Паровой ренессанс

Автор: Ольга Иоффе
Техсовет №10 (41) от 22 октября 2006, в рубрике: Энергетика

Мир возвращается к старому доброму пару. В процессе поиска новых видов энергии и попыток решения мировых экологических проблем выяснилось, что громоздкий, шумный, чумазый, неэффективный паровой привод еще не сказал своего последнего слова. Новые материалы и технологии позволяют создавать малогабаритные паровые машины, существенно повысить их КПД. Поиски идут в нескольких направлениях.

Экономика и экология

Самое актуальное – использовать паровой привод механизмов. К примеру, на предприятии котельная при изменении потребления сбрасывает неиспользованный пар в атмосферу. В то же время его можно применять для работы питательных насосов, вентиляторов, дымососов. Рассказывает Сергей Перминов, директор ООО «ЭЛТА» (Екатеринбург, (343) 378­78­68): «Использование паровой турбины малой мощности в качестве привода насоса, вентилятора или прямососа в котельной очень перспективно с точки зрения экономии электроэнергии. Если частотный привод искажает сеть, в ней появляется гармоническая составляющая, что приводит к потерям в электропотреблении, то паровой привод использует энергию «дармового» пара, которая обычно «вылетает в трубу». Утилизационная турбина направляет отработавший пар на технологические нужды и теплоснабжение.

Сегодняшний уровень наших конструкторских разработок и технологий позволяет изготовлять паровые турбины малых габаритов (ПТМ) под любые конкретные параметры эксплуатации. С экономической точки зрения замена частотного привода на паровой дает большой эффект: по нашим расчетам (с учетом расхода пара) – порядка 38­40 коп. на кВт, не считая экономии на самом оборудовании (рис. 1). Именно поэтому, как только на предприятии начинают заниматься энергоаудитом, искать пути экономии ресурсов или возможности закрыть дефицит электроэнергии, усиливается интерес к паровой энергии.

Кроме того, учитывая состояние российского электрохозяйства, установка двух небольших паровых турбин в каждой котельной в качестве резервного привода сетевого насоса и генератора позволила бы избежать тяжелых последствий аварийных ситуаций».

Специалисты отмечают еще один существенный плюс паровой машины – экологический. На выходе парогенератора – обычный дым, остаточный пар, который можно использовать для сушки, систем ГВС и отопления, и зола, тоже пригодная как удобрение. Все как у обычной деревенской печи. В газогенераторной установке еще остаются т.н. подсмольные воды, фенолы, спирты, ацетоны и др. Кроме того, паровая техника по простоте обслуживания не сравнится ни с какой другой.

Мощь и скорость

Потенциально автомобильные паровые двигатели (ПД) – двигатели внешнего сгорания – вырабатывают меньше вредных окисей азота, чем стандартные современные двигатели внутреннего сгорания (ДВС), поскольку максимальные температуры и давление в них ниже. Даже несмотря на то что ПД, как и другие, сжигают обычное горючее, их технология позволяет эффективнее контролировать выделение и выбросы двуокиси углерода. Именно поэтому конструкторы автомобильных корпораций, решая проблему сокращения вредных выбросов, вновь обращаются к пару. На заре XX в. паромобили успешно конкурировали с электромобилями и автомобилями и даже били мировые рекорды скорости. Сошли они с арены потому, что потребляли в 2­3 раза больше топлива, чем машины с ДВС. По той же причине на железной дороге на смену паровозам пришли тепловозы и электровозы. Недавно корпорация Volkswagen объявила о том, что новый революционный паровой двигатель будет установлен на автомобиле Skoda Fabia. Это трехцилиндровый однолитровый двигатель Ezee, потребляющий дизельное топливо, не дающий вредных выбросов. На его создание потребовалось 6 лет и около $55 млн. Маленькая роторная версия этого двигателя разработана для установки на гибридных автомобилях.

В этом же направлении работает BMW: в новой разработке баварских инженеров используется принцип обычного парового двигателя для переработки горячих выхлопных газов в энергию. Это должно увеличить крутящий момент на 20 Нм, а мощность двигателя – на 15­20% при такой же, а то и более высокой экономичности.

Группа английских энтузиастов «Британский паровой автомобильный вызов» строит болид «Вдохновение» (Inspiration), чтобы побить на нем рекорд скорости для автомобилей с паровым приводом. Для этого создан принципиально новый паровой двигатель, способный развивать мощность 225 кВт (300 л.с. на валу) при 12000 об/мин. Топливом для болида выбран сжиженный пропан. Четыре парогенератора будут поставлять паровой машине около 10 кг пара в минуту.

В России проблемами использования пара занимаются в Московском авиационном институте (МАИ). Здесь разработан паровой двигатель, в котором рабочее тело – аммиачный пар. КПД такого двигателя на 24% выше, чем у традиционной паровой машины (ПМ), удельный вес вместе с парообразователем – не более 1,2 кг/л.с., т.е. такой же, как и у карбюраторных автомобильных моторов, а удельный расход топлива всего 1,6 кг/л.с., что ниже, чем у дизельного мотора. Расчеты автора изобретения показывают, что по сравнению и с традиционной ПМ, и с ДВС, при той же мощности, он компактнее на 40­60%, имеет более высокий КПД (порядка 43,5% экономический и около 85% механический), расходует меньше соляра, чем, скажем, дизель... Даже на моторном масле, которого новый двигатель требует значительно меньше обычного, можно получить многомиллионную экономию. Такой двигатель можно использовать не только для транспортных средств, а также как стационарный для привода электрогенераторов различной мощности.

ТехЭкспертиза

Владимир Казанцев, директор НПО «Инверсия» (Екатеринбург, (343) 261­14­31, www.inversiya.com):

С развитием малого и среднего бизнеса растет спрос на источники пара небольшой мощности: закупать пар у крупных котельных – очень дорого. При этом потребитель платит не только за собственно пар, но и за невозврат конденсата, за утечки на дырявых паропроводах и т.д. Парогенераторы с небольшой производительностью от 5 кг пара до 2 т пара, давлением от 0,7 атм до 40 атм все больше используются в стройиндустрии, при выпуске пенополистирола, упаковочных изделий и материалов, в пищевой промышленности, при сушке пиломатериалов и т.д. У каждого заказчика свои особенности производства, и парогенератор должен иметь определенные характеристики (производительность, давление, вид топлива и т.д.). Наша компания, например, выпускает примерно 3­4 десятка модификаций.

Сегодня существенно растет интерес и к паровым электростанциям. Хотя все знают невысокий КПД паровоза, однако далеко не всегда этот показатель критичен. Например, в деревообработке скапливается очень много отходов, которые надо сжигать, в то же время там нужно и тепло для сушилок, и электроэнергия для пилорам. Паровая электростанция дает возможность, сжигая отходы в обычных паровых котлах с небольшим давлением и невысокой температурой, получать электроэнергию и тепло, причем существенно дешевле, чем от централизованной системы или автономной дизельной станции. Производство электроэнергии при помощи пара – стабильнее и дешевле. И, что особенно важно для лесной уральской глубинки, – не нужна высокая квалификация обслуживающего персонала.

В отличие от генераторных электростанций, у которых двигатель требует серьезного ремонта через год­два эксплуатации, паровые турбины работают десятилетиями. Конечно, на низких параметрах пара достичь высокого КПД машины невозможно, но часто это и не интересует наших заказчиков, т.к. используются отходы в качестве топлива. В настоящее время изготовлена паровая электростанция мощностью 5 кВт и разрабатывается на 30 кВт (в перспективе до 100 кВт).

Паровые турбины малой мощности

Самым эффективным и экономически оправданным на сегодняшний день можно назвать создание распределенной энергетической системы на базе уже существующих котельных путем перевода их в режим мини­ТЭЦ с использованием паротурбинных энергетических установок. Но вместе с тем данные установки могут найти широкое применение и в отдаленных поселках при создании станций, использующих местные виды топлив, вместо существующих дизельных электростанций (ДЭС). Дополнительные преимущества, такие как когенерация тепла, повышение надежности, отсутствие сетевых издержек, уже сейчас делают распределенную генерацию выгодной во многих применениях. Справедливая рыночная оценка всех преимуществ – ключевой фактор для определения перспективности таких проектов.

Технология комбинированного производства энергии и тепла с использованием противодавленческих паровых турбин зарекомендовала себя как наиболее эффективная с точки зрения энергосбережения. В таком комплексе пар на технологический процесс направляется через турбину, а работа, совершаемая в ней паром, используется для привода электрического генератора, насосов, вентиляторов и других устройств. Это позволяет значительно снизить затраты электроэнергии на привод устройств и повысить КПД использования пара. Самое существенное преимущество паротурбинного привода – высокий ресурс.

Внутренний КПД турбины «ПТМ» достигает 70%, а малая собственная длина позволяет поместить ее в действующей установке на существующем фундаменте взамен электропривода (или вместе с ним). Конструктивные и технологические особенности турбины ПТМ (отсутствие редуктора и системы маслоснабжения) повышают надежность работы, снижают уровень шума, обеспечивают пожаробезопасность. Такую турбину можно устанавливать и эффективно эксплуатировать в помещении существующей котельной в непосредственной близости с котлом. Время работы турбомашины до вывода из эксплуатации – не менее 40 лет. Средний срок окупаемости – 2-3 года.