E-wykład VI

Spalinowe zespoły prądotwórcze (J. Paska)
1 . Obieg termodynamiczny i sprawność silników spalinowych
Rys. 1. Obieg cieplny Diesla na wykresach T-s i p-V: Q1 – ciepło doprowadzone; Q2 – ciepło odprowadzone
Sprawność teoretyczna obiegu cieplnego Diesla może być wyznaczona z zależności (dla gazu idealnego i
przy oznaczeniach z rys. 1):
Q1 − Q2
Q1
przy czym: Q1 = Gc p (T3 − T2 ), Q2 = Gc v (T4 − T1 )
η tD =
(2)
(3)
gdzie: G – masa czynnika, cp – ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu, cv – ciepło właściwe przy stałej
objętości.
Wzór (3) można przekształcić do postaci:
gdzie: ε
-
współczynnik
sprężania
η tD = 1 −
(ε
=
V1
1
⋅
1
χ ε χ −1
V2
=
⋅
ϕ χ −1
ϕ −1
12÷22);
ϕ
(4)
-
stopień
obciążenia
(ϕ
=
V3
V2
= 1,5÷3,5); χ - wykładnik adiabaty (χ = 1,3÷1,4).
Rys. 2. Zależność sprawności teoretycznej
obiegu Diesla ηtD od współczynnika
sprężania ε
(przy danych: stopniu obciążenia ϕ
i wykładniku adiabaty χ = 1,4)
Sprawność wewnętrzna silnika ηw jest związana ze stratami wynikającymi z niedoskonałości odtworzenia
obiegu teoretycznego w silniku rzeczywistym oraz z odchyleniami od obiegu teoretycznego wynikającymi ze
względów konstrukcyjnych:
ηw =
Pw
Pt
(5)
gdzie: Pw – moc wewnętrzna rozwijana w cylindrach silnika, Pt – moc teoretyczna rozwijana w cylindrach
silnika.
1
Spalinowe zespoły prądotwórcze (J. Paska)
Moc wewnętrzną rozwijaną w cylindrach silnika wyznacza się laboratoryjnie zdejmując i opracowując wykres
indykatorowy:
πD 2 p i sn
Pw =
⋅
⋅ k ⋅ 10 3 [kW]
4
60 z
(6)
-1
gdzie: D – średnica cylindra, m; s – skok tłoka, m; n – prędkość obrotowa, min ; pi – ciśnienie indykowane,
MPa; z = 2 dla silnika czterosuwowego; z = 1 dla silnika dwusuwowego; k – liczba cylindrów.
Średnice cylindrów wynoszą do 1,1 m, ciśnienia indykowane zawierają się w granicach 3÷12 MPa, skoki
-1
tłoka osiągają wartość do 1,9 m, prędkość tłoka – 6,5 m/s, prędkość obrotowa wynosi 100÷1800 min , a
maksymalna liczba cylindrów – 18.
Moc teoretyczną rozwijaną w cylindrach silnika można wyznaczyć ze wzoru:
•
Pt = B Wu ηtD [kW]
(7)
•
gdzie: B – natężenie zużycia paliwa, kg/s; Wu – wartość opałowa paliwa, kJ/kg.
Moc na sprzęgle przekazywana generatorowi, czyli moc użyteczna silnika Pu jest mniejsza od mocy
wewnętrznej Pw ze względu na straty mocy spowodowane tarciem współpracujących ze sobą części silnika i
zużycie mocy na napęd osprzętu silnika (pompa oleju, paliwa, czynnika chłodzącego, wentylator chłodzący
itp.).
Moc na sprzęgle Pu wyznacza się za pomocą hamulca (np. elektrycznego lub wodnego), który pozwala na
pomierzenie mocy efektywnie rozwijanej przez silnik i wyznaczenie sprawności mechanicznej:
ηm =
Ostatecznie:
Pu
Pw
η o = η tD η w η m =
(8)
Pt
•
B Wu
⋅
Pw Pu
P
⋅
= • u
Pt Pw B W
u
(9)
2 . Zastosowania spalinowych zespołów prądotwórczych
S p a l i n o w y z e s p ó ł p r ą d o t w ó r c z y , czyli generator prądu przemiennego napędzany silnikiem
tłokowym z wewnętrznym spalaniem, znajduje zastosowanie w dwóch przypadkach (pomijając generatory
zainstalowane na środkach transportowych lądowych, wodnych i powietrznych):
1. Jako podstawowe źródło mocy elektrycznej w przypadku konieczności zasilania odbiorników
znajdujących się aktualnie z dala od sieci elektrycznej energetyki zawodowej lub w warunkach
uniemożliwiających z innych względów na korzystanie z takiej sieci.
2. Jako rezerwowe źródło mocy elektrycznej przeznaczone do natychmiastowego uruchomienia (lub
nawet tylko przejścia z pracy jałowej w stan obciążenia) i zasilania urządzeń bądź obiektów
wymagających bezwzględnej ciągłości zasilania, a więc w przypadku przerwy w normalnym zasilaniu z
sieci elektrycznej.
Do podstawowych zalet spalinowych zespołów prądotwórczych umożliwiających tak szerokie ich
zastosowania należą:
Możliwość szybkiego rozruchu i obciążenia.
Możliwość pełnej automatyzacji rozruchu.
Stosunkowo małe gabaryty i mały ciężar jednostkowy (kg/kW).
Wysoka sprawność nawet przy niewielkich mocach.
Bardzo małe zapotrzebowanie na wodę (ubytki w układzie chłodzenia mogą być uzupełniane nawet
z niewielkich zapasów).
Zasilanie paliwem ciekłym lub gazowym o dużej wartości opałowej, a więc stosunkowo łatwym w
transporcie i magazynowaniu (gaz może być w stanie ciekłym).
Cechy ujemne zespołów prądotwórczych z silnikami tłokowymi to:
Znaczne koszty inwestycji.
Hałaśliwość podczas pracy.
Kosztowne remonty.
Zespoły prądotwórcze, które nie są przewidziane do pracy równoległej z siecią elektryczną energetyki
zawodowej lub z innymi zespołami – a takie warunki występują w większości przypadków – nie są
wyposażone w urządzenia do synchronizacji.
W najprostszym przypadku prądnicę zespołu stacjonarnego (nie przewoźnego) łączy się z rozdzielnicą
główną niskiego napięcia za pośrednictwem kabla i jednego przełącznika umożliwiającego zasilenie
rozdzielnicy z sieci energetyki lub z zespołu. Jeżeli moc zespołu jest za mała dla pokrycia pełnego
obciążenia danego obiektu, część linii odejściowych, zasilających mniej ważne odbiory, jest odłączana
ręcznie przez personel stacji lub samoczynnie przez zainstalowane na tych odejściach zabezpieczenia
zanikowo napięciowe.
2
Spalinowe zespoły prądotwórcze (J. Paska)
W przypadkach uzasadnionych rozruch zespołu i jego włączenie do pracy mogą być
w pełni zautomatyzowane, sterowane zdalnie przez obsługę obiektu lub sterowane samoczynnie przez
zabezpieczenie podnapięciowe, mierzące wartość napięcia na szynach rozdzielnicy głównej. Układ może
być
uzupełniony urządzeniami
samoczynnej
synchronizacji,
ewentualnie
samosynchronizacji,
umożliwiającymi włączenie prądnicy zespołu do pracy równoległej z siecią już w chwili obniżenia napięcia do
wartości niepożądanej.
Prądnice zespołów prądotwórczych małej mocy są na ogół samowzbudne, prądnice większej mocy mają
oddzielne wzbudnice osadzone na wspólnym wale, samowzbudne bocznikowe lub szeregowo bocznikowe.
Tablica 1. Dane techniczne agregatów prądotwórczych firmy SDMO, wykorzystujących silniki Perkins'a
Wyszczególnienie
Jednostka PS 1250 PS 1375S
Moc
1250
1375
kV⋅A
Napięcie
V
400/230 400/230
Częstotliwość
Hz
50
50
Silnik - dane ogólne
Prędkość obrotowa
1/min
1500
1500
Masa netto
kg
5315
5315
Masa brutto
kg
5673
5673
Silnik - bilans mocy
Moc silnika
kW
1055
1161
Ciepło promieniowania
kW
149
164
Ciepło odbierane przez czynnik chłodniczy
kW
589
648
Ciepło tracone w spalinach
kW
1013
1114
Silnik - układ paliwowy
Zużycie paliwa (100% obciążenia)
l/h
265
294
Maksymalny wydatek pompy paliwowej
l/h
1025
1025
Maksymalne ciśnienie ssania
m
2
2
Wydatek powietrza zasysanego
l/s
1533
1686
Silnik - układ wydechowy
Wydatek spalin
l/s
4083
4491
Temperatura spalin
°C
460
506
Silnik - układ chłodzenia
Pojemność układu chłodniczego silnika
l
73
73
Zakres pracy termostatu
°C
71÷85
71÷85
Maksymalna temperatura chłodziwa
°C
96
96
Wydatek cieczy chłodzącej
l/s
15,7
15,7
Pojemność chłodnicy
l
205
205
Rys. 3. Widok agregatu prądotwórczego PS 1250 firmy SDMO
3
Spalinowe zespoły prądotwórcze (J. Paska)
Rys. 4. Schemat ideowy instalacji wykorzystującej
ciepło wody chłodzącej i spalin silnika
wysokoprężnego (Diesla):
1 – turbina spalinowa; 2 – sprężarka;
3 – odbiornik ciepła; 4 – chłodzenie cylindrów;
5 – filtr – tłumik hałasu
Rys. 5. Schemat układu do skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła
z wykorzystaniem silnika spalinowego firmy Wärtsilä
4