Радченко П. М., Резник А. Г., Данилович А. П. Адаптивный турбонаддув дизель-генератора: текстовая версия

Высокие требования на современных автоматизированных судах к бесперебойному электроснабжению, к качеству электроэнергии, равно как и к эк сплуатационным характеристикам ее источников – дизель-генераторов, обусловливают необходимость качественного управления рабочими процессами вспомогательных дизелей в разных условиях: при с лучайных колебаниях нагрузки, при изменениях параметров окружающего воздуха и забор тной воды, при смене сортов топлива и смазочного масла, а также технического состояния двигателей, их турбокомпрессоров наддува и пр . В указанных условиях остается не до конца решенной проблема возду - хоснабжения двигателей, приводящих во вращение синхронные генераторы, на переходных режимах работы.

Высокая эффективность современных вспомогательных дизель-генераторов характеризуется низким удельным расходом топлива (174–177 г/кВт·ч) и средним (2,5–2,6 МПа) эффективным давлением в номинальном режиме работы. Топливная экономичность обеспечивается свободным газотурбинным наддувом со степенью повышения давления компрессоров до 5,8–6,0. Окружная скорость рабочих колес компрессоров достигает значений около 500 м/с.

Наряду с улучшением удельных мощностных, массогабаритных и экономических характеристик генераторных агрегатов в установившихся режимах работы (рис. 1) в переходных режимах применение свободного наддува приводит к нарушению рабочего процесса дизеля. Это связано с инерционностью ротора турбокомпрессора (ТК) и с наличием дополнительной емкости – ресивера надддувочного воздуха, что также влияет на характеристику двигателя как объекта регулирования.

У двигателей с газотурбинным наддувом ухудшается важная эксплуатационная характеристика дизелей в динамических режимах – приемистость нагрузки. Физически это выражается в увеличении провалов и всплесков угловой скорости дизель-генераторов (ДГ) в периоды резких изменений их активной нагрузки, а также в увеличении времени восстановления угловой скорости. При прочих равных условиях это приводит к ухудшению качества вырабатываемой электроэнергии при том, что в постоянно расширяющемся перечне судовых электроприемников появилась группа (вычислительная техника, автоматика, электронавигационные приборы, цифровая радиоаппаратура, информационно-измерительные и регистрирующие комплексы и др.), которую отличают, напротив, более жесткие требования к качеству электроэнергии.

Объясняется ухудшение приемистости двигателей тем, что роторы турбокомпрессоров со свободным наддувом (ТКСН) при высоких значениях окружной скорости обладают значительной инерционностью и в период резкого наброса/cброса нагрузки изменения частот вращения коленчатого вала дизеля и ротора ТК смещаются по фазе. Таким образом, при резких колебаниях нагрузки двигателя изменения давления наддувочного воздуха отстают по фазе от соответствующих изменений подачи топлива.

Вследствие этого в переходных режимах возникает больше несгоревших паров углеводородного топлива, соответственно, в отработавших газах – твердых частиц (сажи) и вредных недоокислившихся продуктов сгорания: СО, NOx, SOx, НхСх, альдегидов и пр. Происходит дымный выхлоп, вместе с недоокислившимися газами и сажей в атмосферу выбрасывается и не высвободившаяся полностью химическая энергия паров топлива. Твердые пожароопасные частицы сажи осаждаются на стенках камеры сгорания, коллектора, газовой турбины ТКСН и выхлопном тракте дизеля. Образуются потенциальные очаги возгорания, а накапливающийся слой сажи ухудшает теплообмен в блоке цилиндров дизеля. По этой причине приходится чаще проводить моточистки ДГ, ТКСН и глушителя, т. е. повышается трудоемкость их обслуживания на фоне сокращения численности экипажа судна

При запуске дизеля из режима «горячий резерв» недостаточные значения коэффициента избытка воздуха становятся одной из наиболее вероятных причин его незапуска с первой попытки, когда происходит впрыск первых порций топлива, а ТКСН еще не набрал нужных оборотов. Понятно, что незапуск с первой попытки задерживает ввод ДГ в работу, а в случае обесточивания электросети (black out) – восстановление электроснабжения судна.

Неполное сгорание паров топлива у ДГ со свободным турбонаддувом наблюдается также в статических долевых режимах его работы при нагрузках менее 30–40 % номинальной. Более того, в указанном диапазоне нагрузок происходит даже некоторое увеличение удельного расхода топлива по сравнению с агрегатом без турбонаддува (рис. 1). Параметры отработавших газов: количество, давление, температура, а значит, и располагаемая мощность газовой турбины ТКСН (рис. 2, зависимость 2) не обеспечивают в этих режимах надлежащей производительности ТК (кривая 1). Следовательно, не удается получить требуемые (оптимальные) значения коэффициента избытка воздуха в цилиндрах двигателя (рис. 3). Вследствие недостатка кислорода топливо сгорает не полностью, поэтому его удельный расход возрастает. Экономичность ДГ снижается, его экологические и эксплуатационные характеристики ухудшаются. Длительная работа ДГ с нагрузкой менее 30 % номинальной становится недопустимой.
Авторы:  Радченко П. М., Резник А. Г., Данилович А. П.
Источник:  Транспорт РФ. 2015. № 4 (59). С. 53–59.
Ключевые слова:  турбонаддув, дизель-генератор, воздухоснабжение двигателей
Контакты:  mikhaylovich2010@mail.ru