Винтовая паровая машина кпд
О ПОВЫШЕНИИ ЭФФЕКТИВНОСТИ КОТЕЛЬНЫХ И ТЭЦ С ПОМОЩЬЮ ПАРОВЫХ ВИНТОВЫХ МАШИН.
высокий КПД – до 70% – и работа в широком диапазоне мощностей;
нечувствительность к влажности пара и содержанию в нем различных примесей;
возможность применения в качестве основного или вспомогательного источника энергии;
увеличенный до 60 тыс. часов моторесурс и возможность возобновления работы после капитального ремонта;
исключительная надежность и ремонтопригодность;
высокий уровень безопасности;
возможность размещения в существующих помещениях котельных, благодаря небольшим размерам и массе;
простое техническое обслуживание силами штатных сотрудников котельной.[1]
Рисунок 1. Паро-винтовая машина выпускаемая компанией “Газавтоматика”.
ПВМ фактически, представляет собой модифицированный тип парового двигателя, специализирующийся на преобразовании механической энергии, полученной за счёт давления пара, в электрическую. ПВМ разработана в России, и не имеет аналогов в мире.
Основным рабочим элементом паро-винтовой машины является роторный механизм, ведущий вал которого подключён к электрогенератору. Объём пар, генерируемый промышленными котельными, обычно зависит от степени изношенности котлов. Если избыточный пар направить в ПВМ, часть его механической энергии преобразуется в электроэнергию. Для увеличения энергии пара необходимо потратить больше топлива. Пар, использованный в ПВМ, поступает на технологические нужды. Температура этого пара должна соответствовать условиям данного конкретного технологического процесса, например, отопление. [2]
Электрический КПД паро-винтовой машины определяется как:
где – относительный индикаторный КПД;
-механический КПД, для ПВМ ≈ 0,92 ÷ 0,93;
— КПД электрогенератора, ≈ 0,94÷0,95.
Конструкция ПВМ состоит из корпуса высокого давления с впускным патрубком, корпус низкого давления с выпускным патрубком, ведущий и ведомый винтовые роторы. На валах установлены торцовые уплотнения, опорные подшипники и упорные подшипники. Ведущий и ведомый роторы имеют соответственно 4 и 6 винтовых зубьев, которые находятся в зацеплении с гарантированным зазором. Роторы связаны между собой при помощи синхронизирующих шестерён. Острый пар через впускное окно поступает к винтовым зубьям роторов и расширяется в полостях, образованных впадинами зубьев роторов, и удаляется из машины через выпускной патрубок.[3]
Рисунок 2. Конструкция ПВМ для мини ТЭЦ.
Интегрированная Автоматизированная система управления технологическим процессом котельной должна обеспечивать автоматическую защиту мини-ТЭЦ при возникновении любой чрезвычайной ситуации. Защита заключается в приостановке поступления пара в ПВМ и моментальном отключении генератора от электросети.[6]
Наличие мини-ТЭЦ в составе котельного оборудования никак не должно оказывать какое-либо отрицательное воздействие на обеспечении паром основного производства и работы котлов. Для этого, на входе пара в ПВМ должен быть установлен автоматический переключатель пара, подключенный к ИАСУТП. В случае чрезвычайной ситуации переключатель пара должен мгновенно прекращать поступление пара в ПВМ и направить его в обвод через редукционно охладительные установки.
1. Березин С.Р. Технология энергосбережения с использованием паровых винтовых машин// Теплоэнергетика. 2007. № 8.
2. Березин С.Р., Боровков В.М., Ведайко В.И., Богачева А.И. Паровая машина // Современное машиностроение. 2009. № 1.
3. Боровков В.М., Бородина О.А. Паровая винтовая машина для использования в малой энергетике//Новости теплоснабжения. 2006. № 2.
4. Березин С.Р., Боровков В.М., Ведайко В.И., Богачева А.И. Паровая винтовая машина как средство энергосбережения // Новости теплоснабжения. 2009. № 7.
6. Белозеров В.В., Назаренко А.А., Белозеров В.В.МОДЕЛЬ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОГО ОБЪЕКТА ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКИ // Приоритетные задачи и стратегии развития технических наук : сб.научных трудов по итогам международной научно-практической конференции (Тольятти). 2016. С. 28-31.
Паровая винтовая машина
С.Р. БЕРЕЗИН, д.т.н., профессор, Уфимский государственный авиационный технический университет (УГАТУ)
В.М. БОРОВКОВ, д.т.н., заслуженный энергетик России, зав. кафедрой промтеплоэнергетики Санкт-Петербургского государственного политехнического университета (СПбГПУ), профессор
В.И. ВЕДАЙКО, к.т.н., Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий (СПбГУНиПТ)
А.И. БОГАЧЕВА, генеральный директор ЗАО «Эко-Энергетика»
Из учебника по физике за 8-й класс мы можем узнать, что первая паровая турбина, нашедшая практическое применение, была изготовлена в далеком 1889 году шведом Лавалем. Классической паровой турбине уже больше века, а классика, как известно, всегда в моде.
В настоящее время в России и в мире получают все большее распространение новые технологии энергосбережения. К ним, в частности, относится использование энергии пара для выработки электроэнергии в котельных и перевода их в мини-ТЭЦ. Масштабы применения этой технологии энергосбережения достаточно велики. Так, в России находится в эксплуатации около 80 тыс. паровых котельных паропроизводительностью 10-100 т/час. Эти котельные обычно используются в производственно-отопительных целях и принадлежат небольшим предприятиям бумажной, лесопильной, пищевой, мясомолочной, кондитерской, строительных материалов, текстильной, кожевенной и многих других индустрий.
Параметры производимого пара в разных котельных сильно различаются в зависимости от назначения использования пара на данном предприятии. В свою очередь, потребление пара сильно меняется в зависимости от времени года (летний и зимний режимы) и от времени суток. Давление пара на выходе из котла зависит от потребностей технологии предприятия, а также от степени изношенности котлов. Так, обычные котлы широкого промышленного применения проектируются на давление пара 13 ати (атмосфера избыточная). Для изношенных котлов, которых в настоящее время очень много, Гостехнадзор ограничивает давление всего 7-8 ати. Для нужд технологии обычно требуется 4-6 ати, для отопления требуется 1,5-2 ати с расходом пара 3-6 т/час. Таким образом, наиболее часто в котельных имеется неиспользуемый перепад давления пара 3-6 ати с расходом пара 6-50 т/ час.
Из этого пара возможно реально получить 200-1500 кВт электроэнергии. Для этого необходимо пар после котла направить в расширительную машину, например, в паровую турбину, связанную с электрогенератором. Таким образом можно получить очень дешевую электроэнергию (дополнительный расход топлива и эксплуатационные расходы незначительны). Однако использование паровой турбины здесь малопродуктивно, поскольку в указанной области небольших мощностей она имеет ряд хорошо известных недостатков.
Наиболее привлекательными по совокупности свойств в данном диапазоне мощности являются паровые винтовые машины (ПВМ). ПВМ по своей сути является новым типом парового двигателя. ПВМ разработана в России, она уникальна, зарубежные аналоги отсутствуют. На конструкцию ПВМ, ее узлов и систем получено около 25 патентов в России и за рубежом.
В диапазоне мощности 200-1500 кВт ПВМ практически по всем показателям значительно превосходит обычную лопаточную паровую турбину. ПВМ является наиболее перспективной основой для создания мини-ТЭЦ, особенно в районах Крайнего Севера и в районах к ним приравненным. Здесь ориентация на электростанции на дизельном топливе должна быть исключена в связи с многократным повышением цены топлива. В мини-ТЭЦ должны использоваться местные топливные ресурсы: уголь, торф, отходы лесопере-работки.
Устройство и принцип действия
ПВМ является машиной объемного типа действия. В корпусе вращаются рабочие органы — винты роторов. Роторы выполнены из стали, на них нарезаны винты асимметричного профиля. Синхронизирующие шестерни, установленные на роторах, которые абсолютно исключают возможность касания профилей винтов друг с другом. Выходной вал ведущего ротора соединен с электрогенератором. Принцип действия ПВМ показан на РИС. 1.
Пар высокого давления из котла поступает в ПВМ через впускное окно в корпусе с одного торца роторов. После заполнения паром канавки между зубьями происходит отсечка пара, и при дальнейшем вращении роторов в канавке (парной полости) происходит объемное расширение порции пара. В конце расширения канавка сообщается с выпускными окнами в корпусе на другом торце роторов. Отработанный пар поступает в тепловую сеть для нужд технологии или для отопления.
Преимущества
Основное преимущество энергоустановки с ПВМ по сравнению с имеющимися на рынке паротурбинными энергоустановками заключается в следующем: установки спроектированы практически на одно-единственное сочетание расхода и давлений пара на входе в машину и на выходе из нее. Данное сочетание условий по пару определяет мощность машины. В то же время условия по пару у разных предприятий сильно различаются, и очень наиболее часто встречающийся диапазон мощности 200-1500 кВт. Подобная вариативность значительно расширяет спектр применения ПВМ.
Можно сформулировать ряд требований к облику энергетической установки с ПВМ, чтобы она наиболее полно учитывала потребности сложившегося рынка и могла успешно конкурировать на нем. Прежде всего, необходимо оценить наиболее вероятный потенциал мощности пара в котельных и уже исходя из этого задать диапазон мощности машины. В ТАБЛ. 1 приведены наиболее часто встречающиеся у различных предприятий параметры пара: давление на впуске ПВМ, давление на выпуске, потребление (расход) пара и мощность, которую можно реально получить с помощью ПВМ.
Каждое такое сочетание режимных параметров пара определяет мощность ПВМ. Оптимальная настройка конструкции ПВМ на определенное сочетание параметров пара осуществляется за счет подбора в широком диапазоне соответствующих конструктивных параметров ПВМ при единой базовой конструкции машины, которая определяется литейными моделями корпуса. Таким образом, ПВМ способна выработать мощность в диапазоне 200-1500 кВт практически на любом предприятии, которое имеет пар с указанными в табл. 1 параметрами.
Энергоустановка с ПВМ может быть трех типов: для автономного режима, для режима параллельно сети, а также для привода исполнительных механизмов, например, водяных насосов. Стоит заметить, что при работе в параллельном режиме энергоустановка работает на сеть предприятия, покрывая часть его собственных нужд в электроэнергии и уменьшая тем самым ее потребление из сети. Обороты и частота переменного тока энергоустановки жестко привязаны к частоте сети. Мощность установки определяется перепадом давления и расходом пара через машину и регулируется дроссельным клапаном на входе в ПВМ.
ПВМ рассчитана на достаточно низкий уровень технического обслуживания, поскольку эксплуатация ее проводится исключительно персоналом самой котельной. Система автоматического управления и защиты, основанная на микропроцессорной технике, должна учитывать различный технический уровень приборного оснащения котельных, и допускает возможность работы совместно с современными АСУ ТП на базе персональных компьютеров, а также может работать автономно в котельной с морально устаревшими КИП.
Работа ПВМ в год должна составлять не менее 6500 часов из имеющихся 8760 часов, с учетом необходимого технического обслуживания оборудования котельной и перерывов в подаче пара.
Доказано практикой и экономикой
В мае 2007 года предприятием ЗАО «Эко-Энергетика» совместно с Санкт-Петербургским политехническим государственным университетом была внедрена паровая винтовая турбина с мощностью асинхронного генератора 1000 кВт в производственной котельной ОАО «НПФ «Пигмент». В настоящее время машина находится в опытно-промышленной эксплуатации в условиях реального производства. Она вышла на максимальную проектную мощность и показала свою работоспособность и эффективность.
При работе по тепловому графику выдача активной электрической мощности в сеть предприятия колебалась от 320 до 808 кВт, среднечасовая мощность составила 563,3 кВт, общая наработка — 5000 часов, стоимость выработанной электроэнергии — 0,21 руб/кВт*ч. Расчетный срок окупаемости составляет 18 месяцев при годовой наработке 6000 часов и средней мощности 600 кВт.
Электрическая система отбора мощности энергоустановки на основе асинхронного генератора при параллельной работе с сетью показала свою высокую надежность. Выдача энергии в электрическую сеть не оказывает дестабилизирующего влияния на сеть. Претензии со стороны энергоснабжающей организации не поступали.
Замечаний к работе энергоустановки нет, машина проста в эксплуатации, оснащена многоуровневой защитой от аварийных ситуаций. Предприятия, имеющие собственные котельные, обычно очень заинтересованы в приобретении эффективного и быстро окупающегося паросилового электрогенерирующего оборудования по следующим причинам:
Расчет экономической эффективности применения ПВМ в котельной показывает, что удельный расход топлива на выработанную электроэнергию составляет 140-145 г.у.т./кВт*ч, а срок окупаемости энергетической установки — до полутора лет. При расчете в качестве установленной принята мощность ПВМ, равная 800 кВт. При повышении мощности эффективность ПВМ еще более повышается.
В заключение хотелось бы расставить акценты и показать, почему уже сегодня следует задуматься над тем, чем ваше предприятие будет жить завтра:
Паровая винтовая машина как средство энергосбережения
Д.т.н. С.Р. Березин, профессор,
д.т.н. В.М. Боровков, профессор,
заведующий кафедрой промтеплоэнергетики,
Санкт-Петербургский государственный
политехнический университет(СПбГПУ);
к.т.н. В.И. Ведайко, главный конструктор,
А.И. Богачева, генеральный директор,
ЗАО «Эко-Энергетика», г. Санкт-Петербург
В настоящее время в России и в мире получают все большее распространение новые технологии энергосбережения. К ним, в частности, относится использование энергии пара для выработки электроэнергии в котельных и перевода их в мини-ТЭЦ. Масштабы применения этой технологии энергосбережения достаточно велики. Котельные с паропроизводительностью от 10 до 100 т/ч обычно используются в производственно-отопительных целях и принадлежат небольшим предприятиям бумажной, лесопильной, пищевой, текстильной, кожевенной и многих других отраслей промышленности.
Наиболее привлекательными по совокупности свойств в данном диапазоне мощности являются паровые винтовые машины (ПВМ). Паровая винтовая машина по сути является новым типом парового двигателя. ПВМ разработана в России, она уникальна, аналогов ее за рубежом нет. На конструкцию ПВМ, ее узлов и систем получено около 25 патентов в России и за рубежом. В диапазоне мощности 200-1500 кВт ПВМ практически по всем показателям значительно превосходит обычную лопаточную паровую турбину.
ПВМ является перспективной основой для создания мини-ТЭЦ, особенно в районах Крайнего Севера и в районах к ним приравненных. Здесь возможна замена отопительных и производственных котельных и дизельных электростанций на мини-ТЭЦ, использующие местные топливные ресурсы: уголь, торф, отходы лесопереработки.
Устройство и принцип действия ПВМ
Принцип действия ПВМ показан на рис. 2. Пар высокого давления из котла поступает в ПВМ через впускное окно в корпусе с одного торца роторов. После заполнения паром канавки между зубьями происходит отсечка пара, и при дальнейшем вращении роторов в канавке (парной полости) происходит объемное расширение порции пара. В конце расширения канавка сообщается с выпускными окнами в корпусе на другом торце роторов. Отработанный пар поступает в тепловую сеть для нужд технологии или для отопления.
Технические преимущества ПВМ перед лопаточной паровой турбиной:
■ высокий КПД расширения (0,7-0,75) в широком диапазоне режимов (конденсат, образующийся при расширении пара, заполняет зазоры между рабочими органами, тем самым, уменьшая протечки пара и повышая КПД);
■ простота конструкции, высокая ремонтопригодность;
■ высокий межремонтный ресурс обусловлен отсутствием взаимного касания роторов и соответственно отсутствием механического износа;
■ ПВМ может работать на паре любой влажности, в то время как минимальная степень сухости пара на выходе лопаточных турбин составляет 88%. Влажный пар вызывает эрозионный износ лопаток. Как известно, у подавляющего большинства котлов малой производительности отсутствуют пароперегреватели, поэтому этими котлами вырабатывается сухой насыщенный пар. При расширении его в проточной части турбины степень сухости падает, что создает опасность преждевременного выхода установки из строя;
■ неприхотливость к качеству пара, наличию в нем частиц окалины, грязи;
■ габариты и масса ПВМ меньше, чем у лопаточной турбины аналогичной мощности. Это важно при размещении ПВМ в действующем здании котельной;
■ высокая маневренность при изменении режима работы, быстрый пуск и останов;
■ высокая эксплуатационная надежность и безопасность при возникновении аварийной ситуации.
Основное отличие энергоустановок с ПВМ от имеющихся на рынке паротурбинных энергоустановок заключается в следующем. Паротурбинные установки спроектированы практически на одно единственное сочетание расхода и давлений пара на входе в машину и на выходе из нее. Данное сочетание условий по пару определяет мощность машины. В то же время условия по пару в различных котельных могут существенно различаться и с течением времени меняться, поэтому маловероятно, чтобы они совпали с расчетными условиями работы машины.
Конструкция ПВМ позволяет в широком диапазоне приспосабливаться к условиям работы конкретной котельной и, как следствие, может покрывать весь наиболее часто встречающийся диапазон мощности от 200 до 1500 кВт. Данное обстоятельство значительно расширяет область применения ПВМ.
В таблице приведены параметры пара (давление на впуске ПВМ, на выпуске, расход) наиболее часто встречающиеся в котельных различных предприятий, а также мощность, которую можно получить с помощью ПВМ при этих параметрах.
Каждое такое сочетание режимных параметров пара определяет мощность ПВМ. Оптимальная настройка конструкции ПВМ на определенное сочетание параметров пара осуществляется за счет подбора в широком диапазоне соответствующих конструктивных параметров ПВМ при единой базовой конструкции машины, которая определяется литейными моделями корпуса. Таким образом, ПВМ способна выработать мощность, как было указано выше, в диапазоне 2001500 кВт в любой котельной, имеющей пар с параметрами, указанными в таблице.
Энергоустановка с ПВМ может использоваться для автономного режима работы, для режима работы параллельно сети, а также для привода исполнительных механизмов (например, водяных насосов). При работе в параллельном режиме энергоустановка работает на электрическую сеть предприятия, покрывая часть его собственных нужд в электроэнергии и уменьшая тем самым ее потребление из сети. При этом обороты и частота переменного тока энергоустановки жестко привязаны к частоте сети. Мощность установки определяется перепадом давления и расходом пара через машину и регулируется дроссельным клапаном на входе в ПВМ.
ПВМ рассчитана на достаточно низкий уровень технического обслуживания, поскольку эксплуатация ее проводится персоналом котельной.
Дополнительно следует отметить некоторые требования к энергетической установке с ПВМ, выполнение которых позволит повысить конкурентоспособность данного оборудования.
1. Система автоматического управления и защиты ПВМ, основанная на микропроцессорной технике, должна учитывать различный технический уровень приборного оснащения котельных, допускать возможность работы совместно с современными АСУ ТП на базе персональных компьютеров, а также работать автономно в котельной с морально устаревшими КИП.
2. Работа ПВМ в год должна составлять не менее 6500 ч из имеющихся 8760 ч с учетом необходимого технического обслуживания оборудования котельной и перерывов в подаче пара.
В мае 2007 г. предприятием ЗАО «Эко-Энергетика» совместно с СПбГПУ была внедрена паровая винтовая турбина с мощностью асинхронного генератора 1000 кВт в производственной котельной ОАО «НПФ «Пигмент» (рис. 3). В настоящее время машина находится в опытнопромышленной эксплуатации в условиях реального производства, вышла на максимальную проектную мощность и показала свою работоспособность и эффективность.
Таблица. Рабочие характеристики ПВМ в зависимости от параметров пара в котельной.
кВт
Электрическая система отбора мощности энергоустановки при параллельной работе с сетью показала свою высокую надежность. Выдача энергии в электрическую сеть не оказывает дестабилизирующего влияния на сеть. Со стороны энергоснабжающей организации никаких претензий не было.
Получение от ОАО «Ленэнерго» ТУ на подключение энергоустановки в режиме работы параллельно с электрической сетью проходило по упрощенной схеме в связи с тем, что в состав энергоустановки входит асинхронный генератор (АГ).
■ отсутствует дорогая и сложная система синхронизации генератора с сетью;
■ значительно упрощается электросиловая часть установки, уменьшается количество релейных защит генератора, т.к. АГ практически не генерирует токов короткого замыкания в энергосистему;
■ АГ не влияет на частоту и форму синусоиды электрических колебаний сети;
■ у АГ отсутствует регулятор возбуждения генератора, а у СГ обязательно наличие устройств возбуждения (теристорное или бесщеточное);
■ АГ обладает меньшими габаритами по сравнению с СГ аналогичных параметров, что позволяет сохранить важную концепцию «малости» энергоустановки с ПВМ;
■ АГ в серийном исполнении в три раза дешевле СГ с аналогичными параметрами, поэтому использование АГ значительно снижает стоимость всей энергоустановки, и, как следствие, сокращает срок окупаемости оборудования.
Предприятия, имеющие собственные котельные, обычно заинтересованы в приобретении эффективного и быстроокупающегося паросилового электрогенерирующего оборудования по следующим причинам.
1. Высокие цены на электроэнергию, обусловленные тем, что в сетевой тариф заложены дополнительные расходы на эксплуатацию и амортизацию сетей, НДС, прибыль и др. Собственное производство электроэнергии в котельной приводит к некоторому увеличению расхода топлива, однако это окупается низкой стоимостью получаемой электроэнергии, обычно в 4-5 раз дешевле, чем из сети.
2. Вероятность отключения электроснабжения, особенно для предприятий низкой категории электроснабжения. Этот фактор часто значит не меньше (а во многих случаях и больше), чем экономия затрат на оплату электроэнергии.
Расчет экономической эффективности применения ПВМ в котельной показывает, что удельный расход топлива на выработанную электроэнергию составляет 140-145 г у.т./кВт.ч, а срок окупаемости энергоустановки мощностью 800 кВт составляет 1-1,5 года. При увеличении мощности эффективность ПВМ еще больше повышается.
1. ПВМ может эффективно применяться для производства электроэнергии в котельных при срабатывании перепада давления пара. Собственное производство электроэнергии в котельной, переоборудованной в мини-ТЭЦ, в несколько раз дешевле, чем покупаемая у электроснабжающей организации. Это объясняется тем, что владелец собственной мини-ТЭЦ не оплачивает расходы на содержание энергосетей, накладных расходов, НДС и плановой прибыли.
2. ПВМ, как паровой двигатель, в диапазоне мощности 200-1500 кВт обладает значительными техническими преимуществами перед паровой турбиной по эффективности, габаритам, стоимости, надежности и безопасности.
3. Для различных условий по пару, определяющих различную мощность ПВМ, используется единая базовая модель машины с соответствующей настройкой на условия конкретной котельной.
4. В процессе роста цен на электроэнергию (0,03-0,05 долл. США/кВт.ч) и приближению их к мировому уровню (0,09-0,12 долл. США/кВт.ч) собственное производство энергии станет более рентабельным.