Вверх

малая энергетика больших возможностей
Паровая винтовая машина как средство энергосбережения

Паровая винтовая машина как средство энергосбережения

Березин С. Р., д.т.н., профессор
Боровков В.М., д.т.н.,заслуженный энергетик России, зав. кафедрой  промтеплоэнергетики  СПбГПУ, профессор.
Ведайко В.И. , к.т.н.
Богачева А.И., генеральный директор ЗАО «ЭКО-Энергетика»

Аннотация. Изложена технология энергосбережения, основанная на использовании энергии пара для производства электроэнергии в котельной предприятия с помощью энергоустановки, включающей в себя паровую винтовую машину (ПВМ)

Введение
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  находятся в эксплуатации около 80 000 паровых котельных с 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. Потребление пара сильно меняется по 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. Для изношенных котлов, которых в настоящее время очень большое количество, Гостехнадзор ограничивает давление 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 ат с расходом пара 6-50 т/ час. Из этого пара можно реально получить 200 – 1500 кВт электроэнергии. Пар после котла  направляют в расширительную машину, например, 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 известных недостатков.
Наиболее привлекательными по совокупности свойств в данном диапазоне мощности являются паровые винтовые машины (ПВМ). ПВМ 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 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

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, исключают возможность касания профилей винтов друг с другом.
Выходной вал ведущего ротора соединен с электрогенератором.

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.

1.    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.
2.    Простота конструкции, высокая ремонтопригодность.
3.    Высокий межремонтный ресурс обусловлен отсутствием взаимного касания роторов и соответственно отсутствием механического износа.
4.    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.
5.    Неприхотливость к качеству пара, наличию в нем частиц окалины, грязи.
6.    Габариты и масса ПВМ меньше, чем у лопаточной турбины аналогичной мощности. Это важно при размещении ПВМ в действующем здании котельной.
7.    Высокая маневренность при изменении режима работы. Быстрый пуск и останов.
8.    Высокая эксплуатационная надежность и безопасность при возникновении аварийной ситуации.

Характеристики энергоагрегатов на базе ПВМ

Основное преимущество энергоустановки с ПВМ от имеющихся на рынке паротурбинных энергоустановок заключается в следующем. Эти установки спроектированы практически на одно единственное сочетание расхода и давлений пара на входе в машину и на выходе из машины. Данное сочетание условий по пару определяет мощность машины. В то же время условия по пару у разных Заказчиков сильно различаются, и маловероятно, чтобы они совпали с расчетными условиями машины.
Конструкция ПВМ позволяет в широком диапазоне приспосабливаться к конкретным условиям Заказчика и, как следствие, может покрывать весь наиболее часто встречающийся диапазон мощности от 200 кВт до 1500 кВт. Данное обстоятельство значительно расширяет рынок 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, исходя из этого, задать диапазон мощности машины.

Cочетание 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 у любого Заказчика, который имеет пар с указанными в таблице 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. 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 персоналом котельной. 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.
Работа ПВМ в год должна составлять не менее 6500 час из имеющихся 8760 час с учетом необходимого технического обслуживания оборудования котельной и перерывов в подаче пара.

Результаты опытно-промышленной эксплуатации ПВМ


В мае 2007 г. 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, 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 час. 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. Не было никаких претензий со стороны: энергоснабжающей организации.
Замечаний к работе энергоустановки нет, машина проста в эксплуатации, оснащена многоуровневой защитой от аварийных ситуаций.

Экономическая эффективность энергоустановки с ПВМ


Предприятия, имеющие собственные котельные, обычно очень заинтересованы в приобретении эффективного и быстроокупающегося 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 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. Так, при отключении энергии в зимнее время 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 час, а срок окупаемости энергоустановки составляет 1 –1.5 года. В расчете  в качестве установленной принята мощность ПВМ, равная 800 кВт. При повышении мощности эффективность ПВМ еще более повышается.
Заключение
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 4-5 раз дешевле, чем покупаемая от электроснабжающей организации. Это объясняется тем, что владелец собственной мини-ТЭЦ не оплачивает расходов 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 конкретные условия Заказчика.
4.    В процессе роста российских цен за электроэнергию (0.03–0.05) $/квт час и приближению их к мировому уровню (0.09 – 0.12 ) $/кВт час 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.

 
 
 

Выставка в Хабаровске

06.08.2014

Наша Компания готовится к участию в ХVI универсальной выставке-ярмарке «Межрегиональная Приамурская торгово-промышленная ярмарка - 2014» в городе Хабаровске

Российско-китайское сотрудничество

01.08.2014

Наша Компания по запросу Министерства экономического развития Российской Федерации приняла участие в формировании портфеля проектов Российско-Китайского инвестиционного сотрудничества.

Получение патента на разработку

01.11.2012

Нашей Компанией получен ещё один патент на разработку «Паровая винтовая машина».

Подробнее...
 
 
 
Компания «Эко-Энергетика» © 2005-2017 г. Все права защищены.