Крупные газовые турбины работают в каждой силовой установке реактивного самолёта, обеспечивая высокую мощность при малой массе и габаритах. Необходимы ли маломощные турбины на мини-ТЭЦ, да ещё и паровые? Или же стоит вспомнить авиационные и наземные высокооборотные поршневые паровые машины - паровые моторы?
С САМОЛЁТА - НА МИНИ-ТЭЦ
V_У
И.С. ТРОХИН (Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства)
Ещё в 1930-х гг. были разработаны поршневые паровые машины, способные разгоняться до 1800 об/мин! Такой отечественный паровой мотор для силовой установки самолёта спроектировали в Московском авиационном техникуме для работы на перегретом паре давлением 6.1 МПа и температурой 380 °С. Изготовили мотор на одном из московских заводов.
Паровые моторы отличали от классических паровых машин не только их скоростные качества. Эти паровые машины работали с однократным расширением пара, который от котла поступал параллельно во все цилиндры подобно тому, как топливно-воздушная смесь подаётся в цилиндры двигателя внутреннего сгорания (ДВС). У классических же паровых машин пар проходил через цилиндры последовательно, ? расширяясь многократно. Механизмы § однократного расширения пара стано-=1 вились более совершенными, чем меха° низмы его многократного расширения. 1 Это позволяло снизить неизбежное и | бесполезное падение давления пара | внутри парораспределительных органов и получить более высокооборотный К двигатель при одном и том же давлении § поступающего в него пара. « Но вернёмся в XXI век. На промыш-I ленных предприятиях и в жилищно-ком-* мунальном хозяйстве сегодня можно = встретить котельные с комбинированным производством электрической и тепловой энергии - мини-ТЭЦ, распо-
лагаемые в непосредственной близости от потребителя. Это связано с тем, что электроэнергия постоянно дорожает, а множество случаев возникновения шквальных ветров летом и аномальных заморозков зимой приводит к снижению надёжности линии электропередачи систем централизованного электроснабжения из-за частых обрывов проводов. Поэтому на заводах, фабриках и коммунальных объектах, где есть паровые котельные, последние выгоднее надстраивать электрогенераторными установками с паровыми турбинами мощностью от нескольких сотен киловатт до единиц мегаватт.
В паровых котельных электрогенераторные турбоустановки (электроагрегаты) включают параллельно редукционным устройствам или вместо них. Тогда, вместо бесполезного дросселирования пара, турбинами будет совершаться полезная работа по приводу электрогенераторов. Отработавший пар направляется в бойлер, после чего конденсируется, а конденсат через систему очистки подаётся обратно в котёл. Таким образом, котельная превращается в независимый от централизованного электроснабжения, технически и экономически выгодный источник тепловой и электрической энергии. Если потребителю не нужно много тепла, например, в летнее время, мини-ТЭЦ можно оснастить и абсорбционными холодильными машинами для функционирования на отработавшем в турбоустановке паре.
42
© И. С. Трохин
Для круглогодичного бесперебойного электроснабжения потребителей, в том числе и оборудования котельной, необходима безостановочная работа мини-ТЭЦ. Это возможно, если электроэнергию генерировать совместно с выработкой теплоты, необходимой для обеспечения потребителей горячей водой.
Однако следует обратить внимание на тип используемого в составе мини-ТЭЦ парового двигателя. Это - маломощная паровая турбина, обычно имеющая одноступенчатую конструкцию, поскольку работает при малых перепадах давления. Профилированные лопатки её ротора изготавливаются из специальных сплавов и являются дорогими элементами. Со времён же поршневых паровых машин более простой и дешёвый рабочий элемент, по сравнению с лопаткой турбины, - поршень. Он имеет цилиндрическую форму, поэтому для его изготовления не требуется сложного станочного оборудования.
Вот и стоит вспомнить о классической паровой машине и паровом моторе. Вообразим себе электрогенераторную установку с такой машиной или мотором 1950-х гг. и современным электрогенератором. Поскольку паровые машины, как правило, имели весьма низкие частоты вращения вала - до 300 об/мин, а современные электрогенераторы нужно приводить в движение с частотой 1000-3000 об/мин, то для нашей установки потребуется ещё мультипликатор. А теперь сравним получившуюся установку с современной паротурбинной, как показано в таблице. Здесь: Р - электрическая мощность установки; п - частота вращения вала двигателя. При давлениях р1 и температурах ^ пара на входах в двигатели и абсолютном противодавлении пара р2» 0.2 МПа оказывается, что удельный расход пара б на единицу вырабатываемой электрической мощности и, следовательно, КПД у некоторых паромашинных и паромоторных установок вполне соизмерим (!) с удельным расходом пара в современных паротурбинных установках, мощность которых даже в пять раз больше.
С ростом частоты вращения вала паровой машины или мотора, при прочих равных условиях, происходит рост её КПД за счёт сокращения продолжитель-
ности впуска пара в цилиндр и, следовательно, уменьшения времени соприкосновения пара со стенками цилиндра, что ведёт к снижению тепловых потерь в двигателе. При частотах вращения 750-1500 об/мин и мощностях до 1200 кВт современные паровые моторы могут иметь, по меньшей мере, в полтора раза более низкий расход пара, чем у паровых турбин соизмеримых мощностей. Например, за рубежом в малой биоэнергетике известны германские паровые моторы Шпиллинга фирмы Spilling Energie Systeme GmbH (Европейский патент EP 1045128 и др.). В Чехии при поддержке Чешского энергетического агентства созданы и совершенствуются паровые моторы PM-VS компании Poly-Comp a.s. (Чешские патенты CZ 8608, 11118, 16169, Международная патентная заявка WO 02/073005).
У российских учёных и изобретателей возникла идея переделать современный поршневой дВс в паровой мотор и приспособить его для работы в условиях мини-ТЭЦ. Поскольку ДВС дешевле турбины, то, при условии некоторых доработок конструкции, паровой мотор на базе серийного дВс может стать более дешёвым приводным двигателем для паровых мини-ТЭЦ. В объединённой научной группе "Промтепло-энергетика" Факультета довузовской подготовки Московского авиационного института под руководством старшего научного сотрудника кафедры теории воздушно-реактивных двигателей, кандидата технических наук В.С. Дубинина разрабатываются паропоршневые двигатели (ППД) - современные паровые моторы одностороннего давления с высокими эксплуатационными харак- £ теристиками. При работе мотора пар, § поступающий в цилиндр, давит на пор- | шень только с одной стороны, как у ис- | ходного ДВС. В последнем переделке § подлежит главным образом механизм § топливоподачи. Специалисты МАИ ра- * ботают над вопросами конверсии этого механизма в парораспределительный. | И им есть чем гордиться - в решении § данной проблемы они основываются " на работах таких выдающихся отечест- | венных учёных и изобретателей в об- | ласти быстроходных паровых машин, = как А.Ф. Можайский, Л.П. Смирнов, А.Х. Черкасский, А.В. Дёмин, Л.М. Цу-
г л
Тип паросиловой установки* P, кВт n, об/мин Pl МПа абс. i,, °C d, кг/ (кВт ■ ч)
С машиной
паровоза серии Л 1177 212 1.47 390 10.5
С мотором грузовика НАМИ-012 67 600 2.2 360 10.3
С турбиной ГК "Турбопар" 5820 3000 2.35 390 10.5
* Паровозная машина и автомобильный мотор соединены с электрогенераторами соответственно на 1000 об/мин (КПД - 97%) и 1500 об/мин (КПД - 90%) через одноступенчатые зубчатые мультипликаторы (КПД - 97%), а турбина - с электрогенератором на 3000 об/мин (КПД - 97%).
керник и др. Не забыты и работы по высокооборотным поршневым паровым машинам, созданным в НАМИ.
Предстоит решить и проблему попадания пара в смазочное масло или разработать систему смазки водой. Однако уже сегодня паровой мотор, в отличие от турбины, может обеспечивать прямой привод любого современного промышленного электрогенератора. Турбине для этого, как правило, требуется редуктор, так как для обеспечения приемлемого расхода пара она должна работать при весьма высоких частотах вращения ротора. Требуется ей и система охлаждения, а это - дополнительный расход воды и потери энергии. ППД вполне достаточно будет теплоизолировать, а охлаждать и вовсе не нужно, ведь температура в его цилиндрах в 56 раз ниже, чем у любого базового ДВС. £ Паровые моторы, как поршневые * паровые машины, обладают феноме-| нальной надёжностью. Ресурс до капи-§ тального ремонта паровых турбин (30« 50 тыс. ч) определяется в основном ^ ресурсом лопаток, а у паровых моторов | (более 50 тыс. ч) - большим ресурсом ^ узлов шатунно-поршневой группы, так I как пар, в отличие от горючей смеси, | не взрывается, а расширяется и плав-£ но давит на поршень. Для техническо-I го обслуживания турбин необходим | высококвалифицированный персонал. = Паровые моторы, как близкие по типу к ДВС, могут обслуживаться специалистами более низкой квалификации,
а ремонт можно производить прямо на месте эксплуатации.
Все поршневые двигатели, в том числе и паровые, обладают свойством самостабилизации частоты вращения вала, чего нельзя сказать о турбинах. Это открытие В.С. Дубинина является революционным в технике. Самостабилизация осуществляется без организации обратных связей (!) при импульсной подаче или выработке рабочего тела через равные промежутки времени. Такой процесс по сути аналогичен работе анкерного механизма и маятника в механических часах. В нашем случае - это ППД с источником пара и задающий генератор импульсов подачи пара. В.С. Дубинин разработал теорию самостабилизации в 1980-х гг. для одноцилиндрового поршневого двигателя и подтвердил её экспериментально. В настоящее время российский инженер С.О. Шкарупа адаптирует эту теорию для многоцилиндровых поршневых двигателей, с какими и приходится чаще иметь дело на практике.
Точку зрения относительно преимуществ поршневых паровых двигателей над турбинами для мини-ТЭЦ разделяют и зарубежные специалисты. Например, Майкл Мюллер из Центра передовых энергетических систем Рутгерског
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.