Эффективность использования инверторных энергоустановок в составе многофункциональных энерготехнологических комплексов

Полный текст

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.

Об авторах

Иван Яковлевич Редько

АО «Энергетический институт имени Г.М. Кржижановского»

Автор, ответственный за переписку.
Email: redko_iya@mail.ru

заместитель генерального директора АО «ЭНИН», д. т. н., профессор

Российская Федерация, 119071, Москва, Ленинский пр-кт, д. 19

Андрей Адиевич Малозёмов

Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)

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

профессор кафедры колесных и гусеничных машин ЮУрГУ (НИУ); д. т. н., доцент

Российская Федерация, 454080, Челябинск, пр-кт Ленина, д. 76

Георгий Андреевич Малозёмов

Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)

Email: redko_iya@mail.ru

студент факультета математики, механики и компьютерных технологий ЮУрГУ (НИУ)

Российская Федерация, 454080, Челябинск, пр-кт Ленина, д. 76

Алексей Владимирович Наумов

Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)

Email: redko_iya@mail.ru

начальник учебной части, заместитель начальника кафедры танковых войск ЮУрГУ (НИУ).

Российская Федерация, 454080, Челябинск, пр-кт Ленина, д. 76

Дмитрий Владимирович Козьминых

Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)

Email: redko_iya@mail.ru

соискатель кафедры колесных и гусеничных машин ЮУрГУ (НИУ).

Российская Федерация, 454080, Челябинск, пр-кт Ленина, д. 76

Список литературы