Паровые моторы для газотурбинных и паросиловых мини-ТЭС
Опубликовано: 18 декабря 2012 г.
1009
И. Трохин
Эффективность газотурбинных и паросиловых теплоэлектростанций, отопительных котельных и промышленных технологических установок со сбросом теплоты в атмосферу может быть повышена за счет внедрения современных паровых моторов. В данной статье предлагается аналитический обзор зарубежной практики с оценкой возможности развертывания производства паропоршневых двигателей в России.
Подписаться на статьи можно на главной странице сайта.
В русскоязычной технической литературе термин «паровой двигатель» традиционно употребляется для обозначения паровой машины и паровой турбины (ПТ). Англоязычный же термин «steam engine», означающий в переводе «паровая машина» или «паровой двигатель», в зарубежной технической и деловой переписке употребляется также и для обозначения парового поршневого двигателя. Используется и более технически корректный для современных конструкций термин «steam motor», в переводе с английского означающий «паровой мотор» (ПМ), т.е. паровой поршневой двигатель (машина) с однократным расширением пара в цилиндре и частотой вращения вала в приближенных пределах от 400 до 3000 об/мин. Отечественные паропоршневые двигатели (ППД) (steam-piston engine – англ.) являются ПМ с газодинамически-клапанным или золотниково-клапанным механизмами парораспределения и исключительно одностороннего давления пара (см. ПКМ 4/14 2012, статья «Мини-ТЭЦ на базе котельных с паропоршневыми двигателями»).
Преимущества
Несколько лет назад американская авиационно-космическая компания XCOR Aerospace Inc. объявила солидную премию за создание высокоэффективной паровой машины. Чем же привлекателен сегодня этот тепловой двигатель и какие у него преимущества перед ПТ в стационарной энергетике?
В энергетических установках малой (до 1 МВт) и средней (1–10 МВт) мощности, которые очень часто называют мини-ТЭЦ (мини-ТЭС), ПМ как двигатель для привода электрогенератора или технологического оборудования (например, насоса или тягодутьевого вентилятора в котельной) по сравнению с ПТ при соизмеримых мощностях и параметрах пара характеризуется следующими положительными качествами:
• широким динамическим диапазоном регулирования мощности (turndown ratio – англ.), т.е. отношением верхнего предела диапазона регулирования мощности к нижнему, в рамках которого двигатель работает с приемлемым по эффективности расходом пара;
• практической нечувствительностью к качеству пара (работа на влажном паре);
• возможностью прямого привода электрогенератора или технологического оборудования без промежуточных механических передач;
• высокой эксплуатационной надежностью и потребностью в наличии минимально необходимой технической инфраструктуры для обслуживания;
• способностью некоторых конструкций (например, американские двигатели Cyclone) работать без смазочного масла, используя для этих целей воду (water lubrication — англ.; не путать с технологией «oil-free» steam engine, что значит «безмасляная паровая машина», производства компании Spilling Energie Systeme GmbH (Германия), под которой подразумевается работа двигателя с системой смазки, исключающей попадание масла в пар).
Цена зарубежных ПМ выше, чем отечественного паротурбинного энергетического оборудования. Однако на фоне перечисленных выше достоинств таких моторов и ряда рассмотренных ниже вполне успешных проектов их применения, этот экономического характера недостаток с точки зрения капитальных затрат эффективно компенсируется при эксплуатации и принципиально может быть устранен для российских ППД.
В отношении удельного расхода пара можно отметить большую в сравнении с ПТ энергетическую эффективность ПМ. Здесь уместно провести следующую аналогию принципа действия для паровых и газовых двигателей, «заменив» водяной пар как рабочее тело на высокотемпературную газовую смесь, т.е. рассмотрев их при большем термическом КПД термодинамического цикла. У специалистов, как правило, не возникает возражений по поводу того, что газопоршневые двигатели по сравнению с газотурбинными имеют ориентировочно раза в два больший КПД и, следовательно, меньший расход газа на единицу эффективной мощности при прочих равных и даже не совсем равных в пользу газовых турбин условиях. Та же ситуация с паровыми моторами и турбинами, особенно, если речь идет о мини-энергоустановках. Возможно, для случая с паровыми двигателями еще велика определенная инерция мышления в сторону турбинной техники. Общеизвестно, что паровая машина имеет низкую эффективность. Это обстоятельство нашло отражение в выражении «КПД как у паровоза», т.е. около 5 %, часто высказываемое по поводу энергетически неэффективной техники. Но паровая машина как устройство с далекой от высоких технологий системой управления осталась в прошлом. Современные ПМ оснащаются системами автоматического управления, контроля и защиты на базе компьютерных аппаратно-программных средств, подобных аналогичным в соответствующих системах для паровых турбин малой и средней мощности. Это обеспечивает возможность продолжительной работы паромоторных электроагрегатов с минимальным вмешательством немногочисленного эксплуатационного персонала.
Технологии и проекты
Изложенные выше особенности ПМ позволили им занять определенную нишу на рынке энергетического оборудования для малой энергетики, правда, пока только за рубежом. Рассмотрим некоторые проекты и энергетические технологии с использованием современных ПМ.
Использование сбросной теплоты. В ряде промышленных технологических установок, в газотурбинных электростанциях (ГТЭ) и электростанциях с дизельными и газодизельными двигателями внутреннего сгорания (ДВС) первичная сбросная теплота часто отводится вместе с потоком отработавших газов в атмосферу без вторичного ее использования. Полезная утилизация этой теплоты повышает экономичность рабочего процесса таких установок, например, ГТЭ (рис. 1). При этом сбросная теплота используется в паровых котлах-утилизаторах для обеспечения производства пара, необходимого для последующей реализации паросилового цикла работы ПМ.
Рис. 1. Тепловая принципиальная схема ГТЭ с надстройкой паромоторным энергоблоком
На рис. 1: КС – камера сгорания ГТЭ, Г – отработавшие газы, 1 – газовая турбина, 2, 4 – электрогенераторы, 3 – распределительное устройство, 5 – паровой мотор, 6 – паровой котел-утилизатор, 7 – конденсатор пара, пароводяной теплообменник-бойлер для нагрева воды, паровая абсорбционная холодильная установка (варианты), 8 – конденсатный насос, 9 – водоподогреватель. Контур снабжения котла 6 подпиточной водой и другие вспомогательные системы на рис. 1 условно не показаны.
Паровые машины традиционных конструкций работали в среднем с КПД 10–15 %, что, конечно, меньше, чем у мощных паровых турбин. Однако если речь идет об утилизации сбросной теплоты в основном энергетическом или промышленном технологическом цикле, подобный прирост КПД установки весьма существенен. Это особенно относится к ГТЭ, у которых отработавшие газы сбрасываются в атмосферу при очень высоких температурах и актуальна задача повышения общего КПД такой энергетической системы. Тандем «ГТЭ – паромоторный энергоблок» является наглядным примером реновации (грамотного возрождения) паропоршневых технологий, когда преодолеваются традиционные убеждения. По данным Майкла Мюллера из Центра передовых энергетических систем Рутгерского университета США, такие тепловые схемы ГТЭ прорабатываются даже с использованием прикладного программного обеспечения, например, GateCycle™ Plant Design and Simulation Software компании General Electric Energy Company (Великобритания).
В промышленных установках некоторые технологические процессы (например, охлаждение стекла) тоже осуществляются с выделением теплоты. Так, паровые моторы Spilling производства Spillingwerk GmbH (Германия) успешно эксплуатируются в Германии на Оберландской фабрике по производству стекла. Теплота первичных выхлопных газов от стекловаренных печей используется для подогрева воздуха, подаваемого в топки этих печей. При охлаждении горячего стекла происходит сброс вторичной теплоты в атмосферу, которая перед этим тоже полезно утилизируется как раз для получения перегретого пара давлением 2 МПа и t 300 С. При расходе пара 5,5 т/ч мотор Spilling имеет мощность 500 кВт на валу.
Паромоторный привод. Цена электроэнергии от сетей централизованных поставщиков довольно высока и постоянно растет. Один из путей решения этой проблемы для потребителей состоит в применении паромоторного привода вместо электрического для технологического оборудования. Мотивом для возвращения к такому приводу является и сложившаяся за последние годы в централизованных энергосистемах тенденция к перебоям с поставками электроэнергии потребителям. Технологические установки с приводом от ПМ могут продолжать работу без электроснабжения или, по крайней мере, безопасно ее завершить.
Турбинный привод для этой цели является более компактным, но ПМ могут решить эту проблему для потребителя при меньших капитальных вложениях и сроках окупаемости, а расход пара при эксплуатации последних будет меньше. Например, в промышленных и отопительных паровых котельных, паросиловых мини-ТЭЦ и установках, где пар используется для выполнения основных технологических процессов (химических, сушки древесины и др.), паромоторный привод насосов, дымососов и компрессоров может быть особенно эффективен. Так, в 2003 г. компания Armstrong International Inc. запатентовала как изобретения (US 6,599,096 и 6,602,056) новые конструкции пароприводных насосов «паровые ящерицы» (steam lizards – англ.).
Паросиловые мини-ТЭЦ. На рис. 2 показана принципиальная тепловая схема включения ПМ в паровой котельной для перевода последней в режим мини-ТЭЦ с собственным электрообеспечением. В зависимости от мощности такой котельной для производства 100 % тепловой энергии требуется 1,7–5 % электрической. Разрешенное органами Ростехнадзора давление пара (здесь и далее – абсолютное) в котле 1 часто не превышает 0,7–1 МПа. В пароводяной бойлер 7 для обеспечения нагрева воды на нужды коммунально-бытовых потребителей 9 поступает редуцированный пар давлением не более 0,2 МПа. Технологическим потребителям, как правило, поступает пар под давлением не более 0,5–0,7 МПа. Паромоторный электроагрегат 5 через запорную 3, 6 и регулировочную 4 арматуру включается как альтернатива или параллельно штатному редукционному устройству. В этом случае при дросселировании пара мотор совершает работу по приводу генератора. Циркуляция воды в системе отопления и ГВС обеспечивается насосом 8. Конденсат отработавшего в моторе пара посредством насоса 2 подается обратно в котлоагрегат.
.jpg)
Рис. 2. Тепловая принципиальная схема паропоршневой мини-ТЭЦ на базе котельной
Паровые моторы, как более надежные и простые в эксплуатации, вполне конкурируют с паротурбинами, имея мощности даже в 10–18 раз меньше. Это видно, например, из табл. 1. При близких с ПТ мощностях экономичность работы ПМ увеличивается, так как конструкции становятся более совершенными и потери энергии относительно снижаются (по аналогии с ДВС). Небезынтересны и данные по некоторым электроагрегатам с ПМ Spilling (табл. 2) ранних выпусков (патент на изобретение DE 972 093), которые можно встретить на рынке конкурентоспособного энергетического оборудования для мини-ТЭЦ и тригенерации, а также – по современным маломощным электроагрегатам с ПМ марки PM-VS (патент на изобретение CZ 286 918) чешской компании PolyComp a.s. (рис. 3) при расходе насыщенного пара 2 т/ч. Системы смазки моторов Spilling и PM-VS устроены таким образом, что исключается практическая возможность попадания смазочного масла в пар.
Таблица 1
Сравнительные характеристики паровых электроагрегатов
|
Тип, марка и разработчик парового электроагрегата |
P, кВт |
n, об/мин |
Давление пара, МПа |
t1, °C |
d, кг/(кВт×ч) |
|
|
p1 |
p2 |
|||||
|
С мотором Spilling 1BV7, Spillingwerk GmbH (Германия) |
24 |
1500 |
0,9 |
0,12 |
tS |
23,3 |
|
С винтовой турбиной ПВМ-250-ЭГ, ЗАО «Малая независимая энергетика» |
250 |
1500 |
1,4–0,9 |
0,45–0,1 |
tS |
24–36 |
|
С лопаточной турбиной серии Р, ООО «Ютрон — Паровые турбины» |
450 |
3000 |
1,4 |
0,2 |
250 |
23,3 |
Примечания: P – электрическая мощность агрегата, n – частота вращения вала двигателя, p1, p2 – абсолютное давление пара на входе и выходе двигателя, t1, tS – температура пара на входе в двигатель и насыщенного пара, d – удельный расход пара на производство электроэнергии, привод генератора – прямой, за исключением агрегата с винтовой турбиной, где значение n обеспечивается встроенным редуктором; для агрегата с лопаточной турбиной параметры P и d определены с учетом КПД синхронного генератора, равного 0,9.
Таблица 2
Показатели электроагрегатов с паровыми моторами Spilling для мини-ТЭЦ
|
Наименование, единица измерения |
Значение |
||
|
Активная электрическая мощность, кВт |
330 |
700 |
1 000 |
|
Параметры перегретого пара на входе мотора: абсолютное давление, МПа температура, °С |
2,8 375 |
2,6 370 |
3,0 370 |
|
Абсолютное давление пара на выходе мотора, МПа |
0,15 |
0,2 |
0,2 |
|
Удельный расход пара на выработку электроэнергии, кг/(кВт×ч) |
9,1 |
14,3 |
10 |
|
Частота вращения вала мотора и генератора, об/мин |
– |
1 000 |
1 000 |
|
Число цилиндров мотора |
2 |
4 |
6 |
|
Год изготовления мотора |
1996 |
1992 |
1992 |
|
Полная электрическая мощность синхронного генератора, кВА |
410 |
– |
1 200 |
|
Коэффициент мощности генератора (cos j) |
0,8 |
– |
0,83 |
|
Цена электроагрегата без учета доставки и монтажа, тыс. евро |
129,5 |
– |
– |
Примечание. По данным компании Thorsten Muschler GmbH (16.07.2011 г.).
Рис. 3. Оценочный график нагрузки агрегата с мотором PM-VS при расходе насыщенного пара 2 т/ч
Компания Eco Link Power Ltd. (Великобритания) комплектует паромоторными электроагрегатами Spilling единичной мощностью от 120 до 1200 кВт модульные когенерационные и тригенерационные энергетические установки AES, которые работают на биомассе и являются высококачественным и недорогим в обслуживании оборудованием мирового класса. Рабочее давление свежего пара – от 0,6 до 6 МПа.
Шведские разработчики и производители энергетических установок Ranotor обещали достичь на них КПД вплоть до 35 %. Для сравнения: по данным члена-корреспондента РАН А.Ф. Дьякова, озвученным на Всемирном электротехническом конгрессе «ВЭЛК-2011», КПД работающих в России паротурбинных ТЭС равен 36,6 %. Установка Ranotor содержит два ПМ и два аккумулятора пара, что позволяет увеличить время ее работы в случаях временного останова котлоагрегата или одного из мотор-генераторов. Также могут применяться блок-модули с абсорбционными холодильными установками (паровыми чиллерами) и тепловыми насосами.
В автомобильной промышленности за рубежом появляется множество новых оригинальных конструкций современных паровых машин и их принципиально возможно перестроить для применения в стационарной малой энергетике. Яркий пример – моторы ZEE03 (в переводе означает «двигатель с нулевым выхлопом»), разработанные еще в начале 2000-х гг. германской компанией IAV GmbH и изначально предназначавшиеся для работы на ТЭЦ, поскольку хорошо подходили в качестве первичных двигателей.
Паросиловые мини-КЭС. Интересны перспективы одного из американских ПМ, пригодного для работы на мини-ТЭС конденсационного цикла. Компания Cyclone Power Technologies Inc. (США) в 2009 г. получила российский патент (RU 2 357 091) с приоритетом от 2005 г. на свой «двигатель с регенерацией тепла» (heat regenerative engine – англ.). По данным зарубежного сайта Product Design and Development (www.pddnet.com) от 19 октября 2009 г., эта компания получила много информационных запросов по поводу их высокоэффективной современной паровой машины как от российских компаний, так и восточно-европейских специалистов.
Тепловой регенеративный поршневой двигатель внешнего сгорания Cyclone может работать фактически на любом жидком или газообразном топливе (в США он испытывался даже на апельсиновой кожуре), включая сжиженный природный газ. Головная американская компания Cyclone Technologies LLLP получила аналогичный патент США (US 7,080,512) на этот двигатель в 2006 г., два года спустя – отдельно на камеру сгорания парогенератора, а позже – на весьма компактный конденсатор отработавшего пара. Патенты-аналоги по отношению к этому патенту США выданы в Корее, Китае, Южной Африке, Австралии и др. странах. В рассмотрении находятся многочисленные патентные заявки в США на прочие составляющие узлы двигателя «Циклон».
Достигнутый на испытаниях в начале 2012 г. КПД единого котло-двигатель-конденсаторного агрегата «Циклон» при мощности всего 73,6 кВт составил 31,5 % при давлении свежего водяного пара 22 МПа и t 650 С. Выхлоп пара осуществлялся в конденсатор. К слову, КПД гораздо более мощных паротурбинных ТЭС равен 33–42 % при соизмеримых параметрах свежего пара.
Зарубежные или отечественные?
В заключении целесообразно отметить о перспективах отечественных ППД, которые разрабатываются специалистами объединенной научной группы «Промтеплоэнергетика» МАИ, ВИЭСХ Россельхозакадемии, МЭИ, Московского института энергобезопасности и энергосбережения и Королевского колледжа космического машиностроения и технологии. Они, в частности, могут составить альтернативу ПМ Spilling и PM-VS по ряду причин:
• ППД проектируются на базе серийных отечественных ДВС и имеют гораздо более низкую стоимость, чем зарубежные ПМ Spilling, а также меньшие габаритные размеры в длину и высоту. Последнее качество будет особенно заметно, если в качестве базового для конверсии использовать ДВС с V-образным расположением цилиндров, а не с рядным, как у ПМ Spilling и PM-VS.
• Для электроагрегатов с ППД в отличие от зарубежных ПМ разработчики предусматривают возможность работы в режиме самостабилизации частоты вращения вала поршневого двигателя по методу В.С. Дубинина и, соответственно, вала ротора электрогенератора с целью выработки электроэнергии с частотой 500,2 Гц, т.е. по ГОСТ 13109–97 и его заменяющему с 1 января 2013 г. ГОСТ Р 54149–2010 на «сетевую» электроэнергию. И это – автономно от централизованных электроэнергетических систем без применения дорогих силовых электронных выпрямительно-инверторных каскадов.
Поделиться: