Паровая винтовая машина

Опубликовано 03.07.2009

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 Россиии 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, мясо-молочной, 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 атм 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 лесопереработки.

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.

Работа ПВМ

Рис. 1. Работа ПВМ.

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 маловероятно, чтобы они совпали с расчетными условиями машины.

Конструкция ПВМ позволяет в широком диапазоне приспосабливаться к конкретным условиям предприятия и, как следствие, может покрывать весь 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.

Табл. 1. Расчет мощности.

Расчет мощности

Каждое такое сочетание режимных параметров пара определяет мощность ПВМ. Оптимальная настройка конструкции ПВМ на определенное сочетание параметров 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.

Агрегат, смонтированный в производственной котельной ОАО НПФ Пигмент

Рис. 2. Агрегат, смонтированный в производственной котельной ОАО "НПФ Пигмент".

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 оснрве 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:

1. Высокие цены на электроэнергию обусловлены тем, что в сетевой тариф заложены дополнительные расходы на эксплуатацию и амортизацию сетей, НДС, прибыль и пр. 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 на оплате электроэнергии. Так, при отключении энергии зимой котельная останавливается и размораживается, поскольку все агрегаты собственных нужд работают от электропривода. В настоящее время фактор надежности электроснабжения превалирует в большинстве регионов России.

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:

  • ПВМ может эффективно применяться для производства электроэнергии в котельных при срабатывании перепада давления пара. Электроэнергия, которая произведена в собственной котельной, переоборудованной в мини-ТЭЦ, в 4–5 раз дешевле, чем покупаемая у электроснабжающей организации. Это объясняется тем, что владелец собственной мини-ТЭЦ не оплачивает расходов на содержание энергосетей, накладных расходов, НДС и плановой прибыли;
  • ПВМ как паровой двигатель в диапазоне мощности 200–1500 кВт имеет значительные технические преимущества перед паровой турбиной по эффективности, габаритам, стоимости, надежности и безопасности;
  • для различных условий по пару, определяющих различную мощность ПВМ, используется единая базовая модель машины с соответствующей настройкой под индивидуальные условия предприятия;
  • в процессе роста внутрироссийских цен на электроэнергию (0,03–0,05 USD/кВт•ч) и приближения их к мировому уровню (0,09–0,12 USD/кВт•ч) собственное производство энергии станет значительно более рентабельным. Учитывая экономический рост в России и значительную изношенность основных фондов электростанций и электросетей, собственное производство энергии является реальной альтернативой центральному энергоснабжению.

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 поM вышая 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 миниM мальная степень сухости пара на выходе лопаточных турбин составляM ет 88%. Влажный пар вызывает эрозионный износ лопаток. Как известM но, у подавляющего большинства котлов малой производительности отсутствуют пароперегреватели, поэтому этими котлами вырабатываM ется сухой насыщенный пар. При расширении его в проточной части турбины степень сухости падает, что создает опасность преждевременM ного выхода установки из строя.

Неприхотливость к качеству пара, наличию в нем частиц окалины и грязи.

Габариты и масса ПВМ меньше, чем у лопаточной турбины аналогичной мощности. Это важно при размещении ПВМ в действующем здании коM тельной.

Высокая маневренность при изменении режима работы. Быстрый пуск и останов.

Высокая эксплуатационная надежность и безопасность при возникM новении аварийной ситуации.