Технология энергосбережения на базе паровой винтовой машины

С. Р. Березин, д.т.н.; А. И. Богачева – ЗАО «Эко-Энергетика», С.-Петербург

В настоящее время получают все большее распространение новые технологии энергосбережения. К ним, в частности, относится использование энергии пара для выработки электроэнергии в котельных и перевод их в мини-ТЭЦ. Масштабы применения этой технологии энергосбережения достаточно велики. Так, в России эксплуатируется около 80000 паровых котельных паропроизводительностью 10...100т/ч. Обычно они принадлежат небольшим предприятиям лесопильной, пищевой, текстильной и др. отраслей.
Параметры производимого пара в разных котельных сильно различаются в зависимости от использования пара на данном предприятии. Потребление пара зависит от времени года (летний и зимний режимы) и от времени суток. Например, котлы широкого промышленного назначения чаще всего проектируются на давление пара 1,27МПа(изб.), а для изношенных котлов, которых в настоящее время достаточно много, по предписанию Ростехнадзора давление ограничивается 0,69...0,78МПа(изб.). В свою очередь, для технологических нужд обычно требуется давление 0,39...0,59МПа, а для отопления – 0,15...0,2МПа(изб.) с расходом пара 3...6т/ч. Таким образом, складывается ситуация, когда часто в котельных имеется неиспользуемый перепад давления пара 0,29...0,59МПа с расходом 6...50т/ч. Применение этого потенциала позволяет получить дополнительно 200...1500кВт электрической мощности. Для этого пар после котла направляют в расширительную машину, например, паровую турбину, связанную с электрогенератором, – в результате можно получить дешевую электроэнергию (дополнительный расход топлива и эксплуатационные расходы незначительны).
Важно отметить, что производство собственной электроэнергии в котельной является полезным, но побочным процессом. Главное – не нарушить режим работы основного производства, использующего пар для своих технологических нужд. Однако использование паровой турбины в данной технологии малопродуктивно, поскольку в области небольших мощностей она имеет ряд известных недостатков.
Наиболее привлекательной по совокупности свойств в данном диапазоне мощности является паровая винтовая машина (ПВМ), которая по сути является новым типом парового двигателя. ПВМ разработана в России, аналогов ее за рубежом нет. На конструкцию машины, ее узлов и систем получено свыше 20 патентов в России и за рубежом. В диапазоне мощности 200...1500кВт она значительно превосходит практически по всем показателям обычную лопаточную паровую турбину.
ПВМ является наиболее перспективной основой для создания мини-ТЭЦ, особенно в районах Крайнего Севера. Здесь ориентация на электростанции на дизельном топливе должна быть исключена в связи с многократным повышением его цены. В мини-ТЭЦ должны использоваться местные топливные ресурсы: уголь, торф, отходы лесопереработки.
Устройство и принцип действия ПВМ
ПВМ является машиной объемного типа действия. Она содержит ведущий и ведомый роторы в виде шнеков специального профиля. Выходной вал ведущего ротора подсоединен к электрогенератору. Роторы находятся в зацеплении и имеют шестерни связи, исключающие взаимное касание роторов во время работы.
Принцип действия 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) порция пара объемно расширяется. В конце расширения канавка сообщается с выпускными окнами в корпусе на другом торце роторов. Выпускаемый пар поступает в тепловую сеть для технологических нужд (например, для выпарки сахара из свеклы) или для отопления.
По сравнению с лопаточной паровой турбиной, ПВМ имеет следующие преимущества:
•    высокий КПД расширения (0,7...0,75) в широком диапазоне режимов (конденсат, образующийся при расширении пара, затекает в зазоры между рабочими органами, уменьшая утечки пара и повышая КПД);
•    простота конструкции, высокая ремонтопригодность, относительно небольшие затраты на производство двигателя;
•    высокий межремонтный ресурс (15000ч), обусловленный отсутствием взаимного касания роторов и, соответственно, отсутствием механического износа;
•    ПВМ может работать на паре любой влажности. При малой скорости потока между винтами отсутствует эрозионный износ поверхностей рабочих органов;
•    «неприхотливость» к качеству пара, наличию в нем частиц окалины, грязи (например, при испытаниях шпилька длиной 110мм и диаметром 16мм, забытая во впускном трубопроводе, прошла через проточную часть ПВМ, не повредив и не заклинив роторы);
•    габариты ПВМ в 1,5…2 раза меньше, чем у турбины – 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.
Потребительские качества ПВМ
Основное отличие энергоустановки с ПВМ от имеющихся на рынке паротурбинных установок заключается в том, что они спроектированы практически на одно единственное сочетание расхода и давлений пара на входе и выходе машины. Такое 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 требованиям заказчика и, как следствие, может покрывать весь наиболее часто встречающийся диапазон мощности – от 200 до 1500кВт. Этот фактор значительно расширяет область применения ПВМ.
Можно сформулировать ряд требований к облику энергоустановки 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. Существует ряд наиболее часто встречающиеся у различных заказчиков параметров пара (давление на впуске и выпуске, расход пара и мощность, которую можно реально получить с помощью ПВМ).
Каждое такое сочетание режимных параметров пара определяет мощность ПВМ. Оптимальная настройка конструкции машины на определенное сочетание параметров пара осуществляется за счет подбора соответствующих конструктивных параметров. При двух-трех базовых конструкциях машины, которые определяются диаметром винтов и литейными моделями корпуса, можно получить мощность в диапазоне 200... 1500кВт, если пар имеет указанные параметры. Это обстоятельство гарантирует широкий рынок сбыта ПВМ.
Энергоустановка с ПВМ может быть трех типов: для автономного режима; параллельной работы с сетью (режим энергосбережения); использоваться для непосредственного привода агрегатов собственных нужд в котельной, например водяных насосов. При работе в режиме энергосбережения установка работает на сеть предприятия, покрывая часть собственных нужд и уменьшая тем самым потребление электроэнергии из сети. Обороты энергоустановки определяются частотой переменного тока в сети, мощность – перепадом давления и расходом пара через машину и регулируется дроссельным клапаном на входе в ПВМ.
Система автоматического управления и защиты ПВМ, основанная на микропроцессорной технике, должна учитывать различный технический уровень приборного оснащения котельных, допуская возможность совместной работы с современными АСУ ТП на базе персональных компьютеров, а также автономно в котельной с морально устаревшими КИП.
При разработке конструкции ПВМ большое значение придается ее ремонтопригодности. Ремонт производится обычно через 1,5-2года и заключается в перезаливке баббитом подшипников скольжения, а также в полировке или замене уплотнительных колец торцевых уплотнений. Обычно на переборку ПВМ достаточно 4-5 рабочих дней двух слесарей.
Особенности эксплуатации
ПВМ рассчитана на достаточно низкий уровень технического обслуживания, поскольку ее эксплуатация осуществляется персоналом котельной. Это слесарь по обслуживанию ПВМ, масляной и водяной систем; приборист КИП; мастер по электронной аппаратуре для ухода за компьютером и электронным шкафом управления и слесарь-электрик для обслуживания электросиловой части установки.
Персонал работает в дневную смену. Круглосуточный контроль работы энергоустановки осуществляется с монитора компьютера, который находится на пульте управления котельной. Постоянного контроля за работой установки со стороны дежурных операторов не требуется. Вся информация об изменении параметров сохраняется в компьютере. При возникновении какой-либо аварийной ситуации (например, пропало напряжение в сети) система аварийной защиты автоматически останавливает установку и мгновенно переключает поток пара через ПВМ на байпасную линию. Это делается для того, чтобы не допустить перебоя в пароснабжении основного технологического цикла предприятия.
При параллельной работе с сетью 0,4; 6; 10кВ целесообразно использовать асинхронный генератор (АГ), который фактически является обычным серийным асинхронным двигателем с короткозамкнутой обмоткой ротора.
АГ имеет следующие преимущества перед синхронным генератором (СГ):
•    более прост в обслуживании и надежен в эксплуатации;
•    стоимость АГ вдвое ниже, чем СГ;
•    не требуется система синхронизации с сетью и регулятор возбуждения генератора.
Недостатком АГ является потребление реактивной мощности из сети, но ее можно компенсировать включением батареи конденсаторов на низковольтной стороне. Стоит отметить, что в процессе эксплуатации энергоустановки с АГ у электроэнергетиков предприятия никогда не возникало нареканий на работу электросиловой части.
При согласовании технических условий на подключение генератора к сети часто возникают трудности. Электроснабжающие организации не заинтересованы в выдаче электрической мощности в сеть за пределы предприятия. Поэтому собственное производство электроэнергии в котельной должно обеспечивать только нужды предприятия.
Создание и техническое совершенствование ПВМ
История создания ПВМ началась в 1991 г., когда в условиях «дикого» рынка появилась потребность в дешевой электроэнергии для собственных нужд котельной. Группа специалистов в Центральном институте авиационного моторостроения (ЦИАМ) под руководством автора провела первые эксперименты на модельной установке. Был получен первый патент на ПВМ.
Опытные образцы машины мощностью 200кВт были созданы в 1993г. и установлены на мусоросжигательном заводе №3 в Москве для привода сетевых насосов. Модернизированные образцы ПВМ-200-АГ прошли испытания на стенде завода «Бекерон» в Москве. Изучался рабочий процесс, совершенствовалась конструкция машины и смежных систем. Лучшие проститутки Тюмени с реальными фото
В 2004 г. на Раевском сахарном заводе (Республика Башкортостан) была создана энергоустановка ПВМ-2000-АГ мощностью 800кВт с асинхронным электрогенератором.
Специфика завода не позволяла подавать в ПВМ пар со стабильными параметрами: его давление на входе колебалось от 0,59 до 1,03МПа(абс.) при температуре до 230°С, противодавление на выпуске составляло 0,2...0,29МПа(абс.) с температурой до 157°С. Отходящий пар подавался на выпарку сахара. При работе по тепловому графику выдача мощности в сеть колебалась от 320 до 808кВт при средней мощности 612кВт. Стоимость электроэнергии составила 0,24р./кВт•ч, что в 4,5 раза ниже существующего тарифа.
В связи с тем, что мощность ПВМ не удовлетворяла потребности завода, энергоустановка была продана в г. Златоуст, а на предприятии установили две турбины Калужского турбинного завода мощностью по 2500кВт. В настоящее время модернизированная установка ПВМ-2000-АГ успешно работает в котельной №3 Златоустовского теплотреста.
В 2007 г. в котельной завода «Пигмент» (С.-Петербург) ЗАО «Эко-Энергетика» запустило энергоустановку с ПВМ мощностью 1000кВт. Установка вышла на проектную мощность, доказав свою работоспособность и эффективность. При работе по тепловому графику выдача активной электрической мощности в сеть предприятия колебалась от 120 до 720кВт, среднечасовая мощность составила 563,3кВт, стоимость выработанной электроэнергии – 0,21 р./кВт•ч.
В 2008 г. под руководством д.т.н. С. Р. Березина компанией «ВМ-Энергия» была создана и запущена в эксплуатацию на ТЭЦ-4 (г. Уфа) энергоустановка ПВМ-2000-АГ мощностью 1400 кВт. Установка работает в жестких условиях на перегретом паре с высокими параметрами (Рвх=1,57МПа(абс), tвх=305°С, Рвых=0,64МПа(абс)). Ее наработка в настоящее время составляет более 6000ч, выработано 4млн кВт•ч электроэнергии. В результате удельный расход топлива на отпуск электроэнергии для ТЭЦ снизился на 2 г.у.т./кВт•ч, расход электроэнергии на собственные нужды – с 8,5 до 7,9%.
В настоящее время в Улан-Удэ, в котельной авиазавода вводится в эксплуатацию установка ПВМ-1000-АГ мощностью 500кВт. Особенность ее работы заключается в том, что она находится в сильно запыленном помещении угольной котельной. Здесь потребовались мероприятия по защите электроники от угольной пыли.
Произведено и поставлено оборудование ПВМ-1000-АГ на животноводческий комплекс в пос. Чистогорский Кемеровской обл. Проект осуществляется в рамках областной программы энергосбережения и находится в стадии согласования в органах Ростехнадзора.
В процессе работы над вышеперечисленными ПВМ, которые перекрывают весь диапазон мощности 200... 1500кВт, была детально отработана конструкция машины и смежных систем, получено свыше 20 патентов.
Экономическая эффективность
Предприятия, имеющие собственные котельные, обычно очень заинтересованы в приобретении эффективного и быстроокупающегося паросилового электрогенерирующего оборудования по следующим причинам:
1. Высокие цены на электроэнергию. 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 сетевой.
2. Вероятность отключения электроснабжения, особенно для предприятий низкой категории. Этот фактор часто имеет не меньшее значение, чем экономия средств на оплату электроэнергии. При отключении энергии в зимнее время котельная останавливается и размораживается, поскольку все агрегаты собственных нужд работают от электропривода.
Расчет экономической эффективности применения ПВМ в котельной показывает, что удельный расход топлива на выработанную электроэнергию составляет 140...160г.у.т./кВт•ч, что вдвое ниже, чем на крупных ТЭЦ. Срок окупаемости энергоустановки мощностью 800кВт составляет 1,5-2года. При повышении мощности эффективность энергоустановки с ПВМ еще более повышается.
Заключение
ПВМ может эффективно применяться для выработки электроэнергии в котельных при срабатывании перепада давления пара. Собственное производство электроэнергии в котельной, переоборудованной в мини-ТЭЦ, в 4-5 раз дешевле приобретаемой 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...1500кВт обладает значительными техническими преимуществами перед паровой турбиной по эффективности, габаритам, стоимости, надежности и безопасности.
Для различных условий по пару, определяющих различную мощность энергоустановки, используются 2-3 базовых модели ПВМ с соответствующей настройкой на конкретные условия заказчика.
В процессе роста цен за электроэнергию и приближению их к мировому уровню собственное производство энергии станет значительно более рентабельным. Турбины и Дизели