МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

В ТЕПЛОСНАБЖЕНИИ И СТРОИТЕЛЬСТВЕ

СБОРНИК РАБОТ АСПИРАНТОВ И СТУДЕНТОВ – СОТРУДНИКОВ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ

«ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И УСТАНОВКИ»

ВЫПУСК 11

УЛЬЯНОВСК 2013

УДК 697.34+658.264 ББК 31.38+38 Н 72

Редакционная коллегия: В. И. Шарапов (гл. редактор), М. А. Маликов (отв. секретарь), М. Е. Орлов, Э. У. Ямлеева

УДК 697.34+658.264

Новые технологии в теплоснабжении и строительстве : сборник

работ аспирантов и студентов – сотрудников научно-исследовательской лаборатории «Телоэнергетические системы и установки». Выпуск 11. – Ульяновск : УлГТУ, 2013. – 395 с.

В сборнике опубликованы работы студентов и аспирантов специальности

ТГВ, выполненные в научно-исследовательской лаборатории «Телоэнергетические системы и установки». В первый раздел «Анализ прогрессивного опыта теплоснабжения и строительства» вошли реферативные работы, посвященные углубленному изучению различных вопросов энергосбережения в строительстве и теплоснабжении. Во втором разделе «Разработка новых энергосберегающих технологий теплоснабжения и строительства» представлены оригинальные собственные разработки студентов.

Колл. авторов, 2013

ISBN 978-5-9795-0451-3 Оформление УлГТУ, 2013

3

Раздел 1. Анализ прогрессивного опыта теплоснабжения

и строительства

О подходах к развитию теплофикации

Аксенов В.В. (студ. гр. ТГВбд-22),

руковод. Орлов М.Е. (к.т.н., доцент)

В последние годы мода на газовое отопление если и не прошла

вовсе, то перестала быть всеобщей. Многие начали осознавать, что по

газопроводу в дом может прийти только газ, который по мере ежегодного

удорожания становится все менее привлекательным топливом, в то

время как по теплопроводам будет подаваться тепловая энергия, которая

может быть получена как побочный продукт при выработке

электроэнергии. И не только газ, но и уголь, мазут, торф, мусор, сухостой

лесов, древесные отходы и отходы сельскохозяйственного производства

могут сжигаться в топках котлов при централизованном теплоснабжении.

В то же время не вызывает сомнений тот факт, что существующие

системы теплоснабжения требуют модернизации. Теплофикацию нужно

возрождать на новом технологическом уровне. Это понимают все, и в

надежде ускорить процесс возрождения многие обращаются к опыту

европейских стран.

Системы централизованного теплоснабжения развивались у нас на

научной основе, которая создавалась тогда, когда ни в Европе, ни в

Америке эта техника, хотя и была известна, практически не применялась.

На протяжении нескольких десятилетий техника теплофикации

развивалась у нас изолированно, без заимствования опыта других стран,

где такого опыта в то время вообще не было. Поэтому не нужно

удивляться тому, что западные тепловые сети и тепловые пункты,

которые начали развиваться сравнительно недавно, существенно

отличаются от тех, что уже давно работают в наших городах.

Вот только некоторые признаки, которые характерны, в основном,

для отечественных систем:

совмещенное производство тепловой и электрической энергии на

ряде ТЭЦ, тепловые мощности которых превосходят мощности

крупнейших европейских когенерационных установок;

качественное регулирование на источниках теплоснабжения;

4

разветвленная и чрезвычайно нагруженная тепловая сеть,

характеризующаяся высокими давлениями в магистралях;

высокий температурный перепад в трубопроводах;

применение надежных водоструйных насосов, исключающих

использование электрической энергии для циркуляции

теплоносителя в системах отопления;

двухступенчатый подогрев воды в теплообменниках горячего

водоснабжения.

На Западе не используют или почти не используют эти

прогрессивные технические приемы, там о них просто не знают, а

западные специалисты, рассматривая ситуацию в сфере

теплоснабжения, начисто игнорируют наш положительный опыт, не

желают его изучать и рекомендуют нам применять только то, что им

хорошо известно.

Новый подход к реконструкции и модернизации отечественных

систем теплоснабжения должен состоять в том, чтобы, изучая и

применяя новейшие западные технологии энергосбережения в области

теплоснабжения, опираться, в основном, на собственный положительный

опыт, основанный на достижениях отечественной теплотехнической

науки.

Для развития теплофикации в стране необходимо осуществление

следующих основных мероприятий.

1. Техническая модернизация систем централизованного

теплоснабжения должна базироваться на развитии концептуальных

принципов, заложенных в основу отечественных систем. Нужно

осторожно относиться к рекомендациям западных экспертов в тех

случаях, когда они игнорируют эти принципы или противоречат им.

2. Основой погодного регулирования систем централизованного

теплоснабжения является температурный график тепловой сети. Этот

график нужно непременно соблюдать с учетом новых признаков,

отвечающих современным тенденциям технического развития.

3. Тепловые пункты зданий массовой застройки прошлых лет

целесообразно модернизировать с использованием позиционных

регуляторов, чтобы сохранить в них элеваторы.

4. Для того чтобы программа модернизации систем теплоснабжения

начала реализовываться, нужно создать инвестиционный фонд. Имеется

достаточно способов создания такого фонда без привлечения бюджетных

средств и дополнительного повышения тарифов для населения.

5

Список литературы

1. Гершкович В.Ф. Новые подходы к возрождению теплофикации // АВОК. 2008. № 7.

С. 4-9.

2. Чистович С. А. Технологические схемы систем теплофикации, теплоснабжения и

отопления // АВОК. 2007. № 7. С. 10-25.

3. Ливчак В. И. Что ждет Россию в будущем – котельные в каждом доме или все-таки

централизованное теплоснабжение на базе теплофикации? // АВОК. 2008. № 2. С.

10-21.

6

Газовые микротурбины для комбинированного

производства электроэнергии и теплоты

Батылкин Е.Е. (студ. гр. ТГВд-41),

руковод. Орлов М.Е. (к.т.н., доцент)

Газовые микротурбины для комбинированного производства теплоты

и электроэнергии все активнее занимают свои позиции в мире

оборудования систем отопления, вентиляции и кондиционирования

воздуха и, судя по всему, могут сыграть роль новой движущей силы в

эволюции инженерных систем.

Технология газовых микротурбин развивается, их

производительность и надежность достигли весьма высокого уровня,

число моделей и модификаций непрерывно растет.

Благодаря ряду своих качеств (одно из которых, например, низкий

уровень шума) газовые турбины близки к тому, чтобы вытеснить

газопоршневые двигатели когенерации (комбинированного производства

тепла и электричества), продемонстрировав еще раз доминирующую

роль ротационных двигателей в современной индустрии.

Газовые микротурбины — это турбины, которые работают на

природном газе, они оснащены устройством тепловой регенерации

выпускных газов и вырабатывают электрическую мощность менее 200

кВт. Если сравнивать эти устройства с газовыми турбинами малой

мощности (1–2 МВт), несущими в себе все основные черты больших

промышленных турбин, следует отметить, что между ними практически

нет ничего общего, поскольку в основе газовых микротурбин лежат

высокооборотные турбомашины радиального типа. Более того, они

работают в рамках термодинамического цикла регенерационного типа,

который мало используется на больших агрегатах, но существенно

повышает производительность.

Основные факторы, обусловившие успех микротурбин:

1. Базовую технологию составляет технология турбоблоков питания

крупных газопоршневых двигателей. Вследствие этого компрессор и

турбина литые и могут серийно производиться в больших количествах.

2. Использование регенерационного термодинамического цикла

обеспечивает электропроизводительность на уровне 30 %, что частично

компенсирует низкую производительность малых машин по сравнению с

большими (явление, вполне обычное в технологии машиностроения).

7

3. По сравнению с газопоршневым двигателем резко сокращено

число движущихся деталей. Отсюда значительное сокращение

эксплуатационных расходов и затрат на техническое обслуживание.

4. В настоящее время ряд изготовителей применяет

высокоскоростные электрогенераторы после того, как стало возможным

отказаться от использования колесного редуктора вращения.

5. Некоторые изготовители применяют «воздушные» подшипники,

которые не требуют обслуживания (смены масла), что снижает расходы

на эксплуатацию и техническое обслуживание.

6. Газовую турбину отличает высокая удельная мощность,

вследствие этого габариты машины относительно малы

7. Вследствие низкой температуры горения микротурбины имеют

очень низкий уровень выбросов NOx.

В данное время изучается вопрос уменьшения габаритных размеров

рабочих модулей, в частности, компрессоров природного газа,

разрабатывается программа испытаний, имеющие целью определение

эффективности систем регенерации тепла. В конечном итоге технология

микротурбин уже сегодня может рассматриваться как вполне

убедительная альтернатива на рынке оборудования для

децентрализованного производства энергии в пределах 200 кВт.

Список литературы

1. Gozzi M. Газовые микротурбины для комбинированного производства тепла и

электроэнергии / M. Gozzi, А.Л. Наумов // http://www.abok.ru/for_spec/

articles.php?nid=2601

2. Газовые микротурбины // http://www.paek.su

8

Мини-ТЭЦ с паровыми моторами

Батылкин Е.Е. (студ. гр. ТГВд-41),

руковод. Шарапов В.И. (д.т.н., профессор)

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), 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 (обрыву

проводов) централизованного электроснабжения.

Однако следует обратить внимание на тип используемого в

современных мини-ТЭЦ парового двигателя. 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.

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. Если

сделать это корректно, при соизмеримых давлениях и температурах пара

на входе в эти двигатели и соизмеримых противодавлениях пара на

выходе, то сравнение показывает, что удельный расход пара на единицу

вырабатываемой электроэнергии, а следовательно, и КПД у некоторых

паромашинных или паромоторных установок вполне соизмерим с

9

удельным расходом пара в современных турбоустановках, мощность

которых даже в 5 раз больше!

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 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.

Таким образом, стоит задача создать современный паропоршневой

двигатель (ППД).

Создать ППД можно несколькими способами, первый наименьшими

затратами – переделка уже выпускающихся поршневых двигателей

бензиновых и дизельных в ППД, второй – создание нового

высокоэффективного ППД с нуля.

Что касается опыта переделки ДВС в паровые машины, то он в

России уже есть, этим занимается ОАО «Бийский котельный завод» и

научная группа МАИ «Промтеплоэнергетика».

Общие соображения по этому вопросу следующие:

осуществляется переделка ГРМ;

возможно, требуется изменение головки;

возможно, потребуется изменения в системе смазки;

возможны попадания как пара в картер, так и масла в пар.

Рассмотрим теперь, что из себя представляет путь создания

высокоэффективного ППД с нуля.

При соответствующем финансировании работ представляется

возможным создание ППД с высокими параметрами пара, обладающего

КПД 35-40%. Не исключено применение парогазового и бинарного цикла

работы двигателя, что обеспечит еще более высокий КПД, практически

до теоретического предела тепловой машины – 50%. Наиболее

перспективной здесь может оказаться схема с бесшатунным механизмом

преобразования движения С. С. Баландина. Эта схема позволяет решить

10

вопрос попадания воды в масло и масла в пар, при этом сделать ППД

компактным и двухстороннего действия.

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.

Список литературы

1. Мини-ТЭЦ с паровыми моторами – реальность XXI века

http://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=5200

2. Трохин И.С., Мини-теплоэлектроцентрали с паровыми моторами XXI века //

Новости теплоснабжения. 2012. № 11. С. 22-25.

3. Паровым машинам быть http://promteplo-mai.narod.ru/publications/steam_

engines_tobe.htm

http://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=5200http://promteplo-mai.narod.ru/publications/steam_engines_tobe.htmhttp://promteplo-mai.narod.ru/publications/steam_engines_tobe.htm

11

Газовое кондиционирование: газовые двигатели

Воеводин Д.И. (студ. гр. ТГВ-51),

руковод. Ямлеева Э.У. (к.т.н., доцент)

Простейшим решением проблемы роста нагрузки на электрическую

сеть, обусловленного работой холодильного оборудования, становится

применение аппаратуры, работающей на газе. Причем это никак не

сказывается на нагрузке газовых распределительных сетей. Напротив, такое

решение даже благотворно для сбалансированности потребления газа.

Не следует также забывать, что газовая аппаратура имеет целых

ряд других преимуществ. Если говорить об абсорбционных холодильных

агрегатах: в них не применяются синтетические хладагенты, этот факт

позволяет спокойно относиться к проблеме CFC и их заменителей. Эти

машины известны своей надежностью, бесшумностью, отсутствием

вибраций. В некоторых случаях они могут использовать

рекуперированное тепло двигателей внутреннего сгорания, сжигающих

установок и горячих промышленных выбросов.

Основная технология, которой можно воспользоваться для

производства холода с помощью газа, – это технология производства

механико-электрической энергии для приведения в действие

традиционных компрессионных машин. В этих целях используется

возвратно-поступательный двигатель внутреннего сгорания. Среди

систем внутреннего сгорания упоминания заслуживают газовые турбины.

Их мощность исчисляется многими сотнями кВт, что существенно

превышает масштаб оборудования, которому посвящен данный обзор.

Правда, в последнее время появились прототипы более скромных

турбин, мощностью в десятки кВт, называемых микротурбинами. И вот

они-то и могли бы составить определенную альтернативу возвратно-

поступательным двигателям.

Как бы там ни было (будь то возвратно-поступательный двигатель

или микротурбина), зачастую определяющим фактором в решении

вопроса, какой системе отдать предпочтение, является возможность

использования рекуперированной тепловой энергии, объемы которой

могут вдвое превышать объемы производимой механической энергии. В

летнем режиме ее можно использовать, скажем, для производства

холода с использованием теплоты. Правда, это потребует применения

абсорбционных машин либо иного оборудования, зачастую достаточно

12

«проблемного» как с технической точки зрения, так и в плане расходов на

обслуживание.

Еще одной альтернативой двигателям внутреннего сгорания

являются двигатели наружного сгорания. На уровне прототипов наиболее

изученным представляется двигатель Стерлинга. Его основные

преимущества: меньший уровень шумности и загрязнения, более

широкий выбор видов горючего и потенциально большая мощность. Хотя

следует признать, что и в этой области, и в столь же многообещающей

области топливных камер дело находится пока в стадии прототипов.

Как известно, топливные камеры обеспечивают непосредственное

превращение части энергии, содержащейся в топливе, в электрическую.

И в этом случае мы имеем достаточный объем утилизируемой тепловой

энергии.

Список литературы

1. [Электронный ресурс] Газовое кондиционирование: направление развития//

http://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=1395

2. [Электронный ресурс] Форум журнала сантехника, отопление, кондиционирование//

http://forum.c-o-k.ru/map.php?forum=42&news&start=70

http://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=1395http://forum.c-o-k.ru/map.php?forum=42&news&start=70

13

Системы комбинированной выработки теплоты

и электроэнергии

Корочкин И.С. (студ. гр. ТГВ-51),

руковод. Ямлеева Э.У. (к.т.н., доцент)

В системах комбинированной выработки теплоты и электроэнергии

(СНР) на одном и том же оборудовании вырабатывается как тепло, так и

электричество. СНР является высокоэффективным методом

использования источников первичной энергии.

Принцип работы СНР прост: при сгорании используемого топлива

(природный газ или топочный мазут) приводится в движение генератор

(рис. 1), который вырабатывает электричество. Выделяемая в процессе

работы тепловая энергия используется для отопления и горячего

водоснабжения. Такие установки намного более эффективны, чем

раздельные системы отопления и электроснабжения.

Рис. 1. Система комбинированной выработки теплоты и электроэнергии

14

Для регенерации энергии можно использовать целый ряд различных

двигателей: двигатели Отто и Стирлинга, топливные

элементы(устройства, которые превращают химическую энергию топлива

непосредственно в электрическую энергию в присутствии катализатора) и

другие современные двигатели, доступные на сегодняшний день.

Системы, производящие и тепло, и электроэнергию, доступны уже

давно. Новые разработки позволяют применять эту технологию для

жилых зданий с низким потреблением тепла. СНР могут удовлетворить

до 100% отопительной и до 80% электрической потребности зданий.

Использование этой технологии позволяет снизить потребление

топлива, сэкономить энергию и уменьшить вредные выбросы в

окружающую среду (выбросы С02 снижаются на 40%). В европейских

странах интерес к данной системе увеличивается с каждым годом.

Список литературы

1. Современные высокоэффетивные инженерные системы зданий // АВОК. 2012.

2. Overgaard, P. Woods, O. Riley Системы комбинированной выработки теплоты

и электроэнергии//АВОК. 2011. № 1.

15

Особенности конструкций отечественных современных

паровых турбин

Куприянов Е.Г. (студ. гр. ТГВбд-22),

руковод. Орлов М.Е. (к.т.н., доцент)

В настоящее время одним из ведущих производителей турбин в

России является Уральский турбомоторный завод ЗАО «УТЗ». Сегодня

по-прежнему актуальны вопросы, касающиеся разработки современного

оборудования, работающего в составе ПГУ с КПД выше 50%. ЗАО «УТЗ»

серьезно занимается вопросами разработки новых решений по паровым

турбинам для современных ПГУ мощностью от 90 до 900 МВт.

ЗАО «УТЗ» разработал и поставил теплофикационную паровую

турбину Т-53/67-8,0, которая работает в составе ПГУ-230 Минской ТЭЦ-3.

В состав ПГУ входит газовая турбина GT13E2 производства Alstom

номинальной мощностью 160МВт и котел-утилизатор (КУ) производства

Словакии. Турбина Т-53/67-8,0 представляет собой двухцилиндровый

агрегат, разработанный на базе серийной турбины Тп-115/125-130-1. В

конструкции турбины Т-53/67-8,0 реализованы как уже отработанные

решения, так и ряд принципиально новых, обусловленных, прежде всего

тем, что она проектировалась для работы в составе ПГУ.

Другой проект ЗАО «УТЗ» – это теплофикационная паровая турбина

Т-113/145-12,4 предназначенная для работы в составе ПГУ-410

Краснодарской ТЭЦ. Паровая турбина Т-113/145-12,4 представляет собой

трехцилиндровый агрегат, и отличается значительной новизной

конструкций цилиндров турбины, что обусловлено, прежде всего, тем, что

она проектировалась для работы в составе трехконтурной ПГУ, а также

высокими параметрами пара высокого давления (12,4 МПа, 563°С) и

промежуточным перегревом пара (3,0 МПа, 560°С).

В цилиндре высокого давления применено дроссельное

парораспределение. ЦВД выполнен двухкорпусным с прямоточной

схемой движения пара. Первые две ступени ЦВД расположены во

внутреннем корпусе. Остальные 9 ступеней в наружном. Наружный

корпус ЦВД выполнен на базе отливки турбины Т-110/120-130-5МО,

корпус которой отличается от серийных турбин типа Т-100/110-130 и

обладает повышенными характеристиками надежности и маневренности,

а также сниженной металлоемкостью. Пар из ЦВД направляется в котел-

утилизатор (КУ), где смешивается с паром контура среднего давления и,

16

пройдя пароперегреватель, поступает в цилиндр среднего давления

через два блока клапанов, которые унифицированы с блоками клапанов

ЦСД турбины Т-250. ЦСД выполнен двухкорпусным с петлевой схемой

течения пара в проточной части. В межкорпусное пространство подается

пар низкого давления из третьего контура КУ. На трубопроводе подвода

пара низкого давления установлены блоки клапанов.

Текущий проект ЗАО «УТЗ» представляет собой паровую

теплофикационную одноцилиндровую турбину для работы в составе ПГУ-

230 с газовой турбиной ГТЭ-160-4(7). Турбина имеет двухкорпусную

конструкцию с петлевой схемой движения пара в цилиндре. Внутренний

корпус цилиндра турбины литой конструкции. Наружный – лито-сварной.

Пар к турбине подводится от отдельно расположенного блока клапанов

(БК), состоящего из стопорного клапана с автозатвором и двух

регулирующих клапанов со своими сервомоторами. Проточная часть

турбины состоит из 21 ступени. Регулирование давления в камере отбора

на ПСГ-2 при двухступенчатом подогреве сетевой воды и давление в

отборе пара на ПСГ-1 при одноступенчатом подогреве сетевой воды

осуществляется регулирующей диафрагмой предпоследней ступени.

Подвод пара НД осуществляется к стопорно-регулирующему клапану

(СРК) НД, а затем в межкорпусное пространство.

Таким образом, современные конструкции отечественных паровых

турбин не уступают по своим техническим характеристикам зарубежным

аналогам и обеспечивают высокую энергетическую эффективность.

Список литературы

1. Современные паровые турбины ЗАО «УТЗ» для парогазовых

установок//http://energyland.info/analitic-show-69402

2. Моторин А.В. Паровые турбины: Учебное пособие: в 2-х т. Т.2/ Моторин А.В.,

Распопов И.В., Фурсов И.Д.; Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова.– Барнаул: Изд-

во АлтГТУ, 2004. 127 c.

http://energyland.info/analitic-show-69402http://energyland.info/analitic-show-69402http://energyland.info/analitic-show-69402http://energyland.info/analitic-show-69402

17

Паромашинная высокотемпературная мини-ТЭЦ

Митин Д.С. (студ. гр. ТГВд-41),

руковод. Шарапов В.И. (д.т.н., профессор)

Эффективным решением для производства электроэнергии

с использованием твердой биомассы является высокотемпературная

мини-ТЭЦ с паровыми поршневыми двигателями. Генерация

электроэнергии осуществляется с использованием для питания

последнего сильно перегретого водяного пара, температура которого

составляет 500-650 0С при давлении 3 – 6 МПа. Специалисты шведской

компании Energiprojekt AB разработали и наладили выпуск мини-ТЭЦ

с паровыми радиально-поршневыми двигателями, которые соединяются

с генераторами переменного тока напрямую – без редуктора

или мультипликатора.

У таких двигателей коленчатый вал располагается вертикально

и конструкция обладает существенными положительными качествами,

которые проявляются в снижении вибраций при работе. Отличаются они

и значительно большим пусковым крутящим моментом, чем у других

тепловых двигателей и турбин, а также крайне длительным сроком

эксплуатации. Зависимость удельного расхода пара и КПД от нагрузки

для двигателей этой компании носит почти постоянный характер.

Паровой поршневой двигатель способен выдерживать перегрузку

вплоть до 30 % сверх номинального значения. Значительные крутящие

моменты делают его лучшим двигателем для адаптации

к резкопеременным нагрузкам. Слабая же зависимость расхода пара

и КПД от нагрузки делает паровую машину Energiprojekt AB, в принципе,

очень перспективной для конденсационных мини-ТЭС, которые смогут

энергетически эффективно участвовать в регулировании электрической

частоты в локальных сетях. Электрическая мощность однодвигательно-

генераторного электроагрегата составляет 1 МВт. В составе мини-ТЭЦ

возможно применение и нескольких электроагрегатов.

Тепловая мощность энергоблока мини-ТЭЦ соответствует диапазону

от 2 до 12 МВт. Для выработки перегретого водяного пара используются

паровые котлы собственной разработки компании Energiprojekt AB

и ею же выпускаются.

Топка котла является очень важной частью всего котлоагрегата

и представляет собой конструкцию с несколькими зонами горения,

в каждой из которых расположены колосниковые решетки с водяным

18

охлаждением. КПД топки составляет 92-94 процента. Она адаптирована

для сжигания твердого топлива, главным образом – твердой биомассы:

древесной щепы переменного влагосодержания, отходов древесины,

древесной коры, отходов агропромышленных производств, торфа,

древесных пеллет (брикеты или гранулы), соломы, бумажных брикетов,

отдельных твердых бытовых отходов. Также могут использоваться

биотоплива различного состава в виде комбинации из перечисленных

выше. Топливо подается в топку по ленточному конвейеру из хранилища,

которое является частью главного здания мини-ТЭЦ. Для разгрузочных

работ используется крановое оборудование и грузовик с транспортером.

Допустимая влажность топлива может изменяться в пределах от 10 до 55

процентов, но процесс его сгорания характеризуется высокой

эффективностью, что делает топку одним из ключевых элементов,

обеспечивающим повышение КПД всей мини-ТЭЦ.

Процессы подачи и сгорания топлива в топке котла, а также

удаления из нее золы осуществляются в автоматическом режиме.

Топливо сжигается в две ступени. Сначала – при температуре ниже

5000С с целью предотвращения шлакования топки и достаточной

для образования летучих газов. Затем последние направляются

во вторую камеру топки, где происходит их горение при температуре уже

1050 0С. Количество кислорода, подаваемого в каждую из двух камер

топки котла, регулируется автоматически и таким образом, чтобы

достигались оптимальные значения температуры горения

для обеспечения высокого КПД и низких выбросов оксидов азота. Такой

двухступенчатый процесс обеспечивает практически полное «чистое»

сгорание топлива.

Уходящие из топки горячие газы проходят через несколько

теплообменников (водо– и воздухоподогревателей) и пароперегреватель.

Отработавшее тепло, получаемое в процессе выработки

электроэнергии на паромашинной мини-ТЭЦ, может использоваться

на промышленные нужды при реализации технологических процессов

(например, сушка древесины для пиломатериалов, процессы в пищевой

промышленности) или подаваться в систему централизованного

теплоснабжения потребителей.

Таким образом, разработки шведских специалистов в области

паровых поршневых мини-ТЭЦ наглядно демонстрируют возможность

инновационного возрождения паровых машин, давно забытых

в традиционной энергетике. Эти двигатели работают на мини-ТЭЦ

с однократным расширением пара и весьма высоким КПД. У классических

19

паровых машин повышение КПД достигалось, в частности,

при многократном расширении пара (обычно в две, три или даже четыре

ступени). Российским энергетикам имеет смысл присмотреться к данному

классу тепловых двигателей для мини-ТЭЦ.

Список литературы

1. Трохин И. Паромашинная высокотемпературная мини-ТЭЦ на биомассе в действии

2. Энергетика и промышленность России. 2011. №8 (172).

3. Паромашинная высокотемпературная мини-ТЭЦ на биомассе в действии//

http://www.eprussia.ru/epr/210/14562.htm

20

Анализ использования профилированных отверстий

перфорации для повышения качества пленочного

охлаждения спинки сопловых лопаток турбин

Хамидуллов Д.Р. (студ. гр. ТГВбд-22),

руковод. Орлов М.Е. (к.т.н., доцент)

Одним из важнейших условий обеспечения конкурентоспособности

газотурбинных двигателей (ГТД) является давнейшее повышение

ресурса, надежности и топливной экономичности. Для перспективных

ГТД наибольшие проблемы может вызывать надежное охлаждение

сопловых лопаток (СЛ) первой ступени турбины высокого давления в

области входной и выходной кромки, спинки, передней части верхней и

нижней полок. Одной из зон, где достаточно сложно организовать

надежное охлаждение, является лопатки. Профиль спинки становится

более изогнутым, растет скорость газа на спинке, увеличивается перепад

давлений между воздухом, охлаждающим лопатку, и газом, омывающим

ее, все это может привести к ее выпучиванию, трещинам и прогарам. Для

решения данной проблемы применяются профилированные отверстия

перфорации. Объектом исследования являлась 3-х полостная СЛ первой

ступени турбины высокого давления (ТВД) перспективного ГТД. Лопатка

имеет конвективно-пленочную систему охлаждения, которая

организована за счет трех дефлекторов. Воздух из дефлекторов

поступает в пристеночные полости лопатки через ряды отверстий.

Подвод воздуха в первую полость осуществляется сверху, а во вторую и

третью – снизу. Вторая и третья полости имеют внутри продольные

ребра для интенсификации конвективного теплообмена и повышения

жесткости спинки. Первая полость лопатки разделена вертикальными

перемычками еще на две полости высокого и низкого давления. Это

обеспечивает оптимальные параметры выдува.

Для определения теплового состояния СЛ с цилиндрическими и

профилированными отверстиями перфорации на спинке необходимо

решить сопряженную задачу газодинамики и теплообмена.

В программном пакете трехмерного моделирования были построены

геометрические модели СЛ и расчетные области течения. На основе

геометрических моделей были созданы трехмерные конечно-элементные

сетки. На границе металла лопатки и воздуха задано условие равенства

входящих и выходящих тепловых потоков. В уравнение для полной

21

энергии включен учет работы сил трения. В качестве рабочей среды

выбраны свойства газа на выходе из камеры сгорания (КС). В качестве

охлаждающего воздуха использована модель идеального газа.

Для обеспечения надежного охлаждения спинки лопатки был

проведен ряд исcледований применения профилированных отверстий на

сопловых лопатках турбин двигателей 4-го и 5-го поколений с помощью

трехмерных моделей. При использовании веерных отверстий

перфорации по сравнению с цилиндрическими отверстиями при

параметре выдува М=0,8...1,5 эффективность пленочного охлаждения

увеличилась незначительно на расстоянии до 30 диаметров отверстий

перфорации. В то же время, с ростом параметра выдува М от 1,5 и выше,

средняя эффективность пленочного охлаждения спинки для веерных

отверстий перфорации увеличивается гораздо сильнее, нежели для

цилиндрических отверстий. Наибольшие опасения при использовании

«веерных» отверстий перфорации вызывает рост тепловых напряжений,

связанный с более сложной формой «веерных» отверстий и

уменьшением толщины стенки в месте выдува.

Внедрение методик, решающих задачу получения теплового

состояния деталей турбин ГТД сопряжением задач газодинамики и

теплообмена, в практику проектирования позволит существенно

улучшить уровень проектирования, увеличить эффективность

охлаждения при сокращении расхода охлаждающего воздуха, проводить

комплексный учет влияния различных факторов на аэродинамику и

тепловое состояние деталей турбин в едином программно-

вычислительном комплексе.

Список литературы

1. Сендюрев С. И., Тихонов А. С. Разработка и анализ эффективности конструктивных

решений по улучшению качества охлаждения сопловой лопатки турбины //

Газотурбинные технологии. 2010.№ 10. С. 12–16.

2. Иноземцев А. А., Тихонов А. С., Сендюрев С. И., Самохвалов Н. Ю.

Совершенствование охлаждения лопаток турбин методами численного

моделирования // Теплоэнергетика. 2013. №2. С. 16-22.

22

Газопоршневые электростанции

Шабанов И.С. (студ. гр. ТГВд-42),

руковод. Орлов М.Е. (к.т.н., доцент)

Электростанция на базе двигателя внутреннего сгорания

представляет собой энергетическую установку, состоящую из двигателя,

генератора, вырабатывающего электроэнергию, щита управления и

контроля, а также распределительного устройства, которое может

размещаться в диспетчерском помещении. Электростанции могут

работать на бензине, дизельном топливе, природном, попутном и

биологическом газе. Кроме того, могут использоваться низкокалорийные

газы, содержащие метан. Например, газ мусорных свалок, шахтный газ. В

зависимости от режима работы, электростанции подразделяются на

основные и резервные. Основные электростанции обеспечивают объект

электроэнергией непрерывно. Резервные электростанции запускаются в

аварийной ситуации, например, при перебоях с основным

электропитанием. Для автономного энергоснабжения объектов

применяются как дизельные, так и газовые электростанции. Дизельное

топливо достаточно дорого, поэтому дизельные электростанции

используются для постоянного энергоснабжения объектов только в тех

случаях, когда к объекту невозможно подвести линию электропередачи

или газопровод (например, в Якутии или в горных районах Северного

Кавказа). Гораздо чаще дизельные электростанции используют в

качестве резервных.

Автономные газовые электростанции используются для постоянного

энергоснабжения объектов. Их применение экономически выгодно даже в

тех случаях, когда есть возможность подключить объект к внешней сети.

Во-первых, на этапе строительства объекта отпадает необходимость

прокладывать электрический кабель и строить новые трансформаторные

подстанции (газопровод на серьезный объект подводится в любом

случае). Кроме того, не требуется подводить теплотрассы, строить новые

и реконструировать старые котельные. Во-вторых, на этапе эксплуатации

объекта себестоимость автономного производства электроэнергии в два-

три раза дешевле тарифов местных энергетических компаний. Это

позволяет ежегодно экономить миллионы рублей.

В результате газовая электростанция окупается за два-три года

эксплуатации. С учетом значительного снижения затрат на подключение

объекта к электрическим и тепловым сетям срок окупаемости может быть

23

и менее одного года. На сегодняшний день газовые электростанции в

чистом виде не используются, поскольку это ведет к огромным потерям

тепловой энергии. Современное оборудование позволяет утилизировать

теплоту, выделяющуюся при производстве электроэнергии. Эта теплота

используется для отопления, горячего энергоснабжения или в

технологических целях. Процесс одновременного производства

электроэнергии и теплоты называется «когенерацией». Электростанции,

оборудованные системой теплообменников для утилизации теплоты,

называют когенерационными установками или мини-ТЭЦ.

Эффективность использования топливных ресурсов в когенерационных

установках на 30-40 % выше, чем при раздельном производстве

электроэнергии и теплоты.

В зависимости от типа двигателя газовые когенерационные

установки подразделяются на газотурбинные или газопоршневые.

В газотурбинной установке (ГТУ) в качестве двигателя используется

газовая турбина. В газопоршневых установках (ГПУ) используют

специальные поршневые двигатели, работающие на природном газе.

Обычно эти двигатели разрабатываются на базе транспортных дизелей

(автомобильных, тракторных, локомотивных, судовых). Иногда ГПУ

называют «газопоршневыми агрегатами» (ГПА), но чаще используется

термин «газопоршневая мини-ТЭЦ». Газопоршневые мини-ТЭЦ

предназначены для автономного энергоснабжения объектов с целью

значительного снижения затрат на электроэнергию и тепло. Обычный

срок окупаемости газопоршневой мини-ТЭЦ – 2-3 года (зависит от

конкретных условий на объекте). Примерная стоимость оборудования за

1 кВт электрической установленной мощности – 600-1500 евро. На

мощностях до 12–16 МВт газопоршневые мини-ТЭЦ экономически более

эффективны, чем газотурбинные установки аналогичной мощности.

Факторы экономической эффективности газопоршневых мини-ТЭЦ:

Относительно небольшая себестоимость автономного производства

электроэнергии. Природный газ в России достаточно дешев, а

газопоршневые мини-ТЭЦ имеют высокий электрический КПД (35-42%).

Поэтому себестоимость автономного производства электроэнергии в 2-3

раза дешевле, чем тарифы местных энергетических компаний.

Снижение затрат на коммуникации. При строительстве новых

объектов отпадает необходимость платить за подключение к внешней

электрической сети и прокладывать теплотрассу. Для старых объектов

отпадает необходимость в постоянном ремонте имеющихся теплотрасс.

24

Использование теплоты. В когенерационных установках

утилизируется теплота, выделяющаяся при производстве

электроэнергии. Тепловой КПД газопоршневых мини-ТЭЦ составляет

47-52%. Эта теплота может быть использована в технологических целях

(в том числе и в виде пара), на отопление и горячее водоснабжение.

Кроме того, теплота может быть абсорбирована с целью получения

охлажденной воды.

Современные мини-ТЭЦ удовлетворяют всем экологическим

нормам, поскольку природный газ является самым чистым видом

топлива. Количество теплоты, вырабатываемой газопоршневой мини-

ТЭЦ, зависит от электрической нагрузки. При снижении электрической

нагрузки (например, ночью) снижается и объем утилизируемой теплоты.

Поэтому газопоршневая мини-ТЭЦ не всегда полностью обеспечивает

тепловую нагрузку объекта. В этой ситуации пиковые тепловые нагрузки

покрываются за счет установленного на объекте газового водогрейного

котла.

Список литературы

1. Зикманн Э. Газопоршневые мини-ТЭС // Газ России. 2011. №4. С. 14-16.

2. Дудышев В. Газопоршневые электростанции // http://aerkom.ru/minites.

25

Современные технологические решения при разработке

топочно-горелочных устройств

Албутов А. (студ. гр. ТГВд-31),

руковод. Шарапов В.И. (д.т.н., профессор)

Использование технологии сжигания топлива, основанной на

газодинамической схеме, предусматривающей поперечную подачу горючего в

сносящий поток окислителя перед вихреобразователем в виде ниш (струйно-

нишевая система).

В струйно-нишевой системе в широких пределах изменения режимных

факторов (скорость газа, скорость воздуха, давление, температура)

реализуются устойчивые и легкоуправляемые вихревые структуры с высокой

интенсивностью турбулентности потоков горючего и окислителя, а также зоны

обратных токов, обеспечивающие качественное смесеобразование с

необходимым уровнем горючей концентрации и надежную аэродинамическую

стабилизацию горения. Объем вихрей на несколько порядков меньше, чем у

традиционных вихревых ГУ, поэтому их влияние на пульсации в топке котла, а

также эрозионное влияние на амбразуру и другие элементы котла

относительно мало. Малый объем вихрей позволяет проводить пуск и

эксплуатацию ГУ с малым расходом газа, что обеспечивает безопасность пуска.

Улучшение смесительных свойств ГУ повышает надежность работы при

предельно малых коэффициентах избытка воздуха и, следовательно, при

повышенных значениях средней температуры факела в топке.

Все вышеописанные преимущества струйно-нишевой системы, позволяют

увеличить тепловосприятие радиационной части и приводят к снижению

температуры уходящих газов, т.к. количество тепла, переданное радиационным

излучением в топке, пропорционально температуре факела в четвертой

степени. Повышение среднего уровня температуры, ее равномерность в топке

котла, вследствие оптимального смесеобразования, сопровождается

значительным уменьшением неравномерности тепловых потоков, и таким

образом приводит к повышению надежности работы котла в целом.

Упорядоченная структура течения горючего и окислителя в ГУ со струйно-

нишевой системой обеспечивает самоохлаждение элементов ГУ за счет

теплообменных процессов при подогреве воздуха и газа. Одной из

особенностей струйно-нишевой системы является малое гидравлическое

сопротивление по трактам горючего и окислителя, что позволяет значительно

снизить давление газа и воздуха при эксплуатации ГУ. Все это позволяет

данной технологии сжигания оптимально вписаться в сложную

аэротермохимическую схему огнетехнического объекта.

26

Срок окупаемости такой модернизации, только за счет экономии топлива,

не превысит одного года эксплуатации. При этом имеет место значительная

экономия электроэнергии, существенное увеличение межремонтного периода

работы объектов, повышение уровня безопасности.

Повышение интенсивности сжигания топлива и расширение диапазона

регулирования тепловой мощности. Результатом является повышение

эффективности сжигания топлива и снижение электропотребления за счет

улучшения перемешивания топливно-воздушной смеси в камере сгорания и

уменьшения гидравлического сопротивления тракта подачи воздуха в камеру

сгорания.

В известном вихревом горелочном устройстве, содержащем камеру

сгорания и жаровую трубу, ограниченные периферийными цилиндрическими

стенками, сопряженные торцами и разделенные между собой стабилизатором

горения топливно-воздушной смеси, в камере сгорания концентрично

периферийной цилиндрической стенке установлен стакан с торцовым фланцем,

ограничивающим камеру сгорания, с радиальными отверстиями по периметру и

отверстием в дне, сообщающими систему подачи сжатого воздуха с камерой

сгорания, испаритель, установленный с внутренней стороны стенки камеры

сгорания, в которых выполнено отверстие для факела розжига топливно-

воздушной смеси в камере сгорания, и гильзу с запальной свечой и

испарителем, установленным коаксиально с внутренней стороной стенки

гильзы, сопряженной с трубопроводом подачи топлива, в которой выполнено

отверстие для подачи воздуха. Согласно предложенному техническому

решению перед открытым торцом стакана установлен центробежный

компрессор для нагнетания воздуха через стакан в камеру сгорания и в полость

гильзы, причем ось вращения лопаточного колеса компрессора совмещена с

продольной осью стакана; для чего корпус компрессора закреплен на

цилиндрической стенке камеры сгорания, на котором за лопаточным колесом

установлен фланец с радиальными отверстиями для забора воздуха с

установленным на нем электродвигателем привода вращения лопаточного

колеса. При этом гильза с запальной свечой установлена в корпусе

компрессора напротив отверстия для факела розжига топливно-воздушной

смеси, а испаритель камеры сгорания выполнен с угловым переходом на всей

площади фланца со стороны камеры сгорания коаксиально с внутренней

стороной цилиндрической стенки на длине стакана и сопряжен через отверстие

с испарителем в гильзе с запальной свечой. Радиальные отверстия стакана

выполнены в два и более рядов и тангенциально направлены в камеру

сгорания; на внутренней стенке гильзы со стороны ее торца, сопряженного с

периферийной цилиндрической стенкой камеры сгорания, выполнен уступ,

образующий с испарителем круговую полость, сообщающуюся с трубопроводом

подачи топлива; на внутренней стенке гильзы со стороны ее торца,

сопряженного с периферийной цилиндрической стенкой камеры сгорания,

27

выполнен уступ, образующий с испарителем круговую полость, сообщающуюся

с трубопроводом подачи топлива.

Оснащение модуляционной горелки системой частотного регулирования.

Известно, что бόльшую часть времени отопительные котлы (а значит – и

горелки) работают на сниженной нагрузке. Уменьшение расхода топлива на

таких нагрузках у большинства современных горелок сопровождается

пропорциональным снижением расхода воздуха, которое достигается

поворотом заслонки, то есть дросселированием воздушного потока. В

результате, при сниженной нагрузке дутьевой вентилятор расходует почти то

же количество электроэнергии, что и при номинальной.

Частотный преобразователь снижает обороты вентилятора в зависимости

от мощности горелки, поддерживая тем самым заданное соотношение

«топливо–воздух» без дросселирования потока воздуха. Если мощность

горелки составляет 3 МВт, то привод вентилятора должен иметь мощность 5,5

кВт. При снижении нагрузки котла до 60 % номинальной двигатель обычной

горелки будет нести нагрузку примерно 5 кВт, а двигатель с частотным

регулированием числа оборотов – только 2 кВт. Если же нагрузка котла

снизится до 20 % номинальной, то вентилятор с частотным регулированием

будет потреблять мощность всего 0,75 кВт. С учетом общего времени работы

котла на сниженных нагрузках годовая экономия электроэнергии может

оказаться весьма существенной.

Список литературы 1. Промышленные и отопительные котельные и мини-ТЭЦ. №1 (6). 2011.

2. Новости теплоснабжения. № 10 (146). 2012.

3. Портал «Энергоэффективная Россия» http://energosber.info

http://energosber.info/

28

Котлы для сжигания измельченных

растительных отходов

Быкова Т.А. (студ. гр. ТГВд-41),

руковод. Шарапов В.И. (д.т.н., профессор)

Сейчас все более явно прослеживается тенденция осознания

руководителями реальных путей преодоления кризиса энергоснабжения,

наполовину обусловленного неэффективным, расточительным

использованием топливных ресурсов и пренебрежением собственными

резервами. Использование лузги, отходов переработки зерна, древесных

и других горючих отходов позволяет решить и снять остроту

экономических вопросов многих промышленных предприятий и

значительно снизить себестоимость энергии.

Согласно обследованиям, имеющиеся типовые котлы не

приспособлены для сжигания лузги, измельченных растительных и

других горючих отходов. Например, реконструированные на сжигание

лузги подсолнечника котлы выходят из строя, т.к. котельный пучок и

экономайзер быстро забиваются прочными отложениями золы. Так,

например, существенные отложения