Паровая винтовая машина для надстройки паровой котельной до мини-ТЭЦ

Один из возможных способов разрушения монополии на поставки электроэнергии потребителю – это «распределенная» генерация, то есть выработка электроэнергии по месту ее потребления. При этом исключаются потери (и затраты) на передачу электроэнергии, которые составляют значительную долю в цене покупной электроэнергии.
С целью реализации этого «распределения» нами была создана паровая винтовая машина ПВМ-250 – новое оборудование малой мощности для генерации собственной дешевой электроэнергии в паровой котельной.

Идея создания турбогенератора нового типа базировалась на существующих принципах компрессорной и авиационной науки. Работы начались в 1995 году, а в конце 1998 года были выпущены пилотные образцы паровой винтовой машины.

Турбоагрегат ПВМ-250 предназначен для выработки электроэнергии в уже существующих паровых котельных. На сегодняшний день эти котельные, вырабатывая пар и горячую воду, сами являются потребителями электроэнергии, хотя обладают потенциальной энергией избыточного давления пара, которая полезно не используется. Важно, что для таких котельных перебои с получением электроэнергии «извне» ведут к остановке всех обслуживающих агрегатов и систем управления, а следовательно, к полной остановке котельной. Представьте себе, что это произошло зимой!

Паровая винтовая машина была разработана для производства собственной электрической энергии в паровой (пароводогрейной) котельной с суммарной паропроизводительностью 8-25 тонн пара в час, оборудованной массовыми парогенераторами типа паровых котлов ДЕ Белгородского или ДКВР Бийского котельных заводов.

Такие котельные строились массовым порядком по типовым проектам для нужд централизованного теплоснабжения жилищно-коммунальной сферы крупных и малых городов, а также для производственных предприятий различных отраслей, где пар использовался как для технологических нужд, так и на теплоснабжение.

Собственные нужды в электроэнергии такой котельной составляют 100-500 кВт/ч. Указанные парогенераторы в номинальном режиме вырабатывали пар с давлением 1,3-1,4 МПа и температурой 194 оС. Далее он пропускался через редукционные (редукционно-охладительные) установки (где снижались его давление и температура), а затем использовался с давлением от 0,45 до 0,15 МПа. В процессе редуцирования потенциальная энергия пара бесполезно терялась. Поэтому вместо редукционных установок целесообразно устанавливать малые противодавленческие турбины для использования энергии дросселируемого пара.



Принципы работы

Конструктивно ПВМ состоит из компактного парового винтового расширителя (турбины с противодавлением) и электрогенератора. Винтовые роторы турбины вращаются в противоположные стороны и находятся в зацеплении через шестерни связи, исключающие касание роторов между собой.

Турбогенератор оснащается системой контроля и управления, обеспечивающей работу ПВМ во всех режимах ее эксплуатации. Система управления обеспечивает индексацию и регистрацию основных параметров, автоматическую защиту и сигнализацию при аварийной ситуации, дистанционное управление агрегатом с местного щита (шкафа) управления или с диспетчерского щита котельной, автоматическое регулирование нагрузки ПВМ.

В котельной ПВМ устанавливается в параллель к редукционной (редукционно-охладительной) установке. Свежий пар от котла (с давлением от 1,4 до 0,9 МПа и температурой не выше 194 оС) поступает в турбину, проходя по винтовому каналу между зубьями винтов, расширяется и, преобразуя тепловую энергию в механическую, плавно вращает роторы.

Вращательный момент передается генератору (насосу, дымососу) через муфту на валу редуктора (число оборотов – 1500/3000 об/мин). Отработанный пар (с давлением от 0,45 до 0,15 МПа) имеет достаточное теплосодержание и подается в технологический цикл производства или на подогреватели воды для горячего водоснабжения и отопления.

Для выработки 250 кВт/ч электроэнергии необходимо пропускать через машину от 6 до 9 т/ч пара. Агрегат производит электрический ток с напряжением 380 В и частотой 50 Гц. Для небольших котельных этой энергии достаточно для полного покрытия собственных нужд, а для более крупных котельных можно устанавливать не один, а несколько модулей параллельно и эксплуатировать их с учетом сезонных тепловых и электрических нагрузок.

Малые габариты и вес обеспечивают возможность установки машины в существующем здании котельной без сооружения дополнительного помещения и массивного фундамента.



Преимущества ПВМ

Применение паровой винтовой машины существенно повышает эффективность использования котельных. Оно позволяет:
- производить дешевую электрическую энергию в любой паровой котельной, где для выработки пара применяются котлы давлением 1,4 МПа;
- повысить эффективность использования топлива, перейти к когенерации на котельной;
- утилизировать энергию дросселируемого пара (сберечь энергию);
- обеспечить устойчивую работу котельной в условиях отключения внешнего энергоснабжения, защитить системы отопления от размораживания в зимнее время;
- выработать дополнительную механическую энергию для привода вспомогательных механизмов котельной: насосов, дымососов, вентиляторов.

Выгоды от внедрения турбоагрегатов типа ПВМ-250 – низкая себестоимость электроэнергии собственной генерации (от 0,15 до 0,4 руб./кВт-ч, в зависимости от применяемого топлива); сравнительно небольшие капитальные вложения в модернизацию (срок окупаемости для различных регионов варьируется от 1,5 до 3,5 лет, в зависимости от круглогодичного или сезонного режима использования); независимость от внешнего источника электроэнергии. Все это позволяет снизить себестоимость производимого тепла и повысить надежность работы котельной.

В настоящее время для целей распределенной генерации электроэнергии на базе паровых котельных на российском рынке представлены несколько типов лопаточных и роторных паротурбинных агрегатов мощностью 500-600 кВт. От этих машин противодавленческую турбину выгодно отличают следующие особенности:
- высокая эксплуатационная надежность при использовании пара любого качества, в том числе – высоковлажного, с которым использование лопаточных турбин невозможно;
- высокий внутренний КПД в широком диапазоне нагрузок;
- обеспечение рекордных динамики и управляемости: после прогрева на холостом ходу в течение 15 минут она набирает мощность от нулевой до номинальной за 10 секунд;
- выбранный диапазон мощности (200-250 кВт) позволяет гибко выстраивать схемы утилизации дросселируемого пара – комбинировать электрогенерирующие мощности с механическими приводами, иметь резерв для пиковых нагрузок, учитывать сезонные графики;
- высокий ресурс до капремонта ввиду отсутствия эрозионного и механического износа винтовых роторов, а также наличия механизма разгрузки упорных подшипников от чрезмерных осевых усилий;
- вращение роторов в противоположные стороны обеспечивает уравновешенную работу машины, минимизирует вибрацию и силовые воздействия на фундамент;
- малые габариты (2,85 x 0,75 x 1,2 м) и вес (с рамой - 2,5 тонны) обеспечивают возможность установки машины в существующем здании котельной без сооружения дополнительного помещения и массивного фундамента;
- масляная система (маслобак, маслонасос и маслоохладитель) не занимает дополнительную площадь, а встроена в раму агрегата;
- простота конструкции машины обеспечивает её высокую ремонтопригодность и быструю замену изношенных деталей.



Опыт эксплуатации

Три ПВМ опытной партии отработали 1000 часов в качестве приводов сетевых насосов на ЦТП Московского мусоросжигательного завода №3. Длительная опытно-промышленная эксплуатация ПВМ двух поколений проводилась также на заводе бетонно-керамических изделий «Бекерон» в Москве. В ходе испытаний турбина показала высокий внутренний КПД – 0,65-0,7. Опытная эксплуатация ПВМ на «Бекероне» подтвердила высокую надежность агрегата при использовании пара любого качества (в том числе высоковлажного), а также хорошую динамику и управляемость.

ПВМ-250 – пока еще новое оборудование, только открывающее себе дорогу на рынок. Ожидается высокая эффективность применения ПВМ в жилищно-коммунальном хозяйстве, на предприятиях лесной, бумажной, текстильной, пищевой, нефтегазовой, строительной и других отраслей промышленности.

Паровая винтовая машина, ее отдельные узлы и модификации защищены российскими и евразийскими патентами, международными патентными заявками и свидетельствами.

Б. И. ЛЕВИН, ЗАО «Независимая энергетика»

Источник: http://www.eprussia.ru