ГАЗОПОРШНЕВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 2011 года по МПК F02B63/04 

Изобретение относится к области энергетики, в частности к силовым установкам на базе двигателей внутреннего сгорания, и может быть использована в качестве источника электроэнергии в передвижных или стационарных электростанциях, работающих на природном газе.

Известна газопоршневая энергетическая установка, которая содержит генератор и газовый двигатель, выполненный в виде двигателя внутреннего сгорания, имеющего блок цилиндров с всасывающим и выхлопным коллекторами. Двигатель внутреннего сгорания также содержит систему зажигания, включающую регулятор импульсов зажигания и систему топливоподачи, имеющую подающую газовую магистраль с газовым электромагнитным клапаном, соединенную с всасывающим коллектором. Газопоршневая энергетическая установка снабжена установленными в выхлопным коллекторе датчиком контроля концентрации кислорода воздуха и датчиком контроля концентрации газового топлива, которые соединены с блоком управления, связанным с регулятором импульсов зажигания и с газовым электромагнитным клапаном (Патент РФ №58183, МПК F02В 63/04, опубл. 10.11.2006 г.).

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является газопоршневая энергетическая установка, которая содержит генератор и газовый двигатель, выполненный в виде двигателя внутреннего сгорания, имеющего блок цилиндров с всасывающим и выхлопным коллекторами, систему зажигания, включающую регулятор импульсов зажигания и систему топливоподачи, имеющую подающую газовую магистраль с газовым электромагнитным клапаном, соединенную с всасывающим коллектором, причем система зажигания также включает свечи, источник питания, датчики положения и частоты вращения коленчатого вала двигателя, а система топливоподачи имеет газовый редуктор низкого давления и смеситель газа, соединенный с воздухоочистителем, при этом смеситель газа имеет диффузор, связанный с газовым редуктором низкого давления, и регулирующую заслонку, соединенную с актуатором, подключенным к электронному блоку управления, а свечи высоковольтными проводами подключены к катушкам зажигания, расположенным на кронштейнах, прикрепленных к головке блока двигателя посредством компенсаторов колебаний (Патент РФ №46304, МПК F02В 63/04, опубл. 27.06.2005 г.).

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является:

- обеспечение возможности работы агрегата на магистральном газе среднего давления и выше, попутном нефтяном газе с минимальным содержанием метана до 25% и содержанием сероводорода до 4%, а также других видах газового топлива, подходящим своими параметрами техническим условиям агрегата.

- обеспечение возможности контроля сети;

- обеспечение возможности создания групп агрегатов, работающих в параллель с разделением нагрузки для увеличения общей мощности;

- обеспечение возможности запуска газопоршневой электростанции через компьютер при удаленном доступе,

- обеспечение контроля всех параметров и процессов, проходящих во время эксплуатации электростанции с отображением последних на персональном компьютере через беспроводную систему полную диагностику работы электростанции.

Поставленная техническая задача решается тем, что в газопоршневой электростанции, содержащей генератор, газовый двигатель, выполненный в виде имеющего внешнюю систему смесеобразования двигателя внутреннего сгорания, с блоком цилиндров, кривошипно-шатунным механизмом, всасывающим и выхлопным коллекторами, включающий систему зажигания, содержащую источник питания, свечи, подключенные к катушкам зажигания высоковольтными проводами, датчик начала отсчета процесса искрообразования, датчика угловых импульсов и систему топливоподачи, содержащую газовую магистраль с газовым электромагнитным клапаном, соединенную с всасывающим коллектором, газовый редуктор и соединенный с воздухоочистителем смеситель газа, содержащий диффузор, связанный с газовым редуктором, и дроссельную заслонку, соединенную с актуатором, подключенным к электронному блоку управления актуатора, согласно предложенному изобретению двигатель внутреннего сгорания включает программируемый двухдатчиковый микропроцессорный контроллер зажигания газового двигателя, связанный с электромагнитным газовым клапаном топливной системы, система топливоподачи включает в качестве газового редуктора газовый редуктор с входящим рабочим давлением выше среднего, газовый электромагнитный клапан в системе топливоподачи размещен на входе в газовую магистраль двигателя, система зажигания дополнительно включает преобразователь напряжения для питания системы зажигания, контролирующий подачу напряжения 12 вольт на катушки зажигания, триггердиск, соединенный с программируемым двухдатчиковым микропроцессорным контроллером зажигания газового двигателя и выполненный в виде жестко закрепленной на валу привода топливного насоса втулки с радиально расположенным выступом в определенном положении коленчатого вала.

Кроме того, газопоршневая электростанция снабжена массообменным сепаратором, установленным между двигателем и газовой магистралью, вход которого соединен с газовой магистралью, а выход с газовым редуктором с входящим рабочим давлением выше среднего.

Кроме того, диффузор смесителя выполнен в виде круглой в плане детали в форме сопла с отверстиями, расположенными по диаметру детали у кромки выхода, конфигурация внутренней поверхности которой выполнена по лемнискате с заданным углом наклона.

Кроме того, программируемый двухдатчиковый микропроцессорный контроллер зажигания газового двигателя снабжен программным обеспечением, которое сконфигурировано с возможностью тестовой проверки системы зажигания и пошаговой регулировки угла опережения зажигания.

Кроме того, газопоршневая электростанция снабжена электронной микропроцессорной системой управления на базе процессора СоmАР, выполненного на базе контроллеров InteliGentNT.

Технический результат, достижение которого обеспечивается всей заявляемой совокупностью существенных признаков, состоит в следующем:

- возможность работы на магистральном сухом газе среднего давления и выше, попутном нефтяном газе с минимальным содержанием метана до 25% и содержанием сероводорода до 4% без примесей, влаги и капельной нефти, что практически исключает коррозию газового тракта от входа газа до всасывающих клапанов двигателя, так как без влажной среды при низком давлении сероводород не оказывает коррозионного действия.

- исключается скопление газа при срабатывании клапана электромагнитного клапана;

- повышение надежности работы газопоршневой электростанции при длительной эксплуатации;

- обеспечение возможности запуска газопоршневой электростанции через компьютер при удаленном доступе и контроля всех параметров и процессов, проходящих во время эксплуатации электростанции с отображении последних на персональном компьютере через беспроводную систему, полную диагностику работы электростанции.

Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами, где

на фиг.1 показан общий вид заявляемого устройства;

на фиг.2 представлен корпус диффузора;

на фиг.3 представлена дроссельная заслонка в корпусе.

Обозначения элементов устройства на фиг.1-3:

1 - генератор;

2 - двигатель внутреннего сгорания;

3 - электронная микропроцессорная система управления на базе процессора СоmАР;

4 - блок цилиндров;

5 - актуатор;

6 - воздухоочиститель;

7 - всасывающий коллектор;

8 - газовый редуктор;

9 - диффузор;

10 - дроссельная заслонка,

11- внутренняя поверхность диффузора 9;

12 - отверстия в диффузоре 9, расположенные по диаметру детали у кромки выхода,

13 - корпус дроссельной заслонки 10.

Газопоршневая электростанция содержит генератор, соединенный с ним газовый двигатель, выполненный в виде имеющего внешнюю систему смесеобразования двигателя внутреннего сгорания, с блоком цилиндров, кривошипно-шатунным механизмом, всасывающим и выхлопным коллекторами, включающий систему зажигания и систему топливоподачи.

Систему зажигания содержит источник питания, свечи, подключенные к катушкам зажигания высоковольтными проводами, датчик начала отсчета процесса искрообразования, датчик угловых импульсов.

Система топливоподачи содержит газовую магистраль с размещенным на входе в газовую магистраль газовым электромагнитным клапаном, соединенную с всасывающим коллектором, газовый редуктор и соединенный с воздухоочистителем смеситель газа, содержащий диффузор, связанный с газовым редуктором, и дроссельную заслонку, соединенную с актуатором, подключенным к электронному блоку управления актуатором.

Предложенное размещение электромагнитного клапана на входе в основную газовую линию агрегата исключает скопление газа при срабатывании клапана.

Диффузор смесителя выполнен в виде круглой в плане детали в форме сопла с отверстиями, расположенными по диаметру детали у кромки выхода, конфигурация внутренней поверхности которой выполнена по лемнискате с заданным углом наклона. Угол наклона лемнискаты рассчитывается и задается в соответствии параметрами двигателя, составом топлива и вариантами работы двигателя. Количество отверстий, расположенных по диаметру у кромки выхода диффузора, составляет предпочтительно 12 отверстий.

Дроссельную заслонку, соединенную с всасывающим коллектором и управляемую актуатором (регулятором скорости), подключенным к электронному блоку управления, например, серии ESD 5110, устанавливают в корпусе из нержавеющий стали (фиг.3).

В качестве газового редуктора система топливоподачи включает газовый редуктор с входящим рабочим давлением выше среднего, что исключает установку дополнительного газового оборудования ГРП (газораспределительного поста) и обеспечивает экономию денежных средств на приобретение этого оборудования. Давление на входе в газовый редуктор не превышает 5 кг/см.

Двигатель внутреннего сгорания снабжен программируемым двухдатчиковым микропроцессорным контроллером зажигания газового двигателя, связанным с электромагнитным газовым клапаном топливной системы.

Программируемый двухдатчиковый микропроцессорный контроллер зажигания газового двигателя снабжен программным обеспечением, которое сконфигурировано с возможностью тестовой проверки системы зажигания и пошаговой регулировки угла опережения зажигания.

Программируемый двухдатчиковый микропроцессорный контроллер зажигания газового двигателя обеспечивает также защиту по превышению числа оборотов двигателя. В случае превышения числа оборотов двигателя больше положенного срабатывает защита контроллера зажигания, сигнал подается на связанный с ним электромагнитный клапан, который закрывается, перекрывая тем самым подачу топлива в смеситель и прекращая подачу искры в цилиндры двигателя. Таким образом предотвращается неконтролируемое увеличение оборотов двигателя. После достижения двигателем заданных оборотов процесс восстанавливается.

Система зажигания дополнительно включает преобразователь напряжения для питания системы зажигания, контролирующий подачу напряжения 12 вольт на катушки зажигания и триггердиск.

Преобразователь напряжения контролирует подачу напряжения 12 вольт на катушки зажигания. Напряжение, поступающее на катушки зажигания с зарядного генератора, составляет 24 вольта. Такое напряжение пагубно влияет на катушки зажигания и свечи накаливания при длительной работе электростанции, а также поршневую группу. Использование в конструкции преобразователя напряжения позволяет устранить эти недостатки.

Триггердиск является задающим устройством системы зажигания. Триггердиск выполнен в виде втулки с радиально расположенным выступом (шпеньком) в определенном положении коленчатого вала, он жестко закреплен на валу привода топливного насоса и соединен с программируемым двухдатчиковым микропроцессорным контроллером зажигания газового двигателя. В заявляемом устройстве над триггердиском на кронштейне крепится датчик начала отсчета процесса искрообразования (импульсов). Датчик магнитоиндуктивный. Зазор между совмещенным с ним выступом (шпеньком) должен составлять от 0,4 до 1 мм. Второй датчик угловых импульсов находится на кожухе маховика в районе зубчатого венца.

Для работы на газе с содержанием сероводорода двигатель газопоршневой электростанции снабжен массообменным сепаратором, установленным между двигателем и газовой магистралью, вход которого соединен с газовой магистралью, а выход с газовым редуктором с входящим рабочим давлением выше среднего.

Введение в конструкцию газопоршневой электростанции массообменного сепаратора позволяет отбирать основное количество примесей топливного газа, влаги и капельной нефти, оставляя его сухим. Без влажной среды при низком давлении сероводород не оказывает коррозионного действия, поэтому газовый тракт от входа газа до всасывающих клапанов двигателя коррозии не подвергается (давление газа в проходном тракте двигателя равно нулю).

Газопоршневая электростанция снабжена электронной микропроцессорной системой правления на базе процессора СоmАР, выполненного на базе контроллеров InteliGentNT.

Использование электронной микропроцессорной системой дает следующие преимущества по сравнению с известными аналогами:

- обеспечивает эксплуатацию предложенной газопоршневой электростанции параллельно с энергосетью;

- позволяет параллельно подключать и эксплуатировать несколько аналогичных газопоршневых электростанций (возможно с разными мощностями) с разделением между ними нагрузки,

- обеспечивает включение газопоршневой электростанции при обесточивании основной энергосети или при любых отклонениях в сети параметров питающего напряжения от установленных стандартами значений, в частности долговременных и кратковременных проседаний и всплесков напряжения, высоковольтных импульсных помех, отклонении частоты за пределы допустимых значений, а также по достижению заданной потребляемой мощности,

- позволяет запуск газопоршневой электростанции через компьютер при удаленном доступе,

- дает возможность вывода информации по работе на компьютер через беспроводную систему,

- обеспечивает полную диагностику работы электростанции.

Газопоршневая электростанция работает следующим образом.

Всеми процессами работы газопоршневой электростанции управляет электронная микропроцессорная система управления СоmАР, выполненного на базе контроллеров InteliGentNT.

При вращении коленчатого вала двигателя по подающей газовой магистрали газ из газового редуктора поступает в смеситель газа. С электронного блока управления на актуатор подается сигнал на изменение положения дроссельной заслонки. Воздух из воздухоочистителя также поступает в смеситель газа. В диффузоре образуется газовоздушная смесь, которая поступает в цилиндры двигателя. С датчика начала отсчета процесса искрообразования, датчика угловых импульсов на катушки зажигания поступает сигнал на воспламенение газовоздушной смеси. С катушек зажигания по высоковольтным проводам на свечи подается высокое напряжение и смесь воспламеняется.

Предложенная конструкция газопоршневой электростанции обеспечивает работу двигателей на попутном нефтяном газе с содержанием метана всего лишь 25% и содержанием сероводорода до 4%.

Изобретение относится к области энергетики, в частности к силовым установкам на базе двигателей внутреннего сгорания, и может быть использовано в качестве источника электроэнергии в передвижных или стационарных электростанциях, работающих на природном газе. Газопоршневая электростанция содержит генератор (1) и газовый двигатель (2). Газовый двигатель (2) включает системы зажигания и топливоподачи, а также программируемый двухдатчиковый микропроцессорный контроллер зажигания. Система топливоподачи содержит газовую магистраль с газовым электромагнитным клапаном, газовый редуктор (8) и смеситель газа. Газовая магистраль соединена с всасывающим коллектором (7). Газовый электромагнитный клапан размещен на входе в газовую магистраль. Программируемый двухдатчиковый микропроцессорный контроллер связан с электромагнитным газовым клапаном. Смеситель газа соединен с воздухоочистителем (6). Смеситель содержит диффузор (9) и дроссельную заслонку (10). Диффузор (9) связан с газовым редуктором (8). Дроссельная заслонка (10) соединена с актуатором. Система зажигания содержит источник питания, свечи, катушку зажигания, датчик начала отсчета процесса искрообразования, датчик угловых импульсов, преобразователь напряжения, задающее устройство. Преобразователь напряжения контролирует подачу напряжения в двенадцать вольт на катушки зажигания. Задающее устройство соединено с программируемым двухдатчиковым микропроцессорным контроллером. Задающее устройство выполнено в виде жестко закрепленной на валу привода топливного насоса втулки с радиально расположенным выступом. Между двигателем и газовой магистралью может быть установлен массообменный сепаратор. Диффузор (9) смесителя может быть выполнен в виде круглой в плане детали в форме сопла с отверстиями. Конфигурация внутренней поверхности диффузора выполнена по лемнискате с заданным углом наклона. Программное обеспечение двухдатчикового микропроцессорного контроллера может быть сконфигурировано с возможностью тестовой проверки системы зажигания и пошаговой регулировки угла опережения зажигания. Газопоршневая электростанция может быть снабжена электронной микропроцессорной системой управления (3) на базе процессора СоmАР, выполненного на базе контроллеров InteHGentNT. Технический результат заключается в обеспечении возможности работы газопоршневой электростанции на всех видах топлива с параметрами, соответствующими техническим условиям, обеспечении возможности создания групп агрегатов, возможности запуска при удаленном доступе, обеспечении контроля и диагностики всех параметров и процессов, проходящих во время эксплуатации. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Газопоршневая электростанция, содержащая генератор, газовый двигатель, выполненный в виде имеющего внешнюю систему смесеобразования двигателя внутреннего сгорания с блоком цилиндров, кривошипно-шатунным механизмом, всасывающим и выхлопным коллекторами, включающий систему зажигания, содержащую источник питания, свечи, подключенные к катушкам зажигания высоковольтными проводами, датчик начала отсчета процесса искрообразования, датчик угловых импульсов, и систему топливоподачи, содержащую газовую магистраль с газовым электромагнитным клапаном, соединенную с всасывающим коллектором, газовый редуктор и соединенный с воздухоочистителем смеситель газа, содержащий диффузор, связанный с газовым редуктором, и дроссельную заслонку, соединенную с актуатором, подключенным к электронному блоку управления актуатора, отличающаяся тем, что двигатель внутреннего сгорания включает программируемый двухдатчиковый микропроцессорный контроллер зажигания газового двигателя, связанный с электромагнитным газовым клапаном топливной системы, при этом газовый электромагнитный клапан в системе топливоподачи размещен на входе в газовую магистраль двигателя, система зажигания дополнительно включает преобразователь напряжения для питания системы зажигания, контролирующий подачу напряжения 12В на катушки зажигания, задающее устройство, соединенное с программируемым двухдатчиковым микропроцессорным контроллером зажигания газового двигателя и выполненное в виде жестко закрепленной на валу привода топливного насоса втулки с радиально расположенным выступом.

2. Газопоршневая электростанция по п.1, отличающаяся тем, что снабжена массообменным сепаратором, установленным между двигателем и газовой магистралью, вход которого соединен с газовой магистралью, а выход с газовым редуктором.

3. Газопоршневая электростанция по п.1, отличающаяся тем, что диффузор смесителя выполнен в виде круглой в плане детали в форме сопла с отверстиями, расположенными по диаметру детали у кромки выхода, конфигурация внутренней поверхности которой выполнена по лемнискате с заданным углом наклона.

4. Газопоршневая электростанция по п.1, отличающаяся тем, что дроссельная заслонка, соединенная с всасывающим коллектором и управляемая актуатором, подключенным к электронному блоку управления, установлена в корпусе из нержавеющий стали.

5. Газопоршневая электростанция по п.1, отличающаяся тем, что программируемый двухдатчиковый микропроцессорный контроллер зажигания газового двигателя снабжен программным обеспечением, которое сконфигурировано с возможностью тестовой проверки системы зажигания и пошаговой регулировки угла опережения зажигания.

6. Газопоршневая электростанция по п.1, отличающаяся тем, что снабжена электронной микропроцессорной системой управления на базе процессора СотАР, выполненного на базе контроллеров InteHGentNT.