Дизель генераторы появились в конце XIX века, а массово их начали применять в середине XX. Они обеспечивают основное, аварийное или резервное электропитание объектов, где нет доступа к централизованным сетям или возникают перебои с напряжением. За время эксплуатации устройство и принцип работы дизельного генератора кардинальным образом не изменились – инженерные решения касались лишь повышения их эффективности. Рассмотрим, из чего состоит и как работает электростанция.
Основные узлы и устройство дизельного генератора
Эффективно работает дизельный генератор только при слаженном взаимодействии всех «шестеренок и винтиков» механизма. Рассмотрим его ключевые системы.
Дизельный двигатель
Силовая установка превращает энергию дизельного топлива в крутящий момент в четыре этапа:
- Впрыск воздуха. При движении поршня вниз открывается впускной клапан, впуская воздух в цилиндр вследствие разрежения атмосферы внутри него.
- Сжатие с впрыском топлива. В процессе движения поршня вверх – к верхней мертвой точке – воздух сжимается в десятки раз, нагреваясь до ~800 °C. За 15–25° до ВМТ форсунка распыляет топливо под давлением 140–220 атмосфер, которое мгновенно окисляется.
- Сгорание. В цилиндре образуется высокотемпературная среда под давлением. В момент достижения поршнем верхней мертвой точки оно самовоспламеняется. Мгновенно расширяющиеся горячие газы толкают поршень вниз. Через шатунный механизм передает усилие на коленчатый вал (коленвал), преобразуя поступательно-возвратное движение во вращательное.
- Выпуск газов. При движении поршня к нижней мертвой точке открывается выпускной клапан, отработанные газы под давлением выходят в выхлопную систему, давление внутри цилиндра снижается до атмосферного.
Генератор (альтернатор)
Альтернатор трансформирует получаемую от коленвала механическую энергию в электрическую. Состоит из трех компонентов.
- подвижного ротора с постоянными магнитами;
- статора с обмотками;
- регулятора напряжения.
Система возбуждения создает постоянное магнитное поле на роторе. Вследствие вращения последнего его магнитное поле проходит сквозь обмотки статора, что вызывает в них переменное напряжение. Автоматический регулятор напряжения (AVR) стабилизирует выходное напряжение, управляя током возбуждения ротора.
Система подачи топлива
Состоит из топливного бака, фильтра (-ов), топливопроводов низкого и высокого давления, топливного насоса высокого давления (ТНВД) и форсунки. Она хранит, очищает и доставляет дизель нормированными порциями в цилиндр.
Как работает. Из бака через фильтр или пару топливо по шлангу низкого давления поступает к ТНВД. Он прокачивает горючее под давлением 120–200+ атмосфер к форсунке. Она в нужный момент времени распыляет порцию топлива внутри камеры сгорания.
Система охлаждения
В дизельных электростанциях преимущественно применяют жидкостное охлаждение. Оно исключает перегрев и поддерживает рабочую температуру двигателя в пределах 80–95 °С. Состоит из:
- радиатора – охлаждается воздушным потоком;
- обдувающего вентилятора;
- водопроводов;
- жидкости: вода, антифриз, тосол;
- рубашки охлаждения – водяных каналов внутри блока двигателя;
- термостата;
- помпы – прокачивает жидкость через контур охлаждения.
Замкнутость системы повышает точку кипения воды на 5–20 °C.
Система смазки
Задача – создать масляную пленку между трущимися поверхностями для уменьшения трения – снижения температуры и увеличения срока эксплуатации. Масляный насос подает смазку с картера по каналам блока под давлением по каналам внутри блока для создания защитной пленки и путем ее разбрызгивания. Фильтр очищает масло от металлической стружки.
Система выпуска
Забирает отработанные газы из цилиндра, фильтрует и отводит их в атмосферу. Глушитель снижает уровень шума двигателя, искрогаситель улавливает искры, а фильтр – частицы сажи.
Система управления и автоматики
Система датчиков следит за тем, как работает дизельный генератор: мониторит температуру поршневой группы, обороты двигателя, масляное давление, параметры вырабатываемого напряжения и т.д. Микроконтроллер анализирует эту информацию и подает соответствующие команды.
Пульт управления с индикацией позволяют оператору следить за работой установки и вмешиваться в нее. Система АВР автоматически запустит ДЭС после исчезновения или выходе напряжения за допустимые пределы и переключит питание на резервное.
Рама и виброизоляция
Все устройства или узлы дизель-генераторной установки (ДГУ) крепятся к жесткой стальной раме. Портативные модели оснащают монтажными элементами (отверстиями), ножками, ручками, колесами для транспортировки, проушинами, стационарные – виброизоляторами, амортизаторами. Каркас дополнительно защищает узлы от механических повреждений, снижает шумность установки и поглощает вибрации.
Принцип работы дизель-генератора
Сложим целостную картинку. Электростанция вырабатывает электричество благодаря цепочке превращений. Сначала дизельное топливо сгорает, затем энергия горячих газов создает механическую энергию, а уже она превращается в электрическую.
- Оператор или автоматический ввод резерва запускают ДВС.
- Топливная система дозированно доставляет и распыляет горючее в камере сгорания в нужный момент.
- При его сгорании образуются газы, которые, расширяясь, толкают поршень.
- Тот вследствие вращает коленвал.
- Коленчатый вал через муфту передает крутящий момент ротору альтернатора.
- При вращении ротора его магнитное поле вызывает появление переменного напряжения.
Параллельно с этим:
- Датчики следят за рабочими параметрами генератора переменного тока.
- Контроллер постоянно получает информацию с сенсоров и отправляет управляющие команды: остановка двигателя, изменение частоты вращения, вывод предупреждений.
- Смазываются и охлаждаются трущиеся компоненты.
- Гасятся вибрации, искры, шум.
- Очищаются воздух, топливо, выхлопы.
Результат стабильной работы дизельного генератора – стабильная продолжительная выработка электрической энергии, а при наличии АВР – автоматизация запуска / остановки ДЭС.
Заключение
Дизельные электростанции за десятилетия развития из системы «мотор-альтернатор» превратились в отлаженные автоматизированные энергетические системы. Зная принцип работы дизельного генератора и его узлов, вы сможете правильно выбрать источник питания, ввести его в эксплуатацию, провести техническое обслуживание, выявить и устранить неполадки, минимизируя простои.