Союз пара и поршня
Добавить рекламное объявление

Союз пара и поршня в XXI веке.


Иван Трохин, аспирант МАИ,

инженер ВИЭСХ Россельхозакадемии.


«Колхозная ТЭЦ» — так называлась статья Л. Цукерника, опубликованная в «ТМ» № 11 за 1953 г. В то время во Всесоюзном научно-исследовательском институте механизации сельского хозяйства (ВИМ) для сельских теплоэлектроцентралей (ТЭЦ) была разработана специальная паровая машина — весьма экономичная, надёжная и высокооборотная. Частота вращения её вала доходила до 750 об/мин (у обычных паровых машин — 400-450 об/мин и меньше). Но мало кто сегодня знает, что первая отечественная, поистине высокооборотная, паровая машина была построена ещё в 1936 г., т.е. ровно 75 лет назад. Паровой мотор мог разгоняться до 1800 об/мин! Стоит ли вспоминать об этом в XXI в., в веке высоких технологий? Несомненно. Ведь именно паровой мотор является «прадедушкой» современных паропоршневых двигателей, которые сегодня разрабатываются в России.

*/*

Паровой мотор 1936 г. предназна­чался для силовой установки само­лёта и был спроектирован в Мос­ковском авиационном техникуме. Изготовили мотор на одном из мос­ковских заводов. Он был рассчи­тан для работы на перегретом паре с давлением 6,1 МПа (61 атм) и тем­пературой 380°С.


Признаками, отличавшими паро­вые моторы от классических паро­вых машин, были не только их ско­ростные качества, но и совершенно другой тип парораспределения. Моторы работали с однократным расширением пара в цилиндрах. Пар от котла поступал параллель­но во все цилиндры, подобно тому, как топливовоздушная смесь — в цилиндры двигателя внутренне­го сгорания (ДВС), в то время как у классических паровых машин пар проходил через все цилинд­ры последовательно, расширяясь, таким образом, многократно. Это позволило снизить неизбежное и бесполезное падение давления пара внутри парораспределитель­ных механизмов и, следовательно, получить более высокооборотный двигатель при одном и том же дав­лении пара, поступающего в двига­тель от котла.


Немногие сегодня знают, что кон­струкции паровой техники эпохи 1950-х гг. были не так уж несовер­шенны, как считается традицион­но. Нужно только правильно срав­нивать энергоустановки с такими поршневыми двигателями и с сов­ременными паровыми турбинами, т.е. при одинаковом давлении р1 и температуре t1 пара на входе в эти двигатели и одинаковом противо­давлении р2 пара на выходе из них (см. табл.). Тогда становится оче­видным, что удельный расход пара dэл на единицу вырабатываемой электрической мощности Рэл а сле­довательно, и КПД у поршневых электрогенераторных установок со­измерим с удельным расходом пара в современных паротурбинных ус­тановках, мощность которых даже в пять раз больше!


С ростом частоты вращения вала паровой машины её КПД, при про­чих равных условиях, растёт за счёт сокращения продолжительности впуска пара в цилиндр и всего паро­силового цикла. Это уменьшает вре­мя соприкосновения пара со стенка­ми цилиндра, что ведёт к снижению теплопотерь в машине. При час­тотах вращения 750-1500 об/мин и мощностях, по крайней мере, до единиц мегаватт паровые машины, точнее уже моторы, имеют расход пара почти в 1,5 раза меньший, чем у паровых турбин в пять раз боль­шей мощности! И это при работе не только на перегретом (230-370°С), но и насыщенном паре.


Московские учёные и изобретатели высказали идею, как использовать достижения в области паромашино- и паромоторостроения, но толь­ко на новый лад. Нужно взять всё самое лучшее от паровых машин и моторов и добавить к этому совре­менные технологии в области порш­невых двигателей.


Идейным «вождём» и бессменным руководителем этой группы являет­ся лауреат почётного знака «Изоб­ретатель СССР» B.C. Дубинин. Под его руководством сотрудники группы ещё в конце прошлого века придумали, как сделать паровой мотор из любого ДВС. Переделке, по сути, подлежит только си­стема топливоподачи. На её базе создаёт­ся, например, газодинамическая система впуска и выпуска рабочего тела (авт. свид. 1753001, авторы: И.Е. Ульянов, B.C. Ду­бинин и др.) (рис. 1), т.е. пара. Картер 3 с шатунно-поршневой группой остаются от исходного ДВС.


Парораспределение в таком моторе проис­ходит следующим образом. Пар подаётся в гильзу цилиндра через установленное в ней сужающееся сопло 1. Давление пара в цилиндре всегда ниже, чем в источнике пара (котле). При этом величина давления на входе в сопло больше, чем две треть­их величины, при которой обеспечивает­ся сверхкритический перепад давлений между входом и выходом сопла. Поэто­му пар непрерывно подаётся в цилиндр. В результате давление в цилиндре растёт, и поршень из верхней мёртвой точки ВМТ перемещается в нижнюю НМТ. Линейное перемещение поршня через кривошип-но-шатунный механизм, как и у исходно­го ДВС, преобразуется во вращательное движение коленчатого вала. При подходе к НМТ, поршень открывает выпускное отверстие (канал) 2 в гильзе цилиндра, и пар выходит из мотора. Давление в цилин­дре падает, и поршень под действием мо­мента сил инерции перемещается в ВМТ. Далее цикл повторяется. Никаких клапа­нов, золотников и... затрат мощности на их привод! Такая парораспределительная система обладает весьма малым гидравли­ческим сопротивлением.


Позже, уже в нашем веке, подобные па­ровые моторы на базе ДВС изобретатели назвали паропоршневыми двигателями (ППД) одностороннего давления. В таком двигателе пар давит на поршень только с одной стороны. ППД имеет циркуляци­онную систему смазки с «сухим» картером, как у ДВС тепловозов и электростанций, т.е. смазочное масло под давлением прока­чивается через двигатель, затем очищается и снова подаётся в двигатель. ППД могут работать в широком диапазо­не давлений и температур пара — от 0,5 до 4 МПа (5-40 атм) и от 150 до 440°С. По частоте вращения вала ППД превосходят своего моторного «прадедушку» и могут раскручиваться до 3000 об/мин! Область применения ППД относится к актуальному направлению в малой энер­гетике России — создание мини-ТЭЦ.


В последнее время в промышленности и жилищно-коммунальном хозяйстве всё более осознаётся целесообразность ком­бинированного производства электричес­кой и тепловой энергии (когенерация) на мини-ТЭЦ, располагаемых в непосредс­твенной близости от потребителя. Это даёт возможность свести к минимуму потери энергии при её транспортировке и одно­временно повысить КПД использования сжигаемого топлива вплоть до 90%! Кро­ме того, электроэнергия от централизо­ванных электростанций постоянно доро­жает, а учащение случаев возникновения шквальных ветров летом и аномальных заморозков зимой приводит к снижению надёжности линий электропередачи из-за частых обрывов проводов. Поэтому всё чаще и чаще хозяйственные потребители отказываются от использования котель­ных и надстраивают их электроагрегата­ми с паровыми турбинами. Потребители, у которых в котельных стоят только кот­лы для нагрева воды (водогрейные), ста­раются заменить их на паровые котлы. Ведь экономия топлива при снижении тепловых нагрузок (например, весной) ведёт к быстрой коррозии поверхностей нагрева у водогрейных котлов, а реальный срок службы таких котлов составляет не более 10 лет с заменой поверхностей на­грева через каждые 2-3 года. Паровые же котлы, конечно, дороже водогрейных, но эксплуатационные затраты на их содер­жание ниже и они могут надёжно работать не менее 35 лет без замены поверхностей нагрева.


И ещё один момент. В паровых котельных давление пара в кот­лах, разрешённое органами Ростехнадзо-ра, обычно не превышает 0,7-1 МПа (7-10 атм), а в пароводяные теплообменники (нагревают воду паром) поступает пар с более низким давлением — 0,12-0,6 МПа (1,2-6 атм). Поэтому электроагрегаты с паровыми турбинами включаются вза­мен редукционно-охладительным устрой­ствам. Вместо бесполезного дросселиро­вания пара турбины совершают полезную работу по приводу электрогенераторов, а отработавший пар направляется в парово­дяной теплообменник, после чего — через систему очистки обратно в котёл. Таким образом, котельная превращается в неза­висимый от централизованных электросе­тей технико-экономически выгодный ис­точник тепловой и электрической энергии. Этой электроэнергии оказывается вполне достаточно для обеспечения ряда потребителей поблизости, имею­щих суммарную мощность в пару сотен киловатт.


Такая технология когенерации в ко­тельных с использованием паровых турбин малой и средней мощности (приблизительно до 10 МВт) была названа приоритетной в области энергосбережения в России в реше­нии Бюро отделения физико-техни­ческих проблем энергетики РАН. Создаются и мощные ТЭЦ на пло­щадках действующих котельных. Например, заменяются устаревшие паровые котлы с давлением на­сыщенного пара 1,4 МПа (14 атм) и температурой 194° С на котлы с давлением перегретого пара 4 МПа (40 атм) и температурой 440°С. При тех же габаритах котлов электри­ческая мощность такой ТЭЦ будет гораздо больше.

Следует отметить, что специалис­тами российской компании «Петро-котёл-ВЦКС» освоены технологии реконструкции многих отечествен­ных котлов для сжигания «нетра­диционных» видов топлива, таких как низкосортный уголь, отходы углеобогащения, шлам, древесные и растительные отходы. При рекон­струкции практически полностью сохраняются традиционные кон­структивные решения по котлам, системе шлакозолоудаления и ав­томатике, что значительно снижает капитальные затраты на проведе­ние таких работ. Котёл сохраняется на своём месте и не затрагивается вспомогательное оборудование (на­сосы и др.). Экологические показа­тели работы таких котлов с топками для сжигания топлива в высокотем­пературном циркулирующем ки­пящем слое удовлетворяют самым жёстким требованиям Ростехнадзора.

Для бесперебойного электроснаб­жения потребителей круглый год необходима безостановочная рабо­та мини-ТЭЦ, что возможно, если электроэнергию генерировать при выработке теплоты, необходимой для обеспечения горячего водоснаб­жения потребителей. Летом для кондиционирования помещений близлежащих потребителей мож­но использовать не электрические кондиционеры, а абсорбционные холодильные машины. Они потреб­ляют теплоту отработавшего в тур­бине пара, а выдают холод. Ещё более эффективными становят­ся мини-ТЭЦ при использовании в них вместо турбин паропоршневых двигателей.


Схемы включения электроагрегатов с ППД (рис. 2) и паровой турбиной в паровой котельной принципиаль­но одинаковы.

В ППД подаётся пар от котла, а выхлоп осуществляется в парово­дяной теплообменник ПВТ. Кроме двигателя, паропоршневой электроагрегат с одним или несколькими двигателями имеет в своём составе электрогенератор и блок его воз­буждения, управления и защиты БВУЗ, состоящий, в свою очередь, из блоков возбуждения и управ­ления БВУ, защитной автоматики БЗА, системы управления БСУ и возбуждения БВ от конденсаторов (на схеме показан вариант с асин­хронным электрогенератором). Рас­пределительное устройство элект­рически связывает электроагрегат с потребителями электроэнергии. Пунктирной линией на схеме пока­заны электрические связи от других электрогенераторов. Управление ППД обеспечивается от системы ав­томатического управления ССАУ. ППД, в отличие от большинства турбин, может обеспечивать пря­мой привод электрогенератора. Турбине для этого нужен редуктор, т.к. для обеспечения приемлемого расхода пара она должна работать на высоких оборотах (обычно 3000— 8000 об/мин).


Паровым турбинам требуется сис­тема охлаждения, а это — допол­нительный расход воды и потери энергии. ППД же просто теплоизо­лируются, а охлаждать их и вовсе не нужно, ведь температура в цилинд­рах ППД в 5-6 раз ниже, чем у ис­ходных ДВС.



Ресурс паровых турбин определяет­ся, в основном, ресурсом лопаток из дорогостоящих сплавов, а у ППД -гораздо большим ресурсом дешёвых узлов шатунно-поршневой груп­пы. ППД обладают феноменальной надежностью, может быть даже выше, чем у исходных ДВС, т.к. пар, в отличие от горючей смеси, не взрывается, а расширяет­ся и плавно давит на поршень. Для технического обслуживания турбин необходим специализиро­ванный персонал. ППД, как близкие по типу к ДВС, могут обслуживаться персоналом с более распространён­ными специальностями. Да и ре­монт ППД можно производить пря­мо на месте эксплуатации. Поршневые двигатели, в т.ч. и паро­вые, обладают свойством самоста­билизации частоты вращения вала, чего нельзя сказать о турбинах. Это открытие инженера B.C. Дубинина из МАИ является, без преувеличе­ния, революционным в технике. Его реализация позволяет обеспечивать поддержание частоты вращения вала двигателя с такой точностью, что приводимый электрогенератор способен вырабатывать электро­энергию с частотой 50±0,2 Гц, как в розетке. Для сравнения, дизель­ные электростанции вырабатыва­ют электроэнергию с более грубой точностью поддержания частоты (50±0,5 Гц).



Рис.2. Схема паропоршневого электроагрегата типа ППЗА


Самостабилизация осуществляется без организации обратных связей при импульсной подаче или выра­ботке рабочего тела (пара) через равные промежутки времени. Такой процесс, по сути, аналогичен работе анкерного механизма и маятника в часах (в нашем случае — это ППД с источником пара и задающий ге­нератор импульсов подачи пара). Стоит отметить, что B.C. Дубинин разработал в 1980-х гг. теорию са­мостабилизации частоты враще­ния только для одноцилиндрового поршневого двигателя. А пару лет назад молодой инженер, выпуск­ник аэрокосмического факультета МАИ С.О. Шкарупа распространил эту теорию для случая многоци­линдровых поршневых двигателей, с какими и приходится иметь дело на практике.


Точку зрения, относительно пре­имуществ паровых поршневых дви­гателей над турбинами для мини-ТЭЦ разделяют и зарубежные коллеги, отмечая, что малоразмер­ные паровые поршневые двигатели, в отличие от турбин, надёжно и эко­номично работают даже на влажном паре и с умеренными частотами вращения.


В заключение хотелось бы отме­тить, что электроагрегаты с ППД подходят и для экологически чис­тых солнечных мини-ТЭЦ. В ВИ-ЭСХ разрабатываются солнечные коллекторы, которые можно ис­пользовать в «солнечных» котлах для получения пара из воды.


Размещено 06.10.2011.


Статьи других авторов

На главную

Добавить рекламное объявление
Яндекс.Метрика
Hosted by uCoz