Efficiency of using inverter power plants as part of multifunctional energy technology complexes

Full Text

Введение В 2020 году исполняется 100 лет плану ГОЭЛРО, ставшему первым масштабным планом развития экономики СССР. Возглавлял Государственную комиссию по электрификации Г.М. Кржижановский, чьи научные труды легли в основу принципов электрификации страны и чье имя носит Энергетический институт, которому в 2020 году исполнилось 90 лет. План ГОЭЛРО предусматривал постройку 30 электростанций, приближенных к залежам топлива (торф, уголь, горючий сланец) и возобновляемым источникам энергии (реки), для снабжения промышленности электроэнергией в радиусе до 70 км. В настоящее время, несмотря на существование единой энергетической системы, принцип размещения генерирующих мощностей вблизи запасов топлива и местах наличия возобновляемых энергоресурсов остается одним из основополагающих, так как позволяет существенно снизить потери энергии при ее транспортировке к потребителю, особенно это актуально для децентрализованных систем, обеспечивающих энергией около 70 % территории РФ. В Энергетической стратегии России на период до 2035 года [1] указано, что одним из приоритетов является развитие региональной энергетики с увеличением уровня надежности обеспечения энергоресурсами территорий при опережающем развитии распределенной генерации, экономически эффективном использовании местных источников топлива и возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Доктрина энергетической безопасности (утверждена Президентом РФ 29 ноября 2012 года) [2] предусматривает повышение степени самообеспечения энергетическими ресурсами регионов РФ и отдельных потребителей посредством освоения местных видов топлив и развития малой энергетики (в том числе на основе ВИЭ). Одним из способов решения проблем энергообеспечения удаленных от единой энергосистемы территорий является создание и внедрение многофункциональных энерготехнологических комплексов (МЭК) на основе инверторных гибридных энергоустановок, объединяющих двигатель-генератор (ДГ), работающий с оптимальной с точки зрения топливной экономичности частотой вращения, зависящей от нагрузки, и ВИЭ [3]. Наличие ВИЭ и работа ДГ с переменной частотой вращения предопределяют использование преобразователя частоты тока (инвертора) [4], который обеспечивает показатели качества электрической энергии, соответствующие требованиям к сетям общего назначения. Внешний вид опытного образца МЭК показан на рис. 1. Рис. 1. Опытный образец МЭК на базе ВЭС «Заполярная» (из архива авторов) [Figure 1. A prototype of a multifunctional energy complex based on the “Zapolyarnaya” wind farm (from the authors' archive)] Инверторные энергоустановки относительно новое направление в сфере малой энергетики, которое появилось в 90-х годах ХХ века и начало интенсивно развиваться только в XXI веке [5; 6]. Исследованиями в этой области занимались многие зарубежные (D. Cherus, J.F. Manwell [5], R. Bram, J. Leuchter [4]) и отечественные (С.Г. Обухов, И.А. Плотников [7], Б.В. Лукутин, О.С. Хватов [8]) ученые. При реализации оптимального с точки зрения топливной экономичности алгоритма управления первичным ДВС существенно увеличивается тепловая и механическая нагрузка на детали двигателя, следовательно, снижаются показателей его надежности, изменяются показатели выбросов вредных веществ с отработавшими газами. Однако при создании инверторных ДГ эти негативные последствия практически не учитываются. В существующих математических моделях инверторных ДГ, используемых при их создании и конструктивной доводке, ДВС представлен в крайне упрощенном виде (например, описан эмпирическими регрессионными зависимостями), не позволяющем учесть особенности его функционирования и необходимость ограничения тепловой и механической нагруженности двигателя при реализации оптимального алгоритма управления частотой вращения коленчатого вала, обеспечения нормативных значений выбросов вредных веществ с отработавшими газами. Отсутствует методика комплексной технико-экономической оценки затрат на эксплуатацию инверторных ДГ и МЭК в реальных условиях. Таким образом, целью исследования является разработка и апробация методики комплексной многокритериальной оценки эффективности использования инверторных ДГ в составе МЭК с техническими решениями, направленными на уменьшение негативных последствий функционирования ДВС с оптимальной с точки зрения топливной экономичности частотой вращения. 1. Методы Методика комплексной многокритериальной оценки эффективности использования инверторных ДГ в составе МЭК основана на математических методах их имитационного моделирования и включает: - синтез оптимального алгоритма управления частотой вращения первичного ДВС; - определение режимов функционирования МЭК в условиях эксплуатации; - оценку изменения величины расхода топлива при переводе инверторной ДГ на режим работы с оптимальной частотой вращения; - определение изменения скорости расходования ресурса при переводе инверторной ДГ на режим работы с оптимальной частотой вращения; - оценку изменения величины выбросов вредных веществ с отработавшими газами первичного ДВС при работе с оптимальной частотой вращения; - комплексную технико-экономическую оценку эффективности использования инверторных ДГ в составе МЭК. Критериями эффективности и целесообразности использования инверторных ДГ с теми или иными техническими решениями в составе МЭК являются удельный расход топлива и, в отличие от существующих подходов, ресурс и суммарная стоимость эксплуатации ДГ. Ограничивающие параметры - выбросы вредных веществ с отработавшими газами. Проиллюстрируем методику на примере инверторного ДГ максимальной мощностью 100 кВт с первичным двигателем - 4ЧН15/20.5. Для минимизации негативных последствий снижения частоты вращения ДГ при уменьшении нагрузки было предложено техническое решение, заключающееся в уменьшении степени сжатия при одновременном увеличении давления наддува. Все расчеты выполнялись для четырех вариантов конструкции ДВС: 1) с постоянной частотой вращения и степенью сжатия 14,5 (базовый); 2) с постоянной частотой вращения и степенью сжатия 13,5; 3) с переменной частотой вращения и степенью сжатия 14,5; 4) с переменной частотой вращения и степенью сжатия 13,5. Для определения изменения скорости расходования ресурса ДВС в зависимости от режима нагружения была использована ранее разработанная методика А.А. Малоземова и А.С. Шикина [9]. Данная методика была упрощена, поскольку: - накоплением от воздействия переменной частоты вращения коленчатого вала ДВС (ускорений) и высокочастотными теплосменами и базового, и инверторного ДГ можно пренебречь, так как в автономных системах энергообеспечения изменение нагрузки происходит постепенно; - базовая энергоустановка работает при постоянной частоте вращения, а в случае инверторного ДГ каждой нагрузке соответствует одна оптимальная частота вращения. Согласно методике, относительная скорость накопления повреждений от j-го фактора ДВС (по отношению к базовому) [10] , (1) где символ ' относится к базовому двигателю; С - условная скорость накопления повреждений: - от инерционных нагрузок , (2) где m - показатель степени (m = 6 [11]); fi - частности возникновения i-го режима; ni - частота вращения коленчатого вала на i-ом режиме; - от газовых сил ; (3) - от воздействия низкочастотных макротеплосмен , (4) , (5) где Gm - часовой массовый расход топлива; a и b - показатели степени, зависящие от рассматриваемой поверхности; Рк - давление воздуха перед органами впуска; nom - номинальный режим; Pz - максимальное давление газов в цилиндре. Условная скорость изнашивания [12] , (6) где Pм - давление механических потерь. Показатель ресурса ДВС определяется исходя из известного значения ресурса базового двигателя R': , (7) где КΣ - суммарная относительная скорость накопления повреждений исследуемого ДВС (по отношению к базовому). В выражении (7) используется значение ресурса ДВС, а не ДГ, так как, согласно действующим нормативно-техническим документам, двигатель определяет ресурс энергоустановки. Для расчета остальных показателей ДВС использовалось программное обеспечение Internal Combustion Engine Research and Development (ICE RnD), разработанное А.А. и Г.А. Малоземовыми. Подробное описание программы и математических моделей приведено в [13]. Функциональные возможности программы идентичны коммерческим AVL Boost/Cruise, Ricardo Wave, GT-Suite, LMS Amesim и т. д. 2. Результаты и обсуждение Предполагалось, что мощность инверторного ДГ составляет 100 % от установленной мощности МЭК. Максимальная мощность ДВС определялась с учетом КПД электротехнической части ДГ (принят равным 0,95), нормативного коэффициента реактивной нагрузки cos φ = 0,8, но без учета возможности 10 %-ной перегрузки. Оптимальный алгоритм управления ДВС, синтезированный с применением методики [14], основанной на поиске минимума функциональной зависимости удельного эффективного расхода топлива инверторного ДГ от нагрузки и частоты вращения первичного ДВС приведен на рис. 2. Из рисунка видно, что в диапазоне нагрузок от 0 до 95-100 кВт целесообразно снижать частоту вращения коленчатого вала ДВС и только при нагрузках, близких к максимальным, частота вращения должна быть номинальной. С использованием графика характерных суточных электрических нагрузок «типичной» автономной системы энергоснабжения [15] была построена гистограмма частости возникновения режимов нагружения энергоустановки без учета ВИЭ (предполагаем предельный случай - энергия ВИЭ отсутствует, рис. 3). Рис. 2. Алгоритм оптимального регулирования частоты вращения дизеля 4ЧН15/20.5: 1 - без учета; 2 - с учетом КПД электротехнической части инверторного ДГ [Figure 2. Algorithm for the diesel engine 4CHN15/20.5 speed optimal control: 1 - not taking into account; 2 - taking into account the inverter generator set electrical parts efficiency] Рис. 3. Частость возникновения режимов нагружения ДГ [Figure 3. Frequency of generator set loading modes occurrence] На основании гистограммы частости и алгоритма оптимального регулирования получены средние частоты вращения коленчатого вала ДВС инверторного ДГ (варианты 3 и 4) в каждом из диапазонов нагрузки. Для каждого режима определены значения удельного расхода топлива (рис. 4) и рассчитаны интегральные показатели среднесуточных и среднегодовых затрат на дизельное топливо в различных вариантах исполнения (средняя оптовая стоимость в Республике Саха (Якутия) в 2019 году - 55 руб./кг). Рис. 4. Среднесуточный расход топлива ДГ в различных вариантах конструктивного исполнения (1-4) [Figure 4. Average generator set daily fuel consumption in various design options (1-4)] Годовые затраты на приобретение топлива для базового варианта ДГ составляют 10,5 млн руб. Снижение степени сжатия с 14,5 до 13,5 единиц при постоянной частоте вращения коленчатого вала не влечет какое-либо заметное изменение суточного и годового расходов топлива. Увеличение расхода на режимах малых и средних нагрузок (менее 80 кВт) компенсируется его уменьшением на режимах, близких к номинальным (до момента стабилизации частоты вращения и включения байпаса инвертора). Затраты на приобретение топлива для инверторного ДГ с оптимальной частотой вращения коленчатого вала и степенью сжатия 14,5 снизятся по сравнению с базовым вариантом на 103 тыс. руб., или 1 %. Так как мы выполняли расчет для предельного случая - отсутствие ВИЭ, в условиях реального МЭК эффект будет выше. Например, если генерация ВИЭ будет составлять 50 % от установленной мощности МЭК, максимально возможная годовая экономия топлива составит 2.2 %, или 226 тыс. руб. Снижение степени сжатия до 13,5 при переменной частоте вращения ДГ дополнительно позволяет уменьшить затраты на топливо на 1,5 %. Экономический эффект по сравнению с базовым вариантом составит 268 тыс. руб., или 2,5 %. Если ВИЭ будет генерировать 50 % мощности от установленной, максимально возможная годовая экономия топлива уменьшится до 1,3 %, или 115 тыс. руб. Обратный эффект влияния мощности ВИЭ по сравнению с базовым вариантом с переменной частотой вращения объясняется тем, что удельный эффективный расход топлива варианта 4 в диапазоне значений коэффициента нагружения 0,3-0,5 выше, чем для варианта 1. Таким образом, снижение степени сжатия при одновременном увеличении давления наддува позволяет снизить затраты на топливо для МЭК на 1-2,5 %. Заявленный ресурс дизеля 4ЧН15/20.5 - 12 000 ч. Средняя стоимость отечественной энергоустановки бескапотного исполнения 1-й степени автоматизации мощностью 100 кВт в 2019 году - 800 тыс. руб., соответственно, скорость расходования ресурса в стоимостном выражении составит 584 тыс. руб./год при непрерывной эксплуатации и 292 тыс. руб./год при работе совместно с ВИЭ мощностью 100 кВт. С использованием гистограммы (рис. 3) были определены значения суммарной относительной скорости накопления повреждений и относительной скорости изнашивания дизеля 4ЧН15/20.5 в составе ДГ (без учета ВИЭ) с постоянной и переменной частотами вращения коленчатого вала, степенью сжатия 14,5 и 13,5. Основные результаты расчета представлены в табл. 1 и на рис. 5. При одновременном уменьшении степени сжатия и работе с оптимальной частотой вращения происходит снижение суммарной скорости накопления повреждений на 30 %. Только при снижении степени сжатия либо только при работе с переменной частотой вращения скорость накопления повреждений увеличивается на 9 и 47 % соответственно. Это вызвано тем, что оба мероприятия влекут рост скорости накопления повреждений в 1,7-2,1 раза вследствие увеличения амплитуды низкочастотных макротеплосмен из-за: а) изменения частоты вращения; б) увеличения диапазона изменения средних температур и давлений рабочего тела в камере сгорания. В варианте 2 это частично компенсируется снижением газовых нагрузок, а в варианте 3 - уменьшением инерционных нагрузок, что является недостаточным. В варианте 4 одновременно снижаются как инерционные нагрузки, так и газовые силы, что компенсирует рост скорости накопления повреждении из-за макротеплосмен. Расчет относительной скорости накопления повреждений был выполнен для трех основных деталей: гильзы и головки цилиндра и поршня. В наибольшей степени (на 42 %) уменьшается суммарная скорость накопления повреждений поршня, для головки цилиндра эта величина составляет 40 %, для гильзы - 30 %. Значит, лимитирующей ресурс деталью является гильза. В случае совместной работы с ВИЭ такой же мощности (100 кВт) в составе МЭК суммарная скорость накопления повреждений снижается на 38 %. Таблица 1 Относительная скорость накопления повреждений и изнашивания дизеля 4ЧН15/20.5 в составе энергоустановки [Table 1. Relative rate of damage accumulation and wear of a 4CHN15/20.5 diesel engine as part of a generator set] Влияющий фактор [Influencing factor] Вариант [Variant] 1 2 3 4 Инерционные нагрузки [Inertial loads] 1,000 1,000 0,607 0,607 Газовые силы [Gas forces] 1,000 0,518 1,171 0,567 Макротеплосмены [Macro heat shifts]: - гильза [liner] 1,000 2,095 2,066 2,033 - головка цилиндра [cylinder head] 1,000 1,885 1,770 1,757 - поршень [piston] 1,000 1,822 1,689 1,679 Суммарные повреждающие нагрузки [Total damaging loads]: - без ВЭУ [without wind turbine] 1,000 1,086 1,468 0,700 - с ВЭУ [with wind turbine] 1,000 1,853 1,333 0,619 Изнашивание [Wear] 1,000 0,996 0,763 0,759 Рис. 5. Суммарная относительная скорость накопления повреждений и относительная скорость изнашивания дизеля 4ЧН15/20.5 в составе ДГ в различных вариантах конструктивного исполнения (2-4)] [Figure 5. Total relative rate of damage accumulation and relative wear rate of the 4CHN15/20.5 diesel as part of generator set in various design options (2-4)] Скорость изнашивания уменьшается во всех рассмотренных вариантах из-за снижения частоты вращения и/или уменьшения газовых сил. Для варианта 4 ее снижение составляет 24 %. То есть параметрический отказ наступит раньше, чем функциональный, поэтому он является лимитирующим при расчете эффективности использования инверторного ДГ. Таким образом, ожидаемое увеличение ресурса дизеля 4ЧН15/20.5 (с пониженной до 13,5 степенью сжатия) в составе инверторного ДГ составит 32 %. Снижение степени сжатия позволяет на режиме номинальной мощности уменьшить концентрацию сажевых частиц в момент открытия выпускного клапана примерно в 2 раза, оксидов азота - на 2 %. Масса несгоревших углеводородов при снижении степени сжатия с 14,5 до 13,5 единиц близка к нулю, в то же время при степени сжатия 14,5 масса оксидов углерода составляет 30 мг (примерно 8 г/(кВт·ч)), что соответствует действующим нормам (6-10 г/(кВт·ч)). Выбросы вредных веществ, в отличие от показателей назначения - расхода топлива и ресурса, являются показателями безопасности, то есть ограничениями. В данном случае мы убедились, что эти ограничения соблюдены. Таблица 2 Результаты комплексной многокритериальной оценки эффективности использования инверторного ДГ в составе МЭК различного конструктивного исполнения (без учета ВИЭ) [Table 2. Results of a comprehensive multi-criteria assessment of the inverter generator set efficiency as part of an multifunctional energy technology complex of various designs (excluding renewable energy sources)] Экономический показатель, тыс. руб./год [Economic indicator, thousand rubles/year] Вариант (ε - степень сжатия, n - частота вращения) [Variant (ε - compression ratio, n - engine speed)] 1 - базовый [base] (ε = 14,5, n = const) 2 (ε = 13,5, n = const) 3 (ε = 14,5, n = var) 4 (ε = 13,5, n = var) Затраты на топливо [Fuel costs] 10 531 10 536 10 428 10 263 Изменение (относительно базового варианта) [Change (relative to base variant)]: - абсолютное [absolute] - +5 -103 -268 - относительное [relative], % - +0,05 -0,98 -2,54 Расходование ресурса [Resource consumption] 584 634 857 444 Изменение (относительно базового варианта) [Change (relative to base variant)]: - абсолютное [absolute] - +50 +273 -140 - относительное [relative], % - +8,56 +46,75 -23,97 Итого [Total] 11 115 11 170 11 285 10 707 Изменение «Итого» (относительно базового варианта) [“Total” change (relative to base variant)]: - абсолютное [absolute] - +55 +170 -408 - относительное [relative], % - +0,49 +1,53 +3,67 Необходимо отметить, что для каждого конкретного технического решения может понадобиться проведение дополнительных исследований, выходящих за рамки методики, излагаемой в статье. Например, снижение степени сжатия влечет ухудшение пусковых качеств ДВС, поэтому нужно подтверждение их соответствия требованиям нормативно-технических документов. В табл. 2 представлены основные результаты комплексной многокритериальной оценки эффективности использования инверторного ДГ в составе МЭК различного конструктивного исполнения (без учета изменения затрат на текущий ремонт ДВС и других эксплуатационные затрат). Заключение В ходе проведенного исследования разработана и апробирована методика комплексной многокритериальной оценки эффективности использования инверторных ДГ в составе МЭК с техническими решениями, направленными на уменьшение негативных последствий функционирования ДВС с оптимальной с точки зрения топливной экономичности частотой вращения На примере инверторной энергоустановки мощностью 100 кВт с первичным дизелем 4ЧН15/20.5 с применением разработанной методики: - выявлено, что работа двигателя с оптимальной с точки зрения топливной экономичности частотой вращения и без дополнительных конструктивных мероприятий влечет увеличение скорости накопления повреждений в 1,7-2,1 раза и поэтому экономически нецелесообразна, несмотря на снижение расхода топлива на 1 % и более; - установлено, что снижение степени сжатия при одновременном повышении давления наддува позволяет повысить ресурс двигателя до функционального отказа вследствие накопления повреждений на 43 % и до параметрического отказа вследствие изнашивания на 32 %, при этом затраты на эксплуатацию инверторного двигатель-генератора снизятся на 3,7 % относительно базовой (без изменений) энергоустановки. Показатели выбросов сажевых частиц уменьшатся примерно в 2 раза, оксидов азота - на 2 %, углеводородов - практически до нуля. Таким образом, доказана необходимость применения разработанной методики комплексной многокритериальной оценки эффективности использования инверторных ДГ в составе МЭК, позволяющей оценить влияние тех или иных конструктивных изменений на суммарную экономическую и техническую эффективность эксплуатации МЭК.

About the authors

Ivan Ya. Redko

G.M. Khrzhizhanovsky Power Engineering Institute

Author for correspondence.
Email: redko_iya@mail.ru

Deputy General Director of JSC “ENIN”, Doctor of Technical Sciences, Professor

19 Leninskii Ave, Moscow, 119071, Russian Federation

Andrey A. Malozemov

South Ural State University (National Research University)

Email: redko_iya@mail.ru
SPIN-code: 6622-7711

Professor of the Wheeled and Tracked Vehicles Department of the SUSU (NRU), Doctor of Technical Sciences, Associate Professor

76 Lenina Ave, Chelyabinsk, 454080, Russian Federation

Georgiy A. Malozemov

South Ural State University (National Research University)

Email: redko_iya@mail.ru

student of the Mathematics, Mechanics and Computer Technologies Faculty of SUSU (NRU)

76 Lenina Ave, Chelyabinsk, 454080, Russian Federation

Alexey V. Naumov

South Ural State University (National Research University)

Email: redko_iya@mail.ru

Head of the Educational Unit, Deputy Head of the Tank Troops Department of the SUSU (NRU).

76 Lenina Ave, Chelyabinsk, 454080, Russian Federation

Dmitry V. Kozminykh

South Ural State University (National Research University)

Email: redko_iya@mail.ru

applicant of the Department of Wheeled and Tracked Vehicles of the SUSU (NRU).

76 Lenina Ave, Chelyabinsk, 454080, Russian Federation

References

Supplementary files