Мини паровая турбина


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.

Фрагмент структурной схемы паровой мини-ТЭЦ с возможностью работы в режиме тригенерации

Рисунок 1.

Фрагмент структурной схемы паровой мини-ТЭЦ с возможностью работы в режиме тригенерации


Котельная как источник тепловой и электрической энергии

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.


СПРАВКА
Мини паровая турбина

Первый 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 мотором

Некоторые 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 установок
Тип
установки*
Мощность
установки,
кВт
Частота
вращения,
об/мин
Давление
пара,
МПа абс.
Темпе-
ратура
пара на
входе
t
1, °C
Удельный
расход
пара dэл,
кг/кВт•ч
на
входе
p1
на
выходе
p2
С паровой машиной паровоза серии Л, 1950-е годы 1 177 212 1,47 0,2 390–409 10,5
С автомобильным паровым мотором НАМИ-012, 1954 год 67 600 2,2 0,2 360 10,3
С современной паровой турбиной (ООО «Ютрон») 5 820 3 000 2,35 0,196 390 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 с КПД 97 %, а турбина — напрямую с электрогенератором, имеющим КПД 97 %.

С 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.


Мини паровая турбина

Рисунок 2 (подробнее)

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 мощностей
Тип солнечной
электростанции
Рациональная электрическая
мощность, кВт
Фотоэлектростанция 1–100
Паромоторная 100–7 000
Паротурбинная 7 000–500 000

Итак, 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

  1. Бурносенко А. Ю. Мини-ТЭЦ с паровыми турбинами для повышения эффективности промышленно-отопительных котельных // Новости теплоснабжения. 2009. № 1.
  2. 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.
  3. Дубинин В. С. Обеспечение независимости электро- и теплоснабжения России от электрических сетей на базе поршневых технологий: монография. М., 2009.
  4. Шкарупа С. О. Использование точечного преобразования для аналитического описания переходного процесса в тепловом двигателе дискретного действия // Динамика сложных систем. 2010. № 2.
  5. 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.

Источник: www.abok.ru

Назначение

паровые генераторыПодобного рода агрегаты имеет смысл использовать в тех отраслях современной промышленности или бытовой сферы, где наблюдается достаточное большое количество парообразований, которые можно использовать в качестве преобразователя в электроэнергию. Именно генераторы парового типа получили широкое использование в котельных установках, где они образуют некую тепловую электростанцию вместе котлом и турбиной.

Такие агрегаты позволяют существенно экономить на своей эксплуатации, а также снизить затраты на получение электрической энергии. Именно поэтому, паровые установки зачастую считаются одними из основных рабочих узлов многих электростанций.

Кроме того, если изучить принцип действия, а также конструктивные особенности подобных паровых генераторов, можно попытаться реализовать их своими руками, с помощью определенных средств. Однако, о данной возможности пойдет речь чуть позже.

Устройство и принцип действия

принцип действияПо своим конструктивным особенностям, котельные установки обладают достаточно схожей структурой. В их состав входит несколько рабочих узлов, которые принято считать определяющими — непосредственно сам котел, электрический генератор и турбина. Последние два составляющих образуют кинетическую связь между собой, а одной из разновидностей подобных систем является турбинный электрогенератор парового типа.

Если смотреть более глобально, то подобные установки представляют собой полноценные тепловые электростанции, пусть и меньших габаритов. Благодаря своей работе, они способны обеспечивать электричеством не только гражданские объекты, но и крупные промышленные отрасли.

Сам же принцип действия паровых электрических генераторов сводится к следующий основным моментам:

  • Специальное оборудование производит нагрев воды до оптимальных значений, при которых она испаряется, образуя пар.
  • Получившийся пар поступает дальше, на роторные лопатки паровой турбины, что приводит сам ротор в движение.
  • В результате мы получаем сначала кинетическую энергию, преобразованную из получившейся энергии сжатого пара. Затем кинетическая энергия переходит в механическую, что приводит к началу работы турбинного вала.

Электрический генератор, входящий в конструкцию таких паровых установок, является определяющим. Это объясняется тем, что именно электрогенераторы осуществляют переход механической энергии в электрическую.

Это описание одной установки парового типа. Если требуется выделение большего количества энергии, то используется совокупность нескольких установок, объединенных вместе.

Подобное решение должно приниматься строго индивидуально, в зависимости от типов объекта, а также параметров требуемой мощности энергии. Только при таком грамотном подходе можно избежать убыточности в данном вопросе.

Критерии выбора

принцип действияНа сегодняшний момент существует достаточно широкий выбор всевозможных электрических генераторов, работающих на пару, поэтому нужно крайне внимательно подходить к вопросу выбора.

Чтобы данный выбор был обдуманным и взвешенным, надо обращать внимание на следующие показатели:

  • Мощность паровой установки (тепловая и электрическая).
  • Нужно также обратить внимание на то, с какой скоростью происходит вращение роторов генератора и турбины.
  • Тип применяемого тока — здесь речь идет об однофазном или трехфазном виде установок. В большинстве случаев, используется именно трехфазная система.
  • Показатели давления пара не только в сжатом виде, но и в свободном состоянии.

Внимательное отношение к данным критериям позволит существенно упростить выбор, тем самым помогаю потребителю получить нужный ему агрегат. Чтобы было более наглядно, рассмотрим несколько моделей паровых электрогенераторов, пользующихся наибольшим спросом.

Обзор моделей

ПТ-40/50-8,8/1,3В нашей стране есть несколько предприятий, занимающихся производством паровых электрогенераторов. В частности, речь идет о турбогенераторах компаний «Калужский турбинный завод» и ОАО «Росэлектромаш». Рассмотрим несколько моделей, произведенных на обоих предприятиях.

ПТ-40/50-8,8/1,3 представляет собой паровую турбину, используемую в различных схемах с утилизацией тепловой энергии, а также отходов производственного типа. Среди потенциальных покупателей данной продукции числятся крупные промышленные предприятия и электростанции.

Технические характеристики:

  • показатели номинальной мощности — от 12000 кВт до 80000 кВт;
  • показатель давления пара — от 3 до 12,8 МПа;
  • температурные показатели пара — от 420 до 550 C;
  • производственное давление — от 0,5 до 1,75 МПа;
  • отопительное давление — от 0,07 до 0,25 МПа.

П-6-3,4/1,0 — это турбина парового типа, обладающая производственным отбором пара.

Технические характеристики:

  • показатели номинальной мощности — от 4000 кВт до 55000 кВт;
  • показатель давления пара — от 1,1 до 8,8 МПа;
  • температурные показатели пара — от 260 до 445 C;
  • производственное давление — от 0,4 до 1,3 МПа.

ПР-13/15,8-3,4/1,5/0,6 используется во многих ТЭС, а также на предприятиях промышленного типа, где присутствует необходимость в подаче пара заданного показателя.

Технические характеристики:

  • показатели номинальной мощности — от 2500 кВт до 35000 кВт;
  • показатель давления пара — от 1,2 до 9,3 МПа;
  • температурные показатели пара — от 290 до 540 C;
  • производственное давление — от 0,4 до 1,75 МПа;
  • давление за турбиной — от 0,07 до 0,9 кПа.

К-66-8,8 относится к конденсационным типам паровых турбин.

Технические характеристики:

  • показатели номинальной мощности — от 6000 кВт до 70000 кВт;
  • показатель давления пара — от 1,57 до 12,8 МПа;
  • температурные показатели пара — от 320 до 500 C;
  • давление за турбиной — от 4 до 10,6 кПа.

К-37-3,4 — это паровая турбина конденсационного типа, обладающая воздушным конденсатором.

Технические характеристики:

  • показатели номинальной мощности — от 37000 кВт до 37300 кВт;
  • показатель давления пара — от 2,9 до 3,7 МПа;
  • температурные показатели пара — от 390 до 445 C;
  • давление за турбиной — 15 кПа.

Данная продукция производится на Калужском турбинном заводе. Теперь рассмотрим модели от ОАО «Росэлектромаш». Здесь представлены уже полноценные турбогенераторы, в которых используются турбины парового и газового типа.

Вне зависимости от марки модели, в комплект продажи входят следующие комплектующие:

  • генератор;
  • система возбуждения;
  • аппаратные органы автоматики, сигнализации и контроля;
  • запчасти;
  • специальный инструмент для монтажа и сопутствующие материалы;
  • различные инструкции по применению.

Нашему вниманию представлены турбогенераторы серии ТВФ. Описывать их детально не имеет смысла, поэтому посмотрим на их технические данные.

Технические характеристики ТВФ-63-2:

  • показатель мощности — 63000 кВт;
  • степень напряжения — 6300 В;
  • статорный ток — 7217 А;
  • частота вращения — 3000 оборотов в минуту;
  • КПД в процентном соотношении — 98%;
  • общий вес — 107900 кг.

Технические характеристики ТВФ-63-3600:

  • показатель мощности — 50000 кВт;
  • степень напряжения — 11000 В;
  • статорный ток — 3280 А;
  • частота вращения — 3600 оборотов в минуту;
  • КПД в процентном соотношении — 98,3%;
  • общий вес — 107950 кг.

Технические характеристики ТВФ-110-2E:

  • показатель мощности — 110000 кВт;
  • степень напряжения — 10500 В;
  • статорный ток — 7560 А;
  • частота вращения — 3000 оборотов в минуту;
  • КПД в процентном соотношении — 98,4%;
  • общий вес — 145000 кг.

Технические характеристики ТВФВ-110-2:

  • показатель мощности — 110000 кВт;
  • степень напряжения — 13800 В;
  • статорный ток — 5752 А;
  • частота вращения — 3000 оборотов в минуту;
  • КПД в процентном соотношении — 98,45%;
  • общий вес — 190000 кг.

Стоимость данных моделей нужно уточнять у производителя, но можно сказать, что она переваливает за несколько миллионов рублей.

Целесообразность эксплуатации

Говорить о целесообразности покупки парового электрогенератора для личных нужд не приходится, потому что его стоимость очень высока для обычного бытового использования. Иными словами, подобные вложения вряд ли окупятся в течение жизни потенциального покупателя. Кроме того, габаритные размеры подобных установок, что размещать их необходимо на очень большой территории. Именно поэтому, на бытовом уровне используются агрегаты, у которых двигатель работает на бензине или дизеле, а для крупных предприятий как раз и подходит двигатель, работающий на пару.

Что касается использования электрогенераторов, работающих на пару, то их использование в котельных установках может принести определенные плоды. Дело в том, что по достижении некоторых показателей мощности, данные установки показывают очень хорошие рабочие характеристики, выгодные отличающие их от своих аналогов.

Подробный рассказ про паровой генератор

Изготовление своими руками — возможно ли это?

Паровые электрогенераторы обладают очень сложной структурой, поэтому изготовление своими руками подобных агрегатов достаточно проблематично.

Тем не менее, при наличии некоторых знаний и необходимых материалов, сделать данный агрегат своими руками становится возможным.

Понятно, что итоговый вариант будет куда меньшего размера, чем заводские варианты. Кроме того, здесь будет совсем другое устройство для привода в движение имеющегося генератора — если в заводских моделях за это отвечает паровая турбина, то в домашнем варианте это будет делать двигатель.

На видео продемонстрирован походный паровой мини-генератор

Заключение

Электрогенераторы турбинного типа пользуются определенной популярностью среди множества промышленных предприятий и электростанций. Однако, прежде чем приобретать подобные устройства, необходимо произвести точный расчет целесообразности их использования, чтобы предприятие работало не в убыток себе.

Что касается применения на бытовом уровне, то в этом нет абсолютно никакой необходимости. Кроме того, это технически и практически невозможно, т.к. габариты данных установок очень велики, не говоря уже об их стоимости. Вопрос изготовления своими руками также достаточно спорный, в силу объективных причин сложности конструкции.

Владельцам же предприятий, которые намереваются использовать паровые установки, можно дать один совет: приобретите сначала генератор небольшой мощности, чтобы можно было оценить на практике эффективность его использования. Неслучайно ведь, что производители выпускают агрегаты от 100 кВт, подразумевая такой рациональный подход.

Источник: generatorexperts.ru

Микротурбина Турбосфера для выработки электроэнергии.

 

 

Микротурбина ТурбоСфера – энергосберегающая установка для утилизации энергии избыточного давления природного газа и тепловой энергии с последующим превращением в электрическую энергию. Она позволяет использовать низкопотенциальные энергоресурсы, такие как энергию избыточного давления и тепловые отходы для выработки электроэнергии, при этом работая без потребления топлива, а лишь используя часть уже затраченной энергии для своего функционирования.

Технология ожидает финансирования!

 

Описание

Преимущества

Конструкция и принцип работы

Многогранность применения

Применение

 

Описание:

Микротурбина ТурбоСфера – энергосберегающая установка для утилизации энергии избыточного давления природного газа и тепловой энергии с последующим превращением в электрическую энергию. Она позволяет использовать низкопотенциальные энергоресурсы, такие как энергию избыточного давления и тепловые отходы для выработки электроэнергии, при этом работая без потребления топлива, а лишь используя часть уже затраченной энергии для своего функционирования.

Микротурбина Турбосфера для выработки электроэнергии

Электрическая мощность агрегата составляет от нескольких кВт до 500 кВт и выше, зависит от условий эксплуатации. Входное давление 0,3–5,5 МПа, расход от 500 куб. м/час.

 

Преимущества ТурбоСферы перед другими турбинами:

– высокая эффективность,

– компактность,

– универсальность,

– многоступенчатость,

– тихоходность,

– герметичность.

 

Конструкция и принцип работы:

В микротурбине ТурбоСфере использован абсолютно новый подход к конструированию подобных агрегатов. Установка сочетает в себе одновременно турбину, теплообменник и электрогенератор.

Микротурбина Турбосфера для выработки электроэнергии

В микротурбине ТурбоСфере всего одно рабочее колесо. Но на нем осуществляется многоступенчатое расширение потока газа. Это возможно за счет подвода рабочего тела от одной ступени к другой через каналы теплообменника. В них осуществляется подогрев газа между ступенями. Рабочее тело движется многократно по круговой спирали внутри труб теплообменника, которые образуют сферическую поверхность. Снаружи каналы омываются греющим теплоносителем.

Высокая эффективность ТурбоСферы, работающей на любом виде пара или газа, обусловлена проходящими в ней процессами. В этой турбине в полной мере реализуется многоступенчатое расширение потока газа с промежуточным его подогревом. Как известно из термодинамики, такой процесс приближается к изотермическому, при котором возможно получение максимальной работы а, следовательно, и максимальной эффективности.

Рабочее тело в процессе расширения охлаждается на некоторую температуру, соответственно в теплообменнике между ступенями необходимо его нагреть на такую же температуру. Многоступенчатый подвод теплоты позволяет нагревать поток газа не сразу, сообщив ему большое количество теплоты, а постепенно. Поэтому достаточно низкотемпературного теплоносителя – это может быть даже холодная водопроводная вода с температурой от 10 градусов.

Микротурбина ТурбоСфера не имеет редуктора, что значительно уменьшает ее массогабаритные показатели.

Электрогенератор располагается внутри корпуса турбины. Частота вращения рабочего колеса до 3000 об/мин и выше.

 

Многогранность применения:

Микротурбина ТурбоСфера характеризуется многогранностью ее применения:

Во-первых, она изначально разрабатывалась как турбодетандерная установка ТДУ, или, как ее еще принято называть: турбодетандер, ДГА (турбодетандерный агрегат), ГУБТ (газовая утилизационная бескомпрессорная турбина), утилизационная турбина и т.д. В этой связи, микротурбина ТурбоСфера способна исполнять роль турбоагрегата, устанавливаемого на газорегулирующем пункте ГРП, газорегулирующей станции ГРС, предназначенных для снижения давления природного газа. Традиционно давление потока газа снижается с помощью дросселирования, т.е. создания сопротивления в регуляторах давления газа. Такое положение оправдано при наличии дешевых энергетических ресурсов. Сегодня ситуация изменилась.

Во-вторых, в развитых странах на место простых регуляторов давления приходят подобные турбины, хотя правильнее было бы сказать не «вместо», а «вместе». Это обусловлено тем, что изготавливаемые машины не совершенны и не способны регулировать давление так же четко, как и регуляторы давления газа. ТурбоСфера лишена этого существенного недостатка. С ее разработкой производство газовых микротурбин выходит на новый уровень.

В-третьих, подобная ситуация наблюдается при дросселировании водяного пара в котельных. Турбина, работающая вместо редукционно-охладительной установки, способна обеспечивать, по крайней мере, собственные нужды котельной. Такие турбины получили название противодавленческая турбина или турбина типа Р. Микротурбина ТурбоСфера и здесь, за счет возможности регулирования давлений и высокой эффективности преобразования энергии, выглядит очень конкурентоспособной.

В-четвертых, возможность использования низкопотенциального теплоносителя способна открыть новые горизонты в применении микротурбины ТурбоСферы. А именно – утилизация низкопотенциального сбросного тепла, которое имеется на абсолютно любом предприятии. Здесь подразумевается использование замкнутого цикла низкокипящего вещества (хладон, бутан и т.п.), которое будет подогреваться за счет сбросного тепла. Такое применение микротурбины ТурбоСферы позволяет успешно использовать вторичные энергетические ресурсы предприятий.

 

Источник: xn--80aaafltebbc3auk2aepkhr3ewjpa.xn--p1ai

Мини паровая турбина

Рис.3. Главная электрическая схема мини-ТЭЦ.

 

 ВОДОПОДГОТОВИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА (ВПУ)

В соответствии с предполагаемым химическим составом исходной воды и требованиями, предъявляемыми заводом – изготовителем ОАО «Белэнергомаш» к качеству питательной воды для котлов БЭМ-25/3,9-440 ГМ (письмо № 6118/2-9724ф от 02.10.2003 г.), подготовка подпиточной воды может быть выполнена по схеме одноступенчатого обессоливания воды, поступающей с существующей установки предварительной очистки воды.

С учетом достаточно высокой щелочности исходной воды необходимо ввести дополнительную ступень подготовки воды на водород-катионитных фильтрах, загруженных карбоксильным катионитом.

В качестве исходной воды для ВПУ используются речная вода (~75%) и возвратный конденсат (~25%).

Качество речной воды принимается:

Общая жесткость – 6,8 ммоль/л;

карбонатная жесткость – 4,8 ммоль/л;

температура – 5-20ºС;

водородный показатель рН – 8,2;

окисляемость перманганатная – 3,2 мг 0/л.

Содержание:

кальция Са2+ — 5,45 ммоль/л;

магния Mg2+ — 1,35 ммоль/л;

натрия Na+ — 0,17 ммоль/л;

железа общего – 0,16 мг/л;

хлоридов Cl — 0,69 ммоль/л;

сульфатов SO42- — 1,52 ммоль/л;

нитратов NO3 – 0,12 ммоль/л;

солесодержание – 370 мг/л.

Качество конденсата в связи с отсутствием точных данных принимается в соответствии с п.4.8.38 «Правил технической эксплуатации электрических станций и сетей РФ» РД 34.20.501-95.

КАЧЕСТВО КОНДЕНСАТА, ВОЗВРАЩАЕМОГО С ПРОИЗВОДСТВА

Общая жесткость – 0,05 ммоль/л;

содержание соединений железа – 100 мкг/л;

содержание кремниевой кислоты – 120 мкг/л;

рН – 8,5-9,5;

перманганатная окисляемость – 5 мг 0/л;

содержание нефтепродуктов – 0,5 мг/л.

 

Предлагается следующая технологическая схема подготовки воды для питания котлов и на технологические нужды:

  • существующая предварительная обработка исходной (речной) воды в составе 5 осветлительных фильтров с коагуляцией и 7 кварцевых фильтров для улавливания взвеси;

  • смешение осветленной воды и возвратного конденсата в существующих баках осветленной воды после кварцевых фильтров;

  • схема частичного обессоливания в составе: водород-катионитных (предвключенных) фильтров, водород-катионитных (основных) фильтров, декарбонизаторов, анионитных фильтров. Все фильтры работают по принципу прямоточного ионирования. Производительность установки 100 м3/ч.

КАЧЕСТВО ЧАСТИЧНО-ОБЕССОЛЕННОЙ ВОДЫ НА ВЫХОДЕ УСТАНОВКИ

Солесодержание, не более — 10-20 мг/л;

содержание хлоридов, не более — 3-5 мг/л;

жесткость, не более — 10 мкмоль/л;

рН — 6,5-8.

Схема частичного обессоливания требует сооружения дополнительных установок:

  • узла нейтрализации сбросных вод фильтров;

  • склада реагентов (серной кислоты и едкого натра).

Состав основного оборудования обессоливающей установки:

  • водород-катионитные (предвключенные) фильтры I ступени Ø 3000 — 2 шт, загрузка — карбоксильный катионит Амберлайт IRC-86;

  • водород-катионитные (основные) фильтры I ступени Ø 3000, 3 шт., загрузка — сильнокислотный катионит КУ-2-8;

  • декарбонизаторы Ø 1260 Q=75 м ¾- 2 шт., загрузка — кольца Рашига;

  • анионитные фильтры I ступени Ø 2600 — 3 шт., загрузка — низкоосновный анионит Амберлайт IRA-67.

Необходимые объемы загрузочных материалов:

  • карбоксильный катионит IRC-86 — 15 м3;

  • сильнокислотный катионит КУ-2-8 — 37 м3;

  • низкоосновный анионит IRA-67 — 22 м3;

  • кольца Рашига — 6 м3.

Для размещения склада реагентов и узла нейтрализации требуется дополнительное помещение 12 х 21 х 6 (h) м.

Принципиальная схема установки обессоливания представлена на рис. 4.

 

 

  1. Анионитные фильтры I ступени диаметр 2600 – 3 шт.
  2. Декарбонизаторы Q = 75 м3/ч – 2 шт.
  3. Баки декарбонизованной воды V = 100 м— 2 шт.
  4. Баки частично обессоленной воды V = 100 м3   — 2 шт.
  5. Ловушки ионитов Q = 150 м3/ч    — 3 шт.
  6. Насосы собственных нужд К 100-65-200 – 3 шт.
  7. Насосы декарбонизованной воды К 100-65-200 – 2 шт.
  8. Насосы частично обессоленной воды К 100-65-200 – 2 шт.
  9. Баки-мерники кислоты V = 1 м— 2 шт.
  10. Баки-мерники щелочи  V = 1 м— 2 шт.
  11. Насосы-дозаторы кислоты НДГ 1600/16 – 3 шт.
  12. Насосы-дозаторы щелочи НДГ 1600/16 – 2 шт.
  13. Арматура ручная   – 75 шт. Ду150

  с электроприводом – 5 шт. Ду150 

Антикоррозионные работы    – гуммировка – 120 м3

                                                        –  лакокрасочные – 500 м2

  1. Тепловая изоляция – 600 м2
  2.  Трубы    – черные – 35т

                          – НЖ – 15 т

  1. Площадки и лестницы – 5 т
  2. Фундаменты под оборудование
  3. КИП
  4. Электрика

 

Мини паровая турбина

Рис. 4. Принципиальная схема установки обессоливания

 

  1. Анионитные фильтры I ступени диаметр 2600 — 3 шт.

  2. Декарбонизаторы Q = 75 м3/ч — 2 шт.

  3. Баки декарбонизованной воды V = 100 м3 — 2 шт.

  4. Баки частично обессоленной воды V = 100 м3 — 2 шт.

  5. Ловушки ионитов Q = 150 м3/ч — 3 шт.

  6. Насосы собственных нужд К 100-65-200 — 3 шт.

  7. Насосы декарбонизованной воды К 100-65-200 — 2 шт.

  8. Насосы частично обессоленной воды К 100-65-200 — 2 шт.

  9. Баки-мерники кислоты V = 1 м3 — 2 шт.

  10. Баки-мерники щелочи V = 1 м3 — 2 шт.

  11. Насосы-дозаторы кислоты НДГ 1600/16 — 3 шт.

  12. Насосы-дозаторы щелочи НДГ 1600/16 — 2 шт.

  13. Арматура ручная — 75 шт. Ду150

с электроприводом — 5 шт. Ду150

Антикоррозионные работы — гуммировка — 120 м3

— лакокрасочные — 500 м2

  1. Тепловая изоляция — 600 м2

  2. Трубы — черные — 35т

— НЖ — 15 т

  1. Площадки и лестницы — 5 т

  2. Фундаменты под оборудование

  3. КИП

  4. Электрика

 Склад реагентов и узел нейтрализации

1. Баки нейтрализации (конусные) V = 250 м3          – 2 шт.

2. Насосы баков нейтрализации Х 200-150-315     – 2 шт.

3. Баки кислоты (цистерны) V = 10 м3                              – 2 шт.

4. Баки щелочи (цистерны) V = 10 м3                                – 2 шт.

5. Разгрузчик реагентов                                            – 2 шт.

6. Насос кислоты Х 65-50-160                                 – 2 шт.

7. Насос щелочи Х65-50-160                                   – 2 шт.

8. Здание 12х21хG(h) м, фундаменты, площадки под оборудование – 4 т

9. КИП

10. Электрика

11.Арматура   ручная   – Ду 80  — 50 шт.

        – Ду 200 – 10 шт.

12. Трубы черные – 10 т

13.Антикор – 550 м2 (гуммировка – 100 м2;

                                     эпоксидная  – 450 м2 )

14. Тепловая изоляция – 420 м2

 

Ориентировочные этапы и сроки реализации проекта

4.1. Разработка ТЭО – 3-4 месяца,

       Рабочая документация – 7-8 месяцев.

4.2. Заказ, изготовление и поставка оборудования – 12-14 месяцев.

4.3. Строительно-монтажные и пусконаладочные работы со сдачей объекта Заказчику – 10-11 месяцев.

Срок и продолжительность работ указана от начала действия Договора и при условии стабильного финансирования.

 

 

Стоимостные показатели

Общий объем капитальных вложений в строительство ТЭЦ на условиях «под ключ» по укрупненным показателям ориентировочно составляет                126 440 000, 00 млн. руб. (без НДС).

Все стоимостные показатели даны ориентировочно по состоянию на октябрь месяц 2003 г. и будут уточняться при заключении Договора и выдаче Технического задания на проектирование, в том числе:

  1. Проектные работы и авторский надзор — 7 500 000, 00 млн. руб.

  2. Капвложения по строительству котлов, турбины и вспомогательного оборудования — 78 440 000, 00 млн. руб.

  3. Строительство новой ВПУ — 40 500 000, 00 млн. руб.

Все стоимостные показатели относятся только к объемам работам, ограниченным стенами мини-ТЭЦ и ХВО и не учитывают все наружные сети и сооружения, включая газопровод стоимостью 3 250 000, 00 млн. руб. В данные стоимостные показатели не вошла стоимость здания котельной (реконструкция существующего здания). Стоимость этих работ будет определена дополнительно после проведения обследования здания.

Источник: www.CombiEnergy.ru

Мини – электростанция, КПД парового двигателя

. . . . .Мини-электростанции с современными малыми паровыми двигателями имеют очень хорошую перспективу обладать вполне достойным коэффициентом полезного действия (КПД). Когда идет разговор о КПД паровых машин и паросиловых установок, то почему- то даже относительно осведомленные в технике люди,  сразу начинают вспоминать и приводить в пример КПД паровозов столетней давности: «Да КПД паровой машины- это жалкие 5-6%!. Ваш двигатель внешнего сгорания для мини — электростанции  с топкой на дровах, котлом и паром- это каменный век  истории техники…».
…… .Но почему-то мало кто вспоминает современные большие электростанции (ТЭЦ  И ГРЭС) на паровых турбинах — где КПД по электричеству составляет 26-28%… А ведь паровая турбина- это тоже паровой двигатель.
. . . . К тому же, старая добрая поршневая (паровозная) поршневая машина и сейчас не забыта. Например — германская фирма SPILLING  создает большие поршневые паровые машины на основе   блоков цилиндров от больших дизелей тепловозного типа и мощностью на валу до 1200 КВт.. И производитель утверждает что КПД у него на перегретом паре доходит до 20%, что для парового поршневого двигателя очень солидно.
. . . . Но- для пытливого ума есть еще одна очень подходящая пища для размышлений. Мало кто знает, что есть двигатели внешнего сгорания у которых КПД лучше, чем у чемпионов по КПД среди двигателей внутреннего сгорания — выше чем у дизелей. И такой КПД составляет  более 50%  и подбирается к отметке в 60%.

sm_users_img-266293
… Это двигатели Стирлинга, у которых КПД в 40% — это обычное дело.  Правда у двигателей Стирлинга есть свои большие недостатки- чрезмерная  громоздкость, очень малая мощность на единицу веса (удельная мощность или удельный вес) и малые обороты вала…. Поэтому двигатели Стирлинга сейчас не используют ни на больших, ни на мини электростанциях. Но вот КПД у них отменный- и это архаический (по мнению очень многих обывателей) двигатель внешнего сгорания, т.е. это близкий  родственник паровой машины от паровоза. И при этом такой двигатель —  многотопливный, т.е. он одинаково эффективно  работает хоть от энергии лучей  солнца, хоть от тепла горящих дров или соломы…

. . .  Так вот- автор этого сайта утверждает, что паровой двигатель (паровая машина), т.е.- паросиловой контур с роторным двигателем (или аксиально- поршневым оппозитом) и с использованием легкокипящих жидкостей может приблизиться по значению КПД к другому типу двигателей внешнего сгорания — двигателю Стирлинга с их КПД в районе 50% и выше, но  при этом не иметь всех больших недостатков двигателей Стирлинга, и быть тяговитым  с первых оборотов — как паровозная паровая машин, а и крайне мощным — как паровая турбина.
. . . Т.е. можно четко заявить, что мини — электростанция мощностью в 10 — 30 — 100 кВт вполне может иметь КПД в достойные 20 — 25 %, и еще давать в виде побочного результата  своей работы горячую воду для обогрева, и все это делать на дешевом твердом топливе, а иногда и на  бросовых горючих отходах.
….. При этом цена всего оборудования для такой мини — электростанции будет всего лишь немногим больше, чем цена оборудования сравнимой по мощности дизельной электростанции (дизель- генератора), а вот цена  вырабатываемой электроэнергии будут во многие разы дешевле, чем дизель -генератор на солярке.

 МИНИ – ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ и МИНИ- ТЭЦ, КАК ДОБИТЬСЯ ВЫСОКОГО КПД?

…Термодинамический цикл Ренкина, по которому работают все паровые машины, накладывает свои жесткие ограничения на возможность иметь хороший КПД для мини-электростанции с паровым двигателем.   Вообще, чтобы иметь хороший КПД надо высоко поднимать температуру начала цикла. В двигателях внутреннего сгорания эта температура составляет примерно 15000С, поэтому и КПД у них относительно велик. А вот в паросиловых установках  температура начала цикла ограничена термической стойкостью материалов парового котла. Обычно она в «большой энергетике» не превышает 560-580 0С, после этого порога начинается  потеря прочности стали.  Но это в большой энергетике. А в малой энергетике с её мини-электростанциями с небольшими котлами, давления и температуры заведомо ниже. Поэтому – если удастся получить температуру перегретого пара в 4000С, — то это уже хорошо. Соответственно-  мини-электростанция реально может иметь КПД в 10-12% при работе с рабочим телом в виде воды, и в районе 20%  при работе с рабочим телом в виде легкокипящей жидкости.
….Но ведь это только КПД по электричеству. А если при этом учесть, что значительную часть тепла  от работы мини-электростанции можно обратить на пользу в виде горячей воды через конденсатор на  нужды отопления и обогрева, то общий КПД по обоим типам энергии – электрической и тепловой (когенерация), можно довести до 45-50%.  По сути дела – это уже  когенерация, и мини-электростанция превращается в мини-ТЭЦ, которая дает два типа энергии- электрическую и тепловую.
Если котел  качественной энергетической установки хорошо спроектирован  и имеет подогрев воздуха перед топкой и экономайзер, то общий КПД  малой электростанции  может быть весьма высоким.

Вернутся — на «Паровой двигатель в малой энергетике«

Перейти  — страничка о «Солнечном Электроснабжении»

Источник: alter-mini-energy.ru


Leave a Comment

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.