Международная научно- практическая конференция « Малая энергетика-2005»
Дубинин В.С., Лаврухин К.М., Першин Л.И., Титов Д.П., Аникеев А.А., Московский авиационный институт (ГТУ), факультет довузовской подготовки. Научная группа «Промтеплоэнергетика», Москва, Россия
ЛЭП строились в предположении тех ветровых и гололёдных нагрузок (обледенение проводов) которые были в 20-м веке. В связи с глобальным изменением климата под действием нарастающей силы ураганов, обледенений проводов и наводнений у таких ЛЭП рвутся не только провода, но и массово падают их опоры. Выходят из строя трансформаторные подстанции. Министр ГО и ЧС С.К. Шойгу в своём интервью [1] сообщает, что его министерством поставлены задачи ряду институтов Академии наук и его центру прогнозирования «Антистихия» по прогнозированию событий, как в России, так и в мире. На основе их данных С.К. Шойгу говорит: «Идёт серьезное изменение климата на планете, я бы сказал, аномальное его изменение. В результате ни наши прогнозисты, ни центры прогнозов в других странах просто не могут предполагать, что происходит: снег идёт там, где его никогда не было, наводнения, которые должны были начаться с весенним таянием снегов, идут сейчас, ураганы сметают целые города». Зимой 2003/2004 года одновременно остались без электроснабжения, а следовательно и без теплоснабжения от котельных некоторые районы Волгоградской и Псковской областей из-за обледенения проводов. Такого не было никогда в местностях разделённых тысячами
километров. В Волгоградской области потребовался почти месяц для полного восстановления электроснабжения, так как одновременно с восстановлением опор ЛЭП падали другие, в том числе и ЛЭП-200 и ЛЭП-500. Интересно, что некоторые попытки спрогнозировать климат будущего предпринимались ещё в 1994 г., указывалось на то, что он через 15 лет, по мере согревания Земли, станет более резким: будет больше ураганов, засух и наводнений, поздних заморозков и летних бурь. Правда, все это тогда были только предположения, и делающие их не забывали напоминать, что может и ничего не произойти [2]. Теперь результаты глобального потепления налицо и, вероятно, это только его начало.
На объективные природные причины аварий электроснабжения накладываются чисто техногенные. Например, при аварии 25 мая 2005 года без электроэнергии остались все потребители на территории юга г. Москвы и нескольких областей. В том числе без электроэнергии остались потребители первой категории. В случае если бы такая авария произошла зимой, остановились бы все котельные, так как они имеют электропривод вспомогательного оборудования (насосы, дымососы, дутьевые вентиляторы). Последствия были бы очень тяжёлые. В этой ситуации целесообразно чтобы котельные не зависели от внешних электросетей.
Наиболее известный вариант решения этой проблемы, это установка электрогенератора с приводом от газопоршневого двигателя в газовой котельной. Такой вариант имеет недостатки: невозможно полностью утилизировать тепловую энергию выхлопных газов; выхлопные газы содержат токсичные вещества; при работе котельной на резервном топливе (мазуте) требуется сетевая электроэнергия. В настоящее время очень сложно подключить к сетевому газу новое газопотребляющее оборудование. Поэтому для паровых котельных целесообразно применять паросиловые установки для выработки электроэнергии. Их преимуществами является возможность применения в котельных работающих на твёрдом топливе и полное полезное использование выхлопного пара для горячего водоснабжения, отопления и других целей.
Применение паросиловых установок для привода электрогенератора в котельных уже достаточно широко известно. Например, Калужский турбинный завод производит электрогенераторы с паротурбинным приводом мощностью 0,5-3,5 МВт [3, 4, 5, 6, 7]. Паротурбинные винтовые машины мощностью 250 кВт изготавливаются ЗАО «Независимая энергетика» [8]. По данным [3] внедрено более 50 турбогенераторов и это капля в море, учитывая, что в России почти 200000 котельных только в муниципальной собственности [9]. Согласно [7] основной сдерживающей причиной распространения паросиловых установок в котельных является то, что такие турбогенераторные установки работают параллельно с сетью, а вопрос подключения независимых производителей электроэнергии к центральной энергосистеме решается с помощью инициативных решений Минтопэнерго РФ и Госэнергонадзора РФ. Напомним, что согласно [10] электростанции мощностью до 1000 кВт могут работать только автономно от сети. На наш взгляд есть и другие не менее серьезные причины слабого внедрения таких паросиловых установок:
1. Уровень мощности гораздо выше требующейся электрической мощности большинства котельных. В результате при относительно большом расходе пара не обеспечивается полное использование его тепловой энергии, а только в этом случае возможен высокий коэффициент использования теплоты сгорания топлива. Расход пара паровинтовой машины мощностью 250 кВт составляет 9 тонн/час [8], а паротурбинный мощностью 500 кВт 16 тонн/час [3].
2. Потребное давление пара 11 кг/см2 в то время как разрешенное органами госэнергонадзора в большинстве котельных 7-9 кг/см2, а реальная величина 4-7 кг/см2
3. Достаточно высокая стоимость, 10,43 млн. руб. за 750кВт [11] что приводит к срокам окупаемости серийного оборудования 1,9-3,9 года для турбинной машины [11] и 2-3 года для паровинтовой [8].
4. Потребление турбомашинами воды для охлаждения 10 м3/час для мощности 750 кВт [11].
Научной группой «Промтеплоэнергетика» МАИ ведутся разработки паропоршневых двигателей на базе серийных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и изобретений и ноу-хау созданных её сотрудниками ранее. Мощность паропоршневых двигателей примерно равна мощности исходных бензиновых и дизельных двигателей при давлении пара 5-7 кг/см2. Мы умеем конверсировать любой двигатель внутреннего сгорания (ДВС) в паропоршневой двигатель. Это означает возможность получения паропоршневых двигателей в диапазоне мощностей серийных ДВС России, то есть от 1 до 22000 кВт. Все наши разработки ориентированны на автономную работу от электросетей. Благодаря использованию дешевых устаревших ДВС существует уникальная возможность поставки оборудования с проведением ОКР и НИР для конкретной котельной со сроком окупаемости, в ряде случаев, в течении менее одного отопительного сезона. Благодаря изобретениям сотрудников научной группы все подвижные и изнашивающиеся детали паропоршневых двигателей (кроме иногда распредвала) сохранены от исходного ДВС, что обеспечивает решение проблемы запчастей и ремонта обычными автослесарями [12,13]
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
3. Практически все вспомогательное оборудование котельной приводится паропоршневыми двигателями, совсем небольшой электрогенератор с паропоршневым двигателем вырабатывает электроэнергию только для КИПиА.
4. Приводом наиболее мощного вспомогательного оборудования котельной являются паропоршневые 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.
Рассмотрим только 4 вариант с точки зрения экономической целесообразности, а конкретно замену в одной или нескольких котельных 10-ти электродвигателей мощностью по 50 кВт, работающих постоянно, на аналогичные им по мощности паропоршневые двигатели. 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 в месяц составляет:
500кВт× 24час×30дней=360.000кВт×часэлектроэнергии.
При среднем тарифе 1,2285 руб. (такой тариф будет действовать с 1 января 2006 года в г. Москве согласно Приказу ФСТ России от 2 августа 2005 года №337-э/5) и НДС 18% в денежном выражении месячная экономия по электроэнергии составит:
360.000кВт×час× 1,2285руб. × 1,18=521866,8руб.
Для работы паропоршневого двигателя (ППД) используется незначительная часть энтальпии пара, проходящего через нее. 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:
500кВт× 1,1/1160=0,474 Гкал/час Месячные затраты на тепловую энергию составят:
0,474 Гкал/час ×24час×30дней=341,3 8 Гкал в месяц.
При тарифе на тепловую энергию в г. Москве 434,5 руб. за 1 Гкал (по такой цене тепловую энергию будут отпускать в 2006 году, согласно Приказу ФСТ России от 2 августа 2005 года №337-э/5, однако стоимость её выработки в собственной газовой котельной ещё ниже) и НДС 18% получим стоимость тепловой энергии затрачиваемой на работу ППД:
341,38Гкал×434,5руб.×1,18=175028,9руб.
Месячная экономия денежных средств при использовании ППД составит: 521866,8руб.-175028,9руб.=346837,9руб.
При этом затраты на персонал входят в стоимость использованой тепловой энергии.
Стоимость НИР, ОКР, комплектующих изделий, изготовление ППД, пусконаладочные работы составляют 1480000 руб., в ценах начала 2006 года для варианта замены электродвигателей суммарной мощностью 500 кВт на ППД. В этом случае срок окупаемости составит:
1480000/346837,9руб.=4,267мес.
Теперь расскажем о наших экспериментальных результатах.
Ввиду того, что наши возможности ограничены, то испытания проводим с ППД созданными на базе малолитражных стационарных и автомобильных двигателей. Последние испытания проводились с двигателем УД-2М1 (рабочий объём 600 см3, n=3000 об/мин). Мотор является нижнеклапанным, изменению подверглись лишь не содержащие подвижных деталей головки а так же распредвал. Оба клапана в результате становятся выпускными, а впуском управляет газодинамическое устройство, являющейся при этом головкой цилиндра.
Как видим из таблиц №1 и №2 на столь низких параметрах рабочего тела получаем достаточно высокую частоту вращения 1250-2580 об/мин и электрическую мощность практически такую же какой обладает электростанция на базе этого бензинового двигателя (АБ-4, Nэл=4 кВт). Следует сказать, что на сегодня мы не знаем точно, почему упала мощность в 2004 году по сравнению с 1997 годом, так как экспериментальные данные, полученные при переделке бензодвигателя ЗМЗ-402 в ППД в 1998 году показали существенный рост мощности при переходе с воздуха на пар того же давления. Одной из наиболее вероятных причин было повышение температуры смазочного масла при переходе от воздуха к пару (при работе на воздухе выхлопной патрубок покрывался инеем). Падение мощности в 2004 году может быть вызвано
заменой головок цилиндров, которые обеспечивают внутрицилиндровую сепарацию пара для уменьшения попадания воды в картер. Так же падение мощности могли вызвать иные фазы парораспределения (другой распредвал). Причина будет установлена в процессе дальнейших испытаний, которые прервались в 2004 году в связи с организационными трудностями. Сейчас ищем паровую котельную, где можно было бы продолжить испытания.
Что касается воды в масле, то она была. Осуществлялся подбор масла и режимов работы двигателя. В результате наработка до смены масла стала более 1 часа. В дальнейшем предстоит одним из четырех известных нам способов доработать систему смазки, что обеспечит безостановочную работу двигателя весь отопительный сезон.
Так же следует отметить, что в процессе экспериментов был получен уникальный на наш взгляд результат - это работа поршневого двигателя на перегретой воде. Во время испытаний произошел унос воды и вместо насыщенного пара от одного из котлов шла перегретая вода. Головки нашей конструкции обеспечили работу двигателя на перегретой воде, причём мощность по сравнению насыщенным паром снижалась только в два раза.
Литература:
www.combienergy.ru
Международная научно- практическая конференция « Малая энергетика-2008»
Дубинин B.C., Глотов Н.В., Королевский колледж космического машиностроения и технологий, Королёв, Московской обл.,
Лаврухин К.М., Научная группа «Промтеплоэнергетика», Москва,
Хромченко П.А., Шкарупа С.О., МАИ, Москва,
Титов Д.П., Степанова Т.А., МГАУ им В.П. Горячкина, Москва,
Алханов Д.В., Погорельский Е.И., МЭИ, Москва,
Трохин И.С., Погорельский Е.И., ГНУВИЭСХ, Москва
В России более 1/7 части населения, то есть 22 млн. человек, проживают в районах автономного электроснабжения или ненадежного централизованного электроснабжения, занимающих более 70% территории России [1]. Поэтому задача создания источников электроэнергии работающих на дешевом местном топливе является актуальной. Это позволит исключить северный завоз и без того дорогого дизтоплива, а также повысит конкурентоспособность сельского хозяйства в условиях вступления России в ВТО. Это приведёт к повышению цен на природный газ до уровня близкого к мировым ценам к 2011 г. согласно постановлению Правительства РФ от 28 мая 2007 г. №333 [2]. Последнее означает рост тарифов на электроэнергию, так как основная ее часть вырабатывается в России на газовых электростанциях. Но ведь есть дешевое местное топливо - это, как правило, твердое топливо: дрова, отходы древесины, отходы сельхозпроизводства, бурый и каменный уголь. Для получения электроэнергии из такого топлива возможно несколько способов:
1. Получение горючего газа низкой калорийности в газогенераторе обращенного процесса с последующим использованием этого газа в газопоршневом двигателе приводящим электрогенератор.
2. Сжигание твердого топлива под паровым котлом и использование этого пара для работы паровой турбины, приводящей электрогенератор.
3. Сжигание твердого топлива под паровым котлом и использование этого пара для работы поршневого парового двигателя приводящего электрогенератор.
Такой двигатель может быть:
А) Классической паровой машиной;
Б) Паропоршневым двигателем (ПОД).
Далее проводится анализ и сравнение этих типов двигателей.
До середины 50-х годов широко применялись, как источники газообразного топлива для транспортных [3,4,5] и стационарных (привод электрогенератора) двигателей внутреннего сгорания слоевые газогенераторы на специально подготовленном топливе (высушенные чурки лиственных пород или древесный уголь). Низкая калорийность получаемого газа в таких газогенераторах объяснялась забалластированностью его азотом и углекислым газом, так как применялось воздушное дутье и азот воздуха переходил в генераторный газ. Кроме того, для уменьшения смолы в газе для работы на чурках применялся обращенный процесс [3,4,5], что дополнительно снижало калорийность газа примерно до 1000 ккал/куб.м.
Рассматривая использование генераторного газа, как топлива газопоршневых двигателей необходимо отметить, что падение мощности двигателя составляет 60 %. Это показано теоретически и подтверждено экспериментально в [3]. Там же говорится, что путём повышения степени сжатия можно снизить падение мощности до 35 %. Приведённые выше данные о падении мощности относились к довоенным двигателям с очень низкой степенью сжатия, например двигатель трактора "Фордзон" имел степень сжатия 3,94 [3]. Поэтому повышение степени сжатия до 7 давало заметный эффект [3]. Перевод серийно выпускаемых сейчас бензиновых и дизельных двигателей со степенью сжатия 7-15 на генераторный газ приведёт к падению мощности, которую уже нельзя компенсировать увеличением степени сжатия. Таким образом вывод, в работе [3], о тупиковое™ использования генераторного газа в серийных двигателях сейчас ещё более актуален, чем в 1934 г.
Если сопоставлять газопоршневой двигатель с паросиловой установкой использующей водяной пар, то по чисто термодинамическим причинам (цикл Карно) его экономичность будет выше, так как температура продуктов сгорания выше температуры пара, ограниченной теплостойкостью материалов котлов. Уже в 2000 г. зарубежные судовые дизели достигли КПД 58 % [6]. Однако, в работе газогенераторной установки горючий газ, имеющий высокую температуру, надо охлаждать перед подачей в поршневой двигатель. Это приводит к сбросу во внешнюю среду примерно 20 % теплоты сгорания твердого топлива и делает её не конкурентоспособной с паросиловой установкой на базе классической паровой машины с достаточно высокими параметрами пара. Достоинством паросиловых установок на базе классических паровых машин является практически постоянный удельный расход топлива при изменении нагрузки в широких пределах, в отличии от двигателей внутреннего сгорания при работе тех и других на синхронный электрогенератор, то есть при постоянной частоте вращения.
Это обеспечивает высокую экономичность электростанции при её работе автономно, так как электрическая нагрузка может меняться в очень широких пределах. Принципиальное отличие паросиловых установок от газовых двигателей является наличие накопителя значительной энергии в виде котла, выполняющего роль пароводяного аккумулятора, и стабильность рабочего тела. Это означает, что кратковременные нарушения в работе топки, например, при загрузке её топливом, не могут привести к остановке машины. Газогенераторный двигатель использует газ, состав которого меняется в процессе выгорания топлива или при загрузке газогенератора топливом, а это приводит к остановке двигателя. Прекращение выработки электроэнергии может привести к очень тяжелым последствиям. В [7]
указывается: «В отношении надежности газовая машина требует более тщательного ухода, чем паровая машина. По крайней мере, по данным профессора Mayer'a поршень газовой машины необходимо вынимать и чистить каждые полгода, а клапаны -притирать ежемесячно или через каждые два месяца».
Учитывая все вышесказанное, газопоршневые двигатели целесообразно применять для работы на высококалорийном газе в тех районах, где произведена газификация газом. Рассматривая же комбинированную выработку электро и тепловой энергии (когенерация) необходимо приводить технико-экономический анализ для каждого конкретного населенного пункта. Это обусловлено тем, что утилизировать тепловую энергию выхлопных газов газопоршневого двигателя гораздо сложнее, чем тепловую энергии выхлопного газа паровой машины. Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стальной стенке в 10-100 раз выше, чем от выхлопных газов. Поэтому если для пара достаточно стандартного бойлера, то котел-утилизатор выхлопных газов должен иметь поверхность теплообменника в 10-100 раз большую и соответственно более высокую металлоемкость и сложность конструкции. Паровая машина или паропоршневой двигатель могут оказаться предпочтительней, если вне отопительного сезона максимальная электрическая мощность меньше чем произведение полного КПД паросиловой установки на сумму тепловой и электрической мощности. В этом случае весь пар будет полезно использован. Такой сравнительный технико-экономический анализ может провести научная группа МАИ «Промтеплоэнергетика».
Сопоставим теперь паровые турбины с поршневыми паровыми двигателями. Понятие «Паропоршневые двигатели» (ППД) было впервые введено в научный оборот научной группой «Промтеплоэнергетика» МАИ в 2003 г. [8] и опубликовано в научном журнале в 2006 г. [9]. Это высокооборотные паровые машины с частотой вращения более 1000 об/мин при этом ход и диаметр поршня ППД в несколько раз меньше чем у паровых машин равного рабочего объема. Это позволяет иметь сопоставимую с паровыми машинами скорость поршня при большей частоте вращения, а необходимый рабочий объем набирается путем применения нескольких одинаковых по геометрии и рабочему процессу цилиндров, пар через которые проходит параллельно.
Паропоршневые двигатели для энергетики, как правило, создаются на базе серийных двигателей внутреннего сгорания и являются паровыми машинами одностороннего действия. Использование изобретений сотрудников научной группы МАИ «Промтеплоэнергетика» позволяет сохранить практически всю конструкцию исходного двигателя, измению подлежит лишь механизм газораспределения. Это обеспечивает низкую стоимость в связи с тем, что исходные двигатели автомобилей и тракторов являются продукцией крупносерийного производства. С другой стороны такой подход сохраняет преемственность с паровыми машинами по рабочему процессу и дает возможность сравнивать параметры ППД с паровыми турбинами, опираясь на опубликованные результаты испытаний паровых машин.
Сравнение поршневого двигателя и турбины (обои внешнего сгорания) впервые было проведено в работе [10]. Оптимальная частота вращения ППД в 160 раз меньше турбины, что позволяет приводить им электрогенератор промышленной частоты и промышленное оборудование напрямую, без использования редуктора. Давление на выходе из турбин близко к нулю, в то время как давление на выходе этого ППД ~1,4 ат. То есть он может работать на водяном пару с противодавлением, осуществляя комбинированную выработку электроэнергии и тепловой энергии.
Сопоставляя в [11] удельный расход пара паровой машины постройки 1921 года и современных паровых турбин, составляющих в настоящее время основу энергетики России можно видеть, из таблицы 1, что они близки:
При автономной выработке электроэнергии, необходимо поддержание стабильной частоты тока 50 ± 0,2 Гц, то есть ± 0,4 % (ГОСТ 13109-9723). Для дизель-генераторы ГОСТ 13822-83 предусматривает отклонение частоты в установившихся режимах ± 1 %, а в переходных ± 5 %. В турбинах необходим автомат безопасности, так как при сбросе нагрузки они уходят в разнос. Паропоршневой двигатель может быть спроектирован так, чтобы «Разносная» частота вращения соответствовала максимальной частоте вращения исходного дизельного или бензинового двигателя. Одним из авторов статьи была предложена, возможность самостабилизации частоты вращения тепловых двигателей дискретного действия к которым относятся газопоршневые и паропоршневые двигатели [12, 13].
Вывод таков, что паропоршневые двигатели, работающие в составе паросиловой установки твердого топлива, имеют преимущества перед другими способами выработки электроэнергии из твердого топлива в значительном диапазоне параметров электропотребления.
Литература
www.combienergy.ru
Газета "Энергетика и промышленность России" | № 03 (12) июнь 2014 года
В ходе многолетних дискуссий о необходимости такого производства между Владимиром Дубининым и ОАО «Холдинговая компания «Коломенский завод», ОАО «РУМО» (Нижний Новгород) и ОАО «Волжский дизель им. Маминых» (Балаково) наметились положительные тенденции. Важно отметить, что речь идет о создании и выпуске паропоршневых двигателей не только для генерирующих объектов распределенной энергетики (например, мини-ТЭЦ), но и для нужд российских АЭС и крупных ТЭС.Почему не турбина?
То, что тепловые поршневые двигатели характеризуются меньшим удельным расходом рабочего тела на единицу полезной мощности, не секрет. По этому показателю лидируют поршневые приводы при их мощностях до единиц мегаватт. Здесь имеются в виду газопоршневые и дизельные двигатели мини-электростанций и мини-ТЭЦ. Если же в качестве рабочего тела будет использоваться не газовая смесь, а водяной пар, то свойство большей энергетической эффективности, по сравнению с паровыми турбинами, у паропоршневых двигателей принципиально сохраняется. Паровые турбины в наши дни производят для крупных энергоблоков (к примеру, 200 или 300 МВт) ТЭС, АЭС и конденсационных либо теплофикационных мини-ТЭС с единичными электрическими мощностями от сотен киловатт до единиц мегаватт. А поршневые паровые двигатели – паровые машины – в нашей стране не выпускают уже более полувека. Получается, что в определенном диапазоне мощностей может быть выгодно использовать в энергетике поршневые двигатели, работающие по циклу Ренкина, вместо паровых турбин, но такой отечественной техники пока нет.
Кстати, стоит сказать и о так называемых паровинтовых машинах. Они, в сущности, относятся к паротурбинной технике, так как под паровыми машинами исторически следует понимать именно поршневые паровые двигатели. У паровинтовых машин, идейно являющихся конверсией винтовых компрессоров, расширение рабочего тела происходит не с использованием профилированных лопаток, как у турбин традиционных конструкций, а с помощью винтообразных роторов, внешне напоминающих винт Архимеда. Паровинтовые машины занимают по удельному расходу пара, в общем‑то, промежуточное или даже «поршневое» место, если сравнивать их с лопаточными паровыми турбинами и зарубежными поршневыми паровыми моторами Шпиллинга (Spilling dampfmotor. – нем.) в диапазоне единичных мощностей, в частности от сотен киловатт и до мегаватта. Крупные паровинтовые машины ни в России, ни за рубежом сегодня не выпускают, ведь их область применения – это чаще всего именно мини-ТЭЦ. Паропоршневые же двигатели на базе дизелей принципиально возможно изготавливать в более широком диапазоне единичных мощностей – вплоть до пары десятков мегаватт!
АЭС и паровые ТЭС
Речь идет о перспективном использовании предложений Владимира Дубинина по конверсии дизелей типа Д49 (они выпускаются Коломенским заводом, в частности, для тепловозов и стационарных дизельных электростанций) в паропоршневые двигатели в практике главного конструктора Коломенского завода, заслуженного конструктора Российской Федерации, лауреата Государственной премии Валерия Рыжова. С их помощью можно обеспечивать непосредственный привод питательных и сетевых насосов, дымососов, дутьевых вентиляторов ТЭС.
Кроме применения таких паропоршневых двигателей на ТЭС, принципиально возможна их работа на насыщенном паре для привода главных циркуляционных насосов АЭС. Рассматриваемые паропоршневые двигатели могут быть предназначены и для привода электромашинных генераторов собственных нужд ТЭС или АЭС, вырабатывающих электрическую энергию, в частности, на питание нагрузки систем станционной автоматики и освещения.
Стоит заметить, что все сказанное об областях применения паропоршневых двигателей на базе дизелей типа Д49, предлагаемых Владимиром Дубининым, принципиально распространяется и на парогазовые ТЭС. Только рассматривать здесь нужно паросиловую часть таких ТЭС.
Паровые мини-ТЭС
Предложения Владимира Дубинина по конверсии дизелей в паропоршневые двигатели с точки зрения их целевого использования касаются, помимо АЭС и крупных паровых ТЭС, еще и генерирующих объектов распределенной энергетики России. Учитывая, что имеются в виду энергетические установки, в которых используется пар, к таковым относятся, в частности, мини-ТЭЦ и котельные с паровыми котлами. При этом внедрение паропоршневых двигателей в котельных подразумевает перевод последних в режим когенерации тепловой и электрической энергии.
В энергетической стратегии ЗАО «Трансмашхолдинг» (куда входит ряд ведущих предприятий транспортного машиностроения России – Коломенский завод, Брянский машиностроительный завод, «Пензадизельмаш» и другие), утвержденной 4 октября 2008 года, запланирована разработка генерирующих систем распределенной энергетики. В частности, речь идет о проекте создания паропоршневых машин (двигателей) на основе дизелей Коломенского завода для паросиловых установок, работающих на твердом топливе. В таких источниках электрической и тепловой энергии остро нуждаются потребители в регионах России, удаленных от газовых магистралей и находящихся в зонах децентрализованного электроснабжения.
Предложения Владимира Дубинина, касающиеся конверсии отечественных дизелей в паропоршневые двигатели для таких паросиловых установок (мини-ТЭЦ), принципиально поддержаны специалистами еще двух двигателестроительных заводов России. Так, директор по разработке и конструированию двигателей и электрических агрегатов – главный конструктор ОАО «РУМО» Александр Лимонов в 2013 году одобрил такие предложения при использовании дизелей, выпускаемых этим предприятием, в качестве конверсионной основы для паропоршневых двигателей. «Волжский дизель» поддержал предложение Дубинина по замене выбывающих из эксплуатации генерирующих мощностей большой энергетики и воздушных линий электропередачи на распределенные когенерационные поршневые установки, работающие автономно от централизованных электрических сетей без протяженных электрических и тепловых сетей. На этом предприятии приняты решения о создании инженерной группы по разработке паропоршневых двигателей на базе дизелей собственного производства и о выпуске когенерационных энергетических комплексов на основе этих паропоршневых двигателей.
Примеры
На рис. 1 показан фрагмент упрощенной электротепловой схемы включения паропоршневого двигателя ППД, управляемого по сигналам системы автоматического управления ССАУ, на паровой ТЭС для привода электрогенератора ЭГ, питающего нагрузку собственных нужд НСН потребителей электростанции. Выхлоп из ППД утилизируется в конденсатор отработавшего пара КОП. Система высокоточной стабилизации электрической частоты СВСЭЧ, как возможный вариант, классическая, с выпрямителем ВН и инвертором ИН напряжения. Имеется в ее составе и резервная аккумуляторная батарея АБ. Пунктирной линией условно показана байпасная электрическая цепь.
На рис. 2, где ряд обозначений совпадает с указанными на рис. 1, приведен фрагмент упрощенной электротепловой схемы включения паропоршневого двигателя ППД на паровой мини-ТЭЦ, питающей внешнюю нагрузку ВН и НСН потребителей, с самостабилизацией частоты вращения выходного вала ППД по методу Владимира Дубинина без обратных связей (положительное решение о выдаче патента России на изобретение по заявке № 4951329 / 29 (055249), поданной 27 июня 1991 года). ППД здесь питается импульсами источника свежего пара ИИСП. Отработавший пар от ППД поступает в пароводяной теплообменник ПВТ.
www.eprussia.ru
Газета "Энергетика и промышленность России" | № 6 (58) июнь 2005 года
Эту проблему можно решить на базе ГТУ, газовых поршневых двигателей и паросиловых установок. К сожалению, они не получили широкого распространения из‑за сложности оформления новых газоиспользующих установок и высокой стоимости проекта и прокладки газопровода (для ГТУ и газовых двигателей).Можно работать автономно
Применение паросиловых установок для привода электрогенератора в котельных уже достаточно широко известно. Например, Калужский турбинный завод производит электрогенераторы с паротурбинным приводом мощностью 0,5‑3,5 МВт. Паротурбинные винтовые машины ПВМ-200 мощностью 200 кВт готово поставить ЗАО «Независимая энергетика». К 2000 году внедрено более 25 турбогенераторов. При 180000 котельных в России – это капля в море.
Известно, что основной сдерживающей причиной является то, что такие турбогенераторные установки работают параллельно с сетью, а вопрос подключения независимых производителей электроэнергии к центральной энергосистеме решается с помощью инициативных решений Минтопэнерго РФ и Госэнергонадзора РФ. Напомним, что электростанции мощностью до 1000 кВт могут работать только автономно от сети. На наш взгляд, есть и другие, не менее серьезные причины слабого внедрения таких паросиловых установок: – уровень мощности гораздо выше потребной электрической мощности большинства котельных; – потребное давление пара 11 кг / см2, в то время как разрешенное органами Госэнергонадзора в большинстве котельных 7‑9 кг / см2, а реальная величина – 4‑7 кг / см2; – достаточно высокая стоимость (300‑450 $ / кВт).
Научной группой «Промтеплоэнергетика» МАИ ведутся разработки паропоршневых двигателей на базе серийных двигателей внутреннего сгорания и изобретений сотрудников. Мощность паропоршневых двигателей примерно равна мощности исходных бензиновых и дизельных двигателей при давлении пара 5‑7 кг / см2. При этом любой двигатель внутреннего сгорания (ДВС) можно конвертировать в паропоршневой, что дает возможность получения двигателей в диапазоне мощностей серийных ДВС России, то есть от 1 до 22000 кВт.
Все разработки ориентированы на автономную работу от электросетей. Благодаря использованию дешевых устаревших ДВС существует возможность проведения ОКР и НИР и поставки оборудования для конкретной котельной со сроком окупаемости. В ряде случаев – это менее одного отопительного сезона.
Разные варианты применения
Применение паропоршневых машин возможно в нескольких вариантах.
1. Одна паропоршневая машина приводит электрогенератор, обеспечивающий электроэнергией всю котельную.
2. Паропоршневые машины приводят наиболее мощное вспомогательное оборудование котельных вместо электродвигателей. Маломощный электрогенератор, приводимый паропоршневым двигателем, обеспечивает электроэнергией остальное оборудование котельной.
3. Практически все вспомогательное оборудование котельной приводится паропоршневыми двигателями, совсем небольшой электрогенератор с паропоршневым двигателем вырабатывает электроэнергию только для КИПиА.
4. Наиболее мощное вспомогательное оборудование котельной приводится от паропоршневых двигателей, остальное – электродвигателями, потребляющими сетевую электроэнергию. Этот вариант не дает автономности работы котельной от внешней электросети, но, снижая потребление электроэнергии на порядок, обладает наименьшим сроком окупаемости.
Таким образом, используя дешевые серийные ДВС как базу для создания паропоршневых двигателей, существует техническая возможность снижения себестоимости тепловой энергии почти в два раза во всех паровых котельных с давлением пара более 5 кг / см2.
www.eprussia.ru
Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в силовых установках для производства электроэнергии на подвижных и стационарных электростанциях небольшой мощности. Парогазовый поршневой двигатель содержит источник питания, силовой цилиндр, поршень со штоком, установленные в цилиндре с образованием штоковой и поршневой полостей, ресивер высокого давления, распределительное устройство, выполненное в виде двухпозиционного дифференциального золотника, ресивер низкого давления и вспомогательный дифференциальный цилиндр. Ресивер высокого давления сообщается со штоковой полостью через отверстие в силовом цилиндре, закрываемое торцем поршня при расположении последнего в исходном положении. Управляющая полость дифференциального золотника через пусковой клапан и регулируемый дроссель подключена к штоковой полости силового цилиндра. Поршневая полость вспомогательного дифференциального цилиндра постоянно сообщена с ресивером низкого давления. Двухпозиционный золотник выполнен четырехлинейным. Вход его соединен с источником питания, первый выход - с поршневой полостью силового цилиндра, второй выход - с ресивером низкого давления, а канал сброса подключен к штоковой полости вспомогательного цилиндра. Техническим результатом является увеличение КПД. 2 з.п.ф-лы, 1 ил. 
Изобретение относится к области машиностроения (малой энергетике) и может быть использовано в силовых установках для производства электроэнергии на подвижных и стационарных электростанциях небольшой мощности.
Известен поршневой двигатель возвратно-поступательного действия, содержащий корпус, поршень со штоком, установленные с образованием поршневой и штоковой полостей, соединенных между собой каналом, в котором установлен дроссель, при этом штоковая полость постоянно соединена с источником питания (см. а.с. №1245773). Простота конструкции, малый вес, надежность в работе выгодно отличают данный двигатель от известных, однако небольшая мощность и низкий КПД ограничивают применение его в промышленности.
Наиболее близким к предложенному изобретению по технической сущности является поршневой двигатель ударного механизма (а.с. №850370), на базе которого создан предлагаемый парогазовый поршневой двигатель. Он содержит источник питания, силовой цилиндр, поршень со штоком, установленные с образованием поршневой и штоковой полостей, ресивер, сообщающийся со штоковой полостью через отверстие в цилиндре, закрываемое торцом поршня при расположении последнего в исходном положении, распределительное устройство, выполненное в виде двухпозиционного золотника, управляющая полость которого через пусковой клапан и регулируемый дроссель подключена к штоковой полости силового цилиндра. Известный двигатель обеспечивает непрерывное возвратно-поступательное движение поршня, причем холостой ход его совершается с минимальным расходом энергоносителя без сброса его в атмосферу из штоковой полости и ресивера. Этим он выгодно отличается от известных в технике поршневых двигателей подобного типа. Недостатком является недостаточно высокий КПД использования энергоносителя, так как последний, не совершая полезной работы, из поршневой полости уходит в атмосферу.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является увеличение КПД поршневого двигателя.
Технический результат достигается тем, что поршневой двигатель, содержащий источник питания, силовой цилиндр, поршень со штоком, установленные в цилиндре с образованием штоковой и поршневой полостей, ресивер высокого давления, сообщающийся со штоковой полостью через отверстие в цилиндре, закрываемое торцом поршня при расположении последнего в исходном положении, распределительное устройство, выполненное в виде двухпозиционного золотника, управляющая полость которого через пусковой клапан и регулируемый дроссель подключена к штоковой полости силового цилиндра, в соответствии с изобретением снабжен ресивером низкого давления и вспомогательным дифференциальным цилиндром, поршневая полость которого постоянно сообщена с ресивером низкого давления, а двухпозиционный золотник выполнен четырехлинейным, причем вход его соединен с источником питания, первый выход - с поршневой полостью силового цилиндра, второй выход - с ресивером низкого давления, а канал сброса подключен к штоковой полости вспомогательного цилиндра.
Кроме того, ресивер высокого давления в предлагаемом двигателе может быть снабжен несколькими каналами, соединенными с отверстиями в боковой стенке гильзы цилиндра, перекрываемыми поршнем в момент возвращения последнего в исходное положение.
Кроме этого, вспомогательный цилиндр также может быть снабжен каналами, соединяющими штоковую полость цилиндра с ресивером низкого давления в момент прихода поршня в крайнее правое положение.
Изобретение поясняется чертежом, на котором схематично изображен парогазовый поршневой двигатель.
Двигатель содержит источник питания 1, силовой цилиндр 2, поршень 3 со штоком, разделяющие цилиндр на поршневую 4 и штоковую 5 полости, ресивер 6 высокого давления, который сообщается со штоковой полостью 5 через отверстие 7, двухпозиционный дифференциальный золотник 8, управляющая полость которого через пусковой клапан 9 и регулируемый дроссель 10 подключена к штоковой полости 5 силового цилиндра 2, в боковой стенке гильзы которого выполнено несколько отверстий 11, постоянно соединенных с ресивером 6 при помощи каналов 12. Кроме того, предлагаемый двигатель снабжен вспомогательным цилиндром 13, разделенным поршнем 14 на штоковую 15 и поршневую 16 полости, причем последняя постоянно сообщена с ресивером 17 низкого давления, а штоковая полость 15 подключена к каналу сброса 18 четырехлинейного двухпозиционного золотника 8, вход которого соединен с источником питания 1, один из выходов - с поршневой полостью 4 силового цилиндра 2, другой выход - с ресивером 17 низкого давления. Кроме этого, вспомогательный цилиндр 13 снабжен каналами 20 и отверстиями 19, при помощи которых ресивер 17 низкого давления может соединяться со штоковой полостью 15 в момент прихода поршня 14 в правое положение.
Парогазовый поршневой двигатель работает следующим образом.
В исходном положении золотник пускового клапана 9 находится в верхнем положении, соединяя при этом управляющую полость двухпозиционного золотника 8 с источником питания 1, благодаря чему поршневая полость 4 силового цилиндра 2 соединена с источником питания 1, а штоковая полость 15 вспомогательного цилиндра 13 соединена с ресивером 17 низкого давления. По этой причине оба поршня 3 и 14 силового и вспомогательного цилиндров 2 и 13 находятся в крайнем левом положении.
Давление в штоковой полости 5 силового цилиндра 2 равно давлению ресивера низкого давления 17, так как она постоянно с ним связана через микродроссель 21.
С переводом золотника в пусковом клапане 9 в нижнее положение управляющая полость золотника 8 соединяется через регулируемый дроссель 10 со штоковой полостью 5 силового цилиндра 2, в результате чего давление под левым торцом золотника 8 падает, и он, перемещаясь в крайнее левое положение, соединяет поршневую полость 4 силового цилиндра 2 со штоковой полостью 15 вспомогательного цилиндра 13. Под действием высокого давления сжатого газа (пара), находящегося в поршневой полости 4 силового цилиндра 2, поршень 14 начинает двигаться в правое положение, совершая рабочий ход, после завершения которого штоковая (рабочая) полость 15, а значит, и поршневая полость 4 силового цилиндра 2, соединяются через отверстия 19 и каналы 20 с ресивером 17 низкого давления. Когда давление в поршневой полости 4 снизится до давления, близкого к давлению в ресивере 17, и нарушится неравенство сил, действующих на поршень 3 со стороны ресивера 6 и поршневой полости 4, поршень 3 (с учетом нагрузки и давления сжатого газа (пара) в ресивере 17) совершает рабочий ход, при этом сжатый газ (пар) из ресивера 6 и штоковой полости 5, поступая через регулируемый дроссель 10 в управляющую полость золотника 8, перемещает его в крайнее правое положение, в результате чего поршневая полость 4 силового цилиндра 2 соединяется с источником питания 1, а штоковая полость 15 вспомогательного цилиндра 13 - с ресивером 17 низкого давления. Из-за разности площадей, находящихся под давлением сжатого газа (пара), оба поршня, одновременно двигаясь влево, совершают холостой ход. С приходом поршня 3 в первоначальное положение последний торцом и боковой поверхностью перекрывает отверстия 7 и 11, соединяющие ресивер 6 со штоковой полостью 5. Давление в ней падает и становится равным давлению газа (пара) в ресивере 17, вследствие чего золотник 8 вновь перемещается в крайнее левое положение, соединяя поршневую полость 4 силового цилиндра со штоковой полостью 15 вспомогательного цилиндра 13, обеспечивая тем самым непрерывное автоматическое возвратно-поступательное движение обоих поршней с необходимой частотой, определяемой настройкой дросселя 10.
Особенности конструкции, работы и применения предлагаемого парогазового поршневого двигателя заключаются в следующем.
Двигатель состоит из двух ресиверов (высокого и низкого давления) и двух силовых цилиндров (основного и вспомогательного), связанных между собой распределительным устройством, выполненным в виде двухпозиционного золотника, управляющая полость которого через пусковой клапан и регулируемый дроссель подключена к штоковой полости основного цилиндра.
Переключение золотника с одной позиции на другую осуществляется автоматически за счет падения (повышения) давления в штоковой полости основного цилиндра, благодаря чему оба цилиндра, действуя в паре, вступают в автоматический режим работы поршней с необходимой частотой, определяемой настройкой регулируемого дросселя. Связь обоих цилиндров с рабочим валом, на котором установлены маховик и электрогенератор, осуществляется при помощи обгонных устройств (условно не показаны).
Сначала работает вспомогательный цилиндр, совершая рабочий ход, после завершения которого автоматически вступает в работу основной цилиндр, поршень которого делает рабочий ход, с окончанием которого оба поршня из-за разности площадей, находящихся под давлением сжатого пара (газа), одновременно двигаясь в первоначальное положение, совершают холостой ход с минимальным расходом энергоносителя, поступающего от источника питания и ресивера высокого давления.
Наличие ресивера высокого давления улучшает технические характеристики предлагаемого двигателя. Чем больше ресивер и чем больше суммарный условный проход отверстий, соединяющих ресивер со штоковой полостью основного цилиндра во время совершения им рабочего хода, тем выше КПД и мощность предлагаемого парогазового двигателя. Однако главной причиной значительного увеличения КПД является присутствие в двигателе дополнительного цилиндра, полезная работа которого осуществляется за счет энергии пара (газа), находящегося в поршневой полости основного силового цилиндра. С наибольшим эффектом предлагаемый двигатель может быть использован в промышленных установках утилизации энергии магистрального газа, когда функции ресивера высокого давления выполняет магистральный газопровод с давлением газа в нем 50-60 кг/см, а ресивер низкого давления - потребитель, которому необходимо давление газа 5-7 кг/см. Более подробно этот случай описан в статье "Дармовые киловатты и кое-что впридачу" (журнал "Изобретатель и рационализатор", 1998, №6, стр.7).
1. Парогазовый поршневой двигатель, содержащий источник питания, силовой цилиндр, поршень со штоком, установленные в цилиндре с образованием штоковой и поршневой полостей, ресивер высокого давления, сообщающийся со штоковой полостью через отверстие в цилиндре, закрываемое торцем поршня при расположении последнего в исходном положении, распределительное устройство, выполненное в виде двухпозиционного дифференциального золотника, управляющая полость которого через пусковой клапан и регулируемый дроссель подключена к штоковой полости силового цилиндра, отличающийся тем, что он снабжен ресивером низкого давления и вспомогательным дифференциальным цилиндром, поршневая полость которого постоянно сообщена с ресивером низкого давления, а двухпозиционный золотник выполнен четырехлинейным, при этом вход его соединен с источником питания, первый выход - с поршневой полостью силового цилиндра, второй выход - с ресивером низкого давления, а канал сброса подключен к штоковой полости вспомогательного цилиндра.
2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что ресивер высокого давления дополнительно снабжен несколькими каналами, соединенными с отверстиями в боковой стенке гильзы силового цилиндра, перекрываемыми поршнем в момент возвращения последнего в исходное положение.
3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что вспомогательный цилиндр снабжен каналами, соединяющими штоковую полость цилиндра с ресивером низкого давления в момент прихода поршня в крайнее правое положение.
www.freepatent.ru
Сравнение и оценка паропоршневых электростанций с паротурбинными и газопоршневымиМеждународная научно- практическая конференция « Малая энергетика-2008»Дубинин B.C., Глотов Н.В., Королевский колледж космического машиностроения и технологий, Королёв, Московской обл., Лаврухин К.М., Научная группа «Промтеплоэнергетика», Москва, Хромченко П.А., Шкарупа С.О., МАИ, Москва, Титов Д.П., Степанова Т.А., МГАУ им В.П. Горячкина, Москва, Алханов Д.В., Погорельский Е.И., МЭИ, Москва, Трохин И.С., Погорельский Е.И., ГНУВИЭСХ, МоскваВ России более 1/7 части населения, то есть 22 млн. человек, проживают в районах автономного электроснабжения или ненадежного централизованного электроснабжения, занимающих более 70% территории России [1]. Поэтому задача создания источников электроэнергии работающих на дешевом местном топливе является актуальной. Это позволит исключить северный завоз и без того дорогого дизтоплива, а также повысит конкурентоспособность сельского хозяйства в условиях вступления России в ВТО. Это приведёт к повышению цен на природный газ до уровня близкого к мировым ценам к 2011 г. согласно постановлению Правительства РФ от 28 мая 2007 г. №333 [2]. Последнее означает рост тарифов на электроэнергию, так как основная ее часть вырабатывается в России на газовых электростанциях. Но ведь есть дешевое местное топливо - это, как правило, твердое топливо: дрова, отходы древесины, отходы сельхозпроизводства, бурый и каменный уголь. Для получения электроэнергии из такого топлива возможно несколько способов: 1. Получение горючего газа низкой калорийности в газогенераторе обращенного процесса с последующим использованием этого газа в газопоршневом двигателе приводящим электрогенератор. 2. Сжигание твердого топлива под паровым котлом и использование этого пара для работы паровой турбины, приводящей электрогенератор. 3. Сжигание твердого топлива под паровым котлом и использование этого пара для работы поршневого парового двигателя приводящего электрогенератор. Такой двигатель может быть: А) Классической паровой машиной; Б) Паропоршневым двигателем (ПОД). Далее проводится анализ и сравнение этих типов двигателей. До середины 50-х годов широко применялись, как источники газообразного топлива для транспортных [3,4,5] и стационарных (привод электрогенератора) двигателей внутреннего сгорания слоевые газогенераторы на специально подготовленном топливе (высушенные чурки лиственных пород или древесный уголь). Низкая калорийность получаемого газа в таких газогенераторах объяснялась забалластированностью его азотом и углекислым газом, так как применялось воздушное дутье и азот воздуха переходил в генераторный газ. Кроме того, для уменьшения смолы в газе для работы на чурках применялся обращенный процесс [3,4,5], что дополнительно снижало калорийность газа примерно до 1000 ккал/куб.м. Рассматривая использование генераторного газа, как топлива газопоршневых двигателей необходимо отметить, что падение мощности двигателя составляет 60 %. Это показано теоретически и подтверждено экспериментально в [3]. Там же говорится, что путём повышения степени сжатия можно снизить падение мощности до 35 %. Приведённые выше данные о падении мощности относились к довоенным двигателям с очень низкой степенью сжатия, например двигатель трактора "Фордзон" имел степень сжатия 3,94 [3]. Поэтому повышение степени сжатия до 7 давало заметный эффект [3]. Перевод серийно выпускаемых сейчас бензиновых и дизельных двигателей со степенью сжатия 7-15 на генераторный газ приведёт к падению мощности, которую уже нельзя компенсировать увеличением степени сжатия. Таким образом вывод, в работе [3], о тупиковое™ использования генераторного газа в серийных двигателях сейчас ещё более актуален, чем в 1934 г. Если сопоставлять газопоршневой двигатель с паросиловой установкой использующей водяной пар, то по чисто термодинамическим причинам (цикл Карно) его экономичность будет выше, так как температура продуктов сгорания выше температуры пара, ограниченной теплостойкостью материалов котлов. Уже в 2000 г. зарубежные судовые дизели достигли КПД 58 % [6]. Однако, в работе газогенераторной установки горючий газ, имеющий высокую температуру, надо охлаждать перед подачей в поршневой двигатель. Это приводит к сбросу во внешнюю среду примерно 20 % теплоты сгорания твердого топлива и делает её не конкурентоспособной с паросиловой установкой на базе классической паровой машины с достаточно высокими параметрами пара. Достоинством паросиловых установок на базе классических паровых машин является практически постоянный удельный расход топлива при изменении нагрузки в широких пределах, в отличии от двигателей внутреннего сгорания при работе тех и других на синхронный электрогенератор, то есть при постоянной частоте вращения. Это обеспечивает высокую экономичность электростанции при её работе автономно, так как электрическая нагрузка может меняться в очень широких пределах. Принципиальное отличие паросиловых установок от газовых двигателей является наличие накопителя значительной энергии в виде котла, выполняющего роль пароводяного аккумулятора, и стабильность рабочего тела. Это означает, что кратковременные нарушения в работе топки, например, при загрузке её топливом, не могут привести к остановке машины. Газогенераторный двигатель использует газ, состав которого меняется в процессе выгорания топлива или при загрузке газогенератора топливом, а это приводит к остановке двигателя. Прекращение выработки электроэнергии может привести к очень тяжелым последствиям. В [7] указывается: «В отношении надежности газовая машина требует более тщательного ухода, чем паровая машина. По крайней мере, по данным профессора Mayer'a поршень газовой машины необходимо вынимать и чистить каждые полгода, а клапаны -притирать ежемесячно или через каждые два месяца». Учитывая все вышесказанное, газопоршневые двигатели целесообразно применять для работы на высококалорийном газе в тех районах, где произведена газификация газом. Рассматривая же комбинированную выработку электро и тепловой энергии (когенерация) необходимо приводить технико-экономический анализ для каждого конкретного населенного пункта. Это обусловлено тем, что утилизировать тепловую энергию выхлопных газов газопоршневого двигателя гораздо сложнее, чем тепловую энергии выхлопного газа паровой машины. Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стальной стенке в 10-100 раз выше, чем от выхлопных газов. Поэтому если для пара достаточно стандартного бойлера, то котел-утилизатор выхлопных газов должен иметь поверхность теплообменника в 10-100 раз большую и соответственно более высокую металлоемкость и сложность конструкции. Паровая машина или паропоршневой двигатель могут оказаться предпочтительней, если вне отопительного сезона максимальная электрическая мощность меньше чем произведение полного КПД паросиловой установки на сумму тепловой и электрической мощности. В этом случае весь пар будет полезно использован. Такой сравнительный технико-экономический анализ может провести научная группа МАИ «Промтеплоэнергетика». Сопоставим теперь паровые турбины с поршневыми паровыми двигателями. Понятие «Паропоршневые двигатели» (ППД) было впервые введено в научный оборот научной группой «Промтеплоэнергетика» МАИ в 2003 г. [8] и опубликовано в научном журнале в 2006 г. [9]. Это высокооборотные паровые машины с частотой вращения более 1000 об/мин при этом ход и диаметр поршня ППД в несколько раз меньше чем у паровых машин равного рабочего объема. Это позволяет иметь сопоставимую с паровыми машинами скорость поршня при большей частоте вращения, а необходимый рабочий объем набирается путем применения нескольких одинаковых по геометрии и рабочему процессу цилиндров, пар через которые проходит параллельно. Паропоршневые двигатели для энергетики, как правило, создаются на базе серийных двигателей внутреннего сгорания и являются паровыми машинами одностороннего действия. Использование изобретений сотрудников научной группы МАИ «Промтеплоэнергетика» позволяет сохранить практически всю конструкцию исходного двигателя, измению подлежит лишь механизм газораспределения. Это обеспечивает низкую стоимость в связи с тем, что исходные двигатели автомобилей и тракторов являются продукцией крупносерийного производства. С другой стороны такой подход сохраняет преемственность с паровыми машинами по рабочему процессу и дает возможность сравнивать параметры ППД с паровыми турбинами, опираясь на опубликованные результаты испытаний паровых машин. Сравнение поршневого двигателя и турбины (обои внешнего сгорания) впервые было проведено в работе [10]. Оптимальная частота вращения ППД в 160 раз меньше турбины, что позволяет приводить им электрогенератор промышленной частоты и промышленное оборудование напрямую, без использования редуктора. Давление на выходе из турбин близко к нулю, в то время как давление на выходе этого ППД ~1,4 ат. То есть он может работать на водяном пару с противодавлением, осуществляя комбинированную выработку электроэнергии и тепловой энергии. Сопоставляя в [11] удельный расход пара паровой машины постройки 1921 года и современных паровых турбин, составляющих в настоящее время основу энергетики России можно видеть, из таблицы 1, что они близки:
Вывод таков, что паропоршневые двигатели, работающие в составе паросиловой установки твердого топлива, имеют преимущества перед другими способами выработки электроэнергии из твердого топлива в значительном диапазоне параметров электропотребления.Литература
ОАО "Малая энергетика", www.energetica.ru |
ex.kabobo.ru
Область применения: в энергетических, компрессорных, насосных, вентиляционных установках, транспортных машинах. Задача: повышение коэффициента использования теплоты сгорания топлива при одновременном получении электроэнергии и тепла, а также улучшение весогабаритных характеристик и экономических параметров парового двигателя. Технический результат: для более полного использования энергии сгорания топлива в парогенераторе благодаря одновременному получению электроэнергии или механической работы и тепла в качестве силовой расширительной машины применен серийный роторно-поршневой двигатель, а в качестве утилизатора тепла отработанного пара применен теплообменный аппарат - конденсатор.
Агрегатная мощность парового двигателя может увеличиваться за счет увеличения количества автономных парогенераторов, одновременно работающих в комбинации с одним паровым двигателем. Но, при работе парового двигателя с малыми нагрузками отдельные парогенераторы выключают, достигая в этом случае экономии топлива и ресурса и еще более высокой экономичности силового агрегата, т.к. работающие парогенераторы функционируют на оптимальном по экономичности режиме.
Полезная модель относится к паровым машинам, в частности, к паровым двигателям.
Существуют различные типы паровых двигателей. Это поршневые паровые машины (паровозы, пароходы, локомобили), паротурбинные (ТЭЦ, корабли), паровые детандеры и др. В настоящее время в мире и России введутся исследования по применению паропоршневых машин на основе серийных двигателей внутреннего сгорания. (См. статью Дубинина B.C. и Лаврухина К.М. «К вопросу о применении паропоршневых машин», журнал Турбины и дизели 
2 2006 г. с.16-19).
При работе парового двигателя под воздействием давления пара, полученного в парогенераторе или паровом котле, на поршни двигателя происходит получение полезной работы. При этом в двигателе происходит расширение пара.
Поршневая паровая машина является первым тепловым двигателем, получившим в свое время широкое промышленное применение. В 19 веке почти вся энергия, используемая человеком, производилась с помощью паровых машин, которые сыграли исключителью роль в прогрессе промышленности и транспорта *См. «Паровая машина», Советский энциклопедический словарь 1981 с. 981).
Даже первые автомобили были с паровыми двигателями.
С появлением паровых турбин паровые машины оказались невостребованными, особенно в электроэнергетике при централизованном энергоснабжении с разветвленными энергосетями. Однако в настоящее время надежность централизованного электроснабжения понизилась, а стоимость возросла. Поэтому автономное энергообеспечение становится востребованным.
В этой связи за рубежом вполне обоснованно осваивается производство современных паровых двигателей, позволяющих в автономных условиях, используя местное топливо, получать с меньшими затратами и не меньшей эффективностью электроэнергию и использовать отходящее тепло.
Отечественная промышленность производит паровые котлы малой мощности с топками для различных видов топлива, генераторы, эффективные теплообменные аппараты - не выпускаются только паровые машины.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является поршневая паровая машина паровоза и локомобиля, содержащая общие признаки, присущие силовым расширительным машинам объемного типа.
Недостатками прототипа являются наличие поступательно движущихся поршней с остановками в мертвых точках, а также шатунов, кривошипов, без которых невозможно преобразование поступательного движения поршней во вращение.
Задачей предлагаемой полезной модели является более простое использование давления пара для получения вращения выходного вала парового двигателя объемного типа, без применения шатунов, кривошипов и поступательно движущихся поршней, а также для улучшения весогабаритных характеристик парового двигателя.
В результате использования предлагаемой полезной модели - работающего на паре роторно-поршневого двигателя (РПД), как наиболее совершенного из современных двигателей, повышается эффективность использования пара при одновременном получении электроэнергии и тепла, т.е. за счет когенерации энергии сгораемого топлива. Это легкий, компактный двигатель не имеет поршней, шатунов, коленчатого вала, клапанов, золотников и других деталей (всего на 40% меньше деталей паропоршневого двигателя), частота вращения достигает 10000 об/мин, а крутящий момент при работе на паре возрастает с уменьшением частоты вращения - как у поршневой паровой машины.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в качестве силовой паровой расширительной машины применен паровой РПД.
Таким образом, чтобы с нуля не создавать новый паровой двигатель, в качестве основного элемента полезной модели может быть использован, например, РПД, работающий совместно с парогенератором в составе автономной энергоустановки малой мощности (от 100 до 1000 кВт).
В таком паровом РПД происходит работа пара, получаемого в автономном парогенераторе или отводимого из паровой системы ТЭЦ, атомной энергетической установки корабля с преобразованием энергии пара в полезную механическую работу для привода различных механизмов - насосов, компрессоров, вентиляторов, генераторов, дымососов и т.д. Отработанный в паровом РПД пар может после конденсации возвращаться в пароводяную систему ТЭЦ или корабля.
Предлагаемый паровой двигатель объемного типа, а не лопаточного типа исключает потребность высокого расхода рабочего тела (пара) для получения одинаковой мощности.
В зависимости от величины давления пара на входе в паровой двигатель и необходимости его понижения в процессе работы до минимального давления цикла двигатель может иметь несколько ступеней понижения давления.
Выбор количества ступеней понижения давления пара в РПД будет определяться требованиями по мощности, весу, габаритам, крутящему моменту на выходном валу парового двигателя.
Полезная модель поясняется чертежом, на котором представлена общая схема парового двигателя. Паровой двигатель по схеме содержит парогенератор 1, силовой агрегат, преобразующий энергию пара для получения полезной работы, - роторно-поршневой двигатель 2, конденсатор 3, а также вспомогательные элементы: конденсатный насос 4 для подачи воды в парогенератор и электрический генератор 5 для обеспечения нагрузки на паровой двигатель.
Работает автономный паровой двигатель следующим образом.
Пар из парогенератора с рабочим давлением поступает в роторно-поршневой двигатель, где совершает полезную работу с получением мощности на приводном валу электрического генератора, во время работы двигателя понижается давление пара почти до атмосферного. Затем отработанный пар поступает в конденсатор, где охлаждается и конденсируется.
Получаемая в конденсаторе вода конденсатным насосом подается в парогенератор и вновь превращается в пар от теплоты, получаемой от сгораемого в парогенераторе топлива. Замкнутый цикл повторяется.
При необходимости, несколько парогенераторов могут группироваться для обеспечения работы одного парового двигателя большой мощности большой мощности или для создания паровых двигателей различной мощности на основе нескольких одинаковых парогенераторов. Но, при работе с малыми нагрузками отдельные парогенераторы отключаются, обеспечивая повышенную экономию топлива и ресурса энергетической установки. В этом случае работающие парогенераторы функционируют на оптимальном по экономичности режиме, а остановленные парогенераторы не расходуют топливо и ресурс.
Важная особенность полезной модели - многотопливность (уголь, газ, мазут, торф, древесные отходы и др.).
Паровой двигатель, состоящий из парогенератора, конденсатора, конденсатного насоса и расширительной машины, отличающийся тем, что в качестве расширительной машины применен роторно-поршневой двигатель.
poleznayamodel.ru
При автономной выработке электроэнергии, необходимо поддержание стабильной частоты тока 50 ± 0,2 Гц, то есть ± 0,4 % (ГОСТ 13109-9723). Для дизель-генераторы ГОСТ 13822-83 предусматривает отклонение частоты в установившихся режимах ± 1 %, а в переходных ± 5 %. В турбинах необходим автомат безопасности, так как при сбросе нагрузки они уходят в разнос. Паропоршневой двигатель может быть спроектирован так, чтобы «Разносная» частота вращения соответствовала максимальной частоте вращения исходного дизельного или бензинового двигателя. Одним из авторов статьи была предложена, возможность самостабилизации частоты вращения тепловых двигателей дискретного действия к которым относятся газопоршневые и паропоршневые двигатели [12, 13].
