Размещено на http://www.allbest.ru/

Сравнение и оценка паропоршневых электростанций с паротурбинными и газопоршневыми

Лаврухин К.М.

В России более 1/7 части населения, то есть 22 млн. человек, проживают в районах автономного электроснабжения или ненадежного централизованного электроснабжения, занимающих более 70% территории России [1]. Поэтому задача создания источников электроэнергии работающих на дешевом местном топливе является актуальной. Это позволит исключить северный завоз и без того дорогого дизтоплива, а также повысит конкурентоспособность сельского хозяйства в условиях вступления России в ВТО. Это приведёт к повышению цен на природный газ до уровня близкого к мировым ценам к 2011 г. согласно постановлению Правительства РФ от 28 мая 2007 г. №333 [2]. Последнее означает рост тарифов на электроэнергию, так как основная ее часть вырабатывается в России на газовых электростанциях. Но ведь есть дешевое местное топливо - это, как правило, твердое топливо: дрова, отходы древесины, отходы сельхозпроизводства, бурый и каменный уголь. Для получения электроэнергии из такого топлива возможно несколько способов:

1. Получение горючего газа низкой калорийности в газогенераторе обращенного процесса с последующим использованием этого газа в газопоршневом двигателе приводящим электрогенератор.

2. Сжигание твердого топлива под паровым котлом и использование этого пара для работы паровой турбины, приводящей электрогенератор.

3. Сжигание твердого топлива под паровым котлом и использование этого пара для работы поршневого парового двигателя приводящего электрогенератор.

Такой двигатель может быть:

А) Классической паровой машиной;

Б) Паропоршневым двигателем (ПОД).

Далее проводится анализ и сравнение этих типов двигателей.

До середины 50-х годов широко применялись, как источники газообразного топлива для транспортных [3,4,5] и стационарных (привод электрогенератора) двигателей внутреннего сгорания слоевые газогенераторы на специально подготовленном топливе (высушенные чурки лиственных пород или древесный уголь). Низкая калорийность получаемого газа в таких газогенераторах объяснялась забалластированностью его азотом и углекислым газом, так как применялось воздушное дутье и азот воздуха переходил в генераторный газ. Кроме того, для уменьшения смолы в газе для работы на чурках применялся обращенный процесс [3,4,5], что дополнительно снижало калорийность газа примерно до 1000 ккал/куб.м.

Рассматривая использование генераторного газа, как топлива газопоршневых двигателей необходимо отметить, что падение мощности двигателя составляет 60 %. Это показано теоретически и подтверждено экспериментально в [3]. Там же говорится, что путём повышения степени сжатия можно снизить падение мощности до 35 %. Приведённые выше данные о падении мощности относились к довоенным двигателям с очень низкой степенью сжатия, например двигатель трактора "Фордзон" имел степень сжатия 3,94 [3]. Поэтому повышение степени сжатия до 7 давало заметный эффект [3]. Перевод серийно выпускаемых сейчас бензиновых и дизельных двигателей со степенью сжатия 7-15 на генераторный газ приведёт к падению мощности, которую уже нельзя компенсировать увеличением степени сжатия. Таким образом вывод, в работе [3], о тупиковое™ использования генераторного газа в серийных двигателях сейчас ещё более актуален, чем в 1934 г.

Если сопоставлять газопоршневой двигатель с паросиловой установкой использующей водяной пар, то по чисто термодинамическим причинам (цикл Карно) его экономичность будет выше, так как температура продуктов сгорания выше температуры пара, ограниченной теплостойкостью материалов котлов. Уже в 2000 г. зарубежные судовые дизели достигли КПД 58 % [6]. Однако, в работе газогенераторной установки горючий газ, имеющий высокую температуру, надо охлаждать перед подачей в поршневой двигатель. Это приводит к сбросу во внешнюю среду примерно 20 % теплоты сгорания твердого топлива и делает её не конкурентоспособной с паросиловой установкой на базе классической паровой машины с достаточно высокими параметрами пара. Достоинством паросиловых установок на базе классических паровых машин является практически постоянный удельный расход топлива при изменении нагрузки в широких пределах, в отличии от двигателей внутреннего сгорания при работе тех и других на синхронный электрогенератор, то есть при постоянной частоте вращения.

Это обеспечивает высокую экономичность электростанции при её работе автономно, так как электрическая нагрузка может меняться в очень широких пределах. Принципиальное отличие паросиловых установок от газовых двигателей является наличие накопителя значительной энергии в виде котла, выполняющего роль пароводяного аккумулятора, и стабильность рабочего тела. Это означает, что кратковременные нарушения в работе топки, например, при загрузке её топливом, не могут привести к остановке машины. Газогенераторный двигатель использует газ, состав которого меняется в процессе выгорания топлива или при загрузке газогенератора топливом, а это приводит к остановке двигателя. Прекращение выработки электроэнергии может привести к очень тяжелым последствиям. В [7]

указывается: «В отношении надежности газовая машина требует более тщательного ухода, чем паровая машина. По крайней мере, по данным профессора Mayer'a поршень газовой машины необходимо вынимать и чистить каждые полгода, а клапаны -притирать ежемесячно или через каждые два месяца». паропоршневой двигатель топливо генератор

Учитывая все вышесказанное, газопоршневые двигатели целесообразно применять для работы на высококалорийном газе в тех районах, где произведена газификация газом. Рассматривая же комбинированную выработку электро и тепловой энергии (когенерация) необходимо приводить технико-экономический анализ для каждого конкретного населенного пункта. Это обусловлено тем, что утилизировать тепловую энергию выхлопных газов газопоршневого двигателя гораздо сложнее, чем тепловую энергии выхлопного газа паровой машины. Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стальной стенке в 10-100 раз выше, чем от выхлопных газов. Поэтому если для пара достаточно стандартного бойлера, то котел-утилизатор выхлопных газов должен иметь поверхность теплообменника в 10-100 раз большую и соответственно более высокую металлоемкость и сложность конструкции. Паровая машина или паропоршневой двигатель могут оказаться предпочтительней, если вне отопительного сезона максимальная электрическая мощность меньше чем произведение полного КПД паросиловой установки на сумму тепловой и электрической мощности. В этом случае весь пар будет полезно использован. Такой сравнительный технико-экономический анализ может провести научная группа МАИ «Промтеплоэнергетика».

Сопоставим теперь паровые турбины с поршневыми паровыми двигателями. Понятие «Паропоршневые двигатели» (ППД) было впервые введено в научный оборот научной группой «Промтеплоэнергетика» МАИ в 2003 г. [8] и опубликовано в научном журнале в 2006 г. [9]. Это высокооборотные паровые машины с частотой вращения более 1000 об/мин при этом ход и диаметр поршня ППД в несколько раз меньше чем у паровых машин равного рабочего объема. Это позволяет иметь сопоставимую с паровыми машинами скорость поршня при большей частоте вращения, а необходимый рабочий объем набирается путем применения нескольких одинаковых по геометрии и рабочему процессу цилиндров, пар через которые проходит параллельно.

Паропоршневые двигатели для энергетики, как правило, создаются на базе серийных двигателей внутреннего сгорания и являются паровыми машинами одностороннего действия. Использование изобретений сотрудников научной группы МАИ «Промтеплоэнергетика» позволяет сохранить практически всю конструкцию исходного двигателя, измению подлежит лишь механизм газораспределения. Это обеспечивает низкую стоимость в связи с тем, что исходные двигатели автомобилей и тракторов являются продукцией крупносерийного производства. С другой стороны такой подход сохраняет преемственность с паровыми машинами по рабочему процессу и дает возможность сравнивать параметры ППД с паровыми турбинами, опираясь на опубликованные результаты испытаний паровых машин.

Сравнение поршневого двигателя и турбины (обои внешнего сгорания) впервые было проведено в работе [10]. Оптимальная частота вращения ППД в 160 раз меньше турбины, что позволяет приводить им электрогенератор промышленной частоты и промышленное оборудование напрямую, без использования редуктора. Давление на выходе из турбин близко к нулю, в то время как давление на выходе этого ППД ~1,4 ат. То есть он может работать на водяном пару с противодавлением, осуществляя комбинированную выработку электроэнергии и тепловой энергии.

Сопоставляя в [11] удельный расход пара паровой машины постройки 1921 года и современных паровых турбин, составляющих в настоящее время основу энергетики России можно видеть, из таблицы 1, что они близки:

При автономной выработке электроэнергии, необходимо поддержание стабильной частоты тока 50 ± 0,2 Гц, то есть ± 0,4 % (ГОСТ 13109-9723). Для дизель-генераторы ГОСТ 13822-83 предусматривает отклонение частоты в установившихся режимах ± 1 %, а в переходных ± 5 %. В турбинах необходим автомат безопасности, так как при сбросе нагрузки они уходят в разнос. Паропоршневой двигатель может быть спроектирован так, чтобы «Разносная» частота вращения соответствовала максимальной частоте вращения исходного дизельного или бензинового двигателя. Одним из авторов статьи была предложена, возможность самостабилизации частоты вращения тепловых двигателей дискретного действия к которым относятся газопоршневые и паропоршневые двигатели [12, 13].

Вывод таков, что паропоршневые двигатели, работающие в составе паросиловой установки твердого топлива, имеют преимущества перед другими способами выработки электроэнергии из твердого топлива в значительном диапазоне параметров электропотребления.

Литература

1. Безруких П.П. и др. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России. СПб «Наука» 2002

2. О совершенствовании государственного регулирования цен на газ. Постановление Правительства Российской Федерации № 333 от 28 мая 2007 г. // Российская газета, июнь 2007 г.

3. Мезин И.С., Седов С.Л., Черномордик Б.М., Лёгкие газогенераторы автотракторного типа. ОНТИ НКТП, 1934, Госмашметиздат.

4. Артамонов М.Д., Тизенгаузен П.Э. Газогенераторные автомобили на лесовывозке. Гослестехиздат М. 1939г.

5. Чигирь Б.Г. Эксплуатация судовых газогенераторных установок на лесосплаве. Гослестехиздат М. Л. 1947.

6. Конке Г.А., Лашко В.А. Мировое судовое дизелестроение. Концепции конструирования анализ международного опыта. М. Машиностроение 2005.

7. Дуббель Г. Конструирование и расчет паровых машин. СПб издание А.С. Суворина 1907.

8. Дубинин B.C., Лаврухин К.М., Титов Д.П. Перспективы применения паропоршневых двигателей для привода вспомогательного оборудования котельных. - Тезисы докладов международной научно-практической конференции «Малая энергетика 2003» 11-14 ноября 2003 г., г. Обнинск.

9. Титов Д.П., Дубинин B.C., Лаврухин К.М. Паровым машинам быть! - Промышленная энергетика, 2006, №1.

10. Вуд Г., Морган Н. Сравнительная оценка поршневых двигателей и турбин для криогенных энергетических установок. // В кн. «Преобразование тепла и химической энергии в электроэнергию в ракетных системах» / Пер. с англ., ред. В.А. Кириллин и А.Е. Шейдлин. - М.: Мир, 1963.

11. Дубинин B.C., Лаврухин К.М., Титов Д.П. О возможности применения поршневых машин в тепловой и атомной энергетике. Промышленная энергетика, 2008, №3.

12. Дубинин B.C. Способ стабилизации частоты вращения двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием. Положительное решение на выдачу патента на изобретение по заявке № 4951328/06 (055248) МКИ 5 F 02 D 45/00.Дата подачи заявки 27.06.91

13. Дубинин B.C. Способ работы поршневой расширительной машины. Положительное решение на выдачу патента на изобретение по заявке № 4951329/29 (055249) МКИ 5 F 02 В 25/02. Дата подачи заявки 27.06.91

Размещено на Allbest.ru