Твердые бытовые отходы. Утилизация и переработка бытовых отходов. Вторичное сырье. - "Паромашинная высокотемпературная мини-ТЭЦ на биомассе в действии"

"Паромашинная высокотемпературная мини-ТЭЦ на биомассе в действии"

Иван Трохин, аналитик техники паровых машин

Возможно ли построить мини-ТЭЦ на водяном паре, первичным двигателем которой будет служить паровая машина, работающая при температуре более 500 оС? А сжигать древесные отходы с КПД почти 90 процентов? Ответы на эти вопросы воплотили в металле шведские разработчики оригинальной мини-ТЭЦ на твердой биомассе.

Наиболее 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 оС при давлении 3‑6 МПа (30‑60 атмосфер). Специалисты шведской компании Energiprojekt AB разработали и наладили выпуск таких мини-ТЭЦ «под ключ» 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. Смазочное масло не попадает в систему выхлопа отработавшего пара. 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 Energiprojekt AB носит почти постоянный характер, то есть эти параметры очень слабо изменяются при отклонении нагрузки от номинальной. Например, при сравнении удельного расхода пара на выработку электроэнергии паросиловой установкой с таким двигателем и турбиной Кертиса получаются следующие результаты:

• при работе со 100‑процентной электрической нагрузкой, равной 100 кВт, в паровой машине Energiprojekt AB расходуется около 7,5 кг/(кВт-ч) пара, а турбина потребляет 11‑12 кг/(кВт-ч) пара;
• в режимах 30- и 5‑процентной нагрузок расход пара у этой машины практически не изменяется (!), в то время как для турбины он значительно повышается до значений соответственно 14 и 22,5‑23 кг/(кВт-ч).

Паровой поршневой двигатель Energiprojekt AB 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 500 кВт или 1 МВт. В составе мини-ТЭЦ возможно применение и нескольких электроагрегатов.

Когенерационный паровой поршневой двигатель может работать не только на водяном паре, но и на углекислом газе. Последний является в таком случае рабочим телом расширения. Радиально-поршневые двигатели (точнее, даже моторы) Energiprojekt AB с горизонтальным звездообразным расположением цилиндров работают при номинальной частоте вращения коленчатого вала 1 000 об/мин, с однократным расширением пара. Конструкция является пятицилиндровой. Поршни соединены с одним кривошипом, изготовить который гораздо проще и дешевле, чем более длинный обычный кривошип для поршневого двигателя с рядным расположением цилиндров.

При работе на водяном сильноперегретом паре высоких параметров такие двигатели имеют КПД на уровне 30‑35 процентов. В номинальном режиме работы давление поступающего на вход двигателя пара составляет около 3 МПа (30 атмосфер), а температура – 500 оС. При этом отношение вырабатываемой электрической мощности к тепловой мощности парового выхлопа температурой порядка 100 оС соответствует 1/3. Поскольку двигатель работает в когенерационном цикле, то очевидно, что на его выходе абсолютное противодавление пара должно быть, по крайней мере, не меньше одной атмосферы (0,1 МПа). Поэтому показатели КПД и удельного расхода пара на выработку электроэнергии, равного 5‑6 кг/(кВт-ч), можно считать весьма неплохими, если сравнивать с энергоблоками крупных ТЭЦ и даже конденсационных паротурбинных тепловых электростанций.

Паровые моторы Energiprojekt AB менее затратны в производстве, чем паровые турбины. Их легче эксплуатировать, а для обслуживания от персонала требуется небольшой набор технических знаний из‑за простоты конструкции, по сравнению с турбинами и даже дизельными двигателями. Паровые машины в принципе не имеют системы топливоподачи, а шведские – еще и системы охлаждения! Отсутствие последней обусловлено работой при низких частотах вращения коленчатого вала, что снижает износ подвижных частей в таких двигателях, в отличие от турбин. Топливо в паровых машинах не сгорает, как в дизельных двигателях, поэтому износ от динамических ударных нагрузок для отдельных деталей и узлов исключен и ресурс оказывается даже выше, чем у двигателей внутреннего сгорания.

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. Они имеют модульную компоновку и могут создаваться в соответствии с директивами Евросоюза или стандартами Американского общества инженеров-механиков.

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 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 500 оС 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 оС. 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. Схема включения паромоторного электроагрегата высокотемпературной мини-ТЭЦ в ее тепловую часть можно представить, например, как показано на рисунке.

Поток высокотемпературного пара ПВП подается от котлоагрегата в паропоршневой мотор ПМ, который приводит в действие генератор электроэнергии ГЭ. Электроагрегат функционирует по сигналам от автоматизированной системы управления ССУ. Отработавший в ПМ пар принципиально возможно использовать в паровом охлаждающем абсорбционном чиллере или пароводяном нагревательном устройстве ОНУ для охлаждения или нагрева воды, которая затем может направляться потребителям на нужды отопления и горячего водоснабжения.

Помимо параллельной работы мини-ТЭЦ с централизованной электрической сетью, в сущности, возможен вариант ее автономной работы (изолированная от внешней электрической сети мини-ТЭЦ). Только нужно учитывать требования соответствующих стандартов и реальные запросы потребителей. Так, современное коммуникационное и компьютеризированное оборудование в промышленности и быту зачастую требует более точной стабилизации частоты электрического тока, чем может обеспечить тепловой двигатель автономного электроагрегата. Тогда электрическую часть мини-ТЭЦ (см. рисунок) необходимо дополнить блоком высокоточной стабилизации электрической частоты. Последний строится на базе выпрямителя ВН и инвертора ИН напряжения, может комплектоваться блоком аккумуляторов БА как резервным накопителем электроэнергии. Устройство на базе ВН, ИН и БА образует источник бесперебойного питания ИБП. На рисунке пунктирной линией показана резервная электрическая цепь с ИБП для варианта с многодвигательно-генераторным электроагрегатом. Включение мини-ТЭЦ в децентрализованную или централизованную электрическую сеть может осуществляться, при необходимости, через соответствующее трансформаторное оборудование.

За рубежом проекты рассмотренной мини-ТЭЦ уже успешно реализовываются. Например, в Эфиопии на территории Тиро Ботор (Ботар) Бечо региона Кефа паросиловая мини-электростанция лесопильного завода была сдана в эксплуатацию в 1987 году и с тех пор успешно работает. Ее тепловая мощность – порядка 7 МВт. Паровой поршневой двигатель Energiprojekt AB имеет электрическую мощность 500 кВт (по другим данным 1 МВт). В качестве топлива используются отходы лесораспиловки (лесопильная «пыль», ветки). А в Республике Гвинея-Биссау (Западная Африка) на фанерной фабрике работает паромашинная поршневая электростанция тепловой мощностью 6 МВт. Суммарная электрическая мощность нескольких электроагрегатов составляет 1,5 МВт. Топливом служат отходы фанерного производства и лесораспиловки, древесная кора.

Таким образом, разработки шведских специалистов в области паровых поршневых мини-ТЭЦ наглядно демонстрируют возможность инновационного возрождения паровых машин, давно забытых в традиционной энергетике. Причем еще раз стоит заметить и особо подчеркнуть, что эти двигатели работают на мини-ТЭЦ с однократным расширением пара и весьма высоким КПД. У классических паровых машин повышение КПД достигалось, в частности, при многократном расширении пара (обычно в две, три или даже четыре ступени). Поэтому российским энергетикам имеет смысл присмотреться к данному классу тепловых двигателей для мини-ТЭЦ. Стоит вспомнить отечественные проекты паровых моторов, разрабатывавшихся еще в Советском Союзе для судовых энергоустановок.

Источник: eprussia.ru

Статьи журнала "Твердые бытовые отходы"

Инвентаризация отходов: практические советы Рассмотрим последовательно все этапы инвентаризации образующихся на предприятии отходов производст...	Концепция РОП: долгожданное утверждение С тех пор как Минприроды России в докладе Президенту РФ сообщило о неэффективной работе введенного...
Тенденции на рынке вторичных ресурсов в 2024 году Рынок вторичных материальных ресурсов (ВМР) динамично развивается, хотя на него, безусловно, влияют ...	Органика в ТКО: с чем имеем дело? В прошлой статье цикла мы разбирались, из каких веществ состоит органика в ТКО. Мы остановились на...
Корейские отходы: акцент на население Зачастую нам кажется, что Южная Корея и Япония очень похожи: мировое лидерство в производстве качест...	Мифы и факты о РОП в России По мере оживления дискуссии о совершенствовании системы расширенной ответственности производителя ...
Расходы на оплату труда в тарифах на обращение с ТКО Современное нормирование труда в отрасли обращения с отходами вызывает определенные вопросы, а пос...	Загрязнитель платит: кто и сколько? В послании главы государства Федеральному собранию особое внимание было уделено необходимости п...

Настоящим, в соответствии с Федеральным законом № 152-ФЗ «О персональных данных» от 27.07.2006 года, Вы подтверждаете свое согласие на обработку компанией ООО «Концепция связи XXI век» персональных данных: сбор, систематизацию, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), использование, передачу в целях продвижения товаров, работ, услуг на рынке путем осуществления прямых контактов с помощью средств связи, продажи продуктов и услуг на Ваше имя, блокирование, обезличивание, уничтожение.

Компания ООО «Концепция связи XXI век» гарантирует конфиденциальность получаемой информации. Обработка персональных данных осуществляется в целях эффективного исполнения заказов, договоров и иных обязательств, принятых компанией в качестве обязательных к исполнению.

В случае необходимости предоставления Ваших персональных данных правообладателю, дистрибьютору или реселлеру программного обеспечения в целях регистрации программного обеспечения на Ваше имя, Вы даёте согласие на передачу своих персональных данных.

Компания ООО «Концепция связи XXI век» гарантирует, что правообладатель, дистрибьютор или реселлер программного обеспечения осуществляет защиту персональных данных на условиях, аналогичных изложенным в Политике конфиденциальности персональных данных.

Настоящее согласие распространяется на следующие персональные данные: фамилия, имя и отчество, место работы, должность, адрес электронной почты, почтовый адрес доставки заказов, контактный телефон, платёжные реквизиты. Срок действия согласия является неограниченным. Вы можете в любой момент отозвать настоящее согласие, направив письменное уведомление на адрес: podpiska@vedomost.ru с пометкой «Отзыв согласия на обработку персональных данных».

Обращаем Ваше внимание, что отзыв согласия на обработку персональных данных влечёт за собой удаление Вашей учётной записи с соответствующего Интернет-сайта и/или уничтожение записей, содержащих Ваши персональные данные, в системах обработки персональных данных компании ООО «Концепция связи XXI век», что может сделать невозможным для Вас пользование ее интернет-сервисами.

Давая согласие на обработку персональных данных, Вы гарантируете, что представленная Вами информация является полной, точной и достоверной, а также что при представлении информации не нарушаются действующее законодательство Российской Федерации, законные права и интересы третьих лиц. Вы подтверждаете, что вся предоставленная информация заполнена Вами в отношении себя лично.

Настоящее согласие действует в течение всего периода хранения персональных данных, если иное не предусмотрено законодательством Российской Федерации.

Принимаю условия соглашения

"Паромашинная высокотемпературная мини-ТЭЦ на биомассе в действии"

Еще по теме "Древесные брикеты"