П0РОМ0ШИНН0Я
МИНИ-Т?и не БИОМАССЕ
Возможно ли построить мини-ТЭЦ на водяном паре, первичным двигателем которой будет служить паровая машина, работающая при температуре более 500оС? А сжигать древесные отходы с КПД почти 90%? Ответы на эти вопросы воплотили в металле шведские разработчики оригинальной мини-ТЭЦ на твёрдой биомассе.
Иаиболее эффективным решением для производства электроэнергии с использованием твёрдой юсы является высокотемпературная мини-ТЭЦ с паровыми поршневыми двигателями. Генерация электроэнергии осуществляется с использованием для питания сильно перегретого водяного пара, температура которого составляет 500-650оС при давлении 3-6 МПа (30-60 атмосфер). Специалисты шведской компании Епегд1рго]ек1 АВ разработали и наладили выпуск таких мини-ТЭЦ "под ключ" с паровыми радиально-порш-невыми двигателями, которые соединяются с генераторами переменного тока напрямую - без редуктора или мультипликатора.
У таких двигателей коленчатый вал располагается вертикально и конструкция обладает существенными положительными качествами, которые проявляются в снижении вибраций при работе. Смазочное масло не попадает в систему выхлопа отработавшего пара. Отличаются они и значительно большим пусковым крутящим моментом, чем у других тепловых двигателей и турбин, а также крайне длительным сроком эксплуатации. Зависимость удельного расхода пара и КПД от нагрузки для двигателей Епегд1рго]ек1 АВ носит почти постоянный характер, то есть эти параметры очень
слабо изменяются при отклонении нагрузки от номинальной. Например, при сравнении удельного расхода пара на выработку электроэнергии паросиловой установкой с таким двигателем и турбиной Кертиса получаются следующие результаты:
• при работе со 100-процентной электрической нагрузкой, равной 100 кВт, в паровой машине Епегд1рго]ек1 АВ расходуется около 7.5 кг/(кВт • ч) пара, а турбина потребляет 11-12 кг/(кВт • ч) пара;
• в режимах 30- и 5-процентной нагрузок расход пара у этой машины практически не изменяется (!), в то время как для турбины он существенно повышается до значений соответственно 14 и 22.5-23 кг/(кВт • ч).
Паровой поршневой двигатель Епег-д1рго]ек1 АВ способен выдерживать перегрузку вплоть до 30% сверх номинального значения. Значительные крутящие моменты делают его лучшим двигателем для адаптации к резкопе-ременным нагрузкам. Слабая же зависимость расхода пара и КПД от нагрузки делает паровую машину Епегд1рго]ек1 АВ, в принципе, очень перспективной для конденсационных мини-ТЭС, кото- 3 рые смогут энергетически эффектив- § но участвовать в регулировании элек- £ трической частоты в локальных сетях. | Электрическая мощность однодвига- § тельно-генераторного электроагрегата £ составляет 500 кВт или 1 МВт. В соста- | ве мини-ТЭЦ возможно применение и ® нескольких электроагрегатов. I
Когенерационный паровой поршне- | вой двигатель может работать не толь- $ ко на водяном паре, но и на углекислом | газе. Последний является в таком слу- * чае рабочим телом расширения. Ради- = ально-поршневые двигатели (точнее, даже моторы) Епегд1рго]ек1 АВ с гори-
© Лев Макаров
41
зонтальным звёздообразным расположением цилиндров работают при номинальной частоте вращения коленчатого вала 1 000 об/мин, с однократным расширением пара. Конструкция является пятицилиндровой. Поршни соединены с одним кривошипом, изготовить который гораздо проще и дешевле, чем более длинный обычный кривошип для поршневого двигателя с рядным расположением цилиндров.
При работе на водяном сильноперегретом паре высоких параметров (см. выше) такие двигатели имеют КПД на уровне 30-35%. В номинальном режиме работы давление поступающего на вход двигателя пара составляет около 3 МПа (30 атмосфер), а температура - 500оС. При этом отношение вырабатываемой электрической мощности к тепловой мощности парового выхлопа температурой порядка 100оС составляет один к трём. Поскольку двигатель работает в когенерационном цикле, то очевидно, что на его выходе абсолютное противодавление пара должно быть, по крайней мере, не меньше одной атмосферы (0.1 МПа). Поэтому показатели КПД и удельного расхода пара на выработку электроэнергии, равную 5-6 кг/(кВт • ч), можно считать весьма неплохими, если сравнивать с энергоблоками крупных ТЭЦ и даже конденсационных паротурбинных тепловых электростанций.
Паровые моторы Епегд1рго]ек1 АВ менее затратны в производстве, чем паровые турбины. Их легче эксплуатировать, 3а для обслуживания от персонала тре-8 буется небольшой набор технических £ знаний из-за простоты конструкции, по
1 сравнению с турбинами и даже дизель-| ными двигателями. Паровые машины в
2 принципе не имеют системы топливопо-1 дачи, а шведские - ещё и системы ох® лаждения! Отсутствие последней обус-I ловлено работой при низких частотах § вращения коленчатого вала, что снижа-« ет износ подвижных частей в таких дви-^ гателях, в отличие от турбин. Топливо * в паровых машинах не сгорает, как в = дизельных двигателях, поэтому износ
от динамических ударных нагрузок для отдельных деталей и узлов исключён, и
ресурс оказывается даже выше, чем у двигателей внутреннего сгорания.
Тепловая мощность энергоблока мини-ТЭЦ соответствует диапазону от 2 до 12 МВт. Для выработки перегретого водяного пара используются паровые котлы собственной разработки компании Епегд1рго]ек1 АВ. Они имеют модульную компоновку и могут создаваться в соответствии с директивами Евросоюза или стандартами Американского общества инженеров-механиков.
Топка котла является очень важной частью всего котлоагрегата и представляет собой конструкцию с несколькими зонами горения, в каждой из которых расположены колосниковые решётки с водяным охлаждением. КПД топки составляет 92-94 процента. Она адаптирована для сжигания твёрдого топлива, главным образом - твёрдой биомассы: древесной щепы переменного влагосо-держания, отходов древесины, древесной коры, отходов агропромышленных производств, торфа, древесных пеллет (брикеты или гранулы), соломы, бумажных брикетов, отдельных твёрдых бытовых отходов. Также может использоваться биотопливо различного состава в виде комбинации из перечисленных выше. Топливо подаётся в топку по ленточному конвейеру из хранилища, которое является частью главного здания мини-ТЭЦ. Для разгрузочных работ используется крановое оборудование и грузовик с транспортёром. Допустимая влажность топлива может изменяться в пределах от 10 до 55%, но процесс его сгорания характеризуется высокой эффективностью, что делает топку одним из ключевых элементов, обеспечивающим повышение КПД всей мини-ТЭЦ.
Процессы подачи и сгорания топлива в топке котла а также удаления из нее золы осуществляются в автоматическом режиме. Топливо сжигается в две ступени. Сначала - при температуре ниже 500оС с целью предотвращения шлакования топки и достаточной для образования летучих газов. Затем последние направляются во вторую камеру топки, где происходит их горение при температуре уже 1050оС. Количество кислоро-
да, подаваемого в каждую из двух камер топки котла, регулируется автоматически и таким образом, чтобы достигались оптимальные значения температуры горения для обеспечения высокого КПД и низких выбросов оксидов азота. Такой двухступенчатый процесс обеспечивает практически полное "чистое" сгорание топлива. Уходящие из топки горячие газы проходят через несколько теплообменников (водо- и воздухоподогревателей) и пароперегреватель.
Отработавшее тепло, получаемое в процессе выработки электроэнергии на паромашинной мини-ТЭЦ, может использоваться на промышленные нужды при реализации технологических процессов (например, сушка древесины для пиломатериалов, процессы в пищевой промышленности) или подаваться в систему централизованного теплоснабжения потребителей.
Поток высокотемпературного пара ПВП подаётся от котлоагрегата в паро-поршневой мотор ПМ, который приводит в действие генератор электроэнергии ГЭ. Электроагрегат функционирует по сигналам от автоматизированной системы управления ССУ. Отработавший в ПМ пар принципиально возможно использовать в пароводяном нагревательном устройстве для охлаждения или нагрева воды, которая затем может направляться потребителям на нужды отопления и горячего водоснабжения. Помимо параллельной работы мини-ТЭЦ с централизованной электрической сетью, в сущности, возможен вариант её автономной работы (изолированная от внешней электрической сети мини-ТЭЦ). Только нужно учитывать требования соответствующих стандартов и реальные запросы потребителей. Так, современное коммуникационное и компьютеризированное оборудование в промышленности и быту зачастую требует более точной стабилизации частоты электрического тока, чем может обеспечить тепловой двигатель автономного электроагрегата. Тогда электрическую часть мини-ТЭЦ необходимо дополнить блоком высокоточной стабилизации электрической частоты. Включение же
мини-ТЭЦ в децентрализованную или централизованную электрическую сеть может осуществляться, при необходимости, через соответствующее трансформаторное оборудование.
За рубежом проекты рассмотренной мини-ТЭц уже успешно реализуются. Например, в Эфиопии на территории Тиро Ботор (Ботар) Бечо региона Кефа паросиловая мини-электростанция лесопильного завода была сдана в эксплуатацию в 1987 г. и с тех пор успешно работает. Её тепловая мощность - порядка 7 МВт. Паровой поршневой двигатель Епегд1рго]ек1 АВ имеет электрическую мощность 500 кВт (по другим данным -1 МВт). В качестве топлива используются отходы лесораспиловки (лесопильная "пыль", ветки). А в Республике Гвинея-Биссау (Западная Африка) на фанерной фабрике работает паромашинная поршневая электростанция тепловой мощностью 6 МВт. Суммарная электрическая мощность нескольких электроагрегатов составляет 1.5 МВт. Топливом служат отходы фанерного производства и лесораспиловки, древесная кора.
Таким образом, разработки шведских специалистов в области паровых поршневых мини-ТЭЦ наглядно демонстрируют возможность инновационного возрождения паровых машин, давно забытых в традиционной энергетике. Причём ещё раз стоит заметить и особо подчеркнуть, что эти двигатели работают на мини-ТЭЦ с однократным расшир
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.