Малые тепловые электростанции

Возможность использования поршневых паровых машин на базе ДВС и компрессоров для когенерации

В сегодняшней ситуации на мировом рынке для российских производителей пеллет, брикетов и других деревообрабатывающих предприятий все актуальнее становится проблема обеспечения производства собственной электроэнергией с целью снижения себестоимости продукции. Мы не раз обращались к этой теме, а сейчас приведем некоторые дополнения и расчеты, которые будут интересны широкому кругу читателей.

Известно, что совместное производство тепловой и электрической энергии экономичнее раздельного. При небольшом объеме потребления тепловая и электрическая энергия может вырабатываться на малых тепловых электростанциях (МТЭС). Чаще всего на малых ТЭС химическая энергия топлива преобразуется в тепловую с помощью паровых котлов. Затем часть тепловой энергии водяного пара превращается в механическую с помощью паровых агрегатов: турбин, винтовых или поршневых машин. Оставшаяся тепловая энергия летом используется для технологических нужд, а зимой еще и для отопления.

Удельный расход пара (количество пара, необходимое для производства единицы механической энергии) для паросиловых установок зависит только от параметров поступающего в них пара и параметров пара на выходе, тип установки не имеет значения. Удельный расход пара в поршневых паровых машинах меньше, чем в паровых турбинах малой мощности и винтовых паровых машинах. В табл. 1 представлен удельный расход пара, то есть количество пара, необходимое для выработки единицы работы, и другие характеристики поршневых паровых машин (ППМ) и паровых турбин серии ОР и турбоагрегатов и винтовых паровых машин, которые выпускаются в настоящее время. Для сравнения агрегатов, использующих пар с разными начальными свойствами, по экономичности фактический удельный расход пересчитан для пара со следующими свойствами:

• давление на входе в агрегат 1,2 МПа;
• температура на входе в агрегат 260°С;
• давление на выходе из агрегата 0,3 МПа.

Как видно из табл. 1, в поршневых машинах, потребляющих пар низких температуры и давления, его удельный расход в 2–3 раза меньше, чем в паровых турбинах и винтовых паровых машинах, потребляющих пар тех же параметров.

МТЭС условно можно подразделить на два относительно независимых модуля: энергетический и силовой. Энергетический модуль состоит из парового котла и котельно-вспомогательного оборудования. Котел (парогенератор) может быть как барабанного, так и прямоточного типа. Прямоточный котел должен постоянно работать в режиме оптимальной мощности, а пар, не используемый в настоящий момент, должен уходить в конденсатор (теплообменник). Перегрев пара желателен, но отнюдь не обязателен. В качестве энергетического модуля может служить любая действующая паровая котельная. Силовой модуль состоит из поршневой паровой машины и соединенного с ней электрогенератора. Для возможности изменения соотношения тепловой и электрической энергии паровая машина должна быть многоцилиндровой. Возможны три варианта работы такой машины.

При работе в режиме однократного расширения пар подается из подводящей магистрали во все цилиндры, а после расширения отводится для дальнейшего использования. В режиме двойного расширения пар подается в небольшую часть цилиндров, расширяется и затем вытесняется в ресивер. В остальные цилиндры пар подается из ресивера и срабатывается до атмосферного давления. В этом режиме от агрегата можно получить наибольший объем механической или электрической энергии.

В режиме с промежуточным отбором пара в несколько цилиндров (например, в половину общего числа) расширяется и вытесняется в ресивер. Оттуда часть пара поступает на технологические нужды, а оставшийся подается в цилиндры второй ступени. Изменение режима работы не требует никаких регулировок машины, необходимы только манипуляции вентилями, подключающими цилиндры к разным магистралям.

Для изготовления поршневой паровой машины можно использовать основные узлы и детали двигателей внутреннего сгорания как российского, так и иностранного производства. В табл. 2 представлены мощность и расход пара ППМ однократного расширения, которые могут быть изготовлены на базе рядных ДВС, выпускаемых в России, поскольку конструкция рядных ДВС позволяет изготавливать машины с горизонтальным расположением цилиндров, в которых вероятность попадания конденсата в картер минимальная. Расчеты выполнены для машин разного рабочего объема при трех вариантах давления пара.

Не сложно рассчитать мощность паровых машин при использовании в качестве базовых ДВС или компрессоров любых других марок, в том числе иностранного производства, и при других параметрах пара.

Выпускавшиеся раньше поршневые паровые машины имели существенный недостаток – большой вес на единицу мощности. Удельный вес поршневых паровых машин, которые могут быть изготовлены на базе современных ДВС или крейцкопфных компрессоров, не превышает аналогичный показатель паровых турбин, использующих пар тех же параметров.

Стоимость поршневой паровой машины незначительно превышает стоимость двигателя или компрессора, на базе которого она изготовлена.

Конструкции поршневых двигателей внутреннего сгорания и компрессоров так хорошо отработаны, что их механические потери не превышают 10%. Такие же низкие потери будут и в изготовленных на их базе поршневых паровых машинах. Простота конструкции и габаритные размеры поршневых паровых машин, созданных на основе современных двигателей внутреннего сгорания или поршневых компрессоров, позволяют устанавливать их в действующих котельных или использовать в мобильных силовых модулях. МТЭС с поршневыми паровыми машинами позволяют получать энергию по ценам ниже рыночных. Кпд МТЭС с поршневой паровой машиной при использовании всей энергии пара может достигать 65%.

Поршневые паровые машины также могут изготавливаться с использованием узлов и деталей поршневых крейцкопфных компрессоров. В паровых машинах на базе компрессоров с оппозитными базами 4М4, 2М10, 4М10 и 4М16 усилие на штоке цилиндров двухстороннего действия составляет 4, 10 и 16 т соответственно. Мощность и расход пара паровых машин, изготовленных на базе этих компрессоров, представлены в табл. 3 (при температуре пара 250°С, давлении 1,3 МПа и коэффициенте наполнения цилиндров 0,24).

Рассмотрим несколько вариантов МТЭС с машинами и работающими на древесных отходах котлами разной мощности, с расчетом примерной стоимости (расчеты сделаны в 2019 году).

Вариант 1. Котел производительностью 1 т пара в час и паровая машина мощностью 60 кВт. Такую машину можно изготовить на базе тракторного двигателя Д 180 (4–15/20,5 ЧТЗ), широко распространенного и относительно дешевого, или оппозитного двигателя 6Н 358 (6–15/16 ЧТЗ), требующего минимальной переделки.

Вариант 2. Котел производительностью 2,5 т пара в час и паровая машина мощностью 180 кВт. Такую машину можно изготовить на базе двигателя 211Д (6–21/21 ВДМ). Стоимость котельной с котлом КЕ-2,5-14-О составит 9 млн руб.

Стоимость электростанции мощностью 180 кВт с поршневой паровой машиной 5 млн руб. Общая стоимость 14 млн руб.

Тогда стоимость единицы установленной мощности 14 млн/180 кВт = 77 778 руб./кВт.

Уточненная стоимость котельной с одним котлом ДКВр-4-13-225КШ и набором оборудования и монтажом – 15 млн руб., а с двумя котлами – 23 млн руб.

Еще один вариант: один котел на две паровые машины – на базе 211Д – 250 кВт и на базе Д 180 – 90 кВт. Если это котел ДКВр-4-13-225КШ (или ПМ) с пароперегревателем, мощность такой машины будет выше.

Стоимость котельной с котлом ДКВр-4-13-225КШ – 15 млн руб.

Стоимость электростанций: мощностью 250 кВт – 5 млн руб., мощностью 90 кВт – 2 млн руб. Итого 22 млн руб. Тогда стоимость 1 кВт установленной мощности будет 22 млн руб./340 кВт = 64 700 руб.

В ближайшее время поршневые паровые машины докажут свое преимущество в малой энергетике перед другими тепловыми машинами, такими как агрегаты с дизельными, бензиновыми и газовыми ДВС, винтовыми паровыми машинами, паровыми турбинами малой мощности и газовыми турбинами. Тогда и появится возможность их серийного изготовления. А сейчас наиболее перспективно проектирование и изготовление опытных образцов ППМ на базах четырехтактных тронковых ДВС и крейцкопфных компрессоров.

Так считают многие ученые и авторы, их мнение никто не оспаривает. Но, как и во многих других отраслях промышленности и энергетики России, владельцы предприятий, которые могли бы выпускать экономичные электростанции с поршневыми паровыми машинами, не считают нужным вкладывать собственные средства в исследовательские и опытно-конструкторские работы. Хотя в этом случае затраты будут минимальными, поскольку все технические решения, используемые в поршневых паровых машинах, были проработаны в прошлом веке и дополнительно в последнее десятилетие.

Паропоршневые мини-ТЭЦ, работающие на биомассе, эффективнее паротурбинных, газопоршневых (при работе на генераторном газе, полученном путем газификации биомассы) и дизельных. Удельный расход пара на выработку электроэнергии в них в 1,3–1,5 раза ниже, чем в паротурбинных мини-ТЭЦ, особенно при мощности до 1200–1500 кВт.

Используя местные альтернативные виды топлива, в основном древесную биомассу, в районах децентрализованной энергетики можно успешно заменить дизель-генераторы паровыми машинами (паропоршневыми установками – ППУ) и получать дополнительно тепловую энергию.

В России ППУ не производятся, а цены на зарубежные – заоблачные, тем более при плавной девальвации рубля – на 30% к евро с начала 2020 года.

Например, австрийская паропоршневая машина производства компании Fördertechnik GmbH, обеспечивающая на выходе 150 кВт электроэнергии, обойдется в €280 тысяч!

Если же использовать предложенный выше набор оборудования, это будет реальная поддержка отечественных производителей и разработчиков. Поскольку это серийные российские парогенерирующие котлы и двигатели или компрессоры, с ремонтом и поставкой запчастей не будет никаких проблем. Например, паровую машину мощностью 80–200 кВт легко изготовить на базе оппозитного двигателя 6Н 358 (6–15/16), выпускаемого Челябинским тракторным заводом. Машину мощностью 200–600 кВт можно изготовить на базе двигателя 211Д (6–21/21), выпускаемого заводом «Волжский дизель». Электростанция с такой машиной покроет потребности небольших предприятий как промышленных, так и сельскохозяйственных. А электростанцию мощностью от 800 до 3000 кВт можно создать с паровой машиной на базе двигателя Д50, выпускаемого ОАО «Пензадизельмаш».

Может быть, действительно, не дожидаться лучших времен (правда, по мнению автора, они не наступят раньше 2036 года), когда производство, хотя бы малосерийное, таких ППУ будет, наконец, запущено и в России, а самостоятельно решать вопросы значительного снижения стоимости электроэнергии на своем производстве? Очевидно, что в малой энергетике дорогостоящее зарубежное оборудование будет окупаться минимум 10 лет, а тарифы растут… 

Справка

Расчет МТЭС электрической мощностью 2 х 2000 кВт
Два паровых котла КЕ-25-24-250МТД и генераторы на выбор: СГСБ-900Х-10В2 – 2000 кВт, 600 об/мин или СГВ-2000 – 2000 кВт, 600 об/мин.
Вращение левое, кпд 96,1%.
Поршневая паровая машина на базе шестицилиндрового четырехтактного дизельного ДВС Д50 (6–31,8/33), диаметр цилиндров 318 мм, ходом поршней 330 мм.
Стоимость котельной с двумя котлами КЕ-25-24-250МТД, включая расходы на монтаж: 150 млн руб.
Стоимость двух силовых модулей, состоящих из поршневой паровой машины и соединенного с ней электрогенератора: 26 млн руб. х 2 = 54 млн руб.
Суммарная стоимость МТЭС электрической мощностью 4000 кВт: 204 млн руб. Стоимость 1 кВт установленной мощности: 204 млн/4000 = 51 тыс. руб.

Текст Сергей Передерий, s.perederi@ eko-pellethandel.de