Дизельные и газовые двигатели (поршневые)

В тех случаях, когда больше нужна механическая работа, порпшевые двигатели имеют ряд преимуществ по сравнению с газовой турбиной. Обычно КПД их выше, чем у турбины, и составляет 30—35%; кроме того, они дешевле (хотя в настоящее время имеется тенденция к уравниванию стоимости поршневых двигателей и га- 26

Рис.

зовых турбин). Однако вспомогательные системы, необходимые для поршневых двигателей, например системы охлаждения, приводят к значительному расходу энергии. Эти агрегаты имеют более низкое отношение мощности к весу, а их сбросные газы при неудовлетворительной эксплуатации могут быть источником значительного загрязнения атмосферы.

Имеется два типа поршневых двигателей, работающих на двух видах топлив с искровым зажиганием. Два вида топлива используется для двигателей, которые работают в дизельном цикле, при этом для зажигания применяется дизельное топливо, а основным топливом служит природный газ. Это. позволяет одновременно сжигать распыленное жидкое топливо и газ, и двигатель имеет такие же характеристики, как и двигатели, работающие на чистом природном газе. В тех случаях, когда нет природного газа, двигатель этого типа может без отключения немедленно переключаться на 100%:ное дизельное топливо. Расход дизельного топлива в данном .двигателе составляет приблизительно 5—10% суммарного.

Двигатели с искровым зажиганием в прошлом в Великобритании использовались редко. Ограничением в их использовании являлась цена на газ с его высоким содержанием водорода. Поэтому крупные двигатели с искровым зажиганием в основном производились в Центральной Европе и в США, а в Великобритании применялись двигатели, работающие на двойном топливе.

Чтобы увеличить мощность двигателей, обычно используют турбокомпрессор, Мощность двигателя с высокой степенью сжатия (10,5 : 1), на 35% выше, чем двигателя с низкой степенью сжатия без наддува (7,5 ¦ 1), при том же самом рабочем объеме. Тем не менее из-за необходимости применения более крупных подшипников и коленчатых валов и усложнения конструкции охлаждающей рубашки первоначальная цена за киловатт для двигателя с турбокомпрессором может достигать цены за киловатт для двигателя без наддува при одинаковой производительности.

Ниже приводятся типовые мощности газовых первичных двигателей, а на рис. 2.8 [2.111 — влияние числа оборотов на экономию топлива при изменении эффективной мощности двигателя, работающего на природном газе.

Тип              Мощность,              МВт

Газовые промышленные турбины

Centrax               0,5—0,7

R ustcn                                          1,1—3,7

John .Brown              .              •              3—54

GEC-Engl'ish Electric               6-60

Rolls Royce              13—20

Газовые турбины газогенераторных установок

Rolls Royce              *              .              13-^25

Waukesha                  0,33

Kongsberg . . .                ;              1,2—1,4

Solar               ;              0,06—2.6

Avco Lucoming .                :              .              .

Suizer              I              . .                3—20

Поршневые двигатели, использующие двойное топливо.

W. Н. Allen               '. ;              0,24—2,3

English Electric                            0,6—2,6

Mirrlees                                          0,75—5

Rusion                •              1—3,5

Поршневые двигатели с искровым зажиганием

GES Diesels              0,04—0.2

Cummings              0,14—0,3

Caterpillar              0,1—0,7

Waukesha               0,1 —1,4

White—Superior              0,1—1,55

Как утверждают производители специальных двигателей, работающих на природном газе и предназначаемых для промышленных целей, классический автомобильный двигатель рассчитан на относительно короткий срок              службы,              он              менее              надежен              и              поэтому              требует

значительных затрат              на              ремонт.              Однако              стоимость              модернизирован

ного дизельного двигателя Форда, применяемого для привода компрессора и использующего в качестве топлива природный газ, менее 35% стоимости аналогичного газового двигателя. Характеристики некоторых из автомобильных двигателей при переходе их на природный газ приводятся в табл. 2.1, а подробная характеристика модернизированного двигателя Форда — на рис. 2.9.

Модернизация двигателей требует наличия нового карбюратора. Такие карбюраторы поставляет американская фирма Impco.

28

Рис. 2.9. Рабочие характеристики автомобильного двигателя, переведенного на природный

газ

Рис. 2.10. Дизельная установка с комбинированной утилизационной системой:

/ — дополнительный подогреватель 250 кВт; 2 — по* гружной подогреватель 250 кВт; 3 — резервуар для аккумулирования теплоты; 4 — ночной нагреватель 30 кВт; 5 —измерители нагрузки; 6 — нагреватель 250 кВг; 7 — внешний радиатор; 8 — теплообменник с водяной рубашкой; 9 — регулирующий клапан; /0 —gt; утилизатор теплоты выхлопных газов; // — радиатор; /2— двигатель мощноеіью 400 кВт

Утилизация сбросной теплоты поршневых двигателей.

Дизельная установка с комбинированной утилизационной системой для использования сбросной теплоты водяного охлаждения и отработанных газов, работающая на заводе фирмы Petbow в Великобритании, приводится на рис. 2.10 [2.14]. Здесь применяются дизельные

Т а б л и ц а 2.1. * Характеристики автомвбидьиого двигателя яри переводе его на природный газ [2.131              .              .

* Применяются для тракторов, автопогрузчиков и т. д.

** Автомобильные двигатели, редко применяемые для стационарных установок.

*** Модернизированные дизельные двигатели, предназначенные первоначально для работы на сжиженном газе.

** V-образные цилиндры.

Таблица 2.2. Удельные расходы топлива и теплоты, утилизируемой

от двигателей различного типа

Примечание.

двигатели фирмы Rolls Roy се мощностью 500 кВА, причем один. из. трех всегда является резервным,..

Аккумулирующий резервуар рассчитан на 95 м3. Еода поддержи-. вается почти при температуре, кипения и насосом подается в заводское здание в специальные нагревательные установки, расположенные в каждом пролете на уровне крыши для нагрева воздуха. Используются погружной нагреватель на 30 кВт для поддержания номинальной температуры воды в резервуаре в течение ночи, дополнительный погружной нагреватель на 250 кВт для обеспечения быстрого Нагрева рано утром и внешний радиатор для сброса теплоты в особенно жаркое время.

Общая стоимость системы 200 тыс. ф. ст. Дизельные двигатели будут использоваться для выработки электроэнергии в тех случаях, когда на заводе появятся возможности использования сбросной теплоты этих двигателей для целей теплоснабжения. При этом экономично осуществлять выработку электроэнергии этими двигателями в течение дня и только 8 мес в году, а ночью и летом использовать электроэнергию от энергосистемы.

Имеется много других сфер использования сбросной теплоты. Кроме выработки электроэнергии поршневые двигатели могут использоваться в системах кондиционирования воздуха и получения холода; газотурбинный двигатель может служить приводом холодильных установок, при этом при изменении нагрузки легко осуществляется регулирование. Еще одна область применения ,—т привод для центробежных компрессоров. При этом установлено; что по стоимости и эксплуатационным расходам оптимальным является двигатель с частотой вращения 900 мин-1.

Одна из наиболее интересных областей применения дизельного газового двигателя — привод теплонасосного компрессора. В этом случае возможность использовать сбросную теплоту делает эту систему в сравнении с электрической гораздо более эффективной с точки зрения расхода энергии, о чем подробно будет излагаться в гл. 7. Другие области применения приводятся в [2.12, 2.15, 2.16].

Ремонт и надежность. В США все больше заключается контрактов на гарантийный ремонт н обслуживание. Контракты на ремонт варьируются от контрактов на полный ремонт и обслуживания, включающих поставку запасных деталей и рабочей силы, до контрактов, по которым производится только 'ремонт двигателя.

Полные эксплуатационные расходы состоят из трех основных составляющих:

расходов на различный ремонт и обслуживание, включая рекомендации по обслуживанию плюс подготовка топлива;

расходов на капитальный ремонт, обычно выражаемых как цена за час работы двигателя. Сюда входит вся работа и все обязанности, необходимые для выполнения крупного и мелкого капитального ремонта в рекомендуемые интервалы;

стоимости рабочей силы, необходимой для выполнения ремонта и обслуживания.

Таблица 2.3. Расходы на утилизацию теплоты при использовании двигателі мощностью 1—2 МВт

* В скобках — в среднем.

Примечание. Характеристики топлива!

Стоимость,              Частота вращения

пенс/МДж              двигателя,              мии-1

Класс А/В              .              ...              .              12,65-10-*              750

Класс F              10,75 10-*              750—600

Класс G              9,05-10-*              600—500

Двойное топливо              ,              ,              , .              .              .              ,              10,4 Ю-*              750—600

32

Первая и Вторая составляющие расходов могут изменяться в больших пределах в зависимости от сложности и назначения двигателя, а третья зависит от стоимости рабочей силы и размещения установки с учетом расстояния от пункта отправления обслуживающего персонала.

Расходы для поршневых двигателей мощностью от 1 до 2 МВт приводятся в табл. 2.3. Это — данные [2.17] для поршневых двигателей, работающих на газойле (класс А/В), на нефтяных остатках (классы F, G), и природном газе (в системах с двойным топливом); значения удельных расходов на утилизацию сбросной теплоты приняты равными 0,45 пенс/(кВт*ч) для сбросной теплоты и 0,95 пенс/(кВт-ч) для всей утилизированной теплоты (включая теплоту, утилизируемую от водяной рубашки).