Инновационные технологии для зеленой экономики арктики в сферах малой энергетики и транспорта

С ростом активности освоения Арктики [1, 2] увеличится приток инвестиций в разработку «зеленых» технологий для малой энергетики и открытия перспектив использования в удаленных, друг от друга на тысячи километров, автономных поселениях газогенераторных мини-ТЭЦ [3-6]. Параллельно с данными тенденциями, в городах Заполярья, поддерживающих экономическую и социально-демографическую стабильность Арктического региона, ожидается развитие транспортной инфраструктуры для обеспечения мобильности населения [2] с применением автомобилей и двигателей, оборудованных современными топливно-каталитическими системами (ТКС) [7-9], безаварийная эксплуатация которых требует разработку эффективных методов технической диагностики этих систем в условиях эксплуатации.

В статье приводятся результаты работ по этим двум направлениям исследований и полученные научно-практические результаты.

Изыскания в области генерации электрической энергии дизель-электрическими станциями, работающими на генераторном газе (совместная разработка с ООО «ЦНИДИ и ОАО АК «Якутскэнерго» [6]), развиваются аналогично опыту ФНПЦ ММПП «САЛЮТ» по разработке электростанции ТЭС-75 с газификацией плотнослоевого угля в газогенераторах обращенного процесса [4] и опыту ОАО АК «Якутскэнерго» с ее «дочкой» ОАО «Сахаэнерго» и компанией Flex Technologie по мини-ТЭС (5 МВт, п. Сангар), работающей на генераторном газе, питающем поршневые двигатели WJ8300 [5] с последующей генерацией электричества.

По данному направлению обоснованы модель и технология автономного получения генераторного газа из местного твердого топлива Заполярья для комбинированного (генераторный газ, дизельное топливо) и 100% - го питания дизель-электрических установок генераторным газом.

В соответствии с принятой моделью, аналогично [7], химические реакции в газовой фазе, при температуре менее 1000 К, протекают по механизмам гомогенных процессов:

2СО + О2 ^ 2СО;

2Н2 + О2 ^ 2Н2О;

СxНуОn^p + Н2О

^хС0 + (1+^)Н 2 +^ 2

1 + п — X +     2    02-

Значения х/у,п,р оцениваются в соответствии с элементным составом газифицируемой массы угля. Коэффициент теплопроводности твердой фазы A_s принимается неизменным и рассчитывается в пределах зоны выхода и окисления летучих составляющих.

Уравнение сохранения энергии для твердой фазы записывается для краевых условий от- сутствия теплового потока через границу, анало- гично [7]:

dTs      d2Ts

dT s

—— = 0 при х = 0; dx

dTs

—— = 0 при х = L; dx где L - высота газификатора;

d che-m — характеризует межфазный теплообмен в условиях протекания гетерогенного химического процесса, Вт/м³;

T_s - температура твердой фазы, °С;

p_s - «истинная» плотность твердой фазы, кг/м³.

Уравнение сохранения летучих веществ, влаги и углерода в слое:

^-= —Vrv= —Vkvexp(—I^); dt                     RT dW

— = -Wrv; dt и л dPc (1 — ш)— = dt

—S y ,

где

V, W, pc - содержание летучих компо- нентов, влаги и углерода С, кг, в слое объемом 1 м3.

Тепло – и массообмен газовой фазы представляются, аналогично [7], следующими уравнениями:

LG         LH

⁽р^н^тй= У/^^е1 + У r m ^m ; X*

i=1       m=1

• - dXX(.^p • ^и • ^c g • ^T g ) = ^—9 hc ⁺ 9 g ^;

где    mi - концентрация i-ого компонента, кг/м3;

get

*и

–

скорость гетерогенного реагирования i- ого компонента в l-й реакции, кг/м3с;

r m ^m - скорость гетерогенного реагирования i- ого компонента в m-й реакции, кг/м³с;

LG и LH - количество гетерогенных и гомоген- ных реакций.

Исследования в компании «Нижнелен- ское» [5] подтвердили эффективность выработки электрической энергии автономным способом в экстремальных условиях Якутии на установке, разработанной совместно с ООО «ЦНИДИ» (рис. 1), при работе на Оленекском богхеде - угле, образовавшемся в результате раз- ложения сапропеля, почти полностью состоящего из полинафтеновой фазы и дающего 80 % нефти.

С участием автора были разработаны и внедрены оригинальные методические подходы контроля промышленной санитарно-гигиенической безопасности транспортных и стационарных дизельных установок при их эксплуатации в условия Арктики [8].

Второе направление исследований было связано с изысканиями по разработке методики технического диагностирования транспортных средств для выявления аварийных автомобилей в эксплуатации применительно к климатическим условиям Арктики.

Проведенный научный анализ показал высокую вероятность аварийности топливно-каталитических систем (ТКС), сопряженной с экологической (по санитарно-гигиеническим параметрам) и пожарной (возгорание транспортных средств) их опасности в аномально холодных условиях жесткого температурного режима (до минус 700С и ниже) в городах Заполярья.

Предвестниками нештатных аварийноопасных режимов эксплуатации двигателя

В.Н. Ложкин транспортного средства являются разрушения сопрягаемых поверхностей элементов ТКС, при которых в реакторе нейтрализатора могут раз- плавления и разрушения керамики сотовых блоков-носителей (рис. 2). Это может привести к возгоранию транспортного средства.

виться температуры, достаточные для

Рисунок 1 - Общий вид газогенераторной энергетической установки ГГЭУ-100 [6]

Рисунок 2 - Состояние блоков-носителей при нештатных режимах работы ТКС

форсунки (1), корпуса распылителя (2), гильзы (3)

На основании проведённых исследований с участием автора разработан метод инструментального диагностирования аварийных режимов эксплуатации ТКС по оригинальной программе с использованием анализа компонент отработавших газов (ОГ) на холостых режимах работы двигателя. Метод позволяет на ранних стадиях обнаружить неисправности ТКС, способные привести к резкому увеличению токсичных выбросов с ОГ и возгоранию автомобиля.

Так, для выявления аварийного состояния работы ТКС автомобилей, оснащенных системой питания «Common Rail System» и регенерируемым каталитическим сажевым фильтром, программа процедуры диагностирования включает следующие процедуры:

• -    работа двигателя в режиме холостых ходов «свободного ускорения» (СУ). На таком режиме двигатель кратковременно выходит на внешнюю скоростную характеристику и, в случае исправного состояния активного слоя

катализатора, происходит регенерация каталитического фильтра;

• -    контроль дымности ОГ на режимах максимальной частоты вращения коленчатого вала и СУ;

• -    сравнение измеренных показаний дымности с предельными (безаварийными) их значениями (табл. 1).

Таблица 1 – Результаты испытаний автомобиля Ford Mondeo с двигателем TDCi с предаварий-ным техническим состоянием ТКС

№ измерения	Значение ХМ, м-1	Среднее значение ХМ, м-1 (%)	Предельное значение диагностического параметра, м-1 (%)
Измерения дымности ОГ после регенерации сажевого фильтра (nmax х.х.)
1	1,65	1,34 (44)	0,4 (15)*) *) предельное значение для режима nmax х.х.
2	1,35
3	1,10
4	1,25
Изме	рения дымности ОГ на режимах свободного ускорения (СУ)
1	5,92	≈ 4,0 (82)	1,6 (50) **) **) предельное значение для режима СУ
2	4,28
3	3,37
4	3,48
5	3,73
6	3,32