Дизель-генератор (дизельная электростанция). Принцип работы

Энергия расширения газов, образующихся при сгорании воспламененного от сжатия топлива, в дизельном двигателе внутреннего сгорания преобразуется посредством кривошипно-шатунного механизма в механическую энергию вращения коленвала. Приводимый от двигателя ротор электрогенератора, вращаясь, возбуждает электро-магнитное поле, создающее индукционный переменный ток в обмотке генератора, который подается на выход – потребителю.

Основные компоненты дизель-генератора

К основным составным частям дизель-генератора (дизельной электростанции) относятся:
• дизельный двигатель с подсистемами его жизнеобеспечения (подача топлива, воздуха, охлаждение);
• синхронный или асинхронный генератор переменного тока - альтернатор;
• система автоматического управления, мониторинга и контроля дизель-генератора;
• рама (тент-каркас, кожух, контейнер) на которой крепится все оборудование, и которая может выполнять дополнительные функции (защита от воздействия внешней среды, шумопоглощение и т.д.)

Двигатели, применяемые в дизель-генераторах

По способу охлаждения различают двигатели:
• воздушного охлаждения (применяются в дизель-генераторах малой мощности);
• жидкостного охлаждения (применяемые жидкости – вода, тосол и т.п.)

По способу подачи воздуха различают двигатели:
• без турбонаддува;
• с турбонаддувом (турбокомпрессор нагнетает воздух в камеру сгорания двигателя, используя привод от выхлопных газов дизеля);
• с турбонаддувом и промежуточным охлаждением наддувочного воздуха.

Генераторы переменного тока

Генераторы переменного тока, называемые также «альтернаторы», служат для преобразования механической энергии вращения в электрическую. Различают синхронные и асинхронные генераторы. Дизель-генераторы могут быть однофазные или трехфазные. Выбор однофазной или трехфазной установки зависит от фазности потребителей и равномерности распределения нагрузки между ними. В трехфазных дизель-генераторах перекос нагрузки между фазами обычно не должен превышать 25 %. Класс защиты генераторов обозначается двумя буквами (IР) и двумя цифрами. Первая цифра означает: «2» - защита от касания пальцами и от проникновения твердых посторонних предметов диаметром более 12 мм;
«4» - защита от касания инструментом, пальцами или проволокой диаметром более 1 мм, защита от проникновения твердых посторонних частиц диаметром более 1 мм;
«5» - полная защита от касания вспомогательными средствами любого типа и от проникновения пыли.
Вторая цифра:
«3» - защита от струй воды, падающих под углом до 60 градусов от вертикали;
«4» - защита от струй воды, падающих под любым углом.

Исполнение дизель-генераторов

Дизельгенераторы выпускаются в разнообразных исполнениях, в соответствии со специфическими требованиями заказчиков. Наиболее часто встречаются следующие исполнения:
• тропическое, северное, морское (в соответствии с климатическими условиями места эксплуатации);
• стационарное или мобильное (дизель-генераторы на прицепах, полуприцепах или самоходных шасси);
• с шумопоглощающей решеткой (кожухом) и без.

Выбор мощности дизель-генератора

Выбор мощности дизель-генератора зависит от предполагаемой нагрузки на него потребителями электроэнергии. При этом необходимо учитывать их вид:
Активные нагрузки – у приборов, в которых вся потребляемая энергия преобразуется в тепло: электроплиты, обогреватели, утюги и т.д. Для определения мощности дизель-генератора в данном случае достаточно просуммировать мощности всех электроприборов с активным видом нагрузки и добавить около 10-20 %.
У реактивных потребителей энергия превращается не только в тепло, часть ее расходуется на другие цели, например, на образование электромагнитных полей.
Мерой реактивности выступает так называемый cosφ, который указывает сколько энергии преобразуется в тепло. Поэтому, чтобы подсчитать «реальное» потребление нужно мощность разделить на cosφ. Например, если на электродрели указано 600 Вт и cosφ=0.7 , это значит, что на инструмент реально будет потреблять от дизель-генератора 600:0.7=857 Вт.
Кроме того, каждый дизель-генератор имеет собственный cosφ , который тоже нужно учитывать. Обычно он равен 0.8, то для работы вышеназванного интрумента от электростанции потребуется 857 Вт : 0.8 = 1071 Вольт Ампер.
Кроме того, необходимо принимать во внимание высокие пусковые токи. Любой электродвигатель в момент включения потребляет энергии в несколько раз больше, чем в штатном режиме. Стартовая перегрузка электростанции очень кратковременна, поэтому важно, чтобы дизель-генератор смог ее выдержать, не отключаясь и тем более не выходя из строя. К примеру, у погружного насоса в момент старта потребление может подскочить в 7-9 раз.
После того, как сложены мощности всех потребителей, следует позаботиться о запасе мощностей. Так как оптимальный режим работы электростанции - это работа на 80% нагрузке, для правильной работы электростанции следует создать запас мощностей 10-20%

Состав дизель-генератора (дизельной электростанции):
• топливная система;
• система выхлопа;
• система шумоподавления;
• контрольно-измерительные приборы и автоматика (КИПиА);
• электрогенератор;
• дизельный двигатель.

Для снижения расхода топлива двигателя применяется турбонаддув. Воздух в таких двигателях, прежде чем попасть в камеру сгорания, сжимается в турбокомпрессоре. Его турбина приводится в движение выхлопными газами. После сжатия воздух охлаждается воздухом или водой и поступает в камеру сгорания двигателя.

Топливная система установки включает:
• расходный топливный бак;
• бак резерва топлива;
• запорную арматуру;
• системы трубопроводов;
• насосный блок;
• контрольно-измерительные приборы.

Расходный топливный бак может быть интегрирован в раму электростанции. Для агрегатов, работающих в режиме резервного автоматического энергоснабжения, интегрированный расходный бак не используется, так как в любой момент уровень топлива в нем должен быть выше уровня точки входа топлива в топливный насос двигателя. В этом случае используется отдельно расположенный топливный бак. В нем уровень топлива поддерживается за счет подкачки топлива насосным блоком состоящим из ручного и электрического насосов и устройства автоматизированного контроля уровня.
Так обеспечивается надежный топливный резерв на случай аварийного автоматического запуска агрегата.

Режим работы дизельной электростанции

Как правило, ДЭС работает в двух основных режимах эксплуатации:
• длительный;
• резервный (в случае перебоев в сети).

В соответствии с режимом работы электростанции выбирается способ управления - ручной или автоматический.

Для длительного режима эксплуатации предпочтительнее ручной режим управления. При этом следует контролировать следующие параметры:
• давление масла двигателя;
• число оборотов генератора;
• уровень и температуру охлаждающей жидкости;
• напряжение в сети.

Для автоматического резервного режима работы требуется более сложная схема управления и больший набор элементов автоматики.

Продолжительность работы дизельной электростанции

Достигнуть большей продолжительности необслуживаемой работы дизель-генератора можно двумя способами: увеличивая объемы топливных расходных емкостей самих дизель-генераторов или же организуя автоматизированную подачу топлива и масла в расходные емкости по топливопроводам из емкостей-хранилищ.

Для автономных передвижных установок ввиду невозможности использования обоих способов продолжительность необслуживаемой работы составляет 4 часа (для станций мощностью до 30 кВт — 8 часов). Для автономных стационарных возможна установка топливного бака большей емкости — на непрерывную работу 24 часа (для станций мощностью от 60 кВт в этом случае реализуется автоматическая закачка топлива из внешней емкости-хранилища). Для резервных дизель-генераторов рекомендуемое время необслуживаемой работы — 24 часа.

Установка дополнительного оборудования для непрерывной работы электростанции в течение 150-240 часов — достаточно дорогой вариант и не всегда экономически оправдан.

Дизельные генераторы: настоящее и будущее

Довольно сложно представить жизнь в современном мире без электричества: сегодня люди напрямую зависят от бесперебойной поставки электроэнергии, и потребность в ней возрастает с каждым днем. Участившиеся в последнее время отключения электроэнергии, не справляющаяся с нагрузкой система центрального энергоснабжения вынуждает многие предприятия и частных лиц искать возможность автономного обеспечения электрической энергией. Возрастающая популярность электрогенераторов среди широкого круга потребителей электроэнергии имеет несколько объяснений. Во-первых, автономные электрогенераторы незаменимы в качестве аварийных и резервных источников энергии на тех объектах, где прекращение подачи электричества может угрожать жизни и деятельности людей, а также на предприятиях с непрерывных циклом, где остановка производства может привести к огромным потерям. Во-вторых, электрогенераторы востребованы там, где подключение к центральной энергосистеме невозможно по причине отсутствия лимитов или удаленности сети от местонахождения объектов. В-третьих, они незаменимы при аварийно-спасательных и ремонтных работах, где невозможно обойтись без мобильных автономных источников энергии.

Для обеспечения бесперебойного обеспечения объектов электроэнергией сегодня все больше используются дизельные генераторы. Дизельные генераторы состоят из дизельного двигателя и генератора переменного тока, установленных на раме, а также системы вентиляции, контроля и управления электростанцией. Принцип их работы достаточно прост: энергия, высвобождающаяся при сгорании топлива, приводит в движение кoленвал; вращающийся ротор генератора, в свою очередь, воздействует на обмотку статора, где и создается индукционный переменный ток. Таким образом осуществляется преобразование механической энергии в электрическую.

Дизельные генераторы имеют несколько несомненных преимуществ перед другими электрогенераторами: низкую стоимость, дешевизну и экономичность расхода топлива, возможность продолжительной автономной работы. Электроэнергия, вырабатываемая дизель-генераторами имеет низкую себестоимость и, следовательно, приобретённая установка окупается очень быстро.

Сегодня дизель-генераторы производятся множеством иностранных и российских компаний. Они разнообразны по мощности (от 2кВт до 3 МВт), виду тока (однофазный, трехфазный), частоте тока (50, 60, 400 Гц). Стоимость предлагаемых сегодня дизельных электростанций напрямую зависит марки производителя, вида двигателя и выходной мощности электроагрегата.

Дизельные генераторы могут иметь различную степень автоматизации. Они могут запускаться вручную (1-ая степень автоматизации), автоматически при отключении основного питания (2-ая степень автоматизации), а также обладать дополнительной системой дозаправки топлива и масла (3-я степень автоматизации).

В настоящее время возрастает популярность генераторов контейнерного типа, которые решают проблему монтажа электроагрегата. В этом случае отпадает необходимость оборудовать специальное помещение, обеспечивать вентиляцию и освещение. Дизельные генераторы контейнерного типа обладают высокой степенью надежности, т.к. они защищены цельным термоизоляционным корпусом от неблагоприятных погодных условий, механических повреждений, воздействия низких температур и перегрева.

Современные дизель-генераторы управляются при помощи системы контроля, управления и мониторинга, который позволяет вовремя узнавать об аварийных ситуациях. Это очень важно для обеспечения бесперебойной работы агрегата. При этом пульт может располагаться как непосредственно на генераторе, так и в удалении от него. Уже сегодня для дистанционного мониторинга и контроля работы электроагрегата в системах управления применяются проводные и беспроводные каналы. Кроме этого, система может управляться по GSM и GPRS каналам, при использовании которых дистанция между электроагрегатом и контрольным пультом не ограничена.

Что же ждёт дизельные генераторы в будущем? Несомненно, спрос на них будет увеличиваться в связи с ростом производственных мощностей и индивидуальных потребностей человека.

Уже сегодня достаточно большое число руководителей крупных и средних предприятий осознает преимущества дизельных электростанций и начинает реструктуризацию мощностей с использованием генераторных установок. Огромное количество реализованных проектов энергоснабжения с использованием дизель-генераторных установок говорит о перспективности развития этого направления машиностроения. Кроме того, современные требования универсализации производства и расположения производственных линий в определенном месте очень часто не могут быть выполнены без автономных источников энергии, среди которых дизельные генераторы являются наиболее совершенными.