Технология энергоресурсосбережения на основе паровой винтовой машины

Практическая работа 5

Тема: Технология энергоресурсосбережения на основе паровой винтовой машины

Цель: Анализ технологии энергоресурсосбережения на основе паровой винтовой машины

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 80 000 паровых котельных паропроизводительностью 10...100 т/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 1,27 МПа (изб.), а для изношенных котлов, которых в настоящее время достаточно много, по предписанию Ростехнадзора давление ограничивается 0,69.0,78 МПа (изб.). В свою очередь, для технологических нужд обычно требуется давление 0,39.0,59 МПа, а для отопления - 0,15.0,2 МПа (изб.) с расходом пара 3.6 т/ч. Таким образом, складывается ситуация, когда часто в котельных имеется неиспользуемый перепад давления пара 0,29.0,59 МПа с расходом 6.50 т/ч. Применение этого потенциала позволяет получить дополнительно 200.1500 кВт 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 200.1500 кВт 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 (фото 1) 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 показан на рис. 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 (15 000 ч), 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 110 мм и диаметром 16 мм, 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 1500 кВт. 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. В табл. приведены наиболее часто встречающиеся у различных заказчиков параметры 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 2-3 базовых конструкциях машины, которые определяются диаметром винтов и литейными моделями корпуса, можно получить мощность в диапазоне 200... 1500 кВт, если пар имеет указанные в табл. 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 1,5-2 года 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; 10 кВ 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 200 кВт были созданы в 1993 г. 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.

В 2004 г. на Раевском сахарном заводе (Республика Башкортостан) была создана энергоустановка ПВМ-2000-АГ мощностью 800 кВт с асинхронным электрогенератором.

Специфика завода не позволяла подавать в ПВМ пар со стабильными параметрами: его давление на входе колебалось от 0,59 до 1,03 МПа (абс.) при температуре до 230 °С, противодавление на выпуске составляло 0,2...0,29 МПа (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 808 кВт при средней мощности 612 кВт. Стоимость электроэнергии составила 0,24 р./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 2500 кВт. 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 1000 кВт (фото 2). 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 720 кВт, среднечасовая мощность составила 563,3 кВт, 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 (фото 3). Установка работает в жестких условиях на перегретом паре с высокими параметрами (Рвх = 1,57 МПа (абс.), tEX = 305 °С, Рвых = 0,64 МПа (абс.). Ее наработка в настоящее время составляет более 6000 ч, выработано 4 млн кВт.ч электроэнергии. В результате удельный расход топлива на отпуск электроэнергии для ТЭЦ снизился на 2 гу.т./кВт.ч, расход электроэнергии на собственные нужды - с 8,5 до 7,9 %.