода рейки ТНВД и муфты опережения
впрыска.
Повышенное содержание биотоплива (имеющего пониженную
теплоту сгорания) в смеси с дизельным топливом позволяет умень-
22
шить максимальную температуру цикла, сократив соответственно
формирование оксидов азота в цилиндре двигателя. Кроме того, повышенное содержание биотоплива позволит заместить большее количество дизельного топлива и соответственно дополнительно сократить его расход и выбросы основного парникового газа СО2.
Для снижения тепловых потерь и более полной утилизации тепла энергоустановки предусмотрены оптимизация температурного режима в системах охлаждения жидкости и моторного масла, а также
рециркуляции отработавших газов, и введена дополнительная теплоизоляция элементов системы получения тепловой энергии.
Для обеспечения возможности эксплуатации комбинированной
энергоустановки при температуре до минус 60оС оптимизированной
схемой предусмотрено применение системы предпускового подогрева
дизеля. Система обеспечивает пуск холодного двигателя за счет нагрева жидкости в системе охлаждения и масла в картере двигателя.
Система предпускового подогрева работает независимо от двигателя и подключается к его системе охлаждения и электрооборудования. Она состоит из котла, горелки, циркуляционного насоса, системы розжига топлива и системы дистанционного управления подогревателем. В качестве топлива используется арктическое дизельное топливо по ГОСТ 305-82, размещенное в отдельном топливном баке.
23
2. БИОТОПЛИВО КАК ВИД АЛЬТЕРНАТИВНОГО ТОПЛИВА
ИЗ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ РЕСУРСОВ ДЛЯ ДИЗЕЛЕЙ
2.1. Виды биотоплива для комбинированной выработки тепла
и электроэнергии и ресурсы для их производства
В случае применения дизеля в качестве энергоустановки для
станций комбинированной выработки электрической и тепловой энергии важным является региональность применения того или иного типа
топлива (например, для аграрных регионов источником энергии может
стать биомасса, а для газодобывающих – природный газ).
Исходя из сложившейся ситуации, стал более актуальным перевод дизелей на питание альтернативными топливами, под которым
понимают любой тип топлива не нефтяного происхождения.
Основываясь на видах сырья, используемого в производстве
альтернативных топлив, выделяют следующие группы [6, 7, 8]:
– топлива, получаемые из различных газов, к которым можно отнести попутный нефтяной газ, природный газ;
– топлива, полученные на основе переработки угля;
– топлива, получаемые из биомассы.
На сегодняшний день, большую долю мирового рынка альтернативных топлив занимают сжиженные нефтяные газы, получаемые из
попутного нефтяного газа. Так в мире эксплуатируется порядка 3,9 млн
автомобильных двигателей, работающих на данном топливе [9].
Прямое применение угля в дизелях не получило широкой поддержки из-за проблем, связанных с топливоподачей и быстрым закоксовыванием распылителей. Поэтому наиболее предпочтительным выглядит получение топлив на основе химической переработки угля.
Из представленных выше видов сырья биомасса единственная
относится к возобновляемым ресурсам. Под биомассой понимают все
виды веществ растительного и животного происхождения, продукты
жизнедеятельности организмов и органические отходы, образующиеся в процессах производства, потребления продукции и на этапах технологического цикла отходов [10].
24
Согласно [11] в мире образуется 170–200 млрд т биомассы, что
энергетически эквивалентно 70–80 млрд т нефти.
Биомассу разделяют на первичную и вторичную. К первичной
биомассе относят органический материал, полученный путем фотосинтеза. Вторичная биомасса является продуктом жизнедеятельности
организмов и органическими отходами, образующимися в процессе
переработки первичной биомассы.
По данным, приведенным в [10], величина органических отходов
разных отраслей хозяйства России составляет более 390 млн т в год.
На органические отходы сельскохозяйственного производства приходится 250 млн т в год, из которых 150 млн т приходится на животноводство и птицеводство, а 100 млн т – на растениеводство. Отходы
деревоперерабатывающей промышленности составляют 700 млн т,
твердые бытовые отходы городов – 60 млн т, коммунальные стоки –
10 млн т (все приведенные значения установлены для абсолютно сухого вещества).
2.2. Особенности получения биотоплива для тепловых
двигателей в составе корегенерационных установок
выработки тепла и электроэнергии
Биотопливом служит твердое, жидкое или газообразное топливо,
получаемое из биомассы термохимическим или биологическим способом [10].
Под термохимическим способом понимают прямое сжигание, газификацию и пиролиз, а под биохимическим – производство биогаза
из отходов в биогазовых установках и на полигонах твердых бытовых
отходов, производство низкомолекулярных спиртов и биодизельного
топлива (эфиров растительных масел). Различают следующие виды
биотоплив:
– биоэтанол – этанол, полученный из биомассы или биологически разлагаемых отходов;
– биометанол (биодревесный спирт) – метанол, изготовленный
из биомассы;
25
– биодиметиловый эфир (биоДМЭ) – диметиловый эфир, произведенный из биомассы;
– биоэтил-трет-бутиловый эфир (ЭТБЭ) – изготавливается из
биоэтанола за счет его реакции с изобутиленом в присутствии кислотных катализаторов;
– биометил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ) – изготавливается из
биометанола за счет его реакции с изобутиленом в присутствии кислотных катализаторов (на изготовление МТБЭ в России действует ТУ
38.103704-90);
– биоводород – водород, получаемый из биомассы или биологически разлагаемых отходов за счет деятельности водородообразующих микроорганизмов;
– биогаз – газ, самопроизвольно образующийся при распаде
(разложении) органических отходов;
– натуральное растительное масло – масло, изготовленное из
масличных культур путем прессования, отжима или аналогичных процедур, рафинированное или нерафинированное, химически немодифицированное;
– биодизельное топливо – сложный метиловый эфир со свойствами, сопоставимыми с нефтяным дизельным топливом, получаемый
из масла растительного или животного происхождения.
Биоэтанол можно изготавливать из любого биологического сырья, содержащего значительное количество сахара или которое может быть преобразовано в сахар (крахмал и целлюлоза). В этой связи
все ресурсы для получения биоэтанола можно распределить по трем
группам: сахаросодержащие; крахмалосодержащие; целлюлозосодержащие.
К сахаросодержащим ресурсам относят корнеплоды (сахарная
свекла) и стебли растений (сахарный тростник, сорго).
Для получения биоэтанола из технологического сырья, полученного из сахаросодержащих культур, подвергнутых предварительной
обработке, используют процесс ферментации. Под ферментацией понимают биологический процесс преобразования органических соеди-
26
нений с помощью микроорганизмов. Для ферментации используют
специальные дрожжи.
Крахмалосодержащими ресурсами являются зерновые культуры
(кукуруза, ячмень, рожь, пшеница, зерно сорго) и корнеплоды, такие
как картофель и кассава.
Поскольку в крахмале присутствуют длинные цепи молекул глюкозы, то их необходимо разорвать на простые молекулы глюкозы для
их последующей ферментации. Для этого, после предварительной
обработки сырья вводят процесс гидролиза (реакция, протекающая
между каким-либо веществом и водой). При гидролизе крахмал смешивают с водой до образования суспензии, которая затем взбалтывается и нагревается до тех пор, пока не разорвутся оболочки клеток. В
течение процесса нагревания добавляются специальные ферменты,
которые обрывают химические связи.
Самым обширным сырьевым ресурсом является целлюлозасодержащие, которые включают в себя как первичную биомассу (ивняк,
тополь, просо и т.д.), так и вторичную биомассу (отходы городского
хозяйства, сельскохозяйственные отходы, бумажные отходы и отходы
деревообрабатывающих и деревозаготавливающих производств).
Сложность переработки целюлозосодержащего сырья состоит в присутствии лигнина – вещества, призванного в природе обеспечить опору растению. Лигнин не содержит в себе сахара, но окружает молекулы целлюлозы и гемицеллюлозы, затрудняя к ним доступ. Молекулы
целлюлозы состоят из длинных цепей молекул глюкозы, подобных
крахмалу, но имеют другую конфигурацию структуры. Исходя из отличий между крахмалом и целлюлозой, для последней обычно используют кислотный гидролиз. На этанол, вырабатываемый из непищевого
растительного сырья действует ГОСТ 18300-87, а для этанола, получаемого из различных видов пищевого сырья – ГОСТ Р 51652-2000.
Выбор растительных масел в качестве биотоплива во многом
определяется возможностью их получения из большого числа масленичных растений, распространенных в различных мировых регионах.
В качестве таких культур можно выделить: авокадо, арахис, горчицу
27
(технические условия на горчичное масло установлены ГОСТ 880794), орех, какао, кедр, кокос (технические условия на кокосовое масло
установлены ГОСТ 10766-64), коноплю (технические условия на конопляное масло установлены ГОСТ 8989-73), кукурузу (технические условия на кукурузное масло установлены ГОСТ 8808-2000), кунжут,
лен, рапс (технические условия на рапсовое масло установлены ГОСТ
8988-2002), сою (технические условия на соевое масло установлены
ГОСТ Р 53510-2009), пальму (технические условия на пальмовое масло установлены ГОСТ Р 53776-2010), хлопок, тыкву, виноград, абрикос, подсолнух (технические условия на подсолнечное масло установлены ГОСТ Р 52465-2005).
Сырьем для получения биометанола и биоДМЭ служит синтезгаз, главными компонентами которого является оксид углерода CO и
водород H2. В свою очередь синтез-газ получают в результате газификации биомассы.
Биометанол (CH3OH) получают из синтез-газа при температуре
300–400°C и давлении 300–500 атм в присутствии катализатора –
смеси оксидов цинка, хрома и др.:
CO + 2H2 → CH3OH
(1)
Технические условия на метанол содержаться в ГОСТ 2222-95.
БиоДМЭ (СН3ОСН3) получают из биометанола за счет его дегидратации (т.е. «отъема воды» от метанола) на оксиде алюминия или других
катализаторах:
2СН3OH ↔ СН3ОСН3 + Н2О
(2)
Другой способ получения биоДМЭ состоит в его прямом получении из синтез-газа. Подобные технологии были предложены фирмами
Mobil (США) и Haldor Topsoe (Дания), NKK (Япония) и Институтом
нефтехимического синтеза РАН (Россия). При прямом получении
биоДМЭ одновременно протекают три реакции:
СО2 + 3Н2 ↔ СН3ОН + Н2О (получение биометанола);
2СН3ОН ↔ СН3ОСН3 + Н2О (дегидрация биометанола в биоДМЭ);
СО + Н2О ↔ СО2 + Н2 (конверсия СО водой).
Сырьем для биодизельного топлива служат плоды пальмовых
деревьев, водоросли, масляничные культуры, рыбий и животный жи-
28
ры. После переработки данного сырья получают натуральные растительные масла и жиры. Для получения биодизельного топлива в промышленных масштабах существуют два способа, основанные на двух
разных реакциях.
Первый способ состоит в проведении реакции этирификации,
при которой кислоты, содержащиеся в маслах и жирах, реагируют со
спиртами (метанол или этанол).
Второй способ заключается в обеспечении протекания реакции
трансэфиризации – реакции масла с метанолом в присутствии катализатора.
В результате обоих реакций образуются метиловые эфиры жирных кислот, которые и являются биодизельным топливом (т.е. по своим свойствам они близки к дизельному топливу). Эти вещества получили международное обозначение FAME (Fatty Acid Methyl Esters).
Существуют стандарты на свойства метиловых эфиров жирных
кислот (биодизельное топливо), сопоставление по значениям которых
дано ниже, в разделе 2: EN 14214:2003 (Евросоюз) и его российский
аналог ГОСТ Р 53605-2009; DIN V 51606 (Германия); ASTM D 6751-07b
(США).
В природе существуют различные способы естественного получения биоводорода H2. Согласно [8] к ним можно отнести:
– получение H2 из воды с помощью фотосинтетических микроорганизмов (1-й способ);
– получение H2 паровой путем конверсии оксида углерода CO
(2-й способ);
– получение H2 на основе брожения (3-й способ).
Первый из указанных способов основан на способности микроскопических зеленых водорослей и цианобактерий выделять H2 в фотосинтетических реакциях. При этом вода используется как источник
электронов, а солнечный свет – как источник энергии. В безвоздушных
условиях зеленые водоросли и цианобактерии переносят электроны
на протоны и выделяют молекулярный водород:
2H+ + 2e─
H2
(3)
29
Скорость выделения H2 данным способом может доходить до
700 мл/ч на 1 г сухой клеточной биомассы [8].
Паровая конверсия CO в воде (2-й способ) проводится пурпурными бактериями без использования солнечной энергии (в темноте)
по реакции:
CO + H2O CO2 + H2
(4)
Скорость образования H2 пурпурными бактериями составляет
140–700 мл/ч на 1 г сухой клеточной биомассы [8].
Многие бактерии выделяют H2 в результате брожения (3-й способ), используя для этого органические соединения [13]. Скорость образования H2 в этом случае может составлять до 400 мл/ч на 1 г сухой
клеточной биомассы.
Состав биогаза зависит от исходного сырья. Основу биогаза составляет метан CH4 доля которого может быть 55…75%. Содержание
углекислого газа СО2 в метане составляет 25…45%. Помимо CH4 и
СО2 отмечено незначительное содержание водорода H2 и сероводорода H2S.
После очистки биогаза от СО2 и прочих примесей получают биометан CH4, который обладает свойствами, аналогичными природному
газу, который в России удовлетворяет ГОСТ 5542-87.
Сырьем для получения биогаза, как было отмечено выше, являются органические отходы, к которым относятся: навоз, зерновая и
меласная послеспиртовая барда, пивная дробина, свекольный жом,
фекальные осадки, отходы рыбного и забойного цеха (кровь, жир,
кишки, каныга), трава, бытовые отходы, отходы молокозавода (лактоза, молочная сыворотка), отходы производства биодизеля (технический глицерин от производства биодизеля из рапса), отходы от производства соков, водоросли, отходы производства крохмала и патоки,
отходы переработки картофеля, муниципальные бытовые отходы.
Разложение биомассы происходит в три этапа, для каждого из
которых существует свой вид бактерий. Бактерии последующего этапа
питаются продуктами жизнедеятельности бактерий предыдущего этапа. Первый вид бактерий – гидролизные, второй – кислотообразующие, а третий – метанообразующие.
30
В настоящее время в мире существует около 60 разновидностей
технологий получения биогаза. Наиболее распространѐнный метод –
анаэробное (без доступа кислорода) сбраживание в метатанках. Бактерии перерабатывают биомассу в метан при температуре от 25 до 70°С.
Получение биогаза экономически оправдано в том случае, когда
на переработку организуется непрерывный поток отходов.
На объемы получения биогаза из сырья влияет содержания сухого вещества и вида используемого сырья. Так из тонны навоза крупного
рогатого скота получается 30…50 м³ биогаза с содержанием CH4 60%,
а 150–500 м3 биогаза из тонны различных видов растений с содержанием метана до 70%. Максимальное количество биогаза (1300 м3) с содержанием метана до 87% можно получить из тонны жира [14].
2.3. Физико-химические свойства биотоплив,
оказывающие влияние на рабочие процессы двигателей
Для любого топлива можно выделить вполне определенный набор характеристик, необходимых для оценки показателей и анализа
рабочего процесса энергоустановки, а также его математического моделирования. Ниже перечислены основные из них.
Расчет и экспериментальные исследования рабочего процесса в
топливной аппаратуре двигателей требует обязательного знания следующих параметров:
– модуль упругости E, МПа;
– плотность , кг/м3;
– скорость звука в топливе a, м/с;
– вязкость кинематическая , мм2/с.
Для анализа рабочего процесса двигателя и оценки его показателей важными являются:
– cкрытая теплота парообразования r, кДж/кг;
– коэффициент поверхностного натяжения , кг/м;
– элементный состав (массовая доля углерода, водорода и кислорода) топлива и молекулярная масса μт топлива, кг/кмоль;
– кривая разгонки;
31
– стехиометрическое соотношение l0, кгвозд/кгтопл;
– энергия активации Еа, кДж/кмоль;
– теплоемкость ср, кДж/кг∙К;
– низшая теплота сгорания Hu, МДж/кг;
– цетановое число;
– температура самовоспламенения, К.
Помимо параметров, характеризующих свойства топлива относительно рабочих процессов двигателя, существует группа параметров,
определяющих эксплуатационные возможности топлив. К ним относят:
– температура предела фильтруемости, °С;
– температура застывания, °С;
– кислотность, мг КОН/гтоплива;
– коксуемость, %;
– йодное число, мг J/100 г.
Температуры предела фильтруемости и застывания топлива характеризуют низкотемпературные свойства топлива.
На территории большей части России в зимнее время преобладают отрицательные температуры, поэтому обеспечение надежного
пуска и последующей работы двигателя в условиях низких температур
является одним из факторов успешной и коммерчески выгодной эксплуатации.
Кислотность топлива показывает содержание в нем карбоновых
кислот. Повышенный уровень кислотности топлива свидетельствует о
его высокой коррозионной активности по отношению к деталям двигателя и топливоподающей аппаратуры.
Коксуемость топлива определяет количество топлива, которое
остается после полного испарения легких фракций. Для двигателей
внутреннего сгорания это косвенная оценка уровня нагарообразования в цилиндре двигателя.
Йодное число – это количественная оценка содержания в топливе непредельных жирных кислот. Наличие таких соединений ведет к
повышению уровня лаковых отложений в цилиндре двигателя и нагарообразованию.
32
В таблице 4 приведены физико-химические свойства биометанола и биоэтанола, которые рассматриваются в качестве варианта
замены нефтяных топлив. Столь повышенный интерес к ним объясняется нормальными условиями хранения, соответствующими условиям хранения дизельного топлива, а также возможностью их получения из разных видов биомассы. При этом технология производства
спиртов глубоко исследована и отработана.
Наряду с этим, применение спиртов в дизелях сдерживается
сильным отличием их физико-химических свойств от свойств традиционных топлив.
Низкое цетановое число спиртов в сочетании с высокой теплотой парообразования приводит к сильному охлаждению заряда в цилиндре и плохому самовоспламенению. Низшая теплота сгорания
спиртов также существенно ниже, чем у дизельного топлива, что объясняется наличием в составе молекул спирта кислорода. Для сохранения мощностных показателей двигателя цикловую подачу при переводе двигателя на спирт следует увеличивать.
Спирты имеют плохие смазывающие свойства, гигроскопичны –
это ведет к преждевременному износу топливной аппаратуры дизельных двигателей. Кроме того, коррозионная активность и агрессивность
по отношению к алюминиевым сплавам и резинам заставляет тщательно подходить к выбору конструкционных материалов для системы
питания.
Таблица 4
Физико-химические свойства биометанола и биоэтанола
Параметр
1
Химическая формула
Молекулярная масса
Плотность при 20°С, кг/м3
Вязкость кинематическая при 20°С, мм2/с
Поверхностное натяжение при 20°С, мН/м
Цетановое число
Температура кипения, °С
Температура вспышки, °С
Температура самовоспламенения, °С
Значение
Метанол
Этанол
2
3
СН3ОН
С2Н5ОН
32,04
46,07
791,7
789,0
0,75
1,00
22,1
22,0
5
8
64,5
78,4
10,0
12,2
464
426
33
Продолжение табл. 4
1
Концентрационные пределы воспламенения, %
Теплота сгорания низшая, МДж/кг
Стехиометрическое отношение, кг.в/кг.т
Теплота испарения, кДж/кг
Давление насыщенных паров при 0,1 МПа и 20°С, кПа
Теплоемкость ср при 0,1 МПа и 20°С
Содержание, % по массе
С
Н
О
2
6,7…36,5
19,67
6,49
1115
24,6
2,51
3
3,2…19,0
26,8
9,01
870
12,2
2,47
37,5
12,6
49,9
52,2
13,1
34,7
Возможность самовоспламенения метанола показана при увеличении степени сжатия с 18 до 27.
Различие физико-химических свойств спиртов и дизельного топлива значимо и для процессов топливоподачи. Длина струи метанола
больше, нежели у бензина, но меньше, чем у дизельного топлива. Это
обусловлено тем, что плотность спирта находится в промежутке между плотностями бензина (720…750 кг/м3) и дизельного топлива (820…
850 кг/м3). Большая сжимаемость и испаряемость метанола приводят
к тому, что ширина струи топлива также меньше, чем у дизельного топлива. Отмеченные отличия свидетельствуют о значимом влиянии на
мощностные и экологические показатели дизеля при полном или частичном замещении дизельного топлива биометанолом или биоэтанолом. В связи с указанными выше недостатками использование спиртов в чистом виде, как монотоплива, в дизельных двигателях затруднено. Для применения спиртов в дизелях, для воспламенения топливовоздушной смеси обычно используют искровые свечи или запальную дозу дизельного топлива.
Среди разработчиков энергетических установок на базе дизелей
большое внимание уделяется биоДМЭ. Принято считать, что биоДМЭ
является одним из перспективнейших топлив для дизелей, обеспечивающим превосходные экологические показатели двигателя.
БиоДМЭ в отличие от биометанола и биоэтанола имеет превосходные характеристики по воспламеняемости, обусловленные высоким
цетановым числом. Молекула биоДМЭ содержит порядка 34,8% кисло-
34
рода. Это, а также то, что метиловые радикалы (СН3) разделены атомом кислорода, объясняет отсутствие выбросов сажи с отработавшими
газами дизелей. Наличие кислорода способствует уменьшению поверхности пламени. Для двигателя это может означать понижение выбросов оксидов азота. С другой стороны, высокое содержание кислорода в молекуле понижает низшую теплоту сгорания топлива.
При нормальных физических условиях диметиловый эфир является газом, сжижающимся при давлении порядка 0,5 МПа. Этот факт
требует наличия на борту автомобиля специальной топливной системы, поддерживающей биоДМЭ в жидком состоянии. Стоит отметить,
что условия хранения биоДМЭ и используемое оборудование одинаковы с природным газом. Исследователи отмечают, что биоДМЭ имеет коэффициент сжимаемости вдвое больший, нежели у дизельного
топлива. Этот факт вкупе с меньшей теплотой сгорания создает предпосылки для увеличения цикловой подачи (по сравнению с дизельным
топливом, примерно в 2 раза) для достижения того же уровня мощности, что и при питании двигателя дизельным топливом. Вязкость биоДМЭ ниже, чем у дизельного топлива, что приводит к необходимости
введения противоизносных присадок, таких как Любризол 459А, вместе с тем улучшается распыливание топлива в цилиндре. БиоДМЭ
коррозионно активен и агрессивен к некоторым видам резины, поэтому требуется пересмотр материалов, используемых для изготовления
уплотняющих деталей. Физико-химические свойства биоДМЭ приведены в табл. 5.
Таблица 5
Физико-химические свойства биоДМЭ
Параметр
1
Химическая формула
Молекулярная масса
Плотность жидкой фазы при 20°С, кг/м3
Коэффициент сжимаемости истинный при 20°С и 0,1 МПа, Па–1
Кинематическая вязкость жидкой фазы при 20°С, мм2/с
Коэффициент поверхностного натяжения, Н/м
Давление насыщенных паров при 20°С, МПа
Температура кипения при 0,1 МПа, °С
Значение
2
СН3ОСН3
46
668
157∙10–11
0,22
0,0012
0,51
–24,8
35
Продолжение табл. 5
1
Теплота парообразования при 20°С, кДж/кг
Низшая теплота сгорания, МДж/кг
Цетановое число
Стехиометрическое соотношение, кг.в/кг.т.
Температура самовоспламенения, °С
2
410
28,84
>55
9,0
235
Давление насыщенных паров имеет очень важное значение,
этот параметр позволяет определить фазовое состояние вещества
при данной температуре. При давлении меньшем давления насыщенных паров вещество находится в газообразном состоянии, при большем давлении, соответственно, в жидкой фазе. Для биоДМЭ этот параметр имеет очень сильную зависимость от температуры, выражаемой следующей формулой, полученной на основании экспериментальных исследований:
ps
1393,139 exp
2030,14
, МПа.
T 36,49
(5)
Плотность (рис. 7) и сжимаемость биоДМЭ сильно зависят от
параметров среды (давления и температуры), что создает определенные неудобства при проектировании систем топливоподачи.
800
,
кг/м3
–10оС
20оС
700
50оС
80оС
600
500
0
10
20
30 р, МПа
Рис. 7. Зависимости плотности биоДМЭ
от давления и температуры
36
Зависимость давления насыщенных паров от температуры приведена на рис. 8.
Рис. 8. Зависимость давления насыщенных паров
биоДМЭ от температуры
Описанные отличия физических свойств биоДМЭ свидетельствуют об отличиях процесса распыливания эфира от процесса распыливания традиционного дизельного топлива. При проведении безмоторных исследований струя ДМЭ имеет меньшую длину, но больший
объем. Это приводит к более качественному распыливанию и смесеобразованию. Исследования параметров распылителей показывают,
что из-за хорошей испаряемости падают коэффициент расхода при
больших числах кавитации, а из-за сильной зависимости плотности и
сжимаемости от температуры расходные характеристики также чувствительны к изменению температуры топлива.
Натуральные растительные масла – это смесь жирных кислот
различной степени насыщения и с различной длиной углеродных цепочек. В этом отношении растительные масла схожи с традиционными углеводородными топливами, которые являются смесями различных углеводородов.
Физико-химические свойства сильно различаются (таблица 16).
Например, насыщенность маслом и содержание жирных кислот разных семян масличных культур существенно различаются. Чем больше
37
содержание высоко насыщенных жирных кислот (кислотность), тем
выше устойчивость топлива (масла) к окислению и оно обладает высоким цетановым числом. Для растительных масел цетановое число
находится на уровне 33…50, что близко к цетановому числу дизельного топлива.
Молекулы жирных кислот имеют в своем составе кислород, его
содержание доходит в некоторых маслах до 12%. В связи с этим отмечается некоторое понижение низшей теплоты сгорания масел.
Правда, наличие кислорода понижает средние температуры цикла, в
связи с этим должны улучшаться экологические показатели дизелей.
Особенностями растительных масел можно считать повышенную, относительно дизельного топлива, плотность, при этом от температуры она зависит в меньшей степени, чем у традиционного топлива.
Вязкость масел на порядок отличается от вязкости дизельного
топлива. Это является одним из существеннейших недостатков данного вида биотоплива, что усугубляется сильной зависимостью вязкости от температуры.
Сжимаемость масел меньше чем у дизельного топлива, а поверхностное натяжение больше. Данные параметры от температуры
зависят слабо.
Использование масел в чистом виде вызывает сильное нагарообразование (отложение кокса на стенках камеры сгорания и распылителях) вследствие повышенной коксуемости масел. Кроме того, с
точки зрения эксплуатации, масла обладают высокой температурой
застывания, что обусловлено наличием жирных непредельных кислот.
Физико-химические свойства, указанные в табл. 6, напрямую
влияют на процессы топливоподачи и смесеобразования.
Из-за высокой вязкости и плотности возникают сложности по
прокачке топлива по топливопроводу в линии низкого давления топливной системы дизеля. Эти же факторы приводят к увеличению цикловой подачи, по сравнению с дизельным топливом.
Дальнобойность струи увеличивается, а с учетом худшей воспламеняемости, она может достигать стенок камеры сгорания. Соответственно, уменьшается доля объемного смесеобразования, появля-
38
ется опасность коксования поршневых колец. Повышенное поверхностное натяжение масел влияет на мелкость и равномерность распыливания топлива в сторону их ухудшения. Как видно, с точки зрения эксплуатации, натуральные растительные масла представляют собой
достаточно плохую альтернативу традиционному дизельному топливу,
хотя и имеют объективные достоинства, такие как возобновляемость и
экологическая безопасность. Недостатков растительных масел, можно
избежать путем производства на их основе эфиров. Как было отмечено
выше, производство эфиров может осуществляться как с применением
метанола, так и с применением этанола. В таблице 7 приведены некоторые физико-химические свойства эфирных топлив на основе растительных масел: МЭРМ – метиловый эфир рапсового масла; ЭЭРМ –
этиловый эфир рапсового масла; МЭСМ – метиловый эфир соевого
масла; МЭПМ – метиловый эфир пальмового масла.
Таблица 6
Физико-химические свойства
Подсолнечное
Соевое
Пальмовое
Оливковое
1
Плотность при 20°С, кг/м3
Вязкость кинематическая,
мм2/с при
20°С
40°С
100°С
Цетановое число
Стехиометрическое
отношение, кг.в/кг.т
Теплота сгорания
низшая, МДж/кг
Температура
самовоспламенения, °С
Температура
застывания, °С
Содержание серы, %
3
917
4
923
5
924
6
918
7
8
9
914 919 1069
75,0
36,0
8,1
36
81,5 65,2
36,5 30,7
8,3
7,4
37
33
–
32,0
7,7
50
–
–
8,6
49
–
–
8,4
–
–
–
7,7
–
–
–
19,9
–
12,6
11,2 11,1
–
–
–
–
–
37,3
37,0 37,0
36…39
37,1
–
–
–
Касторовое
Арахисовое
2
916
Параметр
Хлопковое
Рапсовое
Значение
318
–
320
318
315
285 316
296
–20
–
–16
–12
+30
–12 –18
–27
0,002
–
–
–
–
–
–
–
39
Продолжение табл. 6
1
Содержание, % по массе
С
Н
О
Кислотность, мг
КОН/100 мл топлива
Коксуемость 10%-ого
остатка, %, не более
2
3
4
5
6
7
8
9
78,0
10,0
12,0
78,0
12,3
9,4
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
4,66
–
2,14
0,03
0,17
5,90
0,23
0,19
0,40
–
0,51
0,44
–
0,20
0,23
–
Таблица 7
Физико-химические свойства эфирных топлив
на основе растительных масел
МЭРМ
ЭЭР
М
МЭСМ
МЭПМ
Плотность при 20°С, кг/м3
877
895
884
870
Вязкость кинематическая, мм2/с при
20°С
40°С
8,0
2,5
32,0
–
–
4,1
–
4,5
Цетановое число
48
–
46
62
Стехиометрическое
отношение, кг.в/кг.т
12,6
12,6
–
–
Теплота сгорания низшая, МДж/кг
37,8
36,8
–
40,1
Температура самовоспламенения, °С
Температура застывания, °С
230
–21
–
–
141
–1
174
–
Содержание серы, % (по массе)
0,002
–
0,005…0,01
–
Содержание, % по массе
С
Н
О
77,5
12,0
10,3
77,6
12,0
10,4
–
–
–
–
–
–
0,3
0,3
–
–
Показатель
Коксуемость 10%-ого остатка, %,
не более
Эфиры растительных масел обладают сходными с традиционным топливом значениями вязкости и плотности, что позволяет использовать их с минимальными модернизациями топливной системы
в качестве биодизельного топлива. Кроме того, у них слегка повышено
цетановое число и улучшены характеристики воспламеняемости.
40
2.4. Изменения в конструкции серийного двигателя,
необходимые для работы на биотопливе
Таким образом, для реализации дизельного процесса наиболее
приемлемы жидкие биотоплива и в первую очередь биодизельное
топливо.
Для работы на данных биодизельных топливах, в конструкцию
серийного двигателя должен быть внесен ряд изменений. Для обеспечения надежной и долговечной работы системы топливоподачи все
резиновые уплотнительные элементы в ней должны быть заменены
на элементы, выполненные из материала, стойкого к воздействию
биодизельного топлива, а медные уплотнения – алюминиевыми. Подлежат замене резиновые прокладки фильтра грубой очистки топлива,
фильтра тонкой очистки топлива, подкачивающего насоса и топливного насоса высокого давления и медные уплотнительные элементы
фильтров грубой и тонкой очистки топлива.
Для обеспечения требуемой подачи биодизельного топлива на
режимах холодного пуска и прогрева двигателя был применен фильтр
тонкой очистки с интегрированным нагревательным элементом.
Для регулирования топливоподачи и частоты вращения коленчатого вала двигателя вместо центробежного всережимного регулятора топливного насоса высокого давления была разработана микропроцессорная система управления приводом рейки ТНВД.
При использовании двигателя в составе энергоустановки, работающего на смесях с разным соотношением биодизельного топлива,
дизельного топлива по ГОСТ Р 52368-2005 и синтез-газа необходимо
придерживаться следующих требований. Синтез-газ должен подаватся в сжатом состоянии при содержании водорода не менее 25%
(по объему). При этом должны соблюдаться Технические требования
ГОСТ Р 52368-2005 к штатному дизельному топлив, которые приведены в табл. 8.
При использовании в качестве биотоплива смеси метиловых
эфиров жирных кислот, получивших название биодизель рекомендуемые характеристики биодизеля и синтез-газа приведены в табл. 9 и 10.
41
Таблица 8
Технические требования ГОСТ Р 52368-2005
Наименование показателя
1. Цетановое число, не менее
2. Цетановый индекс, не менее
3. Плотность при 15°С, кг/куб.м
4. Полициклические ароматические
углеводороды % (по массе), не более
5. Содержание серы, мг/кг, не более, для топлива:
вид II
6. Температура вспышки в закрытом тигле, °С, выше
7. Коксуемость 10%-ного остатка разгонки, % (по массе),
не более
8. Зольность, % (по массе), не более
9. Содержание воды, мг/кг, не более
10. Общее загрязнение, мг/кг, не более
11. Коррозия медной пластинки (3 ч при 50°С) 6),
единицы по шкале
12. Окислительная стабильность: общее количество
осадка, г/куб. м, не более
13. Смазывающая способность: скорректированный
диаметр пятна износа при 60°С, мкм, не более
14. Кинематическая вязкость при 40°С, кв. мм/с
15. Фракционный состав:
при температуре 250°С, % (по объему), менее
при температуре 350°С, % (по объему), не менее
95% (по объему) перегоняется при температуре, °С, не выше
Значение
51,0
46,0
820–845
11
50,0
55
0,30
0,01
200
24
Класс 1
25
460
2,00–4,50
65
85
360
Таблица 9
Характеристики биодизеля
Свойства биодизеля
1
Содержание метиловых эфиров
жирных кислот
Плотность при 15°С
Вязкость при 40°С
Температура вспышки
Содержание серы
Коксуемость 10%-ного остатка
Цетановое число
Сульфаты
Вода
Общее содержание загр. веществ
Испытания на медной пластинке
Стабильность к окислению
Кислотность
Йодное число
Единицы
измерений
2
Нижний
предел
3
Верхний
предел
4
% (по массе)
96,5
–
кг/м3
мм2/с
°С
мг/кг
% (по массе)
–
% (по массе)
мг/кг
мг/кг
рейтинг
часы
мг КОН/г
г I2/100 г
топлива
860
3,5
101
–
–
51,0
–
–
–
Класс 1
6
–
900
5,0
–
10
0,3
–
0,02
500
24
Класс 1
–
0,5
–
120
42
Продолжение табл. 9
1
Метиловый эфир линоленовой
кислоты
Полиненасыщенный метиловый
эфир (≥ 4 двойных связей)
Метанол
Моноглицерид
Диглицерид
Триглицерид
Свободный глицерин
Суммарный глицерин
Металлы I группы (Na + K)
Металлы II группы (Ca + Mg)
Фосфор
2
3
4
% (по массе)
–
12
% (по массе)
% (по массе)
% (по массе)
% (по массе)
% (по массе)
% (по массе)
% (по массе)
мг/кг
мг/кг
мг/кг
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
1
0,2
0,8
0,2
0,2
0,02
0,25
5
5
4
Биодизельное топливо по своим основным характеристикам совместимо с товарным дизельным топливом и смешивается с ним в
разных соотношениях, рекомендованных по результатам математического моделирования и испытаний энергоустановки для требуемых
условий эксплуатации, предусмотренных программой-методикой испытаний.
Таблица 10
Характеристики синтез-газа
Наименование показателя
Значение
Водород, % объемный
25
Оксид углерода, % объемный
12
Диоксид углерода, % объемный
2–3
Азот
Остальное
43
3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ РАБОТЫ
КОРЕГЕНЕРАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ И ВХОДЯЩЕГО
В ЕЕ СОСТАВ ДИЗЕЛЯ
3.1. Математическая модель организации работы экологически
чистой корегенерационной установки,
использующей жидкое биотопливо
В предыдущих разделах на основе анализа известных по материалам зарубежных и отечественных научно-технических и патентных
исследований была определена принципиальная схема и мероприятия
по оптимизации работы теплового двигателя этой установки, использующей жидкое биотопливо, с целью улучшения ее экономических и
экологических показателей за счет гомогенизации топливовоздушной
смеси путем применении синтез-газа и внешней рециркуляции. Анализ
основных показателей энергоустановки и определение исходных данных для проектирования и улучшения организации ее работы на высоком техническом уровне должен проводиться на основе математического моделирования работы установки в целом и отдельно рабочего
процесса включенного в ее состав теплового двигателя.
Определение энергетических и экономических показателей
энергоустановки производится на основе ее энергетического баланса,
в основе которого лежат энергетические балансы теплового двигателя, теплообменных аппаратов теплового модуля и электрического генератора. Энергетический баланс энергоустановки позволяет оценить
эффективность использования теплоты, подведенной к системе при
сгорании биотоплива, возникающие тепловые потери, выработать мероприятия по снижению тепловых потерь.
В основе математической модели энергетического баланса
энергоустановки лежит первый закон термодинамики. Он обеспечивает необходимую информацию для оценки распределения исходной
энергии топлива. Для контрольного объема, который окружает энергоустановку, уравнение сохранения энергии имеет следующий вид:
ηс∙mт∙Нu = Wэл + Qтепл + Qпот,
(6)
44
где mт – часовой расход биотоплива; Нu – низшая теплота сгорания
биотоплива; ηс – КПД сгорания, учитывает потери связанные с химической неполнотой сгорания; Wэл – электрическая энергия, вырабатываемая генератором; Qтепл – тепловая энергия системы получения тепловой мощности; Qпот – потери теплоты.
Детальная схема энергетического баланса энергоустановки показана на рис. 9.
Qтопл.
QРОГ
QОГ
Qпот.
QВ
Qтепл.
сумм.
Qтепл.
QМ
Qэл.нагр.
Wэл.
Рис. 9. Тепловой баланс энергоустановки
На схеме приняты следующие обозначения:
Qтопл. = ηсmт∙Нu – количество теплоты, подведенной в энергоустановку
при сжигании биотоплива в тепловом двигателе;
QОГ – теплота, отводимая выпускными газами;
Qв – теплота, отводимая от двигателя через систему охлаждения;
QРОГ – теплота, отводимая от ОГ в теплообменнике системы рециркуляции ОГ;
Qм – теплота, отводимая в водомасляном охладителе моторного масла;
Qэл.нагр. – теплота, подводимая к системе получения тепловой энергии
с помощью электронагревателя;
45
Qпот. – потери теплоты, обусловленные КПД теплообменных аппаратов и теплообменом с окружающей средой;
Wэл. – электрическая энергия, переданная потребителю;
Qтепл. – количество теплоты, переданное потребителю (электронагреватель выключен);
Qтепл.сумм. – количество теплоты, переданной потребителю (с учетом
работы электронагревателя).
Последняя величина включает в себя:
Qтепл.сумм. = QОГ + Qв + QРОГ + Qм + Qэл.нагр..
(7)
Электрическая энергия Wэл., переданная потребителю, определяется по формуле:
Wэл. = (ηс∙mт∙Нu)∙ηе∙ηг,
(8)
где ηе – эффективный КПД теплового двигателя; ηг – КПД электрического генератора.
Мощность системы получения тепловой энергии энергоустановки зависит с одной стороны от мощности, развиваемой двигателем, а
с другой стороны, от эффективности теплообменников этой системы.
Эффективность (КПД) преобразования энергетической установкой химической энергии топлива в электрическую и тепловую энергию
оценивается аналогично эффективному КПД теплового двигателя
внутреннего сгорания [16]. Общий КПД энергоустановки определяется
как сумма электрического и теплового КПД.
Основными элементами системы получения тепловой энергии
являются охладитель отработавших газов, теплообменник охлаждающей жидкости (теплообменник-охладитель) теплового двигателя
энергоустановки и охладитель системы рециркуляции ОГ. Количество
тепла, передаваемое этими элементами в систему получения тепловой энергии энергоустановки, определяется помощью соответствующих уравнений, приведенных ниже, а необходимые для расчетов термодинамические параметры – из расчетов рабочего цикла используемого теплового двигателя на основе его математической модели.
Уравнение охладителя отработавших газов. Количество теплоты, содержащейся в ОГ двигателя, определяется по зависимости:
Qтепл.ОГ = сОГ∙GОГ∙ΔTохл.ОГ,
(9)
46
где сОГ – теплоемкость ОГ двигателя; GОГ – массовый расход отработавших газов ДВС; ΔTохл.ОГ – перепад температуры ОГ на входе и на
выходе из охладителя.
В расчетах учитывается изменение теплоемкостей с изменением
температуры и состава газа.
Поскольку охладитель ОГ оснащен поворотными заслонками
Зп1 и Зп2, обеспечивающими регулирование производимой тепловой
мощности, то количество теплоты dQохл.ОГ, отведенное от ОГ двигателя и переданное потребителю за интервал времени dt, определяется
формулой:
dQохл.ОГ = ηОГ∙сОГ (1 – αЗ/90)∙GОГ∙ΔTохл.ОГ dt,
(10)
где ηОГ – КПД охладителя ОГ двигателя; αЗ – угол положения газовых
заслонок.
Исходное значение αЗ принимается равным 0.
По данным ФГУП «НАМИ» и [27], значение КПД охладителя ОГ
ηОГ для кожухотрубных теплообменников, оснащенных внешней теплоизоляцией, находится в пределах 60–80%.
Уравнение теплообменника-охладителя системы охлаждения ДВС. Тепловая мощность водо-водяного теплообменника-охладителя ДВС энергоустановки должна обеспечивать рабочий температурный режим ДВС на всех нагрузочных режимах. В связи со сложностью аналитического определения теплоты, передаваемой в систему
охлаждения ДВС, для определения параметров теплообменника-охладителя целесообразно использовать экспериментальные данные,
основанные на результатах многочисленных исследований тепловых
двигателей. В таблице 11 приведены экспериментальные данные по
энергетическому балансу бензиновых и дизельных двигателей на режиме номинальной мощности.
Для безнаддувных дизельных двигателей в систему охлаждения
передается 16…35% от теплоты Qтопл подведенной при сгорании топлива.. В математической модели системы получения тепловой энергии теплота QВ, передаваемая в систему охлаждения ДВС, определяется в соответствии с уравнением:
47
QВ = δВ∙Qтопл.,
(11)
где δВ – доля теплоты отводимая системой охлаждения двигателя.
Таблица 11
Экспериментальные данные по энергетическому балансу
бензиновых и дизельных двигателей
Двигатель
Дизель
Бензиновый
Эффективная
мощность
Тепло
в систему
охлаждения
Тепло
отработавших газов
Процент от теплоты сгорания топлива
34–38
16–35
22–35
25–28
17–26
34–45
Потери
тепла
от неполноты
сгорания
Остаток
1–2
2–5
2–6
3–10
Уравнение охладителя системы рециркуляции отработавших газов. Исходными параметрами для охладителя ОГ системы рециркуляции являются температурный перепад и расход ОГ на входе/выходе из охладителя ΔTохл.РГ и δРОГ∙GОГ соответственно. В зависимости от нагрузочного режима работы двигателя изменяется степень
рециркуляции ОГ δРОГ.
Теплота, располагаемая охладителем ОГ системы рециркуляции, определяется по следующей зависимости:
QРОГ = сОГ∙δРОГ∙GОГ ΔTохл.РОГ,
(12)
где сРОГ = сОГ – теплоемкость рециркулируемых отработавших газов,
которая принимается равной теплоемкости отработавших газов.
Уравнение водомасляного охладителя. Количество теплоты,
отводимое от моторного масла двигателя определяется выражением:
Qм = смGм ΔTм,
(13)
где см – теплоемкость масла; Gм – массовый расход масла; ΔTм – перепад температур моторного масла в водомасляном охладителе.
Уравнение резервной системы охлаждения. Резервная система охлаждения предназначена для обеспечения оптимального теплового режима двигателя энергоустановки в случае нескоординированного потребления электрической и тепловой энергии, в частности при пониженном (вплоть до нуля) потреблении тепловой энергии. Поскольку
резервная система охлаждения энергоустановки предназначена для
48
охлаждения теплового двигателя, в том числе для охлаждения рециркулируемых ОГ системы рециркуляции и для охлаждения моторного
масла в водомасляном теплообменнике, то тепловая мощность резервной системы охлаждения QРСО определяется выражением:
QРСО ≥ Qв + QРОГ + Qм.
(14)
С другой стороны, тепло отводимое через резервную систему
охлаждения, определяется следующей зависимостью:
QРСО = Qтопл.∙(δв + δм) + QРОГ.
(15)
На номинальном режиме работы теплового двигателя доля теплоты δв, отводимой из системы охлаждения двигателя, лежит в пределах 20–25%. Доля теплоты δм, отводимой от моторного масла двигателя на номинальном режиме, составляет до 3–4%.
Уравнение мощности электронагревателя. Повышение электрической энергии, подаваемой на блок электронагревателей Wэл.нагр
расширяет границы варьирования тепловой и электрической энергий,
но приводит к увеличению массогабаритных показателей проточного
электронагревателя.
Компактный блок электронагревателей удобен с точки зрения
компоновки, но при этом сокращается диапазон варьирования тепловой и электрической энергий.
Тепловая мощность электронагревателя определяется формулой:
Qэл.нагр = ηэнWэл.нагр,
(16)
где ηэн – КПД электронагревателя.
Описанный в этом разделе вариант математической модели работы экологически чистой корегенерационной установки, использующей биотопливо, позволяет согласовать энергетические потоки теплового двигателя, электрического генератора и системы получения
тепловой энергии таким образом, чтобы обеспечивать эффективную
работу теплового двигателя при достижении требуемой потребителем
электрической и тепловой мощности в зависимости от текущих потребностей. Модель позволяет сделать предварительную оценку
энергетических и экономических показателей энергоустановки, определить исходные данные для проектирования и исследования рабочего цикла используемого теплового двигателя.
49
3.2. Математическая модель рабочего цикла теплового
двигателя, использующего жидкое биотопливо, с системой
подачи синтез-газа и рециркулируемых отработавших газов
В дизельном двигателе жидкое топливо впрыскивается в цилиндр
в виде одной или нескольких струй непосредственно перед воспламенением. Явления, протекающие в нестационарной струе топлива –
распыливание, движение жидкой струи и отдельных капель, испарение
топлива, перенос воздуха, смешение топлива и воздуха, химическая
кинетика самовоспламенения – все это играет свою роль в процессе
выделения тепла. Пока, к сожалению, нет возможности моделировать
все эти явления на фундаментальной основе даже с помощью наиболее продвинутых современных многомерных моделей, поскольку многие из этих процессов не имеют еще адекватного понимания [17].
В настоящем разделе приведена математическая модель рабочего цикла дизельного двигателя, использующего жидкое биотопливо,
с системой комбинированной подачи синтез-газа и рециркулируемых
отработавших газов, разработанная на основе однозонной модели тепловыделения. Относительная простота и умеренное время, необходимое для выполнения компьютерных расчетов, делают такие модели
особенно полезными для математического моделирования.
Однозонные модели допускают, что содержимое цилиндра может быть адекватно описано параметрами, характеризующими их осредненное состояние с помощью алгебраических формул, определяющих скорость тепловыделения. Функциональная форма этих
формул и соответствующие коэффициенты выбираются на основе
экспериментально наблюдаемых кривых тепловыделения.
Настоящая математическая модель базируется на методиках
расчета цикла дизеля и газового двигателя. Предусмотрена возможность применения двухфазного закона выгорания по уравнению, полученному с использованием работ И.И. Вибе. В модели учитываются
изменение теплоемкостей с изменением температуры и состава газа,
рециркуляция и заброс газов из цилиндра во впускной трубопровод в
период перекрытия клапанов.
50
Модель учитывает процессы топливоподачи, распыливания, испарения за период задержки воспламенения и позволяет исследовать
влияние количества биотоплива и синтез-газа на мощностные, экономические и экологические показатели дизеля, в том числе определить
выбросы сажи и оксидов азота.
Описание модели расчета цикла дизеля, работающего на
смеси дизельного топлива и биодизельного топлива с подачей
через впускную систему синтез-газа. Как отмечено выше, модель
расчета цикла дизеля, работающего на смеси дизельного топлива и
биодизельного топлива с подачей через впускную систему синтез-газа, основана на методиках расчета цикла дизеля [22] и газового двигателя [23].
Изменения, которые были внесены относительно модели расчета цикла дизеля связаны со следующими факторами:
– необходимость учета поступления через впускную систему
синтез-газа и рециркулируемых отработавших газов в определенных
пропорциях;
– необходимость учета особенностей приготовления за период
задержки воспламенения топливовоздушной смеси с учетом состава
впрыскиваемого топлива.
Отметим некоторые особенности методики расчета и принятые
допущения.
1. Компоненты топлива задаются в исходных данных объемными долями rmi. В качестве компонентов топлива рассматриваются водород Н2, азот N2, углекислый газ СО2 и окись углерода СО. Компоненты в топливе могут присутствовать в любой пропорции.
2. При расчете газообмена не учитываются инерционные и волновые явления. Истечение газа через клапаны принимается квазистационарным.
3. Рассматривается однозонная модель процесса горения, т.е.
считается, что в каждый момент до окончания горения в цилиндре находится однородная субстанция, состоящая из свежей смеси и продуктов сгорания.
51
4. Предусмотрена возможность применения двухфазного закона выгорания по уравнению, полученному с использованием работ
И.И. Вибе. При назначении параметров тепловыделения учитываются результаты расчета количества испарившегося топлива за период
задержки воспламенения.
5. Теплообмен между зарядом и стенками рассчитывается по
соответствующей формуле Г. Вошни [24, 25]. Средняя температура
поверхностей поршня и головки цилиндра, а также поверхности гильзы цилиндра определяются по эмпирическому выражению, полученному путем обработки результатов измерения температуры деталей
дизелей типа ЯМЗ.
6. В расчетах учитывается рециркуляция и заброс газов из цилиндра во впускной трубопровод в период перекрытия клапанов. Обратный выброс и дозарядка учитываются с помощью эмпирического
выражения в виде линейной зависимости от частоты вращения φ1,
причем φ1 > 1 или φ1 < 1 в зависимости от частоты вращения.
Расчет параметров цикла двигателя проводится итерациями. На
каждой итерации выполняется пошаговый расчет одного полного цикла. Итерации повторяются до тех пор, пока разница в контрольных
точках (начала сжатия и конца выпуска) не станет меньше заданной
величины (1%).
Весь цикл делится на две части:
– процесс газообмена, когда открыты один из клапанов (впускной или выпускной) или оба клапана;
– процесс сжатия–сгорания–расширения, когда оба клапана закрыты.
Основой метода расчета процесса газообмена является решение уравнения энергетического баланса для открытой системы совместно с уравнениями состояния и сохранения массы газа.
Основой метода расчета процесса сжатия-сгорания-расширения
служит уравнение первого закона термодинамики.
Уравнение энергетического баланса для открытой системы:
d
d
Tп г )Fп г
Tг ц )Fг ц
ср0T0dG вп с рTdG вып
T (T
T (T
(17)
6n
6n
с TdT с TdTG pdV .
52
В расчетах учитывается изменение теплоемкостей с изменением
температуры и состава газа. Учитывается также заброс продуктов
сгорания в части периода перекрытия клапанов, обратный выброс
свежего заряда (в диапазоне малых частот вращения) и дозарядка (в
диапазоне высоких частот вращения). Коэффициент теплоотдачи в
период газообмена рассчитывается по соответствующей формуле
Г. Вошни, применимость которой была проверена сопоставлением результатов расчета с результатами измерения локальных нестационарных тепловых потоков.
T
549 c
0,8
n
0,8
p
98100
T 0,53D
0,2
,
Вт
.
м2 K
(18)
Температура поверхностей камеры сгорания в поршне и огневого днища головки цилиндра определяются по эмпирическим уравнениям, полученным ранее измерением температур вблизи поверхности
деталей:
Tп
г
Tг
p
358 228 s
p0
ц
358 63
ps
p0
0,35
0,35
0,42
1
1
0,35
Ts
T0
0,42
Ts
T0
0,35
cn
10
0,5
D
0,1
cn D
10 0,1
0,38
, K;
(19)
0,38
, K.
Для вычисления теплоемкостей нужно знать состав газа. В цилиндр впускается смесь влажного воздуха, синтез-газа и перепускаемых продуктов сгорания.
Количество воздуха: Gд.ц.
l0.
Количество синтез-газа: Gд.ц.
l0
.
1
Количество перепускаемых продуктов сгорания: Gд.ц.
Количество водяного пара Gд.ц.
d
0,622
2
.
l0 d, где d – влагосодержание:
в
р0
l0
рн
в рн
.
Давление насыщенного пара вводится в программу в виде полинома рн
f (t ).
Массовые доли:
53
1
gв
gс
gп
1
1
d
2
;
1
г
1
1
2
d
2
d
2
d
2
г
1
1
;
;
d
gH2O
1
1
.
Расчет скорости изменения коэффициента выделения теплоты
проводится по выражению:
d
d
6,908
A1
mн
(mн
восп
1)
восп
6,908
e
mн 1
zн
zн
zн
(20)
m 1
6,908
1 A1
восп
(m 1)
z
восп
6,908
e
.
z
z
Для периодов сжатия–тепловыделения уравнение баланса энергии записывается в следующем виде:
(21)
dQ
dL dQw dU dHутечек ,
где dQ Gтц Hи d
Gтц
l0
1
d .
Х1 вычисляется в предположении однофазного тепловыделения
при сгорании синтез-газа в период от воспл +
dL p dV ,
dQw
C1D
0,2
T
0,53
p
0,8
C2cn
zн
до
воспл
+
z:
0,8
V
C3 h p
GRa
p(
)
.
(22)
При вычислении dU учитывается, что внутренняя энергия изменяется при тепловыделении не только в связи с изменением температуры заряда в цилиндре, но и вследствие изменения состава и количества (последнее из-за утечек заряда).
dHутечек
dGутечек
( f )неп
с рТ dGутечек ;
2k
2
k 1 k 1
Состав газов, выпускаемых из цилиндра:
2
k 1
(23)
p
.
54
– кислород: Gтц 0,23 l0 (
– азот: Gтц 0,77
1) Gтц
l0 Gтц
– углекислый газ: Gтц
9Н с
к .сг.
2 O2
g
;
к .сг.
2 N2
l0
g
11
11 с
С
С
3
3
– водяной пар: Gтц 9Н
l0
г
г
;
;
Gтц
l0 d.
Массовые доли вычисляются по формуле
gi
Gi
,
Gi
где Gi – масса газов в цилиндре в начале выпуска; ΣGi – суммарная
масса газов в цилиндре в начале выпуска.
Можно вычислять Gтц
l0 (
ост
1
2
d ).
Состав газов в цилиндре в процессе впуска:
– остаточные газы: Gтц
– воздух:
вп
l0
ост
;
Gi g в ;
– синтез-газ:
вп
Gi g с г ;
– перепускаемые газы:
вп
Gi g п г ;
– водяной пар в составе влажного воздуха:
вп
Gi g в d.
Массовые доли компонентов в процессе впуска можно определить по формуле:
gi
Gi
.
вп
(24)
Gi
В процессе сжатия состав газов в цилиндре не изменяется, то же
справедливо и для процесса выпуска.
Состав газов в процессе горения:
– остаточные газы: Gтц
l0
– перепускаемые газы: Gтц
ост
l0
;
2
.
55
Массовые доли остаточных газов и перепускаемых газов равны
массовым долям смеси в конце процесса горения:
– кислород: Gтц 0,23 l0 (
) Gтц
– азот: Gтц 0,77
l0 Gтц
– cинтез-газ: Gтц
l0 (1
g
– водяной пар: Gтц
;
);
9Н с
9Н
g
;
11
11 с
С
С
3
3
– углекислый газ: Gтц
н.сг.
2 O2
н.сг.
2 N2
l0
1
l0
г
г
;
Gтц
l0 d.
На основании работ И.И. Вибе, с учетом двухфазного тепловыделения, коэффициент тепловыделения может быть представлен в
следующем виде:
восп
6,908
A1 1 e
mн 1
m 1
6,908
z
A2 1 e
zн
восп
(1
1
).
(25)
Параметры тепловыделения (А1, φzн, mн, φ, m) назначаются с
учетом результатов анализа испарения дизельного топлива и биодизельного топлива за период задержки воспламенения по методам и
алгоритмам.
Ниже, в виде примера, приведены результаты расчета исходных
данных при составе синтез-газа:
rH2
0,25, rCO
0,12, rN2
1,5,
0,2,
1
d
0,605, rCO2
0,025,
0,1,
2
0,01.
Кажущаяся молярная масса синтез-газа:
с г
2 0,25 28 0,12 0,025 44 0,605 28
21,9.
Газовая постоянная синтез-газа:
R
8314
21,9
379,63
Дж
.
кг K
Плотность при 0°С и 760 мм рт.ст.:
0с г
22,4
21,9
22,4
0,978
кг
,
м3
0в
28,96
22,4
1,293
кг
.
м3
56
Плотность при 20°С и давлении 750 мм рт.ст.:
p T0
750 273
кг
0,978
0,899 3 ,
с г
0
p0 T
760 293
м
в
1,293
750 273
760 293
1,189
кг
.
м3
Массовые доли:
2 0,25
28 0,12
gH2
0,0283, g CO
0,1534,
21,9
21,9
44 0,025
28 0,605
g CO2
0,0523, gN2
0,7735.
21,9
21,9
Элементарный состав синтез-газа:
12
1
Cс г gCO
0,0657, Hс г gH2
0,01415.
28
2
Стехиометрическое количество воздуха для сгорания синтез-газа:
l 0с
г
1 8
C 8H
0,23 3
1
0,23
8
0,0657 8 0,01415
3
1,254.
Теплота сгорания синтез-газа:
Hис
г
gH2 HиH2
gCO HиCO
0,1534 10093,2 0,02283 120370 4,296
МДж
.
кг
Масса синтез-газа рассчитывается как:
Gцс г Gm l0 1.
Коэффициент избытка воздуха:
Gвц
Gтц l 0 (1
1
l 0с г )
(26)
.
(27)
Количество смеси:
Gсм
Vh
0
,
p0
0
Rсм T0
3
, Rсм
gi Ri .
1
Количество воздуха для сгорания дизельного топлива равно
Gтц l0.
Количество воздуха для сгорания синтез-газа равно
Gтц l0 1 1,254.
Количество перепускаемых продуктов сгорания равно
Gтц l0 2.
(28)
57
Количество синтез-газа на 1 кг дизельного и биодизельного топлив равно
Gтц l0 1.
Все количество смеси, впускаемой в цилиндр определим как
Gтц l0 (1 1 2 d ).
Ниже приведены результаты расчета параметров цикла базового дизеля на номинальном режиме.
Gтц 86,15 мг/цикл, Tп г 563K, Tг ц 413K, pго
0,032 МПа,
0,87,
dp
d
0,055,
0,64, pz
Qw
Qц
0,8875 МПа,
0,14, pi
7,83 МПа,
о .в.
9 до ВМТ,
тср
i
0,478,
781
max
Tрез
1208 K, Tср
Вт
,
м2 K
781 K.
Представленная модель учитывает процессы топливоподачи,
распыливания, испарения за период задержки воспламенения и позволяет исследовать влияние количества жидкого биотоплива и синтез-газа как активатора горения на мощностные, экономические и экологические показатели дизеля, в том числе определить выбросы сажи
и оксидов азота.
3.3. Расчетные исследования энергетических
и экономических показателей установки
Определение энергетических показателей энергоустановки.
Основными энергетическими показателями установки электро- и
теплоснабжения являются ее электрическая мощность и тепловая
мощность на номинальном режиме, а также тепловая мощность резервной системы охлаждения и электрическая мощность блока электронагревателей. Их величины зависят от мощности первичного источника энергии, характеристик электрического генератора, системы
получения тепловой энергии и ряда других факторов.
Энергетические показатели установки электро- и теплоснабжения
на базе теплового двигателя, использующего жидкое биотопливо, с
системой комбинированной подачи синтез-газа и рециркулируемых от-
58
работавших газов были определены с помощью разработанных в рамках данного проекта математических моделей энергоустановки и рабочего цикла теплового двигателя. При моделировании учитывались:
– особенности конструкции базового двигателя типа ЯМЗ-238;
– свойства биотоплива;
– экологические требования Правил ЕЭК ООН № 96-02;
– принципиальная схема энергоустановки;
– технические требования электрического генератора и системы
получения тепловой энергии, резервной системы охлаждения и электронагревателей.
Калибровка математических моделей была выполнена по результатам расчетов серийного двигателя ЯМЗ-238, работающего на
дизельном топливе и результатов проведенных ранее экспериментальных исследований этого дизеля.
Исходные данные для моделирования:
Основные параметры теплового двигателя энергоустановки при
работе на дизельном топливе приведены в табл. 12.
Таблица 12
Основные параметры теплового двигателя
Параметр
Рабочий объем двигателя, л
Диаметр цилиндра / ход поршня, мм
Степень сжатия
Номинальная частота вращения коленчатого вала, мин–1
Коэффициент избытка воздуха на номинальном режиме
Угол опережения впрыска топлива, град.
Значение
14,86
130/140
16,5
1500
1,6
15
В качестве биотоплива исследованы две смеси дизельного топлива с разным содержанием биотоплива на основе метилового эфира
рапсового масла – 15 и 25% (В15 и В25). Основные характеристики
биотоплив и дизельного топлива приведены в табл. 13.
Таблица 13
Основные характеристики биотоплив и дизельного топлива
Наименование показателя
Цетановое число, не менее
Плотность при 15°С, кг/куб.м
Стехиометрическое отношение
Низшая теплота сгорания, кДж/кг
Дизтопливо
51
830
14,54
42,9
В15
51,5
839
14,2
42,1
В25
51,8
844
14,0
41,5
59
Следует отметить, что содержание биотоплива на основе
метилового эфира рапсового масла в дизельном топливе, а также комбинированная подача синтез-газа и рециркулируемых отработавших
газов выбраны с учетом результатов предварительного анализа экологических требований к двигателю. По сравнению с серийным вариантом двигателя ЯМЗ-238, работающим на дизельном топливе и соответствующим экологическим требованиям Правил ЕЭК ООН № 96, это
позволит снизить оксиды азота в 1,5 раза, вредные частицы в 2,3 раза
и углеводороды на 30%, чтобы обеспечить выполнение жестких экологических норм, предусмотренных Правилами ЕЭК ООН 96-02.
Для выполнения экологических требований Правил ЕЭК ООН
96-02 по выбросам NOх с ОГ моделирование позволяет оценить возможность снижения их концентрации путем изменения:
– состава смеси на номинальном режиме в диапазоне α = 1,5–1,9;
– степени рециркуляции отработавших газов;
– композиции и содержания синтез-газа;
– уменьшения угла опережения впрыска топлива в диапазоне от
15 до 7 градусов поворота коленчатого вала.
Для выполнения требований Правил ЕЭК ООН 96-02 по выбросам вредных частиц с ОГ моделируется возможность снижения сажи
путем изменения:
– состава смеси на номинальном режиме в диапазоне α = 1,5–1,9;
– применения кислородсодержащего биотоплива;
– подачи синтез-газа в составе рециркулируемых ОГ.
Термодинамические параметры и композиция рециркулируемых
отработавших газов определяются по результатам моделирования рабочего цикла двигателя. Синтез-газ представляет собой смесь СО и Н2
разной композиции и при подаче его в цилиндры двигателя оказывает
влияние как на энергетические, так и на экологические показатели. Для
оценки влияния подачи синтез-газа на энергетические показатели установки используется композиция с содержанием СО = 0% и Н2 = 25%.
Параметры комбинированной подачи синтез-газа и рециркулируемых отработавших газов на номинальном режиме, обеспечиваю-
60
щие выполнение требований Правил ЕЭК ООН 96-02 по выбросам
NOх и вредных частиц, определены по результатам предварительного
моделирования рабочего процесса двигателя и приведены в табл. 14.
Таблица 14
Параметры комбинированной подачи синтез-газа
и рециркулируемых отработавших газов на номинальном режиме
Наименование показателя
Значение
Степень рециркуляции ОГ, % по объему
10
20
Доля водорода в РОГ, % по объему
25
25
Результаты моделирования. Энергетические показатели установки электро- и теплоснабжения на номинальном режиме в кВт при
работе на разном топливе, полученные на основе результатов математического моделирования, приведены в табл. 15.
Таблица 15
Энергетические показатели
Топливо
дизельное
В15
В25
Энергетические
показатели
Степень рециркуляции ОГ
10/20
10
20
10
Результаты моделирования
Мощность ДВС
116,1/103,2
113,9
101,3
112,4
Мощность электрическая
–
102,5
91,2
101,2
Мощность тепловая
–
148,6
132,2
146,7
Аналоги (экспериментальные данные) – Tedom Cento T100 SPBIO
Мощность электрическая
95
–
–
–
Мощность тепловая
139
–
–
–
20
100
90
130
–
–
Как видно из таблицы, при работе теплового двигателя на биотопливе В25 с комбинированной подачей 20% рециркулируемых ОГ,
содержащих 25% синтез-газа, обеспечивается минимальный уровень
номинальной электрической и тепловой мощности энергоустановки,
соответственно 90 кВт и 130 кВт. Эти параметры достигнуты при
уменьшении угла опережения впрыска θОВ от 15 до 9 градусов и обеднении смеси с α = 1,5 до 1,7. При этом мощность теплового двигателя
должна быть не менее 100 кВт. Приведенные в таблице результаты
моделирования мощностных показателей энергоустановки находятся
на уровне энергетических показателей современных аналогов.
61
Результаты моделирования резервной системы охлаждения и
блока электронагревателей приведены в табл. 16. Напомним, что резервная система охлаждения предназначена для обеспечения оптимального теплового режима двигателя энергоустановки в случае нескоординированного потребления электрической и тепловой энергии.
Максимальную тепловую мощность резервная система охлаждения
должна развивать на режиме номинальной электрической мощности
(номинальном режиме работы теплового двигателя) при отсутствии
потребления тепловой энергии.
Таблица 16
Результаты моделирования
Вспомогательная система
Резервная система охлаждения
Блок электронагревателей
Мощность, кВт
100–115
52–59
Блок электронагревателей также предназначен для обеспечения
оптимального теплового режима двигателя энергоустановки в случае
нескоординированного потребления электрической и тепловой энергии. Максимальную электрическую мощность он должен развивать на
режиме номинальной тепловой мощности (номинальном режиме работы теплового двигателя) при отсутствии потребления электрической
энергии. Как видно из табл. 16, резервная система охлаждения должна иметь тепловую мощность 100 кВт, а блок электронагревателей
обеспечивать электрическую мощность 53 кВт.
Результаты математического моделирования энергетических показателей установки электро- и теплоснабжения на базе теплового
двигателя типа ЯМЗ-238, использующего биотопливо, хорошо согласуются с экспериментальными данными по энергетическим показателям установок аналогичного класса, подтверждают эффективность
принятой принципиальной схемы энергоустановки и организации ее
работы, возможность выполнения экологических требований Правил
ЕЭК ООН 96-02 в отношении выбросов NOх и вредных частиц с ОГ.
Определение экономических показателей энергоустановки.
Экономическими показателями установки электро- и теплоснабжения
являются ее электрический ηЭ, тепловой ηТ и общий ηΣ коэффициенты
62
полезного действия и соответствующие удельные расходы топлива,
которые оценивают эффективность преобразования в электрическую
и тепловую энергию химической энергии топлива. Величина этих КПД
и удельных расходов топлива зависит от режима работы энергоустановки, а также КПД первичного источника энергии, а также от эффективности электрического генератора и системы получения тепловой
энергии. При моделировании экономические показатели установки в
целом и ее основных компонентов определялись на номинальном режиме по результатам определения часового расхода биотоплива, а
также электрической и тепловой мощности. Экономические показатели установки электро- и теплоснабжения на базе теплового двигателя,
использующего биотоплива В15 и В25,с системой комбинированной
подачи синтез-газа и рециркулируемых отработавших газов на номинальном режиме приведены в табл. 17.
Таблица 17
Экономические показатели
Топливо
В15
В25
Экономические показатели
Степень рециркуляции ОГ
0
10
20
10
20
Результаты моделирования
Удельный расход
232,5
236,2
237,5
235,6
236,9
топлива, г/кВт ч
КПД электрический, %
36,1
36,2
36,0
36,3
36,1
Удельный расход
158,9
163,5
163,5
162,9
163,5
топлива, г/кВт ч
КПД электрический, %
52,8
52,3
52,3
52,5
52,3
КПД общий, %
88,9
88,5
88,3
88,8
88,4
Аналоги (экспериментальные данные) – Tedom Cento T88 SP
КПД электрический, %
34,0
–
–
–
–
КПД тепловой, %
51,7
–
–
–
–
КПД общий, %
85,7
–
–
–
–
дизельное
Результаты математического моделирования установки электрои теплоснабжения на базе теплового двигателя типа ЯМЗ-238, использующего биотопливо, согласуются с экспериментальными данными по экономическим показателям установок аналогичного класса,
подтверждают эффективность принятой принципиальной схемы энергоустановки и организации ее работы. Результаты математического
63
моделирования и расчетов подтверждают эффективность выбранной
принципиальной схемы и организации работы энергоустановки на базе теплового двигателя типа ЯМЗ-238, которая позволит обеспечить
снижение расхода дизельного топлива и уменьшение выбросов
парникового газа СО2 на 15–25% за счет замещения дизельного
топлива соответствующим количеством жидкого биотоплива на основе метилового эфира рапсового масла. Таким образом, математическая модель организации работы экологически чистой установки электро- и теплоснабжения на базе теплового двигателя, использующего
жидкое биотопливо, а также рабочего цикла теплового двигателя, использующего жидкое биотопливо, с системой комбинированной подачи синтез-газа и рециркулируемых отработавших газов адекватна и
работоспособна.
64
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
КОРЕГЕНЕРАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ И ВХОДЯЩЕГО
В ЕЕ СОСТАВ ДИЗЕЛЯ
4.1. Конструкция и состав элементов и систем установки
Экспериментальная энергетическая установка предназначена
для комбинированного тепло- и электроснабжения малых хозяйственных и социальных объектов (поселков, сельскохозяйственных ферм,
телиц, промышленных объектов и т.п.), которые потребляют от 30 до
100 кВт электрической и до 150 кВт тепловой энергии. Она расчитана
на эксплуатацию при значениях температуры окружающего воздуха от
минус 45 (с предпусковым подогревом) до плюс 40°С, относительной
влажности воздуха до 80% при температуре 20°С и в районах, расположенных на высоте до 3000 м над уровнем моря, при соответствующем изменении тепловой и электрической мощности. Допустимые углы кренов энергоустановки (продольные и поперечные) не должны
превышать – 10 град. относительно горизонтальной поверхности. При
капотном или контейнерном исполнении энергоустановка, в соответствии с ГОСТ 50783-95, должна оставаться устойчивой при воздействии: дождя интенсивностью до 3 мм/мин; солнечной радиации с расчетной интегральной плотностью теплового потока до 1125 Вт/м2; снега, тумана, росы, инея; воздушного потока максимальной скоростью
до 50 м/с.
Энергетическая установка имеет блочно-модульную конструкцию и включает в свой состав: блок получения синтез-газа; первичный
источник преобразования энергии биотоплива на базе модифицированного дизеля ЯМЗ-238М2; электрогенератор переменного тока с
щитом управления; раму энергоустановки; систему хранения жидкого
топлива; тепловой модуль; систему питания двигателя синтез-газом;
блок селективного восстановления оксидов азота; систему микропроцессорного управления. Для более эффективного использования
энергии жидкого биотоплива в энергетической установке применена
дополнительно система питания двигателя синтез-газом. Система вы-
65
полнена по схеме, приведенной на рис. 10, и включает в себя теплообменник, электромагнитный клапан, регулятор расхода газа, смеситель и датчики расхода и температуры. Управление системой осуществляется с помощью МПСУ двигателя.
* – принадлежат энергоустановке
В – воздух
ОГ – отработавшие газы
СГ – синтез газ
Т – топливо
Рис. 10. Схема получения и подачи синтез-газа в систему питания
и селективного восстановления оксидов азота
Дизель с силовым генератором, смонтированные на раме энергоустановки устанавливаются таким образом, чтобы был обеспечен
свободный доступ для обслуживания и осмотра, возможность разборки при ремонте.
В качестве базового двигателя для первичного источника энергии применен модифицированный поршневой дизельный двигатель
ЯМЗ-238М2, входящий в состав дизельного электроагрегата серии
АД100 (АД-100). Электроагрегат АД-100 предназначен для получения
трехфазного электрического тока напряжением 400 В и состоит из дизеля типа ЯМЗ-238М2 на заднем торце которого установлен синхронный бесщеточный силовой генератор трехфазного переменного тока
LSA 44.2 S7 производства фирмы LeroySomer.
66
Дизель в сборе с силовым генератором крепятся к пространственной раме энергоустановки при помощи кронштейнов и эластичных
опор, для снижения передачи на раму вибраций и колебаний от сил,
действующих в дизеле. Одна опора расположена в передней части
двигателя и две – сзади в нижней части силового генератора. Передняя опора состоит из двух резиновых армированных подушек, расположенных поперек продольной оси двигателя, и крепится двумя болтами к балке передней опоры. Задние опоры имеют аналогичную конструкцию с простыми резиновыми подушками, деформирующимися в
вертикальной плоскости. Мягкое крепление двигателя к раме потребовало применения гибких элементов в соединениях дизеля с внешними системами энергоустановки.
Микропроцессорная система управления (МПСУ) электроагрегатом осуществляет пуск двигателя, автоматическое регулирование
частоты вращения, штатный и аварийный останов двигателя; защиту
двигателя от аварийных режимов работы и ряд других функций.
Монтаж МПСУ на дизельном двигателе ЯМЗ-238М2 требует демонтажа на ТНВД двигателя центробежного регулятора частоты вращения и монтажа привода рейки с электромагнитным двигателем ДУЭМ-1,6-35 и установки датчика частоты вращения коленчатого вала
двигателя (КВД) и датчика температуры охлаждающей жидкости.
Эти изменения позволяют гибко управлять двигателем и энергоустановкой в процессе отработки рабочего процесса и режимов восстановления азота из оксидов (любая частота вращения, легко изменяемое соотношение топливо – синтез-газ на входе двигателя, замеры расхода топлива, воздуха, температуры ОЖ, выхлопных газов и
прочих параметров) при исследованиях и в эксплуатации. Кроме того,
электронное управление топливоподачей обеспечивает высокую стабильность поддержания установленного режима работы двигателя с
выводом всей информации на органы управления. Имеется возможность организовать интерфейсную связь между двумя системами
управления для организации совместной работы двигателя и генератора синтез-газа. Кроме того, для контроля и регулирования мощности
теплового модуля предусматриваются высокотемпературные заслон-
67
ки и трехходовые электромагнитные клапаны, а также датчики для измерения расхода жидкости, температуры отработавших газов и охлаждающей жидкости. Система охлаждения двигателя теплового модуля предусматривает подключение к системе охлаждения двигателя
теплообменника «вода–вода» теплового модуля. В свою очередь, радиатор–система охлаждения двигателя вместе с электрическим вентилятором подключаются к резервной системе охлаждения (РСО) теплового модуля, которая предназначена для дополнительного охлаждения дизеля энергоустановки на режимах минимального потребления тепловой мощности.
4.2. Лабораторные исследования элементов и систем установки
Отработка системы микропроцессорного управления энергоустановкой и разработка алгоритмов ее работы. Функционирование и регулирование мощности теплового модуля осуществляется с
помощью микропроцессорной системы управления энергоустановкой.
Кроме того, для дублирования предусмотрена возможность ручного
управления модулем.
Предварительный алгоритм управления газовыми заслонками
теплового модуля с целью регулирование тепловой мощности в теплообменнике отработавших газов приведен на рис. 11.
Алгоритмы управления теплоэлектронагревателями (ТЭНами) с
целью регулирование тепловой мощности после установки требуемой
электрической мощности и резервной системы охлаждения на режимах низкого потребления тепловой мощности приведены на рис. 12.
Система очистки отработавших газов от оксидов азота включающая следующие основные компоненты и датчики системы управления: клапан рециркуляции ОГ с электроприводом; реактор конверсии жидкого биотоплива в синтез-газ; регулятор расхода; электромагнитный клапан; датчик расхода синтез-газа; смеситель синтез-газа;
реактор восстановления оксидов азота (нейтрализатор); λ – зонд и др.
подключены к выпускной системе двигателя с помощью комплекта
трубопроводов. В корпус реактора восстановления оксидов азота за-
68
сыпано около 43 л серебряного (Ag/Al2O3) катализатора на гранулированном керамическом носителе.
Контроль температуры ОГ по датчику ДТ2 на входе в DeNOx
нейтрализатор
ДТ2<200 °C
ДТ2>200 °C
ДТ2>400 °C
Исходное
положение
заслонок
Поворот
заслонок:
подача
питания на
эл. привод
Аварийный
режим:
останов
ЭвТЭ
Опрос
датчика ДТ2
ДТ2<300 °C
ДТ2=300 °C
Отключить
привод
заслонок
ДТ2>300 °C
Закрытие
заслонок:
реверс
электропривода
Рис. 11. Алгоритм управления газовыми заслонками
Другие компоненты, обеспечивающие дозирование и подачу
жидкого биотоплива в реактор конверсии: электромагнитный клапан;
насос-дозатор; датчик расхода и топливная форсунка реактора конверсии подключены к топливной системе двигателя на выходе из топливного фильтра двигателя.
69
Приведенный в предыдущих разделах анализ физико-химических свойств биотоплива и синтез-газа, особенностей работы энергоустановки при использовании их в качестве активатора горения основного топлива обусловил необходимость адаптации регулировок
системы топливоподачи энергоустановки на базе модифицированного
дизеля ЯМЗ-238М2.
Управление нагревателем и РСО
Т4<70 °C
Т4>70 °C
Режим
снижения
потребления
тепла
Недостаток
производимой
тепловой
мощности
Увеличение электрической
мощности генератора на ΔNэл.:
Клапаны К3 и К4 в
переведены поз. «3»
Т3=90 °C
Т4<70 °C
Аварийный режим:
потребление
тепловой
мощности свыше
150 кВт
1. К1 и К2 переведены в
позицию «2»;
2. Включение вентилятора
РСО (увеличение частоты
вращения)
Nэл. =Nэл.треб. +ΔNэл.
Nтепл.треб. =Nтепл. +ΔNТЭН
Опрос
датчика Т4
Т4<70 °C
Режим
отсутствия
потребления
тепла
Опрос
датчика Т5
Т4=70 °C
ΔNэл.=0
Т5>70 °C
Т5=70 °C
Т5<70 °C
1) К1 и К2 в прежнем
положении;
2) nвент.=const
1) К1 и К2 в позицию
«1»;
2) nвент.=const
Рис. 12. Алгоритмы управления теплоэлектронагревателями
и резервной системой охлаждения
Система топливоподачи дизеля включает подкачивающий насос,
насос высокого давления (ТНВД), форсунки и трубопроводы высокого
и низкого давления. Кроме того, в контур низкого давления системы
топливоподачи дизеля включена линия подачи жидкого биотоплива в
блок получения синтез-газа, а к впускному трубопроводу подведена
система питания двигателя синтез-газом.
70
С учетом необходимости достижения требуемых мощностных,
экономических и экологических характеристик энергоустановки выбрана следующая уточненная схема распределения синтез-газа между нейтрализатором блока селективного восстановления оксидов азота и впускным трубопроводом двигателя:
– на больших нагрузках весь синтез-газ, полученный в реакторе
конверсии топлива, направляется в блок селективного восстановления оксидов азота. Ожидается, что это должно обеспечить максимально возможное восстановление оксидов азота в системе очистки
отработавших газов на режимах с наибольшими выбросами NOx из
двигателя и одновременно устранить негативное влияние на коэффициент наполнения (и следовательно мощность) подачи синтез-газа во
впускной трубопровод двигателя;
– на средних нагрузках, где ожидается наиболее эффективная
работа двигателя с минимальными удельными расходами топлива,
50% и более синтез-газ направляется во впускной трубопровод для
дополнительного повышения энергоэффективности энергетической
установки за счет частичного возврата обратно в цикл части тепла,
теряемого на такте выпуска с отработавшими газами. Это связано с
тем, что синтез-газ (смесь Н2, СО и других газов) обладает повышенной по сравнению с биотопливом теплотой сгорания, и генерируется в
блоке получения синтез-газа фактически без дополнительного отбора
энергии от двигателя, а именно за счет использования тепловой энергии теряемой с отработавшими газами;
– на малых нагрузках (ре ≤ 1,7 кг/см2), режимах пуска, прогрева и
холостого хода подача топлива в блок получения синтез-газа прекращается. Это связано с неэффективной работой блока получения синтез-газа из-за относительно низкой температуры отработавших газов,
поступающих в реактор конверсии топлива. Кроме того, доля выбросов NOx с отработавшими газами на этих режимах не превышает 5%
общих выбросов по испытательному циклу ГОСТ Р 41.49-99, поэтому
прекращение подачи синтез-газа в блок селективного восстановления
оксидов азота не окажет существенного негативного влияния на суммарные выбросы NOx с отработавшими газами по циклу.
71
Диаграмма изменения относительной массы синтез-газа, направленной в блок селективного восстановления оксидов азота, в зависимости от нагрузочного режима двигателя показана на рис. 13, а
на рис. 14 приведены соответствующие данные по температуре ОГ на
входе в блок получения синтез-газа.
mн/mвп
120
100
80
60
40
20
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Pe кг/см2
Рис. 13. Закон распределения синтез-газа между нейтрализатором
блока селективного восстановления оксидов азота (mн)
и впускной трубой (mВп)
tог С°
700
600
500
400
300
200
100
0
0
2
4
6
8
Pe кг/см2
Рис. 14. Изменение температуры отработавших газов
в зависимости от нагрузки:
модифицированный дизель ЯМЗ-238М2
72
Корректировка регулировок топливного насоса высокого
давления. Замена дизельного топлива жидким биотопливом, имеющим пониженный стехиометрический коэффициент (12,8 вместо 14,2)
и более низкую теплоту сгорания (36,3 вместо 42,5 МДж/кг), а также
одновременная работа двигателя на двух разных видах топлива (биотопливе и синтез-газе) потребовала корректировки регулировок дизельного топливного насоса высокого давления. В таблице 18 приведена его техническая характеристика.
Таблица 18
Техническая характеристика
Параметры
Тип насоса
Значения
Блочной конструкции, золотниковый
Число секций
8
Диаметр плунжера, мм
9
Ход плунжера, мм
10
Профиль кулачков
Тангенциальный
Цикловая подача топлива при частоте
вращения кулачкового вала насоса
1030±10 мин–1, мм3/цикл
Порядок работы секций
96–100
1–3–6–2–4–5–7–8
Давление начала впрыскивания, кг/см2
210+8
Угол опережения впрыска топлива, град
15
Корректировка была выполнена за счет внесения соответствующих изменений в программу управления электромагнитным приводом рейки ТНВД, позволивших уменьшить цикловую подачу топлива на средних нагрузках в среднем на 3%, а угол опережения впрыска
топлива – на 5 град. п.к.в.
Корректировка регулировок была выполнена на специальном
стенде, предназначенном для регулировки топливной аппаратуры.
Были проведены также регулировочные работы по настройке нагнетательных клапанов каждой плунжерной пары в сторону уменьшения
цикловой подачи секций.
73
4.3. Результаты лабораторных испытаний экологически чистой
установки электро- и теплоснабжения на базе теплового
двигателя с системой комбинированной подачи синтез-газа
и рециркулируемых отработавших газов на впуск,
использующего биотопливо
Исследования работы энергоустановки без системы очистки
отработавших газов. После проведения монтажных и предварительных регулировочных работ по энергоустановке были проведены ее
предварительные стендовые испытания на жидком биотопливе в комплектации без системы очистки отработавших газов. Целью исследований являлось определение базовых характеристик энергоустановки.
Основные результаты этих исследований приведены в табл. 19.
Таблица 19
Результаты исследований
Наименование параметра
Мощность на номинальном режиме, кВт
Напряжение, первая фаза, В
Напряжение, вторая фаза, В
Напряжение, третья фаза, В
Частота переменного тока, Гц
Установившееся отклонение
напряжения,%
Установившееся отклонение частоты,%
Переходное отклонение напряжения при
сбросе-набросе нагрузки, %
время восстановления, с
Переходное отклонение частоты при
сбросе-набросе
нагрузки, %
время восстановления, с
Температурное отклонение
напряжения,%
Мощность теплового модуля
на номинальном режиме, кВт
Результат
испытаний
100,2
400,5
400
400,0
50,2
Требования
ТЗ, стандартов
100
400
400
400
50
1,6
0,8
±3,0
±1,0
12,0
2,3
±30,0
5,0
7,5
2,1
±10,0
5,0
0,5
±1,0
125
Энергоустановка обеспечивает возможность работы с 10% перегрузкой. При этом напряжение и частота переменного тока находятся
в пределах, регламентированных ГОСТ 50783-95.
74
Изменения часового и удельного расходов жидкого биотоплива в
зависимости от нагрузочного режима при установившемся тепловом
состоянии двигателя энергоустановки приведены на рис. 15 и 16, а
изменение концентрации NOx в отработавших газах на рис. 17.
Gт кг/ч
30
25
20
15
10
5
Ne кВт
0
0
20
40
60
80
100
120
Рис. 15. Изменение часового расхода топлива GT в зависимости
от нагрузки: энергоустановка без системы очистки
отработавших газов; биотопливо; n = 1500 мин–1
ge г/кВтч
450
400
350
300
250
200
0
20
40
60
80
100
Ne кВт
Рис. 16. Изменение удельного расхода топлива ge в зависимости
от нагрузки: энергоустановка без системы очистки
отработавших газов; биотопливо; n = 1500 мин–1
75
NOx ppm
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
20
40
60
80
100
120 Ne кВт
Рис. 17. Изменение концентрации NOx в отработавших газах
в зависимости от нагрузки: энергоустановка без системы очистки
отработавших газов; биотопливо; n = 1500 мин–1
По результатам выполненных измерений была проведена
оценка КПД преобразования химической энергии топлива в электрическую энергию энергоустановки ηЭ по методике аналогичной той, которая принята при оценке эффективного КПД двигателей внутреннего сгорания:
Э
3600
100%
ge г/кВт ч HU МДж/кг
85,3
100%,
ge г/кВт ч
где ge – удельный расход топлива; HU – низшая теплота сгорания топлива (42,2 МДж/кг для смеси дизельного топлива с 10% жидкого битоплива из биомассы).
Как видно из графика на рис.16, минимальный удельный расход
топлива достигается на режиме номинальной мощности и составляет
238 г/кВт∙ч. Этому значению удельного расхода топлива соответствует
КПД преобразования энергии топлива в электрическую энергию энергоустановки ηЭ = 35,8%. По мере снижения нагрузки удельный расход
топлива увеличивается и при 20% нагрузке (Ne = 20 кВт) достигает
400 г/кВт∙ч, в основном, вследствие соответствующего роста относительных механических и (в меньшей степени) тепловых потерь дизе-
76
ля. КПД преобразования энергии топлива в электрическую энергию на
этом режиме понизился до уровня ηЭ = 21,3%.
Понижение коэффициента полезного действия энергоустановки
по сравнению с КПД модифицированного дизеля ЯМЗ-238М2 на 9–
11% обусловлено соответствующими потерями энергии при преобразовании механической энергии двигателя в электрическую энергию
силового генератора.
Содержание NOx в отработавших газах, как видно из рис. 17,
увеличиваются с ростом нагрузки от 395 ppm при мощности энергоустановки 20 кВт до 1200 ppm при работе 10% перегрузкой. Такой характер изменения выбросов NOx по нагрузке типичен для дизельного двигателя и связан с ростом цикловой подачи топлива при увеличении
нагрузки, соответствующим увеличением количества более горячих
продуктов стехиометрического сгорания, что, в конечном счете, ведет
к повышению максимальной температуры и давления сгорания, ответственных за формирование оксидов азота.
В целом проведенные исследования энергоустановки на жидком
биотопливе подтвердили возможность достижения соответствия ее
основных показателей качества (номинальной мощности, номинального напряжения и частоты тока) требованиям технического задания и
ГОСТ 50783-95.
Определение режимов работы блока получения синтез-газа.
При стендовых исследованиях оптимизация режимов работы блока
получения синтез-газа (реактора конверсии) выполняется на энергоустановке, укомплектованной блоком регулирования подачи топлива и
отработавших газов в реактор конверсии.
Критерием устойчивой работы блока получения синтез-газа является температура реактора конверсии, значение которой должно
находиться в пределах 800–900°С, а также состав синтез-газа, главным образом содержание в нем максимально возможного количества
водорода.
При испытаниях запуска в работу и функционирования реактора
конверсии осуществляется по следующему алгоритму:
77
– пуск и прогрев холодного двигателя осуществляется при полностью открытом клапане рециркуляции, обеспечивающим максимально быстрый прогрев реактора конверсии отработавшими газами,
после выхода на нагрузку 20% номинальной;
– после повышения температуры охлаждающей жидкости в двигателе до ~60°С прогрев осуществляется при нагрузке 80% номинальной;
– после повышения температуры ОГ в блоке получения синтезгаза до 360–380°С с помощью насоса-дозатора НДТ устанавливается
расход топлива 1,5 кг/ч, а с помощью клапана рециркуляции КРОГ –
расход ОГ через реактор конверсии уменьшается до 12,7 м3/ч;
– при увеличении температуры реактора конверсии вследствие
химических реакций до 750–800°С расход ОГ через конвертер постепенно уменьшается до 6–7 м3/ч;
– более точная регулировка расхода ОГ осуществляется в диапазоне температур реактора конверсии 800-900°С с учетом достижения максимально возможной концентрации водорода в синтез -газе
(35–36% по объему);
– критерием успешного запуска и устойчивой работы блока получения синтез-газа является стабилизация температуры реактора в
диапазоне 800–900°С. Ситуация считается аварийной, если температура реактора превышает 950°С. В этом случае подача отработавших
газов и дизельного топлива в реактор конверсии должна быть прекращена;
– при изменении нагрузочного режима следует одновременно
изменить подачу жидкого биотоплива и подачу отработавших газов в
реактор конверсии по эмпирическим законам, определенным на данном этапе испытаний и приведенным в табл. 20 и на рис. 18 и 19.
Таблица 20
Параметры
Нагрузка,
%
GT,
кг/ч
QОГ,
м3/ч
10
20
25
30
40
60
80
90
100
110
0
0
0,92
1,06
1,25
1,50
1,50
1,50
1,50
1,50
1,6/
1,8
1,6/
1,8
1,6/
1,8
2,2/
2,6
2,6/
3,1
4,3/
5,0
6,0/
7,0
6,4/
7,4
6,6/
7,7
7,0/
8,1
78
Gт кг/ч
1,6
1,4
1,2
1,0
0,8
0,6
0
20
40
60
80
100
120
Ne кВт
Рис. 18. Изменение подачи топлива в реактор конверсии
в зависимости от нагрузки энергоустановки
QОГ м3/ч
8
6
4
2
0
0
20
40
60
80
100
Ne кВт
Рис. 19. Изменение подачи отработавших газов в реактор
конверсии в зависимости от нагрузки энергоустановки
В целом такие испытания позволяют сформулировать законы
регулирования реактора конверсии, соответствие состава синтез-газа
требованиям в отношении концентрации водорода.
79
Исследования работы энергоустановки, укомплектованной
блоком подачи синтез-газа. Целью этого этапа стендовых исследований является определение влияния подачи синтез-газа на работоспособность и базовые характеристики энергоустановки. Для этого
двигатель энергоустановки комплектуется блоком подачи синтез-газа
при отсутствии системы нейтрализации отработавших газов. В ходе
испытаний весь синтез-газ, предварительно охлажденный в теплообменнике, направляется во впускную систему двигателя.
Таблица 21
Параметры
Наименование параметра
Мощность на номинальном режиме, кВт
Напряжение, первая фаза, В
Напряжение, вторая фаза, В
Напряжение, третья фаза, В
Частота переменного тока, Гц
Установившееся отклонение
напряжения, %
Установившееся отклонение частоты, %
Переходное отклонение напряжения
при сбросе-набросе
нагрузки, %
время восстановления, с
Переходное отклонение частоты
при сбросе-набросе
нагрузки, %
время восстановления, с
Температурное отклонение
напряжения, %
Мощность теплового модуля
на номинальном режиме, кВт
Результат
испытаний
100,2
400,0
400,5
400,0
50,1
Требования
ТЗ, стандартов
100
400
400
400
50
1,7
0,8
±3,0
±1,0
13,0
2,5
±30,0
5,0
7,5
2,1
±10,0
5,0
0,5
±1,0
129
Такие исследования позволяют подтвердить работоспособность
энергоустановки на смеси биотоплива и синтез-газа в диапазоне нагрузочных режимов от 10% до 100% номинальной мощности. При
этом напряжение, частота переменного тока и другие параметры
должны находятся в пределах, указанных табл. 21. Кроме того, энергоустановка при работе на смеси биотоплива и синтез-газа должна
обеспечивать возможность работы с 10% перегрузкой.
80
Изменение часового и удельного расходов биотоплива в зависимости от нагрузочного режима при установившемся тепловом состоянии двигателя энергоустановки приведено на рис. 20 и 21, а изменение концентрации NOx в отработавших газах на рис. 22.
Как видно из графика на рис. 21, работа двигателя энергоустановки одновременно на биотопливе и синтез-газе оказывает сложное
влияние на топливную экономичность энергоустановки. На средних и
больших нагрузках (включая номинальную нагрузку) удельные расходы уменьшились на 0,5–1%, а на малых нагрузках меньших, чем 35%
номинальной мощности, удельные расходы топлива увеличились на
1–2% по сравнению с вариантом двигателя, работающим только на
биотопливе.
Gт кг/ч
30
25
20
15
10
5
0
0
20
40
60
80
100
120
Ne кВт
Рис. 20. Изменение часового расхода топлива GT в зависимости
от нагрузки: --- без синтез-газа; – с синтез-газом; n = 1500 мин–1
Основной причиной улучшения общего расхода топлива на
средних и больших нагрузках является, по-видимому, положительное
влияние синтез-газа на процесс сгорания. По данным исследований,
увеличение концентрации водорода в камере сгорания дизеля улучшает первую фазу сгорания и сокращает продолжительность диффузионной фазы сгорания. Увеличенная скорость сгорания вследствие
повышенной скорости распространения пламени повышает термический КПД и соответственно уменьшает удельный расход топлива.
81
ge г/кВтч
450
400
350
300
250
200
0
20
40
60
80
100
Ne кВт
Рис. 21. Изменение удельного расхода топлива ge в зависимости
от нагрузки: --- без синтез-газа; – с синтез-газом; n = 1500 мин-1
Причиной повышения удельного расхода топлива на малых нагрузках при работе на смеси биотоплива и синтез-газа является, повидимому, плохое сгорание газового топлива (т.е. синтез-газа) вследствие чрезмерного обеднения состава смеси (α > 4,5) в сочетании с
пониженными температурами и давлением в цилиндре двигателя.
NOx ppm
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
0
20
40
60
80 100 120
Ne кВт
Рис. 22. Изменение концентрации NOx в отработавших газах
в зависимости от нагрузки: --- без синтез-газа;
– с синтез-газом; n = 1500 мин–1
Как показано на рис. 22 уровень содержания оксидов азота в отработавших газах при работе двигателя на смеси биотоплива и син-
82
тез-газа зависит от нагрузки энергоустановки. При работе с 10% перегрузкой более быстрое сгорание смеси ведет к увеличению максимальной температуры и давления газов в цилиндре, что в свою очередь, повышают скорость формирования NOx и увеличивают концентрацию NOx в отработавших газах на 8%.
На пониженных нагрузках повышенная теплоемкость синтез-газа
и замедленный процесс сгорания приводят к понижению максимальной температуры и давления газов в цилиндре, что обеспечивает
снижение выбросов до 39% на малых нагрузках и до 16% – на средних
нагрузках.
Испытания энергоустановки с системой очистки отработавших газов. Целью стендовых испытаний энергоустановки является определение влияния системы очистки отработавших газов на выбросы NOx и на основные характеристики энергоустановки при работе
двигателя на смеси биотоплива и синтез-газа. В ходе испытаний синтез-газ, предварительно охлажденный в теплообменнике, направлялся во впускную систему двигателя и/или каталитический нейтрализатор. Распределение синтез-газа между впускной и выпускной системами двигателя регулируется в соответствии с выбранным ранее законом распределения. Основные результаты испытаний энергоустановки приведены ниже.
Изменение часового и удельного расходов биотоплива в зависимости от нагрузочного режима при установившемся тепловом состоянии двигателя энергоустановки приведено на рис. 23 и 24, а изменение
концентрации NOx в отработавших газах на рис. 25 и в табл. 23.
Как видно из графика на рис. 25, работа двигателя энергоустановки, укомплектованного системой очистки отработавших газов, одновременно на биотопливе и синтез-газе оказывает сложное влияние
на топливную экономичность энергоустановки. На больших нагрузках
(включая номинальную нагрузку) удельные расходы биотоплива увеличились на 5–6% по сравнению с предыдущим вариантом, вследствие того, что весь синтез-газ из реактора конверсии подается в нейтрализатор для восстановления оксидов азота. На средних и малых
нагрузках топливная экономичность двигателя энергоустановки прак-
83
тически не изменилась. На средних нагрузках благодаря улучшению
процесса сгорания в двигателе за счет добавки синтез-газа, а на малых нагрузках из-за отключения подачи биотоплива в блок получения
синтез-газа.
Таблица 22
Основные результаты испытаний энергоустановки
Наименование параметра
Мощность на номинальном режиме, кВт
Напряжение, первая фаза, В
Напряжение, вторая фаза, В
Напряжение, третья фаза, В
Частота переменного тока, Гц
Установившееся отклонение
напряжения, %
Установившееся отклонение частоты, %
Переходное отклонение напряжения
при сбросе-набросе нагрузки, %
время восстановления, с
Переходное отклонение частоты
при сбросе-набросе нагрузки, %
время восстановления, с
Температурное отклонение напряжения, %
Мощность теплового модуля
на номинальном режиме (без ТЭНов), кВт
Мощность теплового модуля
(с ТЭНами), кВт
Результат
испытаний
100,0
400,0
400,5
400,0
50,0
Требования
ТЗ, стандартов
100
400
400
400
50
1,7
±3,0
0,8
±1,0
13,0
2,4
±30,0
5,0
7,5
2,1
0,5
±10,0
5,0
±1,0
129
150
150
Gт кг/ч
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
0
20
40
60
80
100
120
Ne кВт
Рис. 23. Изменение часового расхода топлива GT в зависимости
от нагрузки: энергоустановка с системой очистки отработавших
газов; топливо – смесь синтез-газа и биотоплива; n = 1500 мин–1
84
ge г/кВтч
500
450
400
350
300
250
200
150
Ne кВт
0
20
40
60
80
100 120
Рис. 24. Изменение удельного расхода топлива ge в зависимости
от нагрузки: энергоустановка с системой очистки отработавших
газов; топливо – смесь синтез-газа и биотоплива; n = 1500 мин-1
На номинальном режиме энергоустановка имеет удельный расход топлива 253 г/кВтч. По мере снижения нагрузки удельный расход
топлива постепенно увеличивается и на режиме 20% мощности составляет 403 г/кВтч. Этим значениям удельных расходов топлива соответствуют КПД преобразования энергии топлива в электрическую
энергию соответственно ηЭ = 33,7 и 21,1%. Следует отметить, что полученные значения КПД преобразования в электрическую энергию
соответствуют требованиям технического задания. По техническому
заданию этот КПД должен превышать 15%.
NOx ppm
1200
800
400
Ne кВт
0
0
20
40
60
80
100
120
Рис. 25. Изменение концентрации NOx в отработавших газах
в зависимости от нагрузки: перед нейтрализатором;
за нейтрализатором; n = 1500 мин–1
85
Из результатов испытаний видно, что система очистки отработавших газов позволяет значительно понизить концентрацию оксидов
азота в ОГ в полном диапазоне нагрузок, в том числе на номинальном режиме – с 975 до 166 ppm, а на режиме 20% нагрузки – с 325
до 65 ppm.
Из таблицы 23 видно, что наиболее эффективно система очистки отработавших газов работает в диапазоне средних и больших нагрузок. Благодаря относительно высокой температуре ОГ и значительному количеству синтез-газа, вводимого в каталитический нейтрализатор, коэффициент конверсии NOx (ηcat.NOx) достигает на этих
режимах 81–83%, что соответствует требованию технического задания (80% по ТУ). На малых нагрузках понижение температуры ОГ и
сокращение подачи синтез-газа ведут к небольшому понижению коэффициента конверсии NOx (ηcat.NOx) до 80%.
Таблица 23
Результаты испытаний по определению влияния системы очистки
отработавших газов на выбросы NOx из двигателя энергоустановки
Мощность, кВт
ηcat.NOx , %
20
80
40
80
60
81
80
81
100
83
110
82
Результаты испытаний по определению количества тепловой
энергии QT во вторичном контуре теплового модуля при разной нагрузке двигателя энергоустановки на показаны на рис. 26. При испытаниях были отключены резервная система охлаждения и блок теплоэлектронагревателей. Регулирование теплового модуля осуществлялось вручную. На номинальном режиме тепловой модуль энергоустановки обеспечивает возможность выработки 129 кВт тепловой энергии, а при работе с 10% перегрузкой – 140 кВт. По мере снижения нагрузки количество тепловой энергии уменьшается не только из-за сокращения подачи топлива в двигатель, но и вследствие принудительного уменьшения отбора тепла от отработавших газов и при 10% нагрузке составляет ~25 кВт. Уменьшение отбора тепла от отработавших газов необходимо для поддержания их температуры на уровне не
ниже 200°С, при которой обеспечивается эффективная работа каталитического нейтрализатора. Исследование соотношения выработки
86
тепловой и электрической мощности на разных режимах работы когенерационной системы показывает, что наиболее энергоэффективным
является диапазон нагрузочных режимов Ne = 60–100 кВт, в котором
общий КПД системы достигает 77,2%, в том числе КПД преобразования химической энергии топлива в электрическую энергию ηЭ – 33,7%
и в тепловую энергию ηТ – 43,5%. С уменьшением нагрузки до 10%
номинальной общая энергоэффективность энергетической установки
снижается до 52,8%, в том числе ηЭ = 15,1%, а ηТ = 37,7%.
Qт кВт
160
140
120
100
80
60
40
20
Ne кВт
0
0
20
40
60
80
100
120
Рис. 26. Изменение количества тепловой энергии QT в зависимости
от нагрузки: n = 1500 мин–1; резервная система охлаждения
и блок теплоэлектронагревателей отключены
В целом, в диапазоне нагрузок от 10 до 100% номинальной КПД
преобразования химической энергии топлива в электрическую энергию изменяется от 15,1 до 33,7%, КПД преобразования химической
энергии топлива в тепловую энергию – от 33,7 до 48,4%, а общий КПД
системы – от 52,8 до 77,2%.
Данные параметры энергоустановки обеспечивают общий КПД
системы не менее 45%, а КПД преобразования в электрическую и тепловую энергию соответственно 15 и 30%. Применение резервной
системы охлаждения и блока теплоэлектронагревателей позволяет
обеспечить достаточно гибкое регулирование выработки двух видов
энергии в достаточно широком диапазоне режимов.
87
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Учебное пособие «Тепловые двигатели установок электро- и теплоснабжения, использующие биотоплива» позволит студентам вузов,
обучающимся по специальностям 140501 «Двигатели внутреннего сгорания», 150200 «Автомобили и автомобильное хозяйство» и 230100
«Эксплуатация и обслуживание транспортных и технологических машин и оборудования», получить научные знания в вопросах разработки
и испытаний тепловых двигателей, используемых в составе установок
электро- и теплоснабжения, и работающих на биотопливе.
Студенты смогут овладеть методами получения биотоплив из
различных видов органического сырья.
ЛИТЕРАТУРА
1. Авторское свидетельство №1240945 СССР МКИ F 02 М 43/04.
Форсунки для дизеля / В.Н. Луканин, В.И. Трусов, В.И. Мальчук,
A.C. Калашников. – Заяв. 01.06.84, опуб. 30.06.86. – Бюл. № 24.
2. Авторское свидетельство №197365, СССР, КЛ 02 М 25/02.
3. Голубков, Л.Н. Пути адаптации топливных систем для обеспечения работы автотракторного дизеля на диметиловом эфире /
Л.Н. Голубков, Эсмаилзаде Эбрахим, Д.А. Михальченко // Автогазозаправочный комплекс + Альтернативное топливо. – 2009. – № 5(47). –
С. 19–26.
4. Голубков, Л.Н. Разработка и исследование топливной системы
дизеля, использующего в качестве топлива диметиловый эфир /
Л.Н. Голубков, А.Э. Ишханян // Тезисы докладов научно-технической
конференции Луканинские чтения. Проблемы и перспективы развития
автотранспортного комплекса. – М.: МАДИ, 2003. – С. 85–87.
5. Голубков, Л.Н. Разработка и исследование топливных систем
для дизелей, использующих в качестве топлива диметиловый эфир /
Л.Н. Голубков, А.Ю. Грачев, СВ. Рыжкин // Тракторы и сельхозмашины
– 2008. – № 6. – С. 6–9.
6. Голубков, Л.Н. Разработка рабочего процесса и систем топливоподачи автотракторного дизеля работающего на диметиловом эфи-
88
ре / Л.Н. Голубков // Техника, технологии и перспективные материалы:
межвузовский сборник трудов. – М.: МГИУ, 2003. – С. 13–16.
7. Голубков, Л.Н. Результаты расчетно-экспериментального исследования топливной системы дизеля, работающего на диметиловом эфире / Л.Н. Голубков, A.B. Грачев, Д.А. Михальченко // Автогазозаправочный комплекс + Альтернативное топливо. – 2008. – № 3(39).
– С. 27–32.
8. Результаты испытания дизеля, использующего в качестве топлива диметиловый эфир / Л.Н. Голубков, Т.Р. Филипосянц, Г.А. Иванов, А.Э. Ишханян // Автомобили и двигатели: сб. науч. тр. – НАМИ,
2003. – Вып. 231. – С. 41–51.
9. Девянин, С. Н. Использование смесевых биотоплив в дизелях
/ С.Н. Девянин, В.А. Марков, Д.А. Коршунов // Сборник научных трудов
по проблемам двигателестроения, посвященный 175-летию МГТУ им.
Н.Э. Баумана. – М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. – С. 63–68.
10. Девянин, С.Н. Улучшение показателей транспортных дизелей при использовании смесевого биотоплива / С.Н. Девянин, В.А. Марков, Д.А. Коршунов // Безопасность жизнедеятельности. – 2005. –
№ 12. – С. 27–33.
11. Добродеев, В.П. Расчет термодинамических процессов в
системах подачи топлива в двигатель / В.П. Добродеев, H.A. Мочалова // Известия вузов. Авиационная техника. – 1995. – №3. – С. 49–52.
12. Лиханов, В.А. Работа дизеля на метаноле с двойной системой топливоподачи / В.А. Лиханов, В.М. Попов // Двигателестроение. –
1986. – № 8. – С. 47–50.
13. Метод улучшения экологических характеристик дизеля /
В.Н. Луканин, В.И. Мальчук, В.И. Трусов, A.A. Али // Совершенствование автомобильных и тракторных двигателей: сб. научн. тр. МАДИ. –
М., 1992. – С. 4–8.
14. Разработка дизелей на нетрадиционных топливах / В.А. Марков, А.И. Гайворонский, Л.В. Грехов, H.A. Иващенко. – М.: Изд-во Легион-Автодата, 2008. – 464 с.
15. Марков, В.А. Работа дизелей на растительных маслах /
В.А. Марков, Д.А. Коршунов, С.Н. Девянин // Грузовик. – 2006. – № 7. –
С. 33–46.
89
16. Морозов, К.А. Токсичность автомобильных двигателей: учеб.
пособие / К.А. Морозов. – М.: МАДИ, 1998. – 84 с.
17. Пасхин, Е.Б. Альтернативные топлива и проблемы их применения (обзор) / Е.Б. Пасхин // Автомобильная промышленность США.
– 1984. – № 12. – С. 23–29.
18. Патент 47-199, Япония.
19. Патент №2029128. РФ МКИ F 02 М 43/04. Форсунка для дизеля / В.Н. Луканин, В.И. Мальчук В.И. Трусов. – Опубл. 20.02.95. –
Бюл. № 5.
20. Плотников, С.А. Создание и применение стабильных метаноло-топливных эмульсий в качестве топлива для дизелей / С.А. Плотников, В.В. Лунева // Двигателестроение. – 1990. – № 10. – С. 29–31.
21. Рапсовое масло как альтернативное топливо для дизеля /
В.А. Марков, А.И. Гайворонский, С.Н. Девянин [и др.] // Автомобильная
промышленность. – 2006. – № 2. – С. 1–3.
22. Новое топливо для городского транспорта / Т. Смирнова,
С. Захаров, И. Болдырев, С. Аникин // Двигатель. – 1999. – № 2.
23. Опыт разработки и эксплуатации автомобилей-рефрижераторов ЗИЛ-5301 «Бычок», работающих на диметиловом эфире / Т.Н.
Смирнова, С.А. Захаров, В.И. Назаров, А.Ю. Грачев, И.Е. Чурсин // Автогазозаправочный комплекс + Альтернативное топливо. – 2005. – №
4(22). – С. 53–60.
24. Трусов, В.И. Форсунки автомобильных дизелей / В.И. Трусов,
В.П. Дмитриенко, Г.Д. Масляный. – М.: Машиностроение, 1977.
25. Шкаликова, В.Н. Применение нетрадиционных топлив в дизелях / В.Н. Шкаликова, Н.Н. Патрахальцев. – М.: Изд-во Российского
университета дружбы народов, 1993. – 64 с.
26. Bertilsson, B.I. Experiences of Heavy-Duty Alcohol-Fueled Diesel
Ignition Engine / B.I. Bertilsson, L. Gustavsson // SAE Technical Paper Series. – 1987. – № 871672. – P. 1–9.
27. Diesel Alcohol Injection Studies / Y. Chen, D. Gussert, X. Gao, C.
Gupta, D. Foster // Automot. Eng. – 1981. – № 4. – P. 50–53.
28. Fujisawa, T. A new look at The Utilization of Alternate Fuels for Diesel engines / T. Fujisawa, K. Johota // SAE Paper № 810998. – 1981. – 7 p.
90
29. Combustion of the Rape-seed Oil in a Diesel Engine / M. Hashimoto, T. Dan, I. Asano, T. Arakawa // SAE Paper № 01–0867. – 2002. – 14 p.
30. Havemann, H.A. Of all Alcohol in Diesel engines / H.A. Havemann // Automotiv Engineering. – 1954.
31. Performance, Exhaust Emissions and Durability of Modern Diesel
Engines Running on Rapeseed Oil / N. Hemmerlein, V. Korte, H. Richter,
G. Schreder // SAE Paper № 910848. – 1991.
32. Kaimai, T. Effects of a Hybrid Fuel System with Diesel and Premixed DME / Methane Charge on Exhaust Emission in a Small DI Diesel
Engine / T. Kaimai, H. Tsunemoto, H. Ishitani // SAE Technical Paper Series. – 1999. – № 199-01-1509. – P. 1–7.
33. Kapus, P. ULEV Potential of a DI/TCI Diesel Passenger Car Engine Operated on Dimethyl Ether / P. Kapus, W.Cartellieri // SAE Paper
№ 952754. – 1995. – 11 p.
34. Naeser, D. The Operation of Dual – Fuel Compression Ignition
Engines, Utilizing Diesel and Methanol / D. Naeser, K.F. Bennett // 4th International Sump, on Alcohol Fuels Technology. – Guaruja, Sp. Brasil,
1980. – Paper B-55. – P. 603–611.
35. Neitz, A. Die Eignung von M.A.N.-FM-Dieselmotoren fur den BetriebmitreinenAlkoholkraftstoffen / A. Neitz, F. Chmela // MTZ. – 1981. –
Jg. 42. – № 12. – S. 495–499.
36. Ofner, H. A Fuel Injection System Concept for Dimethylether /
H. Ofner, D. Gill, T. Kammerdiener // AVL List GmbH., Graz, Austria. –
1996. – P. 275–288.
37. Experimental Study of DI Diesel Engine Performance Using
Three Different Biodiesel Fuels / J. Patterson, M.G. Hassan, A. Clarke,
G. Shama, K. Hellgardt, R. Chen // SAE Paper № 01-0234. – 2006. – 12 p.
38. Results Obtained by Methanol Fuelling Diesel Engine) / M.G. Popa, N. Negurescu, C. Pana, A. Racovitza // SAE Paper № 01–3748. –
2001. – 14 p.
39. Progress in Methanol Engine Development // Techno Jap. –
1989. – V. 22. – № 11. – P. 88.
40. Fuel and Injection Characteristics for a Biodiesel Type Fuel from
Waste Cooking Oil / R. Rosea, E. Rakosi, G. Manolache, M. Niculaua //
SAE Paper № 01–3674. – 2005. – 11 p.
91
41. Performance and Emission Characteristics of a Dimethyl Ether
Fueled Compression Ignition Engine Heavy Duty Vehicles / Y. Sato, A. Noda, T. Sakamoto, Y. Goto // SAE Paper № 01–1839. International Spring
Fuels & Lubricants. France. – 2000. – 9 p.
42. Sigiyama, H. Utilization of Alcohol as a Fuel in Diesel Engines /
H. Sigiyama // 4th International Sump, on Alcohol Fuels Technology. – Guaruja, Sp. Brasil, 1980. – Paper B-43. – P. 513–520.
43. Singh, A.K. A Fuel System for Dual – Fuel Operation of an Automotive Diesel / A.K. Singh, B.P. Pundir, A. Singh // 4th International Sump,
on Alcohol Fuels Technology. – Guaruja, Sp. Brasil, 1980. – Paper B-42. –
P. 507–511.
44. Sinha, S. Performance Evaluation of a Biodiesel (Rice Bran Oil
Methyl Ester) Fuelled Transport Diesel Engine / S. Sinha, A.K. Agarwal //
SAE Paper № 01–0233. – 2006. – 11 p.
45. Sorenson, S.C. Performance and Emissions of a 0.273 Liter Direct Injection Diesel Engine Fulled with Neat Dimethyl Ether / S.C. Sorenson, S-E. Mikkelsen // SAE Paper № 950064. – 1995. – 11 p.
46. Staat, F. The Effects of Rapeseed Oil Methyl Ester on Diesel Engine Performance, Exhaust Emissions and Long-Term Behavior – A Summary of Three Years of Experimentation / F. Staat, P. Gateau // SAE Paper
№950053. – 1995. – 9 p.
47. Stvait, J. Diesel oil end Ethanol Mixtures for Diesel-Powered
Faum Tractors / J. Stvait // SAE Paper № 790958. – 1979.
48. Ubong, E.U. Development of an Ethanol D.I. Spark Assisted Diesel Engine (SADE) / E.U. Ubong // SAE Paper № 901567. – 1990. – 11 p.
49. Wang, H.W. Study on Performance and Emissions of Compression Ignition Engine Fueled with Dimethyl Ether / H.W. Wang, L.B. Zhou //
Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part D. – 2000. –
V. 214. – № 1. – P. 101–106.
50. Yoshimoto, Y. Reduction of NOx, Smoke, and BSFC in a Diesel
Engine Fueled by Biodiesel Emulsion with Used Frying Oil / Y. Yoshimoto,
M. Onodera, H. Tamaki // SAE Paper 1999-01-3598. – 1999. – 10 p.
51. Study of Performance and Combustion Characteristics of a DMEFueled Light-Duty Direct-Injection Diesel Engine / L. Zhou, H. Wang, D.
Jiang, Z. Huang // SAE Paper Series. – № 01–3669. – 1999. – 7p.
Учебное издание
КАМЕНЕВ Владимир Федорович,
ШАТРОВ Михаил Георгиевич,
ТЕРЕНЧЕНКО Алексей Станиславович,
КАРПУХИН Кирилл Евгеньевич
ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ УСТАНОВОК ЭЛЕКТРОИ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ, ИСПОЛЬЗУЮЩИЕ БИОТОПЛИВА
Учебное пособие
Редактор Т.А. Феоктистова
Подписано в печать 16.06.2014 г. Формат 60×84/16.
Усл. печ. л. 5,75. Тираж 300 экз. Заказ
. Цена 95 руб.
МАДИ, Москва, 125319, Ленинградский пр-т, 64
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа