Газодинамическая поршневая машина для паровых котельных – мини-ТЭЦ. Мини тэц поршневая

Паровая поршневая мини-ТЭЦ за рубежом

И.С. Трохин, инженер, Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ) Россельхозакадемии, г. Москва

Паровые мини-ТЭЦ электрической мощностью до 10 МВт обычно являются турбинными и работают на газовом или твердом ископаемом топливе. В Италии же успешно реализован проект паровой мини-ТЭЦ с поршневым мотором, топливом для которой служит древесная щепа.

Паровая поршневая мини-ТЭЦ расположена в итальянской провинции Тренто на территории коммуны Фондо. Последняя является сельскохозяйственным центром и промышленной зоной лесозаводов. Так как в лесной промышленности велик оборот первичного и вторичного древесного сырья (древесины и ее отходов), то строительство энергетической установки для работы на древесных отходах и пеллетах, т.е. на местном и экологически чистом возобновляемом топливе, оказалось весьма привлекательным в инвестиционном плане проектом, направленным на повышение эффективности лесопромышленного производства в Тренто.

Мини-ТЭЦ находится в эксплуатации с ноября 2003 г. Теплота производится на нужды коммунальных и промышленных потребителей, а электроэнергия вырабатывается генератором переменного тока, приводимым напрямую от рядного вертикального двухцилиндрового парового мотора. Мотор, созданный германской фирмой Spilling Energie Systeme GmbH, представляет собой высокооборотный паровой поршневой двигатель однократного расширения пара и своей компоновкой напоминает современный дизельный двигатель.

Водяной пар от двух котлов поступает в мотор, срабатывает в нем давление и направляется для нагрева воды в пароводяной теплообменник, включенный в районную тепловую сеть. В зависимости от температуры наружного воздуха противодавление отработавшего в моторе пара регулируется для обеспечения требуемых по тепловому графику параметров теплоносителя в системе водяного теплоснабжения потребителей. Если мотор выключен, то пар от котлов проходит в теплообменник через дроссель-задвижку.

Хранилище для древесной щепы имеет объем 5,5 тыс. м3. Этого вполне достаточно для обеспечения работы мини-ТЭЦ около 25 дней. Топливо загружается в два бункера с помощью механического податчика. Из бункеров оно автоматически подается в топки двух паровых котлов с помощью гидравлической системы. В топках также обеспечивается получение древесной золы, поступающей в специальный контейнер. Ее средняя выработка на сельскохозяйственные нужды - 170-200 кг/ч. В качестве топлива, помимо древесной щепы, допустимо использовать кору.

Установленная электрическая мощность мини-ТЭЦ составляет 220 кВт. Тепловая мощность паровых котлов - 3,5 и 2,5 МВт. Абсолютное давление пара на входе в мотор - 1,6 МПа, противодавление пара на выходе мотора - 0,15 МПа. Средний КПД парового котла - 90% (высокое значение КПД парового котла можно вероятнее всего объяснить тем, что речь идет о его КПД брутто, т.к. котел работает не на природном газе. Прим. авт.). Годовое количество производимой мини-ТЭЦ энергии составляет: электрической - 1,2 ГВт.ч, тепловой - 7 ГВт.ч. Годовой расход щепы при ее влажности 35-40% - 7,5 тыс. т или 30 тыс. м3. На мини-ТЭЦ действуют устройства для очистки дымовых газов - батарейные циклоны и электростатические фильтры. Управление и контроль за работой мини-ТЭЦ обеспечиваются дистанционно.

В англоязычном информационном проспекте [1] сообщается о максимальных значениях электрического КПД рассматриваемой мини-ТЭЦ - 18-19%, что было подтверждено при проведении ее испытаний. Затруднительно прокомментировать такие хорошие показатели для паровой мини-ТЭЦ на твердом биотопливе, учитывая отсутствие сведений о температуре, по всей видимости, перегретого пара на входе в мотор.

Паровые моторы Шпиллинга пользуются спросом за рубежом. Мини-ТЭЦ в Италии - лишь один из многих примеров успешного коммерческого внедрения современных поршневых паровых машин на мини-ТЭЦ в Европе, где используется биотопливо в виде древесных отходов. Применение же на таких мини-ТЭЦ при электрических мощностях приблизительно до 1200 кВт сравнительно более простых в эксплуатации паровых двигателей именно поршневого типа, а не паровых турбин, обеспечивает работу мини-ТЭЦ с меньшим удельным расходом пара даже при частичных нагрузках и (или) колебаниях давления и температуры пара.

Литература

1. Combined heat and power plant supplied with wood chips: the successful case of Fondo (Trento - Italy). From series «The european wood energy road». Alpenergywood / Interred IIIB. ITEBE Editions, 2005. 2 p.

www.combienergy.ru

Газодинамическая поршневая машина для паровых котельных – мини-ТЭЦ - № 02 (11) апрель 2014 года - Тепловая энергетика - WWW.EPRUSSIA.RU

Газета "Энергетика и промышленность России" | № 02 (11) апрель 2014 года

Электроагрегат на основе последнего может найти применение в паровых котельных для работы в режиме когенерации тепловой и электрической энергии.

Под паровой котельной-мини-ТЭЦ будем понимать такую паровую котельную, работающую в режиме когенерации тепловой и электрической энергии, когда последняя вырабатывается с помощью парового двигатель-электрогенераторного агрегата (парового электроагрегата) электрической мощностью до 10 МВт и потребляется исключительно электроприемниками собственных нужд этой котельной. В таком случае первостепенным эксплуатационным показателем выступает именно простота и надежность функционирования электроагрегата, а не его электрический коэффициент полезного действия, принимая во внимание значительно несоизмеримо меньшую потребную электрическую мощность нагрузки собственных нужд котельной, чем вырабатываемая в последней тепловая мощность.

Как включать?

Упрощенная тепловая принципиальная схема включения парового электроагрегата в паровой котельной показана на рис. 1. В паровой котельной пар от котла 1 поступает через дроссельную задвижку либо редукционно-охладительное устройство (на рис. 1 оно условно не показано) в пароводяной теплообменник 6 для нагрева воды на нужды потребителей 9. Поэтому электроагрегат с поршневой газорасширительной машиной 5, работающей на водяном паре, через запорную 3 и регулирующую 4 арматуру включается параллельно редукционному устройству или взамен последнего, как приведено на рис. 1. Вместо энергетически неэффективного процесса дросселирования пара машина 5 будет совершать полезную работу по приводу электромашинного генератора 7 трехфазного переменного тока. Подачу горячей воды потребителям 9 обеспечивает насос 8 с электроприводом, а конденсат отработавшего в машине 5 пара с помощью насоса 2, приводимого от электродвигателя, направляется обратно в котел 1.

Таким образом, принципиальная идея включения электроагрегата с поршневой парорасширительной машиной в тепловую схему паровой котельной не отличается от используемой при построении паровых котельных-мини-ТЭЦ с паровыми турбогенераторными агрегатами. Различия состоят именно в самих парорасширительных конструкциях, их достоинствах и недостатках.

Конструкция

Конструкция поршневой расширительной машины с газодинамической системой парораспределения показана на рис. 2. Она, по своей сущности, была разработана в нашей стране еще в 1989 году профессором кафедры конструкции авиационных двигателей факультета двигателей летательных аппаратов Московского авиационного института Игорем Евгеньевичем Ульяновым, старшим научным сотрудником тогда еще этой кафедры Владимиром Сергеевичем Дубининым с коллегами и признана изобретением по авторскому свидетельству СССР SU 1753001 как «Способ работы поршневого двигателя и поршневой двигатель». Тогда ее предполагалось использовать, например, в пневматических ручных шлифовальных машинках.

Работает такая газодинамическая поршневая машина (см. рис. 2) следующим образом. Картер 3 с кривошипно-шатунно-поршневой группой берется от базового поршневого двигателя внутреннего сгорания. Пар подается в объем цилиндра через сопло 1. Давление пара в цилиндре будет всегда ниже, чем в котле. Конструкция сопла 1 такова, что давление на входе в него больше, чем две третьих от величины, при которой обеспечивается сверхкритический перепад давлений между входом и выходом этого сопла. Поэтому оказывается, что пар будет подаваться в цилиндр непрерывно во времени, как у прямоточной поршневой паровой машины. В результате давление в цилиндре машины будет расти и поршень из верхней мертвой точки ВМТ станет перемещаться в нижнюю НМТ. При подходе к НМТ поршень откроет выпускной канал (отверстие) 2, и пар сможет выйти из полости цилиндра. Давление в последнем снизится, и поршень под действием момента сил инерции станет перемещаться в ВМТ. Далее цикл работы поршневой машины будет повторяться. Подобный двигатель успешно испытывался при работе даже на так называемой пароводяной смеси (Д. П. Титов, В. С. Дубинин, К. М. Лаврухин. Паровым машинам быть!// Промышленная энергетика. – 2006. – № 1. – С. 50‑53).

Достоинства

Принципиальная возможность создания парорасширительных машин на базе серийных поршневых двигателей внутреннего сгорания может способствовать организации их менее затратного производства и эксплуатации по отношению к конструкциям, не преемственным с современными бензиновыми, дизельными и газопоршневыми двигателями. А отсутствие каких‑либо клапанных либо золотниковых механизмов парораспределения не только упрощает и ускоряет техническое обслуживание и ремонт таких приводных машин, но также существенно положительно сказывается на конструкционной надежности.

Высоконадежный паропоршневой привод может использоваться не только для обеспечения работы электромашинного генератора в паровой котельной. Предлагаемая конструкция принципиально пригодна для прямого привода (резервного, то есть вместо классических поршневых паровых приводов для насосов котельной, или даже основного) такого приводимого электродвигателями вспомогательного оборудования котельной, как насосы и (или) тягодутьевые вентиляторы. Лопаточным или винтовым паровым «машинам» (турбинам) при работе на электрогенераторную, насосную либо вентиляторную нагрузку необходима, как правило, редукторная механическая передача.

Поршневая газодинамическая расширительная машина принципиально может работать в режиме самостабилизации частоты вращения выходного вала. По данному изобретению в виде «Способа работы поршневой расширительной машины» (заявка № 4951329 / 29 (055249) на патент России, МКИ 5 F 02 B 25 / 02, дата подачи: 27 июня 1991 года) было принято положительное решение о выдаче В. С. Дубинину патента, который, к сожалению, так и не был получен за неимением денежных средств на оплату процедуры оформления этого документа. Само же изобретение дает перспективную возможность обеспечения привода электромашинного генератора переменного тока для автономной от электрических сетей централизованного электроснабжения потребителей России генерации электроэнергии (В. С. Дубинин. Обеспечение независимости электро- и теплоснабжения России от электрических сетей на базе поршневых технологий: Монография. – М., 2009) с точностью стабилизации частоты тока в соответствии с требованиями отечественного государственного стандарта (ГОСТ Р 54149‑2010. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. – М., 2012).

Недостаток

Основным недостатком рассмотренной в этой статье поршневой газодинамической расширительной машины является ее низкий коэффициент полезного действия, обусловленный прямоточным процессом расширения в ней рабочего тела. Однако, как уже подчеркивалось выше, для применения в котельной-мини-ТЭЦ такой машины это обстоятельство не является принципиальным препятствием. А основываясь на анализе более новой подобной конструкции расширительной машины (заявка CZ 2012‑202 A3 на патентный документ Чехии от 22 марта 2012 года), которую предложили ее чешские авторы Jakub Maščuch и Jan Drahokoupil, можно предположить о стремлении изобретателей улучшить энергетическую эффективность поршневой расширительной машины, определенно конструктивно схожей с рассмотренной в настоящей статье. Хотя в отмеченной выше чешской заявке отечественная конструкция никак не упомянута.

www.eprussia.ru

Паромоторная щепотопливная мини-ТЭЦ функционирует с цифровым управлением - Энергетика и промышленность России - № 01-02 (237-238) январь 2014 года - WWW.EPRUSSIA.RU

Газета "Энергетика и промышленность России" | № 01-02 (237-238) январь 2014 года

Паромоторная мини-ТЭЦ расположена на территории административно-территориального образования «коммуна Фондо» в автономной итальянской провинции Тренто. Коммуна находится в центре Анаунийской долины (Gli Anauni – итал.) на северо-западе Тренто. Численность населения в 2003‑2005 годах здесь составляла около полутора тысяч человек. Фондо является сельскохозяйственным центром и зоной территориального размещения лесопромышленных предприятий.

В лесной промышленности очень велик оборот первичного и вторичного древесного сырья – самой древесины и ее отходов (коры, щепы, стружки, опилок). На мини-ТЭЦ в Фондо древесина поставляется главным образом из местных лесов и от многих компаний, производящих древесный строительный материал для судов, модули для деревянных бревенчатых домов и крыш, а также – пеллеты (древесные прессованные топливные гранулы). По этой причине строительство энергетической установки, которая могла бы работать на древесных отходах и пеллетах, то есть на местном экологически чистом возобновляемом топливе, оказалось весьма привлекательным в инвестиционном плане проектом, направленным на повышение эффективности лесопромышленного производства в провинции Тренто.

Паросиловая мини-ТЭЦ с мотором Шпиллинга работает на древесной щепе (низшая теплота сгорания составляет порядка 9,7‑10 МДж / кг. – Прим. автора). Она была введена в эксплуатацию в ноябре 2003 года и предназначена для производства теплоты на нужды коммунальных и промышленных потребителей и электроэнергии. Последняя вырабатывается с помощью электромашинного генератора переменного тока, приводимого напрямую от рядного вертикального двухцилиндрового парового мотора Шпиллинга. Вообще, паровой мотор представляет собой паровой поршневой двигатель однократного расширения пара, своей компоновкой больше напоминает поршневой двигатель внутреннего сгорания, чем классическую поршневую паровую машину, и может работать с частотой вращения вала в ориентировочных пределах от 400 до 3000 оборотов в минуту.

Моторы Шпиллинга пользуются спросом в зарубежных странах. Стоит заметить, что для большей надежности и удобства проведения регламентных работ лучше иметь на мини-ТЭЦ как мининум два мотора и генератора. На итальянской мини-ТЭЦ единственный мотор Шпиллинга включен параллельно редукционной задвижке между паровым котлоагрегатом и конденсационным теплообменником (бойлером для нагрева воды), а сама мини-ТЭЦ соединена и работает параллельно с централизованной электрической сетью.

Водяной пар от двух котлов поступает в мотор, срабатывает в нем и направляется в бойлер-водонагреватель. Последний включен в районную тепловую сеть, и в зависимости от температуры наружного воздуха противодавление отработавшего в моторе пара регулируется для обеспечения требуемых по тепловому графику параметров теплоносителя (воды) в системе водяного теплоснабжения потребителей. Если противодавление на выходе мотора уменьшается, то выработка электроэнергии в мотор-генераторе увеличивается. Когда паровой мотор выключен, пар от котлов проходит через дроссель-задвижку прямо в бойлер.

В районную (локальную) сеть централизованного теплоснабжения потребителей коммуны Фондо горячая вода подается от мини-ТЭЦ 220 абонентам: коммунальным и частному сектору. Конечные потребители тепловой энергии подключены к сети через главный тепловой пункт, в котором расположены: теплообменник, арматура, необходимые контрольно-измерительные приборы и система автоматизации. А каждый абонент имеет свой блок контроля фактического теплопотребления, за которое именно он и платит.

Паровой мотор на мини-ТЭЦ запускается и останавливается по команде оператора путем дистанционного открытия и закрытия соответствующих задвижек. При таких переключениях, пока не будет включена аппаратура синхронизации с централизованной электрической сетью, мотор-генератор работает на холостом ходу. Генератор автоматически отключается от сети в случае возникновения неполадок.

Управление и контроль за работой всех систем мини-ТЭЦ, вместе с районной тепловой сетью, обеспечиваются дистанционно. Рабочие места операторов мини-ТЭЦ оснащены современным компьютерным оборудованием и средствами телефонной связи. На плоских экранах цветных жидкокристаллических мониторов отображается информация о параметрах тепловой и электрической схем мини-ТЭЦ в режиме реального времени.

На итальянской мини-ТЭЦ хранилище для древесной щепы имеет полезный объем, равный 5,5 тысячи кубических метров. Этого оказывается вполне достаточно для обеспечения ее работы на период около 25 дней. Древесное топливо загружается в два бункера с помощью механического податчика. Из бункеров оно в автоматическом режиме направляется в топки двух паровых котлов посредством гидравлической системы подачи.

Потенциал древесного топлива используется на мини-ТЭЦ максимально выгодно: топки для работы на твердой биомассе в виде древесных пеллет, щепы, стружки могут функционировать и на древесной коре. Кроме этого, в топках котлов обеспечивается получение древесной золы, поступающей оттуда в специальный контейнер. Средняя выработка древесной золы на сельскохозяйственные нужды составляет 170‑200 кг / ч.

На мини-ТЭЦ в Фондо действуют устройства для очистки дымовых газов: батарейные циклоны и электростатические фильтры. Две батареи циклонов обеспечивают снижение выбросов летучей золы, а фильтры – удаление из дымовых газов аэрозолей в виде твердых и жидких частиц, находящихся во взвешенном состоянии.

Итальянская паромоторная мини-ТЭЦ работает с установленной электрической мощностью, равной 220 кВт. Тепловая мощность двух паровых котлов составляет 3,5 и 2,5 МВт. Тип каждого парового котла – с наклонной подвижной колосниковой решеткой. Абсолютное давление пара на входе в мотор – 1,6 МПа, противодавление пара на выходе мотора – 0,15 МПа. Средний КПД парового котла – 90 процентов. Столь высокое значение КПД парового котла можно, скорее всего, объяснить тем, что речь идет о КПД брутто, то есть величине, характеризующей тепловое совершенство работы парового котла без учета затрат энергии на собственные нужды. А вот КПД нетто, которым оценивается уже эксплуатационное совершенство целого котлоагрегата, разумеется, должен быть несколько меньше. Все же не на природном газе котел‑то работает!

Об электрическом КПД рассматриваемой мини-ТЭЦ важно сказать отдельно. В англоязычном информационном проспекте «Combined heat and power plant supplied with wood chips: the successful case of Fondo (Trento – Italy)» из серии «The european wood energy road» (Alpenergywood / Interred III B. – ITEBE Editions, 2005) сообщается о максимальных значениях этого КПД – около 18‑19 процентов, что было подтверждено при проведении испытаний этой мини-ТЭЦ. Как‑либо прокомментировать такие весьма неплохие показатели электрического КПД паросиловой мини-ТЭЦ, работающей на твердом биотопливе, затруднительно, учитывая отсутствие сведений о начальной температуре генерируемого котлами по всей видимости перегретого пара или его температуре на входе в мотор. Однако, по данным, к примеру, англоязычных презентационных материалов фирмы Spilling Energie Systeme GmbH (Till Augustin. Spilling Steam Power: Engines and Turbines. Small Scale biomass co-generation with modern steam engines // IEA – Workshop Copenhagen. October 7, 2010), электрический КПД паросиловой когенерационной установки на твердом биотопливе с мотором Шпиллинга электрической мощностью

333 кВт при параметрах пара на входе и выходе мотора, составляющих соответственно 260 градусов Цельсия при 25 барах абсолютных (приближенно – 2,5 МПа абсолютных) и 1,5 бара абсолютных (около 0,15 МПа абсолютных), равен 10,2 процента.

Годовое количество производимой на мини-ТЭЦ энергии составляет: электрической при 3556 ч / год – 1200 МВт-ч; тепловой – 7000 МВт-ч. Суммарный объем отапливаемых помещений составляет

183 750 кубических метров. При этом протяженность тепловых сетей для магистральных трубопроводов исчисляется 2,6 километра, а распределительных трубопроводов – 5,5 километра. Расход щепы как топлива при влажности 35‑40 процентов – 7,5 тысячи тонн в год, или 30 тысяч кубических метров ежегодно.

Паромоторная щепотопливная мини-ТЭЦ в Фондо является только лишь одним из многочисленных примеров успешного коммерческого внедрения современных поршневых паровых машин на зарубежных мини-ТЭЦ, где используется твердое биотопливо из древесных отходов. Кроме этого, отдельной публикации заслуживает рассказ о положительном опыте генерации «парового» электричества из энергии Солнца с применением… опять же паровых моторов Шпиллинга! Последние на таких тепловых электростанциях «питаются» водяным паром, который получается в котле, нагреваемом, по своей сути, солнечной энергией.