Введение

Во время проведения юбилейных мероприятий, посвящённых 100-летию государственного плана электрификации Советской России (плана ГОЭЛРО), хочется отметить и проводимые работы в области повышения энергоэффективности в нашей экономике, а также подобные мероприятия в экономически развитых странах Европы и Америки.

Повышение энергетической эффективности в различных областях промышленности России и её агропромышленного комплекса является одной из самых актуальных задач текущего века. От результатов решения этой насущной задачи зависит и место нашего общества в ряду промышленных и экономически развитых стран мира, а также повышение уровня жизни граждан.

В нашей стране мероприятия в области энергосбережения отнесены к стратегическим государственным задачам, являясь при этом одновременно и основными мероприятиями по обеспечению энергетической безопасности, а также реальным и единственным способом сохранения высоких экспортных доходов от продаж углеводородного сырья.

Необходимые для развития экономики энергоресурсы можно получить не столько за счёт увеличения добычи и переработки углеводородного сырья в труднодоступных районах и строительства новых энергообеспечивающих комплексов, сколько за счёт сбережения этих ресурсов непосредственно на местах их потребления, в частности, в больших и малых населённых пунктах [1].

Проведение работ по вопросам повышения энергоэффективности экономики Российской Федерации отвечает положениям Федерального закона №261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности», где чётко сформулирована цель действующего закона: «создание правовых, экономических и организационных основ стимулирования энергосбережения и повышения энергетической эффективности».

Актуальность вопроса

Применение современных автоматизированных и автономных энергетических систем и комплексов с комбинированным производством тепловой и электрической энергии (когенерационные установки) на базе двигателей внутреннего сгорания (ДВС) [2], с глубокой внешней утилизацией отводимой теплоты, обеспечивающий необходимую энергетическую надёжность и наличие резервов в системе централизованного энергоснабжения [3], весьма актуально.

В дальнейшем при развитии современных средств малой энергетики, в том числе и на базе паропоршневых машин [4, 5], они будут не только альтернативой централизованной энергосистеме, но и основой для быстрого построения, а также создания и внедрения автономного (местного, локального) децентрализованного теплои электроснабжения в отдалённых местах и во вновь осваиваемых районах нашей страны, равно как и в уже освоенных, но не имеющих централизованной системы энергоснабжения [6, 7].

Бережное и рациональное использование природных ресурсов приобретает всё большее значение. Решение этой актуальной народно-хозяйственной проблемы предполагает разработку эффективных безотходных технологий за счёт более комплексного использования исходного сырья [8]. Это приводит к устранению экологического ущерба, оказываемого «кладбищами отходов» различного состава. Само понятие «различные отходы потребления и производства» для многих этих отходов становится условным, поскольку они могут превращаться в весьма эффективное, ценное, а порой и дефицитное сырьё. Развитие научно-технического прогресса сопровождается увеличением производства, как в промышленности, так и в сельскохозяйственном секторе, в которое вовлекается всё большее количество природных ресурсов [9].

Инновационный проект

На основании изложенного выше становится актуальным создание такого энергетического комплекса, в котором возможно использование различных видов топлива, в том числе и некоторых бытовых отходов, при этом вырабатывалась бы полезно используемая энергия.

Для решения этих вопросов для автономных объектов различного назначения возможно использовать многофункциональный энерготехнологический комплекс (МФЭТК) на базе паропоршневой машины [10, 11]. В этот комплекс могут входить различные компоненты и оборудование, в зависимости от его назначения и применения, а также от вида обслуживаемого производства [12, 13].

В перечень основного типового оборудования МФЭТК входит газогенератор для производства газа, использующий топливо различных свойств и состава, в том числе и различные виды твёрдых бытовых отходов (ТБО). Здесь следует отметить, что возможно использовать дополнительное оборудование для подготовки топлива для применения его также и в паровом котле.

Пар, получаемый при нагреве воды в котле, по короткому паропроводу поступает в цилиндр паровой машины. Поршень цилиндра своим движением приводит во вращение маховик паровой машины через кривошипно-шатунный механизм.

Применение объекта

Многофункциональный энерготехнологический комплекс на базе поршневой паровой машины может иметь самое разное применение, например, он может быть приспособлен для выработки электрической энергии (электрогенератор), привода какого-либо технологического оборудования (например, компрессора, насоса, механизмов лесопилки, конвейера и т. д.). Здесь следует учесть возможность установки редуктора или возможность обеспечения необходимого передаточного отношения с учётом условий работы применяемого оборудования.

Отработавший пар из цилиндра используется в дальнейшем для отопления различных объектов, например, построек в частных фермерских хозяйствах, особенно вдали от населённых пунктов и линий энергосетей.

Анализ [14] эффективности применения многофункционального энерготехнологического комплекса говорит о целесообразности применения энергокомплексов на базе паропоршневой машины для различного назначения. Там же упоминается и немецкая фирма Spiling, которая имеет опыт применения паровых поршневых машин собственного производства на различных промышленных объектах.

Энергетическая безопасность промышленных объектов является столь же актуальным вопросом и способом значительной экономии финансовых средств из-за убытков, возникающих в результате погодных катаклизмов.

Так, причиной массовой остановки котельных, как отмечается в исследованиях, обычно является временное прекращение электроснабжения. Например, так было в городе Болохов Тульской области зимой 2005–2006 годов: встали все четыре котельные, и город замёрз. Дело в том, что всё вспомогательное оборудование котельных имеет электрический привод. В 28% случаях нарушения теплоснабжения, имевшие серьёзные последствия для потребителей зимой 2005/2006, произошли из-за отключения электроэнергии в результате циклонов, снегопадов, порывистого ветра.

Зимой 2011 года ледяной дождь, обильный снегопад и ветер оставили без электроэнергии подмосковные населённые пункты. Как следствие, отключились и котельные, лишив людей необходимого тепла. Аварийный дизель-генератор не решает проблему, поскольку даже при третьей степени автоматизации он даёт энергию не менее чем через три секунды после сигнала на запуск, что означает неизбежный останов котлов и предпосылку к аварии. Например, 25 мая 2005 года аварийный дизель-генератор Мосводоканала был запущен лишь через шесть часов после останова. В результате фекалии попали в Москву-реку.

Напрашивается вывод, что каждая котельная должна функционировать независимо от внешнего энергоснабжения. Эта проблема может быть решена путём широкого внедрения многофункционального энерготехнологического комплекса, что даёт возможность котельным работать автономно, при этом в разы повышается их надёжность и независимость от погодных условий, которые в нашей стране часто бывают экстремальными.

Главным преимуществом МФЭТК на базе паровой поршневой машины является возможность одновременного производства тепловой и электрической энергии, другим преимуществом является его универсальность относительно используемых видов топлива, в качестве которого могут использоваться отходы лесозаготовки и деревообработки, животноводства, птицеводства или других отраслей экономики, дрова, уголь, генераторный газ или торф. Это позволяет, с одной стороны, использовать наиболее дешёвые и доступные в рассматриваемом регионе виды топлива, а с другой — сократить потребление невозобновляемых ископаемых энергоносителей. Помимо этого, паропоршневая машина может приводить в действие не только генератор для выработки электроэнергии, но и другие производственные механизмы: воздушные или газовые компрессоры, насосы.

Отметим, что на рентабельность работы многофункционального энерготехнологического комплекса влияют следующие факторы: эффективность производства энергии, стоимость её транспортировки и эффективность потребления энергии. Уже на стадии предварительного анализа можно утверждать, что при использовании предлагаемого МФЭТК будут сведены к минимуму затраты на транспортирование энергии. Помимо этого, использование отработанного пара в качестве энергоносителя различных систем отопления позволит существенно повысить и эффективность потребления энергии [15].

Типовые параметры энергетического комплекса

Параметры многофункционального энерготехнологического комплекса рассчитываются в зависимости от его назначения. При этом в первую очередь необходимо проанализировать их в зависимости от его назначения, определив технические характеристики МФЭТК. Далее необходимо определить параметры самой паропоршневой машины — давление и температуру пара, его расход, а также частоту вращения ротора. А уже затем осуществлять конструкторско-технологические разработки самой паропоршневой машины и её оборудования.

Также следует учесть возможность использования тепла отработавшего пара после паропоршневой машины для нужд отопления, горячего водоснабжения жилого или производственного комплекса, или и того, и другого одновременно.

Приведём оценочные расчёты будущей предлагаемой паровой машины с выработкой эффективной электрической мощности 150 кВт.

Наиболее целесообразной представляется горизонтальная компоновка машины, тип — двухцилиндровая (компаунд с двойным расширением). Диаметр цилиндра высокого давления составляет 310 мм, диаметр цилиндра низкого давления — 460 мм, при этом необходимое для работы давление пара составляет 1,2 МПа (12 кг/см²) с температурой 300°C, его расход — 1887 кг/ч. Число оборотов — 2,66 с-1 (160 мин-1).

Паровая машина через механическую трансмиссию вращает генератор для выработки электрического тока. По каталогу подобран генератор БГ-160М-4 Баранчинского электромеханического завода. Технические характеристики генератора: номинальная мощность — 160 кВт; номинальная частота вращения ротора — 25 с-1 (1500 мин-1); ток статора — 289 А; КПД — 91,6%. Передаточное число трансмиссии составляет 9,4.

Согласно предварительной конструкторской проработке, габариты паровой поршневой машины будут равны 4500×4200×1000 мм, а дополнительное необходимое энергетическое оборудование и комплектующие подбираются из серийно выпускаемых промышленностью. Типовая схема энергетического комплекса представлена на рис. 1.


Рис. 1. Типовая схема энергетического комплекса (1 — паровой котёл; 2 — расходомер пара; 3 — регулятор давления пара; 4 — паровая поршневая машина; 5 — цилиндр высокого давления;
6 — ресивер; 7 — цилиндр низкого давления; 8 — электрический генератор; 9 — маслоотделитель; 10 — система отопления потребителя; 11 — конденсатор; 12 — конденсационный насос)

Эффективность применения

Перспективным направлением является также применение в составе МФЭТК газового генератора, что даст возможность одновременно качественно влиять на экологическую ситуацию в близлежащем регионе. Такой вариант комплектации многофункционального энерготехнологического комплекса требует проведения отдельного исследования, при этом экономическая эффективность подобной установки в первую очередь будет зависеть от конкретного вида топлива, сжигаемого в газовом генераторе, получаемого состава генераторного газа и его теплотворной способности.

Таким образом, на экономическую эффективность подобного варианта комплекса существенное влияние будут оказывать особенности конкретного региона, однако можно утверждать, что в любом случае она будет достаточно высокой с учётом требуемых затрат на утилизацию бытовых отходов другими способами.

При расчёте экономической эффективности рассматриваемого в предлагаемой статье варианта МФЭТК, с целью повышения валидности получаемых результатов, в качестве топлива был принят наиболее распространённый вариант — кленовые дрова с теплотворной способностью 1,6 Гкал/м³ и удельным весом 650 кг/м³.

Состав многофункционального энерготехнологического комплекса будет зависеть от его назначения на конкретном объекте. Расчёт экономической эффективности проводился для МФЭТК на базе паровой поршневой машины, параметры и примерный состав которого приведены выше. В расчёте не учитывался экономический эффект от производственного механизма, приводимого в действие паропоршневой машиной, поскольку его величина может быть определена только для конкретного объекта.

Выводы и предложения

На основании вышеизложенного проведённого анализа и учитывая, что наша страна располагает как высоким интеллектуальным потенциалом, так и необходимыми производственными и природными ресурсами для эффективного решения своих энергетических проблем, можно утверждать следующее. Производство многофункционального энерготехнологического комплекса на базе паропоршневых машин — весьма актуальный и привлекательный инновационный проект, который требует определённых инвестиций. Инвесторами могут стать заинтересованные территории и частные компании, заинтересованные в расширении номенклатуры продукции и увеличения объёма своего производства.