Паровым машинам быть.

 

Титов Д.П., Дубинин В.С., Лаврухин К.М. инженеры.

Московский авиационный институт (государственный технический университет),

научная группа «Промтеплоэнергетика».

Факс 158-29-77 (указать: КТТМ Дубинину).  

 

Мы искренне рады тому, что появляется и нарастает интерес к автономной выработке электрической энергии в мини ТЭЦ и на существующих котельных, с помощью поршневых технологий. Это видно из публикаций в журнале «Промышленная энергетика»: «Паровая машина – это актуально!» В.А. Жигалов (2003 г. №7), «К вопросу о применении паровых машин В.Г. Некрасов (2004, №7), «Руководство к использованию поршневых паровых машин» В.А. Жигалов (2005 №6). Все эти публикации справедливо защищают паровые машины и закономерно определяют область их применения – автономная (локальная) выработка электрической энергии.

Действительно паровая машина – это один из первых тепловых двигателей получивший широкое промышленное применение и до начала 20 века почти вся энергия, используемая человеком производилась с помощью этого двигателя. Затем с появлением паровых турбин и увеличением мощности основную долю электроэнергии стали вырабатывать на паротурбинных электростанциях. Но паровую машину продолжали использовать как на транспорте, водный и железнодорожный и даже авто, так и в энергетике, малые паровые электростанции, локомобили. И только централизованное электроснабжение, с дешевой сетевой электроэнергией, и дешевые нефтепродукты сделали паровые машины невостребованными в народном хозяйстве.

Сейчас электроэнергия не является дешевой, да и надёжность централизованного энергообеспечения оставляет желать лучшего, что подтверждается множественными отключениями не только в глубинке, но и даже в Москве и Московской области (энергоавария 25 мая 2005 г.). В связи с этим со всё большей остротой встаёт вопрос об автономном (локальном) энергоснабжении.

В данный момент отечественная промышленность и многочисленные зарубежные фирмы предлагают широкий спектр оборудования на базе газопоршневых двигателей. Которые справедливо могут занять свою нишу в энергетике центральных газифицированных районах России, регионах, где имеются в большом количестве природный и попутные нефтяные газы. Применение генераторного и биогазов как это практикуется в США и Европе в России широкого распространения не получили из-за громоздкости и дороговизны оборудования.

Вообще говоря, современный газопоршневой двигатель это хороший агрегат с высоким электрическим КПД, порядка 0,35, а применение котлов утилизаторов и использование тепла системы охлаждения позволяют получить коэффициент использования теплоты сгорания топлива (КИТСТ) порядка 0,7, что и обуславливает высокую эффективность этого оборудования и низкие сроки окупаемости, не более 3-х лет. Но имеется ряд причин, по которым использование этого оборудования затруднено:

·        Сложность с подключением к газовым сетям нового газоиспользующего оборудования;

·        Высокая стоимость оборудования;

·        Некоторые затруднения с применением этого оборудования там, где нужно много тепла и мало электричества (котельные, некоторые производства), так как газопоршневой двигатель имеет фиксированный КПД и с уменьшением мощности тепловая мощность этого двигателя также падает;

·        Отсутствие газа, при наличие большого количества твёрдого топлива (отходы древесины, уголь, мусор, отходы сельского хозяйства).

На фоне всего этого очень привлекательным становится использовать паровые машины. Особенностью паровых машин по сравнению с газопоршневыми двигателями является то, что при несколько меньшем электрическим КПД, порядка 0,2 можно получить КИТСТ порядка 0,9, причём электрическая мощность при соответствующем регулировании машины не зависит от тепловой. К  тому же при использовании паровой машины появляется возможность использовать различное топливо.

Как было отмечено в вышеупомянутых статьях, нашей промышленностью выпускаются паровые котлы малой мощности с топками для различных видов топлива, выпускаются так же генераторы и теплообменная аппаратура, то есть не хватает только паровой машины. В настоящее время отечественной промышленностью паровые машины не выпускаются, хотя есть сообщения, что за рубежом их выпуск освоен, но  предложение осуществляется по очень высокой цене.

Таким образом, перед нами стоит задача создать современный паропоршневой двигатель (ППД). Под ППД предлагаем понимать высокооборотную (n>1000 об/мин) паровую машину, обладающую высокими эксплуатационными свойствами.

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.

Рассмотрим более подробно переделку существующих ДВС.

Существует ряд задач при решении которых от ППД не будет требоваться высокого значения КПД, как было указано выше, это работа такого двигателя на котельных (привод вспомогательного оборудования) и на некоторых производствах, где нужно много тепла, а механическая (электрическая) энергия потребляется в незначительных количествах. Это предприятия пищевой промышленности, и те деревообрабатывающие предприятия, где сушка древесины осуществляется паром. Если рассматривать использование электрической/механической энергии только внутри котельной, то отношение электрической энергии к тепловой очень низкое, что делает использование в газовых котельных паропоршневых установок предпочтительным по сравнению с газопоршневыми двигателями (в котельных твёрдого топлива им нет альтернативы). Более того, для сохранения режима работы существующих бойлеров горячей воды целесообразно отнимать у пара тот минимум энтальпии которая необходима для производства электрической/механической энергии. То есть надо вводить понятие потребного электрического/механического КПД паросиловой установки: отношение электрической/механической энергии потребляемой котельной к отдаваемой котельной тепловой мощности.

В 2000 г были обследованы котельные Щелковской теплосети (Московская область) имеющие паровые котлы для определения мощности и потребного КПД паросиловых установок, результаты сведены в таблице №2.

Таблица №1.

Котельные Щелковской теплосети М.О., имеющие паровые котлы.

 

Намено-вание котель-ной	Назва-ние населён-ного пункта	Электро- энергия за декадрь 2000 г., кВтчас	Месячный расход электро-энергии по К. Ф. Родатису	Средняя электр. мощность за декабрь 2000 г. кВт	Марка котлов	Кол-во котлов	Топливо	Установ-ленная тепловая мощность Гкал/час	Присое-динён-ная тепло- вая мощ-ность (при -26˚С) Гкал/час	Потреб-ный КПД ПСУ при -26˚С %
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
Воро-нок	г. Щелково	339733	262483 (226027)	456,63	ДКВР-10-1313	5	Газ	7,25=36	31	1,27
		+25000суб		33,60
Котель-ная м-рна «Зареч-ный»	м-рна «Зареч-ный» г. Щелково	443450	403307 (437352)	596,03	ДКВР- 10-13	3	Газ	61,6	66,8	2,37
					КВГМ- 20	2
№9	Фряново	57944	87744 (437352)	77,88	ДКВР- 6,5-13	2	Газ	24,68= 9,36	3,5	1,92
РТП		77800	44997 (24123)	104,57	ДКВР- 4-13	2		3,6	1,93	4,67
Котель-ная 18 кв.		215880	152490 (151657)	290,16	ДКВР- 6,5-14М	1	Газ	18,3	18,2	1,3
					ДКВР- 6,5-13	3
Котель-ная больни-цы г. Монино		5700	37498 (7500)	7,66	Е-1-9ГЖ	1	Газ	1,0	0,6	1,1
					Уни-верс-6	5
								2,0
Котель-ная №3 ул. Набе-режная	Посёлок Сверд-ловский	47600	49997 (42497)	63,98	ДКВ- 2-В	2	Газ	4,0	3,4	1,62
Котель-ная д. Сукма-ниха	Щелк. р-н санат. Сукма-ниха	12889	59059 (15669)	17,32	Е-0,4 8ГЖ	1п	Газ	0,9	1,3	1,66
					Мин-ск 1	5 в/1		4,0
Котель-ная №3	Фряново,ул.Текс-тиль-щиков	19140	43568 (7624)	25,73	Е-1/9-1Г	4	Газ	3,2	0,56	3,96
Котель-ная №8	Фряново Аксе-новское поле	111306	204154 (64527)	149,6	ДКВР- 10-13	4	Газ/мазут	28	8,85	1,46
Котель-ная «Сосно-вая»	д. Медве-жии озёра ул. Сосно-вая	4200	24552 (7856)		ДКВР- 4-13	2	Газ	1	0,32	1,52

 

Как видим на примере данных таблицы №1 потребный КПД ППД будет 0,5-5%, что позволяет сделать этот двигатель очень дешевым (наиболее вероятен в этом случае вариант переделки из ДВС) со сроком окупаемости менее года. Что касается опыта переделки ДВС в паровые машины, то он в России уже есть, этим занимается ОАО «Бийский котельный завод» и наша научная группа МАИ «Промтеплоэнергетика».

Общие соображения по этому вопросу следующие:

·        осуществляется переделка газораспределительного механизма;

·        возможно, требуется изменение головки;

·        возможно, потребуется изменения в системе смазки;

·        возможны попадания как пара в картер, так и масла в пар (вода в масле и масло в паре нежелательны, и с ними надо бороться).

В статье «Руководство к использованию поршневых паровых машин» приводится результаты по испытанию паровой машины на базе дизеля Д6. В статье описана достаточно серьёзная переделка двигателя. Расположение цилиндров стало горизонтальным. Применён новый блок цилиндров (следует отметить, что благодаря этому существенно сужается спектр переделываемых моторов, т.к. большинство современных бензиновых и дизельных двигателей водяного охлаждения выполнены моноблоком, т.е. блок цилиндров выполнен заодно с картером). Мы знаем, как осуществить конверсию двигателя с водяным охлаждением с сохранением исходного блока цилиндров, что было успешно осуществлено при переделке и последующих испытаниях бензинового двигателя ЗМЗ-402. При создании своей машины В.А. Жигалов подверг серьёзным изменениям головки цилиндров. Механизм газораспределения был выполнен двух видов, на разных машинах. Первый механический, с двухседельным клапаном, второй с гидравлическим приводом, золотниковый. Несмотря на всю сложность переделки, изменение фаз парораспределения не осуществлялось. В результате были достигнуты 500 об/мин при 20 атм. на входе (но исходный двигатель Д6 имеет 1500 об/мин), расчётный расход пара 11,6 кг/кВтч при давлении 12 атм. Мы полностью разделяем мнение инженера Жигалова В.А., что не нужно копировать машины выпускавшиеся 60 лет назад. Но давайте, сравним эти результаты с показателями локомобилей выпускавшихся 60 лет назад таблица №2.

 

Таблица  №2

 

Показатели	Марка локомобиля
	П-25*	П-38	П-75	СК-125**	СК-175	СК-250	СК-360	ЛПУ-1***
Наибольшая мощность при продолжительной работе (кВт)	18,4	27,9	55,1	91,9	128,7	183,8	257,4	18,4
Число оборотов коленчатого вала в минуту.	300	375	280	280	250	187	187	1000
Давление пара (кг/см2)	13	15	12	15	15	15	15	20-22
Уделоный расход пара (кг/кВтч)	12,92	12,92	12,92	7,48	7,14	7,14	7,14	12,78

 

*П – передвижной; **СК - стационарный конденсационный; ***ЛПУ – лёгкая паровая установка.

 

Так же следует заметить, что из статьи Жигалова В. А. «Руководство к использованию поршневых паровых машин» не понятно замеренное экспериментальное значение мощности паровой машины, фигурируют лишь расчётные значения при работе от котлов от 118 кВт до 300 кВт.

Вопросы продолжительности работы этого двигателя в статье не освещаются, но на основе уже нашего опыта можно предположить, что если не было предусмотрено специальных мер по очистке масла от воды, а также по подбору масла (так как моторное масло не допускает попадания воды) то продолжительность работы двигателя вряд ли превысила пол часа. Такая мера как вентиляция картера, которую предлагает автор статьи «К вопросу о применении паровых машин В.Г. Некрасов, не являются эффективными, как выяснилось в процессе наших испытаний, от воды в масле не спасает даже вакуумирование картера.

Теперь осветим наши успехи в этом деле. В виду того, что наши возможности ограничены, то испытания проводим с малолитражными стационарными и автомобильными двигателями. Последние испытания проводились с двигателем УД-2М1 (рабочий объём 600 см³, n=3000 об/мин). Переделку осуществляли возможностями ремонтной мастерской. Мотор является нижнеклапанным, изменению подверглись лишь не содержащие подвижных деталей головки и распредвал. Оба клапана в результате становятся выпускными, а впуском управляет газодинамическое устройство, являющейся при этом головкой цилиндра. В газораспределительном механизме удалось сохранить как передаточное отношение, так и штатные клапана.

                                                                                                                                        Таблица №3

 

Дата	Число и мощность ламп накаливания	Рвх	Рвых	n	V10	V20	V30	V12	V23	V13	Расчётная мощность по напряжению на лампах
	Шт, Вт	Кг/см2		Об/мин	Вольт						кВт
Октябрь 1997 г.	35300	5	0	2580	180	180	180	280	о/п	о/п	3,68

 

Примечание: рабочее тело – сжатый воздух из сети, прошедший после компрессорной охладитель и охлаждённый в ресивере до температуры наружного воздуха.

                                                                                                                                        Таблица №4

 

Дата	Число и мощность ламп накаливания	Рвх	Рвых	N (Эл. счётчик) по времени одного оборота диска	F	V10	V20	V30	I12	I23	I13	Параметр газодинами-ческого устройства каждого цилиндра	n
	Шт, Вт	Кг/см2		кВт	Гц	Вольт			Ампер				Об/мин
18. 11. 04.	325 3150 3200	7	0	0,45	41,5	200	200	200	0,67	0,67	0,67	8, 10	1260
18. 11. 04.	325 3150 3200	7	0	0,359	41	160	160	160	0,27	0,27	0,25	8,10	1250
10. 12. 04.	325 3200 3300	5	0	1,2	43	200	200	200	1,83	1,92	1,92	15, 15	1300
16. 12. 04.	325 3150 3200 3300 3100	5,8	0	2,25	45,9	210	210	210	3,33	3,33	3,33	15, 15	1450
16. 12. 04.	325 3150 3200 3300 3100	5,4	0	2,18	45,4	210	210	210	3,33	3,33	3,33	15, 15	1400
16. 12. 04.	325 3150 3200 3300	5	0	1,95	45,4	220	220	220	2,83	3	2,83	15, 15	1400
20. 12. 04.	325 3200 3300 325 3150	5,2	0	2,06	46	220	220	220	3,17	3,17	3,17	15, 15	1410
20. 12. 04.	325 3150 3200 3300 3100	5,7	0	2,18	46	220	220	220	3,17	3,33	3,17	15, 15	1450

 

Примечание: рабочее тело – насыщенный пар.

 

Как видим из таблиц №3 и №4 на столь низких параметрах рабочего тела получаем достаточно высокую частоту вращения порядка 1500 об/мин и электрическую мощность практически такую же какой обладает электростанция на базе этого бензинового двигателя (АБ-4, N_эл=4 кВт). Следует сказать, что на сегодня мы не знаем точно, почему упала мощность в 2004 году по сравнению с 1997 годом, так как экспериментальные данные, полученные при переделки бензодвигателя ЗМЗ-402 в ППД в 1998 году показали существенный рост мощности при переходе с воздуха на пар того же давления. Одной из наиболее вероятных причин было повышение температуры смазочного масла при переходе от воздуха к пару (при работе на воздухе выхлопной патрубок покрывался инеем). Падение мощности в 2004 году может быть вызвано заменой головок цилиндров, обеспечивающих внутрицилиндровую сепарацию пара для уменьшения попадания воды в картер. Так же падение мощности могли вызвать иные фазы парораспределения (другой распредвал). Причина будет установлена в процессе дальнейших испытаний, которые прервались в 2004 году в связи с организационными трудностями. Сейчас ищем паровую котельную, где можно было бы продолжить испытания.

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

Так же следует отметить, что в процессе экспериментов был получен уникальный на наш взгляд результат – это работа поршневого двигателя на перегретой воде. Во время испытаний происходил унос воды и вместо насыщенного пара от одного из котлов шла перегретая вода. Головки нашей конструкции обеспечили работу двигателя на перегретой воде, причём мощность по сравнению насыщенным паром снижалась только в два раза.

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 ещё более высокий КПД, практически до теоретического предела тепловой машины – 50%. Наиболее перспективной, здесь мы полностью разделяем мнение автора статьи «К вопросу о применении паровых машин», является схема с бесшатунным механизмом преобразования движения С. С. Баландина. Эта схема позволяет решить вопрос попадания воды в масло и масла в пар, при этом сделать ППД компактным и двухстороннего действия. Тут следует отметить, что первоначально этот механизм был применён в 1935-1936 годах в паровых машинах, а лишь позднее в 1937-1951 годах в созданных под его руководством авиамоторах мощностью до 10000 л. с.

Сейчас также находятся энтузиасты, которые продолжают создавать опытные дизельные и бензиновые двигатели с применением этой схемы.

Также следует подчеркнуть, что эта схема двигателя является находкой для энергетики, так как позволяет создать двигатель с ресурсом в 50 раз большем, чем в обычной тронковой схеме.

Теперь обратим внимание на следующий аспект проблемы автономной выработки энергии, это поддержание стабильной частоты тока 50±0,2 Гц (по ГОСТ 13109-87, в который не укладывается ни один регулятор, применяемый на современных двигателях) при изменении внешней нагрузки. Какие варианты здесь существуют.

Первый – это параллельная работа с сетью, да ещё и как это полагается привод вспомогательного оборудования сетевой электроэнергией. В этом случае при отключении сетевой электроэнергии встаёт и наша установка, а при нормальной работе не возможно договориться с АО «…энерго» дабы не быть обворованным.

Второй – это выпрямление получаемого тока, а затем, через инвентор, его преобразование в переменный ток стабильной частоты. Стоимость электротехнического оборудования при этом составляет 2/3 от стоимости установки и поэтому значительно увеличивает срок окупаемости.

Благодаря работе научной группы МАИ «Промтеплоэнергетика» появилась третья возможность поддержания стабильной частоты тока. Наша группа обладает НОУ-ХАУ, которое позволяет стабилизовать частоту вращения самого двигателя, как бы не менялась внешняя нагрузка. Это НОУ-ХАУ позволяет сделать силовую установку простой, надёжной и дешевой.

Подводя итог вышесказанного можно сказать, что имеется возможность своеобразной модернизации энергетики на базе паропоршневых технологий, в двух направлениях:

1.           Применение паропоршневых технологий в котельных, в том числе и водогрейных, что сделает теплоснабжение страны более дешевым и надёжным.

2.           Применение паропоршневых двигателей в автономных паросиловых установках для электроснабжения на базе местного топлива и мусора.