Применение паропоршневых технологий в котельных в качестве альтернативы внешнему электропитанию

Энергоресурсосбережение и энергоэффективность ^^ 17 =

УДК 621.1

Применение паропоршневых технологий в котельных в качестве альтернативы внешнему электропитанию

В. С. Дубинин,

старший научный сотрудник, руководитель научной группы «Промтеплоэнергетика»,

Московский авиационный институт

К. М. Лаврухин,

старший научный сотрудник, Московский авиационный институт

М. Ю. Алексеевич,

ответственный секретарь научной группы «Промтеплоэнергетика»,

Московский авиационный институт

С. О. Ш кару па,

преподаватель,

Королёвский колледж космического машиностроения и технологии

Поднят вопрос стабильности работы котельных, питаемых от внешних электросетей, в условиях сбоя системы электроснабжения. Предлагается вариант перевода котельных на автономную работу. Способ реализации этой идеи заключается в применении паропоршневых двигателей в автономных паросиловых установках, предназначенных для котельных, что поможет сделать систему теплоснабжения страны более рентабельной и надёжной.

Ключевые слова: электроэнергия, котельная, паросиловая установка, газопоршневой двигатель, паро-поршневой двигатель, дизельный двигатель.

В большинстве крупных городов России с населением более 500 тыс. человек имеются мощные ТЭЦ, но даже в Москве 30 % тепловой энергии вырабатывается котельными. В городах с населением от 100 до 500 тыс. человек большая часть потребителей (например, в Вологде, Калуге, Белгороде, Курске) или даже город полностью (Брянск, Сыктывкар) обеспечивается теплом при помощи котельных. Поэтому останов котельных является недопустимым и может привести к серьезным последствиям и даже кратковременный останов бывает критичным [1, 2].

Причиной внепланового прекращения работы котельных нередко становятся сбои в электросетях, к которым подключены котельные. Примеров немало: зимой 2003-2004 года из-за обледенения проводов, повлекшего повреждение электросети, остановилась работа котельных в некоторые районах Волгоградской и Псковской областей. 13 января 2006 года из-за порыва ЛЭП вследствие штормового ветра (30 м/с) была прекращена подача электроэнергии в г. Елецкий Республики Коми. Произошли остановка котель-

ной и размораживание систем отопления 42 жилых домов (из 63), детского сада, школы-интерната, здания администрации, вокзала, узла связи, магазина [3]. Зимой 2005-2006 года было несколько случаев отключения или «просадки» электроэнергии (по обоим вводам) в котельных г. Реутова, по этой причине останавливались котлы этого подмосковного города [4].

Можно говорить о том, что предусмотренные Правилами [5] два независимых источника электроснабжения котельных в качестве двух трансформаторных подстанций не обеспечивают безаварийную работу котельных. Аварийный дизель-генератор тоже не решает проблемы, так как даже при третьей степени автоматизации он дает электроэнергию не менее чем через 3 секунды после сигнала на запуск.

Необходимо, чтобы каждая котельная работала независимо от внешних электросетей.

Какое оборудование требуется для этого установить? Для газовых котельных, которых меньшинство, это может быть газопоршневой двигатель или паросиловая установка. Для остальных -только паросиловая установка.

№61(ШЖШ

= 18

Энергобезопасность и энергосбережение

Для газовой котельной паросиловая установка может оказаться предпочтительней газопоршневого двигателя по следующим причинам:

1. При полной конденсации выхлопного пара, как правило, осуществляющейся в бойлере горячей воды, можно получить коэффициент использования тепла сгорания топлива близкий к КПД парового котла, в то время как установка котла-утилизатора ограниченной металлоёмкости на выхлопных газах газопоршневого двигателя не может дать близкую к 100 % утилизацию выхлопных газов.

2. При прекращении подачи газа и переходе на резервное топливо (мазут) паросиловая установка продолжает работу, а газопоршневой двигатель прекращает.

Единственным недостатком паросиловой установки является большой расход топлива на единицу механической или электрической мощности, особенно при использовании пара низких параметров в паровых котельных с котлами ДКВР, ДЕ, КЕ, номинальное давление пара в которых составляет 13 кг/см2 при разрешенных 8-10 кг/см2. Но это не имеет значения при использовании всей этой мощности только для котельной и полезном использовании тепловой энергии пара.

Технические решения для применения

паротурбинных установок

1. Реконструкция водогрейного котла в паро-водогрейный (в [6, 7] изложен такой опыт).

2. Использование турбины [8] или поршневого двигателя, способного работать на перегретой воде [9].

3. Использование аппарата вскипания для получения пара из перегретой воды.

4. Установка в водогрейной котельной дополнительного парового котла.

5. Перевод чугунных котлов секционных котлов, не подлежащих учету в органах Ростехнадзора, в паровой режим с давлением пара 0,7 кг/см2, что потребует более дорогого поршневого двигателя, способного работать на паре столь низких параметров.

Применение паросиловых установок для привода электрогенератора в котельных уже достаточно известно. Однако паротурбинные установки внедряются не столь широко по различным причинам. В частности, они имеют большую мощность и большой расход пара; самый малый расход пара составляет 6-9 т/ч при мощности 250 кВт. Экономически целесообразно внедрение этого дорогостоящего оборудования при условии его полной загрузки в летний и зимний периоды. Как

показывает наш опыт, из стандартных трех котлов в котельных ЖКХ летом работает один с загрузкой менее 50 %. Поэтому даже в котельных, оснащенных паровыми котлами ДКВР-10, летом нет даже 5 тонн пара в час (можно перевести котел на 100 % производительности или запустить два, но это экономически нецелесообразно).

Наиболее перспективными для обеспечения работы котельной представляются паровые поршневые машины. Сконструировать их можно на базе серийных бензиновых и дизельных двигателей, используя изобретения сотрудников научной группы «Промтеплоэнергетика» Московского авиационного института (Государственного технического университета). Мы называем такие паровые машины паропоршневыми двигателями (ППД), так как в отличие от классических паровых машин, они имеют частоту вращения, равную частоте вращения приводимых агрегатов (750-3000 об/мин), в то время как классические паровые машины вращались с частотой 50-200 об/мин. Ресурс ППД будет в разы больше ресурса паровых турбин, а стоимость ниже. Наша научная группа занималась разработкой, модернизацией, а также проводила испытания ППД. И в процессе экспериментов был получен уникальный результат - работа ППД на перегретой воде. Мощность паропоршневых двигателей приблизительно равна мощности исходных бензиновых и дизельных двигателей при давлении пара 5-7 кг/см2. Возможность преобразовать любой двигатель внутреннего сгорания в паропорш-невой двигатель означает возможность получения паропоршневых двигателей в диапазоне мощностей серийных ДВС России, то есть от 1 до 22000 кВт. Все разработки ориентированы на автономную работу от электросети. Благодаря использованию недорогих ДВС существует уникальная возможность поставки оборудования с проведением ОКР и НИР для конкретной котельной со сроком окупаемости, в ряде случаев, в течение менее одного отопительного сезона. Все подвижные и изнашивающиеся детали паропорш-невых двигателей (кроме распредвала) заимствованы у исходного ДВС, что обеспечивает решение проблемы запчастей и ремонта обычными автослесарями.

Применение паропоршневых машин возможно в нескольких вариантах:

1. Одна паропоршневая машина вращает электрогенератор, обеспечивающий электроэнергией всю котельную.

2. Паропоршневые машины являются приводом для наиболее мощного вспомогательного оборудования котельных вместо электродвигателей. Маломощный электрогенератор, приводимый паропоршневым двигателем, обеспечивает электроэнергией остальное оборудование котельной.

Энергоресурсосбережение и энергоэффективность ^^ 19 =

3. Практически все вспомогательное оборудование котельной приводится паропоршневыми двигателями, совсем небольшой электрогенератор с паропоршневым двигателем вырабатывает электроэнергию только для КИПиА и мелкомоторной нагрузки.

4. Приводом наиболее мощного вспомогательного оборудования котельной являются паро-поршневые двигатели, остального - электродвигатели, потребляющие сетевую электроэнергию. Этот вариант не дает автономности работы котельной от внешней электросети, но, снижая потребление электроэнергии на порядок, обладает наименьшим сроком окупаемости [10-15].

Рассмотрим последний вариант с точки зрения экономической целесообразности, а именно замену в одной или нескольких котельных 10 электродвигателей мощностью по 50 кВт, работающих постоянно, на аналогичные им по мощности паропоршневые двигатели (ППД). Отметим, что результаты представленного расчёта мало меняются при изменении единичной мощности заменяемых электродвигателей в диапазоне от 20 до 200 кВт при сохранении их суммарной мощности 500 кВт.

При замене электродвигателей суммарной мощностью 500 кВт экономия электроэнергии в месяц составляет:

500 кВтх24 чх30 дней=360 000 кВт-ч.

При среднем тарифе 2,42 руб. (данный тариф действует с 1 января 2010 года в Москве согласно Постановлению Правительства Москвы № 1294-ПП от 01.12.2009 г. «Об утверждении цен, ставок и тарифов на жилищно-коммунальные услуги для населения на 2010 год») и НДС 18 % в денежном выражении месячная экономия по электроэнергии составит:

360 000 кВт-чх2,42 руб.х1,18=1 028 016 руб.

Для работы ППД используется незначительная часть энтальпии пара, проходящего через него. При этом предприятие несёт расходы, связанные с использованием тепловой энергии в ППД. Потери во внешнюю среду в теплоизолированном ППД не могут превысить 10 %. Выхлопной пар идёт в бойлер или на любое другое теплоиспользующее оборудование, и его теплота полностью полезно используется. При замене электродвигателей на ППД с учётом 10 % возможных тепловых потерь в окружающую среду затрачиваемая тепловая мощность составляет:

500 кВтх 1,1/1160=0,474 Гкал/ч.

Месячные затраты тепловой энергии составят:

0,474 Гкал/чх24 чх30 дней=341,38 Гкал в месяц.

При тарифе на тепловую энергию в г. Москве 1220,34 руб. за 1 Гкал (по такой цене тепловую энергию отпускают в 2010 году от московских ТЭЦ согласно Постановлению РЭК г. Москвы от 18.12.2009 № 104, однако стоимость её выработки в собственной газовой котельной в разы ниже) и НДС 18 % получим стоимость тепловой энергии, затрачиваемой на работу ППД:

341,38 Гкалх 1220,34 руб.х 1,18=491 587,6 руб.

Месячная экономия денежных средств при использовании ППД составит:

1 028 016 руб. - 491587,6 руб.=536 428,4 руб.

При этом затраты на персонал входят в стоимость использованной тепловой энергии.

Стоимость НИР, ОКР, комплектующих изделий, изготовления ППД, пусконаладочных работ составляет 6 000 000 руб. в ценах на конец 2010 года для варианта замены электродвигателей суммарной мощностью 500 кВт на ППД. В этом случае срок окупаемости составит:

6 000 000/536428,4 руб.= 11,2 мес.

Создание паропоршневых двигателей предполагается путём конверсии существующих отечественных бензиновых и дизельных двигателей в паропоршневые двигатели. Асинхронные электрогенераторы изготавливаются на базе общепромышленных асинхронных короткозамкнутых электродвигателей.

Предложенные здесь паропоршневые двигатели предназначены в первую очередь для котельных, где они устанавливаются параллельно задвижке, дросселирующей пар, идущий из паровых котлов в бойлер горячей воды. При этом для сохранения тепловой схемы котельной предполагается, что количество тепловой энергии, переходящей в механическую, невелико и примерно таково, что пар остаётся насыщенным (при дросселировании насыщенного пара задвижкой он перегревается). При этом коэффициент использования теплоты сгорания топлива приближается к КПД котла, если выходной пар паро-поршневого двигателя полезно используется.

Ручное регулирование частоты позволяет подобрать оптимальную частоту вращения вспомогательного оборудования котельных, что даёт эффект, аналогичный применению регулируемого электропривода (снижение потребной механической мощности, расхода воды и газа). Такие паропоршневые двигатели нецелесообразно использовать для автономных паросиловых установок.

Научная группа МАИ «Промтеплоэнергетика» разрабатывает и поставляет паропоршневые двигатели автономных паросиловых установок и

№61(ШЖШ

= 20

Энергобезопасность и энергосбережение

сами установки с давлением перегретого пара 39 кг/см2 и выше, что даёт КПД электрический 20-30 %, а при полезном использовании выхлопного пара коэффициент использования теплоты сгорания топлива приближается к КПД котла. В настоящее время ведется монтаж установки в одной из котельных г. Королёва (Московская обл.).

Подводя итог, можно сказать, что применение паропоршневых технологий в котельных способно помочь сделать теплоснабжение более дешевым и надежным. Паропоршневые двигатели также могут использоваться в автономных паросиловых установках на базе местного топлива и отходов.

Литература

1. Семенов В. Г. О реконструкции котельных в ТЭЦ // Новости теплоснабжения. - 2006. - № 1.

2. Пульнер И. П. Горячие результаты холодного сезона // Энергонадзор и энергобезопасность. - 2006. -№ 2.

3. Разоренов Р. Н., Кузнецов С. В. Испытания холодом // Новости теплоснабжения. - 2006. - № 2.

4. Суслин Н. И. О проведении энергосберегающих мероприятий на объектах МУП «Реутовская теплосеть» // Новости теплоснабжения. - 2006. - № 8.

5. Правила устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов. - СПб.: Деан, 2000.

6. Федоров А. И., Овчинников В. А. Опыт перевода водогрейных котлов типа ПТМ-30М и КВГМ в парово-догрейный режим с выработкой пара и горячей воды в одном агрегате // Промышленная энергетика. -1999. - № 1.

7. Верес А. А., Бузников Е. Ф. Перевод башенных водогрейных котлов ПТВМ-50, ПТВМ-100 в комбинированный пароводогрейный режим // Промышленная энергетика. - 1998. - № 9.

8. Российские энергоэффективные технологии. Энергоэффективные технологии производства электроэнергии. Технология ТУРБОКОН. - Вып. 1. - 2001.

9. Титов Д. П., Дубинин В. С., Лаврухин К. М. Паровым машинам быть! // Промышленная энергетика. -2006. - № 1.

10. Внуков А. К. Эксплуатация промышленных и коммунальных котлов при пониженных давлениях // Новости теплоснабжения. - 2004. - № 9.

11. Пакшин А. В., Каримов З. Ф. Эффективность реконструкции пароводогрейной котельной в мини - ТЭЦ // Промышленная энергетика. - 2004. - № 10.

12. Дубинин В. С., Лаврухин К. М., Титов Д. П. Перспективы применения паропоршневых двигателей для привода вспомогательного оборудования котельных: Тезисы докладов международной научно-практической конференции «Малая энергетика 2003» 11-14 ноября 2003, г. Обнинск.

13. Дубинин В. С., Лаврухин К. М., Титов Д. П. Роль паропоршневых двигателей в реформировании энергетики России: Тезисы докладов международной научно-практической конференции «Малая энергетика 2004» 11-14 октября 2004, г. Москва.

14. Дубинин В. С. Сопоставление систем централизованного и децентрализованного энергоснабжения в современных условиях России. Ч. 3 // Промышленная энергетика. - 2005. - № 11.

15. Некрасов В. Г. К вопросу о применении паровых машин // Промышленная энергетика. - 2004. - № 7.