Мини-ТЭЦ с паровыми моторами – реальность XXI века. Паровой мини двигатель
Паровой двигатель в малой энергетике — Автономное электроснабжение: малая альтернативная энергетика
ПАРОВОЙ РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ и ПАРОВОЙ АКСИАЛЬНО- ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ
Паровой роторный двигатель (паровая машина роторного типа) является уникальной силовой машиной, развитие производства которой до настоящего времени не получило должного развития.
С одной стороны- разнообразные конструкции роторных двигателей существовали ещё в последней трети 19-го века и даже неплохо работали, в том числе и для привода динамо-машин с целью выработки электрической энергии и электроснабжения всяких объектов. Но качество и точность изготовления таких паровых двигателей (паровых машин) было весьма примитивным, поэтому они имели малый КПД и невысокую мощность. С тех пор малые паровые машины ушли в прошлое, но вместе с действительно малоэффективными и бесперспективными поршневыми паровыми машинами в прошлое ушли и имеющие хорошую перспективу паровые роторные двигатели.
Главная причина- на уровне технологий конца 19-го века сделать действительно качественный, мощный и долговечный роторный двигатель не представлялось возможным.Поэтому из всего многообразия паровых двигателей и паровых машин до нашего времени благополучно и активно дожили лишь паровые турбины огромной мощности (от 20 мВт и выше), на которых сегодня осуществляется около 75% выработки электроэнергии в нашей стране. Еще паровые турбины большой мощности дают энергию от атомных реакторов в боевых подводных лодках-ракетоносцах и на больших арктических ледоколах. Но это все огромные машины. Паровые турбины резко теряют всю свою эффективность при уменьшении их размеров.
…. Именно поэтому силовых паровых машин и паровых двигателей мощности ниже 2000 — 1500 кВт (2 — 1,5 мВт), которые бы эффективно работали на паре, получаемом от сжигания дешевого твердого топлива и различных бесплатных горючих отходов, сейчас в мире нет.Вот в этой –то пустой сегодня области техники (и абсолютно голой, но очень нуждающейся в товарном предложении коммерческой нише), в этой рыночной нише силовых машин небольшой мощности, могут и должны занять своё очень достойное место паровые роторные двигатели. И потребность в них только в нашей стране — на десятки и десятки тысяч… Особенно такие малые и средние по мощности силовые машины для автономное электрогенерации и независимого электроснабжения нуждаются малые и средние предприятия в отдаленных от больших городов и крупных электростанций местностях: — на малых лесопилках, отдаленных приисках, на полевых станах и лесных делянках, и пр. и др.…..
..Давайте рассмотрим показатели, из-за которых паровые роторные двигатели оказываются лучше, чем их ближайшие сородичи — паровые машины в образе поршневых паровых двигателей и паровых турбин.…— 1) Роторные двигатели являются силовыми машинами объемного расширения – как поршневые двигатели. Т.е. они обладают небольшим потреблением пара на единицу мощности, потому что пар подается в их рабочие полости время от времени, и строго дозированными порциями, а не постоянным обильным потоком, как в паровых турбинах. Именно поэтому паровые роторные двигатели гораздо экономичнее паровых турбин на единицу выдаваемой мощности. — 2) Роторные паровые двигатели имеют плечо приложения действующих газовых сил (плечо крутящего момента) значительно (в разы) больше, чем поршневые паровые двигатели. Поэтому развиваемая ими мощность гораздо выше, чем у паровых поршневых машин. — 3) Паровые роторные двигатели имеют гораздо большее рабочий ход, чем поршневые паровые двигатели, т.е. имеют возможность переводить большую часть внутренней энергии пара в полезную работу. — 4) Паровые роторные двигатели могут эффективно работать на насыщенном (влажном) паре, без затруднений допускать конденсацию значительной части пара с переходом её в воду прямо в рабочих секциях парового роторного двигателя. Это так же повышает КПД работы паросиловой установки с использованием парового роторного двигателя. — 5) Паровые роторные двигатели работают на оборотах в 2-3 тыс. оборотов в минуту, что является оптимальной частотой вращения для выработки электричества, в отличие от слишком тихоходных поршневых двигателей (200-600 оборотов в минуту) традиционных паровых машин паровозного типа, или от слишком быстроходных турбин (10-20 тыс. оборотов в минуту).
При этом технологически паровые роторные двигатели относительно просты в изготовлении, что делает затраты на их изготовление относительно невысокими. В отличие от крайне дорогостоящих в производстве паровых турбин.
ИТАК, КРАТКИЙ ИТОГ ЭТОЙ СТАТЬИ — паровой роторный двигатель является весьма эффективной паровой силовой машиной для преобразования давления пара от тепла сгорающего твердого топлива и горючих отходов в механическую мощность и в электрическую энергию.
Автором настоящего сайта, уже получены более 5 патентов на изобретения по разным аспектам конструкций паровых роторных двигателей. А так же произведено некоторое количество небольших роторных двигателей мощностью от 3 до 7 кВт. Сейчас идет проектирование паровых роторных двигателей мощностью от 100 до 200 кВт.Но у роторных двигателей есть «родовой недостаток» — сложная система уплотнений, которые для маленьких по размерам двигателей оказываются слишком сложными, миниатюрными и дорогими в изготовлении.
При этом автором сайта ведется разработка паровых аксиально поршневых двигателей с оппозитным — встречным движением поршней. Данная компоновка является наиболее энерго — производительной по мощности вариацией из всех возможных схем применения поршневой системы.Данные двигатели в малых размерах получаются несколько дешевле и проще роторных моторов и уплотнения в них использхуються самые традиционные и самые простые.
Внизу размещено видео использования маленького аксиально-поршневого оппозитного двигателя с встречным движением поршней.
В настоящее время идет изготовление такого аксиально-поршневого оппозитного двигателя на 30 кВт.Вот анимация принципа работы похожего по компоновке такого аксиально- поршневого оппозитного двигателя с встречным движением поршней
Следующая страница — «Паровые Машины Прошлого».
Перейти – страница о «Твердом Топливе»
alter-mini-energy.ru
мини паровой двигатель видео Видео уроки
...
11 меc назад
Обучающий ролик о том как сделать паровой двигатель своими руками из хлама и мусора! Чертежи имеются! Черте...
...
1 лет назад
[email protected] Модель двухцилиндровой паровой машины предназначена для модели корабля. Может и просто стоят...
...
2 лет назад
Парова́я маши́на — тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию водяного пара в механичес...
...
2 лет назад
Паровая машина — тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию водяного пара в механическу...
...
4 лет назад
Это не совсем паровой двигатель просто котел я не делал, но что то на подобие того.. задумка была сделать...
...
2 лет назад
В видео показано шасси,приведенное в движение паровой турбиной.
...
3 лет назад
Наша группа https://vk.com/delalsam Решил я сделать подробнейшее видео о том как можно сделать самостоятельно паровой...
...
7 лет назад
Ничего нового, делал как и все, по схеме из старой книжки.
...
11 меc назад
Как очень просто создать настоящий водяной двигатель из пустой банки работающий от одной свечки ? Смотрите...
...
3 лет назад
Зарабатывайте с AIR http://join.air.io/ZHELEZNIY_LIFEHAK Биржа криптовалют: https://btc-trade.com.ua/stock/btc_uah?ref=56236 Магазин ЦИТРУС: ...
...
1 лет назад
В сегодняшнем видео я вам покажу замечательную идею о том как можно сделать интересный кораблик ...
...
10 меc назад
ПАРОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ, изготовленный из стекла!
...
4 лет назад
Переделка старенького авиамодельного МК-17 в паровой двигатель. Новая жизнь для старого друга. Окунись в...
...
12 меc назад
Как просто сделать настоящую электростанцию дома? Деревянное основание сделаем из доски В баллочике проде...
...
3 лет назад
Обзор мини парового двигателя Wilesco.
3 лет назад
Краткое описание и пробынй запуск:)
...
5 лет назад
Паровой двигатель построен по чертежам из книги Самодельные электрические и паровые двигатели. Авторы:...
...
3 лет назад
Наша группа https://vk.com/delalsam Самый простой паровой двигатель, с одним цилиндром, который вы можете сделать...
videouroki.su
"Паровые двигатели для морских моделей" / Литература / Художественная / Коллективные блоги / Steampunker.ru
Автор: Романов И. Год изд.: 1951 Описание: «Добровольное общество содействия армии, авиации и флоту (ДОСААФ) в своих организациях широко развивает морской моделизм. Тысячи юношей и девушек — членов ДОСААФа — с огромным интересом строят самоходные, парусные и настольные модели кораблей и судов. Чтобы сделать моделизм массовым, выявить наиболее интересные конструкции, комитеты Общества ежегодно проводят соревнования, смотры, выставки. Для того, чтобы уравнять возможности соревнующихся, разработана и утверждена Единая всесоюзная классификация моделей. Большинство моделей согласно Классификации является самоходным, т. е. таким, которое снабжено различными двигателями. Цель этой брошюры — помочь юному конструктору в проектировании и изготовлении миниатюрных паровых двигателей для морских моделей.» Оглавление: Введение Глава 1. Однодисковая паровая турбина Глава 2. Одноцилиндровая паровая машина с парораспределением через вал кривошипа Глава 3. Одноцилиндровая паровая машина с качающимся цилиндром Глава 4. Расчет паровой машины и парового котла Размер: 2209979 байт Язык: русский Формат: DJVU
Если кому-то было интересно как устроен котел – так вот он:
Словом, содержимого немного, но обстоятельно, конкретно, качественно. Чем еще примечательно это руководство? Мне не могли не понравиться такие абзацы: «…Паровые двигатели имеют широкое применение в нашем народном хозяйстве. Они устанавливаются на пароходах, паровозах, паровых автомобилях, приводят в движения генераторы на электростанциях. Занимаясь постройкой миниатюрных паровых машин, юный конструктор должен помнить, что паровой двигатель – русское изобретение. Его сконструировал в 1765 году в Барнауле, на Алтае, наш соотечественник – выдающийся изобретатель Иван Иванович Ползунов. Много трудностей пришлось пережить русскому изобретателю в борьбе за свою идею: «облегчить труд по нас грядущим». Сам вычерчивал, сам рассчитывал свою паровую машину Иван Иванович Ползунов, самому ему ее пришлось и строить. Однако запустить и испытать свою машину изобретателю так и не пришлось…» Про книжку узнал здесь. Ссылка для скачивания.
steampunker.ru
Современный паровой двигатель | Мир невидимого
Впервые инфа об этом движке появилась на сайтах научных новинок мира лет 15 назад. Прикольный внешний вид, но… А что, собственно, революционого? Принцип преобразования движения поршней во вращательное, эквивалентен стандартному плунжерному гидромотору, в котором несколько поршней вызывают проворот диска со скошенным торцом. А примененный для парораспределения вращающийся золотник, тоже широко используется в пневматике, и конструктивно уступает классическому коробчатому золотнику паровых машин. В этом герметичность падает по мере износа, а в коробчатом — нет. Какие еще плюсы у этой системы остаются? Кусок гибкого троса ограничивает реальную мощность этого привода на уровне десятков ватт, или долей грамма на метр, если по крутящему моменту брать.
А что касается моторчиков — «утилизаторов» остаточного тепла, остающегося в выхлопе, охлаждающей жидкости и прочих «продуктов жизнедеятельности» более мощных тепловых машин, то тут Стирлинг вне конкуренции. С.к. способен работать на температурных перепадах меньше 100 градусов. Ну и заявка на инновационную компактность — тоже под вопросом. Паровая машинка классической схемы и равного рабочего объема, будет иметь примерно те же габариты, что и гриновская.
Есть очень интересные паровые двигатели, которые можно ставить на автомобили и они имеют высокий КПД. Эти паровые машины развивают весьма высокую мощность двигателя на дешевом топливе: торф, уголь, дрова-пеллеты. Такой паровой двигатель можно установить на автомобиль – и у вас будет свой паровой авто на дровах. А можно получать дешевую электроэнергию.
В последние годы в моделировании выделилось новое направление. Его идеологом стал аниматор И-Вей Хуан , которому очевидно понравилась идея оживлять мультяшных персонажей без помощи компьютерной графики. Вся изюминка заключается в том, что в своих «игрушках» он использует не аккумуляторные батареи, а миниатюрные паровые двигатели, которые делает своими руками. Свое вдохновение И-Вей черпает в направлении научной фантастики носящем название «стимпанк», или «паропанк» . «Стимпанк» это развившаяся начале дявяностых альтернатива «киберпанку», характеризующемуся тотальной компьютеризацией.
В свою очередь в основе стимпанка лежит история викторианской Англии с её огромными громыхающими и ухающими машинами, копотью и мощью. Стимпанковые мотивы появляются в самых разнообразных произведениях современного искусства и в том, что они пришли в моделирование, нет ничего удивительного. Теперь персонажи мультфильмов обретут новую жизнь, пускай и в игрушечном масштабе. Первую «игрушку» И-Вей собрал в 2005м году. С тех пор он собирает своими руками в среднем по одному механизму в месяц. Большая часть этого времени уходит на то, чтобы придать оснащенным громоздкими баками и паровыми котлами моделям изящность. Вот где, как нельзя кстати, пришелся его аниматорский талант.
Лишним подтверждением которого стали сразу несколько призовых мест на фестивале «RoboGames-2006». Каким бы это кощунством не показалось для русской души, работают детища И-Вея на спирту. И хотя это не единственный вариант, именно такое топливо он считает оптимальным для своих роботов. В зависимости от модели время их работы колеблется в диапазоне от пяти минут до получаса.
Впрочем, от аккумуляторов он еще полностью не отказался, правда их энергия расходуется исключительно на организацию системы радиоуправления. Вот только вряд ли его игрушки в скором времени появятся на прилавках магазинов, ведь их содержание подразумевает особые требования к технике безопасности, которые должны быть адекватны механизмам, работающим на спирту и под достаточно высоким давлением.
КПД парового двигателя
Дрова - прошлый век. Интерсно, эта ветка находится в разделе моделизм, а обсуждаются уникальные конструкции для реального использования. Мне кажется паромобиль на этом принципе очень интересен. На даче например ставится уазик-буханка, внутри у нее термоизолированный бак с паром в 250 градусов, на крыше трубки под стеклом, соединенные с этим баком греются солнцем. В течении недели стоит просто на солнце, в выходные приехал и можешь проехать километром 10. Что думаете, насколько сравнимо со вариантом солнечные батареи + аккумулятор?
Основанная в 1890 году в городе Гамбурге как морская инжиниринговая компания, Spilling выстраивала свой бизнес всегда на инновационной базе и, в настоящее время является мировым брэндом по производству и поставке модульных агрегатов, единичной мощностью 100 – 5000 кВт для эффективного использования в децентрализованных системах энергоснабжения. Наиболее уникальным продуктом этой фирмы являются паровые двигатели.
Паровые двигатели Spilling единственные в своем роде агрегаты в мире!
Паровой двигатель сочетает в себе преимущества термодинамических характеристик поршневой паровой машины и с конструктивных особенностей современных дизельных двигателей. Его уникальная конструкция обеспечивает высокую надежность при использовании качестве привода электрического генератора также и при переменной электрической нагрузке и изменении расхода пара.
Преимущество данного источника энергии для компактных локальных энергосистем по сравнению с вариантом с паровой турбиной заключается в простоте эксплуатации и дешевизне парового двигателя. Это делает его идеальным для использования на паровых котельных малой и средней мощности, в том числе:
- Электростанции, производящие электроэнергию из биотоплива, мощность от 2 МВт в пересчете на топливо
- Агрегаты для использования отработаного пара с расходом от 2,5 т/ч
- Установки для сжигания отходов.
Паровой двигатель Spilling является оптимальным в сочетании с паровыми котлами насыщенного пара, а также парогенераторами среднего давления. При этом модульный принцип конструкции поршневого двигателя обеспечивает гибкость при модернизации котельной для широкого диапазона требований заказчика.
Это особенно актуально при реконструкции паровых котельных с целью повышения ее экономичности и производства собственной электроэнергии.
В энергетических установках малой и средней мощности, которые очень часто называют мини-ТЭЦ, SPILLING как двигатель для привода электрогенератора или технологического оборудования по сравнению с паровой турбиной при соизмеримых мощностях и параметрах пара характеризуется следующими положительными качествами:
- широким динамическим диапазоном регулирования мощности ;
- практической нечувствительностью к качеству пара ;
- возможностью прямого привода электрогенератора или технологического оборудования без промежуточных механических передач;
- высокой эксплуатационной надежностью и потребностью в наличии минимально необходимой технической инфраструктуры для обслуживания;
- системой смазки, исключающей попадание масла в пар.
Паровой двигатель SPILLING поставляется с электрогенератором как готовый к работе блок, включая автоматическую панель системы управления с программной логикой и панелью оператора.
Технические данные паровых двигателей
Команда энтузиастов, именующая себя British Steam Car Challenge, в которую входят гонщики, энтузиасты, и просто любители, уже который год строит автомобиль Вдохновение, чтобы побить рекорд скорости для автомобилей с паровым двигателем. Рекорд скорости для паровых автомобилей держится с 1906 года. Тогда в США гонщик Фред Марриот достиг скорости 205,44 километра в час на паровом автомобиле, построенном братьями Стэнли.
Теперь же, возможно, рекорд будет побит, поскольку автомобиль проходит последнюю программу динамических испытаний, запланированную на конец марта 2009 года, на территории Министерства обороны возле Chichester, Западного Суссекса. Это будет последнее тестирование автомобиля в Великобритании перед транспортировкой его в США, для попытки установления мирового рекорда скорости наземного автомобиля с паровым двигателем.
В свое время перед главным конструктором команды Глайнном Боушером стояла сложная задача, ведь добиться от парового двигателя высокой мощности при малых размерах и весе установки непросто. Планировалось, что паровая установка Боушера будет развивать до 300 лошадиных сил на валу при оборотах турбины 12 тысяч в минуту, и к тому же поместится в узкий и низкий кузов Вдохновения. Длина его, кстати, составляет 5.25 метра; ширина — 1.7 метра; высота — 1.1 метра.
В качестве топлива служит сжиженный пропан. Четыре парогенератора расположены за спиной водителя. В каждом парогенератор по 28 тонких горизонтальных трубок из жаропрочной нержавеющей стали. Именно они занимают основной объём внутри автомобиля, и поставляют паровой машине около 10 килограммов пара в минуту. Давление и температура пара составляют около 40 атмосфер и свыше 380 градусов Цельсия. Каждым парогенератором можно управлять отдельно, что повышает надёжность системы. Пар направляется через четыре сопла на двухступенчатую паровую турбину, которая через понижающую передачу вращает задние колёса машины. Диаметр турбины — 33 сантиметра.
Инженеры рассчитывают, что автомобиль сможет разогнаться до 320 километров в час, но если принять во внимание и низкий коэффициент обтекаемости кузова — всего 0.2, то скорость может быть и выше.
Главное и очень ценное на сегодня преимущество паровых машин — это низкое содержание диоксида углерода и оксидов азота в выхлопе паровых машин, особенно, если они используют газ, как Inspiration.
Британские энтузиасты надеются, что смогут не только побить рекорд скорости для автомобилей с паровым двигателем, но и привлекут внимание общества к экологической чистоте паровых автомобилей.
Источники: steampunker.ru, diy.infcat.ru, www.chipmaker.ru, www.hansaenergo.ru, techvesti.ru
Необычные животные
Глядя на некоторых представителей животного мира, невозможно не удивляться воображению и изобретательности Матушки-природы. Некоторые из этих животных обитают исключительно в ...
Лазерное оружие России
Благодаря современным технологиям можно теперь будет выбирать цель и не бояться, что она собьется. Точность прицела будет сохраняться и при движении. ...
Путешествие в Египет
Египет – это удивительная страна, знаменитая своими уникальными архитектурными строениями, удивительной историей, культурой, образом жизни. В настоящее время Египет является ...
Старейшие университеты мира
Ранее на сайте рассказывалось о лучших университетах мира, сейчас речь пойдет о самых старых ныне действующих и непрерывно существующих ...
Анталия – турецкая Ривьера
Анталия - развитый курортный город на юге Турции. Вокруг неё расположены прекрасные пальмовые аллеи, радуют глаз цитрусовые деревья. Город стоит в красивом ...
Скутер на одном колесе
Разработка данного мотоцикла, что носит название Uno, принадлежит 18-летнему пареньку Бену Гулаку , который несомненно является гением. Мотоцикл остается ...
Ленин в мавзолее
Это памятник-усыпальница, в 1953-1961 гг. в Мавзолее также был захоронен Иосиф Сталин. В последние годы периодически поднимается вопрос о перезахоронении тела ...
Движение магнитных полюсов
Магнитное поле имеет огромное значение для жизни на Земле, поскольку защищает ее жителей от воздействия солнечной радиации. Происхождение его остается ...
Сокровища гетмана Мазепы. Часть2
С подачи сплетника Пасека будущий гетман Мазепа в европейской литературе занял место ловеласа, наряду с Дон Жуаном и Казановой. Эту историю ...
Самые необычные часы
Иногда у нас возникает чувство, что нужно как-то обновить, освежить атмосферу в доме, или в квартире. Для этого мы ...
www.objectiv-x.ru
Мини-ТЭЦ с паровыми моторами – реальность XXI века
И. С. Трохин, инженер ВИЭСХ Россельхозакадемии, преподаватель МОПК НИЯУ «МИФИ»
Стоит ли вспоминать о первых отечественных паровых моторах (см. справку) в наш век высоких технологий? Несомненно. Ведь паровые моторы сейчас находят свое применение в энергетике.В последнее время в промышленности и жилищно-коммунальном хозяйстве все более осознается целесообразность комбинированного производства электрической и тепловой энергии на паровых мини-теплоэлектроцентралях (мини-ТЭЦ) (рис. 1), располагаемых в непосредственной близости от потребителя.
Это связано с постоянным удорожанием электроэнергии, учащением случаев возникновения аномальных шквальных ветров и заморозков, приводящих к снижению надежности линий электропередачи (обрывову проводов) централизованного электроснабжения.|
Рисунок 1. Фрагмент структурной схемы паровой мини-ТЭЦ с возможностью работы в режиме тригенерации |
Потребители, имеющие собственные котельные, иногда дополняют их электрогенераторными установками (электроагрегатами) с паровыми двигателями (обычно турбинами) и электрогенераторами мощностью от нескольких сотен киловатт до единиц мегаватт. Таким образом котельные, реконструируемые в мини-ТЭЦ, становятся источниками как тепловой, так и электрической (рис. 1, трехфазная линия А–В–С) энергии.
В зависимости от тепловой мощности паровой котельной для выработки 1 МВт (100 %) тепловой энергии требуется 17–40 кВт (1,7–4 %) электроэнергии [1]. Абсолютное давление пара в котлах, разрешенное органами Ростехнадзора, обычно не превышает 0,7–1,0 МПа (здесь и далее – абсолютное).
Промышленным потребителям или для пароводяных теплообменников (бойлеров для получения горячей воды) требуется пар с более низким давлением – 0,12–0,6 МПа. Поэтому электроагрегаты с паровыми турбинами включают параллельно редукционным устройствам или взамен их (рис. 1). Тогда вместо бесполезного дросселирования пара турбинами будет совершаться полезная работа по приводу электрогенераторов. Отработавший пар в этом случае направляется в бойлер, после чего конденсируется, а конденсат через систему очистки перекачивается насосом обратно в котел.
Таким образом, котельная становится выгодным источником тепловой и электрической энергии с высоким коэффициентом полезного использования теплоты сгорания топлива (80–85 % и более).
Если потребителю не нужно большое количество тепла, а только горячая вода, например, в летнее время, то мини-ТЭЦ оснащают еще абсорбционными холодильными машинами, работающими на отработавшем в турбине паре. Такие машины обеспечивают требуемое охлаждение воды, которая поступает в систему холодоснабжения для кондиционирования помещений потребителя.
Для круглогодичного бесперебойного электроснабжения потребителей, в т. ч. оборудования мини-ТЭЦ (насосов, дымососов, освещения, систем автоматики и др.), необходима безостановочная ее работа. Это возможно, например, если электроэнергию генерировать совместно с выработкой теплоты, необходимой для обеспечения потребителей горячей водой.
На площадках действующих котельных создаются и мини-ТЭЦ с увеличенной тепловой мощностью. Например, заменяются устаревшие котлы с давлением насыщенного пара 1,4 МПа на котлы с давлением перегретого пара 4,0 МПа и температурой 440 °С. При тех же габаритах котлов электрическая мощность такой мини-ТЭЦ становится значительно больше.
Однако следует обратить внимание на тип используемого в современных мини-ТЭЦ парового двигателя1. Это маломощная паровая турбина, которая обычно имеет одноступенчатую конструкцию, поскольку работает при малых перепадах давлений. Ротор, как вращающаяся часть турбины, состоит из ступицы, которая насаживается на вал, и набора профилированных лопаток (лопаточный венец). Лопатки изготавливаются из специальных сплавов и являются ответственными и дорогими элементами турбины. Паровинтовые турбины тоже имеют профилированный ротор, только по типу винта Архимеда.
Еще со времен паровых машин более простым и дешевым рабочим органом, по сравнению с турбинной лопаткой, является поршень.
СПРАВКАПервый отечественный паровой мотор, которому в 2011 году исполнилось 75 лет, предназначался для силовой установки самолета и был спроектирован в Московском авиационном техникуме для работы на перегретом паре с давлением 6,1 МПа и температурой 380 °С. Он был изготовлен на одном из московских заводов и мог развивать до 1800 об/мин.
Отличительными признаками паровых моторов от классических паровых машин являются не только их скоростные качества, но и совершенно другой тип парораспределения. Моторы предназначены для работы с однократным расширением пара. Пар от котла поступает параллельно во все цилиндры, подобно тому, как топливо-воздушная смесь поступает в цилиндры двигателя внутреннего сгорания. У классических же паровых машин пар проходит через все цилиндры последовательно, расширяясь, таким образом, многократно.
Механизмы однократного расширения пара с развитием поршневой техники становились более совершенными, чем механизмы его многократного расширения. Это позволило снизить неизбежное и бесполезное падение давления пара внутри парораспределительных органов и, следовательно, получить более высокооборотный паровой поршневой двигатель при одном и том же давлении пара на входе в него.
Сравнение характеристик электро-генераторных установок с паровой турбиной и паровым моторомНекоторые конструкции паровых машин и моторов прошлого столетия были не такими уж несовершенными, как считается. Представим себе электрогенераторную установку с паровой машиной или мотором и современным электрогенератором. Поскольку паровые машины, как правило, имели весьма низкие частоты вращения вала (до 300 об/мин), а современные электрогенераторы работают при частотах 1000–3000 об/мин, то для воображаемой установки необходим еще мультипликатор.
Сравним такую установку с современной паротурбинной. Сделаем это корректно: при соизмеримых давлениях и температурах пара на входе в эти двигатели и соизмеримых противодавлениях пара на выходе. Тогда становится видно (табл. 1), что удельный расход пара на единицу вырабатываемой электроэнергии, а следовательно, и КПД у некоторых паромашинных или паромоторных установок вполне соизмерим с удельным расходом пара в современных турбоустановках, мощность которых даже в 5 раз больше!
Таблица 1
Сравнительные характеристики электрогенераторных установокС ростом частоты вращения вала паровой машины или мотора, при прочих равных условиях, происходит рост КПД за счет сокращения продолжительности впуска пара в цилиндр и, следовательно, уменьшения времени соприкосновения пара со стенками цилиндра, что ведет к снижению теплопотерь в двигателе.
При частотах вращения 750–1500 об/мин и мощностях, по крайней мере, до 1200 кВт современные немецкие паровые моторы Spilling и чешские PM-VS имеют расход пара2 в 1,3–1,5 раза меньший, чем у паровых турбин, превосходящих их по мощности более чем в 5 раз! При одинаковых с турбинами мощностях, паровые моторы еще более эффективны, поскольку в сравнительно большем двигателе легче сделать более совершенные парораспределительные механизмы.
Российская инновация
Российские специалисты предложили идею: переделать современный поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС) в паровой мотор и приспособить его для работы в мини-ТЭЦ. Поскольку стоимость ДВС ниже стоимости паровой турбины, то при условии незначительных доработок в конструкции мы получим более дешевый приводной двигатель: паровой мотор на базе серийного ДВС.
Специалистами объединенной научной группы3 «Промтеплоэнергетика», возглавляемой В. С. Дубининым, старшим научным сотрудником кафедры «Конструкция двигателей летательных аппаратов» МАИ, разрабатываются паропоршневые двигатели (ППД) – современные паровые моторы одностороннего давления. Последнее означает, что при работе мотора пар, поступающий в цилиндр, давит на поршень только с одной стороны, как и у исходного ДВС.
В базовом ДВС переделке, по сути, подлежит только механизм топливоподачи на газодинамически-клапанный или золотниково-клапанный узел подачи и выпуска пара (ноу-хау). ППД могут работать в широком диапазоне давлений свежего пара – от 0,5 до 4,0 МПа при его температурах до 440 °С. По частоте вращения коленчатого вала ППД могут развивать до 3000 об/мин!
ППД имеет циркуляционную систему смазки с «сухим» картером, как у ДВС тепловозов и дизельных электростанций. При такой системе масло, в основном, не задерживается во внутренних полостях двигателя, а прокачивается через них под давлением, очищается и затем снова поступает в двигатель.
В ППД, соединенном с электрогенератором, пар подается от котла, а выхлоп осуществляется в пароводяной теплообменник (рис. 2, обозначения синего цвета). Управление ППД обеспечивается по сигналам от системы автоматизированного управления. Кроме одного или нескольких ППД и электрогенераторов, агрегат имеет в своем составе: блок возбуждения, управления и защиты БВУЗ электрогенератора, состоящий, в свою очередь, из блоков возбуждения и управления БВУ, защитной автоматики БЗА, системы управления БСУ.
Рисунок 2. Cхемы паропоршневого электроагрегата (синий цвет) и традиционной автономной системы для высокоточной стабилизации частоты электрического тока (красный цвет)
На рис. 2 приведен вариант электроагрегата с асинхронным электрогенератором, поэтому для его работы блок возбуждения БВ снабжен конденсаторами. Распределительное устройство электрически связывает электроагрегат с потребителями электроэнергии. Пунктирной линией (рис. 2) показаны электрические связи от других генераторов в случае многодвигательного агрегата.
Паровой мотор, в отличие от турбины, всегда может обеспечивать прямой привод электрогенератора. Турбине, как правило, для этого требуется редуктор, т. к. для обеспечения приемлемого расхода пара она должна работать при высоких частотах вращения.
Паровой турбине требуется и система охлаждения, а это – дополнительный расход воды и потери энергии. ППД вполне достаточно теплоизолировать, а охлаждать не требуется, т. к. температура в его цилиндрах в 5–6 раз ниже, чем у исходного ДВС.
Ресурс до капитального ремонта паровых турбин (30 000–50 000 ч) определяется, в основном, ресурсом лопаток из дорогостоящих сплавов, а у паровых моторов (более 50 000 ч, согласно [2]) – гораздо большим ресурсом более дешевых узлов шатунно-поршневой группы.
Паровые моторы, как паровые поршневые машины, обладают высокой надежностью. А ресурс до капитального ремонта ППД может быть выше, чем у исходных ДВС (30 000–100 000 ч), т. к. пар при работе двигателя, в отличие от горючей смеси, не взрывается, а расширяется и плавно давит на поршень.
Для технического обслуживания турбин необходим высококвалифицированный персонал. Паровые моторы, как близкие по типу к ДВС, могут обслуживаться специалистами более низкой квалификации, а их ремонт можно производить прямо на месте эксплуатации.
Применение источника бесперебойного питания
Чтобы вырабатывать ток с частотой, в соответствии с требованиями4 ГОСТ 13109–97 на сетевую электроэнергию (в нормальном режиме – 50±0,2 Гц), паротурбинный электроагрегат ПТЭА (рис. 2, обозначения красного цвета) должен работать с источником бесперебойного питания ИБП или параллельно с сетью централизованного электроснабжения.
Паротурбинный электроагрегат вырабатывает электоэнергию с относительно грубой стабилизацией частоты переменного напряжения. С помощью агрегата выпрямления напряжения АВН получается постоянное напряжение. Затем агрегат инвертирования АИН, снабженный высокостабильным задающим генератором частоты, обеспечивает преобразование постоянного напряжения в переменное с высокой точностью стабилизации частоты.
Блок аккумуляторных батарей АБ служит для кратковременного резервного электропитания АИН в случае выхода из строя турбоэлектроагрегата или на время аварийного включения резерва.
Самостабилизация частоты вращения вала двигателя
Все поршневые двигатели, в том числе и паровые, обладают свойством самостабилизации частоты вращения вала, чего нельзя сказать о турбинах. Это открытие В. С. Дубинина [3, 4] является революционным5. Его реализация позволяет обеспечивать поддержание частоты вращения вала первичного двигателя с такой точностью, что приводимый электрогенератор способен вырабатывать электроэнергию с частотой 50±0,2 Гц, как требуется по стандартам в области качества электроэнергии. Для сравнения, дизельные электростанции могут вырабатывать электроэнергию с более грубой точностью поддержания частоты (в установившемся режиме работы – 50±0,5 Гц).
Самостабилизация осуществляется без организации обратных связей при импульсной подаче или выработке рабочего тела (пара) 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.
Точку зрения относительно преимуществ паровых поршневых двигателей над турбинами для мини-ТЭЦ разделяют и зарубежные специалисты. Так, в 2005 году на Американском совете по энергоэффективной экономике Майкл Мюллер из Центра передовых энергетических систем Рутгерского университета США отметил в своем докладе «Возвращение паровой машины» [5], что малоразмерные паровые поршневые двигатели, в отличие от турбин, надежно и экономично работают даже на влажном паре и при умеренных частотах вращения.
Следует все же отметить, что подавляющее большинство паровых моторов пока несколько уступают турбинам по массовым и габаритным характеристикам. Однако, как показывает многолетний опыт эксплуатации, в частности, моторов Spilling, эти показатели не являются первостепенными, на фоне ряда неоспоримых достоинств поршневых двигателей.
Переоборудование водогрейных котельных в паровые мини-ТЭЦ
А что же делать с водогрейными котельными? Как их переоборудовать в паровые мини-ТЭЦ? Такие котельные целесообразно оснащать дополнительными паровыми котлами с переводом на них базовой части тепловой нагрузки или полностью заменять ими водогрейные. Паровые котлы дороже водогрейных, но эксплуатационные затраты на их содержание ниже и они могут надежно работать с более высоким ресурсом.
Экологические вопросы эксплуатации мини-ТЭЦ
Экологические показатели сжигания топлива в современных паровых котлах весьма неплохие. Реализация известной отечественной технологии сжигания твердых топлив (уголь, отходы углеобогащения, шлам, древесные и растительные отходы и т. д.) в высокотемпературном циркулирующем кипящем слое (патент на полезную модель RU 15772) дает возможность обеспечить работу котла с весьма низкими выбросами в атмосферу. Экологические показатели работы котлов с такими топками удовлетворяют самым жестким требованиям Ростехнадзора.
В заключении необходимо заметить, что электрогенерирующие агрегаты с паровыми моторами как нельзя лучше подходят для экологически чистых солнечных электростанций (табл. 2), в том числе и мини-ТЭЦ, в которых для получения пара используются котлы не с топками, а с солнечными коллекторами. Получается поистине экологически чистая электростанция, работающая на солнце, воде и паре!
Таблица 2 Диапазоны рациональных электрических мощностейИтак, можно сделать следующие выводы:
- паромоторные мини-ТЭЦ энергоэффективнее паротурбинных. Для них удельный расход пара в электроагрегатах на выработку электроэнергии в 1,3–1,5 раза меньше, чем в паротурбинных мини-ТЭЦ, особенно при электрических мощностях до 1200 кВт.
- ресурс до капитального ремонта у современных паровых моторов для мини-ТЭЦ, по крайней мере, не ниже, чем у паровых турбин лопаточного и винтового типов.
Литература
- Бурносенко А. Ю. Мини-ТЭЦ с паровыми турбинами для повышения эффективности промышленно-отопительных котельных // Новости теплоснабжения. 2009. № 1.
- Micro and small-scale CHP from biomass (up to 300 kWe). OPET RES-e NNE5/37/2002 // OPET Finland: http://web.archive.org/web/20070208002554/http://akseli.tekes.fi/opencms/opencms/OhjelmaPortaali/ohjelmat/DENSY/en/Dokumenttiarkisto/Viestinta_ja_aktivointi/Julkaisut/OPET-RES/TechnologyPaper2_chp_70404.pdf.
- Дубинин В. С. Обеспечение независимости электро- и теплоснабжения России от электрических сетей на базе поршневых технологий: монография. М., 2009.
- Шкарупа С. О. Использование точечного преобразования для аналитического описания переходного процесса в тепловом двигателе дискретного действия // Динамика сложных систем. 2010. № 2.
- Muller M.R. The Return of the Steam Engine // ACEEE Summer Study on Energy Efficiency in Industry. New York (USA). July 19–22, 2005.http://quasiturbine.promci.qc.ca/Presse/SteamMuller050721.pdf.
1 Исторически сложилось, что термин «паровой двигатель» распространяется на все конструкции двигателей, работающих на паре. В литературе иногда ошибочно отождествляют паровой двигатель и паровую машину. Паровая машина – это поршневой паровой двигатель.
2 Согласно исследованиям автора.
3 В группу входят специалисты Московского авиационного института, Всероссийского института электрификации сельского хозяйства, Московского энергетического института, Московского института энергобезопасности и энергосбережения, Королёвского колледжа космического машиностроения и технологии.
4 С 2013 года вместо ГОСТ 13109–97 будет введен ГОСТ Р 54149–2010.
5 Отметим, что В.С. Дубинин разработал в 1980-х годах теорию самостабилизации только для одноцилиндрового поршневого двигателя и подтвердил ее экспериментально. А в 2009 году молодой инженер С. О. Шкарупа применил эту теорию для случая многоцилиндровых поршневых двигателей, с какими и приходится иметь дело на практике.
Опубликовано в журнале Энергосбережение №2/2012
gisee.ru
