Паровая винтовая машина принцип работы
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.
Паровая винтовая машина мощностью 1000 кВт для использовании в малой энергетике
Научно-практическая конференция «Малые и средние ТЭЦ. Современные решения»
Боровков В. М., ассистент Бородина Ольга Александровна
Официальной датой начала развития в России теплофикации или, как сейчас модно говорить, когенерации считается 25 ноября 1924 года, когда в дом
96 на набережной реки Фонтанки было подано тепло от 3-й Ленинградской ГЭС [1]. Тем не менее, Санкт-Петербургский Политехнический университет, по праву может называть себя первым, кто осуществил комбинированную выработку тепловой и электрической энергии в России. Теплосиловая блокстанция, снабжающая теплом здания университета, была введена в работу еще в 1902 году. Продолжая славные научные традиции, исследованиями в области теплофикации занимается кафедра « Промышленной теплоэнергетики», руководителем которой я собственно и являюсь.
Сейчас много говорится и пишется о том, что Россия находится в состоянии отложенного энергетического кризиса. Действительно, старение энергетических мощностей достигло столь критического уровня, что страна в ближайшее время рискует столкнуться с общим дефицитом энергетических мощностей. К тому же все мы понимаем, что строительство крупных энергообъектов требует огромных финансовых средств, а система гарантированных государственных инвестиций в отрасль, существовавшая ранее, теперь не функционирует в былых масштабах. В настоящее время для строительства ТЭЦ начинают привлекаться частные инвестиции. Зачастую для обеспечения энергоснабжения отдельных предприятий привлекаются их собственные средства. Очевидно, что в такой ситуации становятся более востребованными энергоустановки малой мощности [2]. Развивается распределенная генерация.
Мини-ТЭЦ на базе промышленных и отопительных котельных
Одним из актуальных направлений в современной энергетике является надстройка генерирующих мощностей на действующих производственных и отопительных котельных и их преобразование в мини-ТЭЦ. И самый дешевый, простой и экономичный способ – это установка в котельной паровой противодавленческой турбины с выработкой электроэнергии на тепловом потреблении без потерь в холодном источнике. Целесообразность подобных реконструкций обуславливается следующими положениями. Во-первых, огромный потенциал для внедрения паротурбинных установок таким способом обуславливается большим количеством котлов стандартного типа, эксплуатирующихся на существующих котельных, часть энергетического потенциала которых не используется полезно. Например, котлов серии ДЕ (ЗАО ПО «Бийскэнергомаш») с производительностью от 16 до 25 тонн пара в час было выпущено более 6000
Выходное давление пара в них зачастую выше, чем требуется потребителю и, поэтому, избыток энергетического потенциала “гасится” в специальных редукционно-охладительных установках (РОУ). Надстройка паровой турбины в обвод РОУ может обеспечить дополнительную выработку 50-60 кВт электрической энергии на каждую тонну произведенного пара и увеличение коэффициента полезного использования топлива на величину порядка 10-15 %. Во-вторых, в состав оборудования котельных входит масса вспомогательного оборудования, требующего питания электрической энергией: это тягодутьевые и питающие устройства, оборудование водоподготовки, топливоподачи, контрольно-измерительные приборы и системы автоматизации. Очевидно, что для их надежного функционирования необходима бесперебойность снабжения котельной электрической энергией, что может быть обеспечено за счет возможности автономной работы. К тому же наличие резервного источника требуется по существующим строительным нормам и правилам: “…установка котлов производительностью более 10 Гкал/ч допускается только при условии, если котельная обеспечена двумя независимыми источниками питания электроэнергией” противодавленческие турбогенераторы различных модификаций разрабатываются и производятся рядом производителей.
Паровые винтовые машины. Исторический экскурс.
Прогрессивность идеи винтовых машин заключается в неизменно направленном (вращательном) движении рабочих органов машины. Отсутствие в ПВМ деталей, совершающих возвратно-поступательно движение, позволяет реализовать высокие скорости вращения роторов, что обеспечивает получение относительно высокой производительности при небольших размерах, что в свою очередь предопределяет большую экономию в весе и размерах. Точка отсчета по созданию винтовых машин в России – конец 30-х годов [5]. Но основополагающую роль в их развитии сыграло ЦКБ ПО «Компрессор» во главе с Главным конструктором и одним из ведущих теоретиков ПВМ в России профессором Сакуном И.А. Разработка, создание, испытания и внедрение винтовых машин в различных отраслях промышленности этим КБ проводились с 1959 года. За десятилетия работы КБ было создано большое разнообразие конструкций винтовых машин, предложены оригинальные конструктивные решения и усовершенствования, повышающие их экономичность и эксплутационные качества. После реорганизации этого предприятия в 1991 году один из ведущих конструкторов ЦКБ «Компрессор», В.И.Ведайко, являющийся также научным сотрудником Ленинградского технологического института холодильной промышленности, организовал частное конструкторское бюро (ООО «ПРО-КОМ»), где разрабатывались паровые винтовые турбины для использования в малой энергетике. В 90-е годы, являясь главным конструктором КБ ООО « ПРО-КОМ», В.И. Ведайко руководил созданием первого в мире опытного образца паровой винтовой турбины мощностью 250 кВт, в последствии успешно прошедшей опытно-промышленные испытания. А с 2003 года под его руководством осуществляются опытноконструкторские разработки паро-винтовых агрегатов мощностью 1000 кВт в компании ЗАО «Эко-Энергетика». Создание агрегата с винтовым паровым расширителем мощностью 1000 кВт для обеспечения электроэнергией и теплом малых предприятий в составе Мини-ТЭЦ проводится впервые в отечественном машиностроении. Сведений об использовании винтовых машин в качестве паровых расширителей за рубежом нет.
Конструкция паро-винтового агрегата АВПР-1,0
Принципиальные схемы агрегата АВПР 1,0 с винтовым паровым расширителем ВПР-1,0 приведены на рисунке 1. Основными узлами расширителя являются:
– лабиринтные и радиально-щелевые паровые уплотнения;
– лабиринтные масляные уплотнения.
2.Роторы выполнены из стали, на них нарезаны винты асимметричного профиля. Роторы вращаются в опорных подшипниках скольжения, а для восприятия осевых сил используются подшипники качения.
3.Синхронизирующие шестерни, установленные на роторах, исключают возможность касания профилей винтов друг с другом.
кольцом, фиксирующим шестерни по оси в обоих направлениях относительно корпуса редуктора. На крышке редуктора установлен дефлектор (сапун), предназначенный для отвода паров масла из редуктора.
5.Встроенный маслонасос приводится в движение от выходного вала редуктору и обеспечивает надежную подачу масла ко всем смазочным точкам расширителе и редуктора при вращении роторов.
6.Разгрузочное устройство установлено на ведущем роторе и за счет перепада давления пара позволяет значительно снизить осевую силу, действующую на ротор.
7.Лабиринтные и радиально-щелевые угольные уплотнения установлены на концах валов роторов и в разгрузочном устройстве и исключают протечки пара в масляную систему расширителя, а также уменьшают протечки пара в атмосферу.
8.В расширителе использованы стандартные лабиринтные масляные уплотнения, которые установлены на роторах вблизи подшипников и исключают попадание масла в уплотнительные узлы.
Принцип работы расширителя
При работе расширителя насыщенный водяной пар поступает во впускную камеру и через впускное окно заполняет впадины винтов роторов. Характерной особенностью профилей винтов, применяемых в винтовом машиностроении, является то, что отдельные участки поверхности винтов подвержены различным давлениям. Пар, попадая в полость винтов и воздействуя на эти поверхности, создает на роторах механический крутящий момент, передаваемый приводимому в движение агрегату. При вращении роторов часть впадин, заполненных паром, отсекаются от впускного окна. Пар при дальнейшем вращении винтов расширяется по мере увеличения объема парной полости, совершая механическую работу. Объем парных полостей, достигнув максимума, соединяется с выпускным окном, и через выпускной патрубок поступает в трубопровод низкого давления и используется далее для теплотехнических нужд потребителя.
При расширении пара его температура понижается и возможно образование конденсата, который благодаря конструктивным особенностям винтового расширителя не оказывает на последний отрицательного воздействия.
Масляная система обеспечивает смазку и охлаждение зубчатых передач, а также подшипников расширителя и редуктора. В масляной системе используются 2 насоса: пусковой с электроприводом и встроенный в расширитель. Пусковой насос используется для прокачки подшипников перед пуском и отключается после достижения рабочего давления масла в масляном коллекторе уже при работе встроенного маслонасоса. Таким образом, смазочное масло поступает из маслобака в насос, откуда, пройдя масляный фильтр и охладитель масла, поступает в распределительный коллектор, из которого направляется ко всем смазочным точкам расширителя и редуктора. После смазки трущихся поверхностей масло сливается обратно в маслобак.
В разгрузочное устройство подается пар из камеры подвода пара к расширителю, а протечки пара после лабиринтного уплотнения перепускаются в камеру выхода пара из расширителя. Для уменьшения протечек пара из рабочих полостей расширителя в атмосферу на валах роторов установлены лабиринтные и угольные радиально-щелевые уплотнения.
Конструктивные особенности АВПР-1,0
Поскольку назначение агрегата предъявляет высокие требования к его надежной, длительной эксплуатации, был выбран тип винтового одноступенчатого расширителя, который наиболее полно удовлетворяет этим требованиям. Он обладает следующими преимуществами по сравнению с другими типами расширителей:
– высокой надежностью и длительным моторесурсом, что определяется простотой его конструкции;
– малыми габаритами и массой, что достигается быстроходностью рабочих органов, совершающих вращательное движение и высокой степенью расширения в одной ступени;
– нечувствительностью к наличию в рабочем потоке капельной жидкости и гидравлическим ударам (явление эрозии не оказывает влияния на прочностные характеристики винтов благодаря форме и массивности рабочих органов (зубьев));
– более высоким внутренним относительным КПД (67…70 %);
– высокой степенью уравновешенности роторов расширителя, позволяющей отказаться от массивных фундаментов;
– высокой равномерностью вращения;
– простотой обслуживания и низкими эксплуатационными расходами.
По рассчитанному расходу рабочей среды и оптимальному значению окружной скорости определены оптимальные соотношения геометрических размеров рабочих органов расширителя, а именно наружный диаметр винтов 315 мм и отношение длинны винтов к диаметру L / D = 1,35. Полученные таким образом значения геометрических размеров винтов позволили так распределить объемы полостей в начале и в конце процесса расширения рабочей среды, что удалось степень внутреннего расширения максимально приблизить к внешней степени расширения. Последнее способствует безударному выпуску рабочей среды и максимальной отдаче энергии пара вращающимся винтам расширителя.
Необходимые минимальные зазоры между торцами винтов и корпусом на стороне высокого давления обеспечивается за счет изменения толщины регулировочных прокладок. Минимально допустимые радиальные зазоры между винтами и корпусом обеспечиваются точностью обработки расточек корпуса винтов роторов, подшипников и зазоров в последних.
Промежуточный корпус (крышка) между верхней частью корпуса высокого давления и крышкой редуктора позволяет (при его съеме) обеспечить доступ к регулировочным прокладкам между торцами винтов роторов и корпусом на стороне высокого давления без сложной разборки расширителя, а также возможность съема и установки встроенного масляного насоса.
Для синхронизации вращения винтов роторов применена конструкция шестерен, разработанная ранее при проектировании компрессоров, обеспечивающая при использовании разрезной шестерни, установленной на ведомом роторе, надежную регулировку профильных зазоров.
Применение встроенного редуктора позволило значительно уменьшить общие габариты агрегата и упростить соединительные элементы в схеме расширитель-редуктор-приводимый механизм.
Применение встроенного маслонасоса дополнительно к пусковому маслонасосу с приводом от выходного вала редуктора позволяет повысить надежность работы масляной системы, т.к. обеспечивает подачу масла ко всем смазочным точкам расширителя при вращении роторов вплоть до остановки независимо от внешней среды, а также значительно упростить его конструкцию по сравнению с навесным маслонасосом. Особое внимание при разработке было уделено уплотнительным узлам для исключения попадания пара в масляную систему.
Применение разгрузочного устройства позволило использовать для восприятия осевого усилия, действующего на ведущий ротор, радиально-упорные подшипники качения вместо значительно более сложных и трудоемких в изготовлении упорных подшипников скольжения.
Технические характеристики базовой модели АВПР-1,0
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: