Введение
В настоящее время экономия углеводородного топлива является насущной проблемой мирового уровня. Данная проблема теснейшим образом связана с разработкой эффективных методов работы систем освещения, теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха, а также с решением многочисленных экологических вопросов. Здесь следует ориентироваться в том числе на использование альтернативных, вторичных и возобновляемых источников энергии.
Актуальность вопроса
Так, в разделе документа [1] представлены «Требования к региональным и муниципальным программам в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности». Пунктом 20/б этого же документа определены «целевые показатели, характеризующие уровень использования источников тепловой энергии, функционирующих в режиме комбинированной выработки тепловой и электрической энергии, и (или) возобновляемых источников энергии».
В «Энергетической стратегии» Российской Федерации [2] указано, что «Темп роста мирового потребления первичной энергии в ЭС-2035 ожидается на уровне 1,2% в год», и далее там же говорится, что «Появление новых производителей, рост значимости нетрадиционных ресурсов углеводородов и ускоренное развитие возобновляемых источников энергии ведут к ужесточению конкуренции на ключевых мировых энергетических рынках. При анализе перспектив внешнего спроса на российские энергоресурсы в ЭС-2035 учитываются также результаты анализа энергетических стратегий крупнейших потребителей и производителей энергоресурсов в направлении обеспечения энергетической самодостаточности». Здесь также отмечается, что актуальным и целесообразным является использование возобновляемых и вторичных энергоресурсов, что будет способствовать повышению энергетической безопасности объектов экономики нашей страны.
Кроме этого, в проекте государственной программы Российской Федерации «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности» предусмотрены мероприятия по этому направлению.
Инновационный проект
Из сказанного выше представляется целесообразным иметь энергетическую установку (ЭУ), которая использовала бы альтернативный, вторичный и возобновляемый источник энергии. Такая ЭУ условно называлась бы «всеядной».
К альтернативным источникам энергии могут относиться биогазы на основе различных сгораемых веществ и материалов, к вторичным — утилизируемая теплота, отводимая от мощных энергоустановок типа котельных, газотурбинных установок и т. п. К возобновляемым источникам энергии можно отнести и дрова различных сортов. Таким образом, необходимо создать энергетический комплекс (ЭК), работающий не на углеводородном топливе, с учётом его ограниченности, а на топливе, способном восстанавливаться. Необходимой для этого энергоустановкой может быть паровая поршневая машина (ППМ), работающая на водяном паре, получаемом на дополнительном оборудовании при использовании дров и или их отходов. Данная ситуация требует анализа конструктивного исполнения и особенностей применения ППМ в составе многофункционального энерготехнологического комплекса (МФЭК).
Паровые поршневые машины нашли широкое применение на заре развития мировой промышленности как приводы ткацких станков, подъёмников в горнодобывающей промышленности и других устройств. Однако появление двигателей внутреннего сгорания и изобретение паровых турбин способствовало забвению ППМ. Связано это было с низкими эксплуатационными показателями данной энергетической установки.
В целом основной недостаток паровой поршневой машины — низкий КПД. Но современные методы проектирования и технологии могут увеличить этот показатель до величины порядка 25–30%. В настоящее время пока отсутствует серийное производство ППМ. Однако в работах [3, 4] имеется информация по конструктивному исполнению МФЭК на базе паровой поршневой машины и данные по созданию даже подвижных конструкций, например, это локомобиль П-25 на базе паровой поршневой машины.
Аналоги объекта
Имеются аналогичные энергетические установки в виде паровых винтовых машин, в которых также используется пар. В работе [5] приведены примеры использования паровинтовых машин (ПВМ) на объектах и описан опыт их эксплуатации. Применение паровой винтовой машины способствует энергосбережению, тем самым обосновывается актуальность применения ПВМ. Описание устройства паровой винтовой машины, сравнение её характеристик с паровыми турбинными установками (ПТУ) и параметры ПВМ приводятся в статье [6].
Тем не менее, представляется необходимым отдать предпочтение паровым поршневым машинам. Связано это с тем, что изготовление винта для ПВМ затратней, чем поршня для ППМ. Соответственно, МФЭК на базе ПВМ будет дороже в изготовлении, обслуживании и ремонте, что однозначно заставляет сделать выбор в пользу ППМ.
Эффективность применения объекта
Для определения стоимости изготовления паровой поршневой машины с генератором и сравнения её со стоимостью дизель-генератора (ДГ) аналогичной электрической мощности на базе двигателя внутреннего сгорания была проведена экспертная оценка. Двое экспертов машиностроительного предприятия (технолог и конструктор), хорошо знающих конструкцию и технологию изготовления обоих изделий, составили список основных узлов и деталей одного и другого энергоисточника. Список состоял из более чем 30 позиций. Каждая позиция оценивалась по 100-балльной шкале. Затем подсчитывался результат по обоим изделиям. Расчёт показал, что оценочная стоимость генератора с приводом от ППМ дешевле и составляет 42% от стоимости дизель-генератора на базе ДВС. Учитывая допустимую погрешность, примем оценочную стоимость энергоустановки (ЭУ) с ППМ и генератором примерно 50% от стоимости ДГ с ДВС, то есть в два раза меньше. Таким образом, сама ЭУ для привода генератора оказывается в два раза дешевле. Кроме этого, ЭУ с ППМ и генератором можно использовать в качестве когенерационной установки на конкретном объекте, причём полностью учитывая локальные условия эксплуатации, тем самым способствуя обеспечению объекта не только электроэнергией, но и более дешёвым необходимым теплом.
Достоинства объекта
Следует обратить внимание и на саму конструкцию ЭУ с ППМ и ДВС. По конструктивному исполнению ППМ оказывается значительно проще. Это означает упрощение обслуживания и дешевизну эксплуатации такой установки. Кроме того, для поддержания ППМ в рабочем состоянии не требуется высококвалифицированный обслуживающий персонал, а в районах эксплуатации МФЭК с ППМ не нужны специализированные мастерские для ремонта. Иными словами, упрощённая конструкция МФЭК с ППМ и генератором обеспечивает значительное снижение эксплуатационных затрат.
Весьма важен и экологический аспект применения паровой поршневой машины. Двигатель внутреннего сгорания при работе вырабатывает различные канцерогенные вещества, а использование ППМ характеризуется только выбросом продуктов сгорания топлива, что положительно влияет на экологию территории, в которой используется МФЭК на базе паровой поршневой машины.
Анализ эффективности паровой поршневой энергетической установки в качестве различного привода (генератора, насоса, лесопилки и др.) представлен в работе [7]. Со схемой применения ППМ в составе тепловой электростанции (ТЭС) можно ознакомиться в статье [8], где даны сравнительные параметры ППМ на базе нескольких ДВС.
Следует отметить, что опыт по созданию ППМ на базе серийного ДВС 6ЧН21/21, а точнее конвертация серийного двигателя в паровую машину не увенчалась успехом. По мнению авторов, это было связано с отсутствием профессионального подхода при разработке. Дополнительная информация по этому вопросу имеется в работе [9]. В статье [8] также есть упоминание о ППМ на базе серийного ДВС 6ЧН21/21.
Аналоги объекта
Коллективом авторов из ряда организаций проведено сравнение и оценка характеристик паровых поршневых электростанций с паротурбинными и газопоршневыми ЭУ — с представлением параметров в источнике [10]. Специалист в области изучения и применения ППМ И. С. Трохин в своей работе [11] обосновывает, что современные паровые машины и энергосбережение в малой энергетике — это одно из комбинированных мероприятий по повышению энергоэффективности теплоснабжения объектов различного назначения. Высокая оценка эффективности применения ППМ на различных объектах дана в источнике [7].
Работы по созданию и производству энергетических установок на базе ППМ ведутся, например, немецкой компанией Spilling Technologies GmbH, основанной в 1890 году в городе Гамбурге, которая в настоящее время является мировым лидером по производству модульных агрегатов единичной мощностью от 100 до 5000 кВт для эффективного использования в децентрализованных системах энергоснабжения [12, 13].
Как уже отмечалось, энергоустановки на базе ППМ можно использовать в качестве привода различных механизмов. Один из примеров такого привода рассматривается в [14], где не только рассмотрены различные технологические варианты, но и дан анализ их экономической целесообразности. В качестве предварительного вывода в работе [14] утверждается, например, что «Применение двигателей с внешним подводом тепла для привода рубительных машин и электрогенераторов в условиях верхних складов и лесных терминалов является перспективным». И далее в работе [15]: «Внедрение глубокой переработки древесины в условиях верхних складов и лесных терминалов с применением двигателей с внешним подводом тепла в качестве источников механической и электрической энергии является целесообразным».
Развёрнутое описание энергоустановки на базе паровой поршневой машины, схема и подробное обоснование актуальности её применения приведено в работе [15]. Кроме того, обоснование актуальности применения МФЭК на базе ППМ выполнено в статье [16]. В статье [17] представлена схема предлагаемой ППМ, приводятся параметры дров различных сортов, выполнен потребительский расчёт стоимости заготовки дров на заданный период эксплуатации ЭУ, а также дана оценка необходимых площадей для хранения данного вида топлива.
Выводы и предложения
На основании изложенного выше материала и его анализа можно сделать несколько основных выводов:
1. Обоснована актуальность применения энергоустановок на базе паровых поршневых машин.
2. В качестве источника энергии для энергоустановки возможно использовать возобновляемое и вторичное топливо, что позволяет экономить углеводородное.
3. Применение газогенераторов в качестве источника энергии позволяет применять твёрдые бытовые отходы, что отчасти решает экологические вопросы на месте эксплуатации энергоустановки на базе паровых поршневых машин.
4. В связи с актуальностью применения паровых поршневых машин в составе МФЭК необходимо подобрать материалы для проведения конструкторских и технологических работ по её созданию.
5. Следует подобрать дополнительное оборудование для комплектования многофункционального энерготехнологического комплекса на базе паровых поршневых машин, которые выпускаются отечественной промышленностью.
6. В работе [17] дан расчёт количества возобновляемого топлива (дров) и условий его хранения для устойчивой эксплуатации МФЭК на базе паровых поршневых машин.
7. Необходимо разработать проект технического задания для потенциального инвестора по реализации проекта — серийного производства паровых поршневых машин.
