Когенерационный энергетический комплекс на основе двигателя с объемным самовоспламенением гомогенного заряда и переменной частотой вращения

Полезная модель относится к области электроэнергетики и теплоэнергетики и предназначена для одновременного производства тепла, электроэнергии. Техническая задача полезной модели направлена создание когенерационного энергетического комплекса, обладающего высокой энергетической эффективностью, за счет использования двигателя с объемным самовоспламенением гомогенного заряда и переменной частотой вращения. Когенерационный комплекс содержит поршневой ДВС с объемным самовоспламенением гомогенного заряда, соединенный с генератором, работающим с переменной частотой вращения, и преобразователь частоты, восстанавливающий частоту тока до требований стандартов. ДВС соединен с системой утилизации сбросового тепла. Комплекс содержит систему автоматического управления, которая соединена с ДВС, генератором, преобразователем частоты, системой утилизации сбросового тепла. 1 н.п., илл.

Полезная модель относится к области электроэнергетики и теплоэнергетики и предназначена для одновременного производства тепла, электроэнергии.

Известны энергетические комплексы, объединяющие электроагрегат на базе поршневого двигателя внутреннего сгорания и систему утилизации сбросового тепла двигателя [Мини-ТЭЦ на базе электростанции ДГУ-100С /А.А. Малоземов, М.А. Казанцев.// Тракторы и сельскохозяйственные машины. - М.: Машиностроение, 2001, 9. С. 17-18].

Обычно в таких комплексах используются двигатели с искровым воспламенением (бензиновые или газовые) или с воспламенением от сжатия (дизели и газодизели), работающие при постоянной частоте вращения, которая не является оптимальной с точки зрения топливной экономичности, что является их недостатком.

Из уровня техники известна энергетическая установка, в которой первичный поршневой двигатель внутреннего сгорания с воспламенением топлива от сжатия работает с оптимальной частотой вращения, при этом, между двигателем и генератором устанавливается бесступенчатый редуктор (вариатор), обеспечивающий номинальную частоту вращения генератора [WO 2011109891 «A transmission arrangement comprising a power mixing mechanism», МПК B60K 17/00; F16H 37/06; F16H 48/00; F16H 61/66, опубл. 07.03.2011].

Недостатками такого технического решения является то, что максимальный КПД вариатора составляет 91%, а качество электроэнергии не удовлетворяет требованиям к сетям общего назначения.

Техническая задача полезной модели направлена создание когенерационного энергетического комплекса, обладающего высокой энергетической эффективностью, за счет использования двигателя с объемным самовоспламенением гомогенного заряда и переменной частотой вращения.

Техническая задача достигается тем, что когенерационный энергетический комплекс содержит поршневой двигатель внутреннего сгорания с объемным самовоспламенением гомогенного заряда, соединенный с генератором переменной частоты вращения, выход которого соединен с преобразователем частоты, при этом поршневой двигатель внутреннего сгорания соединен с системой утилизации сбросового тепла, а система автоматического управления соединена с поршневым двигателем внутреннего сгорания, генератором, преобразователем частоты, системой утилизации сбросового тепла.

На чертеже представлена схема когенерационного комплекса.

Когенерационный комплекс содержит поршневой ДВС 1 с объемным самовоспламенением гомогенного заряда, соединенный с генератором 2, работающим с переменной частотой вращения, и преобразователь частоты 3, восстанавливающий частоту тока до требований стандартов. ДВС 1 соединен с системой утилизации сбросового тепла 4. Комплекс содержит систему автоматического управления 5, которая соединена с ДВС 1, генератором 2, преобразователем частоты 3, системой утилизации сбросового тепла 4.

Когенерационная установка работает следующим образом.

При работе ДВС 1 генератор 2 вырабатывает электроэнергию, которая предназначена для потребителей.

Поршневой двигатель внутреннего сгорания с объемным самовоспламенением гомогенного заряда 1, питаемый сжатым природным газом, вращает вал генератора 2. Частота вращения коленчатого вала ДВС 1 и вала генератора 2, соответственно, задается системой автоматического управления когенерационным энергетическим комплексом 5 в зависимости от нагрузки. При номинальной нагрузке частота вращения вала ДВС 1 и вала генератора 2 также является номинальной, генератор 2 вырабатывает электрический ток стандартной частоты 50 Гц или 60 Гц. При уменьшении нагрузки ниже номинальной частота вращения вала ДВС 1 и вала генератора 2, с целью экономии топлива, снижается, генератор 2 вырабатывает электрический ток нестандартной частоты. Электрический ток от генератора 2 поступает к преобразователю частоты 3, восстанавливающему частоту тока до требований стандартов. Далее электроэнергия от когенерационного энергетического комплекса передается потребителю. Сбросовое тепло систем охлаждения, смазки и отвода отработавших газов через систему утилизации 4 отводится от поршневого двигателя внутреннего сгорания с объемным самовоспламенением гомогенного заряда 1 и передается потребителю.

Техническими результатами осуществления полезной модели являются:

- снижение удельного эффективного расхода топлива до 1525% по сравнению с существующими аналогами за счет применения поршневого двигателя внутреннего сгорания с объемным самовоспламенением гомогенного заряда с переменной частотой вращения;

- обеспечение качества электрической энергии, удовлетворяющего требованиям к сетям общего назначения, за счет использования преобразователя частоты тока, при этом КПД преобразователя (9698%) выше, чем КПД существующих аналогов (91%);

- уменьшение, по сравнению с существующими аналогами, выбросов оксидов азота с отработавшими газами поршневого двигателя за счет применения рабочего цикла с объемным самовоспламенением гомогенного заряда.

Возможность реализации когенерационного энергетического комплекса и получения указанных выше технических результатов подтверждена экспериментально. Был разработан и изготовлен двигатель-генератор на базе дизеля 8ЧН13/14 с всережимным генератором, преобразователем частоты и системой автоматического управления. Его стендовые испытания подтвердили возможность экономии 1525% топлива за счет оптимизации частоты вращения и повышение качества электрической энергии до норм, соответствующих сетям общего назначения. Экспериментальные исследования зарубежных авторов [Fuquan Zhao, Thomas N. Asmus, Dennis N. Assanis, John E. Dec, James A. Eng, Paul M. Najt // Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) Engines. // Published By: SAE International, March 2003, Pages: 646] показали, что в двигателях с объемным самовоспламенением гомогенного заряда, работающих на природном газе, как основном источнике энергии, выбросы оксидов азота можно уменьшить до 125150 млн^-1 при полном отсутствии твердых частиц.

Когенерационный энергетический комплекс, содержащий поршневой двигатель внутреннего сгорания с объемным самовоспламенением гомогенного заряда, соединенный с генератором переменной частоты вращения, выход которого соединен с преобразователем частоты, при этом поршневой двигатель внутреннего сгорания соединен с системой утилизации сбросового тепла, а система автоматического управления соединена с поршневым двигателем внутреннего сгорания, генератором, преобразователем частоты, системой утилизации сбросового тепла.