Паропоршневые электростанции: Автономные паропоршневые электростанции | ЭнергоСтройСервис

Паропоршневые электростанции заслужили научное признание! — Энергетика и промышленность России — № 18 (230) сентябрь 2013 года — WWW.EPRUSSIA.RU

Газета «Энергетика и промышленность России» | № 18 (230) сентябрь 2013 года

В современной России защищена первая диссертация, тематика которой связана, в частности, с предложениями по возвращению поршневых паровых машин в отечественную энергетику на современном технико-технологическом уровне как паропоршневых двигателей с высокими эксплуатационными характеристиками. Историческое событие произошло 26 июня этого года в стенах главного отраслевого вуза страны – Московского энергетического института (МЭИ).

Вообще, характер развития паровой машины в науке и практике как источника механической силы для энергетики представляется нелинейным: годы широкой применимости, периоды забвения и нового рождения. Автор этих строк попытался вспомнить такие эпизоды, ряд из которых незаслуженно забыт или малоизвестен. Однако после полувековой паузы техника пара и поршня снова возвратилась в отечественную науку и обретает реальность. Для российской энергетики нынешнего времени эти права сумел отстоять русский ученый и инженер Владимир Сергеевич Дубинин. 242‑страничный труд «Совершенствование систем энергоснабжения в газифицированных регионах России на базе поршневых технологий» на соискание ученой степени кандидата технических наук выполнен им в Национальном исследовательском университете «МЭИ» на кафедре «Тепловые электрические станции» под руководством доктора технических наук, профессора МЭИ Альберта Александровича Беляева.

Защищена работа по научной специальности 05.14.01 «Энергетические системы и комплексы» в действующем при МЭИ диссертационном совете Д 212.157.14. Как официальные оппоненты соискателя выступили: доктор технических наук, профессор МЭИ Э. К. Аракелян и кандидат технических наук, ректор Московского института энергобезопасности и энергосбережения В. Д. Толмачев. Ведущую организацию представлял Институт энергетических исследований Российской академии наук (Москва). Необходимо особо подчеркнуть, что положительное решение упомянутого выше Совета было однозначным – ни одного голоса «против»! Примечателен и факт защиты этой научной работы именно в МЭИ, где шестьдесят лет назад была защищена последняя в нашей стране диссертация по поршневым паровым машинам (Кирсанов И. Н. Модернизация и реконструкция поршневых паровых машин: дис. канд. техн. наук / МЭИ. – М., 1953).

Обстоятельный научно-технический труд по современной поршневой энергетике посвящен многим ее вопросам в рамках заявленной темы и доступен для свободного ознакомления в информационно-компьютерной сети Internet на «Энергетическом сайте В. С. Дубинина». Автореферат диссертации выложен на интернет-портале МЭИ. Поэтому далее рассмотрим лишь некоторые новостные ее аспекты по части того, что имеет отношение к тепловым электростанциям с паропоршневыми двигателями.

Во-первых, паропоршневые электростанции (см. многочисленные публикации в газетах «Энергетика и промышленность России» и «Тепловая энергетика» за 2012‑2013 годы) заслужили «путевку» в российскую науку современности. Это следует из принятия положительного решения о защите работы на соискание ученой степени, являющегося, как известно, свидетельством признания научной общественностью результатов диссертационного исследования. А в последнем В. С. Дубинин как раз отводит паропоршневым электростанциям одно из центральных мест на арене энергетики страны.

Во-вторых, основные сведения по вопросам целесообразности и эффективности внедрения паропоршневых двигателей опубликованы соискателем как автором и в соавторстве с коллегами на страницах отечественных журналов «Промышленная энергетика» (№ 9‑11 / 2005; 1, 9 / 2006; 1, 6 / 2007; 3, 7, 8 / 2008; 1 / 2010) и «Энергобезопасность и энергосбережение» (№ 6 / 2010), признаваемых Высшей аттестационной комиссией Министерства образования и науки РФ ведущими научными рецензируемыми изданиями. Кроме этого, тематика паропоршневых электростанций неоднократно освещалась В. С. Дубининым с единомышленниками для обсуждений в рамках научных конференций международного уровня и даже – в докладе «Сравнительная оценка газопоршневых, паротурбинных и паропоршневых электростанций» на секции «Малая и нетрадиционная энергетика» Научно-технического совета РАО «ЕЭС России» в Москве 23 октября 2007 года.

В-третьих, диссертацию В. С. Дубинина следует рассматривать как настоящий свод знаний в области истории и современного применения поршневых двигателей именно парового класса. А список литературы является просто кладезем библиографической информации по становлению в России научно-практических идей создания мини-ТЭЦ особенно на базе котельных с использованием паровых двигателей: лопаточных, винтовых (обе разновидности коммерциализованы) и поршневых (разрабатываются). Поэтому, при необходимости, можно более подробно углубиться в изучение заинтересовавшего вопроса.

В-четвертых, хотелось бы сказать о так называемом «методе В. С. Дубинина» по обеспечению высокоточного поддержания частоты напряжения (как в электрических розетках наших домов) на поршневых электростанциях при работе автономно от энергосистемы, в которой качество электроэнергии регламентируется ГОСТом Р 54149‑2010. Автор диссертации разработал данный метод на основании подтвержденной им на практике собственной научной теории самостабилизации частоты вращения вала поршневого двигателя (турбина таким свойством не обладает) без (!) организации обратных связей. Одноименное с теорией явление в технике тоже было открыто В. С. Дубининым. Кстати, дальнейшим развитием этой теории занимается сегодня российский ученый Сергей Олегович Шкарупа (см. его статью в приложении 3 из монографии В. С. Дубинина «Обеспечение независимости электро- и теплоснабжения России от электрических сетей на базе поршневых технологий», выпущенной «Издательством Московского института энергобезопасности и энергосбережения» в 2009 году).

В-пятых, справедливости ради стоит заметить, что введенный в научно-технический оборот В. С. Дубининым термин «паропоршневой двигатель» (см. выше) является, по логике вещей, обобщающим по отношению ко всем работающим на паре поршневым двигателям. Например, если мы говорим об установке с паровым поршневым двигателем, равно как с паровой турбиной, то в лингвистически краткой форме выходит «паропоршневая установка» – по аналогии с «паротурбинной установкой». Поэтому уникализировать «двигатели от В. С. Дубинина и его коллег» было бы корректно известными в истории для достижения такой цели способами – назвать по фамилии конкретного изобретателя или месту, объединяющему создателей. Существовали же ракеты «ГИРД» (Группа изучения реактивного движения) и паровой двигатель «НАМИ-012» (Научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт)… А у нас будут паропоршневые двигатели «Промтеплоэнергетика» (объединенная научная группа МАИ, ВИЭСХ, МЭИ, МИЭЭ, колледжа космического машиностроения и технологии Финансово-технологической академии).

В-шестых, диссертационная работа В. С. Дубинина безусловно представляет ценность не только в научном плане, но, разумеется, и с точки зрения возможности практического внедрения ее результатов. Так, еще до ее защиты, 17 мая этого года в Москве на заседании круглого стола «Обеспечение выполнения целевых показателей объема производства электрической энергии за счет использования биоресурсов, предусматриваемых распоряжением правительства РФ № 1‑р от 8 января 2009 года» уже было рекомендовано просить Министерство образования и науки РФ включить в план работы последнего паропоршневую тематику. По данным Комитета по энергетической политике и энергоэффективности Российского союза промышленников и предпринимателей, речь идет о перспективных научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработках по конверсии электростанций с двигателями внутреннего сгорания в многофункциональные энерготехнологические комплексы на базе гибридных энергоустановок: паропоршневой электростанции и малой ГЭС. Но путь от паропоршневой науки к практике в России – это тема отдельного рассказа.

Сравнение и оценка паропоршневых электростанций с паротурбинными и газопоршневыми

Международная научно- практическая конференция « Малая энергетика-2008»

Дубинин B.C., Глотов Н.В., Королевский колледж космического машиностроения и технологий, Королёв, Московской обл.,

Лаврухин К.М., Научная группа «Промтеплоэнергетика», Москва,

Хромченко П.А., Шкарупа С.О., МАИ, Москва,

Титов Д.П., Степанова Т.А., МГАУ им В.П. Горячкина, Москва,

Алханов Д.В., Погорельский Е.И., МЭИ, Москва,

Трохин И.С., Погорельский Е.И., ГНУВИЭСХ, Москва

В России более 1/7 части населения, то есть 22 млн. человек, проживают в районах автономного электроснабжения или ненадежного централизованного электроснабжения, занимающих более 70% территории России [1]. Поэтому задача создания источников электроэнергии работающих на дешевом местном топливе является актуальной. Это позволит исключить северный завоз и без того дорогого дизтоплива, а также повысит конкурентоспособность сельского хозяйства в условиях вступления России в ВТО. Это приведёт к повышению цен на природный газ до уровня близкого к мировым ценам к 2011 г. согласно постановлению Правительства РФ от 28 мая 2007 г. №333 [2]. Последнее означает рост тарифов на электроэнергию, так как основная ее часть вырабатывается в России на газовых электростанциях. Но ведь есть дешевое местное топливо — это, как правило, твердое топливо: дрова, отходы древесины, отходы сельхозпроизводства, бурый и каменный уголь. Для получения электроэнергии из такого топлива возможно несколько способов:

1. Получение горючего газа низкой калорийности в газогенераторе обращенного процесса с последующим использованием этого газа в газопоршневом двигателе приводящим электрогенератор.

2. Сжигание твердого топлива под паровым котлом и использование этого пара для работы паровой турбины, приводящей электрогенератор.

3. Сжигание твердого топлива под паровым котлом и использование этого пара для работы поршневого парового двигателя приводящего электрогенератор.

Такой двигатель может быть:

А) Классической паровой машиной;

Б) Паропоршневым двигателем (ПОД).

Далее проводится анализ и сравнение этих типов двигателей.

До середины 50-х годов широко применялись, как источники газообразного топлива для транспортных [3,4,5] и стационарных (привод электрогенератора) двигателей внутреннего сгорания слоевые газогенераторы на специально подготовленном топливе (высушенные чурки лиственных пород или древесный уголь). Низкая калорийность получаемого газа в таких газогенераторах объяснялась забалластированностью его азотом и углекислым газом, так как применялось воздушное дутье и азот воздуха переходил в генераторный газ. Кроме того, для уменьшения смолы в газе для работы на чурках применялся обращенный процесс [3,4,5], что дополнительно снижало калорийность газа примерно до 1000 ккал/куб. м.

Рассматривая использование генераторного газа, как топлива газопоршневых двигателей необходимо отметить, что падение мощности двигателя составляет 60 %. Это показано теоретически и подтверждено экспериментально в [3]. Там же говорится, что путём повышения степени сжатия можно снизить падение мощности до 35 %. Приведённые выше данные о падении мощности относились к довоенным двигателям с очень низкой степенью сжатия, например двигатель трактора «Фордзон» имел степень сжатия 3,94 [3]. Поэтому повышение степени сжатия до 7 давало заметный эффект [3]. Перевод серийно выпускаемых сейчас бензиновых и дизельных двигателей со степенью сжатия 7-15 на генераторный газ приведёт к падению мощности, которую уже нельзя компенсировать увеличением степени сжатия. Таким образом вывод, в работе [3], о тупиковое™ использования генераторного газа в серийных двигателях сейчас ещё более актуален, чем в 1934 г.

Если сопоставлять газопоршневой двигатель с паросиловой установкой использующей водяной пар, то по чисто термодинамическим причинам (цикл Карно) его экономичность будет выше, так как температура продуктов сгорания выше температуры пара, ограниченной теплостойкостью материалов котлов. Уже в 2000 г. зарубежные судовые дизели достигли КПД 58 % [6]. Однако, в работе газогенераторной установки горючий газ, имеющий высокую температуру, надо охлаждать перед подачей в поршневой двигатель. Это приводит к сбросу во внешнюю среду примерно 20 % теплоты сгорания твердого топлива и делает её не конкурентоспособной с паросиловой установкой на базе классической паровой машины с достаточно высокими параметрами пара. Достоинством паросиловых установок на базе классических паровых машин является практически постоянный удельный расход топлива при изменении нагрузки в широких пределах, в отличии от двигателей внутреннего сгорания при работе тех и других на синхронный электрогенератор, то есть при постоянной частоте вращения.

Это обеспечивает высокую экономичность электростанции при её работе автономно, так как электрическая нагрузка может меняться в очень широких пределах. Принципиальное отличие паросиловых установок от газовых двигателей является наличие накопителя значительной энергии в виде котла, выполняющего роль пароводяного аккумулятора, и стабильность рабочего тела. Это означает, что кратковременные нарушения в работе топки, например, при загрузке её топливом, не могут привести к остановке машины. Газогенераторный двигатель использует газ, состав которого меняется в процессе выгорания топлива или при загрузке газогенератора топливом, а это приводит к остановке двигателя. Прекращение выработки электроэнергии может привести к очень тяжелым последствиям. В [7]

указывается: «В отношении надежности газовая машина требует более тщательного ухода, чем паровая машина. По крайней мере, по данным профессора Mayer’a поршень газовой машины необходимо вынимать и чистить каждые полгода, а клапаны -притирать ежемесячно или через каждые два месяца».

Учитывая все вышесказанное, газопоршневые двигатели целесообразно применять для работы на высококалорийном газе в тех районах, где произведена газификация газом. Рассматривая же комбинированную выработку электро и тепловой энергии (когенерация) необходимо приводить технико-экономический анализ для каждого конкретного населенного пункта. Это обусловлено тем, что утилизировать тепловую энергию выхлопных газов газопоршневого двигателя гораздо сложнее, чем тепловую энергии выхлопного газа паровой машины. Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стальной стенке в 10-100 раз выше, чем от выхлопных газов. Поэтому если для пара достаточно стандартного бойлера, то котел-утилизатор выхлопных газов должен иметь поверхность теплообменника в 10-100 раз большую и соответственно более высокую металлоемкость и сложность конструкции. Паровая машина или паропоршневой двигатель могут оказаться предпочтительней, если вне отопительного сезона максимальная электрическая мощность меньше чем произведение полного КПД паросиловой установки на сумму тепловой и электрической мощности. В этом случае весь пар будет полезно использован. Такой сравнительный технико-экономический анализ может провести научная группа МАИ «Промтеплоэнергетика».

Сопоставим теперь паровые турбины с поршневыми паровыми двигателями. Понятие «Паропоршневые двигатели» (ППД) было впервые введено в научный оборот научной группой «Промтеплоэнергетика» МАИ в 2003 г. [8] и опубликовано в научном журнале в 2006 г. [9]. Это высокооборотные паровые машины с частотой вращения более 1000 об/мин при этом ход и диаметр поршня ППД в несколько раз меньше чем у паровых машин равного рабочего объема. Это позволяет иметь сопоставимую с паровыми машинами скорость поршня при большей частоте вращения, а необходимый рабочий объем набирается путем применения нескольких одинаковых по геометрии и рабочему процессу цилиндров, пар через которые проходит параллельно.

Паропоршневые двигатели для энергетики, как правило, создаются на базе серийных двигателей внутреннего сгорания и являются паровыми машинами одностороннего действия. Использование изобретений сотрудников научной группы МАИ «Промтеплоэнергетика» позволяет сохранить практически всю конструкцию исходного двигателя, измению подлежит лишь механизм газораспределения. Это обеспечивает низкую стоимость в связи с тем, что исходные двигатели автомобилей и тракторов являются продукцией крупносерийного производства. С другой стороны такой подход сохраняет преемственность с паровыми машинами по рабочему процессу и дает возможность сравнивать параметры ППД с паровыми турбинами, опираясь на опубликованные результаты испытаний паровых машин.

Сравнение поршневого двигателя и турбины (обои внешнего сгорания) впервые было проведено в работе [10]. Оптимальная частота вращения ППД в 160 раз меньше турбины, что позволяет приводить им электрогенератор промышленной частоты и промышленное оборудование напрямую, без использования редуктора. Давление на выходе из турбин близко к нулю, в то время как давление на выходе этого ППД ~1,4 ат. То есть он может работать на водяном пару с противодавлением, осуществляя комбинированную выработку электроэнергии и тепловой энергии.

Сопоставляя в [11] удельный расход пара паровой машины постройки 1921 года и современных паровых турбин, составляющих в настоящее время основу энергетики России можно видеть, из таблицы 1, что они близки:

При автономной выработке электроэнергии, необходимо поддержание стабильной частоты тока 50 ± 0,2 Гц, то есть ± 0,4 % (ГОСТ 13109-9723). Для дизель-генераторы ГОСТ 13822-83 предусматривает отклонение частоты в установившихся режимах ± 1 %, а в переходных ± 5 %. В турбинах необходим автомат безопасности, так как при сбросе нагрузки они уходят в разнос. Паропоршневой двигатель может быть спроектирован так, чтобы «Разносная» частота вращения соответствовала максимальной частоте вращения исходного дизельного или бензинового двигателя. Одним из авторов статьи была предложена, возможность самостабилизации частоты вращения тепловых двигателей дискретного действия к которым относятся газопоршневые и паропоршневые двигатели [12, 13].

Вывод таков, что паропоршневые двигатели, работающие в составе паросиловой установки твердого топлива, имеют преимущества перед другими способами выработки электроэнергии из твердого топлива в значительном диапазоне параметров электропотребления.

Литература

1. Безруких П.П. и др. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России. СПб «Наука» 2002
2. О совершенствовании государственного регулирования цен на газ. Постановление Правительства Российской Федерации № 333 от 28 мая 2007 г. // Российская газета, июнь 2007 г.
3. Мезин И.С., Седов С.Л., Черномордик Б.М., Лёгкие газогенераторы автотракторного типа. ОНТИ НКТП, 1934, Госмашметиздат.
4. Артамонов М.Д., Тизенгаузен П.Э. Газогенераторные автомобили на лесовывозке. Гослестехиздат М. 1939г.
5. Чигирь Б.Г. Эксплуатация судовых газогенераторных установок на лесосплаве. Гослестехиздат М. Л. 1947.
6. Конке Г.А., Лашко В.А. Мировое судовое дизелестроение. Концепции конструирования анализ международного опыта. М. Машиностроение 2005.
7. Дуббель Г. Конструирование и расчет паровых машин. СПб издание А.С. Суворина 1907.
8. Дубинин B.C., 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.
9. Титов Д.П., Дубинин B.C., Лаврухин К.М. Паровым машинам быть! — Промышленная энергетика, 2006, №1.
10. Вуд Г., Морган Н. Сравнительная оценка поршневых двигателей и турбин для криогенных энергетических установок. // В кн. «Преобразование тепла и химической энергии в электроэнергию в ракетных системах» / Пер. с англ., ред. В.А. Кириллин и А.Е. Шейдлин. — М.: Мир, 1963.
11. Дубинин B.C., Лаврухин К.М., Титов Д.П. О возможности применения поршневых машин в тепловой и атомной энергетике. Промышленная энергетика, 2008, №3.
12. Дубинин B.C. Способ стабилизации частоты вращения двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием. Положительное решение на выдачу патента на изобретение по заявке № 4951328/06 (055248) МКИ 5 F 02 D 45/00.Дата подачи заявки 27.06.91
13. Дубинин B.C. Способ работы поршневой расширительной машины. Положительное решение на выдачу патента на изобретение по заявке № 4951329/29 (055249) МКИ 5 F 02 В 25/02. Дата подачи заявки 27. 06.91

Мини-ТЭЦ с паровыми моторами – реальность XXI века. Как устроены промышленные парогенераторы Парогенератор для производства электроэнергии

Все чаще уставшие жители больших и маленьких городов перебираются загород в маленькие и уютные домики.

Отличительной особенностью такого оборудования является простота его конструкции и принцип работы. Такой генератор электричества, независимо от его видов состоит из мотора, установленного на раме конструкции, который сжигает топливо и генератора. Через механическую передачу вращающийся момент передается от двигателя к генератору.

Немаловажным фактором, влияющим на большую популярность подобных установок, является высокий уровень коэффициента полезного действия, близкого к 98%.

Изготовленная по данной инструкции паровая машина не способна обеспечить дом необходимым количеством энергии. На ней можно доступно и просто ознакомиться с принципом парового генератора электричества.

Процесс создания такой установки, которая бы могла обеспечить дом необходимым количеством энергии немного сложнее, но нет ничего невозможного.

Для ее изготовления понадобиться взять основу – элемент Пелетье. Его можно приобрести отдельно в магазине, а можно снять с вышедшего из строя стационарного ПК.

В начале процесса изготовить небольшую емкость, в которую можно будет заложить мелкие и разжечь костерок. Верхняя часть емкости сконструировать таким образом, чтобы на нее можно было поставить небольшую кастрюльку с водой и довести ее до кипения.

С одной стороны этой емкости прикрепить элемент Пелетье. С другой же при помощи песты прикрепить радиатор охлаждения с кулером.

Если оборудование используется в холодное время, его можно постаять прямо в снег и будет практически решена. Если же используется установка в теплое время, без мощного охладителя и кулера не обойтись. Нельзя забывать о тщательной герметизации всех швов и креплений.

Стабилизатор напряжения спаять с элементом Пелетье. Этот прибор необходим для того чтобы можно было задать определенный показатель электрической энергии на выходе.

Стабилизатор можно купить уже готовым в магазине. Его преимущество заключается в том, что при достижении необходимого показателя на приборе загорается лампочка.

Немаловажное значение также имеет и то, что уже припаянный стабилизатор необходимо загерметизировать таким образом, дабы полностью исключить попадание на него . Эксплуатация данной модели парогенератора способна обеспечить нагрев двух куллеров.

Можно также изготовить еще более мощную модель генератора на пару – тэновую.

Ее основой служит довольно большая емкость, в которой монтируются тэны (один или несколько).

Это зависит от предполагаемой мощности будущей установки.

В боковинах емкости просверлить отверстия, с помощью которых прикрепить тэн.

В качестве крепежных отлично подойдут гайки с резиновыми прокладками.

Если планируется установка двух тэнов, важно разместить их таким образом, чтобы они не соприкасались друг с другом. Рядом с первой емкостью установить вторую.

В ней будет находиться вода, которая по мере необходимости перемещается в первую емкость. Необходимо обратить внимание на то, что в процессе работы оборудования нельзя будет открыть крышку и посмотреть уровень воды в первом сосуде.

Обе емкости соединяются между собой прочной трубкой, которая вставляется в просверленные отверстия, расположенные нижу того уровня, на котором установлены тэны. Все швы тщательно загерметизировать.

Для того чтобы вода быстро прогревалась, лучше , через которую будет подаваться свежая порция воды, скрутить в виде спирали. Перед стационарной установкой и эксплуатацией данной установки, ее необходимо протестировать на течь.

Кроме этого, клапан должен выдерживать необходимое давление, в противном случае оборудование работать не сможет. Созданная по такому принципу установка отличается практически 100% КПД. Но ее необходимо поддерживать в рабочем состоянии.

Для этого необходимо периодически проверять тэны на наличие на их стенках накипи. Если таковой будет слишком много, они могут не работать с полной отдачей или согреть вообще.

Для того чтобы накипи образовывалось, как можно меньше периодически необходимо добавлять в первой емкости намного лимонной или уксусной кислоты. Некоторые заливают в бак только специальную мягкую воду.

Нередко случаются ситуации, когда паровой генератор электричества для дома выходит из строя по причине того, что он работал насухую. Дабы избежать такой неприятности, рекомендуется установить метки минимального и максимального количества воды в емкости.

Для того чтобы обезопасить готовую установку от скачкой напряжения в сети, можно установить специальный регулятор напряжения, который при падении напряжения автоматически отключает оборудование.

ПГЭ – это уникальное оборудование, которое является автономным источником электричества. Его эксплуатация имеет ряд преимуществ:

Промышленность выпускает подобного рода установки в широком разнообразии. Кроме этого, есть возможность изготовить парогенератор самостоятельно в домашних условиях. Для этого нет необходимости использовать дорогостоящие материалы и детали.

Существуют разные варианты и схемы изготовления подобных установок. Прежде, чем остановить выбор на каком-либо конкретном способе, необходимо учитывать в первую очередь мощность парогенератора, которая необходима на выходе. В процессе создания ПГЭ , необходимо соблюдать правила безопасности и предварительно протестировать готовую установку.

О том, как самостоятельно собрать парогенератор для бани, можно посмотреть на видео:

Батареей, но обладает гораздо более высокой производительностью
, не говоря уже о доступности подобного рода устройств. Само функционирование подобных агрегатов заключается в преобразовании механической силы в электрическую, посредством нагревания воды до того момента, когда она превращается в пар. Именно данная сила приводит искомый механизм в движение.

Подобного рода агрегаты имеет смысл использовать в тех отраслях современной промышленности или бытовой сферы, где наблюдается достаточное большое количество парообразований, которые можно использовать в качестве преобразователя в электроэнергию. Именно генераторы парового типа получили широкое использование в котельных установках, где они образуют некую тепловую электростанцию вместе котлом и турбиной.

Такие агрегаты позволяют существенно экономить на своей эксплуатации, а также снизить затраты на получение электрической энергии. Именно поэтому, паровые установки зачастую считаются одними из основных рабочих узлов многих электростанций.

Кроме того, если изучить принцип действия, а также конструктивные особенности подобных паровых генераторов, можно попытаться реализовать их своими руками, с помощью определенных средств. Однако, о данной возможности пойдет речь чуть позже.

Устройство и принцип действия

По своим конструктивным особенностям, котельные установки обладают достаточно схожей структурой. В их состав входит несколько рабочих узлов, которые принято считать определяющими — непосредственно сам , и турбина
. Последние два составляющих образуют кинетическую связь между собой, а одной из разновидностей подобных систем является турбинный электрогенератор парового типа.

Если смотреть более глобально, то подобные установки представляют собой полноценные тепловые электростанции, пусть и меньших габаритов. Благодаря своей работе, они способны обеспечивать электричеством не только гражданские объекты, но и крупные промышленные отрасли.

Сам же паровых электрических генераторов сводится к следующий основным моментам:

• Специальное оборудование производит нагрев воды до оптимальных значений, при которых она испаряется, образуя пар.
• Получившийся пар поступает дальше, на роторные лопатки паровой турбины, что приводит сам ротор в движение.
• В результате мы получаем сначала кинетическую энергию, преобразованную из получившейся энергии сжатого пара. Затем кинетическая энергия переходит в механическую, что приводит к началу работы турбинного вала.

Электрический генератор, входящий в конструкцию таких паровых установок, является определяющим. Это объясняется тем, что именно электрогенераторы осуществляют переход механической энергии в электрическую.

Описание:

Стоит ли вспоминать о первых отечественных паровых моторах (см. справку) в наш век высоких технологий? Несомненно. Ведь паровые моторы сейчас находят свое применение в энергетике.

И. С. Трохин
, инженер ВИЭСХ Россельхозакадемии, преподаватель МОПК НИЯУ «МИФИ»

Стоит
ли вспоминать о первых отечественных паровых моторах (см. справку) в наш век
высоких технологий? Несомненно. Ведь паровые моторы сейчас находят свое
применение в энергетике.

В последнее время в промышленности и жилищно-коммунальном
хозяйстве все более осознается целесообразность комбинированного производства
электрической и тепловой энергии на паровых мини-теплоэлектроцентралях
(мини-ТЭЦ) (рис. 1), располагаемых в непосредственной близости от потребителя.
Это связано с постоянным удорожанием электроэнергии, учащением случаев
возникновения аномальных шквальных ветров и заморозков, приводящих к снижению
надежности линий электропередачи (обрывову проводов) централизованного
электроснабжения.

Котельная как источник тепловой и электрической энергии

Потребители, имеющие собственные котельные, иногда дополняют их
электрогенераторными установками (электроагрегатами) с паровыми двигателями
(обычно турбинами) и электрогенераторами мощностью от нескольких сотен киловатт
до единиц мегаватт. Таким образом котельные, реконструируемые в мини-ТЭЦ,
становятся источниками как тепловой, так и электрической (рис. 1, трехфазная
линия А–В–С) энергии.

В зависимости от тепловой мощности паровой котельной для выработки 1 МВт
(100 %) тепловой энергии требуется 17–40 кВт (1,7–4 %) электроэнергии . Абсолютное давление пара в котлах, разрешенное органами
Ростехнадзора, обычно не превышает 0,7–1,0 МПа (здесь и далее – абсолютное).

Промышленным потребителям или для пароводяных теплообменников (бойлеров
для получения горячей воды) требуется пар с более низким давлением – 0,12–0,6
МПа. Поэтому электроагрегаты с паровыми турбинами включают параллельно
редукционным устройствам или взамен их (рис. 1). Тогда вместо бесполезного
дросселирования пара турбинами будет совершаться полезная работа по приводу
электрогенераторов. Отработавший пар в этом случае направляется в бойлер, после
чего конденсируется, а конденсат через систему очистки перекачивается насосом
обратно в котел.

Таким образом, котельная становится выгодным источником тепловой и
электрической энергии с высоким коэффициентом полезного использования теплоты
сгорания топлива (80–85 % и более).

Если потребителю не нужно большое количество тепла, а только горячая
вода, например, в летнее время, то мини-ТЭЦ оснащают еще абсорбционными
холодильными машинами, работающими на отработавшем в турбине паре. Такие машины
обеспечивают требуемое охлаждение воды, которая поступает в систему
холодоснабжения для кондиционирования помещений потребителя.

Для круглогодичного бесперебойного электроснабжения потребителей, в т.
ч. оборудования мини-ТЭЦ (насосов, дымососов, освещения, систем автоматики и
др.), необходима безостановочная ее работа. Это возможно, например, если
электроэнергию генерировать совместно с выработкой теплоты, необходимой для
обеспечения потребителей горячей водой.

На площадках действующих котельных создаются и мини-ТЭЦ с увеличенной
тепловой мощностью. Например, заменяются устаревшие котлы с давлением
насыщенного пара 1,4 МПа на котлы с давлением перегретого пара 4,0 МПа и
температурой 440 °С. При тех же габаритах котлов электрическая мощность такой
мини-ТЭЦ становится значительно больше.

Однако следует обратить внимание на тип используемого в современных
мини-ТЭЦ парового двигателя 1 . Это маломощная паровая турбина,
которая обычно имеет одноступенчатую конструкцию, поскольку работает при малых
перепадах давлений. Ротор, как вращающаяся часть турбины, состоит из ступицы,
которая насаживается на вал, и набора профилированных лопаток (лопаточный
венец). Лопатки изготавливаются из специальных сплавов и являются
ответственными и дорогими элементами турбины. Паровинтовые турбины тоже имеют
профилированный ротор, только по типу винта Архимеда.

Еще со времен паровых машин более простым и дешевым рабочим органом, по
сравнению с турбинной лопаткой, является поршень.

Сравнение характеристик электро-генераторных установок с паровой турбиной и
паровым мотором

Некоторые конструкции паровых машин и моторов прошлого столетия были не
такими уж несовершенными, как считается. Представим себе электрогенераторную
установку с паровой машиной или мотором и современным электрогенератором.
Поскольку паровые машины, как правило, имели весьма низкие частоты вращения
вала (до 300 об/мин), а современные электрогенераторы работают при частотах 1000–3000 об/мин, то для
воображаемой установки необходим еще мультипликатор.

Сравним такую
установку с современной паротурбинной. Сделаем это корректно: при соизмеримых
давлениях и температурах пара на входе в эти двигатели и соизмеримых
противодавлениях пара на выходе. Тогда становится видно (табл. 1), что удельный
расход пара на единицу вырабатываемой электроэнергии, а следовательно, и КПД у
некоторых паромашинных или паромоторных установок вполне соизмерим с удельным
расходом пара в современных турбоустановках, мощность которых даже в 5 раз
больше!

Таблица 1 Сравнительные характеристики электрогенераторных установок

Тип установки* Мощность установки, кВт Частота вращения, об/мин Давление пара, МПа абс. Темпе- ратура пара на входе t 1 , °C Удельный расход пара d эл, кг/кВт. ч на входе p 1 на выходе p 2 С паровой машиной паровоза серии Л, 1950-е годы 1 177 212 1,47 0,2 390-409 10,5 С автомобильным паровым мотором НАМИ-012, 1954 год 67 600 2,2 0,2 360 10,3 С современной паровой турбиной (ООО «Ютрон») 5 820 3 000 2,35 0,196 390 10,5

С ростом частоты
вращения вала паровой машины или мотора, при прочих равных условиях, происходит
рост КПД за счет сокращения продолжительности впуска пара в цилиндр и,
следовательно, уменьшения времени соприкосновения пара со стенками цилиндра,
что ведет к снижению теплопотерь в двигателе.

При частотах
вращения 750–1500 об/мин и мощностях, по крайней мере,
до 1200 кВт современные немецкие паровые
моторы Spilling и чешские PM-VS имеют расход пара 2 в 1,3–1,5 раза
меньший, чем у паровых турбин, превосходящих их по мощности более чем в 5 раз!
При одинаковых с турбинами мощностях, паровые моторы еще более эффективны,
поскольку в сравнительно большем двигателе легче сделать более совершенные
парораспределительные механизмы.

Российская инновация

Российские
специалисты предложили идею: переделать современный поршневой двигатель
внутреннего сгорания (ДВС) в паровой мотор и приспособить его для работы в
мини-ТЭЦ. Поскольку стоимость ДВС ниже стоимости паровой турбины, то при
условии незначительных доработок в конструкции мы получим более дешевый
приводной двигатель: паровой мотор на базе серийного ДВС.

Специалистами объединенной научной группы 3 «Промтеплоэнергетика», возглавляемой В. С. Дубининым, старшим научным
сотрудником кафедры «Конструкция
двигателей летательных аппаратов» МАИ, разрабатываются паропоршневые двигатели
(ППД) – современные паровые моторы одностороннего давления. Последнее означает,
что при работе мотора пар, поступающий в цилиндр, давит на поршень только с
одной стороны, как и у исходного ДВС.

В базовом ДВС переделке, по сути, подлежит только механизм топливоподачи
на газодинамически-клапанный или золотниково-клапанный узел подачи и выпуска
пара (ноу-хау). ППД могут работать в широком диапазоне давлений свежего пара –
от 0,5 до 4,0 МПа при его температурах до 440 °С. По частоте вращения
коленчатого вала ППД могут развивать до 3000 об/мин!

ППД имеет циркуляционную систему смазки с «сухим» картером, как у ДВС
тепловозов и дизельных электростанций. При такой системе масло, в основном, не
задерживается во внутренних полостях двигателя, а прокачивается через них под
давлением, очищается и затем снова поступает в двигатель.

В ППД, соединенном с электрогенератором, пар подается от котла, а выхлоп
осуществляется в пароводяной теплообменник (рис. 2, обозначения синего цвета).
Управление ППД обеспечивается по сигналам от системы автоматизированного
управления. Кроме одного или нескольких ППД и электрогенераторов, агрегат имеет
в своем составе: блок возбуждения, управления и защиты БВУЗ электрогенератора,
состоящий, в свою очередь, из блоков возбуждения и управления БВУ, защитной
автоматики БЗА, системы управления БСУ.

На рис. 2 приведен вариант электроагрегата с асинхронным
электрогенератором, поэтому для его работы блок возбуждения БВ снабжен
конденсаторами. Распределительное устройство электрически связывает
электроагрегат с потребителями электроэнергии. Пунктирной линией (рис. 2)
показаны электрические связи от других генераторов в случае многодвигательного
агрегата.

Паровой мотор, в отличие от турбины, всегда может обеспечивать прямой
привод электрогенератора. Турбине, как правило, для этого требуется редуктор,
т. к. для обеспечения приемлемого расхода пара она должна работать при высоких
частотах вращения.

Паровой турбине требуется и система охлаждения, а это – дополнительный
расход воды и потери энергии. ППД вполне достаточно теплоизолировать, а
охлаждать не требуется, т. к. температура в его цилиндрах в 5–6 раз ниже, чем у
исходного ДВС.

Ресурс до капитального ремонта паровых турбин (30 000–50 000
ч) определяется, в основном, ресурсом лопаток из дорогостоящих сплавов, а у
паровых моторов (более 50 000 ч, согласно ) –
гораздо большим ресурсом более дешевых узлов шатунно-поршневой группы.

Паровые моторы, как паровые поршневые машины, обладают высокой
надежностью. А ресурс до капитального ремонта ППД может быть выше, чем у
исходных ДВС (30 000–100 000 ч), т. к. пар при работе двигателя,
в отличие от горючей смеси, не взрывается, а расширяется и плавно давит на
поршень.

Для технического
обслуживания турбин необходим высококвалифицированный персонал. Паровые моторы,
как близкие по типу к ДВС, могут обслуживаться специалистами более низкой
квалификации, а их ремонт можно производить прямо на месте эксплуатации.

Применение источника бесперебойного питания

Чтобы вырабатывать ток с частотой, в соответствии с требованиями 4 ГОСТ 13109–97 на сетевую электроэнергию (в нормальном режиме – 50±0,2 Гц),
паротурбинный электроагрегат ПТЭА (рис. 2, обозначения красного цвета) должен
работать с источником бесперебойного питания ИБП или параллельно с сетью
централизованного электроснабжения.

Паротурбинный электроагрегат вырабатывает электоэнергию с относительно
грубой стабилизацией частоты переменного напряжения. С помощью агрегата
выпрямления напряжения АВН получается постоянное напряжение. Затем агрегат
инвертирования АИН, снабженный высокостабильным задающим генератором частоты,
обеспечивает преобразование постоянного напряжения в переменное с высокой
точностью стабилизации частоты.

Блок аккумуляторных батарей АБ служит для кратковременного резервного
электропитания АИН в случае выхода из строя турбоэлектроагрегата или на время
аварийного включения резерва.

Самостабилизация частоты вращения вала двигателя

Все поршневые двигатели, в том числе и паровые, обладают свойством
самостабилизации частоты вращения вала, чего нельзя сказать о турбинах. Это
открытие В. С. Дубинина является революционным 5 .
Его реализация позволяет обеспечивать поддержание частоты вращения вала
первичного двигателя с такой точностью, что приводимый электрогенератор
способен вырабатывать электроэнергию с частотой 50±0,2 Гц, как требуется по
стандартам в области качества электроэнергии. Для сравнения, дизельные
электростанции могут вырабатывать электроэнергию с более грубой точностью
поддержания частоты (в установившемся режиме работы – 50±0,5 Гц).

Самостабилизация осуществляется без организации
обратных связей при импульсной подаче или выработке рабочего тела (пара) через
равные промежутки времени. Такой процесс, по сути, аналогичен работе анкерного
механизма и маятника в механических часах. В нашем случае это ППД с источником
пара и задающий генератор импульсов подачи пара.

Точку зрения относительно преимуществ паровых поршневых двигателей над
турбинами для мини-ТЭЦ разделяют и зарубежные специалисты. Так, в
2005 году на Американском совете по энергоэффективной экономике Майкл
Мюллер из Центра передовых энергетических систем Рутгерского университета США
отметил в своем докладе «Возвращение паровой машины» ,
что малоразмерные паровые поршневые двигатели, в отличие от турбин, надежно и
экономично работают даже на влажном паре и при умеренных частотах вращения.

Следует все же отметить, что подавляющее большинство паровых моторов пока
несколько уступают турбинам по массовым и габаритным характеристикам. Однако,
как показывает многолетний опыт эксплуатации, в частности, моторов Spilling,
эти показатели не являются первостепенными, на фоне ряда неоспоримых достоинств
поршневых двигателей.

Переоборудование водогрейных котельных в паровые мини-ТЭЦ

А что же делать с водогрейными котельными? Как их переоборудовать в
паровые мини-ТЭЦ? Такие котельные целесообразно оснащать дополнительными
паровыми котлами с переводом на них базовой части тепловой нагрузки или
полностью заменять ими водогрейные. Паровые котлы дороже водогрейных, но
эксплуатационные затраты на их содержание ниже и они могут надежно работать с
более высоким ресурсом.

Экологические вопросы эксплуатации мини-ТЭЦ

Экологические показатели сжигания топлива в современных паровых котлах
весьма неплохие. Реализация известной отечественной технологии сжигания твердых
топлив (уголь, отходы углеобогащения, шлам, древесные и растительные отходы и
т. д.) в высокотемпературном циркулирующем кипящем слое (патент на полезную
модель RU 15772) дает возможность обеспечить работу котла с весьма низкими
выбросами в атмосферу. Экологические показатели работы котлов с такими топками
удовлетворяют самым жестким требованиям Ростехнадзора.

В заключении необходимо заметить, что электрогенерирующие агрегаты с
паровыми моторами как нельзя лучше подходят для экологически чистых солнечных
электростанций (табл. 2), в том числе и мини-ТЭЦ, в которых для получения пара
используются котлы не с топками, а с солнечными коллекторами. Получается
поистине экологически чистая электростанция, работающая на солнце, воде и паре!

Итак, можно сделать следующие выводы:

• паромоторные мини-ТЭЦ энергоэффективнее паротурбинных. Для них удельный
  расход пара в электроагрегатах на выработку электроэнергии в 1,3–1,5 раза
  меньше, чем в паротурбинных мини-ТЭЦ, особенно при электрических мощностях до
  1200 кВт.
• ресурс до капитального ремонта у современных паровых моторов для
  мини-ТЭЦ, по крайней мере, не ниже, чем у паровых турбин лопаточного и
  винтового типов.

Литература

1. Бурносенко А. Ю. Мини-ТЭЦ с паровыми турбинами для повышения
   эффективности промышленно-отопительных котельных // Новости теплоснабжения. 2009. №
   1.
2. Micro and small-scale CHP from biomass (up to 300 kWe).
   OPET RES-e NNE5/37/2002 // OPET Finland:
   http://web.archive.org/web/20070208002554/
   http://akseli.tekes.fi/opencms/opencms/OhjelmaPortaali/ohjelmat/DENSY/en/Dokumenttiarkisto/Viestinta_ja_aktivointi/Julkaisut/OPET-RES/TechnologyPaper2_chp_70404.pdf.
3. Дубинин В. С. Обеспечение независимости электро- и теплоснабжения
   России от электрических сетей на базе поршневых технологий: монография. М.,
   2009.
4. Шкарупа С. О. Использование точечного преобразования для
   аналитического описания переходного процесса в тепловом двигателе дискретного
   действия // Динамика сложных систем. 2010. № 2.
5. Muller M.R. The Return of the Steam Engine // ACEEE
   Summer Study on Energy Efficiency in Industry. New York (USA). July 19–22,
   2005. http://quasiturbine.promci.qc.ca/Presse/SteamMuller050721.pdf.

1 Исторически сложилось, что термин «паровой двигатель» распространяется на все конструкции двигателей, работающих на паре. В литературе иногда ошибочно отождествляют паровой двигатель и паровую машину. Паровая машина — это поршневой паровой двигатель.

3 В группу входят специалисты Московского авиационного института, Всероссийского института электрификации сельского хозяйства,
Московского энергетического института, Московского института энергобезопасности и энергосбережения, Королёвского колледжа космического машиностроения и технологии.

4 С 2013 года вместо ГОСТ 13109-97 будет введен ГОСТ Р 54149-2010.

5 Отметим, что В.С. Дубинин разработал в 1980-х годах теорию самостабилизации только для одноцилиндрового поршневого двигателя
и подтвердил ее экспериментально. А в 2009 году молодой инженер С. О. Шкарупа применил эту теорию для случая многоцилиндровых
поршневых двигателей, с какими и приходится иметь дело на практике.

Парогенератор — это специализированное оборудование, предназначенное для преобразования жидкости, чаще всего, воды, в пар. Жидкость нагревается при сжигании какого-либо топлива: древесина, уголь, нефть или природный газ.

Переход жидкости к газообразному состоянию создает давление, а затем расширение, которое может быть направлено и использовано как источник энергии.

Поршни с паровым двигателем сыграли важную роль в развитии фабрик, железнодорожных локомотивов, пароходов и многих других образцов механического оборудования.

Одним из самых ранних применений промышленного парогенератора в технике был паровоз. Топливо, в виде дров или угля, подавалось в топку. Полученное тепло направлялось через систему трубок, которые нагревали воду, которая хранилась в специальном резервуаре.

После того, как температура достигала уровня кипения, энергия, созданная из пара, затем приводила в движение поршни, которые поворачивали колеса паровоза. Основной функцией паровой энергии было движение поезда, но она также активно применялась в тормозах и свистке.

В сравнении с паровыми бойлерами, паровые генераторы содержат меньше стали в конструкции и используют одиночный паровой змеевик вместо множества маленьких шлангов. Специализированный насос подачи воды используется для непрерывной качки воды по шлангу.

Парогенератор использует в своей конструкции единовременную принудительную подачу воды для того чтобы превращать поступающую воду в пар за один раз с помощью змеевика нагрева.

По мере того как вода проходит через змеевик, тепло передается от горящих газов и заставляет воду превращаться в пар. В конструкции генератора не используется паросборник, где между паром и водой свободное пространство внутри, поэтому для достижения 99,5% качества пара необходимо использовать влаго/паро — отделитель.

Из-за того что генераторы не используют большой напорный бак в своей конструкции, как в жаровых трубах, зачастую они очень малы и их легко запустить, что делает их идеальным выбором для ситуаций, когда нужно получить небольшое количество пара за короткое время.

Однако это связано с затратами на производство энергии, поскольку генераторы имеют маленький КПД и поэтому не всегда способны производить достаточное количество пара в различных ситуациях.

Преимущества

По своему устройству и принципу работы парогенераторы достаточно похожи на другие системы паровых котлов, одновременно оставаясь при этом принципиально отличными от них.

Эти, на первый взгляд, малозначительные отличия меняют всю работу системы, которая, как правило, является менее мощной, чем у бойлеров, но имеет ряд преимуществ.

Например, парогенераторы обладают более простой конструкцией, что позволяет им намного быстрее запускаться и легче работать, чем полномасштабный промышленный бойлер. Они также меньше в размерах, что делает их более универсальными, при работе в ограниченном пространстве их часто можно увидеть в качестве вспомогательных котлов.

Следующая причина, по которой они часто используются в качестве вспомогательных котлов, заключается в том, что они довольно легко и быстро запускаются.

Из-за их компактной конструкции, одиночного змеевика и относительно более низкой вместительности воды, эти машины могут быть запущены и работать на полной мощности в более короткие сроки, по сравнению с полномасштабными бойлерами, что делает их полезным в аварийных ситуациях.

Это похоже на сравнение гоночного мотоцикла с военным танком — первый быстрее разгоняется и работает быстро, но не очень силен, в то время как второй долго заводится, но в конечном итоге является более мощной машиной. И притом, что они вообще стоят намного меньше, чем полномасштабные бойлеры, они могут быть более востребованы для работ, которые не требуют таких высоких уровней пара.

Где применяются

Когда вы думаете о паровой энергии, вы можете представить себе паровые двигатели или пыхтящие локомотивы. Однако промышленные парогенераторы имеют множество применений:

• Дистилляция
• Стерилизация
• Подогрев теплового насоса
• Косвенный нагрев
• Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха

Электрический генератор может преобразовать приблизительно 97% электрической энергии из пара. Автоматическое управление безопасностью — регулятор уровня жидкости, например — поддерживает необходимый уровень воды и отключает генератор если уровень воды падает ниже нормы.

Парогенераторы с таким функционалом могут работать непрерывно без перегрева.

Генераторы пара из нержавеющей стали являются лучшим вариантов в случае необходимости достаточно чистого пара. Нержавейка уменьшает вероятность загрязнения пара.

Дизельный парогенератор

Они следуют подобной концепции теплообмена как бойлеры со змеевиками, но могут производить даже более высокое давление в зависимости от мощности. Они используются в основном на электростанциях.

Их паровое давление может ровняться, а в некоторых паровых машинах и превышать максимальное водяное давление в 221 Бар. Температура пара на этих машинах высокого давления может достигать 500 градусов по Цельсию.

Теплоутилизационный парогенератор

Теплоутилизационный парогенератор, или теплообменный аппарат, собирает облака пара под высоким давлением и использует этот пар после отработки через цепь теплообменников для питания других менее мощных паровых машин.

Этот восстановленный пар можно даже использовать на этих генераторах с более низким давлением для отопления промышленных предприятий или домов.

Парогенераторы для атомной электростанции

Существует два основных типа ядерных парогенераторов: (BWR), реактор с горячей водой и (PWR), реактор с водой под давлением. Вода в BWR превращается в пар внутри самого ядерного реактора и идет к турбине вне резервуара.

PWR вода находится под давлением свыше 100 Бар и никаких процессов кипения воды внутри реактора не происходит.

Паровые генераторы на солнечной энергии

Солнечные парогенераторы являются самым чистым способом получения пара. Вода бежит по трубам внутри панели солнечных батарей.

Солнце нагревает воду, а затем вода проходит через паровую турбину, создавая электроэнергию. Такой вид парогенераторов не производит отходов и не загрязняет окружающую среду.

Принцип работы

Теплообмен

Парогенераторы используются для получения и использования энергии, выделяющейся в виде тепла, в самых различных процессах и преобразования ее в более полезную форму, такую как механическая и электрическая энергия.

Получаемое тепло используется для производства электроэнергии или обрабатывается в качестве побочного продукта какого-либо другого промышленного процесса.

Непосредственный источник тепла обычно загрязнен, например, радиоактивное топливо на атомной электростанции, поэтому первым шагом выработки паровой энергии является передача этого тепла в чистую воду с помощью теплообменника.

Это делается путем поднятия тепловым источником температуры топлива, типа бензина и т.п., которое циркулирует в замкнутой цепи. Топливо, в свою очередь, нагревает резервуар с водой, не загрязняя его.

Создание пара

Горячее топливо циркулирует по водяной бане для получения пара. Существует несколько различных геометрических схем, но принцип остается тот же.

Нагреваемая жидкость отводится по нескольким трубкам малых размеров для увеличения своего поверхностного контакта с водой и для того чтобы обеспечить ускорение теплообмена и получение пара.

Пар, производимый на современных атомных и угольных электростанциях, часто находится в сверхкритических условиях или выше критической точки на фазовой диаграмме воды (374 градуса Цельсия и 22 МПа).

Превращение тепла в электроэнергию

Пар сверхкритического давления перегружен энергией. Энергия пара преобразуется в механическую путем прогона ее через паровую турбину. Высокое давление пара давит на множество наклоненных лопастей турбины, и заставляет их вращаться.

Эта механическая энергия преобразуется в электрическую энергию путем использование энергии вращения паровой турбины для того чтобы привести в действие электрический генератор. Турбина, представленная на изображении, может генерировать до 65 мегаватт электроэнергии.

Заключение

Тепло — это источник энергии, который превращает воду в пар. Источник топлива для обеспечения необходимого тепла может использоваться в различных формах. Из древесины, угля, нефти, природного газа, бытовых отходов или биомассы, ядерных реакторов или энергии солнца можно получить достаточное тепло.

Каждый вид топлива является источником тепла для нагрева воды. Просто каждый из них делает это по-своему. Некоторые являются экологически чистыми, а другие оказывают достаточно сильное влияние на окружающую среду.

СОЗДАНО В РОССИИ Паровик XX века . Юный техник, 2012 № 11

У паровой машины — славное прошлое. В 2010 году исполнилось 245 лет со дня первого пуска стационарной паровой машины по проекту русского механика Н.И. Ползунова. А 75 лет назад была построена первая советская высокооборотная паровая машина, которая могла «разгоняться» до 1800 об/мин!

Стоит ли вспоминать об этом в наш век высоких технологий? Оказывается, да. Потому что паровые поршневые двигатели вновь могут найти себе применение.

Интересная деталь: на самолете, разработанном А.Ф. Можайским в конце XIX в., стоял паровой двигатель. И тот паровой мотор, которому в этом году исполняется 75 лет, тоже предназначался для силовой установки самолета. Он был спроектирован в Московском авиационном техникуме и работал на перегретом паре с давлением 6,1 МПа (61 атм) и температурой 380 °C.

Придумали же его потому, что некоторые виды паровых моторов, вопреки распространенному мнению, обладают довольно высокими КПД и надежностью, хорошими тяговыми характеристиками и многими другими положительными качествами. Впрочем, несмотря на неоднократные попытки, паровые двигатели в авиации так и не прижились. Но это не значит, что им нельзя найти применение на земле.

В последнее время в промышленности и жилищно-коммунальном хозяйстве инженеры все чаще задумываются о целесообразности комбинированного производства электрической и тепловой энергии на малых теплоэлектроцентралях (мини-ТЭЦ), расположенных в непосредственной близости от потребителя. Электроэнергия постоянно дорожает, а шквальные ветры летом и аномальные заморозки зимой все чаще приводят к обрывам линий электропередачи и перебоям в подаче электричества. Поэтому все чаще заводы, фабрики и муниципальные объекты, у которых есть свои котельные, добавляют к ним электрогенераторы с паровыми турбинами.

И котельная превращается в не зависимый от централизованного электроснабжения, выгодный источник не только тепла, но и электричества. Причем КПД таких установок достигает 80–85 %! А если потребителю не нужно много тепла, а только горячая вода для хозяйственных нужд — например, в летнее время, — то котельные оснащают еще и холодильными машинами для кондиционирования помещений, работающими на отработанном в турбине паре.

Так что все получается как будто неплохо. Однако наша промышленность практически не выпускает паровых машин малой мощности. Вот и возникла у российских умельцев идея переделать современный поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС) в паровой мотор и приспособить его для работы в условиях мини-ТЭЦ. Поскольку ДВС дешевле паровой турбины, то при небольшой переделке можно получить значительную экономическую выгоду.

Так выглядит ротор маломощной паровой турбины.

Типовая схема включения паропоршневого электроагрегата и паровой котельной, работающей в режиме мини-ТЭЦ.

Решить эту задачу взялась группа ученых и инженеров объединения «Промтеплоэнергетика» при Московском авиационном институте под руководством старшего научного сотрудника B.C. Дубинина. Здесь уже несколько лет разрабатывают паропоршневые двигатели (ППД) — современные паровые моторы одностороннего давления. При этом в исходном ДВС переделке, по сути, подлежит только механизм подачи топлива. Специалисты из МАИ придумали, как переделать этот механизм в механизм подачи и выпуска пара.

Особых подробностей о конструкции сообщить пока нельзя: она составляет «ноу-хау» разработчиков и проходит процесс патентования. А потому скажем лишь, что дело в основном сводится к тому, что в цилиндры бывшего ДВС вместо бензиново-воздушной смеси поступает перегретый пар, который и толкает поршни.

ППД могут работать в широком диапазоне давлений пара — от 0,5 до 4,0 МПа (5 — 40 атм) и при температурах от 150 до 440 °C. И по частоте вращения вала двигатели превосходят своего «прадедушку», о котором говорилось в самом начале статьи: они могут «раскручиваться» до 3000 об/мин! Управление ППД полностью автоматическое.

Обычно в состав энергоагрегата, кроме одного или нескольких ППД и электрогенераторов, входит еще блок возбуждения, управления и защиты электрогенератора (БВУЗ), который, в свою очередь, состоит из блоков возбуждения и управления (БВУ), защитной автоматики (БЗА), системы управления (БСУ). На схеме показан вариант электроагрегата с асинхронным электрогенератором, поэтому для его работы блок возбуждения БВ снабжен еще и конденсаторами. Распределительное устройство связывает электроагрегат с потребителями энергии.

Пунктирной линией на схеме показаны электрические связи от других генераторов.

Такой паровой мотор, в отличие от турбины, может обеспечивать прямой привод электрогенератора. (Обычной турбине для этого требуется редуктор, так как для обеспечения приемлемого расхода пара она должна работать на высоких оборотах.) Паровой турбине требуется еще и система охлаждения, а это — дополнительный расход воды и потери энергии. ППД же достаточно просто теплоизолировать, а охлаждать его и вовсе не нужно, ведь температура в его цилиндрах сравнительно невелика.

Выше у ППД и ресурс работы — в 20 раз дольше, чем у паровых турбин. Не нужны здесь и дорогостоящие сплавы, обычно идущие на лопатки турбин.

Далее, для технического обслуживания турбин необходим высококвалифицированный персонал. Паровые моторы могут обслуживать специалисты менее высокой квалификации, а ремонт можно производить прямо на месте эксплуатации.

Все поршневые двигатели, в том числе и паровые, обладают свойством самостабилизации частоты вращения вала, чего нельзя сказать о турбинах. Открытие инженера B.C. Дубинина позволяет обеспечивать поддержание частоты вращения вала двигателя с такой точностью, что приводимый электрогенератор способен очень точно поддерживать частоту выходного напряжения.

Правда, справедливости ради надо заметить, что подавляющее большинство паровых моторов пока несколько уступают турбинам по массе и габаритам. Но это для котельных не существенно — свободного места там достаточно.

Паровые котлы, конечно, дороже водогрейных, но затраты на их содержание ниже, и они могут надежно работать не менее 35 лет, то есть примерно втрое дольше.

Кроме того, стоит отметить, что электрогенерирующие агрегаты с паровыми моторами как нельзя лучше подходят для экологически чистых солнечных мини-ТЭЦ, в которых для получения пара используются котлы не с топками, а с солнечными коллекторами. Вот уж получается воистину экологически чистая в работе электростанция — солнце, вода и пар!

И. ТРОХИН,

инженер Института электрификации сельского хозяйства

Российской академии сельскохозяйственных наук

Паровой локомобиль – энергия на колесах – Основные средства

И. Трохин, инженер общественной научной группы «Промтеплоэнергетика» Московского государственного областного технологического университета

В истории техники известны паровые автомобили, корабли, самолеты и паровозы. Сегодня работают паровые котельные и электростанции. Однако отдельное место в истории занимали паровые локомобили – то ли автомобильная техника, то ли объекты генерации тепловой, механической и электрической энергии. А может быть, они продолжают действовать и уходить в прошлое не собираются?

Немного истории

Много ли в России улиц Локомобильных? Известно, что в Сызрани Самарской области такая есть точно. Это название связано с историческим фактом: здесь раньше был локомобильный завод. Впрочем, столь необычные заводы работали также и в других местностях нашей страны, и за рубежом. А выпускали они локомобили.

Локомобиль – это единый агрегат, состоящий из парового котла (обычно горизонтального жаротрубного) и поршневой машины. Еще в начале прошлого столетия он был способен давать водяной пар (насыщенный либо перегретый), горячую воду, тепло, механическую и электрическую энергию там, где требовалось. Перемещать с места на место классический (передвижной) локомобиль можно было без особых проблем, поскольку он имел колесное шасси и примитивную сцепку.

Локомобильный котел работал на всем, что подпадало под понятие «топливо». Это могли быть дрова, хворост или солома. Локомобиль служил надежным приводом, в частности, для различных сельскохозяйственных и лесопромышленных механизмов (например, молотилки и лесопилки), обеспечивал вращение электромашинных генераторов на малых тепловых электростанциях колхозов, фабрик, строительных площадок.

Паровой локомобиль канул в Лету с начала 1960-х гг. Однако во второй половине минувшего века можно было встретить локомобильные котлы в ряде промышленных и коммунальных котельных. Тогда же еще колесили по железным дорогам страны и паровозы. А котлы локомобиля и паровоза – это практически близнецы!

А что сегодня?

Во-первых, в наш век высоких технологий локомобили можно увидеть, посетив музеи или частные коллекции (например, Государственный политехнический музей в столице, частные Переславский железнодорожный музей в поселке Талицы Ярославской области либо Музей техники Вадима Задорожного в поселке Архангельское Красногорского района Подмосковья). Силами реставраторов и энтузиастов, неравнодушных к технике пара и поршня, локомобили сегодня продолжают поддерживаться в отличной внешней форме, а некоторые даже в рабочем состоянии (см. рис. 1). В основном это происходит за рубежом, в частности в Великобритании и Германии. Там даже устраивают праздники и представления паровой техники, среди которой встречаются локомобили. Но с гордостью за Родину стоит отметить, что в Музее сельскохозяйственной техники частной компании «Бизон» (г. Ростов-на-Дону) пару лет назад организовали шоу с участием, в частности, раритетных действующих паровых локомобилей из коллекции этого музея.

Во-вторых, действующая и стендовая локомобильная техника XXI столетия – это объекты культуры по направлениям стимпанка и ретрофутуризма (рис. 2, 3). Стимпанк, или паропанк (steampunk – англ.) представляет собой стиль научной фантастики и искусства, творцов которого вдохновляет энергия пара Викторианской эпохи (Англия, вторая половина XIX в.) и альтернатива развития человечества с совершенным освоением механики и технологии паровых машин. Ретрофутуризм (retrofuturism, retrofuturistic, retrofuture – англ.) как жанр фантастики описывает мир будущего на базе технологий прошлого.

В-третьих, локомобиль как автомобильный прицеп или самоходное шасси на базе идей из эпохи пара в духе современной техники и технологии является одним из направлений прикладных научных работ. Этим занимаются в подмосковном космическом наукограде Королёве члены студенческого конструкторского бюро по направлению «Малая теплоэнергетика» и общественной научной группы «Промтеплоэнергетика» Московского государственного областного технологического университета под научным руководством российских ученых В. Дубинина и С. Шкарупы.

Современный паровой локомобиль сможет вырабатывать электрическую и тепловую энергию из дешевого твердого топлива на месте ее потребления. Общий КПД или коэффициент полезного использования теплоты сгорания топлива составит, по средним оценкам, от 60 до 70% (при работе на твердом топливе). Плюс еще мобильность, феноменальная надежность (классические паровые машины работали веками), простота в обслуживании и ремонте. Никакой газификации не нужно в дачных поселках!

Рассмотрим кратко два основных элемента локомобиля: котел и паровую машину. В классических локомобилях паровой котел (паровик – устар.) был громоздкой и тяжелой частью. Он служил еще рамой и фундаментом для смонтированной на нем паровой машины, должен был экономично работать без тяжелой и механически непрочной обмуровки. Этим условиям тогда соответствовали только котлы с дымогарными трубами.

Сегодня локомобильный паровой котел может быть водотрубным, как хорошо зарекомендовавшие себя при эксплуатации в котельных стационарные котлы. Реально изготовить по современным технологиям известные конструкции малогабаритных прямоточных (змеевиковых) передвижных паровых котлов. Чтобы котел не подлежал регистрации в Ростехнадзоре, объем его пароводяного пространства должен быть менее литра, а произведение этого объема (в литрах) и максимального давления пара (в манометрических атмосферах) не должно превышать 20. При таких жестких требованиях В. Дубинин предлагает повышать тепловую мощность котла за счет реализации технологии вибрационного горения и работы топки под наддувом.

Паровая машина, в отличие от двигателя внутреннего сгорания (ДВС), работает на экологически чистом водяном паре. Грязный процесс сгорания топлива у паросиловой установки переносится из двигателя в топку либо горелку котла. Здесь этот процесс реализуется при низких давлениях, близких к атмосферному, а не при высоких, как в ДВС. Результат – значительно более экологически чистый выхлоп, чем у ДВС, особенно если применять для сжигания твердого топлива в топке котла российскую технологию высокотемпературного циркулирующего кипящего слоя.

Высокотехнологичные паровые машины или паропоршневые двигатели (ППД) для локомобилей можно создавать на базе ДВС (к примеру, автомобильных карбюраторных либо дизельных), как это придумали специалисты из упомянутой выше научной группы.

Нужно еще компактнее? Располагайте цилиндры радиально (звездообразно), как у авиационных моторов. А чтобы параллельно и лучше организовать защиту пара от загрязнения смазочным маслом, используйте бесшатунный механизм преобразования поступательного движения поршня во вращение выходного вала. Схем таких механизмов известно множество, как от отечественных, так и зарубежных изобретателей. Смазку трущихся поверхностей при работе ППД можно осуществить водой и без смазочного масла.

Корпус и основные детали ППД вполне реально изготовить из легких сплавов с антикоррозионными легирующими добавками либо со специальными покрытиями. Нужно использовать и современные композиционные материалы.

Устройство парораспределения может стать клапанным, как в газораспределительном механизме ДВС, а сами клапаны – самодействующими. Такая идея парораспределения была высказана в 1890-х гг. германским инженером Вильгельмом Шмидтом Высокого давления. Кстати, в 1921 г. он смастерил паровую поршневую машину, которая работала с 28%-ным КПД при мощности всего 110 кВт! Самодействующие клапаны работают без внешнего привода за счет воздействия на них пара. Они отличаются компактностью, надежностью и почти бесшумной работой. Гидравлические потери при впуске пара в случае использования таких клапанов оказываются не больше, чем у клапанов с приводом.

Техника для завтрашнего дня

В паровом локомобиле будущего, облик которого пока не представлен, можно будет, наверное, даже отказаться от классической автоматической системы стабилизации частоты вращения с датчиками. Здесь работа паровой и только поршневой машины с высокоточной самостабилизацией частоты вращения выходного вала будет осуществляться без обратных связей по методу Дубинина–Шкарупы при импульсной подаче или выработке пара через равные промежутки времени (рис. 4). Когда происходит самостабилизация частоты вращения вала ППД, приводящего электромашинный генератор ЭГ, то этот двигатель с источником пара (котлом) подобен при работе анкерному механизму в механических часах, а задающий генератор импульсов подачи пара действует аналогично маятнику, за счет которого часы сохраняют постоянную частоту своего хода (вращения).

В рассматриваемой схеме (см. рис. 4) локомобиля ЭГ питает электрические нагрузки: внешнюю (потребителей) и собственных нужд ЭНСН (например, программируемый логический контроллер и задающий генератор). Пунктиром показана резервная линия. В сам же ППД подается импульсный поток свежего водяного пара ИВП1 от источника с задающим генератором импульсов подачи пара (условно не показаны). Поток отработавшего водяного пара ВП2 поступает в пароводяной теплообменник (бойлер) для нагрева воды паром.

В процессе прохождения через этот теплообменник и отдачи тепла воде пар конденсируется, и конденсат подается насосом обратно в котел. Разумеется, на практике такой циклический процесс не является идеальным, поэтому в конструкции локомобиля должен быть предусмотрен подпиточный (расходный) бак с водой, либо локомобиль на месте работы необходимо подключать к трубе с холодной водой.

Подведем итоги

Приложив современное конструкторско-технологическое искусство к технике паровых локомобилей, возможно обеспечить их возрождение в облике транспортабельных микроТЭЦ – мобильных генерирующих установок электрической мощностью до 100 кВт для комбинированной выработки тепловой и электрической энергии. В этом классе мощностей работали и передвижные паровые локомобили прошлого.

Локомобильные микроТЭЦ смогут работать на «всем, что горит», включая торф, отходы деревообработки и очень перспективные быстрорастущие водоросли, с высокой надежностью и степенью автоматизации. А понадобится холод, так поможет абсорбционная холодильная «паровая» машина, потребляющая водяной пар, отработавший в ППД.

Паровик ХХI века — Дом фактов

У паровой машины — славное прошлое. В 2010 году исполнилось 245 лет со
дня первого пуска стационарной паровой машины по проекту русского
механика И.И. Ползунова. А 75 лет назад была построена первая советская
высокооборотная паровая машина, которая могла «разгоняться» до 1800
об/мин! Стоит ли вспоминать об этом в наш век высоких технологий?
Оказывается, да. Потому что паровые поршневые двигатели вновь могут
найти себе применение.

Интересная деталь: на самолете, разработанном А. Ф. Можайским в конце XIX в., стоял паровой двигатель. И тот паровой мотор, которому в этом году исполняется 75 лет, тоже предназначался для силовой установки самолета. Он был спроектирован в Московском авиационном техникуме и работал на перегретом паре с давлением 6,1 МПа (61 атм) и температурой 380°С. Придумали же его потому, что некоторые виды паровых моторов, вопреки распространенному мнению, обладают довольно высокими КПД и надежностью, хорошими тяговыми характеристиками и многими другими положительными качествами.

Впрочем, несмотря на неоднократные попытки, паровые двигатели в авиации так и не прижились. Но это не значит, что им нельзя найти применение на земле. В последнее время в промышленности и жилищно-коммунальном хозяйстве инженеры все чаще задумываются о целесообразности комбинированного производства электрической и тепловой энергии на малых теплоэлектроцентралях (мини-ТЭЦ), расположенных в непосредственной близости от потребителя. Электроэнергия постоянно дорожает, а шквальные ветры летом и аномальные заморозки зимой все чаще приводят к обрывам линий электропередачи и перебоям в подаче электричества . Поэтому все чаще заводы, фабрики и муниципальные объекты, у которых есть свои котельные, добавляют к ним электрогенераторы с паровыми турбинами. И котельная превращается в не зависимый от централизованного электроснабжения, выгодный источник не только тепла, но и электричества. Причем КПД таких установок достигает 80 — 85% !

А если потребителю не нужно много тепла, а только горячая вода для хозяйственных нужд — например, в летнее время, — то котельные оснащают еще и холодильными машинами для кондиционирования помещений, работающими на отработанном в турбине паре. Так что все получается как будто неплохо. Однако наша промышленность практически не выпускает паровых машин малой мощности. Вот и возникла у российских умельцев идея переделать современный поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС) в паровой мотор и приспособить его для работы в условиях мини-ТЭЦ. Поскольку ДВС дешевле паровой турбины, то при небольшой переделке можно получить значительную экономическую выгоду.

Решить эту задачу взялась группа ученых и инженеров объединения «Промтеплоэнергетика» при Московском авиационном институте под руководством старшего научного сотрудника В.С. Дубинина. Здесь уже несколько лет разрабатывают паропоршневые двигатели (ППД) — современные паровые моторы одностороннего давления. При этом в исходном ДВС переделке, по сути, подлежит только механизм подачи топлива. Специалисты из МАИ придумали, как переделать этот механизм в механизм подачи и выпуска пара. Особых подробностей о конструкции сообщить пока нельзя: она составляет «ноу-хау» разработчиков и проходит процесс патентования. А потому скажем лишь, что дело в основном сводится к тому, что в цилиндры бывшего ДВС вместо бензиново-воздушной смеси поступает перегретый пар, который и толкает поршни.

ППД могут работать в широком диапазоне давлений пара — от 0,5 до 4,0 МПа (5 — 40 атм) и при температурах от 150 до 440°С. И по частоте вращения вала двигатели превосходят своего «Прадедушку», о котором говорилось в самом начале статьи: они могут «раскручиваться » до 3000 об / мин! Управление ППД полностью автоматическое. Такой паровой мотор, в отличие от турбины, может обеспечивать прямой привод электрогенератора. (Обычной турбине для этого требуется редуктор, так как для обеспечения приемлемого расхода пара она должна работать на высоких оборотах.) Паровой турбине требуется еще и система охлаждения, а это — дополнительный расход воды и потери энергии. ППД же достаточно просто теплоизолировать, а охлаждать его и вовсе не нужно, ведь температура в его цилиндрах сравнительно невелика.

Выше у ППД и ресурс работы — в 20 раз дольше, чем у паровых турбин. Не нужны здесь и дорогостоящие сплавы, обычно идущие на лопатки турбин. Далее, для технического обслуживания турбин необходим высококвалифицированный персонал. Паровые моторы могут обслуживать специалисты менее высокой квалификации, а ремонт можно производить прямо на месте эксплуатации. Все поршневые двигатели, в том числе и паровые, обладают свойством самостабилизации частоты вращения вала, чего нельзя сказать о турбинах.

Открытие инженера В. С. Дубинина позволяет обеспечивать поддержание частоты вращения вала двигателя с такой точностью, что приводимый электрогенератор способен очень точно поддерживать частоту выходного напряжения. Правда, справедливости ради надо заметить, что подавляющее большинство паровых моторов пока несколько уступало турбинам по массе и габаритам. Но это для котельных не существенно — свободного места там достаточно. Паровые котлы, конечно, дороже водогрейных, но затраты на их содержание ниже, и они могут надежно работать не менее 35 лет, то есть примерно втрое дольше. Кроме того, стоит отметить, что электрогенерирующие агрегаты с паровыми моторами как нельзя лучше подходят для экологически чистых солнечных мини-ТЭЦ, в которых для получения пара используются котлы не с топками, а с солнечными коллекторами. Вот уж получается воистину экологически чистая в работе электростанция — солнце, вода и пар!

Конструкция паровой электростанции

, работа, преимущества и недостатки со схемой

Паровая электростанция является важным источником для производства электроэнергии. Эта электростанция обеспечивает большую часть потребности в электроэнергии. Его еще называют тепловой электростанцией. Он обеспечивает электроэнергией, необходимой для различных областей. В этой статье мы изучим конструкцию, работу, эффективность, преимущества и недостатки паровых электростанций.

Что такое паровая электростанция

Это электростанция, которая используется для выработки электроэнергии с помощью паровой турбины.Основными компонентами этих электростанций являются котел, паровая турбина, конденсатор и питательный насос.

Выбор площадки 

Выбор площадки для паровой электростанции зависит от различных факторов. Давайте обсудим эти факторы один за другим

1. Стоимость земли: Стоимость земли, выбранной для установки, должна быть минимальной или экономичной.
2. Плотность населения земли: Расстояние от паросиловой установки до общественных мест должно быть соответствующим. Так что в случае любого сбоя или опасности на станции не должно быть затронуто население района рядом с электростанцией.
3. Наличие источников воды: На выбранном участке должно быть много источников воды. Так как электростанции требуется большое количество воды для выработки пара.
4. Наличие топлива:  Должно быть наличие необходимого топлива (угля), т.к. без топлива завод работать не будет.
5. Тип земли: Земля, выбранная для установки электростанции, должна быть достаточно ровной и подходящей для прочного фундамента для различного оборудования станции.
6. Объем будущего спроса: Размер земли должен быть таким, чтобы он был способен удовлетворить будущий спрос на электроэнергию.
7. Наличие средства для обращения с золой: Надлежащее средство для удаления золы должно быть доступно рядом с электростанцией, чтобы свести к минимуму неблагоприятное воздействие золы, образующейся на паросиловой установке
8. Наличие средства для транспортировки: Средство для транспортировки обязательно установка для электростанции, потому что любой материал не может быть доставлен на электростанцию ​​из нужного места из-за отсутствия транспорта. На выбранном участке должно быть легкодоступно надлежащее транспортное средство.

 Также читайте:

Конструкция или компоновка паровой электростанции

В паровой электростанции присутствует так много компонентов, которые выполняют свою специализированную функцию для эффективной работы. Различные компоненты паросиловой установки:

1. Склад угля:

Это место, где хранится уголь, который можно использовать при необходимости.

2. Обращение с углем:

Здесь уголь преобразуется в пылевидную форму перед подачей в печь. Надлежащая система предназначена для транспортировки пылевидного угля в топку котла.

3. Бойлер:

Преобразует воду в пар высокого давления. Он содержит топку внутри или снаружи корпуса котла. Сгорание угля происходит в топке.

4. Подогреватель воздуха:

Используется для предварительного подогрева воздуха перед подачей в топку котла. Предварительный подогрев воздуха способствует сгоранию топлива в большей степени. Он забирает тепло от сгоревших газов из топки, чтобы нагреть воздух из атмосферы.

5. Экономайзер:

Как следует из названия, экономит работу котла. Он нагревает питательную воду до заданной температуры перед тем, как она попадет в барабан котла. Для этого требуется тепло от сгоревших газов из печи.

6. Турбина:

Это механическое устройство, которое преобразует кинетическую энергию пара в механическую энергию.

7. Генератор:

Он соединен с ротором турбины и преобразует механическую энергию турбины в электрическую энергию.

8. Золохранилище:

Используется для хранения золы после сжигания угля.

9. Пылесборник:

Собирает частицы пыли из дымовых газов перед их выбросом в дымоход.

10. Конденсатор:

Конденсирует пар, выходящий из турбины. Он преобразует пар низкого давления в воду.Он присоединен к градирне.

11. Градирня:

Градирня с холодной водой. Холодная вода циркулирует в конденсатор для охлаждения остаточного пара из турбины.

12. Дымоход:

Используется для выпуска горячих продуктов сгорания или дыма из печи в окружающую среду на соответствующей высоте. Высота башни очень высока, так что она может легко выбрасывать дым и выхлопные газы на соответствующую высоту. И это не может не сказаться на населении, проживающем вблизи ТЭЦ.

13. Насос питательной воды:

Используется для подачи питательной воды в котел.

Работа паровой электростанции

В паровой электростанции угольная пыль подается в котел и сжигается в топке. Вода, присутствующая в барабане котла, превращается в пар высокого давления. Из котла пар высокого давления поступал в пароперегреватель, где снова нагревался до сухости. Этот перегретый пар ударяется о лопатки турбины с высокой скоростью, и турбина начинает вращаться с высокой скоростью. К ротору турбины присоединен генератор, и при вращении турбины он также вращается со скоростью турбины. Генератор преобразует механическую энергию турбины в электрическую энергию. После удара по турбине пар покидает турбину и поступает в конденсатор. Пар конденсируется с помощью холодной воды из градирни. Сконденсированная вода с питательной водой поступает в экономайзер. В экономайзере питательная вода нагревается перед подачей в котел.Такой нагрев воды увеличивает КПД котла. Отходящие газы из топки проходят через пароперегреватель, экономайзер и воздухоподогреватель. Тепло этих выхлопных газов используется для нагрева пара в пароперегревателе, питательной воды в экономайзере и воздуха в воздухоподогревателе. После сжигания угля в топке его транспортируют на золоулавливающую установку и, наконец, в золохранилище.

Читайте также:

Для лучшего понимания пошаговая работа паросиловой установки выглядит следующим образом для обогрева из топки вода, находящаяся в барабане котла, превращается в пар высокого давления.

После этого сконденсированная вода с питательной водой поступает в экономайзер, где нагревается экономайзером. И, наконец, питательная вода поступает в котел насосом питательной воды для повторения цикла.

Смотреть видео для лучшего понимания

Эффективность паровой электростанции

• Электростанция, работающая на угле, составляет почти 41% от мирового производства электроэнергии .
• Это модифицированный термодинамический цикл Ренкина, по которому работает угольная электростанция.
• Общий КПД угольной электростанции колеблется от 32% до 42%. И это рассчитывается по давлениям перегрева и температурам перегрева и повторного нагрева пара.
• Большинство крупных электростанций, работающих при давлении пара 170 бар, температурах пара перегретого пара 570 ℃ и промежуточного пара 570 ℃, могут достигать КПД в диапазоне от 35% до 38%.
• КПД сверхкритических электростанций, работающих при давлении пара 220 бар и температурах перегрева/повторного нагрева 600/600 ℃, может достигать 42%.
• Эффективность в диапазоне от 45 до 48 % может быть достигнута на ультра-сверхкритических электростанциях, работающих при давлении 300 бар, температурах пара перегрева/подогрева 600/600 ℃.

Преимущества

• По сравнению с электростанцией имеет низкую начальную стоимость и, следовательно, экономичность.
• Требуется меньшая площадь земли по сравнению с гидроэлектростанцией.
• Уголь используется в качестве топлива, и стоимость угля дешевле бензина и дизельного топлива.Таким образом, стоимость производства электроэнергии является экономичной.
• Эта электростанция проста в обслуживании.
• Паросиловая установка может быть установлена ​​в любом месте, где есть источники воды и транспортные средства.

Недостатки

• Высокие эксплуатационные расходы: Эксплуатационные расходы паросиловой установки относительно высоки из-за топлива, обслуживания и т. д.
• Низкий КПД: силовой установки, то это примерно от 35% до 41%, что мало.
• Глобальное потепление: Из-за выброса сгоревших газов угля или топлива в большей степени способствует глобальному потеплению.
• Неблагоприятное воздействие на водные живые организмы: Нагретая вода, сбрасываемая в реки, пруды и т.п., оказывает вредное воздействие на живые организмы и нарушает экологию.

В этой статье мы изучили конструкцию, работу, преимущества и недостатки и эффективность паровой электростанции .Если вы нашли эту информацию полезной и ценной, не забудьте поставить лайк и поделиться ею.

Производительность геотермальных электростанций (одиночных, сдвоенных и бинарных) для компенсации энергопотребления LHC-CERN: сравнительное исследование | Геотермальная энергия

В течение последних нескольких лет большое внимание уделялось использованию отработанного тепла и возобновляемых источников энергии в связи с их вкладом в снижение зависимости от ископаемых видов топлива. Кроме того, во всем мире существует большой спрос на энергию (Sheng et al.2013). Возобновляемые источники энергии становятся важным источником энергии для промышленности. Использование возобновляемых источников энергии не способствует выбросам газов, которые наносят вред окружающей среде на том же уровне, что и выбросы от ископаемого топлива. Одним из наиболее доступных возобновляемых источников энергии является геотермальная энергия, которая хранится в недрах Земли по всему миру на различной глубине в зависимости от местоположения.

Этот новый источник доступной энергии является экологически безопасным, поскольку оказывает меньше вредных воздействий, чем традиционные источники энергии, основанные на ископаемом топливе (Lurque et al.2008 г.; Маккендри 2002). Истощение запасов ископаемого топлива требует большего количества устойчивых источников энергии, таких как геотермальная энергия, энергия ветра, солнца и приливов. В связи с этой необходимостью было испытано новое устройство для преобразования приливной энергии (Эль Хадж Асад и др. , 2016 г.).

Преобразование геотермальной энергии в электрическую не является ни дешевым, ни простым процессом, поэтому существует реальная потребность в эффективном использовании доступной энергии. На сегодняшний день существует три различных типа геотермальных электростанций: (1) вторичный пар, (2) сухой пар и (3) геотермальная электростанция с бинарным ORC (органическим циклом Ренкина) (DiPippo 2007).Строительство этих электростанций зависит от геотермальных ресурсов, которые соответственно классифицируются как имеющие низкую энтальпию, среднюю энтальпию или высокую энтальпию (Dickson and Fanelli 2003).

В резервуарах сухого пара сухой пар получают путем рытья колодцев глубиной 7000–10 000 футов, после чего пар транспортируется по трубе из колодца в турбогенератор для выработки электроэнергии. Кроме того, сконденсировавшуюся воду из турбины можно использовать для охлаждения электростанций.Использование резервуаров с сухим паром — эффективный и успешный способ производства электроэнергии, но он используется редко. Что касается резервуаров горячей воды, то горячая вода из скважин подается на один, два или более сепараторов для преобразования воды в пар. Затем этот пар проходит по трубам к турбине для производства электроэнергии, после чего пар конденсируется и используется для охлаждения системы электростанции. Этот тип более распространен, чем ранее описанные резервуары сухого пара.

В одиночной пароэлектростанции геотермальный теплоноситель находится в жидком состоянии (Ameri et al.2006), который расширяется через расширительный клапан, что приводит к двухфазному потоку. Эта смесь жидкости и пара направляется в сепаратор, поддерживающий постоянную температуру и давление, так что жидкость и пар отделяются друг от друга. Произведенный пар направляется в паровую турбину для выработки электроэнергии, а оставшаяся жидкость повторно закачивается в скважину обратной закачки.

Паровая электростанция двойного мгновенного испарения имеет те же принципы работы, что и электростанция одинарного мгновенного испарения, за исключением того, что в первом используются два сепаратора, которые обеспечивают потоки пара высокого и низкого давления, приводящие в действие паровую турбину. Геотермальные электростанции с двойной вспышкой производят более высокую выходную мощность, чем геотермальные электростанции с одинарной вспышкой, но имеют более высокую стоимость. Стоимость двойной вспышки выше, чем одинарной из-за использования большего количества трубопроводов, второго сепаратора и паровых турбин низкого и высокого давления. Чтобы компенсировать высокую стоимость электростанции с двойной вспышкой, был использован эксергетический анализ в качестве эффективного инструмента для максимизации выходной мощности и, следовательно, повышения эффективности электростанции с двойной вспышкой (Ameri et al.2011 г.; Памбуди и др. 2013).

В бинарной геотермальной электростанции (ORC) горячая геотермальная жидкость направляется в теплообменник (испаритель), где циркулирует вторичная жидкость с низкой температурой кипения и высоким давлением паров. Процесс теплообмена между геотермальной жидкостью и вторичной жидкостью приводит к тому, что вторичная жидкость испаряется, и этот образующийся пар затем используется для запуска турбины для производства электроэнергии. Паровая электростанция мгновенного испарения производит около 27 кг/МВтч выбросов CO ₂ , в то время как электростанция ORC не производит выбросов CO ₂ (Kagel et al.2007). Прелесть геотермальной электростанции в том, что для ее использования требуется около 160 м 90 247 2 90 248 /ГВтч земли, что является очень небольшой площадью по сравнению с другими традиционными и возобновляемыми электростанциями (Tester 2006).

Из-за важности ORC в последнее время было проведено много исследований для оценки производительности электростанции ORC с использованием различных смесей вторичного теплоносителя в части цикла Ренкина геотермальной электростанции (Bao and Zhao 2013; Garg et и др., 2013 г.; Ян и др.2013).

Недавно для оценки тепловых характеристик предложенной комбинированной геотермальной электростанции ORC-OFC был применен анализ второго закона (Jianyong et al. 2015), который показал, что производительность комбинированной электростанции ORC-OFC намного выше, чем производительность силовых установок ORC и OFC, работающих отдельно. Анализ второго закона комбинированной электростанции Flash-ORC был применен для определения выходной мощности и эффективности электростанции (Gong et al. 2010).

Negawo (2016) рассмотрел некоторые геоматериальные аспекты геотермальной энергии, чтобы показать и обсудить роль геоматериалов в использовании геотермальной энергии.Это исследование направлено на анализ геотермальных электростанций для повышения их производительности и увеличения зависимости от возобновляемых источников энергии, где геотермальная энергия составляет 2% от общего объема возобновляемых источников энергии (Pazheri et al. 2014). Моделирование этих систем помогает прогнозировать количество вырабатываемой энергии и стоимость в зависимости от параметров геотермальной системы, таких как температура, глубина и давление, а также многих других параметров. В этом исследовании использовалось так называемое программное обеспечение System Advisor Model (SAM).

Это исследование было проведено на основе встроенных параметров местоположения для Женевы в Швейцарии (Vuataz 2008) в то время, когда такие страны, как Пакистан (Younas et al. 2016) и Эфиопия (Teklemariam et al. 2000), начали полагаться по геотермальной энергии. Геотермальный источник, доступный под землей Женевы, является гидротермальным ресурсом. Гидротермальные ресурсы означают, что жидкость может быть в форме пара, как в паровых резервуарах, или может иметь высокую температуру, как в глубоких подземных горячих водах, которые поддерживают постоянно горячей поверхность, которая соприкасается с ней.Существуют различные способы использования гидротермальных ресурсов в зависимости от температуры флюида и его глубины. Если температура гидротермального ресурса низкая, его можно использовать непосредственно для обогрева зданий или бассейнов в дополнение к другим подобным видам использования. Такое использование гидротермальных ресурсов называется прямым использованием. С другой стороны, если температура гидротермального ресурса высока, его можно использовать для производства электроэнергии (Yari 2010). Два типа гидротермальных ресурсов, которые можно использовать для производства электроэнергии: (1) источник в форме пара (известный как резервуары сухого пара) и (2) источник в жидкой форме (известный как резервуары с горячей водой).

Как работает паровая турбина?

Большая часть электроэнергии в Соединенных Штатах производится с помощью паровых турбин — по данным Министерства энергетики США, более 88 процентов энергии в США производится с помощью паротурбинных генераторов на центральных электростанциях, таких как солнечные теплоэлектростанции, угольные и атомные электростанции. Предлагая более высокую эффективность и низкую стоимость, паровые турбины стали неотъемлемой частью многих американских энергетических отраслей.

Первая паровая турбина

Первая современная паровая турбина была разработана сэром Чарльзом А. Парсонсом в 1884 году. Эта турбина использовалась для освещения выставки в Ньюкасле, Англия, и производила всего 7,5 кВт энергии. Теперь паротурбинные генераторы могут производить более 1000 МВт энергии на крупных электростанциях. Хотя со времен Parsons мощность генерации значительно увеличилась, конструкция осталась прежней. Но каким бы интуитивным ни был дизайн Парсонса, он не так прост, как движение пара по лопастям. Он был основан на втором законе термодинамики и теореме Карно (), которая утверждает, что чем выше температура пара, тем выше КПД электростанции. Давайте углубимся в то, как пар помогает питать большинство электростанций страны.

Как так много энергии извлекается из пара?

Возвращаясь к школьной физике, вода кипит при 100°C. В этот момент молекулы расширяются, и мы получаем испарившуюся воду — пар. Используя энергию, содержащуюся в быстро расширяющихся молекулах, пар обеспечивает поразительную эффективность производства энергии.

Учитывая высокую температуру и давление пара, неудивительно, что были случаи несчастных случаев из-за неправильного использования или неправильной установки предохранительных клапанов. Один из самых громких инцидентов произошел на АЭС «Три-Майл-Айленд». Все сводилось к нарастанию давления пара, когда перестали работать насосы, подающие воду к парогенераторам.

Как работает паровая турбина?

Проще говоря, паровая турбина работает, используя источник тепла (газ, уголь, атомную энергию, солнечную энергию) для нагрева воды до чрезвычайно высоких температур, пока она не превратится в пар. Когда этот пар проходит мимо вращающихся лопастей турбины, он расширяется и охлаждается. Таким образом, потенциальная энергия пара превращается в кинетическую энергию вращающихся лопаток турбины. Поскольку паровые турбины генерируют вращательное движение, они особенно подходят для привода электрических генераторов для выработки электроэнергии. Турбины соединены с генератором с осью, которая, в свою очередь, производит энергию через магнитное поле, производящее электрический ток.

Как работают лопасти турбины?

Лопасти турбины предназначены для управления скоростью, направлением и давлением пара, проходящего через турбину.В крупных турбинах к ротору прикреплены десятки лопастей, обычно в разных наборах. Каждый набор лопастей помогает извлекать энергию из пара, сохраняя при этом оптимальное давление.

Этот многоступенчатый подход означает, что лопасти турбины снижают давление пара очень небольшими приращениями на каждой ступени. Это, в свою очередь, снижает усилия на них и значительно улучшает общую мощность турбины.

Важность гибкого управления вращающимся турбинным оборудованием

При таком большом количестве энергии, проходящей через паровые турбины, необходимы механизмы управления, которые могли бы регулировать их скорость, управлять потоком пара и изменять температуру внутри системы.Поскольку большинство паровых турбин используются на крупных электростанциях, требующих нагрузки по требованию, возможность регулировать поток пара и общую выработку энергии является необходимостью.

Как системы управления Petrotech могут повысить эффективность вашего паротурбинного генератора

Изобретение паровой турбины изменило нашу способность производить энергию в больших масштабах. И даже с таким, казалось бы, простым, как пар, проходящий через набор лопастей, легко увидеть, что эти механизмы довольно сложны.Таким образом, им нужна рефлексивная, интеллектуальная система управления паровой турбиной, в которой можно отслеживать и контролировать их работу. Усовершенствованные системы управления паровыми турбинами Petrotech для приводов компрессоров и генераторов имеют интегрированный пакет управления, обеспечивающий управление скоростью и мощностью. Наша продукция включает интегрированные системы управления газовыми и паровыми турбинами, генераторами, компрессорами, насосами и вспомогательным оборудованием. Чтобы узнать больше о наших системах управления паровыми турбинами, ознакомьтесь с нашими информационными документами по усовершенствованным системам управления паровыми турбинами для генераторов и механических приводов.

Руководство по выбросам паровых электростанций

Агентство по охране окружающей среды обнародовало Руководящие принципы и стандарты для сточных вод, производящих паровую электроэнергию (40 CFR, часть 423) в 1974 году, и внесло поправки в правила в 1977, 1978, 1980, 1982, 2015 и 2020 годах. Правила распространяются на сбросы сточных вод с электростанций, работающих в качестве коммунальных услуг. Правила Steam Electric включены в разрешения NPDES .

 
На этой странице:

Что такое паровая электроэнергетика?

Паровые электростанции используют ядерное или ископаемое топливо (например, уголь, нефть и природный газ) для нагрева воды в котлах, которые производят пар. Пар используется для привода турбин, соединенных с электрогенераторами. На предприятиях образуются сточные воды в виде химических загрязнителей и термических загрязнений (нагретая вода) в результате их водоподготовки, энергетического цикла, систем удаления золы и контроля загрязнения воздуха, а также из угольных отвалов, дворовых и напольных стоков и других различных отходов.

Эти действия включены в следующие коды NAICS :

Примечание: списки группы NAICS приведены в качестве руководства и не определяют сферу действия правил Steam Electric.Для точного определения покрытия см. разделы о применимости в 40 CFR Part 423.

Покрываемые объекты

Руководство по выбросам паровых электростанций распространяется на большую часть электроэнергетической отрасли. Это установки, в основном занятые выработкой электроэнергии для распределения и продажи, которая является результатом процесса, использующего ископаемое топливо или ядерное топливо в сочетании с тепловым циклом, использующим пароводяную систему в качестве термодинамической среды. На территории Соединенных Штатов расположено около 914 таких объектов.

2021 Дополнительное нормотворчество

Агентство по охране окружающей среды (EPA) инициировало разработку правил для ужесточения определенных пределов сброса в категории паровых электростанций. EPA намерено опубликовать предложенное правило осенью 2022 года.

2020 Правило пересмотра

EPA пересмотрело требования к двум потокам отходов: сточные воды обессеривания дымовых газов (FGD) и транспортные воды для зольного остатка (BA); пересмотрена программа добровольного стимулирования сточных вод ДДГ; добавлены подкатегории; и установил новые сроки соблюдения.

Окончательное правило 2015 г. – поправка

Окончательное правило 2015 года устанавливает первые федеральные ограничения на уровни токсичных металлов в сточных водах, которые могут сбрасываться электростанциями.

Справочные документы

2009 Детальное исследование

EPA провело исследование, в котором был представлен обзор отрасли, данные о характеристиках сточных вод угольных электростанций, описание применимых технологий очистки сточных вод, обсуждение тенденций в использовании средств контроля загрязнения воздуха и описание воздействия на окружающую среду.

Лабораторный анализ десульфурации дымовых газов (ДДГ) сточных вод

История нормотворчества

Поправка 2020 г.

Поправка 2015 г.

Поправка 1982 г.

Пересмотренные требования BPT , BAT , BCT , NSPS , PSES и PSNS

• Документы, в том числе:
  • Окончательное правило (19 ноября 1982 г.)
    • Документ разработки
      Описание отрасли, характеристика сточных вод, технологии очистки, оценка затрат на соответствие нормативным требованиям и загрязняющие нагрузки для окончательного правила
  • Предлагаемое правило (14 октября 1980 г.)

Поправки 1978 и 1980 гг.

Измененный пункт

об отклонениях от BPT

• Документы, в том числе:
  • Окончательное правило (17 сентября 1980 г.)
  • Окончательное правило (29 сентября 1978 г.)

Поправка 1977 г.

Установленные требования PSES

• Документы, в том числе:
  • Окончательное правило (23 марта 1977 г.)
    • Документ разработки (дополнение по предварительной обработке)
  • Предлагаемое правило (8 октября 1974 г.)

1974 Первоначальное нормотворчество

Установленные требования BPT, BAT, NSPS и PSNS

• Документы, в том числе:
  • Окончательное правило (8 октября 1974 г.)
    • Документ разработки
      Описание отрасли, характеристика сточных вод, технологии очистки, оценка затрат на соответствие нормативным требованиям и загрязняющие нагрузки для окончательного правила
  • Предлагаемое правило (4 марта 1974 г. )

Дополнительная информация

Для получения дополнительной информации о правилах использования сточных вод, вырабатывающих электроэнергию на пару, обращайтесь к Ричарду Бенваре ([email protected]) или 202-566-1369.

Паровые электростанции – VIRIDIS Engineering Sdn Bhd

Это электростанция, которая используется для выработки электроэнергии с помощью паровой турбины. Вода нагревается, превращается в пар и вращает паровую турбину, которая приводит в действие электрический генератор. После прохождения через турбину пар конденсируется в конденсаторе. Наибольшая вариативность конструкции пароэлектрических установок обусловлена ​​различными источниками топлива.

Почти все угольные, атомные, геотермальные, солнечные тепловые электростанции, мусоросжигательные заводы, а также многие электростанции, работающие на природном газе, являются пароэлектрическими. Природный газ часто сжигают в газовых турбинах, а также в котлах. Отработанное тепло газовой турбины можно использовать для производства пара в установке с комбинированным циклом, что повышает общую эффективность.

Рабочий механизм

• Угольная пыль подается в котел, где угольная пыль сжигается в топке
• Под действием тепла топки вода в барабане котла превращается в пар высокого давления.
• Из котла этот пар высокого давления поступает в пароперегреватель, где снова нагревается до сухого состояния.
• После этого этот перегретый пар ударяется о лопатки турбины с большой скоростью, и лопатки турбины начинают вращаться с большой скоростью. Здесь запасенная потенциальная энергия пара преобразуется в механическую энергию.
• Генератор соединен с ротором турбины. Когда турбина вращается, генератор также вращается с той же скоростью, и механическая энергия турбины преобразуется в электрическую энергию.
• Пар после удара о лопатки турбины теряет большую часть энергии и выходит из турбины с паром низкого давления.
• Этот пар низкого давления поступает в конденсатор. Холодная вода циркулирует в конденсаторе из градирни. Здесь влажный пар низкого давления превращается в воду.
• После этого сконденсированная вода с питательной водой поступает в экономайзер, где нагревается экономайзером. И, наконец, питательная вода поступает в котел насосом питательной воды для повторения цикла.
• Дымовые газы из печи проходят через пароперегреватель, экономайзер и воздухоподогреватель. Эта теплота дымовых газов расходуется на подогрев пара в пароперегревателе до сухости, на подогрев питательной воды в экономайзере перед поступлением в котел и на подогрев воздуха из атмосферы в воздухоподогревателе перед поступлением в котел. печь.
• Зола из топки транспортируется на золоуборочный завод и, наконец, в золохранилище.

Преимущества 

• Низкая начальная стоимость.
• Требуется меньшая площадь земли по сравнению с гидроэлектростанцией.
• Экономичная стоимость производства электроэнергии. Уголь используется в качестве топлива, и стоимость угля дешевле бензина и дизельного топлива.
• Низкая стоимость обслуживания.
• Может быть установлен в любом месте, где есть источники воды и транспортные средства.

Компоненты

Основными компонентами этой электростанции являются котел, паровая турбина, конденсатор, подогреватель питательной воды и пароперегреватель.

Котел	Котел передает энергию воде за счет химической реакции сжигания определенного вида топлива. Вода поступает в котел через секцию конвекционного прохода, называемую экономайзером. Из экономайзера он поступает в паровой барабан. Как только вода попадает в паровой барабан, она спускается по водосточным трубам в нижние водозаборные коллекторы на входе. Из входных коллекторов вода поднимается через водяные экраны и в конечном итоге превращается в пар за счет тепла, выделяемого горелками, расположенными на передней и задней стенках (как правило). Когда вода превращается в пар/пар в водяных стенках, пар/пар снова поступает в паровой барабан. Пар/пар проходит через ряд сепараторов пара и воды, а затем через осушители внутри парового барабана. Сепараторы пара и осушители удаляют капли воды из пара, и цикл через водяные экраны повторяется. Этот процесс известен как естественная циркуляция.
Паровая турбина	Паровая турбина представляет собой устройство, извлекающее тепловую энергию из пара под давлением и использующее ее для выполнения механической работы на вращающемся выходном валу. Поскольку турбина создает вращательное движение, она особенно подходит для привода электрического генератора. Паровая турбина представляет собой разновидность теплового двигателя, термодинамическая эффективность которой во многом достигается за счет использования нескольких стадий расширения пара, что приводит к более близкому приближению к идеальному обратимому процессу расширения.
Конденсатор	В паровых электростанциях используется поверхностный конденсатор, охлаждаемый водой, циркулирующей по трубам.Пар, который использовался для вращения турбины, выбрасывается в конденсатор. Таким образом, пар конденсируется при контакте с холодными трубами, заполненными циркулирующей водой. Этот сконденсированный пар выводится из нижней части поверхностного конденсатора. Сконденсированный пар теперь представляет собой воду, обычно называемую  водным конденсатом. Он присоединен к градирне.
Нагреватель питательной воды	В случае обычной пароэлектрической электростанции, использующей барабанный котел, поверхностный конденсатор удаляет скрытую теплоту парообразования из пара, когда он переходит из парового состояния в жидкое.Теплосодержание (BTU) в паре называется энтальпией. Затем конденсатный насос перекачивает конденсат через нагреватель питательной воды. Затем оборудование для нагрева питательной воды повышает температуру воды за счет использования отработанного пара из различных ступеней турбины. Предварительный нагрев питательной воды уменьшает необратимость, связанную с образованием пара, и, следовательно, повышает термодинамическую эффективность системы. Это снижает эксплуатационные расходы установки, а также помогает избежать термического удара металла котла, когда питательная вода снова вводится в паровой цикл.
Пароперегреватель	Поскольку пар кондиционируется сушильным оборудованием внутри барабана, он подается из верхней части барабана в сложную систему труб в разных частях котла. Области, известные как перегреватель и повторный нагреватель. Паровой пар получает энергию, и его температура теперь превышает температуру насыщения. Затем перегретый пар направляется по основным паропроводам к клапанам турбины высокого давления.

Основы паровых электростанций

Паровая турбина

Срок службы паровой турбины обычно чрезвычайно велик. Есть паровые турбины, которые находятся в эксплуатации более 50 лет. Интервалы между капитальными ремонтами исчисляются годами. При правильной эксплуатации и обслуживании (включая надлежащий контроль химического состава котловой воды) паровые турбины чрезвычайно надежны.

Основы паровых электростанций (на фото: «сверхсверхкритическая» паровая турбина Alstom на электростанции Боксберг в Германии может производить 600 МВт; фото: GE)

Они требуют контролируемых тепловых переходных процессов, поскольку массивный корпус нагревается медленно дифференциальное расширение деталей должно быть сведено к минимуму.

В отношении окружающей среды: Выбросы, связанные с паровой турбиной, зависят от источника пара. Паровые турбины могут использоваться с котлом, работающим на любом одном источнике топлива или их комбинации, или они могут использоваться с газовой турбиной в конфигурации с комбинированным циклом.

Циклы паровых электростанций

Циклы Ренкина описывают работу паровых тепловых двигателей, обычно используемых на электростанциях, как схематично показано здесь на рисунке 1.

В таких паросиловых установках энергия вырабатывается за счет попеременного испарения и конденсации рабочей жидкости (во многих случаях воды, хотя могут использоваться и такие хладагенты, как аммиак).

Рисунок 1 – Простой цикл Ренкина

В цикле Ренкина есть четыре процесса, каждый из которых изменяет состояние рабочей жидкости. Эти состояния обозначены номером на рис. 1.

Процесс 1-2s – Сначала рабочая жидкость перекачивается (в идеале изоэнтропически) от низкого до высокого давления с помощью насоса.Для накачки требуется входная мощность (например, механическая или электрическая).

Процесс 2s-3 – Жидкость под высоким давлением поступает в котел, где она нагревается при постоянном давлении внешним источником тепла, превращаясь в насыщенный пар. Обычными источниками тепла для систем электростанций являются уголь, природный газ или ядерная энергия.

Процесс 3-4s – Насыщенный пар проходит через турбину для выработки выходной мощности. В идеале это расширение изоэнтропическое. Это снижает температуру и давление пара.

Процесс 4s-1 – Затем пар поступает в конденсатор, где охлаждается до состояния насыщенной жидкости. Затем эта жидкость снова поступает в насос, и цикл повторяется.

В реальных ситуациях и водяные насосы, и паровые турбины не работают изоэнтропически , и потери приводят к большему потреблению мощности для перекачки и меньшей мощности, фактически вырабатываемой паром на лопастях.

Основы паровых электростанций

Сопутствующий контент EEP со спонсорскими ссылками

Паровая электростанция: компоненты, применение и рабочий механизм

Паровая электростанция использует тепловую энергию, вырабатываемую при сжигании угля, для выработки электроэнергии.Этот тип электростанции обычно используется во всем мире. Из-за большого количества топлива (угля) этот набор электростанций можно использовать для выработки большого количества электроэнергии.

В большинстве стран эти электростанции используются в качестве базовых электростанций. Это связано с тем, что паровые электростанции тяжело запускаются и не могут использоваться для удовлетворения высоких нагрузок, которые часто возникают в течение короткого времени.

Факторы, определяющие местонахождение паровой электростанции

Паровые электростанции продолжают работать почти на полную мощность в течение 24 часов в сутки. Электростанции имеют стандартный срок службы от 30 до 40 лет. Ниже приводится список факторов, влияющих на выбор места для строительства Паровой электростанции :

Поставка топлива:

Паровая электростанция должна быть размещена рядом с угольными шахтами, чтобы уменьшить стоимость транспортировки топлива. . Паровая электростанция, использующая в качестве топлива уголь или нефть, нуждается в очень большом количестве топлива в год.

Паровую электростанцию ​​следует размещать рядом с угольными шахтами, чтобы стоимость транспортировки топлива была минимальной. Однако, если такой завод будет установлен в месте, где уголь недоступен, вам необходимо убедиться, что заправочная станция находится поблизости.

Характер земли и ее цена:

Выбранный участок должен иметь высокую
несущую способность не менее 10 Н/кв. мм, чтобы выдерживать собственный вес
растение. Это уменьшит стоимость основания завода.

Наличие воды:

Станция должна располагаться вблизи берега реки или канала для обеспечения постоянного водоснабжения.Паросиловая установка в течение всего года использует воду в качестве рабочего раствора, который регулярно испаряется и конденсируется. Он также хочет, чтобы около 2% пара производилось в качестве подпиточной воды из-за его потерь.

Транспортные средства:

Станция должна быть хорошо прикреплена к
важные транспортные пути, например, железнодорожный или автомобильный. Новая паросиловая установка часто нуждается
транспортировка материалов и техники. Следовательно, достаточно
должны существовать транспортные средства, т. е. завод должен быть хорошо прикреплен к
другие части земли по железной дороге, автомобильным транспортом.и т.д.

Стоимость и тип земли:

Земля должна иметь большую опору
вместимостью для тяжелой техники и при этом быть достаточно доступной для покупки. То
Паровая электростанция должна быть расположена в месте, где недвижимость дешева и
при необходимости возможно дальнейшее расширение. Кроме того, грузоподъемность
площади должно быть достаточно, чтобы можно было установить тяжелую технику.

Удаленность от населенных пунктов:

Станция должна быть установлена ​​как
как можно дальше от населенных пунктов из-за загрязнения воздуха.

Близость к центрам нагрузки:

Для уменьшения
стоимость передачи, установка должна быть размещена вблизи центров нагрузки. Местоположение
завода в центре нагрузок снижает стоимость каналов передачи
и возникающие в нем потери.

Преимущества паровой электростанции

Недостатки паровой электростанции

• Срок службы и эффективность паросиловой установки более лаконичны по сравнению с электростанцией Hydel .
• Транспортировка топлива является серьезной проблемой.
• Стоимость производства электроэнергии выше, чем гидроэнергетики.
• Загрязнение воздуха является серьезной проблемой.
• Уголь может быть истощен при постепенном использовании.

КПД паровых электростанций:

Общий КПД паровой электростанции очень средний (около 29%) в основном по двум причинам. Во-первых, в конденсаторе теряется большое количество тепла, а во-вторых, потери тепла происходят на разных стадиях установки.Потери тепла в конденсаторе не могут быть отозваны. Это потому, что тепловая энергия не может быть преобразована в механическую энергию без разницы температур.

Чем выше температура
вариации, тем больше тепловая энергия превращается в механическую энергию.
Для этого необходим пар в конденсаторе самой умеренной температуры. Но
мы знаем, что чем выше разность температур, тем больше теплота
потеря. Это свидетельствует о средней эффективности таких установок.

Основной компонент паровой электростанции

Пар

Бойлер

Котлы для паровых электростанций

Котел способен преобразовывать воду в пар .Процесс превращения воды в пар производится путем нагревания воды в трубах за счет энергии сжигания топлива. Процесс горения осуществляется непрерывно в топочной камере с подачей топлива и воздуха с поверхности.

Полученный пар представляет собой перегретый дым, имеющий высокую температуру и высокое давление. Величина производства пара зависит от площади поверхности теплопередачи, расхода и применяемой теплоты сгорания. Котельная система, состоящая из труб, заполненных водой, называется водотрубным котлом.

Источник: Электротехника 123

Паровая турбина

Паровая турбина преобразует тепловую энергию, переносимую паром, во вращательное движение. Пар с высокой нагрузкой и температурой толкал лопатки турбины, установленные на валу, и вал вращался. Из-за полной работы на турбине давление и теплота пара, поступающего в турбину, снизились до пропитанного пара.

Затем этот пар поступает в конденсатор, а вихревая энергия используется для вращения генератора.Сегодня почти все паровые турбины представляют собой конденсационные турбины.

Конденсатор

Конденсаторы — это устройства для преобразования пара в воду. Изменения вносятся потоком пара в помещение, в котором проходят трубы. Пар выходит снаружи труб, а охлаждающая вода течет внутри труб. Это так называемый поверхностный конденсатор. Обычно в качестве охлаждающей жидкости используют морскую воду.

Скорость теплопередачи зависит от движения охлаждающей воды, санитарных устройств и разницы температур между паром и охлаждающей водой.Способ превращения в водяной пар происходит при насыщенном весе и температуре. В этом случае конденсатор находится под вакуумом.

Поскольку температура охлаждающей воды равна температуре наружного воздуха, самая высокая температура конденсата воды близка к температуре наружного воздуха. Если скорость теплообмена приостановлена, это повлияет на давление и температуру.

Генератор

Основная идея деятельности на
завод электричество. Электрическая энергия вырабатывается генератором.Функциональный генератор преобразует механическую силу в электрическую энергию в виде
круга с началом магнитной индукции.

Генератор состоит из статора и ротора. Статор состоит из кожуха, в котором закреплены катушки, а роторная станция магнитного поля состоит из сердечника, содержащего катушку.

Генератор переменного тока

Паровая турбина соединяется с
генератор. Когда турбина вращает генератор, электрическая энергия
произведено. Это генерируемое электрическое напряжение затем повышается с помощью
трансформатор, а затем перемещается туда, где он будет использоваться.

Рабочая система паровой электростанции

Цикл рабочего тела паросиловой установки т является завершающим циклом, в котором регулярно используется одна и та же жидкость. Сначала в котел загружается вода, чтобы заполнить всю площадь поверхности теплообмена.

В котле вода нагревается горячими газами сжигания топлива с воздухом и переходит в паровую фазу. Пар, вырабатываемый котлом с давлением и температурой, направляется для выполнения работы на турбине, чтобы обеспечить механическую мощность в порядке вращения.

Бывший пар из турбины
а затем перемещается в конденсатор для замораживания охлаждающей водой, которая
превращается в воду. Затем конденсат снова используется в качестве питания котла.
вода. Таким образом, цикл продолжается и повторяется.

Вращение турбины используется для вращения генератора, который напрямую связан с турбиной. Таким образом, когда турбина вращается, выходные клеммы генератора производят электричество. Хотя ряд рабочей жидкости представляет собой замкнутый цикл, количество воды в цикле будет уменьшаться.Потеря происходит из-за утечки воды либо преднамеренно, либо случайно.

Какие компоненты паровой электростанции?

Печь, паровая турбина, генератор и другие вспомогательные устройства составляют паровую электростанцию. Котел производит пар высокой температуры и давления. Паровая турбина — это машина, преобразующая тепловую энергию пара в механическую энергию. Затем механическая энергия преобразуется генератором в электрическую.

Каковы основные работы паровой электростанции?

Электростанции вырабатывают энергию путем выпаривания топлива, такого как биомасса, уголь, бензин и газ, в печи.При экстремальном напряжении образующийся пар поступает в турбину, которая вращает генератор для выработки электроэнергии. После охлаждения пар снова конденсируется в воду и подается в котел для возобновления работы.

Что такое определение паровой электростанции?

Парогенератор представляет собой паровую электростанцию ​​или паросиловую установку.

Если вы все еще ищете дополнительную информацию о паровой электростанции/установке t , ознакомьтесь с нашей терминологией, касающейся постов и котлов для тепловых электростанций, для получения подробной информации о компонентах.