I. Проблема
Несколько лет назад американская авиационно-космическая компания XCOR Aerospace Inc. объявила солидную премию за создание высокоэффективной паровой машины (ПМ). Чем же привлекателен сегодня этот тепловой двигатель и какие у него преимущества перед паровыми турбинами (ПТ) в стационарной энергетике?
В современном научном сообществе уже в течение нескольких последних десятилетий активно ведётся дискуссия об изменении климата на планете в результате человеческой деятельности. В какую сторону меняется климат, специалисты пока не пришли к единому мнению. Но в обоих случаях, при похолодании или потеплении, совершенно ясно одно - человечество должно использовать существующие энергоресурсы более эффективно. В ближайшие десятилетия человечество вероятно, ещё не сможет полностью избавиться от зависимости от ископаемого топлива и получения энергии способом его сжигания. Но, несомненно, уже сегодня человечество может повышать коэффициент полезного использования тепла, полученного в процессе сжигания углеводородного топлива. Один из таких способов видится в совершенствовании технологий когенерации энергии и создания новых механизмов с увеличенным коэффициентом полезного действия. Использование паровых технологий и машин является одним из таких способов. Ниже рассмотрим эту технологию подробнее.
Что касается возобновляемой энергетики, то по состоянию на февраль 2019 г. "Участники оптового рынка электроэнергии продолжают настаивать на нецелесообразности продления субсидирования возобновляемой энергетики (ВИЭ) после выборки ранее выделенных квот, так как программа фактически не достигла своих целей, а российские технологии не являются конкурентоспособными ни в РФ, ни за рубежом." (по данным ресурса Энерговектор). Это проблема.
Вернёмся на землю, к традиционным источникам энергии.
На рис.1 приведено количество аварий в год на 10000 км различных инженерных сетей. Это сделано в логарифмическом масштабе, а абсолютные цифры указаны сверху столбцов. Видно, что электрические сети имеют в разы большую аварийность, чем газовые, в то же время тепловые сети имеют на несколько порядков большую аварийность, чем газовые и электрические сети (из диссертации В.С.Дубинина).
Сводка последних происшествий
19.02.19 Без отопления и горячей воды остались 79 домов Новосибирска
19.02.19 На Ямале порядка 160 домов остались без света
19.02.19 Отключение воды и света в Липецке 19 и 20 февраля
19.02.19 Дагестанские энергетики перешли на особый режим работы
19.02.19 В Улан-Удэ из-за коммунальной аварии почти 300 домов остались без горячей воды
На рис. 2, столбцы №1 и №4, приведены соответственно расчетная удельная стоимость в рублях на кВт км системообразующих газопровода диаметром 1400 мм и воздушной линии электропередачи 500 кВ. Для построения столбцов 2,3,5,6,7,8 были использованы данные, опубликованные по капитальным вложениям в газопроводы, воздушные линии электропередач и теплосети. Из рассмотрения рис. 2 видно, что газопроводы имеют наименьшую удельную стоимость прокладки. Всё это показывает, что в современных условиях не следует при появлении потребности в электроэнергии непременно строить ВЛ или прокладывать кабель. В каждом конкретном случае необходимо производить сравнительный анализ нескольких вариантов энергоснабжения. Очень часто в полностью газифицированных регионах России может оказаться целесообразной прокладка газопровода, а не ВЛ или кабеля. В других регионах тоже может оказаться более целесообразной децентрализованная выработка электроэнергии на базе местного топлива или угля с помощью паропоршневых двигателей
На рис. 3 представлены КПД различных установок в зависимости от мощности.
Наиболее перспективна работа теплоэлектростанций по теплофикационному циклу. В этом случае главным показателем экономичности является коэффициент использования тепла топлива (КИТТ), он для разных электростанций, применение которых в России реально, приведён на рис.4: столбцы 1,2,3,4 минимальный и максимальный среднечасовой КИТТ, столбцы 5,6,7,8,9 среднечасовой КИТТ в режиме номинальной электрической и тепловой мощности. Видно, что преимущества имеют газопоршневые ТЭЦ перед газотурбинными ТЭЦ.
В энергетических установках малой (до 1 МВт) и средней (1–10 МВт) мощности, которые очень часто называют мини ТЭЦ (мини-ТЭС), ПМ как двигатель для привода электрогенератора или технологического оборудования (например, насоса или тягодутьевого вентилятора в котельной) по сравнению с ПТ при соизмеримых мощностях и параметрах пара характеризуется следующими положительными качествами:
- широким динамическим диапазоном регулирования мощности, т.е. отношением верхнего предела диапазона регулирования мощности к нижнему, в рамках которого двигатель работает с приемлемым по эффективности расходом пара, большей в сравнении с ПТ энергетической эффективностью.
- практической нечувствительностью к качеству пара (работа на влажном паре);
- возможностью прямого привода электрогенератора или технологического оборудования без промежуточных механических передач.
Вместе с тем, стоимость зарубежных ПМ выше, чем отечественного ПТ энергетического оборудования. Однако, на фоне перечисленных выше достоинств таких моторов и ряда рассмотренных ниже вполне успешных проектов их применения, этот экономического характера недостаток с точки зрения капитальных затрат эффективно компенсируется при эксплуатации и принципиально может быть устранен для российских ППД.
II. Предлагаемая технология решения проблемы
Изложенные выше особенности ПМ позволили им занять определенную нишу на рынке энергетического оборудования для малой энергетики, правда, пока только за рубежом. например, PM-VS (Чехия), Spilling Energie Systeme GmbH (Германия), Cyclone Power Technologies (США).
Существующие подобные установки работают в замкнутом контуре по циклу Р.Ренкина.
В то же время специалистами отмечается, что возможности уникального в данном отношении вещества – воды – в современной теплоэнергетике практически исчерпаны. Есть решение этой проблемы. Суть его состоит в организации собственного производства электрической энергии, например, в водогрейной котельной на базе осуществления цикла Ренкина, используя в качестве рабочего тела низкокипящее вещество (подробнее в статье "Возможности производства электроэнергии в водогрейных котельных")
Известно, что термический коэффициент полезного действия (КПД) тепловой машины зависит не столько от температуры рабочего тела, сколько от разности температур на входе и выходе установки. По этой причине современная ʼʼбольшаяʼʼ теплоэнергетика вынуждена пока работать в условиях, диктуемых свойствами воды. Между тем ʼʼрасширениеʼʼ интервала температур работы тепловых электростанций остается в числе актуальных проблем повышения эффективности теплоэнергетики. И здесь есть только один путь – ʼʼвнизʼʼ, т.е. снижение температуры рабочего тела на выходе. Его предопределяют не только законы термодинамики, но и климатические условия как в России, так и в некоторых других странах.
При этом в ʼʼневодянойʼʼ теплоэнергетике существует водоаммиачное направление, основанное на циклах А.И. Калины, разработанном им при активной поддержке известного американского ученого, специалиста в области термодинамики М. Трайбуса.
Задача, стоящая перед разработчиками заключается в создании установки роторно-поршневого типа, работающей по циклу А.Калины, как одного из возможных вариантов создания работоспособной высокоэффективной паровой энергетической установки.
III. Продукт проекта.
Основным рабочим узлом установки является коловратно-поршневая машина (МКП), сочетающая в себе достоинства, тронкового парового поршневого двигателя (ППД) и паровой турбины (ПТ).
МКП так же как ППД, имеет более высокий термический КПД и более высокую энергетическую эффективность, чем ПТ, менее затратен в производстве, эксплуатации и ремонте.
МКП так же, как ПТ имеет более высокие обороты вала и более высокий механический КПД, чем ППД.
Вместе с тем, в отличие от тронкового поршневого двигателя, в котором через парораспределительное устройство (золотник) проходят, как горячие входные потоки пара, так и холодные выходные, что приводит к снижению температуры пара на входе, газораспределение в предлагаемой схеме осуществляется через разнесённые каналы, вход и выход находятся в противоположных частях камеры. Это позволяет сохранять температуру пара на входе с заданными параметрами.
В то же время, в отличие от большинства роторных схем (лопастных, пластинчатых, винтовых и др.) представляющих собой простую прямоточную машину, входной канал имеет отсечку по пару, а выходной канал отсечку мятого пара, что аналогично рабочему процессу в непревзойдённой по данному параметру тронковой ППМ. Поскольку данное устройство разрабатывается с «нуля», в отличие от применяемых в настоящее время установок, конструируемых в основном на базе существующих ДВС, имеется возможность изначально заложить в конструкцию и технологию современные способы получения необходимых свойств материалов, изготовления деталей, оптимизации конструкции под требования конкретной сферы применения.
Кроме того, отличие предлагаемой конструкции от других роторных схем заключается в особенностях геометрической формы камеры и перемещающегося в ней ротора, позволяющей получить дополнительный такт расширения рабочего тела (дорасширение) внутри полости машины, что позволяет получить на выходе пар значительно более низкой температуры, чем на выходе как ППД, так и ПТ. Соответственно, термический КПД данной конструкции ожидается более высоким.
Как можно понять из представленной ниже анимации, ротор имеет характерную особенность, обусловленную его формой и формой рабочей камеры - это поршень двустороннего действия. Это значит, что каждое перемещение поршня является рабочим, без холостых пробегов, в некоторой степени дополнительно снижающих КПД в тронковой ПМ. Потери тепла через поршень отсутствуют.
IV. Оценка рынка.
Рынок паровых двигателей для котельных определяется тем, что в СНГ имеется 200 тысяч котельных. Примерно половина из них – паровые, в каждой не менее трех котлов. Если паровым двигателем приводить вспомогательное оборудование котельной, то для каждого парового котла потребуется паровой двигатель привода дымососа, паровой двигатель привода дутьевого вентилятора, паровой двигатель привода питательного насоса. А для привода электрогенератора, запитывающего освещение котельной и КИПиА потребуется еще один паровой двигатель, кроме того потребуется, как минимум, один паровой двигатель сетевого насоса и еще один для насоса подачи горячей воды. Либо для одной котельной нужен большой паровой двигатель приводящий электрогенератор обеспечивающий электроэнергией всю котельную. Этот вариант менее экономически целесообразен, так как предусматривает двойное преобразование энергии и большие затраты на приобретение мощного электрогенератора. Кроме того, в эксплуатации остаются электродвигатели, приводящие вспомогательное оборудование котельной.
В продолжении этого списка: мини-ТЭЦ сельского дома, мини-ТЭЦ коттеджа. Это актуально, так как с 01.01.2019 селянам разрешено собирать валежник в лесу. Это прекрасное экологически-чистое топливо. Актуальны паровые двигатели для применения на деревообрабатывающих предприятиях, особенно на тех, где сушка древесины осуществляется паром или горячей водой. Для них это не только избавление от отходов деревообработки, но и бесплатная электрическая и тепловая энергия.
Как представляется, потенциально промышленными заказчиками технологии могут быть предприятия с большими объёмами использования тепла в своей технологии, для утилизации которого в настоящее время используются масштабные сооружения – градирни: предприятия металлургической, стекольной промышленности, АЭС, а также предприятия и население в труднодоступных районах без централизованных сетей газо- и электроснабжения, что особенно актуально для выживания населения в Сибири и Севера России.
Хотелось бы акцентировать внимание на том, что электроагрегаты с ППД как нельзя лучше подходят для автономных и экологически чистых при работе энергоустановок с солнечными коллекторами. Вместе с «солнечным» паровым котлом они могут использоваться в солнечной паропоршневой энергоустановке для электро-, тепло- и холодоснабжения сельских домов и хозяйственных объектов. В некоторых странах для этого используются турбины, для чего требуются достаточно высокие параметры пара (120 бар, 500 С)
Размер целевого рынка в денежных знаках можно определить исходя из вышеизложенного и того, что удельная стоимость ППД фирмы Spilling Energie Systeme GmbH (Германия) составляет 1200 евро за кВт.
V. План коммерциализации.
На данном этапе разработки предполагается создание опытного образца основного узла установки – роторной поршневой машины.
По окончании этапа рабочая модель будет предложена в качестве привода разработчику паровых установок на базе поршневых машин Московского авиационного института, в составе которого существует специально созданная научная группа «Промтеплоэнергетика» для работы в данном направлении, о чём есть предварительная договорённость с руководителем группы В.С.Дубининым. Группа имеет свою опытно-производственную базу в Королёвском колледже космического машиностроения и технологий с современными станками ЧПУ, а также высококвалифицированный технический и рабочий персонал.
После принятия решения об интеграции и объединении усилий обоих разработчиков и решения ряда других вопросов по энерго-сервисному контракту будут проведены работы в одной из котельных по созданию ППД, приводящего электрогенератор мощностью 8-10 кВт. Опытно-промышленная эксплуатация этой установки без технического обслуживания в течении года, а лучше двух, но как минимум в течении одного отопительного сезона позволит заключать договора о поставке ППУ (паро-поршневой установки) заинтересованным организациям.
Дальнейшая коммерциализация проекта предполагается в сотрудничестве и по плану данной группы.
Предполагается также использование опыта данного проекта в разработке силовых установок (СУ) для транспорта, строительной индустрии, сельского хозяйства.
Паропоршневые перспективы отечественной биоэнергетики связаны и непосредственно с биотопливной инфраструктурой. Над технологиями получения биодизельных, смесевых моторных и котельных, а также газообразных топлив работают специалисты, например, из ВИЭСХа – Всероссийского научно-исследовательского института электрификации сельского хозяйства Россельхозакадемии. Совместно с коллегами из Московского государственного университета инженерной экологии они развивают и очень актуальное в современной мировой биоэнергетике направление – получение биотоплив из микроводорослей. Последние возможно сжигать под котлами либо перерабатывать, к примеру, в биодизельное или жидкое котельное топливо.
А ученые Д.А.Ковалев и Е.Н. Камайданов из того же ВИЭСХа изобрели установку для переработки органических отходов растительного и животного происхождения (российский патент RU 2473526), в которой не обошлось без паропоршневой машины! Изобретение представляет, по существу,гибридную паропоршневую конденсационную мини-электростанцию с газификацией твердой биомассы и биогазопоршневую мини-ТЭЦ.
Цитаты по теме:
"– Есть утвержденная Государственная программа развития энергетики в стране, которую разрабатывали академики из Российской академии наук. В ней учитываются особенности нашей страны, и большая часть в этой стратегии посвящена распределенной генерации. Во-первых, это позволит экономить газ, который сейчас сжигается в неэффективных котельных. Во-вторых, это повысит надежность энергосистемы, которая не будет зависеть от одной гигантской ТЭЦ.
Мы очень большая страна. И нам надо понять, что же выгоднее – прокладывать огромное количество сетей и труб от источника энергии к потребителю или просто переместить источник ближе? Тут, на самом деле, простая математика. И конечно, здесь также хорошо подойдет когенерация". /Максим Севрюков, председатель совета директоров АО «ГТ Энерго» (Газета "Энергетика и промышленность России, № 10 (342) май 2018 г. ")/
Паропоршневое будущее малой энергетики России (pdf)
Перспективы паропоршневой биоэнергетики в России (pdf)
Электростанции XXI века разрабатываются в наукограде (pdf)
Паровой Ванкель Da Vinci RHE (Япония) (eng pdf)
Семь неудобных фактов «зелёной» энергетики, о которых молчат СМИ
|
