С. А. Клюев – ОАО «Волжский дизель им. Маминых»

Применение продукции отечественного двигателестроения позволяет снизить стоимость реализации энергетических проектов и оптимизировать расходы на всем протяжении жизненного цикла оборудования.

В настоящее время ОАО «Волжский дизель им. Маминых» серийно изготавливает газопоршневой двигатель 280ГД, предназначенный для привода различных агрегатов – электрических генераторов, водяных и нефтяных насосов, дутьевых машин и газовых компрессоров. Двигатель применятся на судах, тепловозах, карьерных самосвалах. В качестве топлива могут использоваться различные виды газов – природный, попутный, генераторный, биогаз и другие топливные газы с давлением перед двигателем 0,22 МПа.
На данный момент 7 двигателей 280ГД применяются на газопоршневых электростанциях ГЭ10-1 мощностью 500 кВт, установленных на нефтегазовых месторождениях «Казанское» (Томскгазпром), «Нагорное» (Троицкнефть), «Елабужское» (Татнефть). Они работают на попутном нефтяном газе с метановым индексом WKI 49…61. Кроме того, 21 двигатель применяется в составе ГПЭС, работающих на природном магистральном газе.
Двигатель 280ГД изготовлен на базе четырехтактного рядного дизеля, имеющего шесть цилиндров диаметром 210 мм, ход поршня 210 мм и частоту вращения коленчатого вала 1000 об/мин (среднеоборотный двигатель).
Низкие обороты коленчатого вала двигателя увеличивают его ресурс до 60 тыс. моточасов до капитального ремонта. Двигатель способен вырабатывать до 530 кВт электрической мощности и 600 кВт тепловой энергии (от утилизатора выхлопных газов и системы охлаждения двигателя).
Рабочий процесс в газовом двигателе 280ГД осуществляется далеко от зоны детонации. Это обусловлено наличием в конструкции запатентованных форкамер, способных поджигать в цилиндре бедные смеси (λ=1,8), при сгорании которых детонация в цилиндре на всех режимах отсутствует. Это очень важно при работе на попутном нефтяном газе, который имеет низкое метановое число и высокую теплотворную способность.
В эксплуатационных условиях двигатель работает без детонации и снижения мощности на ПНГ с метановым индексом WKI > 49. Например, в зимнее время температура выхлопных газов после выпускных клапанов опускается до 380 °С, тогда как у двигателей с внешним смесеобразованием она достигает 680 °С.
Низкая температура выхлопных газов способствует интенсивному охлаждению выпускных клапанов и, как следствие, их повышенному ресурсу.
Таким образом, сжигание бедных топливовоздушных смесей позволяет работать с большей до 50 % мощностью по сравнению с двигателями, работающими на стехиометрических смесях (λ=1,0).
Работа на бедных смесях способствует образованию на выхлопе очень низких значений оксидов азота NO_x, так как азот, содержащийся в большом количестве в бедной смеси, является самым сильным антидетонатором. Имея большую теплоемкость, он приводит к низким температурам процесса сгорания и малому образованию оксидов азота и углерода. Уровень выбросов вредных веществ не требует установки на выхлопе дорогостоящего катализатора выхлопных газов.
Для повышения ресурса выпускных клапанов в конструкции крышки цилиндров предусмотрен механизм их поворота. Поворот клапанов необходим для постоянной «притирки» клапана к седлу, а также к равномерному их прогреву. Это исключает образование на седлах клапанов жестких отложений продуктов сгорания, которые приводят к появлению микроскопических углублений на сопрягаемых поверхностях и, соответственно, к прогару выпускного клапана.
Кроме того, для повышения ресурса выпускных клапанов в конструкции крышки цилиндров установлены маслосъемные колпачки, что предотвращает попадание масла на фаски клапанов и, следовательно, уменьшает риск их прогара.
Для снижения расхода масла в двигателе используются втулки цилиндров с антинагарными кольцами в верхней части и поршневые кольца производства фирмы Goetze-Werke (Германия). Антинагарное кольцо установлено в верхней части втулки цилиндра и служит для постоянного удаления нагара с верхней части поршня. Это исключает контакт нагара со стенкой втулки цилиндра и устраняет стирание нагаром масляной пленки со стенок втулки цилиндров, а также снижает расход масла и исключает задир поршней. Благодаря этому удалось снизить расход масла на угар до 0,2…0,5 г/кВт·ч (2,5…5 л/сут).
Газовый двигатель 280ГД способен работать с 50 %-м набросом мощности с нулевой нагрузки и минимальной 10 %-й нагрузкой без ограничения во времени.
Для стабильного процесса сгорания на двигателе установлена мощная высоконадежная система зажигания и имеющие высокий ресурс (5000 ч) свечи фирмы Denso или Bosch. Высокий ресурс свечей зажигания достигается благодаря их интенсивному охлаждению и, как следствие, низкой температуре корпуса свечи, которую обеспечивает также применение специального металла при изготовлении корпуса форкамеры.
Надо отметить, что в двигателях можно использовать и стандартные малогабаритные автомобильные свечи зажигания, хотя их ресурс и является меньшим (200 ч). Однако, учитывая их низкую стоимость (около $1) и доступность, такие свечи экономически более выгодны.
На двигателе установлен электронный регулятор скорости, поддерживающий стабильную частоту вращения коленчатого вала – в пределах ±1об/мин.
Стабильную работу двигателя обеспечивает процесс сгорания с обратной связью по пределу горения топливной смеси. В обратной связи нет никаких сложных электронных и механических систем управления качеством смеси. Двигатель «сам» подбирает оптимальную смесь при любом составе топливного газа, на пределе горения, и смесь при этом всегда является максимально бедной. В данном случае нет необходимости настраивать топливную систему при изменении состава газа, поскольку двигатель самостоятельно корректирует процесс сгорания.
Агрегат способен работать в диапазоне температур входящего газа –50...+80 °С и воздуха –50…+40 °С. Более низкие температуры воздуха и газа способствуют лучшему охлаждению камеры сгорания, что увеличивает ресурс выхлопных клапанов.
Стоит отметить, что у многих двигателей зарубежного производства с внешним смесеобразованием при температуре воздуха и газа ниже +5 °С замерзает смеситель газа, и агрегат останавливается. Таким образом, приходится подогревать воздух и газ.
В двигателе регулировочными являются только тепловые зазоры в клапанах механизма газораспределения, форкамерных и в главном газовом клапане. Автоматика управления двигателем имеет все необходимые защиты и возможность дистанционного управления.
В комплект поставки включено все необходимое для работы оборудование (радиатор, высокоэффективный глушитель выхлопа, шкаф управления и т.д.). В качестве дополнительной опции к агрегату может поставляться система утилизации тепла выхлопных газов, а также системы охлаждения двигателя отечественного производства.
На протяжении всей деятельности завода «Волжский дизель им. Маминых» было выпущено более 10 тыс. дизелей, на базе которых изготовлен двигатель 280ГД. Эти дизели установлены на маневровых тепловозах и силовых агрегатах буровых установок. В России и странах СНГ развита большая сеть поставок запасных частей для основных узлов дизелей, выпускаемых предприятием. Это позволяет оперативно обеспечивать заказчика необходимыми деталями и сводить к минимуму время простоя оборудования.
Основной причиной простоя вышедших из строя импортных двигателей является отсутствие быстрой доставки запасных частей в связи с долгими разбирательствами по определению виновника аварии. Кроме того, значительную долю затрат составляет высокая цена импортных запасных частей. Большую долю затрат при обслуживании составляет и стоимость нормо-часа импортных специалистов, доходящая до 1000 евро в сутки.
Монтаж, наладку и пуск агрегата 280ГД осуществляет бригада специалистов предприятия, при этом стоимость нормо-часа для заказчика не превышает 20 евро в сутки.
В настоящее время газовые двигатели производства ВДМ имеют наработку в эксплуатации более 30 тыс. моточасов, не имея при этом серьезных замечаний.
Таким образом, газопоршневой двигатель 280ГД является простым и дешевым в обслуживании агрегатом, который имеет следующие преимущества:
•    простота конструкции и полная «уравновешенность» (6-цилиндровый двигатель считается «классикой» двигателестроения);
•    «всеядность» – двигатель может работать на всех видах горючих газов в самом широком диапазоне температур газа и окружающего воздуха;
•    практически полное отсутствие детонации и перегрева мотора благодаря особому типу внутреннего смесеобразования;
•    доступность и невысокая стоимость запасных частей распространенного тепловозного дизеля 6ЧН 21/21, на базе которого создан газовый двигатель 280ГД;
•    простота эксплуатации и технического обслуживания двигателя, что не требует специального обучения персонала.
И, наконец, главное достоинство – двигатель сделан в России, отечественными специалистами, и имеет оптимальные характеристики для эксплуатации в различных условиях.