Введение Системы «двигатель внутреннего сгорания (ДВС) - генератор» представляют широкий класс электроэнергетических систем, к которому относятся установки типа «дизель-генератор» (Д-Г), «бензиновый двигатель - генератор», судовые валогенераторные установки, ветроэлектростанции и ряд других электрогенерирующих комплексов. Из приведенных выше систем наибольшее распространение получили установки Д-Г. Они, обладая высокой надежностью, достаточно большим моторесурсом и долговечностью, незаменимы в качестве автономных источников основного или резервного электроснабжения. Подавляющее большинство существующих Д-Г работают с постоянной (номинальной) частотой вращения вала во всем диапазоне изменения нагрузки. Известно, что работа ДВС с постоянной частотой вращения, но при переменной нагрузке, характеризуется неоптимальным (повышенным) расходом топлива. Для выбора экономичного режима работы ДВС удобно использовать его многопараметровую характеристику, которая строится в системе координат, где переменными служат два основных показателя его работы, при различных значениях третьего, используемого в качестве параметра, остающегося постоянным для каждой из нанесенных кривых [1]. На многопараметровой характеристике, представленной на рис. 1, штрихпунктирной линией показана зависимость эффективного давления pe и эффективной мощности Ne от частоты вращения вала ДВС при наименьшем удельном расходе топлива ge. Рис. 1. Многопараметровая характеристика ДВС Согласно рис. 1, для обеспечения экономического режима работы ДВС при оптимальном потреблении топлива необходимо уменьшение частоты его вращения при снижении мощности нагрузки. При этом приводимый во вращение ДВС электрический генератор будет вырабатывать напряжение, частота которого будет меняться и, как правило, будет ниже номинального значения. Это требует совершенно нового подхода к построению системы регулирования Д-Г, которая должна обеспечивать стабилизацию амплитуды и частоты напряжения генераторного комплекса с помощью преобразователя частоты (ПЧ) [1]. Цель исследования - технико-экономическое обоснование применения дизель-генераторных электростанций с переменной частотой вращения вала. Постановка проблемы Нами предложена структура Д-Г электростанции с переменной частотой вращения вала (рис. 2) [2]. Рис. 2. Функциональная схема системы Д-Г переменной частоты вращения: 1 - дизель; 2 - синхронный генератор (СГ); 3 -ПЧ; 4 - датчик тока; 5 - повышающий трансформатор (ПТ); 6 - выходные выводы; 7 - интеллектуальный сервопривод управления топливоподачей; 8 - задатчик экономичного режима (ЗЭР); 9 - электропривод перемещения рейки топливного насоса; 10 - блок возбуждения СГ; 11 - выводы подключения питания блока возбуждения СГ; 12 - блок стабилизации напряжения; 13 - задатчик частоты выходного напряжения; 14 - датчик напряжения; 15 - блок вычисления мощности нагрузки Данное устройство работает следующим образом. Интеллектуальный сервопривод управления топливоподачей, представленный блоком 7, получает сигнал с блока вычисления мощности нагрузки 15, который соединен с выходами датчика напряжения 14 и датчика тока 4, измеряющими соответственно напряжение и ток на выходе ПЧ 3. В зависимости от значения мощности нагрузки блок 8 ЗЭР, в программу работы которого заложены оптимальные зависимости частоты вращения дизеля 1 от мощности нагрузки, соответствующие минимальному расходу топлива, формирует сигнал, пропорциональный оптимальной частоте вращения вала дизеля 1. Этот сигнал поступает на вход электропривода 9 перемещения рейки топливного насоса, который поддерживает частоту вращения дизеля 1 на уровне, заданном блоком 8. Поскольку частота вращения вала дизеля 1 будет изменяться в зависимости от мощности нагрузки, то амплитуда и частота переменного напряжения СГ 2 будут также изменяться в зависимости от мощности нагрузки. Стабилизация амплитуды переменного напряжения на выходных выводах 6 на уровне номинального значения для СГ 2 осуществляется с помощью ПЧ 3 и ПТ 5. Стабилизация выходного напряжения ПЧ 3 на заданном уровне осуществляется с помощью блока 12 стабилизации напряжения. Для повышения выходного напряжения на выходных выводах 6 до уровня номинального напряжения СГ 2 на выходе ПЧ 3 установлен ПТ 5. Блок 10 возбуждения СГ 2, получающий питание через выводы 11 подключения питания, формирует ток в обмотке возбуждения СГ 2 с учетом сигнала от блока ЗЭР 8 и от датчика напряжения 14. Частота выходного напряжения на выходных выводах 6 при изменении частоты вращения вала дизеля 1 поддерживается неизменной с помощью ПЧ 3 на уровне, определяемом блоком задатчика частоты 13 выходного напряжения (рис. 2). Построение Д-Т электростанции, показанное на рис. 2, позволит повысить экономию топлива с переменной частотой вращения вала. Методы и результаты исследования Нами разработана методика расчета топливной экономичности системы Д-Г на базе дизеля переменной частоты вращения. Согласно разработанной методике рассчитывается общий коэффициент полезного действия (КПД) цепи СГ 2 - ПЧ 3 - ПТ 5. Алгоритм расчета КПД учитывает, что элементы электрооборудования, входящие в состав системы Д-Г на базе дизеля переменной частоты вращения (СГ, ПЧ и ПТ), работают при переменной частоте и амплитуде напряжения. Таким образом, для каждого значения мощности нагрузки определяется мощность на валу дизеля 1. Расход топлива дизеля при конкретных значениях мощности нагрузки и частоте вращения вала определяется по его многопараметровой характеристике. С помощью разработанной методики в пакете Mathcad выполнен расчет энергетических характеристик Д-Г электростанций типа SDMO EXEL номинальной мощностью Pном = 727, Pном = 1232 и Pном = 1600 кВт. На основании расчетов были получены зависимости расхода топлива Д-Г в режимах с переменной и постоянной (номинальной) частотами вращения. Построены также диаграммы экономии топлива Д-Г, достигаемой за счет регулирования частоты вращения дизеля в зависимости от мощности нагрузки (рис. 3). а б в Рис. 3. Диаграммы топливной экономичности Д-Г по абсолютному расходу топлива G при различной мощности нагрузки: ΔG - уменьшение абсолютного расхода топлива дизеля; P - мощность нагрузки Д-Г: а - Pном = 727 кВт; б - Pном = 1232 кВт; в - Pном = 1600 кВт Как видно из рис. 3, наибольшая экономия топлива для рассматриваемых Д-Г номинальной мощностью Pном = 727, 1232 и 1600 кВт наблюдается при мощности нагрузки 200-300 и 200-400 кВт соответственно. На основании диаграмм топливной экономичности (рис. 3) и стоимости дополнительного оборудования (ПЧ 3, ПТ 5, интеллектуального сервопривода управления топливоподачей 7, блоков 4, 12-15), которые необходимо установить на Д-Г электростанцию, чтобы обеспечить возможность ее работы в режиме с переменной частотой вращения, нами была проведена оценка экономической эффективности системы Д-Г переменной частоты вращения с использованием «Методических рекомендаций по оценке эффективности инвестиционных проектов», которые утверждены Министерством экономики РФ, Министерством финансов РФ, Государственным комитетом РФ по строительной, архитектурной и жилищной политике [3]. Согласно указанным рекомендациям в качестве критериев эффективности инвестиционного проекта были рассчитаны: чистая текущая стоимость (ЧТС), индекс доходности (ИД), внутренняя норма доходности (ВНД), срок окупаемости инвестиций Ток (табл.) При расчетах коэффициент дисконтирования был равен 20 % в год. Стоимость 1 кг дизельного топлива - 37 руб. Показатели эффективности внедрения Д-Г переменной частоты вращения Номинальная мощность Д-Г, кВт ЧТС, тыс. руб. ИД ВНД, % Ток 727 1504 1,42 40 2,0 1232 4230 1,69 73 2,0 1600 2358 1,23 43 2,0 В результате расчетов, для всех исследуемых Д-Г было получено, что ЧТС > 0, ИД > 1. Следовательно, проект прибыльный и эффективный. Расчетный срок окупаемости проекта Ток равен 2 годами. Выводы 1. Обоснована энергетическая целесообразность применения Д-Г электростанций переменной частоты вращения. 2. Представленные в соответствии с методикой оценки расчеты экономической эффективности свидетельствуют о целесообразности применения Д-Г электростанций переменной частоты вращения.