Современные паровые машины и энергосбережение в малой энергетике
И. С. Трохин, аналитик техники паровых машин, ВИЭСХ Россельхозакадемии
Сущность энергосбережения состоит, в конечном счете, в необходимости повышения эффективности использования топлива. Если говорить о малой генерации, этому в большей степени могут способствовать современные паровые машины, обладающие высоким энергетическим потенциалом.
Поршневой двигатель XXI века унаследовал величественные черты облика классической вертикальной паровой машины
На страницах журнала «Энергосбережение» уже рассматривались технико-технологические основы применения современных паровых поршневых машин [1, 2], унаследовавших от своих классических предшественников (рис. 1) высокую надежность в сочетании с неприхотливостью в эксплуатации. Однако паровые машины сегодняшнего дня находят вполне штатное энергоэффективное применение в малой стационарной энергетике, но пока только за рубежом, например в Германии, Чехии, Италии и некоторых других странах.
Классическая вертикальная паровая машина с золотниковым парораспределением
«Планетарность» современных паровых машин
Для наглядности понимания предназначения современных паровых машин в энергетике уместно ввести условное понятие-аналогию их «планетарности»: как планета Венера является мощным источником высоких температур, несущим в себе тепловую энергию, так и паровая машина сегодня представляется некой «планетой» с большим энергетическим потенциалом, при умелом использовании которого есть возможность повышать эффективность работы электростанций малых (до 1 МВт) и средних (1–10 МВт) мощностей. «Планетарность» проявляется при использовании паровых машин в составе паросиловых мини-ТЭЦ и мини-КЭС: тандем из машины-«планеты» и ее сопутствующего оборудования-«спутников» особенно выгоден как топливосберегающее мероприятие при внедрении в котельных с паровыми котлами. В последнем случае принципиально возможно не только исключить из работы котельной процесс бесполезного дросселирования пара на задвижке, но и обеспечить электроприемники котельной электроэнергией собственного производства, которая будет в разы дешевле закупаемой от централизованных электросетей.
Почему поршень?
Паровая машина как тепловой двигатель (см. справку) используется для получения в основном механической энергии из тепловой в энерговырабатывающих установках на объектах малой энергетики для привода электромашинных генераторов, а иногда и вспомогательного оборудования (к примеру, водяных насосов) малых и средних электростанций. Кроме этого, в некоторых котельных паровые двигатели лопаточного (рис. 2) и винтового (рис. 3) типов тоже внедряются, как далее будет показано, с целью обеспечения попутной электрогенерации.
Лопаточная одноступенчатая паровая турбина или колесо Кертиса
В зарубежной малой энергетике известно и успешно практикуется уже не один год альтернативное пароприводное решение для котельных и тепловых мини-электростанций (мини-ТЭС): вместо малых паровых турбин обоих упомянутых типов используются поршневые паровые машины, точнее паровые моторы. Из последних практически мировую известность получили немецкие Spilling-моторы.
Исторически под паровой машиной понимали работающий на водяном паре тепловой двигатель только поршневого типа (других еще не было). В этом смысле сегодня почти ничего не изменилось. Необходимо все же заметить, что с появлением турбин последние стали называть еще и турбомашинами.
Существуют и так называемые паровинтовые машины, принципиально относящиеся к категории турбин. Только ротор у таких агрегатов выполнен не с лопаточным венцом, а по типу винта Архимеда, обычно цилиндрической конструкции. Однако возможно более оригинальное исполнение – конусно-винтовая турбина (рис. 3).
Вариант исполнения винтовой паровой турбины
Главное энергетическое преимущество современных паровых поршневых машин – меньший, по сравнению с маломощными и особенно одноступенчатыми паровыми турбинами, удельный расход пара при равных параметрах (давлениях и температурах) пара на входе и выходе у сравниваемых двигателей при одинаковых мощностях. Хотя, как показывают исследования [3], энергетическая выгода рассматриваемой поршневой техники сохраняется, если даже параметры пара у сравниваемых электроагрегатов с паровыми двигателями не являются одинаковыми и существует даже некоторый больший перевес с форой в сторону паротурбинных агрегатов мощностью даже в несколько раз больше, чем у агрегатов паромоторных. Верхний предел единичной электрической мощности, например, для электрогенераторной установки со Spilling-мотором составляет 1,2 МВт.
Габаритные размеры и масса паровых моторов на сегодня несколько больше, если сравнивать с паровыми турбинами лопаточного и винтового типов. Однако отсутствие редуктора и дальнейшее совершенствование создаваемых рядом разработчиков поршневых конструкций должны, по всей видимости, свести этот недостаток к минимуму. Но, вообще, последний не имеет первостепенного значения для наземных энергетических установок, и положительный зарубежный опыт эксплуатации паромоторных мини-ТЭС в определенной мере это подтверждает. Американская же компания Cyclone Power Technologies Inc. ведет разработки и испытания паровых моторов со звездо-образным расположением цилиндров (наподобие того, как это делалось раньше на авиационных моторах, к примеру у знаменитого Поликарповского самолета По-2). В прошлом году им удалось достичь высокого коэффициента полезного действия, величина которого составила 31,5% при единичной мощности мотора около 75 кВт.
Из перспективных отечественных паровых поршневых машин стоит отметить паропоршневые двигатели [1, 4–6] – высокооборотные паровые машины с частотой вращения вала 1000 об/мин и выше, которым должны быть присущи, по идеям разработчиков 1 , высокие эксплуатационные свойства (надежность, ресурс и др.).
Сопутствующее оборудование
Вырабатываемая паровой машиной механическая энергия вращения рабочего вала может полезно использоваться, равно как и тепловая (в виде теплового выхлопа отработавшего пара), для обеспечения работы следующего оборудования:
электрогенераторного (синхронного генератора или более дешевого и простого асинхронного [7], например переделанного из асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором) машинного типа, соединяемого без промежуточной механической понижающей или повышающей передачи;
теплоутилизационного: бойлеров-водонагревате-лей пароводяного типа, абсорбционных паровых холодильных установок (последние лучше бромистолитиевые, т.к. они значительно более безопасны в эксплуатации, чем известные в промышленности водоаммиачные холодильные установки);
технологического производственного или вспомогательного: различных насосов, вентиляторов, детандеров (газорасширительных машин), компрессоров, причем как кинематически напрямую, так и, если это необходимо, через соответствующую редукторную или мультипликаторную механическую передачу.
Где и как внедрять?
В качестве объектов, чью энергетическую эффективность можно повысить с использованием современных паровых машин, могут выступать, в частности:
промышленные и муниципальные котельные с паровыми котлами – паровая машина для привода электрогенератора здесь включается на линии дросселирования водяного пара параллельно либо полностью взамен существующего редукционно-охладительного устройства [2], роль которого часто выполняет простая дроссель-задвижка;
паросиловые мини-теплоэлектроцентрали (мини-ТЭЦ), где паровую машину энергетически наиболее целесообразно предусматривать вместо маломощных паровых лопаточных и винтовых турбин, особенно если последние предусматриваются на электрическую мощность до 1,2 МВт и в одноступенчатом исполнении или же в многоступенчатом, но без промежуточного отбора пара;
технологические производственные установки, где по условиям реализации основных процессов выпуска продукции есть возможность с помощью парового котла-утилизатора использовать сбросное тепло (например, в металлургии такими установками могут выступать крупные сталеплавильные печи, а в стекольной промышленности – печи для варки стекла).
Технологические решения для мини-ТЭС – конденсационных мини-электростанций (мини-КЭС) и мини-ТЭЦ – с использованием современных паровых машин принципиально схожи с известными, реализуемыми на паротурбинных мини-ТЭС. Это комбинированное производство электрической и тепловой энергии (когенерация на мини-ТЭЦ, в т.ч. создаваемых на базе котельных с паровыми котлами) либо так называемая тригенерация [2], т.е. комбинированная выработка сразу трех видов энергии одновременно (к примеру, электрической, тепловой и холодильной). В качестве холодопроизводящего оборудования при тригенерации на паросиловых мини-ТЭС используются абсорбционные холодильные машины, для работы которых вполне достаточно отработавшего в паровом двигателе водяного пара. Такой вариант гораздо более экономичен, чем выработка холода с помощью чисто электрических кондиционеров.
Теоретически возможно осуществить технологию квадрогенерации, опять же с использованием современных паровых поршневых машин. Производство четырех видов энергии (скажем, механической для привода технологического производственного оборудования, а также электрической, тепловой и холодильной) в комбинированном режиме реализовать довольно сложно, т.к. все получаемые соответствующие мощности будут взаимозависимы. Однако благодаря тому, что у паровых поршневых машин расход пара через них в определенных пределах весьма слабо зависит от изменений нагрузки, квадрогенерация может стать практически осуществимым энергосберегающим мероприятием для промышленных и муниципальных энергетических объектов. А современная автоматика и микроконтроллерная техника этому могут здорово помочь.
Вывод
Современные паровые поршневые машины вполне могут способствовать энергосбережению в ряде технологических и энергетических установок, в частности тех, у которых при работе выделяется сбросное тепло в виде выхлопных или дымовых газов.
Литература
Дубинин В.С., Шкарупа С.О., Лаврухин М.К. Котельные должны работать автономно // Энергосбережение.– 2011.– № 8.– С. 56–61.
Трохин И.С. Мини-ТЭЦ с паровыми моторами – реальность XXI века // Энергосбережение.– 2012.– № 2.– С. 62–68.
Трохин И.С. Мини-ТЭЦ с паровыми моторами для бесперебойного энергоснабжения ответственных потребителей // Промышленная энергетика.– 2012.– № 9.– С. 15–20.
Дубинин В.С. Обеспечение независимости электро- и теплоснабжения России от электрических сетей на базе поршневых технологий : монография.М. : Изд-во Моск. ин-та энергобезопасности и энергосбережения, 2009. 164 с.
Дубинин В.С., Лаврухин К.М., Алексеевич М.Ю., Шкарупа С.О. Применение паропоршневых технологий в котельных в качестве альтернативы внешнему электропитанию // Энергобезопасность и энергосбережение.– 2010.– № 6.– С. 17–20.
1 Коллектив создателей и испытателей этих двигателей возглавляет В. С. Дубинин, эксперт по отбору инновационных молодежных проектов в рамках российской программы-конкурса «У.М.Н.И.К.», руководитель объединенной научной группы «Промтеплоэнергетика» Московского авиационного института, Всероссийского научно-исследовательского института электрификации сельского хозяйства Россельхозакадемии, Московского энергетического института, Королёвского колледжа космического машиностроения и технологии, Московского института энергобезопасности и энергосбережения, совместно с московской научно-исследовательской молодежной инновационной фирмой «ООО «Новая энергия»».
Поделиться статьей в социальных сетях:
Источник статьи: http://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=5530
Принцип работы парового двигателя
Паровая машина — тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию водяного пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле паровая машина — любой двигатель внешнего сгорания, который преобразует энергию пара в механическую работу.
Паровой двигатель — тепловой поршневой двигатель, в котором потенциальная энергия водяного пара, поступающего из парового котла, преобразуется в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня или вращательного движения вала.
Пар является одним из распространенных теплоносителей в тепловых системах с нагреваемым жидким или газообразным рабочим телом наряду с водой и термомаслами. Водяной пар имеет ряд преимуществ, среди которых простота и и гибкость использования, низкая токсичность, возможность подведения к технологическому процессу значительного количества энергии. Он может использоваться в разнообразных системах, подразумевающих непосредственный контакт теплоносителя с различными элементами оборудования, эффективно способствуя снижению затрат на энергоресурсы, сокращению выбросов, быстрой окупаемости.
Закон сохранения энергии— фундаментальный закон природы, установленный эмпирически и заключающийся в том, что энергия изолированной (замкнутой) физической системы сохраняется с течением времени. Другими словами, энергия не может возникнуть из ничего и не может исчезнуть в никуда, она может только переходить из одной формы в другую. С фундаментальной точки зрения, согласно теореме Нётер, закон сохранения энергии является следствием однородности времени и в этом смысле является универсальным, то есть присущим системам самой разной физической природы.
История изобретения паровых машин. Создание паровой машины
Возможности в использовании энергии пара были известны в начале нашей эры. Это подтверждает прибор под названием Героновский эолипил, созданный древнегреческим механиком Героном Александрийским. Древнее изобретение можно отнести к паровой турбине, шар которой вращался благодаря силе струй водяного пара.
Приспособить пар для работы двигателей стало возможным в XVII веке. Пользовались подобным изобретением недолго, однако оно внесло существенный вклад в развитие человечества. К тому же история изобретения паровых машин очень увлекательна.
Понятие
Паровая машина состоит из теплового двигателя внешнего сгорания, который из энергии водяного пара создает механическое движение поршня, а тот, в свою очередь, вращает вал. Мощность паровой машины принято измерять в ваттах.
Принцип действия
Для работы всей системы необходим паровой котел. Образовавшийся пар расширяется и давит на поршень, в результате чего происходит движение механических частей.
Принцип действия лучше изучить с помощью иллюстрации, представленной ниже.
Если не расписывать детали, то работа паровой машины заключается в преобразовании энергии пара в механическое движение поршня.
Коэффициент полезного действия
КПД паровой машины определяется отношением полезной механической работы по отношению к затраченному количеству тепла, которое содержится в топливе. В расчет не берется энергия, которая выделяется в окружающую среду в качестве тепла.
КПД паровой машины измеряется в процентах. Практический КПД будет составлять 1-8%. При наличии конденсатора и расширении проточной части показатель может возрасти до 25%.
Преимущества
Главным преимуществом парового оборудования является то, что котел в качестве топлива может использовать любой источник тепла, как уголь, так и уран. Это существенно отличает его от двигателя внутреннего сгорания. В зависимости от типа последнего требуется определенный вид топлива.
История изобретения паровых машин показала преимущества, которые заметны и сегодня, поскольку для парового аналога можно использовать ядерную энергию. Сам по себе ядерный реактор не может преобразовывать свою энергию в механическую работу, но он способен выделять большое количество тепла. Оно то и используется для образования пара, который приведет машину в движение. Таким же образом может применяться солнечная энергия.
Локомотивы, работающие на пару, хорошо показывают себя на большой высоте. Эффективность их работы не страдает от пониженного в горах атмосферного давления. Паровозы до сих пор применяют в горах Латинской Америки.
В Австрии и Швейцарии используют новые версии паровозов, работающих на сухом пару. Они показывают высокую эффективность благодаря многим усовершенствованиям. Они не требовательны в обслуживании и потребляют в качестве топлива легкие нефтяные фракции. По экономическим показателям они сравнимы с современными электровозами. При этом паровозы значительно легче своих дизельных и электрических собратьев. Это большое преимущество в условиях горной местности.
Недостатки
К недостаткам относится, прежде всего, низкий КПД. К этому стоит добавить громоздкость конструкции и тихоходность. Особенно это стало заметно после появления двигателя внутреннего сгорания.
Применение
До середины ХХ века паровые машины применяли в промышленности. Также их использовали для железнодорожного и парового транспорта.
Заводы, которые эксплуатировали паровые двигатели:
сахарные;
спичечные;
бумажные фабрики;
текстильные;
пищевые предприятия (в отдельных случаях).
Паровые турбины также относятся к данному оборудованию. С их помощью до сих пор работают генераторы электроэнергии. Около 80% мировой электроэнергии вырабатывается с применением паровых турбин.
В свое время были созданы различные виды транспорта, работающие на паровом двигателе. Некоторые не прижились из-за нерешенных проблем, а другие продолжают работать и в наши дни.
Транспорт с паровым двигателем:
Большая часть подобного транспорта стала непопулярной после появления двигателя внутреннего сгорания, чей КПД значительно выше. Такие машины были более экономичными, при этом легкими и скоростными.
Настольная рабочая модель двигателя Стирлинга
Типы двигателей
Двигатели бывают двух основных типов:
двигатели внешнего сгорания (например, паровые двигатели) сжигают топливо в одном месте и производят энергию в другой части той же машины;
двигатели внутреннего сгорания (например, автомобильные двигатели) сжигают топливо и производят мощность в одном и том же месте (в автомобиле все это происходит в сверхпрочных металлических цилиндрах).
Оба типа двигателей полагаются на тепловую энергию, заставляющую газ расширяться, а затем остывать.
Чем больше разница температур (между самым горячим и самым холодным газом), тем лучше работает двигатель.
Как работает паровой двигатель
Есть угольный костер, который нагревает воду до тех пор, пока она не закипит и не превратится в пар.
Пар проходит по трубе в цилиндр через открытый входной клапан, где он толкает поршень и приводит в движение колесо.
Затем входной клапан закрывается, и открывается выходной клапан.
Импульс колеса заставляет поршень вернуться в цилиндр, где он выталкивает охлажденный нежелательный пар через выход и дальше вверх по дымовой трубе (дымоходу).
Детали парового двигателя
Паровые двигатели, такие как у этого Локомотива, являются примерами двигателей внешнего сгорания.
Огонь, который и создаёт теплоту, пламя и является источником энергии (1), находится снаружи (вне) цилиндра, где тепловая энергия превращается в механическую энергию (3). Между ними есть котел (2), который превращает тепловую энергию в пар. Пар действует как теплоноситель, толкая поршень (4), который перемещает колеса с помощью кривошипа (5) и приводит в движение поезд (6). Пар и тепловая энергия постоянно выбрасываются из дымовой трубы (7), что делает этот способ особенно неэффективным и неудобным для питания движущейся машины.
Есть много проблем с паровыми двигателями, но вот четыре из них — наиболее очевидных.
Во-первых, котел, который производит пар, работает под высоким давлением, и существует риск, что он может взорваться (взрывы котлов были серьезной проблемой с очень ранними паровыми двигателями).
Взрыв парового котла паровоза
Во-вторых, котел обычно находится на некотором расстоянии от цилиндра, поэтому энергия теряется по пути. Температура внутри кабины машиниста была как в бане – доходила до 100 градусов. Всё это тепло расходовалось, по сути, впустую.
В-третьих, пар, выходящий из дымовой трубы, все еще достаточно горяч, поэтому он содержит потраченную энергию, которая никак не конвертировалась в механическую.
В-четвертых, поскольку пар выбрасывается из цилиндра каждый раз, когда поршень толкается вперед, двигатель должен потреблять огромное количество воды, а также топлива.
Как работает локомотив
Паровоз Строение паровоза
Топка
Дверь Топки
Колосники / Колосниковая Решетка
Поддувало – место для поддува воздуха
Уголь
Вода
Жаровые трубы
Регулятор
Коллектор для другого парового оборудования (т. е. свисток, перерывы, воздуходувка и т. д)
Паровой купол
Главная Паровая Труба
Выхлопная труба
Взрывная Труба
Цилиндр
Поршень
Задвижка
Дымоход
Шатун
Рукоятка
Ведущее колесо
Паропровод для тормозов поезда
Боковые резервуары для воды
Песочница, для тяги по мокрым рельсам
Дымосборник
Предохранительный клапан
Паровой двигатель использует угольный огонь (хотя есть и некоторые исключения) в качестве источника энергии для кипячения воды и получения пара.
Горячие газы от горящего угля в топке проходят через котел в «огненных трубах» (144 штуки в случае Локомотива «Барклай»), прежде чем покинуть двигатель через дымовую трубу и дымоход.
По мере того как вода в котле закипает, горячий “мокрый” пар поднимается вверх и собирается из парового купола на верхней части котла через регулирующий клапан, который машинист использует для управления скоростью движения локомотивов.
Из регулятора пар подается по трубопроводу в цилиндры и поочередно поступает через клапаны-золотники (расположенные сбоку корпуса цилиндра), толкая поршень в цилиндре вперед и назад.
Поршень соединен с ведущими колесами через «шатун» и «кривошип» (или «клапанный механизм», как его обычно называют), и движение поршня туда-сюда вращает ведущие колеса. Каждый раз, когда поршень цилиндра движется вперед и назад, ведущее колесо совершает полный оборот.
Рычаг «кривошипа» на каждой стороне локомотива смещен на 90 градусов, чтобы предотвратить его заклинивание, если паровоз остановится с ними в горизонтальном положении.
После выхода из цилиндра отработанный пар выходит из двигателя через дутьевую трубу и поднимается в дымоход в коптильне. Действие пара в дутьевой трубе создает более низкое давление в дымовой трубе, а также помогает вытягивать горячие газы из огня через трубы котла и в свою очередь производить больше пара.
Источник статьи: http://principraboty.ru/princip-raboty-parovogo-dvigatelya/
