Паровая винтовая машина как средство энергосбережения
Классификация параметров производимого пара в котельных в зависимости от назначения использования пара. Паровая винтовая машина (ПВМ) как перспективная основа для создания мини-ТЭЦ, особенно в районах Крайнего Севера. Устройство и принцип действия ПВМ.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 29.11.2018 |
| Размер файла | 473,2 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет(СПбГПУ)
Кафедра промтеплоэнергетики
ЗАО «Эко-Энергетика», г. Санкт-Петербург
Паровая винтовая машина как средство энергосбережения
д.т.н., профессор С.Р. Березин
д.т.н., профессор В.М. Боровков
к.т.н., главный конструктор В.И. Ведайко
генеральный директор А.И. Богачева
В настоящее время в России и в мире получают все большее распространение новые технологии энергосбережения. К ним, в частности, относится использование энергии пара для выработки электроэнергии в котельных и перевода их в мини-ТЭЦ. Масштабы применения этой технологии энергосбережения достаточно велики. Котельные с паропроизводительностью от 10 до 100 т/ч обычно используются в производственно-отопительных целях и принадлежат небольшим предприятиям бумажной, лесопильной, пищевой, текстильной, кожевенной и многих других отраслей промышленности.
Параметры производимого пара в котельных сильно различаются в зависимости от назначения использования пара. Потребление пара существенно меняется по времени года (летний и зимний режимы) и от времени суток. Давление пара на выходе из котла зависит как от потребностей технологии предприятия, так и от степени изношенности котлов. Например, котлы широкого промышленного применения чаще всего проектируются на давление пара 13 ати, а для изношенных котлов, которых в настоящее время очень большое количество, по предписанию Ростехнадзора давление ограничивается 7-8 ати. В свою очередь, для нужд технологии обычно требуется давление пара 4-6 ати, а для отопления - 1,5-2 ати с расходом пара 3-6 т/ч. Таким образом, складывается ситуация, когда часто в котельных имеется неиспользуемый перепад давления пара 3-6 ат (1 ат=0,98.105 Па - прим. ред.) с расходом 6-50 т/ч. Полезное применение этого потенциала позволяет получить дополнительную электрическую мощность 200-1500 кВт. 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). Однако, использование паровой турбины в этом случае малопродуктивно, поскольку в указанной области небольших мощностей она имеет ряд известных недостатков.
Наиболее привлекательными по совокупности свойств в данном диапазоне мощности являются паровые винтовые машины (ПВМ). Паровая винтовая машина по сути является новым типом парового двигателя. ПВМ разработана в России, она уникальна, аналогов ее за рубежом нет. На конструкцию ПВМ, ее узлов и систем получено около 25 патентов в России и за рубежом. В диапазоне мощности 200-1500 кВт ПВМ практически по всем показателям значительно превосходит обычную лопаточную паровую турбину. паровой винтовой машина
ПВМ является перспективной основой для создания мини-ТЭЦ, особенно в районах Крайнего Севера и в районах к ним приравненных. Здесь возможна замена отопительных и производственных котельных и дизельных электростанций на мини-ТЭЦ, использующие местные топливные ресурсы: уголь, торф, отходы лесопереработки.
Устройство и принцип действия ПВМ. ПВМ является машиной объемного действия. В корпусе вращаются рабочие органы - винты роторов (рис. 1). Роторы выполнены из стали, на них нарезаны винты асимметричного профиля. Синхронизирующие шестерни, установленные на роторах, исключают возможность касания профилей винтов друг с другом. Выходной вал ведущего ротора соединен с электрогенератором (подробнее о конструкции ПВМ см. «НТ» № 2, 2006 г. - прим. ред.).
Принцип действия ПВМ показан на рис. 2. 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) происходит объемное расширение порции пара. В конце расширения канавка сообщается с выпускными окнами в корпусе на другом торце роторов. Отработанный пар поступает в тепловую сеть для нужд технологии или для отопления.
Технические преимущества ПВМ перед лопаточной паровой турбиной:
¦ высокий КПД расширения (0,7-0,75) в широком диапазоне режимов (конденсат, образующийся при расширении пара, заполняет зазоры между рабочими органами, тем самым, уменьшая протечки пара и повышая КПД);
¦ простота конструкции, высокая ремонтопригодность;
¦ высокий межремонтный ресурс обусловлен отсутствием взаимного касания роторов и соответственно отсутствием механического износа;
¦ ПВМ может работать на паре любой влажности, в то время как минимальная степень сухости пара на выходе лопаточных турбин составляет 88%. Влажный пар вызывает эрозионный износ лопаток. Как известно, у подавляющего большинства котлов малой производительности отсутствуют пароперегреватели, поэтому этими котлами вырабатывается сухой насыщенный пар. При расширении его в проточной части турбины степень сухости падает, что создает опасность преждевременного выхода установки из строя;
¦ неприхотливость к качеству пара, наличию в нем частиц окалины, грязи;
¦ габариты и масса ПВМ меньше, чем у лопаточной турбины аналогичной мощности. 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.
Характеристики энергоагрегатов на базе ПВМ. Основное отличие энергоустановок с ПВМ от имеющихся на рынке паротурбинных энергоустановок заключается в следующем. Паротурбинные установки спроектированы практически на одно единственное сочетание расхода и давлений пара на входе в машину и на выходе из нее. Данное сочетание условий по пару определяет мощность машины. В то же время условия по пару в различных котельных могут существенно различаться и с течением времени меняться, поэтому маловероятно, чтобы они совпали с расчетными условиями работы машины.
Конструкция ПВМ позволяет в широком диапазоне приспосабливаться к условиям работы конкретной котельной и, как следствие, может покрывать весь наиболее часто встречающийся диапазон мощности от 200 до 1500 кВт. Данное обстоятельство значительно расширяет область применения ПВМ.
В таблице приведены параметры пара (давление на впуске ПВМ, на выпуске, расход) наиболее часто встречающиеся в котельных различных предприятий, а также мощность, которую можно получить с помощью ПВМ при этих параметрах.
Каждое такое сочетание режимных параметров пара определяет мощность ПВМ. Оптимальная настройка конструкции ПВМ на определенное сочетание параметров пара осуществляется за счет подбора в широком диапазоне соответствующих конструктивных параметров ПВМ при единой базовой конструкции машины, которая определяется литейными моделями корпуса. Таким образом, ПВМ способна выработать мощность, как было указано выше, в диапазоне 2001500 кВт в любой котельной, имеющей пар с параметрами, указанными в таблице.
Энергоустановка с ПВМ может использоваться для автономного режима работы, для режима работы параллельно сети, а также для привода исполнительных механизмов (например, водяных насосов). При работе в параллельном режиме энергоустановка работает на электрическую сеть предприятия, покрывая часть его собственных нужд в электроэнергии и уменьшая тем самым ее потребление из сети. При этом обороты и частота переменного тока энергоустановки жестко привязаны к частоте сети. Мощность установки определяется перепадом давления и расходом пара через машину и регулируется дроссельным клапаном на входе в ПВМ.
ПВМ рассчитана на достаточно низкий уровень технического обслуживания, поскольку эксплуатация ее проводится персоналом котельной.
Дополнительно следует отметить некоторые требования к энергетической установке с ПВМ, выполнение которых позволит повысить конкурентоспособность данного оборудования.
1.Система автоматического управления и защиты ПВМ, основанная на микропроцессорной технике, должна учитывать различный технический уровень приборного оснащения котельных, допускать возможность работы совместно с современными АСУ ТП на базе персональных компьютеров, а также работать автономно в котельной с морально устаревшими КИП.
2.Работа ПВМ в год должна составлять не менее 6500 ч из имеющихся 8760 ч с учетом необходимого технического обслуживания оборудования котельной и перерывов в подаче пара.
Результаты опытно-промышленной эксплуатации ПВМ. В мае 2007 г. предприятием ЗАО «Эко-Энергетика» совместно с СПбГПУ была внедрена паровая винтовая турбина с мощностью асинхронного генератора 1000 кВт в производственной котельной ОАО «НПФ «Пигмент» (рис. 3). В настоящее время машина находится в опытнопромышленной эксплуатации в условиях реального производства, вышла на максимальную проектную мощность и показала свою работоспособность и эффективность.
При условии обеспечения расхода пара для технологических и отопительных нужд выдача активной электрической мощности в сеть предприятия колебалась от 320 до 808 кВт, среднечасовая мощность составила 563,3 кВт, общая наработка - 5 тыс. ч, а стоимость выработанной электроэнергии - 0,21 руб./кВт.ч. Расчетный срок окупаемости установки составляет 18 мес. при годовой наработке 6 тыс. ч и средней мощности 600 кВт.
Таблица. Рабочие характеристики ПВМ в зависимости от параметров пара в котельной.
|
Давление впуска, ата |
Давление выпуска, ата |
Расход пара, т/ч |
Мощность, кВт |
|
|
12 |
2 |
5-24 |
320-1500 |
|
|
12 |
8 |
20-40 |
350-700 |
|
|
30 |
2 |
4-20 |
400-1900 |
|
|
10 |
3 |
8-36 |
330-1540 |
|
|
10 |
6 |
15-30 |
310-620 |
|
|
8 |
6 |
16-32 |
170-340 |
|
|
6 |
2 |
5-24 |
200-910 |
Электрическая система отбора мощности энергоустановки при параллельной работе с сетью показала свою высокую надежность. Выдача энергии в электрическую сеть не оказывает дестабилизирующего влияния на сеть. Со стороны энергоснабжающей организации никаких претензий не было.
Получение от ОАО «Ленэнерго» ТУ на подключение энергоустановки в режиме работы параллельно с электрической сетью проходило по упрощенной схеме в связи с тем, что в состав энергоустановки входит асинхронный генератор (АГ).
Асинхронный генератор является обращением обычного серийного асинхронного двигателя с короткозамкнутой обмоткой ротора. Если энергоустановка с ПВМ предназначена для параллельной работы с сетью, то целесообразно применять АГ, который по сравнению с системой ПВМ - синхронный генератор (СГ) обладает рядом преимуществ:
¦ отсутствует дорогая и сложная система синхронизации генератора с сетью;
¦ значительно упрощается электросиловая часть установки, уменьшается количество релейных защит генератора, т.к. АГ практически не генерирует токов короткого замыкания в энергосистему;
¦ АГ не влияет на частоту и форму синусоиды электрических колебаний сети;
¦ у АГ отсутствует регулятор возбуждения генератора, а у СГ обязательно наличие устройств возбуждения (теристорное или бесщеточное);
¦ АГ обладает меньшими габаритами по сравнению с СГ аналогичных параметров, что позволяет сохранить важную концепцию «малости» энергоустановки с ПВМ;
¦ АГ в серийном исполнении в три раза дешевле СГ с аналогичными параметрами, поэтому использование АГ значительно снижает стоимость всей энергоустановки, и, как следствие, сокращает срок окупаемости оборудования.
Экономическая эффективность энергоустановки с ПВМ. Предприятия, имеющие собственные котельные, обычно заинтересованы в приобретении эффективного и быстроокупающегося паросилового электрогенерирующего оборудования по следующим причинам.
1.Высокие цены на электроэнергию, обусловленные тем, что в сетевой тариф заложены дополнительные расходы на эксплуатацию и амортизацию сетей, НДС, прибыль и др. Собственное производство электроэнергии в котельной приводит к некоторому увеличению расхода топлива, однако это окупается низкой стоимостью получаемой электроэнергии, обычно в 4-5 раз дешевле, чем из сети.
2. Вероятность отключения электроснабжения, особенно для предприятий низкой категории электроснабжения. Этот фактор часто значит не меньше (а во многих случаях и больше), чем экономия затрат на оплату электроэнергии.
Расчет экономической эффективности применения ПВМ в котельной показывает, что удельный расход топлива на выработанную электроэнергию составляет 140-145 г у.т./кВт.ч, а срок окупаемости энергоустановки мощностью 800 кВт составляет 1-1,5 года. При увеличении мощности эффективность ПВМ еще больше повышается.
Выводы
1. ПВМ может эффективно применяться для производства электроэнергии в котельных при срабатывании перепада давления пара. Собственное производство электроэнергии в котельной, переоборудованной в мини-ТЭЦ, в несколько раз дешевле, чем покупаемая у электроснабжающей организации. Это объясняется тем, что владелец собственной мини-ТЭЦ не оплачивает расходы на содержание энергосетей, накладных расходов, НДС и плановой прибыли.
2. ПВМ, как паровой двигатель, в диапазоне мощности 200-1500 кВт обладает значительными техническими преимуществами перед паровой турбиной по эффективности, габаритам, стоимости, надежности и безопасности.
3. Для различных условий по пару, определяющих различную мощность ПВМ, используется единая базовая модель машины с соответствующей настройкой на условия конкретной котельной.
4. В процессе роста цен на электроэнергию (0,03-0,05 долл. США/кВт.ч) и приближению их к мировому уровню (0,09-0,12 долл. США/кВт.ч) собственное производство энергии станет более рентабельным.
Литература
1. Журнал «Новости теплоснабжения» №7 (107), 2009 г., http://www.ntsn.ru
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Паровая машина в широком смысле - любой двигатель внешнего сгорания, преобразовывающий энергию пара в механическую работу. Первое устройство, приводимое в движение паром. Первые промышленные двигатели. Классификация паровых машин по их применению.
презентация [879,1 K], добавлен 28.01.2014Устройство паровой винтовой машины (ПВМ). Основные параметры работы энергоустановки ПВМ-2000АГ-1600. Удельный расход топлива на отпуск электроэнергии. Обращенный винтовой компрессор сухого сжатия. Крутящий момент, возникающий под действием пара.
презентация [2,2 M], добавлен 08.03.2015История создания тепловых двигателей и общий принцип их действия. Виды тепловых двигателей: паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, паровая и газовая турбины, реактивный двигатель. Использование современных альтернативных источников энергии.
презентация [1,3 M], добавлен 23.02.2011Истоки развития теплоэнергетики. Преобразование внутренней энергии топлива в механическую энергию. Возникновение и развитие промышленного производства в начале XVII века. Паровая машина и принцип ее действия. Работа паровой машины двойного действия.
реферат [3,5 M], добавлен 21.06.2012История тепловых двигателей. Ещё в давние времена люди старались использовать энергию топлива для превращения её в механическую. Паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, паровая и газовая турбины, реактивный двигатель.
реферат [5,5 K], добавлен 17.05.2006Особенности паровой турбины как теплового двигателя неперерывного действия. История создания двигателя, принцип действия. Характеристики работоспособности паровой турбины, ее преимущества и недостатки, область применения, экологическое воздействие.
презентация [361,8 K], добавлен 18.05.2011Котел как объект регулирования давления пара, его устройство, принцип работы и функциональные особенности. Описание действия регулятора и уравнение его динамики. Исследование влияния параметров настройки регулятора на показатели качества регулирования.
контрольная работа [277,9 K], добавлен 29.03.2015Расчет паровой турбины, параметры основных элементов принципиальной схемы паротурбинной установки и предварительное построение теплового процесса расширения пара в турбине в h-s-диаграмме. Экономические показатели паротурбинной установки с регенерацией.
курсовая работа [2,4 M], добавлен 16.07.2013Понятие и внутреннее устройство простейшей тепловой трубы, принцип ее действия и взаимосвязь элементов. Теплопередача при пленочном кипении, путем теплопроводности, конвекции и излучения через пленку пара. Предпосылки и причины температурного перепада.
реферат [603,0 K], добавлен 08.03.2015Особенности процесса парообразования. Реальный газ, образующийся при испарении или кипении воды, как рабочее тело в теплотехнике. Виды пара, доля сухого пара во влажном паре. Критическая (удельные объемы пара и жидкости сравниваются ) и тройная точки.
презентация [240,5 K], добавлен 24.06.2014Построение процесса расширения пара в турбине в H-S диаграмме. Определение параметров и расходов пара и воды на электростанции. Составление основных тепловых балансов для узлов и аппаратов тепловой схемы. Предварительная оценка расхода пара на турбину.
курсовая работа [93,6 K], добавлен 05.12.2012Основа уравнения, описывающего давление веществ в состоянии насыщения. Уравнения для описания зависимости упругости пара от температуры. Оценка точности новой температурной зависимости давления пара. Методы измерения давления при разных температурах.
контрольная работа [918,2 K], добавлен 16.09.2015Расчётный режим работы турбины. Частота вращения ротора. Расчет проточной части многоступенчатой паровой турбины с сопловым регулированием. Треугольники скоростей и потери в решётках регулирующей ступени. Определение размеров патрубков отбора пара.
курсовая работа [2,2 M], добавлен 13.01.2016Особенности применения устройств, поддерживающих устойчивый режим работы паровой машины. Сущность теории получения сигналов со звеньями. Метод построения области устойчивости в пространстве. Основные приемы повышения качества процесса регулирования.
контрольная работа [365,7 K], добавлен 31.03.2013Тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию нагретого пара в механическую работу поршня. Повышение мощности двигателей. Использование паровых турбин на лесопилках. Паровая турбина Лаваля. Первое судно с паротурбинным двигателем.
презентация [2,7 M], добавлен 23.04.2014Паровая турбина как один из элементов паротурбинной установки. Паротурбинные (конденсационные) электростанции для выработки электрической энергии, их оснащение турбинами конденсационного типа. Основные виды современных паровых конденсационных турбин.
реферат [1,3 M], добавлен 27.05.2010Изобретение первой паровой машины. Характеристика, строение, принципы работы двигателя внутреннего сгорания, двигателя Стирлинга, электродвигателя, пневмодвигателя, их классификации. Влияние выбросов двигателей на окружающую среду, загрязнение атмосферы.
презентация [997,8 K], добавлен 18.03.2011Задачи ориентировочного расчета паровой турбины. Определение числа ступеней, их диаметров и распределения тепловых перепадов по ступеням. Вычисление газодинамических характеристик турбины, выбор профиля сопловой лопатки, определение расхода пара.
курсовая работа [840,0 K], добавлен 11.11.2013Определение размеров патрубков отбора пара из турбины. Число нерегулируемых ступеней давления и распределение теплового перепада между ними. Детальный тепловой расчет двухвенечной ступени скорости. Расчет осевого усилия, действующего на ротор турбины.
курсовая работа [1,6 M], добавлен 13.01.2016Основные источники водяного пара в атмосфере и величины, характеризующие его содержание в воздухе: абсолютная и относительная влажность, упругость. Нахождение точки росы при изобарном охлаждении пара. Принцип использования психрометров и гигрометров.
презентация [577,5 K], добавлен 05.05.2011
