CC BY
133
УДК 621.1:621.31 1.22:622.33 © В.А. Жигалов, 2017
Энергоснабжение угледобывающих предприятий. Использование тепловых электростанций с поршневыми паровыми машинами
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2017-11-68-70
ЖИГАЛОВ Владимир Александрович
Инженер-конструктор, 659306, г. Бийск, Россия, тел.: +7 (3854) 33-18-79, e-mail: [email protected]
Стоимость электрической и тепловой энергии, которая вырабатывается на малых тепловых электростанциях (МТЭСи другое название мини-ТЭЦ), как правило, ниже, чем стоимость энергии централизованных источников. При использовании пара низких параметров (с давлением до 3,9 МПа) лучшие показатели имеют МТЭС, в которых для привода генератора используются поршневые паровые машины. Такие машины имеют более высокий КПД, чем паровые турбины малой мощности и винтовые паровые машины. Поршневые паровые машины для привода генераторов могут быть изготовлены с использованием узлов и деталей двигателей внутреннего сгорания или компрессоров. Ключевые слова: тепловая и электрическая энергия, малые тепловые электростанции, мини-ТЭЦ, паровые турбины, поршневые машины, КПД паровых машин, стоимость произведенной энергии.
ВВЕДЕНИЕ
Известно, что совместное производство тепловой и электрической энергии более экономично, чем их раздельное производство. При величине потребления до 4000 кВт выработка тепловой и электрической энергии может производиться на малых тепловых электростанциях (МТЭС). Чаще всего на малых ТЭС химическая энергия топлива преобразуется в тепловую с помощью паровых котлов. Затем часть заключенной в водяном паре тепловой энергии преобразуется в механическую с помощью паровых агрегатов - турбин, винтовых или поршневых машин. Оставшаяся после агрегата тепловая энергия используется на отопление и технологические нужды. Цель настоящей статьи - сравнить стоимость произведенной энергии для агрегатов разных типов и рекомендовать более экономичный.
СРАВНЕНИЕ МТЭС РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ
Удельный расход пара (количество пара, необходимое для производства единицы механической энергии) для паросиловых установок не зависит от их типа, а зависит только от параметров поступающего в них пара и параметров пара на выходе из этих установок. В поршневых паровых машинах весь поступивший в них пар совершает работу, а через турбины малой мощности и винтовые паровые машины часть поступившего пара проходит, не
совершая работы. В связи с этим удельный расход пара у турбин малой мощности и винтовых паровых машин будет больше, чем у поршневых паровых машин, и соотношение полученных от этих агрегатов механической работы и оставшейся в паре тепловой энергии сместится в сторону увеличения количества тепла.
Другими словами, при использовании пара низких параметров (с давлением до 3,9 МПа) поршневые машины всегда имели и будут иметь более высокий КПД, чем паровые турбины малой мощности и винтовые паровые машины.
В табл. 1 показан удельный расход пара различными агрегатами.
В табл. 1 собраны данные о поршневых паровых машинах (ППМ) и паровых турбинах серии ОР, выпускавшихся до 1950 г., и по турбоагрегатам и винтовым паровым машинам, которые выпускаются в настоящее время. К сожалению, данных о мощности и расходе пара для паропоршне-вых двигателей различного рабочего объема у автора нет.
При составлении табл. 1 для сравнения экономичности агрегатов, использующих пар различных начальных параметров, фактический удельный расход пересчитан для пара со следующими параметрами:
- давление пара на входе в агрегат - 1,2 МПа;
- температура пара на входе в агрегат - 260°С;
- давление пара на выходе из агрегата - 0,3 МПа.
Данные табл. 1 показывают, что удельный расход пара,
то есть количество пара, необходимое для получения единицы работы, у поршневых машин, потребляющих пар низких параметров, примерно вдвое ниже, чем у турбин, потребляющих пар тех же параметров.
Условно МТЭС можно разделить на два относительно независимых модуля - энергетический и силовой.
Энергетический модуль состоит из парового котла и котельно-вспомогательного оборудования. Котел (парогенератор) может быть как барабанного, так и прямоточного типа. При использовании прямоточного котла он должен постоянно работать в режиме оптимальной мощности, а пар, который не используется в настоящий момент, должен уходить в конденсатор (теплообменник). Перегрев пара является желательным условием, но отнюдь не обязательным. В качестве энергетического модуля может использоваться любая действующая паровая котельная.
Силовой модуль состоит из поршневой паровой машины и соединенного с ней электрогенератора. Расчеты и фактические данные доказывают, что если к одинаковым котлам малой мощности присоединить силовые модули, один с паровой турбиной, другой с поршневой паровой машиной, то от силового модуля с поршневой паровой машиной можно получить большее количество механи-
Вид агрегата
Модель агрегата
Удельный расход пара различными агрегатами
Давление Температу-
пара на входе в агрегат, МПа
ра пара на входе в агрегат, °С
Давление
пара навыходе из агрегата, МПа
Мощность агрегата, кВт
Фактический
удельный расход пара, кг/кВт^ч
Коэффициент пересчета
Таблица 1
Расчетный удельный расход пара, кг/кВт^ч
ОР-0,3-1
1,5
260
0,1
300
25
1,06
26,5
АП-0,75
3,5
435
0,1
750
13,1
1,12
14,7
ТГ-0,75/Р13
1,2
250
0,4
740
17,6
0,96
16,9
ОР-1,5-3
1,5
350
0,3
1500
14,5
1,02
14,8
ТП-1100
1,47
220
0,04
800
12,0
1,04
12,5
ТП-320
1,37
194
0,12
235
18,5
0,94
19,8
Винтовая паровая машина
1,3
250
0,1
250
30
1,02
30,6
Поршневая паровая машина СК-500
1,6
350
0,1
370
6,8
1,08
7,4
Поршневая паровая 1,3 330 0,1 245 7,9 1,07 8,5
машина ЛМ-Х
ческой/электрической энергии и по меньшей стоимости, чем от силового модуля с паровой турбиной.
АГРЕГАТЫ, КОТОРЫЕ МОГУТ БЫТЬ ИСПОЛЬЗОВАНЫ
ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОРШНЕВЫХ ПАРОВЫХ МАШИН
Для изготовления поршневой паровой машины можно использовать основные узлы и детали двигателей внутреннего сгорания как российского, так и иностранного производства. Далее приведена табл.2, в которой собраны данные о мощности и расходе пара для поршневых паровых машин однократного расширения, которые могут быть изготовлены на базе рядных ДВС, выпускающихся в России.
Взяты именно рядные ДВС, поскольку их конструкция позволяет изготовить машины с горизонтальным распо-
Мощность и расход пара поршневых паровых машин, изготовленных на базе ДВС
Таблица 2
Размерность Объем Мощность машины, кВт, Расход пара, кг/ч,
двигателя двигателя, при давлении пара при давлении пара
и производитель л 1,2 МПа 2,2 МПа 3,6 МПа 1,2 МПа 2,2 МПа 3,6 МПа
6-13/15,4 ЯМЗ 12,4 55 161 272 588 1435 1790
4-15/20,5 ЧТЗ 14,45 66 188 318 790 1800 2460
6-15/16 ЧТЗ 16,95 78 220 373 940 2120 2880
6-15/18 Барн. 19,2 90 260 440 1000 2570 3750
6-18/20 С-Пб 31 140 420 700 1620 4160 6060
6-21/21 ВДМ 44 200 600 1000 2300 5900 8600
6-21/26 ВДМ 54 245 735 1230 2800 7240 10550
8-21/26 ВДМ 72 330 980 1630 3900 9650 14070
6-23/30 РуМо 75 340 1020 1700 3950 10050 14660
8-23/30 РуМо 100 455 1360 2270 4600 13400 19550
6-31,8/33 ПДМ 157 790 1850 3060 7360 16650 27240
ложением цилиндров, в которых возможность попадания конденсата в картер сведено к минимуму. Расчеты проведены для машин различного рабочего объема при трех значениях величины давления пара.
Поршневые паровые машины могут быть изготовлены также с использованием узлов и деталей поршневых крейцкопфных компрессоров.
Паровые машины на базе компрессоров с оппозитны-ми базами 4М4, 2М10, 4М10 и 4М16 имеют цилиндры двухстороннего действия с усилием на штоке соответственно 4, 10 и 16 т. Если использовать пар с давлением 1,3 МПа и температурой 250°С, при коэффициенте наполнения цилиндров, равном 0,24, паровые машины, изготовленные на базе этих компрессоров будут иметь указанные в табл.
3 мощность и расход пара.
Можно использовать более мощные базы с усилиями на штоке 25 или 40 т и с числом цилиндров до 8. Паровые машины на их основе будут иметь мощность до 4000 кВт.
Поршневые паровые машины фирмы Shilling (Германия), выполненные по крейцкопфной схеме с цилиндрами двухстороннего действия, имеют аналогичные с машинами на базе компрессоров удельные значения мощности и расхода пара.
Ранее выпускавшиеся поршневые паровые машины имели существенный недостаток - большой вес на единицу мощности. Удель-
Таблица 3
Мощность и расход пара поршневых паровых машин, изготовленных на базе компрессоров
Обозначение базы Усилие на штоке, т Диаметр цилиндра, мм Диаметр штоков, мм Ход поршней, мм Рабочий объем, л Частота вращения, об./мин. Мощность, кВт Расход пара, т/ч
4М4 4 200 48 150 36,6 750 235 2,02
2М10 10 320 60 220 69,5 500 280 2,5
4М10 10 320 60 220 139 600 710 6,13
4М16 16 400 80 300 296 500 1200 10,0
ный вес поршневых паровых машин, которые могут быть изготовлены на базе современных двигателей внутреннего сгорания или крейцкопфных компрессоров, не превышает аналогичный показатель паровых турбин, использующих пар одинаковых с машинами параметров.
Стоимость поршневой паровой машины незначительно превышает стоимость двигателя или компрессора, на базе которого она будет изготовлена. Вместе с тем машины, имеющие больший ресурс, будут иметь более высокую стоимость. Однако следует понимать, что стоимость энергетического модуля (котла) в МТЭС при изготовлении «с нуля» превышает стоимость изготовления силового модуля не менее чем в два раза.
ВЫВОДЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОГЕНЕРИРУЮЩИХ АГРЕГАТОВ,
В КОТОРЫХ ИСПОЛЬЗУЕТСЯ ПАР НИЗКИХ
ПАРАМЕТРОВ
1. Согласно законам термодинамики машины любой конструкции, преобразующие тепловую энергию в механическую, при одинаковых параметрах рабочего тела, для рассмотренных агрегатов при одинаковых параметрах водяного пара имеют одинаковую теоретическую величину КПД.
2. Только объемные машины, в которых весь поступивший в них пар совершает работу, позволяют достигать наименьших значений удельного расхода пара.
3. Конструкции поршневых двигателей внутреннего сгорания и компрессоров отработаны настолько, что механические потери в них не превышают 10%. Такие же малые потери будут иметь изготовленные на их базе поршневые паровые машины.
4. Простота конструкции и габаритные размеры поршневых паровых машин, созданных на основе современных двигателей внутреннего сгорания или поршневых компрессоров, позволяют устанавливать их в действующих котельных или использовать их в транспортабельных силовых модулях.
5. МТЭС с поршневыми паровыми машинами позволяют получать энергию по ценам более низким, чем сложившиеся на рынке.
6. При полном использовании энергии пара, прошедшего через машину, общий КПД МТЭС с поршневой паровой машиной может доходить до 65%.
К аналогичным выводам приходят и многие другие авторы, например В.С. Дубинин, И.С. Трохин и еще ряд серьезных исследователей, как российских, так и зарубежных. И практически никто эти выводы не оспаривает. Но, к сожалению, выпуск простых в эксплуатации и экономичных электростанций с поршневыми паровыми машинами в России не начат. А электростанции с паровыми машинами германской фирмы Spilling не используются в России из-за их необоснованно высокой стоимости. Хотя значительное количество таких электростанций используется в Финляндии и Швеции.
Однако угледобывающие предприятия и обогатительные фабрики могут изготовить электростанции с поршневыми машинами необходимой им мощности по индивидуальным заказам.
ВАРИАНТЫ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
С ПОРШНЕВЫМИ ПАРОВЫМИ МАШИНАМИ
Например, паровую машину мощностью от 80 до 200 кВт легко изготовить на базе оппозитного двигателя 6Н 358 (6-15/16), выпускаемого ЧТЗ.
Хорошую машину мощностью от 200 до 600 кВт можно изготовить на базе двигателя 211Д (6-21/21), выпускаемого заводом Волжский Дизель. Электростанция с такой машиной будет покрывать потребности небольших предприятий.
А электростанцию с паровой машиной на базе двигателя Д50 (6-31,8/32), выпускаемого ОАО «Пензадизельмаш», которая может иметь мощность от 800 до 3000 кВт, есть возможность установить в непосредственной близости от места добычи или переработки угля. Такая электростанция будет снабжать предприятие и его инфраструктуру дешевой электрической и тепловой энергией, так как топливо в месте добычи имеет весьма незначительную стоимость и расходы на транспортировку как топлива, так и самой энергии будут минимальными.
Согласно расчетам автора, которые он может предоставить, стоимость электроэнергии для станции с электрической мощностью 1600 кВт будет составлять 0,48 руб./кВт-ч, а стоимость тепловой энергии будет составлять 0,47 руб./ кВт-ч или 405 руб./Гкал.
Применение МТЭС с поршневыми паровыми машинами на угледобывающих и на других добывающих и перерабатывающих предприятиях позволит существенно снизить их затраты на энергоснабжение и повысит их рентабельность.
Изготовление поршневых паровых машин с использованием узлов и деталей двигателей внутреннего сгорания или компрессоров не является сложной в техническом отношении задачей. Электростанции с паровыми машинами могут быть изготовлены, например, на предприятиях по ремонту локомотивных и судовых двигателей.
Если вас заинтересовала эта тема, автор может передать ранее выполненные проекты или совместно с вашими специалистами разработать проект электростанции необходимой мощности и курировать ее изготовление.
power supply
UDC 621.1:621.311.22:622.33 © V.A. Zhigalov, 2017 ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2017, № 11, pp. 68-70
Title
power supply of coal producers. use of thermal power
PLANTS wITH STEAM PISTON ENGINES
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2017-11-68-70
Author
Zhigalov V.A.'
1 Biysk, 659306, Russian Federation Authors' Information
Zhigalov V.A., Designing Engineer, tel.: +7 (3854) 33-18-79, e-mail: [email protected]
Abstract
The cost of electrical and thermal power generated by small thermal power plants (STPP and the other name is mini-CHP) is generally lower than the cost of energy of the centralized sources. When using a steam having lower parameters (with a pressure of up to 3.9 MPa), the STPP, where the piston steam engines are used for generator drive, have better indicators. Such machines have a higher efficiency than low power steam turbines and screw steam engines. Steam piston engines for generator drive generators can be manufactured using assemblies and parts of internal combustion engines or compressors.
Keywords
Thermal and electrical power, Small thermal power plants, Mini-CHP, Steam turbines, Piston engines, Steam engine efficiency, Cost of generated power.
