АВТОНОМНОЕ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ. МИНИ-ТЭС НА БАЗЕ КОТЕЛЬНЫХ.

Паровоз следует в котельную

    

Российские специалисты по паровым поршневым машинам анализируют возможности разработки таких тепловых двигателей для мини-ТЭЦ на базе котельных.

Большинство крупных городов России с населением более 500 тысяч человек располагают ТЭЦ. Однако даже в Москве около 30 процентов тепловой энергии вырабатывается муниципальными и промышленными котельными. В городах России с населением от 100 до 500 тысяч человек (Белгород, Курск и другие) котельными вырабатывается большая часть тепловой энергии. Общее количество котельных в стране превышает 200 тысяч.

Россия является самой холодной страной мира. В зоне жестких климатических условий расположены крупные города (Воркута, Сургут, Нижневартовск, Норильск и другие). Это означает, что останов котельных зимой может привести к национальной катастрофе. Даже если работники коммунальных служб вовремя сольют воду из тепловых сетей и котельного оборудования, часть ее может остаться и в виде льда повредить трубы.

Причиной массового останова котельных являются, в частности, перерывы в их электроснабжении, так как вспомогательное оборудование котельных (дутьевые вентиляторы, дымососы, насосы) имеет электрический привод. Без электрической энергии котельная встает, несмотря на наличие топлива. Однако потребляемая котельной электрическая мощность составляет всего несколько процентов от вырабатываемой тепловой мощности. Поэтому необходимо, чтобы каждая котельная работала независимо от внешних электрических сетей. Тривиальным решением здесь является установка в котельной газопоршневого электрического агрегата, обеспечивающего ее собственные нужды. Но данное решение возможно в газовых котельных. При этом работать такой агрегат должен автономно от сети, что означает провал частоты при запуске мощных электродвигателей.

Мини-ТЭЦ как выход

Еще в начале 2000‑х годов рядом специалистов была показана целесообразность перевода котельных в мини-ТЭЦ. Но создание последних на базе котельных, работающих параллельно с централизованными электрическими сетями, не гарантирует теплоснабжения от мини-ТЭЦ в случае отключения их от данных сетей. Например, при аварии 25 мая 2005 года в Мос­ковской электроэнергетической системе остановились ТЭЦ «Мос­энерго», попавшие в ее зону, так как не смогли обеспечить электропитание собственных нужд.

Для мини-ТЭЦ на базе котельной, в том числе газовой, предпочтительней может оказаться паросиловая установка (ПСУ), чем газопоршневой или газотурбинный электрический агрегат. Дело в том, что при полной конденсации выхлопного пара, осуществляющейся, как правило, в бойлере горячей воды, можно получить коэффициент использования теплоты сгорания топлива, близкий к КПД парового котла. Установка же котла-утилизатора ограниченной металлоемкости на выхлопных газах газопоршневого или газотурбинного двигателя не может дать близкую к 100 процентам утилизацию выхлопных газов, так как коэффициент теплоотдачи от газа к стенке на порядок ниже, чем от конденсирующегося пара к стенке. При прекращении подачи газа и переходе на резервное топливо (мазут) ПСУ продолжит работу, а газовый двигатель – нет. Кроме того, на газовый двигатель необходимо получать разрешение от треста газового хозяйства как на новое газоиспользующее оборудование.

Паросиловая мини-ТЭЦ может работать и на твердом топливе, что становится целесообразным в связи со вступлением России во Всемирную торговую организацию. Рано или поздно последнее обстоятельство приведет к выравниванию внутрироссийских цен на газ с мировыми, то есть к их повышению. Если рассматривать использование электрической и механической энергии только внутри котельной, то отношение электрической энергии к тепловой оказывается очень низким, что делает использование ПСУ в газовых котельных предпочтительным по сравнению с газовыми двигателями, а в котельных на твердом топливе им вообще нет альтернативы.

Необходимый КПД ПСУ для паровой котельной очень низок и обеспечивается любым из далее рассматриваемых их типов. Что касается водогрейной котельной, то определение целесообразности применения газовых двигателей или ПСУ можно сделать только технико-экономическим расчетом для каждого конкретного случая. Технические решения для применения ПСУ здесь могут быть следующими: реконструкция водогрейного котла в пароводогрейный; использование турбины или поршневого двигателя, способного работать на перегретой воде; использование аппарата вскипания для получения пара из перегретой воды; установка в водогрейной котельной дополнительного парового котла.

Применение ПСУ для привода генератора в котельной – широко известный метод. Например, Калужский турбинный завод выпускает специальные электрические агрегаты с малыми паровыми турбинами мощностью до нескольких мегаватт. Такие агрегаты могут работать на перегретом и насыщенном паре. Однако в своей работе мы столкнулись с тем, что большинство паровых отопительных котельных не оснащены пароперегревателями и производят влажный пар. А даже паровинтовые машины требуют пара с сухостью от 0,89 и выше. Кроме того, турбины потребляют много воды для охлаждения, что снижает их технико-экономические показатели.

Вспомним о паровых машинах

Более перспективной ПСУ для обеспечения работы котельной является, на наш взгляд, ПСУ с паровой поршневой машиной (паровой машиной). Некоторые руководители предприятий, доведенные до отчаяния энергетическими проблемами, пытаются использовать паровозы для привода электрических генераторов. Получается очень громоздкая и металлоемкая конструкция. По всей видимости, это тупиковое направление, так как система смазки паровоза предполагает попадание масла в выхлопной пар, который у паровоза сбрасывается в атмосферу. Поэтому, даже если удастся создать выхлопной коллектор и использовать пар для получения горячей воды через бойлеры для отопления и горячего водоснабжения, конденсат такого пара будет загрязнен маслом в концентрации, не позволяющей отправить его через питательный насос обратно в котел (согласно нормативам, концентрация нефтепродуктов в питательной воде паровых котлов с рабочим давлением 1,4 МПа не должна превышать 3 мг / кг, а выхлопной пар паровоза имеет концентрацию масла, приближенно, в десять-сто раз больше). Слив конденсата в канализацию экономически нецелесообразен. Поэтому надо предусматривать металлоемкие и громоздкие маслоулавливающие устройства.

Применение стационарных паровых машин для промышленных целей было широко распространено в XIX веке, однако сейчас они не должны быть копией агрегатов, выпускавшихся более шестидесяти лет назад. Мы считаем правильным направлением конверсию серийных поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) в паровые машины.

Справедливости ради отметим, что летом 1938 года в нашей стране на катере была испытана ПСУ разработки специалистов Московского авиационного института (МАИ), предназначенная для легкого самолета. Ее компактная высокооборотная паровая машина – паропоршневой двигатель (ППД) – при давлении пара 7,5 МПа имела мощность около 110 кВт при частоте вращения коленчатого вала 1600 оборотов в минуту. В 1980‑х годах в МАИ были созданы двухтактные поршневые ДВС, которые запускались как паровая машина. Паровые машины ушли из большой энергетики в начале XX века в тот период, когда требовались большие мощности для централизованных систем электроснабжения, работавших на каменном угле. Тогда еще не умели делать экологически приемлемые котлы малой мощности на угле, а месторождения природного газа еще не были открыты. Паровые машины большой мощности тогда были бы очень громоздкими.

Поэтому авторы не исключают возврата и в большую энергетику поршневых паровых машин. Более компактные, чем классические паровые машины, ППД можно создавать сегодня на базе судовых и тепловозных дизелей. Ресурс таких ППД будет в разы выше, чем у паровых турбин, а стоимость в серийном производстве может оказаться ниже. Упомянутые выше дизели работают 80‑120 тысяч часов до капитального ремонта на мазуте с содержанием серы до пяти процентов, то есть их цилиндрово-поршневая группа соприкасается с серной кислотой, а не с дистиллированной водой, как в паровых машинах.

Объединенной научной группой «Промтеплоэнергетика» Московского государственного областного технологического университета в Королеве Московской области ведутся разработки ППД на базе серийных отечественных ДВС. Подвижные и изнашивающиеся детали ППД принципиально возможно сохранять от конверсионных ДВС, что обеспечит решение проблемы запасных частей и ремонта ППД специалистами по ДВС.

ППД предназначены в первую очередь для котельных, где они могут устанавливаться параллельно задвижке, дросселирующей пар, поступающий от 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 остается насыщенным. А наиболее перспективным является ППД с бесшатунным механизмом преобразования поступательного движения поршня во вращательное движение вала по схеме советского изобретателя С. С. Баландина. Эта схема наиболее просто позволяет решить вопрос исключения попадания воды в смазочное масло и последнего – в выхлопной пар. Такой ППД будет еще более компактным, чем на базе традиционных ДВС.

Теперь обратим внимание на проблему автономной выработки электрической энергии. Это поддержание стабильной частоты тока на уровне 50±0,2 Гц по ГОСТ Р 54149‑2010, в требования которого не укладывается ни один регулятор, применяемый на современных тепловых двигателях, при изменении нагрузки. Какие варианты решения проблемы здесь существуют? Первый – параллельная работа с сетью. В этом случае при отключении от централизованной электрической сети ПСУ не сможет вырабатывать электрическую энергию по ГОСТ Р 54149. Второй – выпрямление тока, а затем, через инвертор, его преобразование в переменный ток стабильной частоты. Стоимость электротехнического оборудования при этом существенно возрастает и значительно увеличивает срок окупаемости всей электрогенерирующей ПСУ. Третий – возможность поддержания стабильной частоты тока за счет самостабилизации частоты вращения приводного поршневого двигателя по методу В. С. Дубинина, без организации обратных связей (В. С. Дубинин. Совершенствование систем энергоснабжения в газифицированных регионах России на базе поршневых технологий: дис. ... канд. техн. наук. – М., МЭИ. – 2013). Такая ПСУ принципиально может стать простой, надежной и дешевой.