Проблема обеспечения независимой работы паровых котельных от электросети

ЗАО «Трансмашхолдинг» является многопрофильной корпорацией тяжёлого машиностроения в неё входит ряд заводов, в том числе ведущие двигателестроительные заводы: Брянский машиностроительный завод (БМЗ), Коломенский машиностроительный завод, Пензадизельмаш.

Выпускаемые ими дизели используются в железнодорожном, морском транспорте и малой энергетике.

Так например, БМЗ выпускает двухтактные малооборотные дизели (МОД) и дизельные электростанции на их базе с КПД электрическим 50%, работающие на тяжёлых сортах топлива вязкостью до 700 сСт при 50 °C и содержанием серы до 5% в диапазоне мощностей от 4,5 до 22МВт в одном агрегате.

БМЗ выпускает четырёхтактные среднеоборотные дизели в диапазоне мощностей от 550 кВт до 3960 кВт [1]. Для использования твёрдого топлива, в том числе высокозольного угля и отходов древесины, как альтернативного местного топлива малой энергетики целесообразно серийные дизели конверсировать в паровые машины, чем занимается научная группа МАИ «Промтеплоэнергетика» в двух направлениях:

Создание паросиловых когенерационных установок с КПД электрическим 20−30% при давлении перегретого пара 39 кг/см² манометрических и температуре 440 °C и коэффициенте использования теплоты сгорания топлива приближающееся к КПД котла [2]. Такие установки предполагают реализацию классического цикла паровой машины, которая при одинаковых параметрах пара имеет больший КПД, чем паровая турбина и даёт возможность поддерживать частоту 50±0,2 Гц при автономной работе от сети даже при ступенчатом изменении нагрузки [3].

Создание парового привода электрогенераторов паровых котельных для обеспечения их автономной работы от сети в условиях потери надёжности электропитания от неё и роста тарифов на электроэнергию. Такой привод, как показано в другом докладе нашей конференции, должен обладать низким электрическим КПД, соответствующим отношению электрической мощности потребляемой котельной к вырабатываемой ей тепловой мощности (0,01−0,04).

Это делает возможным создание такого привода с использованием изобретения 80-х годов прошлого века сотрудников и студентов МАИ [4] (бесклапанная паровая машина).

Данный доклад посвящен второму направлению.

Наиболее быстро сейчас можно внедрить в котельные паровые машины создаваемые на базе двухтактных двигателей БМЗ, точнее на базе использования только их кривошипношатунного механизма. Существующая на этих двигателях головка цилиндров с выпускными клапанами (клапанно-щелевая продувка) не изготовляется, а заменяется простейшей головкой типа крышки без подвижных деталей с сужающимся соплом подвода пара.

Впускные отверстия гильзы цилиндра двигателя используются как выпускные паровой машины, а привод клапанов, агрегат турбонаддува и топливная система уже не нужны.

Двухтактные двигатели БМЗ являются крейцкопфными. Это обеспечивает за счёт уплотнения штока поршня невозможность попадания пара и конденсата в картер и картерного масла в пар, о чём говорилось в другом докладе. С учётом разработанной в 80-е годы прошлого века программы расчёта на ЭВМ бесклапанной паровой машины [5] и полученными в 90-е годы экспериментальными результатами, подтверждающими её достоверность, имеется уникальная возможность создать паровую машину на базе двухтактного двигателя БМЗ без проведения длительных доводочных работ. Для этой цели выбран самый малоразмерный из таких двухтактных двигателей 4ДКРН26/98 С. Это 4-х цилиндровый дизель с диаметром поршня 260 мм и ходом поршня 980 мм. Его мощность 1280−1600 кВт при 250 об/мин.

Проведённые по упомянутой программе расчёты при такой частоте вращения показали, что индикаторная мощность одного цилиндра парового двигателя и удельный расход пара могут меняться в очень широких пределах в зависимости от диаметра критического сечения сопла и выбранного объёма над поршнем в верхней мёртвой точке. При сохранении оставшейся от дизеля геометрии выпускных (бывших впускных) окон была посчитана индикаторная мощность Ni одного цилиндра при 250 об/мин, механический КПД двухтактных МОД 0,88−0,91 [6]. Если принять механический КПД 0,9 то мощность на валу 4-х цилиндрового парового двигателя составит:

N_e=0,9 x N_i x 4=396 кВт Наиболее распространены в России и странах СНГ паровые котлы ДКВ, ДКВР, КЕ, ДЕ производства Бийского котельного завода с номинальным манометрическим давлением пара 13 кг/см² без пароперегревателей. Результаты расчётов Ni одного цилиндра на насыщенном паре с манометрическим давлением 12 кг/см² и атмосферным давлении на выхлопе приведены в таб. № 1. Указанные результаты расчётов, но уже на перегретом до 250 °C, получаемым от упомянутых котлов имеющих пароперегреватель и с давлением на выхлопе 0,7 кг/см² манометрических приведены в табл. № 2 показатель политропы принят 1,3.

Бийским котельным заводом выпускается котёл ДКВР-10−39−440 паропроизводительностью 10 тонн/час, давлением пара 39 кг/см² манометрических и температурой перегретого пара 440 °C. Для таких параметров пара и манометрическим давлении на выхлопе 0,7 кг/см² результаты расчётов Ni одного цилиндра приведены в табл. № 3 показатель политропы принят 1,294.

Испытания рассматриваемого парового двигателя возможно будут проведены во входящем в ЗАО «Трансмашхолдинг» ЗАО «Метровагонмаш», где имеются котлы разрешенным манометрическим давлением пара 22 кг/см² перегретого до 280 °C. Для манометрического давления пара 20 кг/см², манометрического давления на выхлопе 0,7 кг/см² и температере перегретого пара 280 °C результаты расчётов Ni одного цилиндра приведены в табл. № 4 показатель политропы принят 1,3.

Там же будут продолжены испытания паропоршневого двигателя описанного в [7]. Без создания паропровода подлежащего регистрации в органах Ростехнадзора это возможно только при подсоединении к паропроводу с манометрическим давлением перегретого до 280 °C пара 10−12 кг/см². Поэтому для манометрического давления перегретого пара 11 кг/см² с температурой 280 °C и манометрическим давлением на выхлопе 0,7 кг/см² результаты расчётов Ni одного цилиндра приведены в табл. № 5 показатель политропы принят 1,3.

Рассматривая эти таблицы можно сделать следующие выводы:

При заданной степени расширения и увеличении критического сечения Ni проходит через максимум, а удельный расход пара монотонно растёт.

При уменьшении степени расширения как Ni так и удельный расход пара растут, при этом максимум мощности смещается в сторону больших критических сечений.

Увеличение давления увеличивает Ni и снижает удельный расход пара.

Например, близкая к максимальной для степени расширения 2 мощность на валу рассматриваемого 4-х цилиндрового двигателя при работе на перегретом до 280 °C паре манометрическим давлением 11 кг/см и манометрическим давлением на выхлопе 0,7 кг/см составляет исходя из данных табл. № 5 241,6 кВт при критическом диаметре 40 мм, расход пара 29,07 тонн/час.

При работе этого же двигателя на перегретом до 440 °C пара манометрическим давлением 39 кг/см² и таком же давлении на выхлопе при степени расширения 2 максимальная мощность на валу достигается при критическом диаметре так же 40 мм и составляет 1193 кВт. Расход пара, и сходя из табл. № 3, 99,5 тонн/час.

Удельный расход пара на индикаторную мощность в первом случае 0,3 009 г/с х Вт, а во втором 0,2 084 г/с х Вт. Таким образом, для бесклапанной паровой машины очень значительное увеличение параметров пара приводит к значительному росту мощности, но слабо снижает удельный расход пара.

Рассмотрим теперь вариант работы данного парового двигателя при манометрическом давлении перегретого до 250 °C пара 12 кг/см² (табл. № 2). Максимальная мощность при степени расширения 2 опять достигается при диаметре критического сечения 40 мм и составляет 306,4 кВт, а расход пара 36,69 тонн/час удельный расход пора на индикаторную мощность 0,2 994 г/схВт. Удельный расход пара на эффективную мощность 119,7 кг/кВтхчас. Для сравнения удельный расход парового турбогенератора Кубань-0,5 Калужского турбинного завода (500 кВт, 16 тонн/час) — 32 кг/кВтхчас.

Преимуществом рассматриваемого поршневого парового двигателя является возможность работы на влажном паре без ограничения ресурса. Ресурс двухтактных дизелей БМЗ при работе на высокосернистом мазуте 80−120 тысяч часов [1]. паросиловой мазут двигатель цилиндр Рассматриваемый двигатель может работать практически при любом давлении и температуре пара, так как в дизеле и температура сгорания и давление сгорания значительно выше, чем обычно применяемые давления и температуры пара. При этом изменение давления и температуры перегрева может не требовать изменения конструкции. Рассмотрим в этой связи работу такого двигателя на насыщенном паре манометрическим давлением 12 кг/см² и атмосферным давлением на выхлопе, используя таблицу № 1. Его мощность на валу 394 кВт при диаметре критического сечения 45 мм, степени расширения 2 и расходе пара 48 тонн/час, а при диаметре критического сечения 40 мм его мощность на валу 344,3 кВт и расход пара 40,2 тонн/час. Таким образом бесклапанная паровая машина увеличивает мощность при уменьшении давления на выхлопе, то есть в отличии от классической паровой машины то же чувствительна к давлению на выхлопе как паровая турбина.

Результаты приведённые в табл. № 1−5 показывают необходимость дальнейшего расчётного исследования бесклапанной паровой машины создаваемой на базе двигателя 4ДКРН26/98 С в диапазоне степеней расширения меньших чем два.

Параметры парового двигателя созданного на базе дизеля 4ДКРН26/98 С могут быть в разы улучшены при сохранении выпускных клапанов и их привода, что позволяет иметь несимметричные фазы выпуска. Результаты испытания двигателя с такими фазами описаны в [7] и приведены в другом докладе нашей конференции. Вероятно, могут быть улучшены параметры и в рамках концепции бесклапанного парового двигателя, если оптимизировать высоту выпускных (на дизеле впускных) окон гильзы цилиндра.

Проспекты заводов.

Дубинин B.C., Лаврухин К. М. О возможности создания паросиловой установки на альтернативных видах топлива на базе паропоршневых двигателей и малообьёмных паровых котлов среднего давления не подлежащих учёту в органах котлонадзора (локомобиль 21 века). — Тезисы докладов международной научно-практической конференции «Малая энергетика — 2003» 11−14 ноября 2003 г., г. Обнинск.

Дубинин B.C. Сопоставление систем централизованного и децентрализованного энергоснабжения в современных условиях России (часть 2). — Промышленная энергетика, 2005, № 10.

Ульянов И.Е., Дубинин B.C., Квачёв В. Н., Головченко Ю. А. Способ работы поршневого двигателя и поршневой двигатель. Авт. Свид. № 1 753 001 А1, приор 19.07.89, опубл. 07.08.89, Бюл. № 29.

Квачёв Н. В. Исследование характеристик поршневой расширительной машины. — в кн. Конструкция двигателей летательных аппаратов их прочность и надёжность. Тематический сборник научных трудов. Москва. Издательство МАИ 1991.

Дизели справочник. Л. Машиностроение 1977.

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

ОАО «Малая энергетика», www.energetica.ru.