Основные направления развития дизель-генераторных установок гарантированного электроснабжения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основные направления развития дизель-генераторных установок гарантированного электроснабжения

Семигорелов В.В., Симаков А.Н.

The article implies the most important ways of upgrade of diesel generator set monitoring and control systems of telecommunication objects. Much attention is paid to methods of diesel generator set characteristics improving. The construction features of modern brushless alternators are also noticed

Дизель-генераторная установка (ДГУ) является сложным устройством электроснабжения, состоящим из нескольких основных элементов - приводного двигателя (дизеля), генератора и системы управления и защиты. Поэтому совершенствование ДГУ возможно по следующим направлениям: а) улучшение характеристик дизельных двигателей; б) применение бесщеточных генераторов.

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ УЛУЧШЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

В последнее десятилетие в мировом дизелестроении наметились и реализуются следующие пути разработки новых двигателей и решения задач по дальнейшему совершенствованию выпускаемых дизелей:

- более широкое внедрение свободного газотурбонаддува СГТН с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха;

- дальнейшее повышение качества рабочего процесса с целью получения максимального индикаторного КПД при умеренных значениях величин максимального давления сгорания, теплонапряженности и динамичности процесса сгорания;

- создание оптимальных типов топлива широкофракционного состава, более полно отвечающих требованиям современных форсированных двигателей;

- разработка рациональной конструкции дизеля как комплексной энергетической установки при максимальной простоте и надежности всех ее элементов, имеющей достаточную жесткость остова и сочлененных с ним силовых деталей, а также умеренный и стабильный на всех режимах эксплуатации температурный уровень деталей цилиндропоршневой группы; (ЦПГ);

- улучшение массогабаритных показателей дизелей за счет увеличения как частоты вращения коленчатого вала, так и величины свободного газотурбинного наддува с испарительной системой охлаждения и глубокой внутренней утилизацией тепла, определяющих главные направления в общем развитии дизелестроения;

- создание и использование высококачественных и стабильных смазочных масел с присадками и систем их тщательной фильтрации, снижающих износ и механические потери, а также рациональный выбор материалов, обеспечивающих повышение срока службы;

- разработка и внедрение рационального комплекса технологических мероприятий по высококачественному производству деталей и узлов двигателя (например, азотирование коленчатых валов и втулок, хромирование, покрытие поршней и вкладышей наиболее стойкими антифрикционными сплавами);

- обеспечение высокой культуры производства, организованной с учетом современных достижений науки и техники (точное соблюдение назначенной технологии производства и контроль ее качества);

- оснащение предприятий двигателестроения современным регулировочным и диагностическим оборудованием, а также автоматизированными системами испытания двигателей с использованием средств электроники;

- обеспечение оптимальных для двигателя условий его эксплуатации на всех режимах работы и изменяющихся параметров окружающей среды (необходимая степень автоматического регулирования и управления, поддержание благоприятных условий для пуска, нагружения и работы, тщательная очистка воздуха, смазочного масла и топлива, автоматическое поддержание стабильного температурного уровня и теплового состояния).

В настоящее время очень важной становится проблема снижения токсичности отработавших газов, выбрасываемых двигателем в окружающую среду. Существенное снижение токсичности выпускных газов по содержанию в них окислов азота может достигаться уменьшением максимальной температуры в цилиндре, а по содержанию окиси углерода и сажистых частиц (дымления) - обеспечением наиболее полного сгорания топлива и недопущением перегрузок в работе. Определяющим направлением в решении этой проблемы является перевод двигателей на работу сжиганием метана и водорода вместо нефти и ее производных.

Имеется реальная возможность дальнейшего совершенствования приводных двигателей ДГУ по целому ряду и других направлений. К основным из них относятся следующие:

- повышение стойкости и способности преодолевать значительные, но кратковременные перегрузки;

- сокращение времени и повышение надежности автоматического пуска и нагружения двигателей из положения, когда они длительное время находятся в состоянии необслуживаемого резерва;

- повышение технической гигиеничности, экологичности путем улучшения газоплотности дизелей, недопущения утечек из систем различных жидкостей, уменьшения выделения ими в машинное помещение тепла, снижения уровня шума и вибраций;

- разработка дизелей с испарительными системами охлаждения, обеспечивающих глубокую внутреннюю утилизацию тепла и их работу с улучшенными технико-экономическими показателями;

- сокращение расхода воды на охлаждение и воздуха на сгорание топлива с целью уменьшения их потребления путем внедрения испарительного охлаждения и перепуска части газов с выпуска на впуск;

- разработка и внедрение логических схем контроля и диагностики неисправностей в первую очередь в системы автоматики дизельного двигателя;

- разработка рабочего процесса и конструкции многотопливных дизелей.

Наряду с совершенствованием конструкции дизелей, в соответствии с требованиями потребителей, очень важным является повышение организации и качества их эксплуатации и отработка вопросов по борьбе за живучесть. Из вышеизложенного следует выделить два главных направления по совершенствованию поршневых двигателей - это повышение свободного газотурбинного наддува (СГТН) и дальнейшая глубокая утилизация теплоты двигателей со снижением токсичности.

Внедрение свободного ГТН уже позволило в серийном производстве увеличить мощность более чем в три раза по сравнению с двигателями без наддува. Дальнейшее повышение величины наддува (свыше 3,5..4) требует не только перехода на двухступенчатый агрегат наддува, но и решения целого ряда других более сложных задач, основными из которых являются следующие:

- обеспечение эффективности рабочего процесса при значительном увеличении цикловой подачи топлива в весьма ограниченных объемах камеры сгорания;

- ограничение в допустимых пределах величины тепловой напряженности дизеля.

Существует ряд способов преодоления этих недостатков применительно к резервным дизель-генераторным энергоустановкам объектов телекоммуникаций.

1. Обеспечение в допустимых пределах механической напряженности при сохранении высокой экономичности процесса, а также хороших пусковых качеств дизеля ведется по следующим направлениям:

- улучшение рабочего процесса при пониженной степени сжатия с традиционными способами организации смесеобразования;

- изыскание и разработка способов смесеобразования, при которых можно обеспечить эффективное сгорание топлива.

2. Улучшение рабочего процесса - в первую очередь, эффективного использования воздушного заряда при сгорании топлива. Для открытых камер сгорания достижение эффективного использования воздуха достигается следующими путями:

- согласованным распределением топлива и воздуха в объеме камеры сгорания;

- согласованным распределением топлива и воздуха по радиусу камеры сгорания;

- обеспечение достаточного объема камеры сгорания и ее рациональной формы для развития поверхности горящего топливного факела.

Повышение наддува ведет к повышению тепловой напряженности дизеля, поэтому серьезной проблемой становится разработка способов ее поддержания в допустимых пределах. Снижение теплонапряженности деталей ЦПГ с повышением наддува -- сложная проблема, которая может быть решена следующими путями:

- организацией рабочего процесса при достаточно высоких значениях коэффициента избытка воздуха в условиях, исключающих местные перегревы поршня и крышки;

- разработкой конструкции поршней, крышек и верхнего пояса втулки (газового стыка) с эффективным охлаждением наиболее нагретых участков, особенно в районе 1-го поршневого кольца, с минимальным прорывом газов через щель к 1-му поршневому кольцу и минимальными температурными напряжениями в высокопрочных и теплостойких тонких огневых днищах поршня и крышках с несколькими круговыми опорными поясами, опирающимися на толстостенные части: вставку поршня и промежуточное днище крышки;

- применением эффективного охлаждения поршня маслом, а в крупных водой;

- применением защитных теплоизоляционных покрытий (например, слой нихрома -- на стали и чугуне, молибден -- на алюминиевых сплавах. Очень удачными для покрытия являются составы на основе двуокиси циркония и никеля, слой покрытия обычно не более 0,4 мм).

Дальнейшее развитие дизелей ДГУ связано не только с повышением газотурбинного наддува, но и с более глубокой и комплексной внутренней утилизацией теплоты (КВУ), что значительно повышает эффективность использования энергии топлива.

Простейший блок утилизации тепловой энергии представляет собой комбинированный теплообменный аппарат, состоящий из водо-водяного или водо-газового теплообменника. Входы теплообменника включены в магистраль жидкостного охлаждения дизеля и в контур его выхлопной или маслянной системы. Выходной контур блока утилизации заполнен циркулирующей по нему водой, которая передает тепловую энергию потребителю. В качестве теплоносителя, как правило, используется вода с присадками. Конструктивно блок утилизации выполняется в виде самостоятельного теплообменного аппарата, имеющего фланцы для присоединения к газовыхлопному тракту двигателя, к системе жидкостного охлаждения или к системе потребителя тепловой энергии. Применение подобного блока утилизации теплоты выпускных газов и охлаждающей жидкости повышает коэффициент использования энергии топлива, расходуемого ДГУ до 85 %.

Наряду с общими для всех дизелей направлениями их совершенствования, для ДГУ, работающих в составе систем гарантированного электроснабжения стационарных объектов телекоммуникаций, важными являются вопросы обеспечения предпускового прогрева и надежного пуска во всех условиях эксплуатации.

дизель генераторный гарантированное электроснабжение

БЕСЩЕТОЧНЫЕ СИНХРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Генераторы ДГУ стационарных объектов телекоммуникаций, как правило, имеют нормальное исполнение. При такой конструкции обмотка возбуждения располагается на роторе, а силовая - в статоре. Для питания цепи возбуждения используется щеточное устройство. В этом случае передача энергии от источника в цепь возбуждения осуществляется через щетку - элемент цепи, имеющий очень низкую надежность (малая механическая прочность). В настоящее время основные производители синхронных генераторов осуществили переход на новый вид продукции - бесщеточные генераторы, имеющие более высокие показатели надежности.

Российские производители также изготавливают бесщеточные генераторы - типа СГДБ мощностью1000 кВт, серии СМ мощностью от 4 до 200 кВт, серии ГС мощностью от 4 до 315 кВт и ряд других. Рассмотрим особенности работы бесщеточных генераторов на примере генераторов серии СМ.

Бесщеточные генераторы синхронные серии CM (с литыми чугунными щитами и станиной) и СМА (со сварной станиной и литыми чугунными щитами) предназначены для работы в стационарных и передвижных электроустановках напряжением 400В, частотой переменного тока 50 или 60Гц.

Генераторы укомплектованы блоком управления, обеспечивающим самовозбуждение генератора и стабилизацию напряжения, контроль частоты тока, напряжения и величины тока генератора, отключение нагрузки в аварийных режимах.

Особенностью генераторов является то, что возбуждение осуществляется от бесщеточной системы возбуждения, основой которой является возбудитель, состоящий из синхронного генератора обращенного исполнения с самовозбуждением и вращающегося выпрямителя на неуправляемых вентилях. Нагрузкой возбудителя является обмотка возбуждения синхронного генератора.

Генераторы серии СМ обеспечивают:

- начальное возбуждение без постороннего источника питания;

- точность поддержания номинального напряжении ±2%;

- кратность установившегося тока трехфазного короткого замыкания не менее 2,5;

- ручное изменение значения выходного напряжения генератора в пределах + до 5%, - 10% от его номинального значения;

- переходное отклонение напряжения при сбросе- набросе номинальной не более 20% от номинального;

- коэффициент искажения синусоидальности формы кривой линейного напряжения не более 5%:;

- отклонение напряжения при нагреве не более 1% от его номинального значения;

- 10% перегрузку по току в течение 1 часа;

- параллельную работу с другими генераторами и местной электрической сетью;

- соединение обмоток статора звезда с выведенным нулем, звезда/треугольник по требованию потребителя.

Генераторы значительной мощности, например, типа СГДБ имеют защитное устройство в цепи возбуждения обеспечивающее его защиту от перенапряжений в переходных режимах и блока управления возбуждением обращенного синхронного генератора. В состав генератора СГБД входит блок управления возбуждением, который обеспечивает:

- возбуждение генераторов в нормальных режимах, в режимах перегрузки, а также при КЗ в сети нагрузки;

- автоматическое регулирование возбуждения генераторов в зависимости от изменения напряжения и тока нагрузки, а также плавное ручное регулирование возбуждения;

- дистанционное управление возбуждением и развозбуждением генераторов, в том числе при действии защит;

- дистанционное изменение уставки напряжения генераторов, в том числе при работе автоматического синхронизатора;

- выдачу дискретного сигнала в случае КЗ в возбудителе или потери возбуждения.

Для обеспечения возбуждения генераторов в случае аварийного исчезновения остаточного магнитного поля предусмотрена возможность кратковременной подачи в цепь питания обмотки возбуждения возбудителя постоянного напряжения 24 В от аккумуляторной батареи.

ЛИТЕРАТУРА

1. Воробьев, А. Ю. Электроснабжение компьютерных и телекоммуникационных систем [Текст]: учебное пособие / А. Ю.Воробьев. - Москва: Эко-Трендз, 2003. - С. 90-100.

2. Ермаков, С.И. Концепции построения систем гарантированного электроснабжения [Текст] / С.И.Ермаков // Вестник связи. - Москва, 2000. - № 10

Размещено на Allbest.ru