Малая тепловая электростанция - это реально!
Основные недостатки эксплуатации электростанций с паровыми турбинами, работающих на местных видах топлива. Малые тепловые электростанции, в которых для привода генератора используются поршневые паровые машины. Изготовление поршневой паровой машины.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 30.01.2017 |
| Размер файла | 1,1 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
8
Размещено на http://www.allbest.ru/
Малая тепловая электростанция - это реально!
В.А. Жигалов, зам. главного механика
ОАО "Бийского котельного завода", Алтайский край
Какие же источники электроэнергии мощностью до 4 МВт имеются на нашем, да и на мировом рынках?
В качестве таких источников предлагаются электростанции с двигателями внутреннего сгорания (ДВС), работающими на жидком или газообразном топливе и электростанции с газовыми или паровыми турбинами. Ветряные электростанции рассматриваться не будут, поскольку они не могут применяться в континентальных районах, где средняя скорость ветра невысока.
Наибольшее распространение имеют электростанции с ДВС, работающими на жидком топливе. Имея большие затраты на топливо, они производят самую дорогую электроэнергию. Кроме того, имеющимися средствами удается использовать лишь небольшую часть сбрасываемого такими двигателями тепла. Решающим аргументом за их применение являются невысокие требования к обслуживающему персоналу и небольшие затраты на приобретение и запуск таких станций.
Электростанции с ДВС, которые работают на магистральном или попутном газе, имеют приемлемую стоимость электроэнергии, однако ограничен регион их применения только газифицированными районами. То же относится и к электростанциям с газовыми турбинами.
Электростанции с паровыми турбинами, работающие на местных видах топлива, сами имеют высокую стоимость и большие эксплуатационные расходы. И так же, как газотурбинные электростанции, требуют обслуживания специалистами высокой квалификации.
Указанных недостатков лишены малые тепловые электростанции (МТЭС), в которых для привода генератора используются поршневые паровые машины.
Для стационарных паровых машин достигнутый еще 60 лет назад уровень КПД составлял 22%.
Следует напомнить, что термический КПД всех типов паровых машин (поршневых, винтовых турбин) вычисляется по одной формуле. При одинаковых исходных и конечных параметрах пара все эти машины будут иметь одинаковый термический КПД. Мощные турбины имеют высокий КПД только за счет высоких параметров пара. А для работы на паре с давлением до 4 МПа можно применять машину наиболее простой конструкции - поршневую паровую машину.
Для повышения общего КПД установки должна использоваться энергия, оставшаяся в паре после его срабатывания в машине. Мятый пар направляется на технологические нужды или для теплоснабжения. В этом случае КПД МТЭС может достигать 70%.
В 2003-2004 гг. автор изготовил и испытал два силовых модуля МТЭС с 6-цилиндровыми поршневыми паровыми машинами, первая из которых имеет клапанное парораспределение, а вторая - золотниковое.
Работа МТЭС
МТЭС договоримся считать станцию (см. рисунок), паросиловая установка которой позволяет получить от нее электрическую мощность до 4000 кВт, что соответствует использованию котлов производительностью до 25 т пара в час.
Условно МТЭС можно разделить на два относительно независимых модуля - энергетический и силовой.
Энергетический модуль состоит из паровых котлов и котельно-вспомогательного оборудования.
Наличие пароперегревателя является желательным условием, т.к. использование влажного насыщенного пара не позволит получить достаточно дешевой электроэнергии, но отнюдь не обязательно. В качестве энергетического модуля может использоваться любая действующая котельная. Если установленные в ней котлы не имеют пароперегревателей, таковые могут быть встроены в эти котлы. Возможна установка пароперегревателей с собственными топками.
Силовой модуль состоит из поршневой паровой машины и соединенного с ней электрогенератора. Используются обычные генераторы,
однако они, как правило, присоединяются к машине не напрямую, а через повышающий редуктор, т.к. использование пара с давлением до 2 МПа не позволяет достигнуть частоты вращения вала машины выше 750 об. /мин.
Следует отметить, что при необходимости изменения соотношения получаемых от паровой машины тепловой и электрической энергий эта машина должна быть многоцилиндровой. Возможны три варианта работы такой машины.
При работе в режиме однократного расширения во все цилиндры подается пар из подводящей магистрали, после расширения в цилиндрах он отводится для дальнейшего использования.
В режиме двойного расширения пар из подводящей магистрали подается в треть цилиндров, и из них расширившийся пар вытесняется в ресивер. В остальные две трети цилиндров пар подается из этого ресивера и срабатывается до атмосферного давления.
В режиме с промежуточным отбором пара в часть цилиндров, например, в половину, подается пар из подводящей магистрали, из них расширившийся пар вытесняется в ресивер. Часть пара из ресивера идет на технологические нужды, а остальной подается в цилиндры второй ступени.
Изменение режима работы машины не требует никаких ее регулировок, необходимы просто манипуляции вентилями, подключающие цилиндры к различным магистралям.
Рассмотрим табл. 1, показывающую удельный расход пара (количество килограммов пара, необходимое для производства одного кВт. ч электроэнергии - прим. авт.) поршневой паровой машиной двойного расширения. Предполагается, что пар различных начальных параметров расширяется в цилиндрах машины до атмосферного давления 0,1 МПа.
В табл. 1 значения удельной энтальпии h взяты из hS-диаграммы параметров пара, удельный расход пара вычислен по формуле d=3600/ (h1-h2). Значение h3=335 кДж/кг - удельная энтальпия конденсата при температуре 80 ОС.
Пример использования табл. 1. При работе котла ДЕ-2,5 на давлении 1,2 МПа без перегрева пара и КПД силового модуля 0,9 может быть получена мощность N1=V-TiM/d=2500-0,9/8,7=259 (кВт). Кроме того, в теплообменнике может быть получена тепловая энергия (ТЭ) в количестве: Q1=V. (h2-h3) =2500.2035=5087,5 (МДж) =1,2 (Гкал).
При работе котла ДСЕ-2,5 на давлении 1,2 МПа с пароперегревателем на 280 ОС и КПД силового модуля 0,9 может быть получена мощность N2=2500.0,9/7,5=300 (кВт). Количество ТЭ: Q2=2500.2185=5462,5 (МДж) =1,3 (Гкал).
Рассмотрим случай, когда пар после срабатывания в машине (мятый пар) будет использоваться на технологические нужды. Обычно требуется температура пара выше 130 ОС, значит давление пара после машины должно быть не ниже 0,3 МПа. В табл. 2 даны значения параметров пара после машины при начальном давлении пара 1,2 МПа и различных величинах перегрева при расширении до давления 0,3, 0,4 и 0,6 МПа. Пар таких параметров может быть получен от котлов типа ДЕ, КЕ или ДКВР. Конечное давление 0,3-0,6 МПа можно получить при работе машины в режиме однократного расширения и подаче пара в цилиндры в течение 0,25-0,5 хода поршня от ВМТ.
При использовании тех же котлов, что и в предыдущем примере, но расширении пара в машине до давления 0,4 МПа, будем иметь следующий результат:
Для котла ДЕ-2,5 N3=2500.0,9/19,1=118 (кВт); Q3=2500.2255=5637,5 (МДж) =1,35 (Гкал).
Для котла ДСЕ-2,5 N4=2500.0,9/15,0=150 (кВт); Q4=2500.2840=7100 (МДж) =1,7 (Гкал).
Данные по ДВС, необходимые для изготовления поршневой паровой машины
Для изготовления поршневой паровой машины проще всего модернизировать ДВС. Промышленность России выпускает разнообразные двигатели, среди которых можно подобрать подходящий для модернизации в машину заданной мощности.
В табл.3 приведены данные выпускающихся в России ДВС и мощности паровых машин однократного расширения, которые могут быть изготовлены на базе 6-цилиндровых модификаций этих двигателей.
Конструкция паровых машин
Теперь о существующих паровых машинах. Обе они были изготовлены путем модернизации шестицилиндровых дизельных двигателей Д6, имеющих диаметр цилиндров 150 мм и ход поршней 180 мм. Приведем описание первой машины.
Оси цилиндров расположены горизонтально таким образом, что выпускные клапаны расположены снизу, что не позволяет скапливаться в цилиндрах конденсату. Цилиндры находятся справа от коленчатого вала, поэтому для обеспечения смазки гильз принято левое направление вращения машины.
Картер с опорами коленчатого вала используется от исходного двигателя. Блок цилиндров оригинальной конструкции, т.к. необходимо
осуществлять теплоизоляцию гильз, а не их охлаждение. Между блоком и картером имеется воздушный зазор, что препятствует перегреву картера. Картер, блок и головка соединены шпильками в одну жесткую систему.
Алюминиевая головка блока с установленными в ней двумя впускными и двумя выпускными клапанами на каждый цилиндр также используется от исходного двигателя, однако и в конструкцию клапанов, и в конструкцию их привода внесены изменения. Впускные клапаны сделаны двухседельными для того, чтобы давление пара не открывало эти клапаны. Перемещаются клапаны кулачками двух распределительных валов - отдельных на привод впускных и выпускных клапанов. Оба эти вала вращаются с той же частотой, что и коленчатый вал, т.к. паровая машина является двухтактной.
Сами распределительные валы изменены таким образом, что обеспечивают рабочие циклы одновременно в двух цилиндрах. Порядок работы цилиндров 1,6-3,4-2,5.
Профиль кулачков распределительного вала выпускных клапанов и зазор между ним и клапанами обеспечивает открытое состояние клапанов при повороте коленчатого вала на 170О. Клапаны открываются в НМТ, закрываются эти клапаны за 10О до ВМТ, чем обеспечивается равенство давлений в подводящей магистрали и цилиндрах в момент начала открывания впускных клапанов.
Изменением профиля кулачков и увеличением зазора между распределительным валом впускных клапанов и самими клапанами обеспечено открытое состояние клапанов от ВМТ до 90О после ВМТ. Частота вращения машины регулируется изменением сечения пароподводящей магистрали с помощью задвижки с электромеханическим приводом, управляемой электронным блоком.
Паровая машина имеет раздельные системы смазки коленчатого вала и головки блока, имеющие свои насосы. Привод насосов - от шестерни, установленной на переднем конце коленчатого вала.
Предусмотрена возможность ручной прокачки масла в смазочных системах перед запуском машины.
К картеру крепится одноступенчатый повышающий редуктор, соединенный муфтами с коленчатым валом машины и генератором. Этим обеспечивается правое направление вращения генератора с частотой 1500 об. /мин. при частоте вращения машины 500 об. /мин.
Паровая машина, редуктор и генератор смонтированы на общей раме и являются единым модулем.
Основные сложности были при размещении в штатной головке двухседельных клапанов и их регулировке в условиях меняющегося давления в пароподводящей магистрали. Не удалось реализовать и наиболее экономичный способ регулирования частоты вращения - изменением величины отсечки подачи пара.
Во второй машине все цилиндры имеют отдельные головки, на каждой из которых находятся впускной и выпускной золотники с гидравлическим приводом их перемещения.
Эта конструкция оказалась удачнее первой и при испытаниях практические данные расхода пара полностью соответствовали теоретическим. Потому такая схема была взята за основу при проектировании семейства поршневых паровых машин различных мощностей.
малая тепловая электростанция поршневая паровая
Выводы
1. На основании законов термодинамики при одинаковых параметрах рабочего тела машины любой конструкции, преобразующие тепловую энергию в механическую, будут иметь одинаковый КПД.
2. Конструкции поршневых двигателей внутреннего сгорания отработаны настолько, что механические потери в них не превышают 5%. Такие же малые потери будут иметь поршневые паровые машины.
3. Простота конструкции поршневой паровой машины, созданной на основе современного ДВС, позволяет с уверенностью прогнозировать их широкое использование для преобразования с помощью парового котла химической энергии топлива в работу.
Изготовление силовых модулей МТЭС по силам большинству предприятий средней технологической оснащенности. И если такие модули будут Вами изготовлены, расходы на электрическую и ТЭ будут значительно уменьшены, особенно если Ваше предприятие расходует пар на технологические нужды.
Автор готов оказать помощь в изготовлении или организации производства МТЭС (тел. автора можно взять в редакции "НТ" - прим. ред. ).
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Принцип работы тепловых паротурбинных, конденсационных и газотурбинных электростанций. Классификация паровых котлов: параметры и маркировка. Основные характеристики реактивных и многоступенчатых турбин. Экологические проблемы тепловых электростанций.
курсовая работа [7,5 M], добавлен 24.06.2009Гидравлическая электростанция (ГЭС) как комплекс сооружений и оборудования, посредством которых энергия потока воды преобразуется в электрическую энергию. Характеристика тепловой электростанции (ТЭС). Особенности работы атомной электростанции (АЭС).
контрольная работа [32,5 K], добавлен 10.11.2009Понятие приливной электростанции, особенности принципов действия. Анализ работы российской приливной электростанции на примере Кислогубской электростанции. Характеристика экологических и экономических эффектов эксплуатации приливных электростанций.
реферат [4,1 M], добавлен 21.03.2012Производство электрической энергии. Основные виды электростанций. Влияние тепловых и атомных электростанций на окружающую среду. Устройство современных гидроэлектростанций. Достоинство приливных станций. Процентное соотношение видов электростанций.
презентация [11,2 M], добавлен 23.03.2015Расчет энергии воды за год. Мощность одной гирлянды с поперечными турбинами. Данные по расчету береговых опор. Количество основных материалов на одногирляндную ГЭС. Подбор троса, выбор генератора. Расчет стоимости всех составных элементов электростанции.
контрольная работа [492,9 K], добавлен 06.08.2013Приливная энергия, ее использование. Принцип действия приливных электростанций. Основные преимущества использования приливных электростанций. Экологическая характеристика и социальное значение приливных электростанций. ПЭС в энергосистеме Европы.
реферат [225,0 K], добавлен 30.11.2010Устройство паровой винтовой машины (ПВМ). Основные параметры работы энергоустановки ПВМ-2000АГ-1600. Удельный расход топлива на отпуск электроэнергии. Обращенный винтовой компрессор сухого сжатия. Крутящий момент, возникающий под действием пара.
презентация [2,2 M], добавлен 08.03.2015Электростанции, вырабатывающие электроэнергию посредством преобразования химической энергии топлива в механическую энергию вращения вала электрогенератора. Общие сведения о работе тепловых паротурбинных станций. Основные способы увеличения КПД.
реферат [1,4 M], добавлен 23.03.2014Простота устройства, большая надежность и низкая стоимость асинхронных двигателей. Принцип действия асинхронной машины и режимы ее работы. Получения вращающегося магнитного поля. Устройство синхронной машины, холостой ход синхронного генератора.
презентация [443,8 K], добавлен 12.01.2010Существующие источники энергии. Типы электростанций. Проблемы развития и существования энергетики. Обзор альтернативных источников энергии. Устройство и принцип работы приливных электростанций. Расчет энергии. Определение коэффициента полезного действия.
курсовая работа [82,0 K], добавлен 23.04.2016
