ПРИМЕНЕНИЕ КОГЕНЕРАЦИОННЫХ МАШИН В ГАЗОТРАНСПОРТНОЙ СИСТЕМЕ
Газотранспортная система Украины включает около 37 тысяч километров газопроводов, 13 подземных хранилищ газа общей емкостью свыше 30 млрд. м3, 1449 газораспределительных станций и 60 газоизмерительных станций, 72 компрессорные станции (КС), которые оснащены 702 газоперекачивающими агрегатами (ГПА) отечественного и заграничного производства.
Такой промышленный парк требует бесперебойного обеспечения энергетическими ресурсами, поскольку от их надежной работы зависят своевременное выполнение межгосударственных договоренностей и безопасность эксплуатации газотранспортной системы в целом.
Особенно остро проблема незапланированного отключения ГРС и КС от электросетей появляется в весенне-зимний период, когда необходимо обеспечить бесперебойную работу подогревателя газа, на который возложены функции поддержания температуры газа на выходе из ГРС в пределах 3.. .10 0С в соответствии с условиями технического соглашения между транспортной организацией и потребителем. Кроме того, при отсутствии электроэнергии невозможно функционирование системы автоматизированного управления производственным процессом транспортировки газа и учета потребляемого природного газа, что приводит к значительному увеличению глобальных финансовых расходов.
Исходя из вышеизложенного, поиск новых прогрессивных способов аварийного обеспечения энергетическими ресурсами газораспределительных станций и обоснования целесообразности их использования является важной производственной проблемой в контексте существующей задачи модернизации газотранспортной системы Украины.
Для создания аварийной системы обеспечения энергетическими ресурсами ответственных объектов газотранспортной системы традиционно используются турбодетандерные установки. Турбодетандер относится к когенерационным системам, принцип работы которых построен на использовании побочных продуктов производства.
В состав такой системы входят магистральный газопровод, теплообменник, детандер, компрессор, воздушная турбина. Такие системы работают следующим образом. Газ, который подается с магистрального газопровода до детандера, подогревается в теплообменнике, в котором в качестве теплоносителя используется нагретый в результате сжатия воздух. Подвод воздуха от компрессора осуществляет электрический двигатель. После детандера газ по трубопроводу поступает в трубопровод низкого давления. При этом степень сжатия воздушного компрессора избирается таким образом, чтобы температура сжатого воздуха была больше необходимой температуры потребителя. После теплообменника охлажденный воздух по воздухопроводу подается на вход воздушной турбины. В турбине воздух расширяется с производством механической энергии, при этом воздух охлаждается. Выработанная механическая энергия применяется для производства электрической энергии. После воздушной турбины холодный воздух по воздухопроводу скидывается в атмосферу.
К недостаткам таких когенерационных систем можно отнести громоздкость, большое количество ответственных узлов, которые требуют своевременной диагностики и ремонта, зависимость от часового расхода природного газа, что делает такие когенерационные системы низкоуниверсальными.
Кроме того, существует зависимость таких когенерационных систем от расположения магистрального газопровода и газораспределительной станции, на территории которой, считается рациональным устанавливать оборудование для реализации такой технологии. Кроме того, расположение когенерационной машины и вспомогательного оборудования в охранительной зоне магистрального газопровода вынуждает соблюдать повышенные требования к конструктивным особенностям турбодетандерной установки и выполнять особенные требования ее эксплуатации.
В связи с этим возникает актуальная научно - техническая задача, связанная с разработкой прогрессивной конструкции когенерационной машины на базе двигателя внутреннего сгорания с целью аварийного обеспечения энергетическими ресурсами ответственных систем ГРС.
Выбор когенерационных машин на базе двигателя внутреннего сгорания обусловлен тем, что когенерационные машины на базе газотурбинной установки по критерию выбросов в атмосферу продуктов их работы являются наиболее опасными, причем шум в процессе работы таких машин достигает до 150 - 160 дБ, что является причиной отдаления таких энергогенерирующих машин от жилищного массива по данным до 3 км.
Вместе с тем когенерационные машины на базе паровой турбины также обладают существенными недостатками: высокие затраты воды при производстве энергетических ресурсов (50-80 м3/ МВтчас) и шум в процессе работы машины (до 100 дБ).
Таким образом, в качестве двигателя когенерационной машины, предназначенного для аварийного обеспечения энергетическими ресурсами ответственных объектов газотранспортной системы, принимается двигатель внутреннего сгорания, который обладает потенциалом повышения коэффициента полезного действия.
В связи с этим была выдвинута гипотеза, которая заключается в том, что усовершенствование системы утилизации отработанных газов двигателя внутреннего сгорания позволит повысить коэффициент полезного действия когенерационной машины по критерию производства тепловой энергии и минимизации количества вредных выбросов в атмосферу.
Для достижения поставленной цели и подтверждения гипотезы рассматривается когенерационная машина, которая состоит из двигателя с электрогенератором, контура утилизации тепла, теплообменников - утилизаторов теплоты: масла, воды блока цилиндров двигателя, наддувочного воздуха, выхлопных газов, дополнительного воздушного охлаждения и циркуляционного насоса.
Недостатками данной установки является необходимость применения отдельного теплового насоса с приводом от газопоршневого двигателя или с электроприводом и невозможность использования установки для работы на газе-метане.
В основу изобретения поставлена задача создания когенерационной установки, которая за счет использования двух цилиндров двигателя внутреннего сгорания в качестве теплового насоса и изменения конструкции выпускной системы значительно повышает коэффициент полезного действия работы, упрощает конструкцию, снижает себестоимость когенерационной установки, а также увеличивают ее надежность.
Когенерационная установка с тепловым насосом, содержащий двигатель внутреннего сгорания, электрогенератор, утилизатор - охладитель газовоздушной смеси продуктов сгорания с системой трубопроводов и газоходов, рубашки охлаждения внутреннего контура смазочного масла и охладительной жидкости двигателя, теплообменник - утилизатор развязки жидкостных потоков, контуров системы охлаждения двигателя и воды сети системы теплоснабжения, отличается тем, что вместо газопоршневого двигателя применен четырехцилиндровый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, два цилиндра которого работают в режиме компрессора теплового насоса и где рабочим телом служат горячие отработанные газы двигателя.
Разработаная когенерационная установка состоит из двигателя внутреннего сгорания, электрогенератора, теплоутилизатора, теплообменника-утилизатора, устройства подготовки топливной смеси, трёхходовового клапана-термостата, циркуляционных насосов с патрубками, патрубка выхлопных газов.
В данной когенерационной машине тепло отработанных газов является рабочим телом теплового насоса компрессора, в котором имеется два цилиндра двигателя внутреннего сгорания. В процессе выпуска горячие отработанные газы попадают в промежуточный теплообменник, где отдают энергию охладительной жидкости. После этого охлажденные до определенной температуры газы засасываются компрессором. В цилиндрах компрессора во время сжатия газы разогреваются до высокой температуры, где одновременно передают тепловую энергию рубашке охлаждения двигателя. После выхода газов из компрессора в фазе расширения температура газов резко снижается в связи с прохождением изотермического процесса.
В результате сжатия отработанных газов понижается температура отработанных газов, которые выбрасываются в атмосферу, которая повышает коэффициент полезного действия установки по теплу.
Излишек мощности механической энергии двигателя внутреннего сгорания с помощью электрогенератора используется для производства электроэнергии. Благодаря простоте и универсальности конструкции установка может работать на природном газе.
Пример 1. Принцип работы когенерационной установки.
В четырехцилиндровый двигатель внутреннего сгорания по трубопроводу устройства подготовки топливной смеси топливо поступает в два цилиндра, где тепловая энергия топлива превращается в механическую энергию, которая передается по валу к электрогенератору для производства электроэнергии.
В процессе работы двух цилиндров двигателя образующаяся тепловая энергия, отводится охладительной жидкостью системы охлаждения с применением циркуляционного насоса. Через трехходовой клапан-термостат нагретая до 85°С охладительная жидкость попадает в теплообменник-утилизатор, где передает тепловую энергию жидкости контура системы теплосети по патрубкам. Циркуляцию жидкости обеспечивает циркуляционный насос с электроприводом.
Горячие отработанные газы, которые высвобождаются из цилиндров, по трубопроводу попадают в теплоутилизатор, где теряют большую часть тепловой энергии с 700 °С до 100°С, засасываются по трубопроводам другими цилиндрами, работающими в компрессорном режиме. Отработанные газы через патрубок выходят наружу.
В результате понижения внутренней энергии газовой среды с повышенным давлением, при выходе в окружающую среду газы охлаждаются до уровня ниже температуры окружающей среды, которая указывает на высокий коэффициент преобразования энергии в данной когенерационной машине.
Избыточная механическая энергия, которая производится в процессе работы двигателя, передается электрогенератору, который обеспечивает работу систем жизнеобеспечения когенерационной установки, а также для использования электроэнергии внешними потребителями.
Таким образам, в результате проделанной работы получены следующие результаты.
Создан принципиально новый способ функционирования когенерационных машин на базе двигателя внутреннего сгорания. Способ представляет собой использование четырехцилиндричного четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, два цилиндра которого работают как компрессоры теплового насоса, в котором рабочим телом служат горячие отработанные газы двигателя, а два другие выполняют функции внутреннего сгорания.
Разработанный принцип функционирования когенерационной машины защищен патентами Украины и Российской Федерации.
В ходе экспериментальных исследований адекватности выдвинутой гипотезы авторами было установлено, что удается повысить коэффициент полезного действия когенерационной машины на базе двигателя внутреннего сгорания на 8.12 % по сравнению с существующей когенерационной машиной на базе двигателя внутреннего сгорания, в которой рабочая функция всех четырех цилиндров не изменена.
Следует отметить, что реализация предлагаемой схемы работы двигателя внутреннего сгорания с учетом проведенных теоретико-экспериментальных исследований позволяет снизить уровень вибраций.
Предполагается такими когенерационными машинами оснастить газораспределительные и компрессорные станции с целью аварийного обеспечения энергетическими ресурсами (тепловой и электрической энергией), что приведет к увеличению надежности функционирования газотранспортной системы в целом.
Кроме того, выдвигается гипотеза о возможной комбинации когенерационных машин и ветрогенераторов на объектах газотранспортной системы, расположенных в зоне ветров, благоприятных для использования ветроустановок с ветрогенераторами. Такое дополнение разработанных когенерационных машин позволит повысить их эффективность и снизить затраты энергии на их запуск.
В дальнейших исследованиях планируется усовершенствовать разработанный принцип работы когенерационной машины с целью уменьшения количества вредных выбросов в атмосферу и реализации принципа тригенерации. Внедрение тригенерационных машин, принцип работы которых основан на одновременном производстве холода, тепловой и электрической энергии в составе современных компрессорных станций, является актуальной производственной задачей стратегического значения.