Фотосинтетический кислород: роль H2O2

Фотосинтетический кислород: роль H2O2

Тепловая электростанция с поршневой паровой машиной

     Рассмотрим энергоснабжение предприятий и других объектов, потребляющих одновременно  тепловую и электрическую энергию. Таких, например, как предприятия по переработке мяса и молока, которые расходуют пар низких параметров для тепловой обработки продуктов и электроэнергию для холодильных установок. Другой пример – лесопереработка, где пар необходим для сушильных камер, а электроэнергия для распиловки брёвен. Или тепличные хозяйства и многое, многое другое. И, конечно, отопление и электроснабжение объектов ЖКХ, особенно небольших посёлков, включая объекты министерства обороны, перебои в электроснабжении которых часто приводят к остановкам котельных.

   Известно, что совместное производство тепловой и электрической энергии более экономично, чем их раздельное производство. При небольшой величине потребления совместное производство тепловой и электрической энергии может производиться на малых тепловых электростанциях (МТЭС). Чаще всего на малых ТЭС химическая энергия топлива преобразуется в тепловую с помощью паровых котлов. Затем заключённая в водяном паре тепловая энергия преобразуется в механическую с помощью паровых агрегатов – турбины, винтовой или поршневой машины.

Оставшаяся после агрегата тепловая энергия в зимнее время используется на отопление и технологические нужды, а в летнее время может использоваться на технологические нужды или для получения холода с помощью абсорбционных холодильных машин.

   Такая схема может использоваться и на нефтедобывающих предприятиях, попутный газ которых не пригоден для работы газовых двигателей, но горит в топке котла.

Удельный расход пара (количество килограммов пара, необходимое для производства одного киловатт-часа механической энергии)  для паросиловых установок не зависит от их типа, а зависит только от параметров поступающего в них пара и параметров пара на выходе из этих установок.

В поршневых паровых машинах весь поступивший в них пар совершает работу, а через турбины малой мощности и винтовые паровые машины часть поступившего пара проходит не совершая работы.  В связи с этим удельный расход пара у турбин малой мощности и винтовых паровых машин будет больше, чем у поршневых паровых машин, и соотношение полученных от этих агрегатов механической работы и тепла сместится в сторону увеличения количества тепла.

В таблице  показан удельный расход пара различными агрегатами. В ней собраны данные о поршневых паровых машинах (ППМ) и паровых турбинах серии ОР, выпускавшихся до 1950 года, и по турбоагрегатам и винтовым паровым машинам, которые выпускаются в настоящее время.  Для сравнения экономичности агрегатов, использующих пар различных начальных параметров, фактический удельный расход пересчитан для пара со следующими параметрами:

-давление пара на входе в агрегат       –  1,2 МПа

-температура пара на входе в агрегат  –   260°С

-давление пара на выходе из агрегата  –   0,3 МПа                                         

    Данные, собранные в таблицу, показывают, что удельный расход пара, т.е. количество пара, необходимое для выработки единицы работы, у поршневых машин, потребляющих пар низких параметров, примерно вдвое ниже, чем у турбин, потребляющих пар тех же параметров.

       Принципиальная схема МТЭС с поршневой паровой машиной выглядит следующим образом:

 Условно МТЭС можно разделить на два относительно независимых модуля - энергетический и силовой.                                                                                                                                                     

   Энергетический модуль состоит из парового котла и котельно-вспомогательного оборудования.  

Наличие пароперегревателя в котле является желательным  условием, но отнюдь не обязательно. В качестве энергетического модуля может использоваться любая действующая котельная.

   Силовой модуль состоит из поршневой паровой машины и соединенного с ней электрогенератора.   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 подаётся пар из подводящей магистрали, после расширения в цилиндрах он отводится для дальнейшего использования.                                                                                                                                      В режиме двойного расширения пар из подводящей магистрали подаётся в меньшую часть цилиндров, и из них расширившийся пар вытесняется в ресивер. В остальные цилиндры пар подаётся из этого ресивера и срабатывается до атмосферного давления. В этом режиме может быть получено наибольшее количество механической или электрической энергии.

В режиме с промежуточным отбором пара в часть цилиндров, например в половину, подаётся  пар из подводящей магистрали, из них расширившийся пар вытесняется в ресивер. Часть пара из ресивера идёт на технологические нужды, а остальной подаётся в цилиндры второй ступени.

         Изменение режима работы машины не требует никаких её регулировок, необходимы просто манипуляции вентилями, подключающими цилиндры к различным магистралям.

            Расчеты доказывают, что если к одинаковым котлам малой мощности присоединить силовые модули, один с паровой турбиной, другой с поршневой паровой машиной, от силового модуля с паровой поршневой машиной можно получить большее количество электроэнергии и по меньшей стоимости, чем от силового модуля с паровой турбиной.

 Для изготовления поршневой паровой машины можно использовать основные узлы двигателей внутреннего сгорания.  Далее приведена таблица, в которую собраны данные о мощности и расходе пара для поршневых паровых машин однократного расширения, которые могут быть изготовлены на базе шести- или восьмицилиндровых рядных ДВС, выпускающихся в России. Взяты именно рядные ДВС, поскольку они позволяют изготовить машины с горизонтальным расположением цилиндров. Расчёты проведены для машин различного объёма при трёх значениях величины давления пара.

 Поршневые паровые машины могут быть изготовлены и с использованием узлов и деталей компрессоров.

Паровые машины на базе компрессоров с оппозитными базами 4М4, 2М10, 4М10, и 4М16 имеют цилиндры двухстороннего действия с усилием на штоке соответственно 4, 10, и 16 тонн. Если использовать пар с давлением 1,3 МПа и температурой 250°С,  при коэффициенте наполнения 0,24 паровые машины, изготовленные на базе этих компрессоров будут иметь указанные в таблице мощность и расход пара.

Можно использовать более мощные базы с усилиями на штоке 25 или 40 тонн и с числом цилиндров до 8. Паровые машины на их основе будут иметь мощность до 4000 кВт.

    Ранее выпускавшиеся поршневые паровые машины имели существенный недостаток – большой вес на единицу мощности. Удельный вес поршневых паровых машин, которые могут быть изготовлены на базе современных двигателей внутреннего сгорания или компрессоров, не превышает аналогичный показатель паровых турбин, использующих пар одинаковых с машинами параметров. 

 Выводы: для электрогенерирующих агрегатов, использующих пар низких параметров

   Согласно законам термодинамики машины любой конструкции, преобразующие тепловую энергию в механическую, при одинаковых параметрах рабочего тела, для рассмотренных агрегатов при одинаковых параметрах водяного пара, имеют одинаковую теоретическую величину к.п.д..

   Только объёмные машины, в которых весь поступивший в них пар совершает работу, позволяют достигать наименьших значений удельного расхода пара

   Конструкции поршневых двигателей внутреннего сгорания и компрессоров отработаны настолько, что механические потери в них не превышают 10%. Такие же малые потери будут иметь изготовленные на их базе поршневые паровые машины.

   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 их в транспортабельных силовых модулях.

   МТЭС с поршневыми паровыми машинами позволяют получать энергию по ценам более низким, чем сложившиеся на рынке.

  При полном использовании энергии пара, прошедшего через машину, общий к.п.д. МТЭС с поршневой паровой машиной может доходить до 65%.

Жигалов Владимир Александрович

Т.д. (3854) 33-18-79  моб. 8-960 963 72 70                                           

         E-mail:  schigalov@inbox.ru

В заключении предоставляю Вам технические решения, которые могут использоваться при изготовлении электростанций, в состав которых входит паровые машины. Эти решения найденны в литературе или проработанные мной лично. Хочется верить, что эти технические решения помогут в проектировании поршневых паровых машин.

Технические решения, которые могут быть использованы

при проектировании поршневых паровых машинах, создаваемых на базе          четырёхтактных тронковых ДВС и крейцкопфных компрессоров.

            До того, как поршневые паровые машины (ППМ) докажут своё превосходство в малой энергетике над другими тепловыми машинами, такими, как агрегаты с дизельными, бензиновыми и газовыми ДВС, винтовыми паровыми машинами, паровыми турбинами малой мощности и газовыми турбинами, и появится возможность их серийного изготовления, наиболее перспективным направлением, по моему мнению, является проектирование  и изготовление ППМ на базах четырёхтактных  тронковых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и крейцкопфных компрессоров.

            В этой паре ППМ на базе тронковых ДВС могут иметь более высокую мощность на единицу рабочего объёма, чем ППМ на базе крейцкопфных компрессоров. Это возможно за счёт использования пара с более высокими параметрами. Однако ППМ на базе тронковых ДВС имеют более сложную систему смазки, так как полностью избежать попадания конденсата в смазочное и охлаждающее масло машины невозможно.

            Возможно сочетание преимуществ крейцкопфной и тронковой схем при использовании в тронковой схеме поршней, длина которых превышает ход поршня. В средней части поршня необходимо выполнить полости, предназначенные для сбора конденсата и масла, проникающих через уплотнения поршня. В гильзе цилиндра должны быть выполнены отверстия, предназначенные для сброса собранных поршнем конденсата из цилиндров и масла из картера. Это позволит полностью разделить полости цилиндров и картера.

Разделению полостей цилиндра и картера способствовует так же такое расположение машины, когда оси цилиндров располагаются горизонтально. При использовании поршней, разделяющих полости картера и цилиндра, желательно для уплотнения цилиндра использовать бессмазочные кольца.

            Используя коленчатый вал четырёхцилиндрового или восьмицилиндрового рядного ДВС можно изготовить оппозитную ППМ. Такое расположение цилиндров позволит увеличить их диаметр по сравнению с диаметром цилиндров исходного двигателя.

Весьма скоро следует ожидать переход от единичного изготовления опытных образцов агрегатов с поршневыми паровыми машинами к их серийному производству.

            Впоследствии могут быть использованы и другие типы машин, в которых пар расширяется в замкнутом объёме, например роторно — лопастные машины.

О ППМ на базе четырёхтактных тронковых ДВС.

В связи с тем, что в отличие от ДВС поршневые паровые машина являются двухтактными, они при меньшем среднем давлении в цилиндрах способны развивать мощность, сравнимую и даже превышающую  мощность ДВС одинакового с ними рабочего объёма. При этом их распределительные валы должны вращаться синхронно с коленчатыми валами, что требует изменения шестерней или звёздочек распределительного механизма.

О ППМ на базе крейцкопфных компрессоров.

Мощность ППМ на базе компрессоров ограничена максимальным допустимым усилием на штоке, и потому равна максимальной мощности двигателя, используемого в компрессоре данного типа. Потому, хотя такие машины имеют цилиндры двухстороннего действия, их удельные весовые и объёмные показатели не превышают аналогичных показателей машин, изготовленных на базе тронковых ДВС.  Кроме того требуется установка привода парораспределительных механизмов.

            У  ППМ есть особенность, которая не позволяет использовать крышки цилиндров (или головки блоков) существующих ДВС и компрессоров. В основном это связано с тем, что существующие впускные клапаны, имеющие механический привод на открывание и пружинный привод на закрывание, не могут быть использованы, так как внешнее давление пара будет эти клапаны открывать, и впуск пара в цилиндры будет происходить постоянно. Использование более мощных пружин поднимет нагрузки в газораспределительном (а в данном случае парораспределительном) механизме выше допустимых пределов. Не требующие мощных пружин двухседельные клапаны не обеспечивают необходимую герметичность из-за термических деформаций.

            При использовании ППМ для привода электрогенератора в составе агрегата в настоящее время существует три способа получения электроэнергии необходимого качества. Все три способа требуют регулирования паровой машины таким образом, что при изменении нагрузки на неё частота вращения агрегата находилась в заданных пределах.

            Первый – это использование генераторов постоянного тока с регулированием частоты вращения агрегата в некотором, довольно широком диапазоне. Полученная электроэнергия может использоваться непосредственно в том виде, в каком она получена, либо преобразуется  с помощью частотного преобразователя в одно – или трёхфазный переменный электрический ток необходимой частоты.

            Второй – использование генераторов переменного тока с регулированием частоты вращения агрегата в некотором диапазоне. Полученный переменный ток может быть выпрямлен, а затем  преобразуется  с помощью частотного преобразователя в одно – или трёхфазный переменный электрический ток необходимой частоты.

            Третий – использование генераторов переменного тока с точным регулированием частоты вращения агрегата, когда на зажимах генератора получается электрическая энергия необходимого качества.

Следует помнить, что применение частотных преобразователей значительно, в 2 – 3 раза, повышает стоимость агрегата именно за счёт стоимости частотных преобразователей. Вместе с тем агрегаты, в которых используются частотные преобразователи, имеют более простую, не требующую высокой точности систему управления частотой вращения.

            Для регулирования частоты вращения машины при изменении нагрузки на неё используются несколько методов.

            Качественный – предполагает изменение давления пара перед цилиндрами. Этот способ регулирования с помощью дросселя наименее экономичный, хотя и наиболее простой.

            Количественный - изменение величины отсечки - изменение величины угла поворота коленчатого вала, во время которого происходит впуск пара в цилиндры. Необходимо иметь возможность изменять отсечку в пределах от 10° до 180° угла поворота коленчатого вала после ВМТ. Такой широкий диапазон регулирования не позволяет использовать технические решения, которые применяются в настоящее время в ДВС с изменяющимися фазами газораспределения.

Следует обратить внимание на то, что с увеличением величины отсечки мощность машины растёт медленнее, чем расход пара. Это значит, что машины с малой величиной отсечки экономичнее, чем машины с большой (0,32 и выше) величиной отсечки. Однако у машин с маленькой величиной отсечки возникают проблемы с регулированием частоты вращения в режиме частичных нагрузок.

            Это заставляет использовать для впуска пара в поршневых паровых машинах золотниковое парораспределение. Золотники могут быть использованы только на впуск пара, а выпуск пара будет осуществляться через клапаны. Возможно использование золотников как на впуск, так и на выпуск пара. В обоих случаях требуется использование отдельных механизмов, управляющих впуском и выпуском пара. В машинах с золотниковым парораспределением следует использовать двухконтурную систему смазки машины. Это вызвано тем, что в механизме парораспределения возможна конденсация пара и попадание конденсата в систему смазки. Потому необходимо разделить системы смазки коленчатого вала и механизма  парораспределения.

 Количественный метод регулирования наиболее точный, но и наиболее сложный. При частоте вращения машины выше 250 об/мин. этот метод реализуется с помощью двух последовательно расположенных золотников во впускных каналах каждого цилиндра.

            Существует комбинированный метод регулирования, называемый регулированием изменением противодавления. Он сочетает достаточную точность регулирования и невысокую сложность.                       

            E-mail:               schigalov@inbox.ru                                    В.А. Жигалов                        02.01.2017г.