Удельный расход условного топлива по фактической нагрузке. Эффективный удельный расход топлива

ЭФФЕКТИВНАЯ МОЩНОСТЬ.

Мощность, полученная в цилиндрах двигателя, передаётся на коленчатый вал через КШМ. Передача энергии сопровождается механическими потерями, которые складываются из потерь на трение поршней о стенки цилиндров, в подшипниках коленчатого вала, механизме газораспределения, а также в механизмах, навешанных на двигатель и на "насосные" потери (в 4-х тактных ДВС).

Мощность полезная, развиваемая двигателем на фланце коленчатого вала, отдаваемая потребителю, называется эффективной мощностью (Ne), которая будет меньше индикаторной на величину механических потерь, затрачиваемых на трение и приведение в действие навесных механизмов. Тогда,

где, N m - мощность механических потерь.

СРЕДНЕЕ ЭФФЕКТИВНОЕ ДАВЛЕНИЕ.

При определении эффективной мощности вводят понятие среднего эффективного давления (p e), которое выражается как:

p e = p i ∙ η m

Мы знаем, что такое p i ; аналогично вышесказанному можно придти к заключению, что среднее эффективное давление меньше среднего индикаторного на величину среднего давления механических потерь, т.е.

Тогда, подставляя в формулу индикаторной мощности вместо p i значение p e , получим N е = 52,3D 2 ∙ p е ∙ C m ∙ i [э.л.с.]

Используя формулу находят диаметр цилиндра D =√(Ne/52,3∙Pe∙C m ∙z)

Крутящий момент - взаимосвязан с эффективной мощностью и характеризует нагрузку двигателя Me =716,2 Ne/n [кГ∙м]

Эффективная мощность зависит от ряда параметров:

p е ∙F∙S∙n∙k∙z

Nе = ----- [э.л.с.],

На основании этой зависимости строят графики, показывающие взаимосвязь мощности и параметров, определяющих её. Такие графики называются характеристиками двигателя. Различают скоростные, нагрузочные и винтовые характеристики.

Часовой расход топлива - измеряется в [кг/час] и применяется при нормировании топлива и отчётности (Gч).

Удельным называют часовой расход топлива, отнесённый к единице эффективной мощности. Gч

g e = -- [г/л.с.∙час]

Связь между удельным расходом топлива и эффективным КПД устанавливается по формуле 632

g e = -- [г/л.с.∙час]

Сравним значения удельного расхода топлива:

малооборотные ДВС g e = 0,141-0.165 [кг/элс∙ч]

среднеоборотные ДВС g e = 0,150-0.165 [кг/элс∙ч]

высокооборотные ДВС g e = 0,165-0.180 [кг/элс∙ч]

ПУТИ И СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ МОЩНОСТИ ДВС.

Увеличение мощности ДВС можно выполнить следующими способами:

1. увеличением размеров цилиндров (диаметра - D, хода поршня - S) или количества цилиндров (z), при этом происходит увеличение габаритных размеров двигателя;

2. повышением частоты вращения (числа оборотов - n), при этом снижается срок службы деталей т.к. растут скорости и силы инерции;

3. переходом от 4-х тактных ДВС к 2-х тактным;

4. наддувом двигателя, т.е. подачей в цилиндры воздуха под давлением, что позволяет сжечь больше топлива. Однако, механический наддув позволяет увеличить мощность при ухудшении экономических показателей, а газотурбинный - увеличить мощность при сокращении, или даже при некотором улучшении экономических показателей, например, если

η e = ↓η i ∙η m , но

η i = η t ∙η е, а η t = 1-(1/ε k) , тогда при η m = f(n) ,

η m = Ne/Ni =(Ni-N m)Ni = 1-(N m /Ni)

Газотурбинный наддув 4-х тактных ДВС был осуществлён легко т.к. заполнение цилиндра и его очистка производится во время "насосных" ходов, а всасывающий и выхлопной тракты почти не сообщаются. Давление наддувочного воздуха может быть и больше и меньше давления выхлопа.

В 2-х тактных ДВС давление наддувочного воздуха должно быть больше давления в конце свободного выхлопа. Для этого должна быть достигнута мощность газов турбины, чтобы обеспечить давление наддува. Свободный выхлоп начинают раньше при большем давлении газов и уменьшают УОПТ. В результате этого, из-за догорания на линии расширения, температура газов и их кинетическая энергия будет больше. Кроме того, в наддутой машине уменьшается степень сжатия (E). Делается это для того, чтобы уменьшить Pc и Pz, и не допустить роста механических нагрузок.

Всё сказанное приводит к резкому ухудшению индикаторных показателей:

у ДВС с наддувом g i =125-138 г/лс∙ч;

у ДВС без наддува g i =118-120 г/лс∙ч.

Сохранение или даже улучшение эффективных показателей достигается за счёт резкого роста механического КПД. Он увеличивается потому, что механические потери при неизменных оборотах не растут т.к. N m =f(n) ≈ const.

ТЕРМИЧЕСКИЙ, ИНДИКАТОРНЫЙ, ЭФФЕКТИВНЫЙ, МЕХАНИЧЕСКИЙ КПД.

Определение термического КПД было дано ранее. Несколько дополним его.

Термическим КПД называется отношение тепла, превращенного в полезную работу, ко всему подведенному теплу.

Термический КПД характеризует степень использования тепла в любой конструкции теплового двигателя, а следовательно, учитывает только тепловую потерю при отводе к холодильнику. Тогда формулу термического КПД можно написать в удобном для расчётов виде:

1 λ ∙ ρ k ‾ 1

η t = 1- -- . -----

ε k ‾ 1 λ-1+k∙λ(ρ-1)

Термический КПД возрастает при увеличении степени сжатия, при увеличении показателя адиабаты k и при увеличении давления (степени повышения давления λ).

Термический КПД снижается при увеличении степени предварительного расширения ρ .

Индикаторным КПД называется отношение количества теплоты, перешедшей в индикаторную работу (Q i), ко всему количеству теплоты, затраченной на получение этой работы (Q затр). η i = Q i /Q затр (η i =0,42-0,53).

η i = --- = --- , где

Gч∙Q р н g i ∙ Q р н

632 - термический эквивалент 1 л.с..час [ккал]

Gч - часовой расход топлива;

Q р н – рабочая низшая теплотворная способность топлива.

Этот КПД характеризует тепловые потери с отработавшими газами, с охлаждающей водой, а также потери от неполноты сгорания топлива. Он учитывает всю сумму потерь тепла при осуществлении цикла. Это кроме тепла, уходящего с выхлопными газами, потери, обусловленные наличием теплообмена, неполным сгоранием топлива, недостаточно высокой скоростью сгорания топлива. Увеличение доли тепла, уходящего в стенки цилиндра и с выпускными газами, увеличение неполноты сгорания отрицательно сказывается на индикаторном КПД. С увеличением коэффициента избытка воздуха α индикаторный КПД как правило растёт.

В дизелях η i ≈ 0.4-0.5

Эффективным КПД называется отношение количества теплоты, израсходованной на полезную работу двигателя (Qe), ко всему подведенному теплу (Q).

Он учитывает как тепловые, так и механические потери.

632 Ne 36∙10 5

η е = ---- , или η е = ---

Q р н ∙ Gч Q р н ∙ g e

Зависимость между КПД выразится η е = η i ∙ η m

На диаграмме показаны графики изменения КПД в зависимости от нагрузки при n=const. (η)

0 25 50 75 100 (Ne%)

Сравним дизеля с другими тепловыми машинами по эффективным значениям КПД: малооборотные ДВС η е =0.42-0.39 газовые турбины η е =0.42-0.31

среднеоборотные ДВС η е =0.42-0.37 паровые машины η е <0.20

многооборотные ДВС η е =0.42-0.31 паровые турбины η е >0.30

карбюраторные ДВС η е =0.20-0.28

Следовательно, по удельной затрате тепла, дизель самый экономичный. (η е =0,35-0,42). Однако, в установках с паровыми турбинами применяется более дешёвый мазут и чем больше мощности, тем меньше разность в затратах у дизелей и паровых турбин. А так как турбины имеют ещё ряд преимуществ по сравнению с дизелями, то их на больших мощностях используют чаще. Дизеля сохраняют свою конкурентоспособность в установках мощностью до 45000 л.с.

Механическим КПД называется отношение эффективной мощности к индикаторной, или мощность механических потерь.

η m = Ne/Ni , или η m = p e /p i

Механический КПД показывает ту часть индикаторной мощности, которую желательно бы превратить в полезную эффективную работу. Этот КПД учитывает:

Потери на трение движущихся частей, которые зависят от: материалов, качества изготовления конструкции, обработки и сборки деталей, скорости движения отдельных узлов, давлений в сопряжениях (более половины этих потерь уходит на сопряжение втулка–поршень), качества масла, и т.д.;

- «насосные» потери. В 4-х тактных ДВС к «насосным» потерям относятся затраты энергии на преодоление сопротивлений при очистке цилиндров от продуктов сгорания. Они зависят от моментов открытия впускных и выпускных клапанов (см. круговую диаграмму газораспределения). При позднем открытии впускного клапана давление всасывания будет ниже. При позднем открытии выпускного - давление выпуска будет выше. В обоих случаях увеличивается площадь отрицательной работы. Мощность, затрачиваемая на «насосные» хода, при наддуве может превратиться в полезную работу. (Один из путей повышения КПД.)

Потери затрат мощности приводов навешанных на двигатель механизмов, (характеризует рациональность конструкции);

Для уменьшения механических потерь необходимо содержать и обслуживать двигатель в хорошем техническом состоянии. Поддерживать все необходимые зазоры в рекомендуемых заводом-изготовителем инструкциях, правильно выбирать качество и сорт смазочных материалов. Соблюдать соответствующие температурные режимы, регулировку нагрузки по цилиндрам, температуру воды, масла, чистоту коллекторов, и т.д.

Значения механического КПД.

2-х тактные ДВС 4-х тактных ДВС

без наддува η m = 0.75-0.85 без наддува η m =0.75-0.85

с наддувом η m =0.86-0.93 с наддувом η m =0.85-0.95

ЭКСПЛУАТАЦИЯ ДВС

ВЛИЯНИЕ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ НА РАБОТУ ДИЗЕЛЯ.

При изменении нормальных атмосферных условий (температура t=20°C; барометрическое давление P бар =760 мм.рт.ст.; относительная влажность φ =70%) происходит изменение массового заряда воздуха в цилиндре, а именно: массовый заряд уменьшается при повышении температуры воздуха, при снижении барометрического давления, при увеличении относительной влажности воздуха. При этом:

1 уменьшается среднее индикаторное давление p i ;

2 уменьшается коэффициент избытка воздуха α ;

3 увеличивается температура выхлопных газов Tвг;

4 увеличивается теплонапряжённость деталей ЦПГ;

5 снижается мощность двигателя.

При повышении температуры воздуха, поступающего в цилиндры, уменьшается степень воздушного заряда, а следовательно и коэффициент избытка воздуха. Это приводит к ухудшению сгорания топлива и повышению его расхода. Уменьшается p i , а значит и мощность двигателя. Из-за повышения температуры воздушного заряда повысится температура выхлопных газов, а значит увеличится средняя температура цикла и теплонапряжённость двигателя.

Во избежание тепловой перегрузки двигателя необходимо контролировать его работу по максимальному давлению сгорания (Pz) и по температурам отработавших газов, не допуская их увеличения выше номинальных значений.

Для улучшения параметров необходимо уменьшать подачу топлива за цикл. Это вызывает падение p i и снижение оборотов гребного вала при работе на ВФШ и, как следствие, уменьшение скорости движения судна. В практике эксплуатации главных двигателей принято считать, что при увеличении температуры воздуха на 10°C необходимо либо снизить частоту вращения на 2%, либо уменьшить шаг винта на 3%.

При повышении влажности воздуха уменьшается содержание сухого воздуха в цилиндрах. При этом также изменится (α). В результате ухудшатся условия сгорания, а это также приведёт к уменьшению p i и следовательно - мощности двигателя. Температура газов несколько возрастёт, что будет приводить к перегрузке ДВС.

Кроме того, влияния влажности способствует изменению мощности и возникновению коррозии в цилиндрах двигателя, особенно при работе на сернистых топливах. Поэтому необходимо следить, чтобы во впускном тракте не создавались условия выпадения росы. Точка росы для каждого дизеля с наддувом и воздухоохладителем указывается в его паспорте и формуляре.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВС.

Полное использование мощностей судовых дизелей - одна из главных задач судового механика. Важно, чтобы двигатель работал на такой мощности, которая не выходила бы за пределы его действительных возможностей. Чтобы грамотно решить этот вопрос необходимо знать характеристики дизеля и основы его взаимодействия с потребителем энергии. Режим работы дизеля характеризуется совокупностью параметров: мощностью, экономичностью, частотой вращения, тепловыми и механическими нагрузками. Показатели работы двигателей условно подразделяются на:

1) энергетические - Ni, Ne, Me, p i , p e , n ;

2) экономические - Gч, g e , ε, (i) ;

3) эксплуатационные – давления и температуры, фиксируемые штатными приборами, а также ряд дополнительных параметров, дающих возможность судить о тепловой и механической напряжённости двигателя.

Тепловая напряжённость – в прямой зависимости от нагрузки, характеризуется средним индикаторным давлением или положением рейки ТНВД. Контролируются температуры выхлопных газов (Tв.г.), воды (Tв) и масла (Tм). В последнее время в судовых условиях производят замеры температуры втулок в верхней части цилиндров и в зоне продувочных окон, а также донышка поршня и рамовых подшипников.

Механическая напряжённость - основным критерием которого является максимальное давление сгорания топлива (Pz) и сила инерции движущихся масс (Pj).

Если при работе дизеля его параметры остаются постоянными, то режим называется установившимся. Переход от одного установившегося режима к другому может произойти самопроизвольно под влиянием путевых условий; автоматически - под воздействием регулятора; или вручную - путём воздействия оператором на рейку управления ТНВД.

При достаточном времени выдержки между режимами можно получить совокупность установившихся режимов, связанных между собой закономерным изменением параметров работы двигателя.

Совокупность установившихся режимов, представленная в виде аналитических, табличных или графических зависимостей от основного, заранее выбранного параметра, называется характеристикой дизеля. При этом, если за основной параметр принимают нагрузку, то характеристика называется нагрузочной, а если частоту вращения - то характеристика называется скоростной.

НАГРУЗОЧНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ.

Зависимость параметров работы двигателя от его нагрузки при постоянной частоте вращения называется нагрузочной характеристикой. За независимое переменное принимается Ne или p e , или какое то их отношение, например p e /p eном. На оси ординат откладываются любые, интересующие нас параметры. Как пример, рассмотрим характеристику g e =f(Ne).

Нагрузочные характеристики, снятые при различных оборотах, не совпадают между собой. Поэтому в эксплуатации строят графики совмещённых характеристик, по которым легко определить значение любого параметра, соответствующего данной нагрузке и частоте вращения.

Главные двигатели, при прямой передаче на винт и имеющие всережимный регулятор, в определённых условиях (при изменении нагрузки на винт на мелководье, на поворотах и т.д.) работают по нагрузочной характеристике, если положение органов управления регулятором остаётся неизменным.

Из графика видим, что при данном числе оборотов (n=const) минимальный удельный расход топлива приходится на режим ≈90% полной нагрузки. К сожалению работать постоянно на таком режиме двигатель не может, т.к. меняется и загрузка судна и окружающие условия (глубина фарватера, направление и сила ветра, течения и др.) Но учитывать это надо и при возможности добиваться работы на такой мощности.

Проще обстоит дело с загрузкой дизель-генераторов. Нагрузочная характеристика при номинальных оборотах (n ном) приближённо отражает его работу на генератор.

СКОРОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ.

Скоростная характеристика - зависимость параметров двигателя от частоты его вращения. В зависимости от условий, при которых они получены, скоростные характеристики подразделяются на внешние , винтовые и ограничительные .

На рис. показан общий вид скоростной характеристики, где изменяя количество подаваемого топлива, мы получаем разные обороты и соответствующие им значения выбранных параметров (дв. 6Ч25/34).

К.т.н. А.М. Кузнецов, Московский энергетический институт (ТУ)

Удельный расход условного топлива на производство и отпуск тепловой энергии от ТЭЦ для теплоснабжения потребителей является важным показателем работы ТЭЦ.

В известных всем энергетикам учебниках ранее предлагался физический метод разделения расхода топлива на выработку тепла и электроэнергии на ТЭЦ. Так, например, в учебнике Е.Я. Соколова «Теплофикация и тепловые сети» приведена формула расчета удельного расхода топлива на выработку теплоты на ТЭЦ:

b т =143/η к. с.=143/0,9=159 кг/Гкал, где 143 - количество условного топлива, кг при сжигании которого выделяется 1 Гкал тепловой энергии; η к. с - КПД котельной электростанции с учетом потерь тепла в паропроводах между котельной и машинным залом (принято значение 0,9). А в учебнике В.Я. Рыжкина «Тепловые электрические станции» в примере расчета тепловой схемы турбоустановки Т-250-240 определено, что удельный расход топлива на выработку тепловой энергии составляет 162,5 кг у.т./Гкал.

За рубежом этот метод не применяется, а в нашей стране начиная с 1996 г в РАО «ЕЭС России» стал применяться другой, более совершенный - пропорциональный метод ОРГРЭС. Но и этот метод также дает значительное завышение расхода топлива на выработку тепла на ТЭЦ .

Наиболее правильный расчет затрат топлива на выработку тепла на ТЭЦ дает метод КПД отборов, более подробно представленный в статье . Расчеты, проведенные на основе этого метода, показывают, что расход топлива на выработку тепловой энергии на ТЭЦ с турбинами Т-250-240 составляет 60 кг/Гкал , а на ТЭЦ с турбинами Т-110/120-12,8-5М - 40,7 кг/Гкал .

Рассмотрим метод КПД отборов на примере ПГУ ТЭЦ с паровой турбиной Т-58/77-6,7 . Основные показатели работы такой турбины представлены в таблице, из которой видно, что ее среднезимний режим работы - теплофикационный, а летний - конденсационный. В верхней части таблицы в обоих режимах все параметры одинаковые. Отличие проявляется только в отборах. Это позволяет с уверенностью выполнить расчет расхода топлива в теплофикационном режиме.

Паровая турбина Т-58/77-6,7 предназначена для работы в составе двухконтурной ПГУ-230 на ТЭЦ в районе Молжаниново г. Москвы. Тепловая нагрузка - Q r =586 ГДж/ч (162,8 МВт или 140 Гкал/ч). Изменение электрической мощности турбоустановки при переходе от теплофикационного режима к конденсационному составляет:

N=77,1-58,2=18,9 МВт.

КПД отбора рассчитывается по следующей формуле:

ηт=N/Q r =18,9/162,8=0,116.

При той же тепловой нагрузке (586 ГДж/ч), но при раздельной выработке тепловой энергии в районной отопительной котельной расход топлива составит:

B K =34,1 .Q/ηр к =34,1.586/0,9= =22203 кг/ч (158,6 кг/Гкал), где 34,1 - количество условного топлива, кг, при сжигании которого выделяется 1 ГДж тепловой энергии; η рк. - КПД районной котельной при раздельной выработке энергии (принято значение 0,9).

Расход топлива в энергосистеме на выработку тепла на ТЭЦ с учетом КПД отбора:

где η кс. - КПД котельной замещающей КЭС; ηо - КПД турбоустановки замещающей КЭС; η э с. - КПД электрических сетей при передаче электроэнергии от замещающей КЭС.

Экономия топлива при комбинированной выработке тепловой и электрической энергии по сравнению с районной отопительной котельной: В=В к -В т =22203-7053=15150 кг/ч.

Удельный расход условного топлива на выработку тепловой энергии по методу КПД отборов: b т =В т /Q г =7053/140=50,4 кг/Гкал.

В заключение следует отметить, что метод КПД отборов научно обоснован, правильно учитывает происходящие в энергосистеме процессы в условиях теплофикации, прост в использовании и может найти самое широкое применение.

Литература

1. Рыжкин В.Я. Тепловые электрические станции. М.-Л.: Энергия, 1967. 400 с.

2. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. М.: Энергоиздат, 1982. 360 с.

3. Кузнецов А.М. Сравнение результатов разделения расхода топлива на отпускаемые от ТЭЦ электроэнергию и тепло различными методами // Энергетик. 2006. № 7. С. 21.

4. Кузнецов А.М. Экономия топлива при переводе турбин в теплофикационный режим// Энергетик. 2007. № 1. С. 21-22.

5. Кузнецов А.М. Экономия топлива на блоке с турбиной Т-250-240 и показатели ее работы // Энергосбережение и водоподготовка. 2009. № 1. С. 64-65.

6. Кузнецов А.М. Расчет экономии топлива и показатели работы турбины Т-110/120-12,8-5М // Энергосбережение и водо подготовка. 2009. № 3. С. 42-43.

7. Баринберг Г.Д., Валамин А.Е., Култышев А.Ю. Паровые турбины ЗАО УТЗ для перспективных проектов ПГУ// Теплоэнергетика. 2009. № 9. С. 6-11.

Величина удельного расхода может быть определена как нормативная (путем соответствующих технологических расчетов) либо по данным учета и отчетности предприятия о расходах материалов и выпуске продукции, т.е. как фактическая.
Удельный расход материала на производство единицы продукции может быть разбит на элементы и представлен в виде схемы (рис. 12.2).
Рис. 12.2. Структура удельного расхода материала
Статистическое изучение факторов, определяющих изменение удельного расхода, целесообразно проводить по следующим укрупненным группам:
а) полезный расход. Под ним понимают чистую массу, объем и т.п. в составе годного изделия. Полезный расход можно определить по рабочим чертежам, технологическим картам и другой технологической документации;
б) отходы и потери при обработке. Определяют как разность величин количества материала, запущенного в производство, и материала, содержащегося в годных и забракованных изделиях;
в) потери от брака. Принимают равными чистой массе (объему) забракованных изделий. Эти потери учитываются в фактической величине удельных расходов по всем возможным причинам (использование некачественного сырья, нарушение технологии обработки, ошибки рабочего, использование негодного инструмента и т.д.). Для рациональной организации производства изучение причин появления брака имеет важное практическое значение, так как позволяет принимать конкретные меры по сокращению или полной ликвидации брака.
Известны три основных направления экономии материала за счет сокращения величин удельных расходов: совершенствование конструкции изделий, сокращение отходов при обработке (за
счет использования более совершенных технологий) и ликвидация брака.
Руководители производственного предприятия должны систематически следить за соблюдением нормативов и динамики (изменением во времени) фактических удельных расходов, так как материальные затраты во многих случаях составляют значительную долю в общих затратах на производство и, следовательно, активно влияют на размеры прибыли.
Контроль за соблюдением нормативов и фактической динамикой удельных расходов осуществляется с помощью полученных индексов. В процессе вычисления индексов можно столкнуться с четырьмя случаями.

1. Один вид материала расходуют на производство одного вида продукции (например, расход железной руды на выплавку чугуна).

Расчет по указанной формуле имеет место на предприятиях, производящих однородную продукцию.

1. Один вид материала расходуют на производство нескольких видов продукции (например, расход стали на изготовление валов, шестерен и других изделий). В этом случае вычисляют агрегатный индекс удельного расхода:

1. 5000 + 25,2-5000 611000

1. 5000 + 25,0-5000 "625 000 ’ ’ ИШ ’

1. Различные виды материалов расходуют на производство одного вида продукции (например, расход чугунного и стального
   литья, проката черных металлов и пластических масс на изготовление тракторов). Сводный индекс удельных расходов материалов в этом случае вычисляют по формуле

1. Различные виды материалов расходуют на производство разных видов продукции (например, расход стали, меди и других материалов на производство электромоторов, электрогенераторов и т. п.). Это наиболее общий случай, где сводный индекс удельных расходов материалов может быть рассчитан только на основе денежной их оценки, но с учетом фактически произведенных объемов продукции каждого вида. Формула агрегатного индекса удельных расходов будет следующей: