Мобильная автономная установка на базе ДВС для выработки электрической и тепловой энергии из местных видов топлива и возобновляемых отходов

Журнал «Новости теплоснабжения» № 8, 2009 г., www.ntsn.ru

К.т.н. Ю.Л. Маслов, к.т.н. А.В. Рассказов, А.А. Уйминов, инженер, МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва

Введение

За последние 10 лет достаточно активно в России внедряются автономные установки, предназначенные для выработки электро- и теплоэнергии. В рамках настоящей статьи мы будем говорить только об автономных установках на базе газопоршневых двигателей. Сегодня актуальность использования данных установок не вызывает сомнений, что подтверждено рядом работ, например [1-3]. Понятно, что ключевых условием внедрения газопоршневых агрегатов является наличие резерва природного газа в месте монтажа рассматриваемых установок. ОАО «Газпром» активно проводит реализацию своей программы по газификации регионов России. Политика монополиста понятна. При этом в России существует большое количество территорий, газификация которых невозможна по ряду причин (например, из-за экономической нецелесообразности).

В настоящее время актуальность использования возобновляемых и местных видов топлива является одним из приоритетных направлений региональных программ энергосбережения.

В связи с вышесказанным разработка и внедрение автономных энергетических установок, использующих для выработки электро- и теплоэнергии местные и возобновляемые виды топлива является достаточно важной задачей.

В МГТУ им. Н.Э. Баумана разработана мобильная автономная установка на базе двигателя внутреннего сгорания (ДВС), работающем на газообразном топливе, получаемом при газификации ряда местных видов топлива и возобновляемых отходов. Рассмотрению данной установки и посвящена настоящая публикация.

Краткое описание исследований

Для исследования возможности использования местных и возобновляемых видов топлива в МГТУ им. Н.Э.Баумана с 1990 г. в Проблемной лаборатории проводятся комплексные исследования по созданию энергоустановок на базе ДВС и двигателя Стирлинга и газогенераторных установок. Разрабатываемые установки предназначены для сжигания в первую очередь местных видов топлива, растительных и древесных отходов с целью обеспечения энергоснабжения небольших предприятий, фермерских хозяйств, жилых объектов, а также привода средств малой механизации и т.п.

После проведения обзора работ, выполненных в России и за рубежом по использованию газогенераторных установок в различных отраслях народного хозяйства и их анализа, был спроектирован и изготовлен газогенератор транспортного типа на растительных и древесных отходах обращенного процесса газификации с предварительным подогревом топлива в бункере производительностью до 100 нм³/ч для энергетических установок на базе ДВС мощностью до 30 кВт.

Газогенератор был испытан на специальном теплофизическом стенде (рис. 1), который позволил проверить эффективность его работы, отработать процессы загрузки и розжига топлива, измерить расходы воздуха и получаемого газа, температуры в камере газификации и на выходе из газогенератора, исследовать агрегаты системы очистки и охлаждения, а также состав получаемого энергетического газа.

Рис. 1. Схема энергетической установки:

1 – ДВС; 2 – электрогенератор; 3 – газогенератор; 4 – фильтр грубой очистки; 5 – охладитель; 6 – фильтр тонкой очистки; 7 – смеситель.

В дальнейшем для решения поставленной задачи с разработанным газогенератором был спроектирован, изготовлен и испытан опытный образец энергоустановки с ДВС на базе четырехтактного дизеля 2Ч 8,5/11 мощностью 8 кВт, работающему по газожидкостному циклу. Для расширения возможностей эксплуатации и областей применения разрабатываемых установок был разработан и испытан опытный образец мощностью 8 кВт на базе серийных унифицированных электроагрегатов серии АБ-8-Т/230/М с бензиновыми карбюраторными двигателями 4Ч 7,6/7,5, которые в большом количестве выпускались оборонной промышленностью и сейчас передаются для эксплуатации в народное хозяйство.

С целью проверки работоспособности и доводки конструкции рассматриваемой установки и ее отдельных узлов и агрегатов и определения оптимальных режимов совместной работы газогенератора и ДВС были проведены серии доводочных и эксплуатационных испытаний на моторных стендах.

В процессе проведения испытаний проводился комплексный контроль режимов работы двигателя, газогенератора и системы очистки и охлаждения газа (измерения температуры газов в зоне горения в камере газификации, на выходе из газогенератора, после фильтра грубой очистки, холодильника, фильтра тонкой очистки перед газовым смесителем и температуры наружного корпуса газогенератора). Также определялся состав получаемого газа и электрическая мощность электрогенератора.

Дополнительно в процессе проведения испытаний измерялись гидравлические потери при течении газов в газовоздушной системе всей установки и в ее отдельных агрегатах (газогенератор, фильтры, холодильник, ресивер).

Испытания проводились по нагрузочной характеристике при постоянной частоте вращения коленчатого вала (n=3000 об./мин) путем последовательного увеличения подачи генераторного газа в пределах изменения нагрузки от нуля (холостой ход) до максимальной – 8 кВт.

В процессе испытаний были испытаны два типа фильтров грубой очистки с различной системой подвода газов, три фильтра тонкой очистки с различными фильтрующими элементами (бумажный, комбинированный угольный, с металлической сеткой и с масляной ванной), два типа охладителя газогенераторного газа и две конструкции газового смесителя.

По результатам этих испытаний были спроектированы и изготовлены усовершенствованный фильтр грубой очистки, охладитель газов с повышенной поверхностью охлаждения и газовый смеситель, которые в процессе проведения дополнительных испытаний показали эффективную и надежную работу.

Также были отработаны процессы загрузки бункера топливом при работающем двигателе и запуск двигателя на генераторном газе.

Проведенные испытания показали надежность работы газогенератора, агрегатов системы очистки и охлаждения газа, двигателя и электрогенератора на всех исследованных режимах работы. Удалось получить заявленные технико-экономические показатели созданной установки.

Рис. 2. Общий вид энергоустановки

В настоящее время разработан и изготовлен опытный образец автономной установки на базе серийных унифицированных электрогенераторов серии АБ-8-Т/230/М с бензиновым карбюраторным двигателем 4Ч 7,6/7,5 и газогенератором, работающим на древесных и растительных отходах. Для повышения эксплуатационной надежности и облегчения запуска двигателя на генераторном газе установка работает на двух видах топлива (бензин и газ).

В качестве источника электрической энергии используется электрогенератор, соединенный с газовым ДВС, который основное время работает на газе, получаемом в результате термохимической конверсии древесных и растительных отходов в газогенераторной установке. Схема и общий вид установки представлены на рис. 1 и 2, а общий вид газогенератора – на рис. 3.

Рис. 3. Газогенератор энергоустановки

Характеристики новой установки

Технические характеристики ЭУ

1. Мощность электрическая, кВт - 8-20 (с другим ДВС)

2. Топливо – древесные и растительные отходы, брикеты из опилок, торфа, бурого угля;

- геометрические размеры исходного древесного топлива, мм - 50х50х50;

- влажность, % 20-40;

- зольность, % до 8;

3. Производительность газогенератора, нм³/ч – до 100;

4. Диаметр газогенератора, м - 0,7;

5. Высота газогенератора, м - 1,7;

6. Удельный расход топлива, кг/ кВт.ч - 1,3-2,2;

7. Габаритные размеры, м - 1,2х1,2х1,6;

8. Масса, т - 1,1.

Преимущества ЭУ

1. Повышенная эффективность термохимической переработки исходного топлива;

2. Мобильность и небольшие размеры, возможен монтаж ЭУ на автотранспортных средствах;

3. Малый вес, размещение ЭУ без фундамента, доставка на автомобильном транспорте;

4. Модульный принцип увеличения мощности.

Области применения

Региональные предприятия, компании и организации добывающих и перерабатывающих отраслей промышленности – лесной, АПК и др.

Результаты применения

Использование предлагаемых ЭУ в различных областях народного хозяйства позволяет получить ощутимые экономические, социальные и экологические эффекты, связанные с экономией нефтяных топлив (в среднем на 800…900 кг в год на каждую единицу установленной мощности). Уменьшением транспортных расходов на доставку топлива и вывозку отходов, улучшением экологической обстановки за счет снижения выбросов токсичных составляющих с выпускными газами и переработки отходов, а также условий труда и быта населения в отдаленных регионах.

Кроме того, широкое использование ЭУ позволит за короткий период несколько смягчить остроту топливной ситуации для каждого региона за счет использования местных возобновляемых видов топлив.

Наличие в РФ и странах СНГ значительного количества растительных и древесных отходов ( по данным ВНИИдрева только в Европейской зоне РФ ежегодно около 60 млн.м³), которые до настоящего времени практически теряются или уничтожаются, позволяет надежно обеспечивать топливом более 100 тысяч ЭУ и дополнительно ежегодно вырабатывать несколько млн.кВт.ч электроэнергии без затрат дефицитного углеводородного топлива.

Стабильный рынок сбыта позволяет организовать серийное производство ЭУ на нескольких заводах в различных регионах страны со сроком окупаемости вложенных средств 2-3 года.

Причем, в ЭУ могут быть использованы следующие разнообразные виды местных топлив: древесина, торф, бурый и каменные угли, сланцы, всевозможные растительные отходы, отходы лесной и деревообрабатывающей промышленности (опилки, стружка, кора, щепа, мелкие ветки), а также отходы предприятий АПК, перерабатывающих зерновые и технические культуры (хлопок, подсолнечник, лен, различные крупяные культуры).

При наличии в регионе непромышленных запасов газа или магистрального газопровода, ДВС могут быть переведены на работу на природный газ. Для организации автономного теплоснабжения, ЭУ должны быть оснащены системами утилизации тепловой энергии, что позволяет увеличить общий КПД установки до 80-90%.

Литература

1. Безруких П.П., Стребков Д.С. «Состояние, перспективы и проблемы развития возобновляемых источников энергии» // Малая энергетика. 2005. № 1-2.

2. Редько И.Я., Малоземов А.А., Казанцев М.А. Состояние, проблемы и перспективы применения средств малой энергетики на базе поршневых двигателей внутреннего сгорания для нефтедобывающей отрасли // Малая энергетика. 2006. № 1-2.

3. Салихов А.А. Неоцененная и непризнанная «малая» энергетика. – М.: Издательство «Новости теплоснабжения», 2009. – 176 с.

скачать архив.zip(1046 кБт)
Обсудить на форуме
Другие Статьи

Эта статья была опубликована в журнале "Новости теплоснабжения"
	Журнал «Новости теплоснабжения»	Один номер - 577,50 р (бесплатная доставка почтой) заказать
	Новости Теплоснабжения - это практические рекомендации для оказания конкретной помощи теплоснабжающим организациям, промышленным предприятиям с самостоятельным тепловым хозяйством и соответствующим подразделениям административных органов, отвечающим за качество теплоснабжения. подробнее...

---