Саморегулируемые энергетические комплексы для лесной промышленности

Творческий подход к решению технических задач электро- и теплоэнергетики в лесной промышленности позволяет получать самые неожиданные результаты. Такие известные объекты автоматического регулирования, как гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС) и поршневая мини-ТЭЦ, работающая на биотопливе, оказывается, таят скрытые возможности. А их можно использовать для повышения автономности работы и энергетической эффективности ГАЭС и поршневых мини-ТЭЦ электрической мощностью по крайней мере до 10 МВт.

Идея самодействующей ГАЭС

Несколько лет назад инженер Ю. Е. Виноградов и академик РАН Д. С. Стребков предложили идейно простой способ автономной работы ГАЭС.

Рациональность строительства и последующей эффективной эксплуатации ГАЭС определяется исходя из действительной суточной неравномерной потребности в электрической энергии, которую она должна производить и отдавать в электрическую сеть. Когда изменяется потребляемая от ГАЭС мощность, нужно регулировать и мощность генераторов. В часы пикового потребления электрической энергии ГАЭС должна выдавать в электрическую сеть максимальную мощность, а в часы минимального электропотребления ее мощность должна снижаться вплоть до 35% пиковой.

Как должна работать ГАЭС, чтобы всегда оставаться устойчивым источником электрической энергии?

Классика ГАЭС

ГАЭС – техника, объединяющая мощь воды и романтику природы (рис. 1). Это гидротехническое сооружение, исходной энергетической базой для которого служат два водоема, один из которых должен быть расположен как можно выше другого. Перепад по высоте уровня воды в верхнем и нижнем водоемах может достигать 200 м. Такая гидротехническая система функционирует по циклу, состоящему из двух этапов. На первом этапе за счет электрической энергии, получаемой ГАЭС от централизованной сети, приводятся в движение водяные питательные насосы, обеспечивающие перекачку воды из нижнего водоема в верхний. На втором этапе, при движении потока воды из верхнего водоема в нижний через гидравлическую турбину (рис. 2), совершается полезная работа: турбина приводит в движение ротор генератора переменного тока. А ротор выдает электрическую мощность в централизованную сеть.

ГАЭС работает по-новому

Оказывается, описанный выше классический способ работы ГАЭС не единственный. Ввиду суточного неравномерного потребления электрической энергии во внешней сети есть возможности существенного сокращения объема водохранилищ и строительства ГАЭС в непосредственной близости к потребителям электрической энергии.

Гидравлическая турбина и приводимый ею в движение электромашинный генератор в ГАЭС системы Виноградова – Стребкова должны работать круглосуточно и выдавать электрическую мощность в централизованную сеть. Водяные питательные насосы тоже должны функционировать непрерывно и подавать воду из нижнего водоема в верхний. Особенность нового режима работы ГАЭС состоит в том, что гидравлическая турбина устроена на базе Сегнерова реактивного колеса и, если водовод устроен правильно, по расчетам авторов проекта, в нем можно обеспечить режим свободного падения воды. В этом случае, как предполагают ученые, гидравлическая турбина будет приводить генератор для выработки электрической энергии внешним потребителям и электрического привода водяных питательных насосов ГАЭС.

Как развеять сомнения

В традиционной энергетике принято считать, что если источник энергии, питающий генератор, не является очевидным, а на выходе из генератора фактически появляется дополнительная мощность, то такое устройство относится к типу так называемого вечного двигателя первого рода. Работа такого устройства нарушает закон сохранения энергии. Так ли это, если ограничиться рассмотрением ГАЭС системы Виноградова – Стребкова? Попробуем разобраться.

Для определения работоспособности ГАЭС, действующей по-новому, необходимо оценить удельные затраты энергии, расходуемой на электрический привод водяных питательных насосов при ежесекундном перемещении одного килограмма воды из нижнего водоема в верхний. Эти затраты энергии нужно сравнить с удельной энергией при работе Сегнерова колеса, когда из его сопел истекает один килограмм воды. Предварительные оценки ученых показывают, что даже с учетом потерь скорости в гидравлической турбине и энергии в питательных насосах, оцененным по максимальным значениям, энергия при работе турбины на базе Сегнерова колеса при водоводах свободнопадающей воды оказывается, как ни странно, больше энергетических затрат, необходимых для привода питательных насосов.

Нижний водоем и машинный зал ГАЭС системы Виноградова – Стребкова вполне можно расположить в заброшенной шахте либо специально устроенном месте на глубине 100–200 м. Чем глубже они расположены, тем меньше будет расход воды при той же электрической мощности ГАЭС. Например, для ГАЭС, работающей новым способом, электрической мощностью 10 МВт необходимо обеспечить поток воды через турбину с расходом 20 т/с. И если хранилища воды выполнить в форме шара, диаметр каждого будет всего около 3,5 метра.

Немного из прошлого

Из принципа работы ГАЭС системы Виноградова – Стребкова следует, что дополнительная энергия возникает при падении тела (воды) в условиях гравитации, полагают авторы проекта. Но гравитация не может убывать и преобразовываться в энергию, поскольку в замкнутой системе не изменяется масса вещества Земли, с какой бы скоростью и куда бы ни перетекала вода. Тепловая энергия тоже не поглощается и не затрачивается в новом цикле работы ГАЭС. Однако при движении воды вверх необходимо, чтобы скорость была намного меньше скорости истечения воды из сопла Сегнерова колеса. Тогда затраты энергии на перемещение воды, без учета коэффициента полезного действия питательных насосов, будут равны потенциальной энергии массы воды, поднятой к верхнему водоему.

Вероятно, идея использования энергии свободно падающей воды уходит корнями в прошлое – к ковшовым водяным колесам мельниц. Ковш заполняется водой на уровне верхнего водоема, вода вращает водяное колесо и сама стекает вниз. Она остается в нижнем водоеме при переворачивании ковша на другой стороне водяного колеса, а пустой ковш движется вверх, чтобы заполниться новой порцией воды. Здесь не используется перемещение воды с определенной скоростью: при рабочем ходе колеса вода находится в ковше и неподвижна. Такая мельница преобразует потенциальную энергию в механическую работу, но не более того.

Поршневая мини-ТЭЦ

Одно из направлений рационального использования твердого и жидкого биотоплива – эксплуатация энергетических комплексов для децентрализованной комбинированной выработки тепловой и электрической энергии. К ним можно отнести мини-ТЭЦ электрической мощностью до 10 МВт.

Сегодня широкий спектр тепловых двигателей (дизельные, газовые поршневые, паропоршневые, паровые и газовые лопаточные турбины, паровинтовые машины) используется для привода генераторов переменного тока на мини-ТЭЦ. Паропоршневые мини-ТЭЦ могут служить альтернативой когенерационным установкам с паровыми турбинами и паровинтовыми машинами.

При работе мини-ТЭЦ автономно, от электрических сетей централизованного электроснабжения потребителей, возникает проблема стабилизации электрической частоты генератора с высокой точностью по ГОСТ Р 54149–2010: 50 – 0,2 Гц или 50 Гц – 0,4% (в нормальном режиме).

В централизованной электроэнергетической системе единая электрическая частота поддерживается за счет того, что генераторы электростанций работают параллельно, а центральное диспетчерское управление осуществляется путем включения и выключения в первую очередь гидротурбин электростанций.

При автономной генерации электрической энергии требуется обеспечение высокоточной стабилизации частоты вращения вала приводного двигателя, вращающего ротор синхронного генератора. Ни одна система управления теплового двигателя технически пока не стабилизирует частоту вращения так точно, чтобы обеспечивать привод генератора для выработки электрической энергии с требуемым по ГОСТ Р 54149–2010 качеством по отклонению частоты напряжения и тока от номинального значения. Так, дизель-генераторы в установившемся режиме могут вырабатывать электрическую энергию с точностью стабилизации электрической частоты в нормальном режиме на уровне 50 Гц – 1%, а при сбросах и набросах нагрузки – не более 50 Гц – 5%.

Классический метод решения этой проблемы – грубая стабилизация электрической частоты, выпрямление напряжения и его инвертирование для преобразования постоянного напряжения в переменное, но уже более стабильной частоты (рис. 3). В примере упрощенной электротепловой схемы включения приводного поршневого двигателя ППД из состава автономной паропоршневой мини-ТЭЦ он управляется по сигналам системы автоматического управления ССАУ и приводит электрический генератор ЭГ. Поток острого водяного пара ВП1 подается в ППД из парового котла, работающего на твердом биотопливе. Поток отработавшего в ППД водяного пара ВП2 утилизируется в пароводяном теплообменнике (бойлере), обеспечивая нагрев воды для потребителей.

В представленной схеме (см. рис. 3) реализован классический метод стабилизации электрической частоты с использованием выпрямителя напряжения ВН и инвертора напряжения ИН. В схему может опционально входить резервная аккумуляторная батарея АБ. Пунктирной линией условно показана резервная (байпасная) кабельная сеть. Использование классического метода высокоточной стабилизации электрической частоты снижает электрический КПД и надежность энергетических комплексов, увеличивает их стоимость.

Неклассическую систему стабилизации частоты вращения вала для тепловых поршневых двигателей разрабатывают крупные российские ученые, занимающиеся паровыми машинами и поршневыми двигателями: доцент кафедры инновационных технологий наукоемких отраслей Московского энергетического института, научный руководитель Студенческого конструкторского бюро по направлению «Промтеплоэнергетика» Колледжа космического машиностроения и технологий Московского государственного областного технологического университета (наукоград Королев), кандидат технических наук В. С. Дубинин и заведующий учебно-научной лабораторией этого колледжа, преподаватель С. О. Шкарупа.

В 1980-е годы В. С. Дубинин открыл явление самостабилизации частоты вращения вала тепловых двигателей дискретного действия (ТДДД), к которым относятся поршневые двигатели. Самостабилизацию частоты вращения коленчатого вала паропоршневого двигателя (по удельному расходу пара выгодно отличающегося от паровых турбин и паровинтовых машин) ученые предлагают реализовать, например, на мини-ТЭЦ, работающей на твердом биотопливе (рис. 4).

Рабочий процесс ТДДД осуществляется дискретно: при импульсной выработке или подаче рабочего тела через равные промежутки времени без использования датчика частоты вращения и сравнивающего устройства. Подобно тому, как механические часы сохраняют постоянную частоту хода (вращения) за счет маятника (задающего генератора), взаимодействующего с нелинейным звеном – анкерным механизмом.

ТДДД является нелинейной системой с двумя степенями свободы: первая степень свободы – движение коленчатого вала, вторая степень свободы – подача искры на свечу поршневого двигателя с искровым зажиганием либо подача рабочего тела в паровую поршневую машину за счет вращения золотника или движения клапанов.

Самостабилизация частоты вращения выходного вала ТДДД осуществляется без организации обратных связей при импульсной подаче или выработке рабочего тела (например, водяного пара) через равные промежутки времени. Процесс по сути аналогичен работе анкерного механизма и маятника в механических часах (см. выше). В рассматриваемом примере это паровая поршневая машина с источником пара (котлом) и задающий генератор импульсов подачи пара.

На упрощенной электротепловой схеме включения ППД на паровой мини-ТЭЦ, питающей внешнюю электрическую нагрузку и электрическую нагрузку собственных нужд ЭНСН (рис. 4), реализована самостабилизация частоты вращения вала ППД по методу Дубинина – Шкарупы без организации обратных связей. В ППД подается импульсный поток острого водяного пара ИВП1 от источника (котла) с задающим генератором импульсов подачи пара (условно не показаны). Поток отработавшего водяного пара ВП2 от ППД поступает в бойлер мини-ТЭЦ (как на рис. 3). Для автоматизации задачи импульсов подачи пара в ППД может применяться программируемый логический контроллер. Однако на практике метод Дубинина – Шкарупы может оказаться дешевле и надежнее классического метода высокоточной стабилизации электрической частоты.

Выводы

1. Изобретательская мысль по- прежнему играет главную роль в электро- и теплоэнергетике лесной промышленности при разработке перспективных новых энергетических комплексов.
2. Необходимо развивать новаторские идеи инженера Ю. Е. Виноградова и осваивать богатое научное наследие академика РАН Д. С. Стребкова в области возобновляемой и нетрадиционной энергетики.
3. В малой автономной энергетике лесной промышленности следует поддерживать важные научно-практические разработки российских ученых В. С. Дубинина и С. О. Шкарупы, касающиеся возможности реализации самостабилизации электрической частоты на поршневых мини-ТЭЦ. 

Текст
Иван Трохин, научный консультант,
общественная научная группа «Промтеплоэнергетика», наукоград Королев