С.Р. БЕРЕЗИН, д.т.н., профессор, Уфимский государственный авиационный технический университет (УГАТУ)
В.М. БОРОВКОВ, д.т.н., заслуженный энергетик России, зав. кафедрой промтеплоэнергетики Санкт-Петербургского государственного политехнического университета (СПбГПУ), профессор
В.И. ВЕДАЙКО, к.т.н., Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий (СПбГУНиПТ)
А.И. БОГАЧЕВА, генеральный директор ЗАО «Эко-Энергетика»

Из учебника по физике за 8-й класс мы можем узнать, что первая паровая турбина, нашедшая практическое применение, была изготовлена в далеком 1889 году шведом Лавалем. Классической паровой турбине уже больше века, а классика, как известно, всегда в моде.

В настоящее время в России и в мире получают все большее распространение новые технологии энергосбережения. К ним, в частности, относится использование энергии пара для выработки электроэнергии в котельных и перевода их в мини-ТЭЦ. Масштабы применения этой технологии энергосбережения достаточно велики. Так, в России находится в эксплуатации около 80 тыс. паровых котельных паропроизводительностью 10-100 т/час. Эти котельные обычно используются в производственно-отопительных целях и принадлежат небольшим предприятиям бумажной, лесопильной, пищевой, мясомолочной, кондитерской, строительных материалов, текстильной, кожевенной и многих других индустрий.

Параметры производимого пара в разных котельных сильно различаются в зависимости от назначения использования пара на данном предприятии. В свою очередь, потребление пара сильно меняется в зависимости от времени года (летний и зимний режимы) и от времени суток. Давление пара на выходе из котла зависит от потребностей технологии предприятия, а также от степени изношенности котлов. Так, обычные котлы широкого промышленного применения проектируются на давление пара 13 ати (атмосфера избыточная). Для изношенных котлов, которых в настоящее время очень много, Гостехнадзор ограничивает давление всего 7-8 ати. Для нужд технологии обычно требуется 4-6 ати, для отопления требуется 1,5-2 ати с расходом пара 3-6 т/час. Таким образом, наиболее часто в котельных имеется неиспользуемый перепад давления пара 3-6 ати с расходом пара 6-50 т/ час.

Из этого пара возможно реально получить 200-1500 кВт электроэнергии. Для этого необходимо пар после котла направить в расширительную машину, например, в паровую турбину, связанную с электрогенератором. Таким образом можно получить очень дешевую электроэнергию (дополнительный расход топлива и эксплуатационные расходы незначительны). Однако использование паровой турбины здесь малопродуктивно, поскольку в указанной области небольших мощностей она имеет ряд хорошо известных недостатков.
Наиболее привлекательными по совокупности свойств в данном диапазоне мощности являются паровые винтовые машины (ПВМ). ПВМ по своей сути является новым типом парового двигателя. ПВМ разработана в России, она уникальна, зарубежные аналоги отсутствуют. На конструкцию ПВМ, ее узлов и систем получено около 25 патентов в России и за рубежом.

В диапазоне мощности 200-1500 кВт ПВМ практически по всем показателям значительно превосходит обычную лопаточную паровую турбину. ПВМ является наиболее перспективной основой для создания мини-ТЭЦ, особенно в районах Крайнего Севера и в районах к ним приравненным. Здесь ориентация на электростанции на дизельном топливе должна быть исключена в связи с многократным повышением цены топлива. В мини-ТЭЦ должны использоваться местные топливные ресурсы: уголь, торф, отходы лесопере-работки.

Устройство и принцип действия

ПВМ является машиной объемного типа действия. В корпусе вращаются рабочие органы — винты роторов. Роторы выполнены из стали, на них нарезаны винты асимметричного профиля. Синхронизирующие шестерни, установленные на роторах, которые абсолютно исключают возможность касания профилей винтов друг с другом. Выходной вал ведущего ротора соединен с электрогенератором. Принцип действия ПВМ показан на РИС. 1.

Пар высокого давления из котла поступает в ПВМ через впускное окно в корпусе с одного торца роторов. После заполнения паром канавки между зубьями происходит отсечка пара, и при дальнейшем вращении роторов в канавке (парной полости) происходит объемное расширение порции пара. В конце расширения канавка сообщается с выпускными окнами в корпусе на другом торце роторов. Отработанный пар поступает в тепловую сеть для нужд технологии или для отопления.

Преимущества

Основное преимущество энергоустановки с ПВМ по сравнению с имеющимися на рынке паротурбинными энергоустановками заключается в следующем: установки спроектированы практически на одно-единственное сочетание расхода и давлений пара на входе в машину и на выходе из нее. Данное сочетание условий по пару определяет мощность машины. В то же время условия по пару у разных предприятий сильно различаются, и очень наиболее часто встречающийся диапазон мощности 200-1500 кВт. Подобная вариативность значительно расширяет спектр применения ПВМ.

Можно сформулировать ряд требований к облику энергетической установки с ПВМ, чтобы она наиболее полно учитывала потребности сложившегося рынка и могла успешно конкурировать на нем. Прежде всего, необходимо оценить наиболее вероятный потенциал мощности пара в котельных и уже исходя из этого задать диапазон мощности машины. В ТАБЛ. 1 приведены наиболее часто встречающиеся у различных предприятий параметры пара: давление на впуске ПВМ, давление на выпуске, потребление (расход) пара и мощность, которую можно реально получить с помощью ПВМ.

Каждое такое сочетание режимных параметров пара определяет мощность ПВМ. Оптимальная настройка конструкции ПВМ на определенное сочетание параметров пара осуществляется за счет подбора в широком диапазоне соответствующих конструктивных параметров ПВМ при единой базовой конструкции машины, которая определяется литейными моделями корпуса. Таким образом, ПВМ способна выработать мощность в диапазоне 200-1500 кВт практически на любом предприятии, которое имеет пар с указанными в табл. 1 параметрами.

Энергоустановка с ПВМ может быть трех типов: для автономного режима, для режима параллельно сети, а также для привода исполнительных механизмов, например, водяных насосов. Стоит заметить, что при работе в параллельном режиме энергоустановка работает на сеть предприятия, покрывая часть его собственных нужд в электроэнергии и уменьшая тем самым ее потребление из сети. Обороты и частота переменного тока энергоустановки жестко привязаны к частоте сети. Мощность установки определяется перепадом давления и расходом пара через машину и регулируется дроссельным клапаном на входе в ПВМ.

ПВМ рассчитана на достаточно низкий уровень технического обслуживания, поскольку эксплуатация ее проводится исключительно персоналом самой котельной. Система автоматического управления и защиты, основанная на микропроцессорной технике, должна учитывать различный технический уровень приборного оснащения котельных, и допускает возможность работы совместно с современными АСУ ТП на базе персональных компьютеров, а также может работать автономно в котельной с морально устаревшими КИП.

Работа ПВМ в год должна составлять не менее 6500 часов из имеющихся 8760 часов, с учетом необходимого технического обслуживания оборудования котельной и перерывов в подаче пара.

Доказано практикой и экономикой

В мае 2007 года предприятием ЗАО «Эко-Энергетика» совместно с Санкт-Петербургским политехническим государственным университетом была внедрена паровая винтовая турбина с мощностью асинхронного генератора 1000 кВт в производственной котельной ОАО «НПФ «Пигмент». В настоящее время машина находится в опытно-промышленной эксплуатации в условиях реального производства. Она вышла на максимальную проектную мощность и показала свою работоспособность и эффективность.

При работе по тепловому графику выдача активной электрической мощности в сеть предприятия колебалась от 320 до 808 кВт, среднечасовая мощность составила 563,3 кВт, общая наработка — 5000 часов, стоимость выработанной электроэнергии — 0,21 руб/кВт*ч. Расчетный срок окупаемости составляет 18 месяцев при годовой наработке 6000 часов и средней мощности 600 кВт.

Электрическая система отбора мощности энергоустановки на основе асинхронного генератора при параллельной работе с сетью показала свою высокую надежность. Выдача энергии в электрическую сеть не оказывает дестабилизирующего влияния на сеть. Претензии со стороны энергоснабжающей организации не поступали.

Замечаний к работе энергоустановки нет, машина проста в эксплуатации, оснащена многоуровневой защитой от аварийных ситуаций. Предприятия, имеющие собственные котельные, обычно очень заинтересованы в приобретении эффективного и быстро окупающегося паросилового электрогенерирующего оборудования по следующим причинам:

1.  Высокие цены на электроэнергию обусловлены тем, что в сетевой тариф заложены дополнительные расходы на эксплуатацию и амортизацию сетей, НДС, прибыль и пр. Собственное производство электроэнергии в котельной приводит к некоторому увеличению расхода топлива, однако это окупается низкой стоимостью получаемой электроэнергии, обычно в 4-5 раз дешевле, чем из сети.
2.  Вероятность отключения электроснабжения, особенно для предприятий низкой категории электроснабжения. Этот фактор часто значит не меньше (а во многих случаях и больше), чем экономия на оплате электроэнергии. Так, при отключении энергии зимой котельная останавливается и размораживается, поскольку все агрегаты собственных нужд работают от электропривода. В настоящее время фактор надежности электроснабжения превалирует в большинстве регионов России.

Расчет экономической эффективности применения ПВМ в котельной показывает, что удельный расход топлива на выработанную электроэнергию составляет 140-145 г.у.т./кВт*ч, а срок окупаемости энергетической установки — до полутора лет. При расчете в качестве установленной принята мощность ПВМ, равная 800 кВт. При повышении мощности эффективность ПВМ еще более повышается.

В заключение хотелось бы расставить акценты и показать, почему уже сегодня следует задуматься над тем, чем ваше предприятие будет жить завтра:

•  ПВМ может эффективно применяться для производства электроэнергии в котельных при срабатывании перепада давления пара. Электроэнергия, которая произведена в собственной котельной, переоборудованной в мини-ТЭЦ, в 4-5 раз дешевле, чем покупаемая у электро-снабжающей организации. Это объясняется тем, что владелец собственной мини-ТЭЦ не оплачивает расходов на содержание энергосетей, накладных расходов, НДС и плановой прибыли;
•  ПВМ как паровой двигатель в диапазоне мощности 200-1500 кВт имеет значительные технические преимущества перед паровой турбиной по эффективности, габаритам, стоимости, надежности и безопасности;
•  для различных условий по пару, определяющих различную мощность ПВМ, используется единая базовая модель машины с соответствующей настройкой под индивидуальные условия предприятия;
•  в процессе роста внутрироссийс-ких цен на электроэнергию (0,03-0,05 USD/кВт-ч) и приближения их к мировому уровню (0,09-0,12 USD/кВт-ч) собственное производство энергии станет значительно более рентабельным. Учитывая экономический рост в России и значительную изношенность основных фондов электростанций и электросетей, собственное производство энергии является реальной альтернативой центральному энергоснабжению