Технология энергосбережения на базе паровой винтовой машины

С.Р. Березин, д.т.н. профессор,
главный конструктор,
А. И. Богачева, генеральный директор,
ЗАО «Эко-Энергетика», г. Санкт-Петербург

Введение
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 превращения их в Мини ТЭЦ. Масштабы применения этой технологии энергосбережения достаточно велики. Так, в России находятся в эксплуатации около 80 000 паровых котельных с паропроизводительностью 10-100 т/ч. Эти котельные обычно используются в производственно-отопительных целях и принадлежат небольшим предприятиям бумажной, лесопильной, пищевой, мясо-молочной, кондитерской, строительных материалов, текстильной, кожевенной и многих других индустрий.

Параметры производимого пара в разных котельных сильно различаются в зависимости от назначения использования пара на данном предприятии. Потребление пара сильно разнится по времени года (летний и зимний режимы) и от времени суток. 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).

Важно отметить, что производство собственной электроэнергии в котельной является полезным, но побочным процессом. Главное — не нарушить режима работы основного производства, использующего пар для своих технологических нужд.
Однако использование паровой турбины в данной технологии малопродуктивно, поскольку в 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, аналогов ее за рубежом нет. На конструкцию ПВМ, ее узлов и систем получено свыше 20 патентов в России и за рубежом. В диапазоне мощности 200-1500 кВт ПВМ практически по всем показателям значительно превосходит обычную лопаточную паровую турбину:
ПВМ является наиболее перспективной основой для создания Мини-ТЭЦ, особенно в районах Крайнего Севера и в районах к ним приравненным. Здесь ориентация на электростанции на дизельном топливе должна быть исключена в связи с многократным повышением цены топлива. В Мини-ТЭЦ должны использоваться местные топливные ресурсы: уголь, торф, отходы лесопереработки.

Устройство и принцип действия ПВМ
ПВМ является машиной объемного типа действия. Она содержит ведущий и ведомый роторы (рис. 1) в виде шнеков специального профиля. Выходной вал ведущего ротора подсоединен к электрогенератору. Роторы находятся в зацеплении и имеют шестерни связи, исключающие взаимное касание роторов во время работы.
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. Выпускной пар поступает в тепловую сеть для нужд технологии (например, для выпарки сахара из свеклы) 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, затекает в зазоры между рабочими органами, уменьшая утечки пара и повышая КПД);
простота конструкции, высокая ремонтопригодность, относительно небольшие затраты на производство двигателя;
высокий межремонтный ресурс (15 тыс. ч) обусловлен отсутствием взаимного касания роторов и соответственно отсутствием механического износа;
ПВМ в отличие от паровой турбины может работать на паре любой влажности. При малой скорости потока между винтами отсутствует эрозионный износ поверхностей рабочих органов;
неприхотливость к качеству пара, наличию в нем частиц окалины, грязи. При испытаниях имел место случай, когда шпилька длиной 110 мм и диаметром 16 мм, забытая во впускном трубопроводе, прошла через проточную часть ПВМ, не поранив и не заклинив роторы;
габариты ПВМ в 1,5-2 раза меньше, чем у турбины. 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.

Потребительские качества ПВМ
Основное преимущество энергоустановки 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 и на выходе из машины. Данное сочетание условий по пару определяет мощность машины. В то же время условия по пару у разных Заказчиков сильно различаются, и маловероятно, чтобы они совпали с расчетными условиями машины.
Конструкция ПВМ позволяет в широком диапазоне приспосабливаться к конкретным условиям Заказчика и, как следствие, может покрывать весь наиболее часто встречающийся диапазон мощности от 200 до 1500 кВт. Данное обстоятельство значительно расширяет область применения ПВМ.
Можно сформулировать ряд требований к облику энергетической установки с ПВМ, чтобы она наиболее полно учитывала потребности сложившегося рынка и могла успешно конкурировать на нем. Прежде всего, необходимо оценить наиболее вероятный потенциал мощности пара в котельных и, исходя из этого, задать диапазон мощности машины.
В таблице приведены наиболее часто встречающиеся у различных Заказчиков параметры пара (давление на впуске ПВМ, на выпуске, расход пара и мощность, которую можно реально получить с помощью ПВМ).

Каждое такое сочетание режимных параметров пара определяет мощность ПВМ. Оптимальная настройка конструкции ПВМ на определенное сочетание параметров пара осуществляется за счет подбора соответствующих конструктивных параметров ПВМ. При 2-3 базовых конструкций машины, которые определяются диаметрами винтов и литейными моделями корпуса, можно получить мощность в диапазоне 200-1500 кВт практически у любого Заказчика, который имеет пар с указанными в таблице параметрами. Это обстоятельство гарантирует широкий рынок сбыта.
Энергоустановка с ПВМ может быть трех типов:
для автономного режима;
для режима, параллельно сети (режим энергосбережения);
для непосредственного привода агрегатов собственных нужд в котельной, например, водяных насосов.
При работе в режиме энергосбережения энергоустановка работает на сеть предприятия, покрывая часть его собственных нужд в электроэнергии и уменьшая тем самым ее потребление из сети. Обороты энергоустановки определяются частотой переменного тока в сети. Мощность установки определяется перепадом давления и расходом пара через машину и регулируется дроссельным клапаном на входе в ПВМ.
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.
При разработке конструкции ПВМ большое значение придается ее ремонтопригодности. Ремонт производится обычно через 1,5-2 года и заключается в перезаливке баббитом подшипников скольжения, а также в полировке или замене уплотнительных колец торцовых уплотнений. Обычно на переборку ПВМ уходит 4-5 дней работы двух слесарей средней квалификации.

Особенности эксплуатации энергоустановки
ПВМ рассчитана на достаточно низкий уровень технического обслуживания, поскольку эксплуатация ее проводится персоналом котельной. В состав обслуживающего персонала входит:
слесарь по обслуживанию ПВМ, масляной и водяной систем;
приборист КИП;
мастер по электронной аппаратуре для ухода за компьютером и электронным шкафом управления;
слесарь-электрик для ухода за элекросиловой частью установки.
Этот персонал работает в дневную смену. Круглосуточный контроль работы энергоустановки осуществляется с монитора компьютера, который находится на пульте управления котельной. Постоянного контроля за работой установки со стороны дежурных операторов не требуется. Вся информация об изменении параметров сохраняется в компьютере. При возникновении какой-либо аварийной ситуации (например, пропало напряжение в сети) система аварийной защиты автоматически останавливает установку и мгновенно переключает поток пара через ПВМ на байпасную линию. Это делается для того, чтобы не допустить перебоя пароснабжения основной технологии предприятия.

Система выдачи электрической мощности энергоустановки для режима энергосбережения
При работе параллельно с электрической сетью 0,4; 6; 10 кВ целесообразно использовать асинхронный генератор (АГ), который, фактически, является обычным серийным асинхронным двигателем с короткозамкнутой обмоткой ротора.
АГ имеет следующие преимущества перед синхронным генератором (СГ).
АГ более прост в обслуживании и надежен в эксплуатации, чем СГ;
стоимость АГ вдвое ниже, чем СГ;
АГ не нуждается в системе синхронизации с сетью и в регуляторе возбуждения генератора.
АГ имеет недостаток, заключающийся в потреблении реактивной мощности из сети. Этот недостаток можно компенсировать включением батареи конденсаторов на низковольтный стороне.
Отметим, что в процессе эксплуатации энергоустановки с АГ у электроэнергетиков предприятия никогда не возникали нарекания на работу электросиловой части.
При согласовании технических условий на подключение АГ к сети часто возникают трудности. Электроснабжающие организации не заинтересованы в выдаче электрической мощности в сеть за пределы предприятия. Поэтому, во избежание сложностей, собственное производство электроэнергии в котельной должно обеспечивать только собственные нужды предприятия.

История создания и технического
совершенствования ПВМ
История ПВМ начинается с 1991 г., когда в условиях «дикого рынка» и разрухи появилась потребность в дешевой электроэнергии для собственных нужд котельной. Группа специалистов в Центральном институте авиационного моторостроения (ЦИАМ), г. Москва, под руководством автора провела первые эксперименты на модельной установке. Был получен первый патент на ПВМ.
Опытные образцы ПВМ мощностью 200 кВт были созданы в 1993 г. и установлены на мусоросжигательном заводе №3 в Москве для привода сетевых насосов. Модернизированные образцы этих ПВМ-200-АГ прошли испытания на стенде завода «Бекерон» в Москве. Изучался рабочий процесс, совершенствовалась конструкция ПВМ и смежных систем.
В 2004 г. на Раевском сахарном заводе (республика Башкортостан) нами была создана энергоустановка ПВМ-2000-АГ мощностью 800 кВт с асинхронным электрогенератором (рис. 3).
Специфика завода не позволяла подавать в ПВМ пар со стабильными параметрами: давление пара на входе колебалось от 6 до 10,5 ата при температуре до 230 С, противодавление на выпуске составляло 2-3 ата с температурой до 157 С. Пар с выпуска подавался на выпарку сахара. При работе по тепловому графику выдача мощности в сеть колебалась от 320 до 808 кВт при средней мощности 612 кВт. Стоимость электроэнергии составила 0,24 руб./кВт.ч, что в 4,5 раза ниже, чем по существующему тарифу. В связи с тем, что мощность ПВМ не удовлетворяла потребности завода, тогда энергоустановка была продана в г. Златоуст, а на заводе установили две турбины Калужского турбинного завода мощностью по 2500 кВт.
В настоящее время модернизированная данная установка ПВМ-2000-АГ успешно работает в котельной №3 Златоустовского теплотреста.
В 2007 г. в Санкт-Петербурге в котельной завода «Пигмент» ЗАО «ЭКО-ЭНЕРГЕТИКА» была запущена энергоустановка с ПВМ мощностью 1000 кВт (рис. 4). Установка вышла на проектную мощность, показала свою работоспособность и эффективность. При работе по тепловому графику выдача активной электрической мощности в сеть предприятия колебалась от 120 до 720 кВт, среднечасовая мощность составила 563,3 кВт, стоимость выработанной электроэнергии — 0,21 руб./кВт.ч.
В 2008 г. в Уфе на ТЭЦ-4 была запущена в эксплуатацию компанией ООО «ВМ-Энергия» энергоустановка ПВМ-2000-АГ мощностью 1400 кВт (рис. 5).
Установка работает в жестких условиях на перегретом паре с высокими параметрами (Рвхода = 16 ата, tвхода = 305 ºС, Рвыхода = 6,5 ата). Наработка установки в настоящее время составляет более 6000 ч, выработано 4 млн кВт ч электроэнергии.
В результате удельный расход топлива на отпуск электроэнергии для ТЭЦ снизился на 2 г у.т./кВт.ч, расход электроэнергии на собственные нужды снизился ТЭЦ с 8,5 до 7,9%.
В настоящее время в Улан-Удэ в котельной авиационного завода вводится в эксплуатацию установка ПВМ-1000-АГ мощностью 500 кВт. Особенность эксплуатации данной установки заключается в том, что она должна работать в сильно запыленном помещении угольной котельной. Здесь потребовались мероприятия по защите электроники от угольной пыли.
Произведено и поставлено оборудование установки ПВМ-1000-АГ на животноводческий комплекс в поселке Чистогорский Кемеровской обл. Данный проект осуществляется в рамках программы энергосбережения Кемеровской обл. Проект находится в стадии согласования проектной документации в органах Ростехнадзора.
В процессе работы над вышеперечисленными ПВМ, которые перекрывают весь диапазон мощности 200-1500 кВт, была детально отработана конструкция ПВМ и смежных систем, получено свыше 20 патентов. Учитывая, что в России наличие патента не обеспечивает 100% защиты интеллектуальной собственности, то часть технологических новаций была сведена в определенные «ноу-хау».

Экономическая эффективность энергоустановки с ПВМ
Предприятия, имеющие собственные котельные, обычно очень 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. Этот фактор часто значит не меньше (а во многих случаях и больше), чем экономия затрат на оплату электроэнергии. При отключении энергии в зимнее время котельная останавливается и размораживается, поскольку все агрегаты собственных нужд работают от электропривода. В настоящее время фактор надежности электроснабжения превалирует в большинстве регионов России.
Расчет экономической эффективности применения ПВМ в котельной показывает, что удельный расход топлива на выработанную электроэнергию составляет 140-160 г у.т./ кВт.ч, что вдвое ниже, чем на крупных ТЭЦ. Срок окупаемости энергоустановки мощностью 800 кВт составляет 1,5-2 года. При повышении мощности эффективность энергоустановки с ПВМ еще более 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 4-5 раз дешевле, чем покупаемая у электроснабжающей организации. Это объясняется тем, что владелец собственной мини-ТЭЦ не оплачивает расходов 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 энергоустановки, используются 2-3 базовых модели ПВМ с соответствующей настройкой на конкретные условия Заказчика.
4.В процессе роста российских 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 значительно более рентабельным. Учитывая экономический рост в России и значительную изношенность основных фондов электростанций и электросетей, собственное производство энергии является реальной альтернативой центральному энергоснабжению.

Литература
1.Березин С. Р. Технология энергосбережения с использованием паровых винтовых машин / Теплоэнергетика. 2007. № 8. С. 43-45.
2.Березин С. Р., Боровков В. М., Ведайко В. И., Богачева А. И. Паровая винтовая машина / Современное машиностроение. 2009. №1 (7). С. 34-36.
3.Березин С. Р. Винтовая расширительная машина. Патент РФ № 2319840. 2006.

Посмотреть данную технологию более подробно,
Вы можете в Каталоге энергосберегающих технологий