Портал по тригенерации, когенерации и мини-ТЭЦ

Мини-ТЭЦ с топками кипящего слоя на высокозольном угле

Международная научно- практическая конференция « Малая энергетика-2005»

Беляев А.А., Московский энергетический институт (ТУ), Москва, Россия, Дубинин В.С., Московский авиационный институт (ГТУ), Москва, Россия

Это - публикация ноября 2004 г., в августе 2005 г. в печати было сообщено, что, по данным Минэкономразвития, газ до 2010 года подорожает в 2,5 раза, электричество и уголь - в 1,9 раза [2]. Нетрудно видеть, что более поздний прогноз дает большее увеличение цен на газ и меньшее на уголь. Учитывая, что 45% электроэнергии России вырабатывается из газа, (TV-реклама ОАО «Газпром») рост тарифов на электроэнергию будет продолжаться. В этой ситуации предприятиям России и ЖКХ с учетом не только дороговизны, но и ненадежности централизованного электроснабжения (например, авария 25 мая 2005 г) целесообразно переходить на самостоятельную выработку электроэнергии.

Такой подход теперь уже одобрен учеными Сибирского Энергетического Института им. Л.А.Мелентьева СО РАН [3] в части децентрализованного получения электроэнергии из газа с помощью газопоршневых двигателей. Ранее это теоретически доказывалось одним из авторов [4-10] и практически в [11,12].

Однако газ дорожает, а в азиатской части России его практически нет, и вся энергетика работает на угле. В этой связи очень актуально децентрализованно вырабатывать электроэнергию из дешевых высокозольных углей. Месторождения таких углей часто расположены рядом с промышленными центрами, например, Подмосковный угольный бассейн. Это важно, так как в стоимости угля более 50% составляют транспортные расходы. Такой низкокачественный уголь обычно сжигается факельным способом под паровыми котлами электростанций мощностью не менее 100 МВт, но даже при такой мощности возникают проблемы [13]. При этом, наиболее эффективная комбинированная выработка электрической и тепловой энергии не могла быть применена, так как, в связи с большим уносом летучей золы, такие электростанции расположены вдали от городов и работают по конденсационному циклу, выбрасывая более 60% тепла сгоревшего топлива в атмосферу через градирни.

В 1996 г. одним из авторов была защищена докторская диссертация [14], при работе над которой были созданы и испытаны топочные устройства мощностью от 2 до 10 МВт, работающие на высокозольном топливе (ВТ). В этих устройствах сгорание крупнодробленого ВТ с эквивалентным диаметром до 6, 13 или 25 мм происходит во взвешенно фонтанирующем слое (ВС). Это обеспечивает сохранение формы сгорающих частиц зольностью 30% и выше, минимизирует вынос летучей золы [15,16,17] и позволяет вводить в ВС известняк или доломит для предотвращения выбросов в атмосферу оксидов серы. Низкая температура процесса (850° - 950°) исключает образование оксидов азота.

Таким образом, созданы и защищены патентами [18-21] процессы и аппараты ВС, обеспечивающие экологически приемлемый процесс сжигания дешевых высокозольных топлив (углей, промпродуктов, отходов углеобогащения).

При промышленных испытаниях топочного устройства, работающего с котлом ДКВР-4-13, при сжигании отсева бурого угля класса 0-25 мм шахты «Амурская» с теплотой сгорания 3650 ккал/кг (для сравнения - теплота сгорания антрацита ≈7000 ккал/кг) был получен коэффициент полезного действия котлоагрегата (брутто) 85,2%. Это показывает полную готовность применения серийных паровых котлов, работающих на низкосортном угле, в составе мини-ТЭЦ. Нижний предел мощности мини-ТЭЦ ограничивается только номенкулатурой таких котлов. Пригодны для монтажа топки ВС котлы типа ДКВР, выпускаемые Бийским котельным заводом для твердого топлива, в диапазоне 2,5 - 20 тонн пара/час. Если говорить о наиболее массовых котлах низкого давления (13 кг/см2) без перегрева пара, то при КПД паровой турбины или машины, вращающих электрогенераторы, около 5%, от паросиловой установки на базе котла ДКВР-2,5-13 можно получить электрическую мощность примерно 75 кВт. Это целесообразно делать, если предприятию требуется для технологических нужд и горячего водоснабжения около 1,5 Гкал/час тепловой мощности. Тогда полное использование теплоты отработанного пара для промышленных целей даст коэффициент использования теплоты сгорания топлива (КИТ), больший 70%, то есть лучший, чем у ТЭЦ, работающих на дорогом газе (средний в 2000 г. по Российским ТЭЦ КИТ - 60-65% [22]). Такие параметры могут быть интересны для малых промышленных предприятий и мелких котельных. При потребности в большей мощности выбираются котлы большей паропроизводительности и их можно использовать несколько штук. В ряде случаев, когда ВТ является бесплатным или имеет отрицательную стоимость (отходы) можно вырабатывать почти только электрическую энергию, когда нет потребности в тепловой.

Электрический КПД выше 25% может быть получен при параметрах перегретого пара 39 кг/см2 и 440°С, но серийно на такие параметры выпускается только котел паропроизводительностью 10 тонн/час, с использованием которого можно получить электрическую мощность около 1500 кВт. Имеется письмо БКЗ на имя одного из авторов о готовности выпустить котлы на 1 и 2,5 тонны пара в час с такими параметрами пара при финансировании НИР и ОКР со стороны Заказчика. Что касается электрогенерирующей части мини-ТЭЦ, то серийно выпускаются калужским турбинным заводом турбогенераторы. Но самый меньший из них - это Кубань-500 электрической мощностью 500 кВт при потреблении насыщенного пара в 16 тонн/час при 11 кг/см2 [23], что соответствует КПД около 5%. Такая относительно большая мощность делает невозможным применение турбиной техники для малых предприятий и основной массы паровых котельных.

По данным [24], к 2000 г. внедрено ≈ 25 турбогенераторов и это «капля в море», учитывая, что в России к 2000 г. было 63900 котельных мощностью менее 20 Гкалл/час, около 3300 котельных мощностью 20-100 Гкалл/час и 628 котельных мощностью свыше 100 Гкалл/час, как указано в тексте доклада [25]. В [24] указывается, что основной сдерживающей причиной распространения паросиловых установок в котельных является то, что согласно [24] такие турбогенераторные установки работают параллельно с сетью, а вопрос подключения независимых производителей электроэнергии к центральной энергосистеме решается с помощью инициативных решений Минтопэнерго (теперь Минпромэнерго) РФ и Госэнергонадзора РФ. Напомним, что согласно [26] электростанции мощностью до 1000 кВт могут работать только автономно от сети. На наш взгляд есть и другие не менее серьезные причины слабого внедрения таких паросиловых установок:

1. Уровень мощности гораздо выше потребной электрической мощности большинства котельных.

2. Потребное давление пара 11 кг/см2 в то время как разрешенное органами госэнергонадзора в большинстве котельных 7-9 кг/см2, а реальная величина 4-7 кг/см2

3. Достаточно высокая стоимость, согласно [22, 7] (300-450 $/кВт).

Научной группой «Промтеплоэнергетика» МАИ ведутся разработки паропоршневых двигателей на базе серийных двигателей внутреннего сгорания и изобретений и ноу-хау созданных сотрудниками научной группы ранее [27-30] что позволяет решить вышеотмеченные проблемы. Мощность паропоршневых двигателей примерно равна мощности исходных бензиновых и дизельных двигателей при давлении пара 5-7 кг/см2. Мы умеем конверсировать любой двигатель внутреннего сгорания (ДВС) в паропоршневой двигатель. Это означает возможность получения паропоршневых двигателей в диапазоне мощностей серийных ДВС России, то есть от 1 до 22000 кВт. Все наши разработки ориентированны на автономную работу от электросетей. Благодаря использованию дешевых устаревших ДВС существует возможность проведения ОКР и НИР и поставки оборудования для конкретной котельной со сроком окупаемости, в ряде случаев, менее одного отопительного сезона [28].

Теперь расскажем о наших экспериментальных результатах.

Ввиду того, что наши возможности ограничены, то испытания проводим с ППД созданными на базе малолитражных стационарных и автомобильных двигателей. Последние испытания проводились с двигателем УД-2М1 (рабочий объём 600 см3, n=3000 об/мин). Мотор является нижнеклапанным, изменению подверглись лишь не содержащие подвижных деталей головки, а так же распредвал. Оба клапана в результате становятся выпускными, а впуском управляет газодинамическое устройство, являющейся при этом головкой цилиндра.

Как видим из таблиц №3 и №3 на столь низких параметрах рабочего тела получаем достаточно высокую частоту вращения 1250-2580 об/мин и электрическую мощность практически такую же какой обладает электростанция на базе этого бензинового двигателя (АБ-4, Nэл=4 кВт). Следует сказать, что на сегодня мы не знаем точно, почему упала мощность в 2004 году по сравнению с 1997 годом, так как экспериментальные данные, полученные при переделке бензодвигателя ЗМЗ-402 в ППД в 1998 году показали существенный рост мощности при переходе с воздуха на пар того же давления. Одной из наиболее вероятных причин было повышение температуры смазочного масла при переходе от воздуха к пару (при работе на воздухе выхлопной патрубок покрывался инеем). Падение мощности в 2004 году может быть вызвано заменой головок цилиндров, которая обеспечивает внутрицилиндровую сепарацию пара для уменьшения попадания воды в картер. Так же падение мощности могли вызвать иные фазы парораспределения (другой распредвал). Причина будет

установлена в процессе дальнейших испытаний, которые прервались в 2004 году в связи с организационными трудностями. Сейчас ищем паровую котельную, где можно было бы продолжить испытания.

Что касается воды в масле, то она была. Осуществлялся подбор масла и режимов работы двигателя. В результате наработка до смены масла стала более 1 часа. В дальнейшем предстоит одним из четырех известных нам способов доработать систему смазки, что обеспечит безостановочную работу двигателя весь отопительный сезон.

Так же следует отметить, что в процессе экспериментов был получен уникальный на наш взгляд результат - это работа поршневого двигателя на перегретой воде. Во время испытаний произошел унос воды, и вместо насыщенного пара от одного из котлов шла перегретая вода. Головки нашей конструкции обеспечили работу двигателя на перегретой воде, причём мощность по сравнению насыщенным паром снижалась только в два раза. Это означает возможность перевода на высокозольные топлива и водогрейных котельных с отсутствием потребителей внешней электроэнергии.

С другой стороны, паропоршневые двигатели могут работать при высоких параметрах пара с КПД 25% и выше, но паровые котлы малой паропроизводительности с высокими параметрами пара в России не выпускаются. Научная группа МАИ «Промтеплоэнергетика» готова создать паросиловую установку в составе котла, не подлежащего регистрации в органах котлонадзора (объем пароводяного пространства менее 1 литра, произведение давления на объем - менее 20 литр*кг/см2), работающих на высокозольном угле, паропроизводительность такого котла - до 100 кг/ч, и паропоршневого двигателя с электрогенератором мощностью до 15 кВт при наличии финансирования.

Литература

1. Совершенствование топливного баланса тепловых электростанций России - настоятельное требование времени.// Энергетик 2004 № 11

2. Иванова Ирина. Коммунальная гонка. Тарифы ЖКХ будут расти, опережая инфляцию, еще минимум три года.// Российская газета, 4 августа 2005 года.

3. Энергетика XXI века: условия развития, технологии, прогнозы. Отв. редактор - Н.И. Воропай. - Новосибирск, Наука 2004

4. Дубинин В.С., Лаврухин К.М. Перспективы использования поршневых машин для децентрализованной комбинированной выработки тепловой и электрической энекргии. // Строительные материалы, оборудование и технологии XXI века 2001, №6, 7.

5. Дубинин В.С., Лаврухин К.М. Комбинированная выработка тепловой и электрической энергии в котельных. // «Новости теплоснабжения» 2002, №4, 5, 6.

6. Дубинин В.С., Лаврухин К.М. Котельные могут обеспечить Россию электроэнергией с меньшей затратой газа автономно от электрических сетей РАО «ЕЭС России».// Тезисы докладов международной научно-практической конференции «Малая энергетика 2003» 11-14 ноября 2003 г, г. Обнинск.

7. Дубинин В.С., Лаврухин К.М., Титов Д.П. Сопоставление централизованных и децентрализованных систем энергоснабжения в связи с ожидаемой ситуацией в энергетике России // Тезисы докладов на международной научно-практической конференции «Малая энергетика - 2004», 11-14 октября 2004 г., г.Москва.

8. Дубинин В.С., Лаврухин К.М., Титов Д.П. Сопоставление централизованного и децентрализованного энергоснабжения в современных условиях России // Полимергаз 2005 №2.

9. Владимир Дубинин, Константин Лаврухин, Дмитрий Титов Нужно ли Москве АО «Мосэнерго»?// газета «Содружество» №9 2005 г.

10. Дубинин В.С. Сопоставление систем централизованного и децентрализованного энергоснабжения в современных условиях России, часть 1,2,3.// Промышленная энергетика 2005 №9,10,11

11. Прохорова Алла. Собственный энергоцентр.// Оборудование - рынок, предложения, цены, 2004 №2 (86)

12. Лукачев П.Д., Филимонов А.И. Газопоршневые агрегаты для ЖКХ.//ЖКХ 2004 №2

13. Андрющенко А.И., Попов А.И. Основы проектирования энерготехнологических установок электростанций. М. Высшая школа 1980 г.

14. Беляев А.А. Совершенствование технолгии сжигания низкосортных твердых топлив во взвешенном слое. Диссертация д-ра техн. наук. М.: ИГИ, 1996.

15. Беляев А.А. Сжигание низкокалорийных высокосернистых углей в кипящем слое. М.,ЦПНТГО, 1984,64с.

16. Беляев А.А. Сжигание высокозольных топлив в топках с кипящем слоем промышленных котлов. М. Издательство МЭИ 2004

17. Беляев А.А. Сжигание высокозольного топлива и возможности его использования на ТЭС// Химия твердого топлива 2005 №1

18. А. с. 1143929 (СССР). Способ сжигания твёрдого топлива в псевдоожиженном слое./ А.А. Беляев, В. Л. Гершкович/. - Б.И. №9,1985 г.

19. А. с. 870853 (СССР). Газораспределительная решетка. / А.А. Беляев/. Б.И. №37, 1981.

20. Беляев А.А. Пат. РФ № 2037742. Способ низкотемпературного сжигания во взвешенном слое.// Б.И. 1995 № 17 с 9.

21. Беляев, Головин Г.С., Ведерников А.С. и др. Пат. РФ № 2103600. Аппарат для проведения процессов во взвешенном слое.// Б.И. 1998, №3 с 7.

22. Ольховский Г.Г. Состояние и перспективы тепловой энергетики.// Электрические станции, 2005 №2.

23. Новожилов И.А., Пряхин В.В., Федоров В.А. Конверсия производства АО «Калужский турбинный завод» и пути внедрения энергосберегающих технологий по выработке электроэнергии // Энергетик 1995 №5.

24. Федоров В.А. Опыт разработки, строительства и ввода в эксплуатацию малых электростанций // Теплоэнергетика 2000 №1.

25. Некрасов А.С., Воронина С.А., Экономические и социальные последствия неэффективного теплоснабжения в России: генезис и возможные решения.// Тезисы докладов международной научно-практической конференции «Малая энергетика 2003» 11-14 ноября 2003 г., г. Обнинск.

26. Правила эксплуатации электроустановок потребителей. М.: Энергоатомиздат, 1992

27. Дубинин В.С., Лаврухин К.М., Титов Д.П. Роль паропоршневых двигателей в реформировании коммунальной энергетики России.// Реформа ЖКХ 2005

28. Дубинин В.С., Лаврухин К.М., Титов Д.П., Перспективы применения паропоршневых двигателей для привода вспомогательного оборудования котельных. //Тезисы докладов международной научно-практической конференции «Малая энергетика 2003» 11-14 ноября 2003 г., г. Обнинск.

29. Дубинин В.С., Лаврухин К.М. О возможности создания паросиловой установки на альтернативных видах топлива на базе паропоршневых двигателей и малообъемных паровых котлов среднего давления, не подлежащих учету в органах котлонадзора (локомобиль XXI века)//Тезисы докладов международной научно-практической конференции «Малая энергетика-2003» 11-14 ноября 2003 г, г. Обнинск