Регистрация
РУС ENG
Расширенный поиск
http://www.eprussia.ru/teploenergetika/32/9362793.htm
Газета "Энергетика и промышленность России" | № 05 (32) октябрь 2017 года

Поршень заменит обратную связь

Поршень заменит обратную связь

В подмосковном наукограде Королеве разрабатывают поршневые двигатели, способные работать фактически без системы автоматического регулирования частоты вращения вала.

В генерирующих установках малой энергетики с тепловыми двигателями, приводящими генераторы, существует проблема автономной работы этих установок от централизованных электрических сетей. Такими двигателями, если говорить о паровых мини-ТЭЦ, служат паровые турбины. Однако поршневой двигатель обладает меньшим расходом рабочего тела, его конструкцию принципиально возможно сделать такой же компактной и легкой, а от системы стабилизации частоты вращения вала вообще допустимо отказаться. В наш век высоких технологий техника паровых машин (паровых поршневых двигателей) из прошлого, модернизированная на современном уровне развития машиностроения и материаловедения, с успехом может оказаться востребованной на генерирующих объектах малой энергетики.



Работать без сети

При функционировании мини-ТЭЦ автономно от централизованных электрических сетей возникает проблема самостоятельной стабилизации частоты напряжения и тока генератора с весьма высокой точностью. Данное обстоятельство является одной из основных причин, сдерживающих распространение автономной генерации электрической энергии. Действующий национальный стандарт (ГОСТ Р 54149‑2010. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. – М., 2012) на показатели качества сетевой электрической энергии был введен в России с 1 января 2013 года взамен ГОСТ 13109‑97. Согласно этому документу, как сложилось уже давно, предусматривается нормальное допустимое отклонение частоты напряжения и тока, равное 50 ± 0,2 Гц (50 Гц ± 0,4 %).

В централизованной энергетике частота напряжения и тока поддерживается единой во всей электроэнергетической системе, потому что генераторы электрических станций работают в ней параллельно и стабилизация частоты осуществляется через Центральное диспетчерское управление Единой электроэнергетической системы путем включения и выключения, в первую очередь, турбин гидравлических электрических станций.

При автономной генерации для поддержания частоты напряжения и тока, как в обычной розетке, необходима высокоточная стабилизация частоты вращения выходного вала приводного двигателя, вращающего ротор синхронного генератора. Но ни для одного из тепловых двигателей технически не представляется возможным, используя соответствующую автоматическую систему управления, стабилизировать частоту вращения вала так точно, чтобы обеспечить привод генератора для выработки электрической энергии с требуемыми по упомянутому выше стандарту показателями качества в отношении отклонений частоты напряжения и тока от номинального значения. Дизель-генераторы, например, в установившемся режиме могут обеспечивать точность поддержания частоты напряжения генератора в нормальном режиме на уровне 50 Гц ± 1 %, а при сбросах и набросах нагрузки отклонение частоты должно составлять не более 50 Гц ± 5 % (ГОСТ 13822‑82. Электроагрегаты и передвижные электростанции дизельные. Общие технические условия. – М., 1989). Как видно из примера, здесь имеют место гораздо более грубые отклонения частоты напряжения и тока, чем в обычной розетке.
Известным решением данной проблемы является классический метод: генерация напряжения с грубой стабилизацией его частоты, выпрямление напряжения и его инвертирование для преобразования постоянного напряжения в переменное уже более стабильной частоты. Очевидно, что такая преобразовательная система приводит к снижению электрического КПД и надежности всей генерирующей установки, увеличению ее стоимости.



Важное открытие

Как известно, любая автоматическая система стабилизации частоты вращения вала теплового двигателя обязательно должна иметь в своем составе, в частности, датчик частоты вращения и исполнительный орган, управляющий потоком рабочего тела. В качестве такого датчика, к примеру, широко используется центробежный регулятор, предложенный англичанином Джеймсом Уаттом еще на заре эпохи паровых машин.

В 1980‑е гг. русский инженер Владимир Дубинин открыл физическое явление самостабилизации частоты вращения вала у тепловых двигателей дискретного действия (ТДДД), которыми являются только поршневые двигатели (В. С. Дубинин. Обеспечение независимости электро- и теплоснабжения России от электрических сетей на базе поршневых технологий: монография. – М., 2009). Например, техническим объектом для реализации самостабилизации частоты вращения коленчатого вала может выступать паровая машина современной конструкции для привода синхронного генератора на мини-ТЭЦ.



Новый метод

Теорию процесса самостабилизации частоты вращения вала для ТДДД разработал В. С. Дубинин и он же экспериментально подтвердил на авиамодельном микродвигателе типа «Радуга-10» возможность ее технической реализации. Развитием же данной теории и методов практического расчета процесса самостабилизации занимается в настоящее время инженер Сергей Шкарупа (С. О. Шкарупа. Использование точечного преобразования для аналитического описания переходного процесса в тепловом двигателе дискретного действия// Динамика сложных систем. – 2010. – № 2. – С. 39‑42; С. О. Шкарупа, Э. К. Аракелян. Экспериментальное исследование явления самостабилизации частоты вращения одноцилиндрового пневматического поршневого двигателя// Вестник МЭИ. – 2017. – № 1. – С. 84‑91) из объединенной научной группы «Промтеплоэнергетика» Колледжа космического машиностроения и технологий Московского государственного областного технологического университета в наукограде Королеве. Вместе с ним над этим работают сотрудники упомянутой выше научной группы и университетского студенческого конструкторского бюро под научным руководством В. С. Дубинина – видного ученого в области паровых поршневых двигателей.

ТДДД является нелинейной системой с двумя степенями свободы, первая из которых связана с движением коленчатого вала, а вторая – с подачей пара в поршневую расширительную машину (двигатель) за счет вращения золотника или движения клапанов. Когда происходит самостабилизация частоты вращения вала, эта машина с источником пара подобна при своей работе анкерному механизму в механических часах, а задающий генератор импульсов подачи пара функционально действует аналогично маятнику.

Рабочий процесс ТДДД с самостабилизацией частоты вращения вала осуществляется без обратных связей и дискретно – при импульсной подаче или выработке рабочего тела (например, пара) через равные промежутки времени (положительное решение о выдаче патента РФ на изобретение по заявке № 4951329 / 29 (055249). Способ работы поршневой расширительной машины / В. С. Дубинин. Заявл.: 27.06.1991). Датчик частоты вращения не используется. Процесс происходит подобно тому, как механические часы сохраняют постоянную частоту своего хода (вращения) за счет маятника (задающего генератора), взаимодействующего с нелинейным звеном – анкерным механизмом.



Теория для практики

В свое время В. С. Дубининым была рассмотрена устойчивость сохранения частоты вращения выходного вала ТДДД, обладающего свойством самостабилизации этого параметра, с использованием математического метода точечных преобразований. Последний, по всей видимости, как предполагает В. С. Дубинин, впервые был применен для механических систем выдающимся академиком Александром Андроновым (А. А. Андронов, А. А. Витт, С. Э. Хайкин. Теория колебаний. – М., 1981), а затем – его учеником и последователем, механиком Николаем Баутиным (Н. Н. Баутин. Динамическая теория часов. Стабилизация периода в колебательных системах с двумя степенями свободы. – М., 1986). Такой подход дал возможность проводить качественный анализ технических систем данного класса. Для сравнения различных моделей, а также более глубокого понимания физической картины явления самостабилизации частоты вращения вала ТДДД важно знать количественные характеристики переходного процесса при различных вариантах нагружения двигателя.

Теория нелинейной системы с двумя степенями свободы, описывающая работу одноцилиндрового (элементарного) ТДДД с самостабилизацией частоты вращения вала, подробно изложена в упомянутой выше монографии В. С. Дубинина. Полученные в данной теории результаты позволяют оценить качество переходных процессов в таком ТДДД. Это дает возможность для конкретных групп потребителей электрической энергии, с учетом требований к качеству последней по частоте напряжения и тока, определить целесообразность автономной генерации электрической энергии с использованием ТДДД. Данное обстоятельство открывает перспективы широкого распространения автономной энергетики в нашей стране и за рубежом. Причем, стоит отметить, все сказанное выше по поводу реализации явления самостабилизации частоты вращения вала в равной степени относится как к поршневым двигателям внешнего, так и внутреннего сгорания.

Отправить на Email

Для добавления комментария, пожалуйста, авторизуйтесь на сайте

Также читайте в номере № 05 (32) октябрь 2017 года:

    << | < 1
  • 1
  • > | >>