Аварийно електрозахранване с дизелови агрегати - част 1

ЕлектроапаратурaСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 2, 2015

Аварийно електрозахранване с дизелови агрегати - част 1

Част 1. Основни компоненти на дизеловите електрически агрегати и особености при употребата им като източник на аварийно електрозахранване.

Eлектрическите генератори, задвижвани от двигатели с вътрешно горене (ДВГ), са специфична технология за електропроизводство. Класическите ДВГ са петролните - бензинови и дизелови. Техните предимства в качеството на първичен двигател за електрически генератор са аналогични на тези, които са отредили сегашната им доминираща роля като тип двигател в транспорта.

Съществено предимство е достатъчно високата енергийна плътност на петролните горива, която прави транспорта им рентабилен и позволява складиране на голям запас на място. Това дава възможност един агрегат с ДВГ да може да се изгради навсякъде, където няма никакви местни енергийни ресурси, нито специална инфраструктура за снабдяване, в това число на труднодостъпни места. Резервоарите за гориво могат да са толкова големи, колкото е нужно да се покрие най-дългият възможен период на липса на друго електрозахранване и/или нова доставка на гориво.

Освен това двигателите с вътрешно горене са компактни, евтини, лесни за обслужване и осигуряват бърз и надежден пуск. Разбира се, има добре развити енергийни технологии, които ги превъзхождат по всеки един от изброените показатели поотделно, но за момента няма такава, която да съчетава едновременно всички изброени предимства на ДВГ. Така например газовите турбини могат да имат аналогична и по-висока надеждност и маневреност, при това при много по-висока ефективност, но пък изискват по-обемисти и по-сложни за експлоатация и поддръжка системи, както и инфраструктура за газоснабдяване.

Същевременно, силен ограничаващ фактор е високата себестойност на произведената енергия от генератори с ДВГ в сравнение с другите технологии за електропроизводство – както заради високата цена на горивата, така и заради по-ниския КПД на двигателите с вътрешно горене в сравнение с турбинните технологии.

В крайна сметка ниската начална инвестиция и високите експлоатационни показатели, от една страна, с високата себестойност на произвежданата енергия, от друга, очертават специфичните приложения на електроагрегатите с ДВГ:

Захранване на изолирани консуматори. Колкото по-малък е консуматорът и колкото е по-далеч от съществуващата електроснабдителна мрежа, толкова използването на агрегат с ДВГ е по-изгодно като първоначална инвестиция. Но пък с увеличаване на експлоатационния период расте тежестта на фактора цена на горивото за произведен киловатчас. Така че, на практика, в нашите условия това приложение се ограничава до захранване по време на не много мащабно строителство в труднодостъпни райони. Има и специални групи изолирани консуматори, каквито са например корабните, за които захранването с дизелови агрегати практически няма алтернатива.

Аварийно електрозахранване. Тъй като тук става въпрос за захранване през ограничени периоди от време с малка честота на включване, в този случай цената на горивото има малко значение. На преден план излизат изтъкнатите вече експлоатационни преимущества на ДВГ. Ето защо може да се каже, че това е основното им приложение, поне в нашата страна.

Що се отнася до сравнението между бензиновите и дизеловите двигатели, използвани за електрически генератори, то определено е в полза на вторите. Предимствата на бензиновите двигатели се изчерпват с това, че те са малко по-евтини и малко по-леки. За сметка на това дизеловият двигател има по-дълъг живот и по-дълъг междуремонтен период, и като цяло разходите за поддръжка са по-малки.

Ефективността му, измервана в литри гориво, а също и във финансови средства за произведен киловатчас, е чувствително по-добра. Дизеловото гориво има по-високи температури на кипене и възпламеняване и е по-безопасно от противопожарна гледна точка. Така че бензинови двигатели се използват практически само за най-малките, компактни преносими агрегати, прилагани за битови нужди или за захранване на преносими инструменти. Затова по-нататък ще говорим конкретно за дизеловите агрегати.

Трябва да бъде отбелязан също, извън обхвата на тази статия, един специален сектор на технологията, който търпи особено бързо развитие напоследък – двигателите с вътрешно горене на газ – природен газ, метан, биогаз. Предвид по-сложното снабдяване с гориво и неговото съхранение тези агрегати нямат компактността, независимостта и простотата на обслужване на петролните.

Също така, газовите двигатели имат по-лоша способност за овладяване на преходни процеси при резки изменения на товара. Затова практически не се употребяват за аварийно електрозахранване. Но пък по-ниската цена на природния газ, високата ефективност, в случай че се прилага комбинирано производство на топлина и електричество, и екологичният ефект отреждат все по-голямо място на този тип агрегати за търговско производство в паралел с енергийната система.

Нишата, която те заемат, са относително малките системи, където компактността, простото обслужване и ниска цена на ДВГ надделява над високата ефективност над газо-турбинните инсталации. Типични приложения са системи на природен газ за комбинирано производство на топлина и електричество, например в хотелски комплекси, или производство на електроенергия от биогаз, произведен от специални газгенератори, или уловен при преработка на смет, в пречиствателни станции и др.

Дизеловите електроагрегати са обект основно на две групи стандарти - ISO 8528, която третира електрическите агрегати с ДВГ и ISO 3046, посветена само на ДВГ.

Основни компоненти на дизеловия електрически агрегат
Те са показани схематично на фиг. 1.
1. Дизелов двигател. Цикълът на Дизел включва подаване на въздух, подаване на гориво, сгъстяване на гориво-въздушната смес, нейното самозапалване, при което се извършва полезната работа и изхвърляне на изгорелите газове. Дизеловите двигатели биват двутактови и четиритактови, с различен брой цилиндри. Конструкцията на двигателя не е обект на тази статия. На фигурата са показани основните системи и компоненти, доколкото имат отношение към избора на агрегатите и тяхното управление и контрол.
Горивна система (с червено на фиг. 1)

1.1. Дневен резервоар. Обемът му зависи от необходимото време за работа в режим на аварийно електрозахранване. Обикновено се разполага по-високо от горивната помпа, за да се осигури надеждно снабдяване с гориво при стартиране. Резервоарът трябва да е снабден с отдушник и преливник. Ако е целесъобразно, може да се изгради и допълнителен, по-голям резервоар, свързан с тръбопровод с електрическа или ръчна помпа към дневния.

1.2. Горивна помпа (помпи). Задвижва се от вала на двигателя. Предназначението й е да създава налягането, с което горивото се впръсква в цилиндрите.

1.3. Система за впръскване. Управлява подаването на нужното количество гориво в нужния момент към всеки от цилиндрите. Регулирането на количеството гориво може да става посредством изменение на налягането, посредством дроселова клапа или посредством промяна на отварянето на дюзите на цилиндрите.
Всеки от цилиндрите също така обикновено е снабден и с подгряваща електрическа свещ, улесняваща студения пуск на двигателя.

1.4. Регулатор на обороти. Управлява подаваното количество гориво по обратна връзка от оборотите на двигателя. При работа с изолиран товар, какъвто е случаят с аварийно захранване, поддържането на постоянни обороти осигурява покриването на измененията на товара.

В този случай регулирането без статизъм, наречено още “изохронно”, е за предпочитане, тъй като осигурява номинална честота на консуматорите и неизменен въртящ момент на електрическите двигатели. Обратно - при работа в паралел с друг агрегат или с електроенергийната система е необходимо регулиране със статизъм.

В противен случай агрегатът има само две стабилни състояния - изпада в работа на празен ход, ако честотата на системата е по-висока от неговата настройка, или обратно - в работа на пълна мощност, което компрометира възможността за каквото и да било управление.
Коефициентът на статизъм е dst = (fr-fir)/fr x 100%, където fir е обявената честота на празен ход, а fr е обявената честота при пълна мощност.

Регулаторите на обороти дават възможност за изменение на настройката на fir, при което коефициентът на статизъм остава същият, т.е. fr и всички стойности между fir и fr се изменят пропорционално. При работа в паралел с мрежата агрегат със статично регулиране ще изменя мощността си обратнопропорционално на изменението на честотата на системата с коефициент на пропорционалност, равен на dst; операторът може да променя мощността, изменяйки настройката на оборотите.

При работа на два агрегата, свързани в паралел към изолиран товар, всяко изменение на товара предизвиква изменение на честотата на въртене. Регулаторите на обороти противодействат на това изменение, но установяват мощността на различни от първоначалните обороти; в крайна сметка всеки от агрегатите променя мощността си пропорционално на своя коефициент на статизъм.

През миналия век широко разпространение имаха центробежните механични и хидравличните регулатори на обороти. Съвременните регулатори са цифрови. Обратните връзки се осъществяват чрез електрически датчици и командите се изпълняват от електрически изпълнителни механизми.

Регулирането се осъществява по PID закон. Цифровите регулатори позволяват лесно въвеждане и извеждане на статизъм и регулирането на неговия коефициент. Все пак, масовите агрегати, предназначени за аварийно електрозахранване, се продават с фиксирано изохронно регулиране. За да могат да се използват за работа в паралел, е необходимо да се доставят допълнителни опции.

Система за въздух (с тъмносиньо на фиг. 1)
1.5. Въздушен филтър. Предпазва двигателя от абразивното действие на праха във въздуха, от натрупване на отлагания и частично от химически въздействия. Намалява шума от двигателя.

1.6. Турбокомпресор. Не всички дизелови двигатели, особено по-малките са снабдени с такъв. Предназначението му е да сгъстява въздуха и да го подава с голямо налягане в цилиндрите. По този начин се увеличава количеството кислород и при еднакъв обем на цилиндрите и ход на буталата може да се произведе по-голяма мощност.

Турбокомпресорът се задвижва от изгорелите газове, отвеждани от двигателя. Специално що се отнася до агрегатите за аварийно електрозахранване, двигателите с турбокомпресор имат един недостатък - по-лошата им способност да овладяват големи скокообразни изменения на товара. (На тази особеност ще бъде отделено внимание в продължението на статията.)

1.7. Охладител на въздуха. В зависимост от конструкцията на турбокомпресора се нарича “интеркулър” или “афтъркулър”. Предназначението му е да охлажда въздуха, който се е загрял вследствие на компресирането в турбокомпресора. Охлаждането способства за повишаване количеството подаван кислород и допълнително повишаване на мощността.
Система за отвеждане на отработените газове (с виолетово на фиг. 1)

1.8. Заглушител.
1.9. Гъвкава връзка. Важна е за предпазване на двигателя от ударите, възникващи в системата за отвеждане.
Много е важно изгорелите газове да се отвеждат извън помещението, където е монтиран агрегатът и далеч от въздухоприемниците на самия агрегат и на каквито и да е други системи.
Охладителна система (със светлосиньо на фиг. 1)

1.10. Вентилатор. Куплиран е към вала на двигателя. Доставя пресен въздух за охлаждане. Ако агрегатът е монтиран в помещение или в контейнер е необходимо да се осигури и съответното отвеждане на отработения въздух.

1.11. Жалузийна решетка. Поставя се, когато агрегатът е монтиран в помещение и служи, за да спира притока на студен въздух, когато той не е в процес на работа. При агрегатите за аварийно електрозахранване жалузийната решетка трябва да бъде задължително с автоматично отваряне при старт.

1.12. Водно охлаждане (нарича се "водно", но се подразбира, че е с антифриз). Има малки агрегати, при които охлаждането е само въздушно. Все пак водното охлаждане, въпреки известното усложняване, е за предпочитане. При него се поддържа много по-равномерна температура на двигателя, респективно - увеличава се експлоатационният му срок. Водното охлаждане също така редуцира шума от двигателя.

На фигурата са показани водната помпа, задвижвана от вала на двигателя, водната риза на двигателя, радиаторът за охлаждане на охладителната течност и радиаторът за охлаждане на маслото. За простота не е показано разделянето на циркулацията на два кръга – външен и вътрешен, свързани с термостат.

Много големите агрегати могат да имат външни охладители, снабдени с циркулационни помпи и електрически вентилатори. На практика обаче такива агрегати не се използват за аварийно захранване.

Смазочна система (с кафяво на фиг. 1):
1.13. На фигурата е показана маслената помпа, задвижвана от вала на двигателя, която засмуква масло от картера на двигателя и го доставя към триещите се подвижни части.

2. Стартова система. На фигурата е най-често срещаната система, състояща се от стартерен електромотор, акумулаторна батерия и зарядно устройство. Батериите на агрегатите за аварийно електрозахранване трябва да могат да осигурят 3 пуска по 10 s през интервал от 5 s при околна температура 10° С. Трябва да бъде осигурено постоянно следене и аварийна сигнализация на напрежението на подзаряд. Съществуват и системи за пуск на двигателите с подаване на сгъстен въздух в цилиндрите.

3. Генератор. При агрегатите за аварийно захранване това е синхронен генератор. При обичайните нива на мощността охлаждането на генератора е въздушно. Целесъобразно е лагерите на генератора да бъдат търкалящи.

4. Възбуждане. В съвременните агрегати за аварийно захранване най-разпространената конфигурация е безколекторното възбуждане със захранване от изводите на генератора или от генератор с постоянен магнит.

4.1. Регулатор на напрежение.
В следващите части на статията ще се върнем малко по-подробно на схемите и особеностите на споменатите типове възбудителни системи и на регулаторите на напрежение, както и въобще на електрическите параметри на генераторите.

5. Други спомагателни системи - това биха могли да бъдат например различни системи за поддържане на агрегата в готовност – вж. по-долу.

6. Табло за управление. Включва операторски интерфейс и контролери на регулаторите на обороти и на напрежение, както и контролер за управление и контрол на агрегата (6.1 на фиг. 1). Последният е свързан с датчици, следящи параметрите на всяка от изброените системи. Този контролер осъществява:

• автоматичното пускане на агрегата;
• контрол на електрическите параметри на генератора – напрежение, ток и т. н.; синхронизация с други агрегати или с мрежата, ако е предвидена такава;
• контрол на параметрите на двигателя - температура, налягане на маслото, обороти, работни часове; аларми и автоматично изключване на агрегата при отклонение на параметрите извън заложените ограничения;
• контрол на параметрите на спомагателните системи (например заряда на акумулаторната батерия);
• контрол на готовността на агрегата за пуск.

При агрегати за аварийно електрозахранване системите за управление трябва да имат осигурено независимо захранване. Това би могло да бъде собствена акумулаторна батерия със зарядно устройство. Допуска се обаче за целта да се използва и стартовата батерия.
7. Рама на агрегата.


Материалът продължава в следващите броеве на сп. Инженеринг ревю, където ще се спрем на дефинициите за номинална мощност в зависимост от режима на работа и влиянието на факторите на околната среда върху мощността на агрегатите. Ще бъдат разгледани типични схеми на електрически уредби с агрегати за аварийно захранване и взаимодействието им с UPS системи. Ще бъде разяснено отчитането на стартовата мощност и хармоничните изкривявания на различните типове товари при избора на мощност и други параметри на дизеловите електроагрегати.

Top