// Журнал «Промышленная Энергетика», 2012 - № 09, стр. 15-20

 

Мини-ТЭЦ с паровыми моторами для бесперебойного энергоснабжения ответственных потребителей

Трохин И. С, инж.

Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)

 

         В последние годы для бесперебойного электро- и теплоснабжения ответственных потребителей все чаще используются установки малой энергетики, в частности, распространенные мини-ТЭЦ с дизельными или паровыми двигателями (ПД), мини-котельные и дизельные электростанции. Среди мини-ТЭЦ с ПД (обобщенная классификация ПД приведена в табл. 1) подавляющее большинство составляют паротурбинные, возводимые в том числе на базе мини-котельных.

На объектах с ответственными потребителями в первую очередь необходимо обеспечивать надежное электроснабжение основного технологического оборудования. Однако в случае теплоснабжения от мини-котельной электроприемники последней также требуют бесперебойного питания. Мини-ТЭЦ могут самостоятельно покрывать электрическую нагрузку потребителей собственных нужд.

Наиболее современными для целей теплоснабжения и горячего водоснабжения потребителей являются водогрейные котельные. Тем не менее при перерывах в электроснабжении такие котельные останавливаются даже при наличии топлива, а установка резервных дизельных электростанций в полной мере   не   решает   проблему   резервирования электропитания. Для запуска такой электростанции требуется время, ее коэффициент использования очень низкий, а вырабатываемая в случае необходимости электроэнергия в несколько раз дороже сетевой из-за высокой стоимости дизельного топлива. Использование дизельных электростанций также ухудшает экологическую обстановку на объектах потребителей.

Крупные аварии в последнее время в системах централизованного электроснабжения побуждают к разработке и внедрению технологий децентрализованной электрогенерации. В частности, по решению Бюро отделения физико-технических проблем энергетики РАН технология комбинированного производства тепловой и электрической энергии (когенерация) с использованием паровых лопаточных турбин малой и средней мощности* в паровых котельных является для России приоритетной в области энергосбережения [1]. Кроме того, многолетней практикой эксплуатации   котельных   установлено,   что   паровыекотлы не уступают и даже превосходят водогрейные по надежности [2]; КПД современных котлов паровых и водогрейных мини-котельных сопоставимы. Поэтому стратегически и экономически целесообразны строительство и эксплуатация именно паровых мини-котельных с возможностью работы в когенерационном режиме, т. е. мини-ТЭЦ.

 

                                                                                                                                                                                                                                                                                          Таблица 1.

Поршневая машина (поршневой двигатель)

Классическая паровая машина с одно- или многократным расширением пара, n < 400 мин -1

Быстроходная паровая машина с двукратным расширением пара, n ≈ 400 ÷ 1500 мин - 1

Паровой мотор с однократным расширением пара, n ≈ 400 ÷ 3000 мин - 1

Турбина (турбомашина)

Лопаточная

Винтовая

        

Примечание: Классификация по принципу действия, конструктивным признакам, а для поршневых двигателей – и по частоте вращения выходного вала составлена автором на основе анализа многочисленных конструкций, созданных в XX веке и начале XXI.

 

Фрагмент электротепловой схемы паровой мини-ТЭЦ на базе мини-котельной для бесперебойного энергоснабжения ответственных потребителей приведен на рисунке, где приняты следующие обозначения: ССАУ - сигналы от системы автоматизированного управления; ДЭГУ - двигатель-электрогенераторная установка; ПВТ - пароводяной теплообменник; ИБП - источник бесперебойного питания; АВН, АИН - аппаратура выпрямителя и инвертора напряжения; АБ - аккумуляторная батарея; пунктирная линия от ДЭГУ к распределительному щиту - цепь с байпасным ИБП. Данная установка может также работать и в тригенерационном режиме с комбинированной выработкой электроэнергии, теплоты и холода, тогда выхлоп пара из ПД осуществляется в пароводяной теплообменник (бойлер) и абсорбционные холодильные машины, работающие на паре низкого давления.

Известно, что по критерию расхода топлива когенерация выгоднее раздельного производства электроэнергии и теплоты. Кроме того, мини-ТЭЦ позволяет сократить количе¬ство закупаемой электроэнергии, стоимость которой постоянно растет, за счет производства собственной электроэнергии, которая гораздо дешевле, чем сетевая.

В зависимости от мощности паровой котельной для выработки 1 МВт (100 %) тепловой мощности требуется 17-40 кВт (1,7-4%) электрической мощности [3]. В промышленно-отопительных котельных обычно эксплуатируются котлы с давлением пара до  1,4 МПа (здесь и далее  -  абсолютное давление). Давление пара в котлах, разрешенное Ростехнадзором, обычно составляет 0,7 - 1,2 МПа, для изношенных котлов - 0,8 - 0,9 МПа. В бойлеры подается пар давлением 0,12-0,5 МПа. Для технологических нужд обычно требуется пар давлением 0,5 - 0,7 МПа. Дросселирование пара обеспечивается редукционным устройством. Если его заменить паровой ДЭГУ, то при ее работе с противодавлением можно вырабатывать попутную электроэнергию. При этом выхлоп из ПД будет осуществляться в бойлер.

Для круглогодичного электроснабжения ответственных потребителей от мини-ТЭЦ необходима безостановочная ее работа. Поэтому электроэнергию целесообразно генерировать при почти постоянной тепловой нагрузке по горячему водоснабжению потребителей, а летом в режиме тригенерации для кондиционирования помещений использовать абсорбционные холодильные машины, работающие на паре, отработавшем в ПД. Возможна также тригенерация с комбинированной выработкой и механической энергии (квадрогенерация) для привода от ПД вспомогательных механизмов мини-ТЭЦ (насосов и тягодутьевого оборудования).

Предлагается в условиях мини-ТЭЦ, в том числе на базе мини-котельных, использовать в качестве альтернативы паровым турбинам (ПТ) современные паровые поршневые двигатели - паровые моторы (ПМ) - см. табл. 1. Для оценки эффективности их внедрения проведен комплексный сравнительный анализ ДЭГУ с ПТ и ПМ. Перечень и технические характеристики современных ДЭГУ приведены в табл. 2 и 3, при составлении которых использованы данные заводов-изготовителей, а также информация фирмы "Spilling" (Германия).

Удельный расход пара для поршневого ПД в большей степени зависит от противодавления пара, чем от мощности самого двигателя [4], что справедливо также для ПТ (см. табл. 3). Поэтому целесообразно сравнивать ПД при соизмеримых противодавлениях пара.

На основе анализа приведенных в табл. 3 характеристик ДЭГУ можно сделать вывод, что при работе на насыщенном паре лопаточные и винтовые ПТ имеют соизмеримые удельные расходы пара dэл на выработку электроэнергии. Из табл. 3 также следует, что при работе на насыщенном паре с температурой ts, например, при давлениях пара на входе в ПД р1 ≈ 0,9 МПа и выходе из него р2 ≈ 0,12МПа У ДЭГУ электрической мощностью Рэл = 24 кВт с ПМ расход пара dэл в 1,3 раза меньше, чем у более мощной (в 5 раз) ДЭГУ с лопаточной ПТ, и в 1,5 раза меньше, чем у более мощной (в 10 раз) ДЭГУ с винтовой ПТ.

Для повышения энергетической эффективности работы мини-ТЭЦ на базе мини-котельных целесообразно устанавливать котлы более высокого давления, чем 1,4 МПа, и вырабатывающие перегретый пар. Например, Бийский котельный завод специально для мини-ТЭЦ выпускает котлы на давление пара 4 МПа с температурой 440 °С. В существующих мини-котельных без перегрева пара возможна установка за паровыми котлами пароперегревателей, полезно использующих теплоту уходящих газов. Температуру перегретого пара следует выбирать с таким расчетом, чтобы он при выпуске из ПД находился в состоянии насыщения или был перегрет на несколько градусов, учитывая тепловые потери в паропроводах от ПД до бойлера, поскольку в последний должен поступать насыщенный пар. Это необходимо для обеспечения наиболее интенсивной передачи теплоты от пара к стенкам бойлера.

Следует отметить, что еще классические паровые машины некоторых теплофикационных локомобилей 1940-х гг. и паровозов 1950-х гг. имели удельный расход перегретого пара на уровне современных ПТ для мини-ТЭЦ, но работали при очень низких частотах вращения вала (около 250 мин - 1) [5, 6].

 

                                                                                                                                                                                                      Таблица 2.

№ п/п

Разработчик и изготовитель

Марка установки

Установки с лопаточными турбинами

1

ООО "Ютрон - Паровые турбины", Смоленск

С турбинами серии Р

2

ООО "Техснаб", Иваново, ОАО "Ивановский завод"

ПТМ-0,25/0,32-1,4/0,4

3

ЗАО «НПВП "Турбокон"», Калуга, ОАО "Калужский турбинный завод"

ТГ0,5А/0,4Р13/3,7, ТГ0,75А/0,4Р13/2

4

ООО "ЭЛТА", Екатеринбург

ПТГ-500-25-13/3

Установки с винтовыми турбинами

5

ЗАО "Малая независимая энергетика", Москва

ПВМ-250-ЭГ

6

ЗАО "Эко-Энергетика", Санкт-Петербург

ПВМ-1000

Установки с поршневыми моторами

7

Spilling Energie Systeme GmbH, Германия

С моторами Spilling

8

PolyComp a.s., Чешская Республика

PM-VS

9

Научная группа "Промтеплоэнергетика" МАИ, ООО "Новая энергия", Москва

С моторами на базе дизелей Д6, Д12, Д49

10

ОАО "Волжский дизель имени Маминых", Балаково

С мотором на базе дизеля 6ЧН21/21

 

Из табл. 3 видно, что при работе на перегретом паре, например, с температурой Ц на входе в ПД около 240 °С и давлениях р1 ≈ 1,2 МПа, р2 ≈ 0,2 МПа у ДЭГУ мощностью Рэл = 75 кВт с ПМ расход пара dэл в 1,3 раза меньше, чем у более мощной (в 6 раз) ДЭГУ с лопаточной ПТ.

Таким образом, по сравнению с лопаточными и винтовыми ПТ паровые моторы даже при значительно меньших мощностях имеют в 1,3 - 1,5 раза меньший удельный расход пара и практически одинаково хорошо работают на насыщенном и перегретом паре. Удельный расход пара в ПМ при соизмеримых с ПТ мощностях будет еще меньше благодаря более высокому относительному индикаторному и механическому КПД, так как в сравнительно крупных ПМ легче выполнить более совершенные поверхности парораспределения и смазку, а затраты энергии на привод вспомогательных механизмов в таких моторах будут относительно меньше.

 

                                                                                                                                                                                                      Таблица 3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

№ п/п

Рэл, кВт

n, мин -1

Давление пара (абсолютное), МПа

t1,

dэл, кг/(кВт • ч)

Sуд,

м2/кВт

уд,

м3/кВт

уд,

кг/кВт

р1

p2

Установки с лопаточными турбинами

1

135

3000

0,8

0,12

ts

29,6

0,017

0,018

-

450

3000

1,4

0,2

250

23,3

0,01

0,02

-

2,35

0,49

390

17,8

-

2

250

1500

1,4

0,4

ts

24

0,016

0,027

19,5

3

500

8000

1,3

0,37

26,4

0,018

0,041

19,1

 

750

1500

0,2

19,2

0,012

0,03

14,9

4

500

1500

1,3

0,3

18

0,005

0,007

9,3

Установки с винтовыми турбинами

5

250

1500*

1,4-0,9

0,45 - 0,1

ts

24-36

0,009

0,012

10

6

1000

6000 3000

1,4

0,2

18

0,003

0,005

3,5

Установки с поршневыми моторами

7

24

1500

0,9

0,12

ts

23,3

-

-

-

85

1,65

0,15

15,3

-

—

-

210

1000

1,4

0,15

230

15,2

0,06

0,2

76,2

298

2,4

260

12,1

0,042

0,14

53,7

260

750

2,8

0,15

375

8,8

-

-

-

520

-

-

-

420

1,6

320

11

-

-

-

8

75

750

1,2

0,2

240

18

0,042

0,062

-

120

750

2

-

ts - 260

23,3

0,02

0,029

20,8

9

100

1500

0,8-4

0,12-0,6

ts -440

-

0,03

0,05

23

200

1000

1000

-

0,011

0,026

10

240

500

1,2

0,12-0,2

240

14,9

0,032

0,058

38,4

1000

10,9

123

500

1,2

0,6

240

16

0,063

0,12

74,8

1000

11,5

 

 

Основным критерием, предложенным еще академиком Л. А. Мелентьевым для оценки эффективности работы систем комбинированного производства тепловой и электрической энергии, является экономия топлива. При когенерации в котельных с использованием лопаточных ПТ малой и средней мощности удельный расход bу.т условного топлива на выработку электроэнергии составляет около 0,15 кг/(кВт • ч) [1]. Дизельные электростанции (основные и резервные) имеют bу.т от 0,2 - 0,174 кг/(кВт • ч) при мощностях 100 - 300 кВт до 0,125 кг/(кВт • ч) при мощностях 4- 10 МВт. Мини-ТЭЦ с ПМ в указанном диапазоне Рэл более экономичны, поскольку в этом случае bу.т уменьшается до 0,115-0,1 кг/(кВтч), что в 1,3-1,5 раза меньше, чем расход bу.т у паротурбинных мини-ТЭЦ и в 1,25 - 2 раза меньше, чем у дизельных электростанций.

Кроме того, мини-ТЭЦ на базе мини-котельных с использованием ПМ могут составить реальную альтернативу дизельным электростанциям динамических источников бесперебойного электропитания ответственных потребителей. Даже, например, при Рэл ≈ 100 кВт мини-ТЭЦ с ПМ будет расходовать на выработку электроэнергии в 1,7 - 2 раза меньше условного топлива, чем дизельная электростанция.

Ресурс до капитального ремонта кап современных лопаточных ПТ для мини-ТЭЦ составляет 30 000 - 40 000 ч, винтовых ПТ - 30 000 - 50 000 ч, а современных ПМ, по оценкам зарубежных экспертов (2002 - 2004 гг.), при единичных мощностях от 20 до 1000 кВт - более 50 000 ч, т.е. не меньше, чем у ПТ.

Температура в цилиндрах ПМ в 5-6 раз ниже, чем у базовых для конверсии дизельных двигателей. Пар в отличие от горючей смеси не взрывается, а, расширяясь, плавно давит на поршень. Поэтому следует ожидать более высокого ресурса кап ПМ, чем исходных дизелей. Например, дизель типа 1Д6 для электроагрегата мощностью 100 кВт производства ОАО "Барнаултрансмаш" имеет кап = 20 000 ч, а газодизель типа 1Г6 той же мощности - 30 000 ч. У дизелей и газодизелей типа Д49 для электроагрегатов мощностью 1000 - 1650 кВт производства ОАО "Коломенский    завод"    кап = 60 000 ÷ 100 000 ч. Таким образом, ПМ для мини-ТЭЦ будут иметь двукратный по сравнению с ПТ ресурс кап при единичных мощностях около 1000 кВт и соизмеримый с лопаточными ПТ кап при мощностях около 100 кВт.

Для технического обслуживания ПТ, особенно лопаточных, необходим, как правило, высококвалифицированный персонал. ПМ как близкие по типу к дизельным двигателям могут обслуживать специалисты более низкой квалификации, а их ремонт можно проводить прямо на месте эксплуатации.

По удельным габаритно-массовым показателям - площади в плане уд, объему размещения  и удельной массе  - ДЭГУ с ПМ уступают установкам с ПТ. Однако более чем десятилетний опыт успешной эксплуатации зарубежных ПМ в условиях мини-ТЭЦ показывает, что эти показатели не являются первостепенными для наземных энергогенерирующих установок. Лучшие, чем у ПТ, показатели по удельному расходу пара и ресурсу характеризуют ПМ как более эффективные.

Объединенной научной группой "Промтеплоэнергетика" Московского авиационного института, Всероссийского НИИ электрификации сельского хозяйства и Королёвского колледжа космического машиностроения и технологии разрабатываются более компактные, чем ПТ, звездообразные ПМ с бесшатунным механизмом преобразования движения поршня во вращение вала по схеме С. С. Баландина. Как видно из табл. 3 (№ 9), удельные габаритно-массовые показатели отечественных паропоршневых двигателей, разрабатываемых под руководством В. С. Дубинина, лучше, чем у ПМ зарубежных конструкций.

Исследования зарубежных специалистов и их опыт эксплуатации ПМ в условиях мини-ТЭЦ свидетельствуют о технико-экономическом превосходстве ПМ перед ПТ, особенно при электрических мощностях до 1 МВт. В 2005 г. Майкл Мюллер (Центр передовых энергетических систем Рутгерского университета США) в докладе "Возвращение паровой машины" на Американском совете по энергоэффективной экономике (АСЕЕЕ) отметил, что поршневые ПД в отличие от ПТ надежно работают на влажном насыщенном паре (для ПТ существует проблема эрозионного износа лопаток) при умеренных частотах вращения (до 3000 мин- ) и скоростях поршня. Это объясняет, в частности, более высокий, чем у ПТ, ресурс поршневых ПД и их лучшие шумоакустические характеристики. Большинство же маломощных ПТ работает при   частотах   вращения   вала   от   3000  до 8000 мин- (см. табл. 3), что, как известно, необходимо для обеспечения приемлемого удельного расхода пара. Кроме того, европейские специалисты отмечают, что вместо ПТ целесообразно использовать ПМ и при мощностях Рэл < 5 МВт, особенно в условиях работы на влажном насыщенном паре. ПМ устойчиво работают также при колебаниях параметров пара.

ДЭГУ с поршневыми двигателями в отличие от турбогенераторных могут работать автономно от электросетей не только по классической выпрямительно-инверторной схеме (см. рисунок), но и с самостабилизацией частоты вращения вала первичного двигателя по методу В. С. Дубинина [7]. В обоих вариантах обеспечивается выработка электроэнергии, показатели качества которой удовлетворяют требованиям ГОСТ 13109-97 [8] и вводимого взамен него с 2013 г. ГОСТ Р 54149-2010.

Теория самостабилизации поршневых двигателей впервые была разработана и экспериментально подтверждена В. С. Дубининым в 1980-е гг. В 2009 г. С. О. Шкарупа обобщил эту теорию для многоцилиндровых поршневых двигателей [7]. Самостабилизация осуществляется без организации обратных связей при импульсной подаче или выработке рабочего тела (например, пара) через равные промежутки времени. Такой процесс, по сути, аналогичен работе анкерного механизма и маятника в часах. В нашем случае - это поршневой ПД с источником пара и задающий генератор импульсов подачи пара.

Отечественный опыт эксплуатации котельных в режиме когенерации с паротурбинными ДЭГУ показывает, что стоимость вырабатываемой ими электроэнергии более чем в 5 раз ниже, чем получаемой от централизованных поставщиков. Это объясняется, в частности, отсутствием значительных расходов на компенсацию сетевых потерь электроэнергии, эксплуатацию оборудования мощных электростанций и протяженных электросетей. Учитывая рассмотренные выше энергетические и эксплуатационные преимущества ПМ перед ПТ, а также возможность серийного производства более дешевых, чем зарубежные, отечественных паропоршневых двигателей на базе дизелей, следует ожидать еще большего снижения стоимости электроэнергии, вырабатываемой в когенерационном режиме на мини-ТЭЦ с паровыми моторами.

 

Выводы

1. Эксплуатация мини-ТЭЦ, в том числе на базе мини-котельных, с использованием паровых моторов способствует энергосбережению и может обеспечить энергетическую независимость мин и котельных и ответственных потребителей от внешних электросетей.

2. Мини-ТЭЦ на базе мини-котельных с паровыми моторами имеют удельный рас ход условного топлива на выработку электроэнергии 0,115 - 0,1 кг/(кВт • ч), что в 1,3-1,5 раза меньше по сравнению с этим показателем для паротурбинных мини-ТЭЦ и в 1,25-2 раза меньше, чем для дизельных электростанций при электрических мощностях до 10 МВт.

 

Список литературы

1.      Рогалев Н. Д., Федоров В. А., Федоров Е. В. Экономические и технологические основы энергоэффективного производства электроэнергии и тепла с использованием турбин малой и средней мощности: Монография. — М.: Изд-во МЭИ, 2003.

2.      Соколов Б. А. Устройство и эксплуатация паровых и водогрейных котлов малой и средней мощности: Учеб. пособ. — М.: Издательский центр "Академия", 2008.

3.      Бурносенко А. Ю. Мини-ТЭЦ с паровыми турбинами для повышения эффективности промышленно-отопительных котельных. — Новости теплоснабжения, 2009, № 1.

4.      Куликовский П. П., Швецов П. Д., Семенов А. С. Паровые двигатели: Справочное руководство. — Киев-М.: Машгиз. Украин. отдние, 1955.

5.      Лукницкий В. В., Сильвестров В. В. Паровые электростанции небольшой и средней мощности. — М.-Л.: Госэнергоиздат, 1948.

6.      Филиппов В. В., Евенко В. И. Процессы впуска И выпуска в паровых машинах. — М.: Машгиз, 1955.

7.      Дубинин В. С. Обеспечение независимости электро и теплоснабжения России от электрических сетей на базе поршневых технологий: Монография. — М.: Изд-во Моск. ин-та энергобезопасности * энергосбережения, 2009.

8.      ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в система1! электроснабжения общего назначения. — М-; Изд-во стандартов, 2002.