Меню Рубрики

Двигатель внутреннего сгорания газопоршневой установки

Газопоршневые двигатели – конструкция и принцип работы

Газопоршневый двигатель – это двигатель внутреннего сгорания с системой внешнего образования топливно-воздушной смеси и искровым зажиганием. В качестве топлива использует природный магистральный газ и др. виды газового топлива, что обеспечивает экономичность, высокий ресурс работы и минимальный уровень шума. В данной статье мы рассмотрим, что представляет собой газопоршневый двигатель, принцип работы и его особенности.

Основные элементы и принцип работы газопоршневого двигателя

Как и у любого ДВС, у газопоршневого двигателя принцип действия основан на сгорании топливовоздушной смеси и поступательном движении поршней за счет энергии расширяющихся газов. С помощью кривошипно-шатунного механизма поступательное движение поршней преобразуется во вращательный выходного вала двигателя.В схеме подачи газа в газопоршневых двигателях основную роль играет газораспределительный механизм, подача газа осуществляется из магистрали или баллонного оборудования.

Чаще всего данный вид двигателей применяется в качестве основного элемента электрогенератора. Так, современные газопоршневые электростанции, характеристики потребления топлива которых делают их наиболее выгодными из всех решений автономного энергообеспечения. Дополнительным преимуществом является возможность выработки тепла или холода для хозяйственных нужд – когенерации и тригенерации. Современный газопоршневой двигатель, принцип работы которого позволяет обеспечить и одновременную тригенерацию, делает оптимальным его применение в приводе холодильной установки. Также применяются они в насосном оборудовании, морском судостроении и др. сферах деятельности.

Особенности газопоршневого двигателя

Наибольшие значения мощности газопоршневых двигателей достигают десятков мегаватт, что достаточно для обеспечения работы мощного оборудования и автономного энергообеспечения производственных и строительных объектов. Важным преимуществом является высокий ресурс работы, достигающий 250 тысяч часов при 80-100 тыс. часов межремонтного интервала (между капитальными ремонтами).

Подача газа в газопоршневых двигателях может быть баллонной или магистральной, а в качестве топлива, помимо метана, применяется:

  • пропан;
  • бутан;
  • коксовый и другие сопутствующие промышленные газы;
  • древесный газ;
  • газы нефтяной промышленности и многие другие виды.

При этом схема подачи газа в газопоршневых двигателях не требует наличия дожимного компрессора благодаря малому потребному давлению. Благодаря большому выбору вариантов можно гибко использовать оборудование на различных объектах, оперативно адаптировать систему к изменению технических или экономических условий. Перенастройка системы подачи топлива занимает минимум времени, газопоршневый двигатель можно свободно настроить на эксплуатацию на попутном газе, биогазе и др. топливе.

К основным особенностям газопоршневых двигателей можно отнести:

  • Небольшую зависимость КПД от окружающей температуры.
  • Незначительные колебания КПД при снижении нагрузки на 50% и, соответственно, эффективное использование двигателя при любых нагрузках.
  • Малые затраты на эксплуатацию.
  • Неограниченное количество запусков мотора.
  • Возможность параллельного подключения нескольких двигателей и, соответственно, возможность значительного повышения и рационального использования мощности системы.

С каждым годом газопоршневые двигатели получают всё большее применение в различных сферах, в т. ч. в качестве основного элемента газоэлектростанций для коттеджных поселков. Их экономичность и эксплуатационные обеспечивают им солидные преимущества в сравнении с другими вариантами автономного, резервного или аварийного электроснабжения различных объектов.

источник

Газопоршневая установка: описание, принцип работы и особенности установки

Принцип когенерации выработки позволяет обеспечивать потребителей несколькими видами энергии при минимальных затратах. На таких платформах работают станции, снабжающие предприятия теплом, холодом, паром и электричеством. Объемы выработки и способы распространения энергии зависят от конструкции и местного инженерного обеспечения. Типовой реализацией данной концепции является газопоршневая установка (ГПУ), в состав которой входит двигатель внутреннего сгорания. Несмотря на традиционный способ конструкционного исполнения, такие агрегаты являются эффективными, функциональными и долговечными. Впрочем, они не избавлены и от недостатков.

Устройство ГПУ

Конструкция базируется на массивном ДВС, в котором предусмотрена камера сгорания и вспомогательная инфраструктура для осуществления процессов смесеобразования и зажигания. Остальная техническая часть определяется тем, какие конкретно типы энергии нужно получить в ходе прохождения циклов сгорания. Например, распространено подключение вала, благодаря механической работе которого генерируется электрическая энергия. Механическое действие вал совершает за счет ДВС. Непосредственно тепловая энергия, которая вырабатывается уже в первом цикле, может распространяться или аккумулироваться в бойлерах с контурами. Это же касается и пара, который будет передавать потребителям тригенерационная газопоршневая установка. Устройство современных ГПУ не обходится без систем обеспечения безопасности, в числе которых датчики температуры, регуляторы детонации, панели контроля и управления. В то же время не всегда такие генераторы выступают в качестве самостоятельных объектов выработки энергии. Нередко их уже на этапе строительства интегрируют в инженерную инфраструктуру крупных предприятий. В этом случае они выступают лишь компонентом газовых компрессоров, приводов насосов или холодильных установок. Разумеется, речь идет об индустриальном оборудовании, требующем подключения больших потоков энергии.

Общий принцип работы

Независимо от алгоритма генерации, преобразования и дальнейшего распространения энергии, на базовом уровне ГПУ вырабатывают энергетический потенциал в процессе сжигания газового топлива. По расчетам специалистов, тепловая энергия на таких станциях позволяет генерировать электроэнергию с КПД порядка 40 %. Иными словами, большая часть генерируемого тепла уходит в окружающую среду, а почти половина – аккумулируется и направляется потребителями. И в этом контексте можно вспомнить о концепции, встроенной в инженерную структуру предприятия станции, – данная схема позволит эффективнее расходовать и уходящую «местную» тепловую энергию на обогрев помещений и т. д. Кроме того, активно распространяются многофункциональные газопоршневые установки, принцип работы которых ориентирован на сегментированную выработку энергии разного типа в отдельных блоках. Это когенерационные и тригенерационные станции, которые позволяют использовать первичную вырабатываемую энергию с КПД порядка 90 %. Их стоит рассмотреть отдельно.

Читайте также:  Установка гбо двигатель fsi

Принцип когенерации

Для начала стоит подчеркнуть, что выработка электроэнергии на многих установках производится «по умолчанию». Это наиболее распространенный вид целевого продукта станций ГПУ. Но, кроме него, тепловая энергия может преобразовываться в средство нагрева воды и пар. Охлаждение ДВС реализуется по закрытому контуру, в котором циркулирует холодная вода. Она отбирает тепловую энергию у двигателя, после чего отправляется в теплообменник. На завершающем цикле теплоноситель поступает в котел, утилизирующий тепло. Данная инфраструктура позволяет использовать газопоршневые когенерационные установки в комплекте с быстровозводимыми модульными зданиями или в готовых контейнерах. Они располагаются в самих предприятиях или вблизи. Когенерационный принцип работы обеспечивает снабжение потребителей электроэнергией, горячей водой или паром.

Принцип тригенерации

Тригенерация подразумевает расширение функциональности обычных ГПУ за счет добавления задачи выработки холода. Данная функция тоже довольно широко востребована среди предприятий из разных отраслей. Технически тригенерация достигается в процессе той же процедуры утилизации тепла, но в больших объемах. Для непосредственной аккумуляции холодных потоков и их распределения используются абсорбционные или компрессорные кондиционеры. Причем охладительные чиллеры на основе абсорбции используют уже выработанную горячую воду или пар от ГПУ. Газопоршневая установка с компрессорным кондиционированием, в свою очередь, работает за счет готовой электроэнергии. То есть в любом случае охлаждающие установки требуют для своей функции вторичный продукт переработки.

Топливный материал

Существенной особенностью ГПУ, которая отличает ее от других энергетических станций, является работа за счет сгорания газа. Специфика применения данного топлива обусловлена и повышенными требованиями к безопасности установки, и жесткими экологическими нормативами. Чаще всего для питания таких объектов используют природный газ, бутан, пропан, пиролизный, древесный и коксовый газы. В некоторых случаях ради удешевления процессов генерации ДВС заправляют попутным газом нефтяной переработки, а также газами сточных вод и мусорных свалок. Качественные характеристики топлива определяются по параметрам серосодержания, степени детонации, коэффициента содержания метана, теплоты сгорания и т. д.

Особенности монтажа установки

Станции в разобранном виде доставляются на место установки с помощью спецтехники. К этому моменту на рабочей площадке должен быть подготовлен фундамент, соответствующий размерам и массе ГПУ. На следующей стадии производится агрегатная сборка – компонуются в единую структуру элементы ДВС, кулеры, воздухозаборники, резервуары, бойлеры и прочие части рабочей инфраструктуры. Затем выполняется обвязка с местными инженерными коммуникациями, то есть сетями, с которыми будет взаимодействовать станция в процессе эксплуатации. По этим каналам будет осуществляться распространение тепла, горячей воды, электричества, пара и т. д. В отдельном порядке организуется система, через которую управляется газопоршневая установка. Монтаж в этой части заключается в организации внутриплощадочных электросетей снабжения, установке пунктов диспетчеризации и автоматизации, устройстве молниезащиты и заземления. Наиболее ответственны работы с модульными конструкциями, которые могут интегрироваться в состав предприятия как строительного сооружения. В данном случае изначально разрабатывается проект установки станции, ее подключения к коммуникациям и системы энергообеспечения.

Техническое обслуживание станций

Сразу после монтажных работ производится первое тестирование с наладкой оборудования. В перечень пусконаладочных мероприятий входит проверка функциональных компонентов, сетей, контуров, измерительных приборов и датчиков. В дальнейшем подобные операции могут выполняться после реконструкции или модернизации станции. Что касается ремонтных мероприятий, то газопоршневая установка может подвергаться плановой и капитальной ревизии, по результатам которой главный инженер разработает проект технической поддержки. В регулярном порядке обслуживающий персонал должен своевременно менять расходные части компонентов станции, обновлять рабочие жидкости и отслеживать температурные параметры.

Установки Caterpillar

Фирма Caterpillar является одним из крупнейших производителей инженерно-промышленного оборудования в мире. Сегмент газопоршневых агрегатов представлен моделями, мощность которых варьируется в диапазоне от 20 до 10 000 кВт. Наибольший спрос отмечается в спектре от 360 до 2 000 кВт. Что касается конструкционного исполнения, то компания предлагает и готовые к эксплуатации контейнерные блоки, и модульно-разборные крупные станции, размеры которых могут достигать 1400х340х340 см. Пользователи установок данной марки отмечают их высокий рабочий ресурс, производительность (в среднем КПД 90%) и долговечность. Типовая газопоршневая установка Caterpillar электрической мощностью в 1 000 кВт способна работать без потребности в капитальном ремонте порядка 50 000 моточасов. К этому же стоит добавить расширенные возможности инженерно-коммуникационного подключения и малошумность.

Установки MWM

Менее известная марка, выпускающая газопоршневые станции, но и она находит своих клиентов в самых разных областях. Прежде всего модели MWM выигрывают за счет прогрессивной системы управления. Особенность ее заключается в том, что контролю и мониторингу подвергаются не только все компоненты станции от двигателя до смежных бойлеров и воздухозаборников, но и взаимодействующие элементы комплекса. Это позволяет держать под контролем каналы передачи электричества, воды и пара. Отличается газопоршневая установка MWM и способностью работать на специализированных газах. Для заправки, кроме привычных газов, доступен биогаз, шахтные и пиролизные смеси. Специально для российских условий эксплуатации компания также предлагает модернизированные установки, в которых предусмотрена возможность подогрева воздуха, отправляющегося в камеру горения. В зимний период это решение позволяет экономить на топливе в среднем 10%.

Читайте также:  Установка двигателя в моторный отсек

Установки GE Jenbacher

Производитель Jenbacher специализируется на среднем сегменте ГПУ, которые работают на тяжелом топливе. Средний мощностный потенциал такого оборудования составляет 300-4 000 кВт. Среди технологических особенностей таких станций отмечают уникальную систему сжигания топлива LEANOX. Благодаря ней газовые двигатели получили возможность нивелировать содержание метана, исключая при этом падение мощности. Заботятся инженеры фирмы и о системе управления, что позволяет им выпускать функциональные и эргономичные газопоршневые установки. Цена таких моделей составляет в среднем 1-1,5 млн руб. Но это касается небольших по мощности агрегатов, которые подходят для использования на мелких предприятиях.

Плюсы и минусы ГПУ

Преимущества газопоршневого оборудования очевидны – они заключаются в дешевизне топлива и в скромных финансовых затратах на обслуживание станций. Также в работе они достаточно просты, малошумны и стабильны. Однако даже при условии магистрального снабжения газопоршневые генераторные установки остаются наиболее опасным средством выработки энергии. Опасности, связанные с транспортировкой и использованием газовых смесей, в первую очередь, выражаются рисками возгорания и взрыва. Кроме того, остаются экологические нюансы и вопросы токсической безопасности, поскольку широкий спектр используемых смесей вреден для человека, если их должным образом не изолировать в контурах станции.

Расчет газопоршневой установки

Перед выбором конкретной модели установки следует произвести некоторые расчеты. В первую очередь учитывают затраты на газовую смесь. Если мощность агрегата составляет примерно 1 000 кВт, то при полной загрузке в 278 нм3 за час выйдет приблизительно 1 руб. на 1 кВт*ч. При тех же данных конструкции и мощности объем масла будет составлять порядка 230 л, что добавит к расходам еще примерно 0,04 руб. на 1 кВт*ч. Также не стоит забывать о расходниках и запасных частях. С учетом, что ближайший серьезный ремонт может наступить примерно через 40-50 тыс. моточасов, то на 1 кВт*ч. газопоршневая установка со средними характеристиками будет требовать порядка 0,37 руб.

Заключение

Станции на базе газопоршневого двигателя являются оптимальным решением для предприятий, которые стремятся к энергетической независимости. Использование газа в качестве основного топлива позволяет сокращать расходы на энергоснабжение, а особенности конструкции и принципа работы дают возможность генерировать сразу несколько видов энергии. При этом стоимость газопоршневой установки, которая в среднем составляет 1-2 млн, вполне подъемна для среднего предприятия. Крупные производственные комплексы и вовсе используют мощные установки, цена которых может превышать и 5 млн. Это уже многофункциональные тригенерационные станции, в перечень задач которых входит также и охлаждение целевого объекта.

источник

Жми на газ

Как в России развиваются силовые установки на альтернативном топливе

Последние несколько лет в России и за рубежом все большей популярностью пользуются автономные электростанции с газопоршневыми двигателями. Такие установки просты в обслуживании и расходуют меньше топлива, чем традиционные дизельные агрегаты. Кроме того, на основе газопоршневого двигателя можно собрать комбинированную станцию, одновременно вырабатывающую тепло и электричество. О том, чем газопоршневая установка отличается от бензинового или дизельного двигателя и можно ли ее поставить на обыкновенный автомобиль, мы поговорили с разработчиками из «Трансмашхолдинга», генерального партнера фестиваля «Политех 360». На наши вопросы отвечали Александр Терехин — руководитель управления по развитию дизелестроения АО «Трансмашхолдинг» и Игорь Овчинников — руководитель проектов по развитию дизелестроения АО «Трансмашхолдинг».

N + 1: В составе каких установок используются газопоршневые двигатели и зачем?

Газопоршневые двигатели используются в силовых установках практически всех применений: стационарные двигатель-генераторы и электростанции, локомотивные, автомобильные, транспортно-технологические (для тракторов, карьерной техники) и другие.

Запасы природного газа в нашей стране и в мире существенно превышают запасы жидкого углеводородного топлива всех видов. Естественно, и стоимость газового топлива существенно ниже, чем у жидкого углеводородного. В нашей стране многие поколения смогут пользоваться этим видом топлива.

На чем работают такие двигатели?

Для них используется газовое топливо двух видов. Во-первых, это природный газ (в нем большая часть метана), который мы сжигаем, в частности, у себя на кухне. И, во-вторых, нефтяной газ, получаемый при переработке нефти (в нем большая часть пропана и бутана). Именно последний в сжиженном состоянии в большей степени используется в качестве моторного топлива для автомобилей или в баллонах для газовых дачных плит.

Промышленные двигатели, двигатели грузовых автомобилей и автобусов по большей части используют природный сжатый или сжиженный газ. В последнее время появились предложения по переоборудованию легковых автомобилей для использования природного газа.

А чем вообще такой двигатель отличается от двигателя внутреннего сгорания?

Газопоршневой двигатель — тот же двигатель внутреннего сгорания, но с некоторыми конструктивными особенностями, касающимися применения другого вида топлива.

В первую очередь, на конечном изделии (автомобиле, тепловозе и прочем) должны быть смонтированы система хранения газа и газовое оборудование для изменения параметров газа (давление, температура) и подачи его к двигателю.

Изменения в самом двигателе можно разделить на две части. Те, что относятся к первой из них, носят конструктивный характер и касаются изменения степени сжатия, конструкции деталей цилиндро-поршневой группы, настроек воздухоснабжения и турбокомпрессора и других элементов. Вторые связаны с оборудованием двигателя устройствами подачи газа во впускной коллектор или камеру сгорания.

Читайте также:  Установка двигателя от планеты на яву

Можно ли поставить газопоршневой двигатель на обычный автомобиль?

Можно. Многие ставят и с успехом ездят. Такие решения используются в автомобилях, тракторах, на локомотивах, коммерческих судах малого дедвейта и других транспортных средствах.

Трансмашхолдинг и газовые двигатели

В 2013 году на заводе Трансмашхолдинга в Брянске был выпущен маневровый тепловоз ТЭМ19. Это первый в мире тепловоз, чей поршневой двигатель работает на природном газе, автономный запас которого хранится в жидком виде, в криогенной емкости.

В настоящее время ТМХ приступил к проекту создания нового газового маневрового тепловоза ТЭМ29 повышенной мощности. В основу его конструкции будет заложен принцип модульности основного оборудования. Он нацелен на снижение затрат привлекаемых ресурсов при проведении технического обслуживания и ремонта в процессе эксплуатации благодаря использованию агрегатированного ремонта.

На своем предприятии в Коломне ТМХ реализует ряд проектов с использованием альтернативных видов топлива, осваивает производство принципиально нового вида продукции — газовых моторов, предназначенных для выработки электрической и тепловой энергии в электростанциях базового, резервного и аварийного назначения.

В настоящее время на Коломенском заводе в стадии создания находится газовый двигатель-генератор 9ГМГ для маневрового тепловоза ТЭМ29.

Двигатели, создаваемые на Коломенском заводе ТМХ, будут использовать в качестве основного топлива дизельное топливо, природный топливный или нефтяной попутный газ, а также сырую нефть в мощностном диапазоне от 1000 до 3500 киловатт.

ТМХ также намерен разработать газовые модификации новых дизелей, созданных при реализации подпрограммы развития дизелестроения ФЦП «Национальная технологическая база».

А почему эти двигатели не используются повсеместно?

Просто исторически сложилось так, что в качестве моторного топлива в основном используются разные виды жидкого углеводородного топлива. Под них создана широкая инфраструктура. Соответственно, для расширения использования газа необходимо расширить инфраструктуру, связанную с его доставкой к месту заправки и, в конечном итоге, к месту сжигания. Этим сейчас активно занимаются.

На настоящий момент наиболее перспективным для эксплуатации локомотивов, работающих на газомоторном топливе, является неэлектрифицированный северный полигон Свердловской железной дороги. В этом регионе имеются все необходимые условия: равнинный профиль, большие объемы грузов, наличие дешевого природного газа, а также производственные мощности, на базе которых можно развернуть производство сжиженного природного газа.

Вообще же применение газа в качестве моторного топлива на всех видах транспорта и создание отечественной газовой транспортной и стационарной техники имеют сегодня большое значение для обновления парка подвижного состава, который должен отвечать международным стандартам безопасности, экологичности и надежности.

По какой причине их часто используют в составе небольших электростанций?

Это выгодно и экономично. Важными вопросами для владельца станции являются расход топлива и эксплуатационные затраты. У газопоршневой установки удельный расход топлива на выработанный киловатт в час при любом нагрузочном режиме меньше, чем у газотурбинной. Это объясняется тем, что КПД поршневых машин составляет 36-45 процентов, а у турбин — лишь 25-34 процентов.

Основное преимущество газопоршневых двигателей перед дизельными — более дешевое топливо. Даже при использовании в качестве резервного топлива газовой смеси пропан-бутан стоимость единицы электрической энергии, произведенной на газопоршневой установке, в 1,3 раза меньше, чем на дизельной.

Для эксплуатации и технического обслуживания газопоршневого агрегата, в отличие от газотурбинного, не требуются высококвалифицированные инженерные кадры. Регламентное обслуживание, промежуточные и капитальные ремонты газопоршневого двигателя могут быть проведены на месте эксплуатации без перемещения агрегата на площадку завода-изготовителя или специализированного предприятия.

Чем обусловлен рост популярности газопоршневых установок в последнее время, при том что сама технология существует уже давно?

Анализ рынка потребителей электрической и тепловой энергии выявил, что около 30 процентов потребителей не нуждаются в десятках и сотнях мегаватт мощности и, следовательно, в обязательном централизованном энергоснабжении, общие потери которого при транспортировке по сетям до потребителя составляют до 25–30 процентов.

Кроме того, пользователей не устраивает высокая цена на подключение к централизованным сетям, и вообще либерализация энергетического рынка в России привела к кризису в эксплуатации крупных систем централизованного энергоснабжения.

Газопоршневые же технологии хорошо подходят для малой энергетики, очень эффективно реализуют концепции «экономной» энергетики с минимальными потерями вырабатываемой тепловой и электрической энергии. Локальные автономные децентрализованные источники комбинированного производства электроэнергии и тепла на базе газопоршневых установок обладают высоким КПД, полностью независимы от региональных энергосетей, а следовательно, и от роста тарифов, надежны, не требуют затрат для строительства подводящих и распределительных сетей.

Газопоршневые двигатели возможно объединять последовательно. Что дает такое объединение по сравнению с раздельным использованием установок?

Объединять в «батареи» можно не только газопоршневые двигатели, но и дизельные. Все зависит от особенностей и требований к стационарной электростанции. В частности, очень часто отдельные модули можно доставить к месту монтажа и эксплуатации только вертолетом. Но есть специальные электростанции, основным требованием к которым является максимально возможная мощность в одном агрегате.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

источник

Добавить комментарий

Adblock
detector