автореферат диссертации по энергетике, 05.14.01, диссертация на тему:Совершенствование систем энергоснабжения в газифицированных регионах России на базе поршневых технологий

На правах рукописи

Дубинин Владимир Сергеевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ В ГАЗИФИЦИРОВАННЫХ РЕГИОНАХ РОССИИ НА БАЗЕ ПОРШНЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Специальность 05.14.01 — «Энергетические системы и комплексы»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005060354

3 0 ИДЯ 2013

Москва 2013

005060354

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ» на кафедре Тепловых электрических станций.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Национального исследовательского университета «МЭИ» Беляев Альберт Александрович

доктор технических наук,

профессор Национального исследовательского университета «МЭИ», каф. Автоматизированных систем управления тепловыми процессами Аракелян Эдик Койрунович,

кандидат технических наук, ректор Московского института энергобезопасности и энергосбережения

Толмачев Владимир Демьянович

Ведущая организация:

Институт энергетических исследований РАН, г.Москва

Защита состоится 26 июня 2013 г. в 14 час. 00 мин. в аудитории Б-205 на заседании диссертационного совета Д 212.157.14. при ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ», по адресу г. Москва, Красноказарменная ул., 17.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ» и на сайте www.energodub.ru.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью организации) просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная, 14, Учёный совет ФГБОУ ВПО НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан « 24 » мая 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157.14 к.т.н., доцент

В.П. Зверьков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы

Наиболее энергоэффективная комбинированная выработка тепла и электрической энергии применяется в России очень ограничено. Даже на ТЭЦ коэффициент полезного использования теплоты сгорания топлива (КИТТ) в 2000 г. всего 60-65 %.

Автором предложена Единая система газоснабжения и генерации механической, электрической и тепловой энергии (ЕСГГМЭТЭ). В этой системе потребители электрической энергии соединены не электросетями, а газопроводами, что позволяет электрическую энергию вырабатывать комбинированно с тепловой энергией с высоюш КИТТ. Оба вида энергии потребляются на месте их производства, что исключает протяженные и ненадежные магистральные теплосети и системообразующие электросети (в части касающейся газовых электростанций) вместе с потерями энергии в них. Кроме того, стоимость строительства электросетей сопоставима со стоимостью строительства генерирующих мощностей ("www.cogeneration.ru). поэтому ЕСГГМЭТЭ предусматривает автономную от электросетей генерацию электроэнергии.

Однако при автономной от сети генерации электроэнергии возникают проблемы с её качеством (нестабильность частоты тока). Ориентация ЕСГГМЭТЭ именно на автономную от сетей генерацию электроэнергии стала возможной в результате разработанного автором на базе свойств нелинейных систем с двумя степенями свободы нового способа стабилизации частоты вращения, что обеспечивает качество электроэнергии на уровне сетевой при глубоком ступенчатом изменении нагрузки, без использования дорогостоящих выпрямителей и инверторов. Показана целесообразность применения для ЕСГГМЭТЭ поршневых двигателей с учетом научно-технических достижений за последние 20 лет в этой области.

Автор писал об этом еще в 1994 г. [18]. Последующие публикации показали актуальность настоящей работы, так как на них ссылались руководящие работники ОАО «Башкирэнерго» и «Татэнерго» . Ученые Института систем энергетики им. акад. Л.А. Меленгьева отметили перспективы широкого развития поршневой энергетики сославшись на работы автора в своей книге, ответственный редактор которой член кор. РАН Н.И. Воропай (директор института) .

Цель работы

Цель данной работы обосновать:

Об опыте эксплуатации газопоршневых мини-ТЭЦ в ОАО Башкирэнерго / Салихов A.A., Фат-куллин P.M., Абдрахманов P.P., Щаулов В.Ю. // Электрические станции, 2003 №11. — С. 615.

Развитие мини-ТЭЦ с применением газопоршневых двигателей в республике Башкортостан / Салихов A.A., Фаткуллин P.M., Абдрахманов P.P., Щаулов В.Ю. // Новости теплоснабжения, 2003 №11. — С. 24-30.

Энергетика XXI века: условия развития, технологии, прогнозы / Беляев Л.С., Лагерев A.B., Посекалин В.В. и др. // Новосибирск, Наука 2004. — 386 с.

3

- техническую возможность и экономическую целесообразность перехода на комбинированную выработку тепловой и электрической энергии в полностью газифицированных регионах России.

- то, что установки малой энергетики, базирующиеся на сжигании природного газа, способны заменить в России часть выходящих за пределы паркового ресурса ТЭЦ и КЭС, работающих на природном газе.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести сравнительный анализ:

- надежности линейной части существующей Единой электроэнергетической системы (ЕЭЭС) с предлагаемой ЕСГТМЭТЭ (глава 2);

- стоимостных показателей прокладки линейной части существующей ЕЭЭС с предлагаемой ЕСГТМЭТЭ (глава 2);

- генерирующей части существующей ЕЭЭС с предлагаемой ЕСГТМЭТЭ по: расходу топлива, стоимости, ресурсу (глава 3);

2. оценить производственные возможности отечественных производителей генерирующего оборудования для ЕСГТМЭТЭ (глава 3);

3. определить области рационального применения в ЕСГТМЭТЭ поршневых двигателей внутреннего сгорания, работающих на природном газе, и паросиловых установок с паропоршневыми двигателями (глава 4);

4. показать возможность обеспечения качества электроэнергии на уровне сетевого при выработке ее автономно от сети без ее двойного преобразования (глава 5);

5. разработать предложения по совершенствованию концепции энергетической стратегии России до 2020 г. в газифицированных регионах (глава 6);

6. провести анализ целесообразности применения ЕСГТМЭТЭ для больших плотностей тепловых и электрических нагрузок на частном случае Московского региона (глава 6).

Научная новизна работы

1. Впервые разработана концепция Единой системы газоснабжения и генерации механической, электрической и тепловой энергии (ЕСГТМЭТЭ), которая обосновывает перспективы комбинированной выработки электрической и тепловой энергии автономно от внешних электросетей, что исключает протяженные и ненадежные теплосети и электросети (в части касающейся газовых электростанций) вместе с потерями энергии в них.

2. Обоснована целесообразность применения для ЕСГТМЭТЭ поршневых двигателей с учетом новейших научно-технических дос-тижений в этой области на основе сравнительного анализа таких двигателей с газовыми и паровыми турбинами по экономичности, стоимости и ресурсу.

3. Впервые разработана система стабилизации частоты вращения поршневых двигателей и других двигателей дискретного действия, приводящих электро> 4

генераторы, работающие автономно от сети, что позволяет при использовании ЕСГГМЭТЭ обеспечить поддержание частоты тока с заданной точностью, в том числе при резком и глубоком изменении нагрузки.

4. Впервые предложены и использованы в научно-технической литературе следующие понятия:

- Единая система газоснабжения и генерации электрической и механической энергии (ЕСГГМЭЭ, 2001 г.) [19];

. - двигатели дискретного действия (ДДД, 1983 г.)[15];

- паропоршневые двигатели (ППД, 2005 г.)[1];

- коэффициент электрической/механической мощности потребителя электрической/механической и тепловой энергии ит (2009 г.)[14].

5. Впервые разработаны методические основы выбора двигателя внутреннего сгорания или ППД для газовых мини-ТЭЦ[1].

6. Доказана перспективность применения ЕСГГМЭТЭ для всей газифицированной части России, включая МР (Московский регион = Москва + Московская область) как наименее благоприятный для использования ЕСГГМЭТЭ, в связи с производством в настоящее время около 43 % тепловой энергии комбинированно с электрической энергией [14].

Практическая ценность работы

Практическая ценность.работы обусловлена применением подходов концепции Единой системы газоснабжения и генерации механической, электрической и тепловой энергии (ЕСГГМЭТЭ) для расчетного показа возможности расширения комбинированной выработки электрической и тепловой энергии, что может обеспечить экономию природного газа. Работа вошла в монографию автора «Обеспечение независимости электро- и теплоснабжения России от электрических сетей на базе поршневых технологий»[14], которая поможет руководителям энергетических служб промышленных и коммунальных предприятий более осмысленно принимать решения о подходах к энергоснабжению предприятий. Работа использована в учебном пособии автора «Автономное электроснабжение на базе поршневых технологий»^], которое применяется для обучения студентов МИЭЭ и слушателей ЦПП «Энергоэффективность» МЭИ (справки о внедрении в приложении П7 к диссертации). Результаты диссертации автора использованы в практике деятельности ОАО «ХК «Коломенский завод», ОАО «Волжский дизель имени Маминых», ОАО «РУМО» (справки о внедрении в приложении П2 к диссертации).

Технический Совет Ассоциации «Мособлтеплоэнерго» одобрил направление работы автора и рекомендовал продолжить разработку ППД для котельных большей мощности (приложение П4 к диссертации).

МЧС прислало письмо, что будет использовать материалы о ППД при подготовке предложений направленных на устойчивое жизнеобеспечение населения (приложение ГО к диссертации).

Госстрой России отправил в правительство письмо о поддержке работы в области ППД (приложение П6 к диссертации).

Апробация работы и публикации

Основные положения работы докладывались:

на Гагаринских научных чтениях по космонавтике и авиации в 1981 г.; на научно-техническом семинаре оборонно-промышленного комплекса министерства промышленности и науки Московской области на тему: «Проблемы энергообеспечения производства (энергосберегающие технологии и альтернативные источники)» в 2001 г.; на Международных научно-практических конференциях «Малая энергетика» в 2003, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008 годах; на Международном форуме: «Неделя эффективного распределения использования газа» в 2007 г.; на 5-ой, 6-ой, 7-ой и 8-ой Международных конференциях 2006 г., 2008 г., 2010 г. и 2012 г. «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве»; на секции «Малая и нетрадиционная энергетика» Научно-технического совета РАО «ЮС России» в 2007 г.; на Тех. совете Ассоциации «Мособлтегогоэнерго» в 2009 г., на VI международном Технологическом форуме «Оборудование, технологии, инновации» в 2011г., на XXVIII конференции «Москва: проблемы и пути повышения энергоэффективности» в 2011г.

По теме диссертации опубликованы монография[14] и учебное пособие[33]. Имеется 33 публикации в научных журналах, материалах Международных научно-технических и научно-практических конференций, в том числе 10 публикаций в изданиях из перечня, рекомендуемого ВАК. Получено авторское свидетельство и два положительных решения на выдачу патента на изобретение [11,12,13].

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, 6 глав, основных выводов, списка использованных источников и приложений. Диссертация изложена на 216 страницах машинописного текста и включает 9 таблиц и 20 рисунков. Список использованных источников состоит из 269 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проведён обзор развития комбинированной выработки электрической и тепловой энергии в России, которая может давать снижение расхода топлива на 25-30 %. Она осуществлялась на базе крупных ТЭЦ при централизованной выработке электроэнергии. При переходе электростанций на газовое топливо с угля ещё в 60-е годы прошлого века академик Л.А. Мелентьев и ранее другие учёные считали целесообразным строительство мелких ТЭЦ, в том числе и на базе поршневых двигателей , но государственная политика была другой и их мнение не

Комбинированные паро-газовые энергоустановки. Сборник статей. М., Л.: Госэнергоиздат 1962. — 292 с.

приняли во внимание. ОАО «Мосэнерго» заявляло дефицит электрических мощностей около 2500 МВт. Расчет, приведенный в диссертации, показывает, что этот дефицит мог быть покрыт газопоршневыми электрогенераторами, даже при применении отечественных газовых двигателей устаревших марок с КПД 35,13-36,15 %.

Показано, что практически весь отопительный сезон такие мини-ТЭЦ будут работать целиком на тепловом потреблении с коэффициентом использования теплоты сгорания топлива явно более 0,6-0,65, характерного для ТЭЦ. Таким образом, Москва могла существенно сократить потребление дорожающего газа и стоимость создаваемых электрогенерирующих мощностей, если бы переориентировалась с газотурбинных на поршневые технологии, но только сейчас принято решение о энергоснабжении новых территорий Москвы на базе газопоршневых установок.

Во второй главе сопоставляется надежность и стоимость линейной части Единой электроэнергосистемы (ЕЭЭС) и Единой системы газоснабжения и генерации механической, электрической и тепловой энергии (ЕСГТМЭТЭ). Сравнение ЕЭЭС и ЕСГТМЭТЭ проведено с учётом того, что для ЕСГТМЭТЭ линейной частью является существующая ЕСГ, а ТЭЦ ЕЭЭС работают в комплекте с теплосетями.

На рис. 1 приведено количество аварий в год на 10000 км различных инженерных сетей. Это сделано в логарифмическом масштабе, а абсолютные цифры указаны сверху столбцов. Видно, что электрические сети имеют в разы большую аварийность, чем газовые, в то же время тепловые сети имеют на несколько порядков большую аварийность, чем газовые и электрические сети.

предприятия, но и другие объекты теплоснабжения, включая большую часть децентрализованного теплоснабжения. Это приведёт к вытеснению теплосетей. Поэтому, хотя значительная часть теплосетей не имеет отношения к ТЭЦ, они здесь рассматриваются целиком. Сравнение явно не в пользу ЕЭЭС и теплосетей. Известно, что с увеличением напряжения высоковольтной линии её пропускная способность растёт пря-мопропорционально квадрату напряжения, а стоимость пропорционально напряжению. Поэтому проведена сравнительная расчетная оценка стоимости системообразующих газопровода ЕСГТМЭТЭ диаметром 1400 мм и В Л 500 кВ по варианту использования газа в первую очередь для производства электроэнергии. Для корректного сравнения электрическая мощность вырабатываемая из переданного по газопроводу

7

газа должна быть равна электрической мощности передаваемой по BJL Расчет приведенный в диссертации показывает, что потребуется 14 BJI.

Но, в отличие от BJI 500 кВ, каждый кВт электрической мощности от газа, переданного газопроводом ЕСГГМЭТЭ, предполагает получение около 1 кВт тепловой мощности для отопления, горячего водоснабжения и технологических нужд. Кроме того, в приведённом в диссертации ориентировочном расчете не учитывалась стоимость отвода земли, гораздо большая для 14 ВЛ, чем для одного газопровода. На рис. 2, столбцы №1 и №4 приведены соответственно расчетная удельная стоимость в рублях на кВт-км системообразующих газопровода диаметром 1400 мм и воздушной линии электропередачи 500 кВ.

- магистральные газопроводы ГП - систснообразующие злектросвти 330 кб и выше [Щ] - магистральные теплойые сети

Ш,

Рис2. Удельная стоимость сетей транспорта энергии.

Для построения столбцов 2,3,5,6,7,8 были использованы данные, опубликованные по капитальным вложениям в газопроводы, воздушные линии электропередач и теплосети. Из рассмотрения рис. 2 видно, что газопроводы имеют наименьшую удельную стоимость прокладки. Всё это показывает, что в современных условиях не следует при появлении потребности в электроэнергии непременно строить ВЛ или прокладывать кабель. В каждом конкретном случае необходимо производить сравнительный анализ нескольких вариантов энергоснабжения. Очень часто в полностью газифицированных регионах России может оказаться целесообразной прокладка газопровода, а не ВЛ или кабеля. В других регионах тоже может оказаться более целесообразной децентрализованная выработка электроэнергии на базе местного топлива или угля с помощью паропоршневых двигателей [25,26,27].

В третьей главе Сопоставлены генерирующие части Единой электроэнергетической системы (ЕЭЭС) с предлагаемой Единой системой газоснабжения и генерации механической, электрической и тепловой энергии (ЕСГГМЭТЭ). Прежде всего, отметим, что в ЕСГГМЭТЭ, в отличие от ЕЭЭС, значительная часть механической энергии будет вырабатываться относительно малоразмерными поршневыми двигателями, непосредственно приводящими заводское и котельное оборудование (естественно, в первую очередь это крупные потребители механической энергии: центробежные насосы, вентиляторы, компрессоры и т.д.). Это означает экономию не только энергоресурсов, обусловленную исключением двойного преобразования энергии с КПД<1 (механическая -> электрическая -> механическая), но и экономию затрат

на 1 кВт установленной мощности (исключаются дорогостоящие электрогенераторы, электродвигатели). Такой подход целесообразен, так как около 3/4 электроэнергии потребляемой промышленностью затрачивается на электропривод.

В этой главе сравнивается производство электроэнергии в рамках ЕСГТМЭТЭ и на тепловых электростанциях (ТЭС) ЕЭЭС. И там и здесь она вырабатывается путём вращения тепловым двигателем электрогенератора. На рис. 3 представлены КПД

различных установок в зависимости от мощности.

КПДПУиГПУ.%

КПД ПГУи блоков ПСУ. %

SlMrll!

kuhcs wremC't

Цглшив

¡Э mmHt

-fr

_32

BOO

Мощность. МВт

фирма-изготовитель: О- General Electric; Siemens,-ф- Atstomi&- Mitsubishi:^- Силовые машины; Ж- Поршневые электрические станции. Российские эабоды; g) - Советская промышленность; Х- Поршневые электрические станции. Импортные; В- Микротурбины; □ - Soler Turbines

Рис.3. Достигнутый уровень КПД (брутто] ГТУ, ГПУ, блоков ПСУ и ЛГУ различных классов

Из него видно, что поршневые двигатели внутреннего сгорания при работе по простому циклу могут иметь КПД, приближающийся к парогазовым установкам, созданным на базе газотурбинных установок, имеющих в простом цикле КПД ниже поршневых двигателей внутреннего сгорания.

Однако, наиболее перспективна работа теплоэлектростанций по теплофикационному циклу. В этом случае главным показателем экономичности является коэффициент использования тепла топлива (КИТТ), он для разных электростанций, применение которых в России реально, приведён на рис.4: столбцы 1,2,3,4 минимальный и максимальный среднечасовой КИТТ, столбцы 5,6,7,8,9 среднечасовой КИТТ в режиме номинальной электрической и тепловой мощности. Видно, что преимущества имеют газопоршневые ТЭЦ перед газотурбинными ТЭЦ.

На рис. 5 показана удельная стоимость пересчитанная в доллары США 2006 г. теплоэлектростанций различных типов. Данные по однотипным теплоэлектростанциям собраны каждые в свой столбец.

- отечественное оборудование П - опичественно-инпортное оборудование [й] - импортное оборудование

Действующие (о ГТУ

ГТУ-7ЭЦ F-xnaco»)

4-8МВт дг яв н гдгм010 бомввон Микро- в ОАО 1000 кВт ~ "

ПГУ-430Т турбины "Башкир-450 МВт 30-250 кВт знерго'

ягер» (с гту "" """

I. Герй

____ nws кВт

ПГУ-410 шш

US WW"

65-М НВв е-класса)

¡i

pip

iff

121S ЩШшШ?:

Рис.5. Удельная стоимость электростанций (доллар 2006 г.)

При большом разбросе удельных стоимостей, тем не менее, можно видеть следующие тенденции:

- отечественные газопоршневые теплоэлектростанции имеют в среднем мень-

шую удельную стоимость, чем широко внедряемые в России импортные газотурбинные;

- отечественные газотурбинные теплоэлектростанции относительно большой

мощности имеют в среднем большую удельную стоимость по сравнению с отечественными газопоршневыми малой мощности, что делает применение последних для реализации ЕСГГМЭТЭ более предпочтительным;

- плата за присоединение к централизованным электросетям в Московской об-

ласти сопоставима с удельной стоимостью отечественных газопоршневых электростанций. Это делает экономически нецелесообразным присоединение к электросетям. Плата за присоединение в г. Москве столь высока, что применение любых мини-ТЭЦ более целесообразно, чем присоединение к электросетям.

На рис. 6 приведены ресурсы до капитального ремонта двигателей различных типов. Среднеоборотные дизели Коломенского машиностроительного завода ещё в 90 годы прошлого века имели ресурс до капитального ремонта 80 тысяч часов и превышали ресурс газотурбинных и паротурбинных установок. Сейчас ресурс этих дизелей и газодизельных двигателей на их основе 100000 часов. В 70е годы прошлого века эти же двигатели имели ресурс только 20 тысяч часов. Если говорить о малооборотных судовых дизелях, на базе которых можно создать газопоршневые двигатели, то их ресурс до капитального ремонта 50 тысяч часов в 60-е годы, 100 тыс. часов в 70-е годы и 120 тысяч часов в 80-е годы прошлого века при работе, в том числе, на сернистом мазуте. Есть основания полагать, что ресурс газопоршневых двигателей, созданных на базе дизелей будет не ниже. Это означает, что технологическая революция в поршневом двигателестроении сделала поршневые двигатели конкурентоспособными для энергетики. Геоактивация узлов трения может быть продолжением этой революции.

Ресурс до капитального ремонта, тыс. часов

Четырехтактном

- отечественное производство ^ - импортное производство

Энергетические

Паровые турВииы

в°-° ВГКЗ&19 Лензюрго

сЧЯг приапубо-

ком реау

21

"71

^ V у:

-

к * -

4 ¿8!

/

.У;

шатунных подшипников в 12-13 раз. Ожидается это и дпя ГПД. В масло доба-■0.2-1%

Смена масла судовых Ооухтектнык тихоходных дизелей БМЗ через 20 ООО

Рис.6. Ресурс до капитального ремонта двигателей электростанций

Таким образом, в настоящее время для малой распределённой генерации электроэнергии газопоршневые двигатели более конкурентоспособны по сравнению с газотурбинными и паротурбинными установками по удельному расходу топлива, « 10

стоимости и ресурсу. Не удивительно, что ОАО «Сатурн - газовые турбины» построило цех по производству ГПУ.

Рассмотрим производственные возможности замены выходящего за парковый ресурс теплоэлектрогенерирующего оборудования России отечественными газопоршневыми и паропоршневыми электростанциями. Из 15 заводов России, производящих поршневые двигатели (7 заводов двигатели 500 кВт и более), выберем ЗАО «Волжский дизель имени Маминых. Согласно письму завода (приложение ПЗ к диссертации), существующие площади, оборудование и кадры позволяют получить ежегодно прирост электрической мощности от ГПУ этого завода 0,18 ГВт (0,3 ГВт при пекидже импортных двигателей). При финансировании реконструкции пред-приятйя из сторонних источников возможно кратное увеличение объёма производства. Запланирован в период 2006-2020 гг. годовой ввод генерирующих мощностей, использующих газ, 4,7 ГВт, в соответствии с Генеральной схемой размещения объектов энергетики до 2020 г. Таким образом, если предположить примерно такую же ситуацию на других 7-15 заводах принципиально возможно вводить значительную часть газовых генерирующих мощностей, используя только отечественное оборудование, если ориентироваться на ЕСГГМЭТЭ.

В четвёртой главе рассматриваются области рационального применения паро-поршневых и поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) в промышленной энергетике и ЖКХ.

Паропоршневыми двигателями (ППД), понятие которых введено автором в научный оборот в 2005 г. называются высокооборотные паровые поршневые машины с частотой вращения 1000 и более об/мин [1]. Классические паровые машины имели частоту вращения 60-300 об/мин. ППД могут быть созданы на базе серийных поршневых ДВС с использованием наших изобретений. Автором совместно с коллегами, ранее было показано, что ППД конкурентоспособны с паровыми турбинами в очень широком диапазоне мощностей [6, 8]. При использовании природного газа для выработки теплоэлектроэнергии в Единой системе газоснабжения и генерации механической, электрической и тепловой энергии (ЕСГГМЭТЭ) при малом потреблении тепловой энергии целесообразно использовать ДВС, КПД которых достигает 53 %. ППД в этом случае применимы только для работы на паре, вырабатываемом котлом-утилизатором выхлопных газов ДВС, что может дать итоговый КПД такой парогазовой установки, приближающийся к 58 %. Если же есть возможность вырабатывать электроэнергию на тепловом потреблении, то применение ППД обеспечит коэффициент использования теплоты сгорании топлива (КИТТ) близкий к КПД парового котла Использование ППД в конкретных условиях позволяет существенно снизить потребление природного газа на выработку электроэнергии, а в комплексе с холодильными установками обеспечивать холодом технологические процессы и системы обеспечения жизнедеятельности предприятия.

Автором введено понятие «коэффициент электрической/механической мощности потребителя электрической/механической и тепловой энергии» пъ Рассматриваемая величина является отношением, электрической/механической мощности потребляемой объектом к сумме этой мощности и потребляемой объектом тепловой мощности. Если пт меньше КПД паропоршневого двигателя при возможных для

И

данного объекта параметрах пара, то надо применять ППД, если больше, то ДВС, так как в противном случае не обеспечивается выработка электроэнергии на тепловом потреблении [14, 33].

Очевидна целесообразность применения ППД дня автономизации котельных от центральных электросетей в связи с низким значением ит. Возможно применение ППД как для привода электрогенератора, обеспечивающего работу всей котельной, рис. 7, так и для непосредственного привода вспомогательного оборудования котельных, рис. 8.

Рис.7. Упрощённая тепловая схема автономной от электросети паровой котельной с выработкой и потреблением электроэнергии.

^ Миакм) «я^ароЫ

Рис.8. Упрощённая тепловая схема автономной от электросети паровой котельной с непосредственным использованием

механической энергии без преоброзования её в электрическую.

Под руководством и при личном участии автора в 1987-2009 г. г. было создано путём конвертации из ДВС с использованием изобретений и ноу-хау автора [11, 13] несколько экземпляров ППД, приводящих электрогенератор. На рис. 9 представлены два высокооборотных двигателя, энергоузел и описание нашего изобретения. На рис 10 изображена электростанция на базе двигателя автомобиля «Волга». Получено 11кВт при давлении пароводяной смеси бкг/см2 манометрических. На базе двух двухцилиндровых бензиновых двигателей УД-2М создана паровая электростанция, изображенная на рис. 11. Применяемый в них тип ППД явился дальнейшим развитием выше представленного изобретения. В 2004 г. на одноцилиндровом отсеке такого двигателя получена электрическая мощность 0,45 кВт на перегретой воде давлением 7кг/см2. В 2012 г. от одного цилиндра получена электрическая мощность 2,12 кВт при давлении пароводяной смеси 7,3 кг/см манометрических (в 2004 г. от двух цилиндров была получена электрическая мощность 2,25 кВт при давлении пароводяной смеси 5,8 кг/см2 манометрических [2]). Во всех случаях использовался [ самодельный асинхронный электрогенератор с низким КПД. На рис.12 изображен ППД, предназначенный для микро-ТЭЦ и работающей на перегретом паре, испытанный на сжатом воздухе давлением бкг/см манометрических.

т

ВЙЕЕ'ЙЙЙР

Рис.9. Газопоршнеаой двигатель многофункционального энергоузла эффективной мощностью 15кВт, п=зоооо об/мин (сверху) и многофункционапный энергоузел на базе гавопоршкевого двигатель в разобранном виде эффективной мощностью 15кВт, п=20000 об/мин (внизу). 1978 год.

Рис. 10. Общий вид паровой электростанции нз базе двигателя ЗМЗ-402 (1997 год).

В пятой главе рассмотрены вопросы самостабилизации частоты вращения поршневых двигателей и автономной генерации электроэнергии.

Одной из основных причин сдерживающих распространение автономной генерации электроэнергии является необходимость самостоятельно поддерживать частоту тока. В централизованной и распределенной энергетике частота едина во всей энергосистеме, так как электрогенераторы включены в параллельную работу, а её стабилизация осуществляется Центральным диспетчерским управлением путем включения и выключения в первую очередь гидротурбин. ГОСТ 13109-97 на сетевую электроэнергию предусматривает нормально допустимое отклонение частоты +0,2 Гц, то есть ±0,4 %. Классический способ поддержания частоты при автономной генерации электроэнергии это стабилизация частоты вращения двигателя напрямую вращающего синхронный электрогенератор. Ни один тепловой двигатель не может с такой точностью поддерживать частоту вращения своего вала. Например, дизель-генераторы в установившемся режиме должны обеспечивать точность поддержания частоты ±1 %, а при сбросах и набросах нагрузок отклонение частоты может составлять ±5 % согласно ГОСТ 13822-82. Современное автоматизированное производство не может работать при таком низком качестве электроэнергии.

Рис.11.ППД с электрогенератором 10 кВт в РХТУ им. Д.И, Менделеева (2007 г.).

Известно решение этой проблемы: получение электроэнергии нестабильной частоты, выпрямление тока и применение инвертора для преобразования постоянного тока в переменный стабильной частоты.

Таким путем идут создатели микротурбин и некоторых газопоршневых электроагрегатов (ГПЭ). Очевидно, что это направление приводит к снижению КПД, увеличению стоимости (по некоторым оценкам для ГПЭ в 2-3 раза) и снижению надежности. Автор предлагает новый путь решения этой проблемы.

Сущность обнаруженного явления в том, что автором в 80-е годы 20 века теоретически была предложена, а затем экспериментально подтверждена самостабилизация частоты вращения тепловых двигателей дискретного действия (ДДД) при импульсной выработке или подаче рабочего тела через равные промежутки времени без использования датчика частоты вращения и сравнивающего устройства, подобно тому, как механические часы сохраняют постоянную частоту своего вращения за счет механического маятника (задающего генератора), взаимодействующего с нелинейным звеном, которым является анкерный механизм. ДДД, могут быть нелинейными системами с двумя степенями свободы. Они исследованы методом точечных преобразований. Для простой динамической модели, заменяющей ДДД, получено точечное преобразование для переходов между состояниями и в

точке Хп = X. = 0:

Показано, что в определенном диапазоне своих конструктивных параметров и характере нагрузки, определяемых неравенствами:

Т„<—-—. -т/у)

они способны под управлением импульсов задающего генератора вращаться с той же частотой.

На двухтактном одноцилиндровом ДВС (нагрузка - индукторный тормоз) на искровую свечу которого после запуска подавались импульсы высокого напряжения через равные промежутки времени (нелинейная система с двумя степенями свободы), установлено, что при выполнении этих неравенств явление самостабилизации наблюдалось примерно в ста из ста проведенных запусков, а при примерном равенстве левых и правых частей среднего неравенства был только один случай входа ДВС в режим самостабилизации из примерно ста попыток.

Для более сложной динамической модели получено точечное преобразование для переходов между послеударными состояниями и в точке

Численный эксперимент на этой модели показал, что ступенчатое изменение нагрузки от 100 % к 30-5 % и обратно не приводит даже к кратковременному выходу частоты вращения за пределы диапазона ее колебаний в этих двух установившихся режимах.

Понятие тепловых двигателей дискретного действия было введено автором в научный оборот в 1981 г. [15]. Это— такие двигатели, рабочий процесс которых осуществляется дискретно. К ним относятся все поршневые двигатели (как внешнего, так и внутреннего сгорания), например, паровые машины, пневматические двигатели, карбюраторные двигатели внутреннего сгорания, дизели, газопоршневые двигатели и т.д.

Значение обнаруженного явления состоит в том, что появилась возможность создать высокостабильный привод простой конструкции на основе тепловых двигателей. Такой привод может быть надежным и дешевым.

Для науки значение обнаруженного явления состоит в том, что еще один класс технических устройств, содержащих нелинейные звенья, может иметь стабилизированную частоту вращения без специально организованной обратной связи.

Изменение в уровне научного познания заключается в открытии возможности стабилизации частоты вращения значительного числа тепловых двигателей на принципиально иной основе. Получены положительные решения по заявкам на патенты на двигатель с искровым зажиганием обладающий свойством самостабилизации и поршневую расширительную машину, обладающую этим свойством [12,13].

На рис. 13 показаны результаты ступенчатого изменения нагрузки на экспериментальном двигателе (столбец 1), результаты счета на ЭВМ второй динамической модели поршневого двигателя (столбцы 2 и 3) и современных газопоршневых двигателей (столбец 4). Приведенное время Т„ = 0,01 соответствует малому моменту инерции, а приведенное время 7^ = 0,001 в 10 раз большему моменту инерции. Видно, что двигатели с самостабилизацией имеют существенно более широкий диапазон ступенчатого изменения нагрузки.

На рис. 14 приведены разрешенные зоны плавного изменения нагрузки. Видно, что современные газопоршневые двигатели требуют на порядок более плавного

изменения нагрузки, чем предполагаемые к созданию двигатели с самостабилизацией частоты вращения.

Изменение нагрузки в течение 1-го оборота

[ | • разрешенная зона изменения нагрузки

- запрещенная .зона изменения нагрузки

Дшнашьссовр. т«ЧяИ ЛТОимлир. «еЯМИ*

11ЩР. 4 тги'ин!

..{- разрешенная зона изменения нагрузки

Теория олноиилнпдр. двигатель.

0,015

Шё

Двигатель с соир.

электронной

системой

стаб. частоты 0,0016

..из

1 2 3 4

Рис.13. Диапазоны ступенчатого изменения нагрузки. Рис.14. Диапазоны плавного изменения нагрузки.

При принятии решения о применении самостабилизации для двигатель-генератора необходимо в каждом конкретном случае проводить анализ устойчивости этого режима, хотя бы используя простейшую модель. Для чего надо знать: зависимость среднего за оборот вращающего момента от угла опережения зажигания (для ДВС) или угла начала подачи пара; зависимость изменения момента сопротивления нагрузки от частоты вращения (предпочтительна вентиляторная нагрузка, наименее предпочтительна осветительная) и момент инерции нагрузки.

В шестой главе показана целесообразность применения Единой системы газоснабжения и генерации механической, электрической и тепловой энергии (ЕСГГМЭТЭ) в газифицированных регионах России.

Применение ЕСГГМЭТЭ экономит природный газ не только по причине меньшего удельного расхода природного газа поршневыми двигателями газообразного топлива и отсутствия потерь в тепловых и электрических сетях, но главным образом потому, что ЕСГГМЭТЭ предполагает комбинированную выработку электрической и тепловой энергии в каждой даже самой маленькой газовой котельной, предусматривая её модернизацию в мини-ТЭЦ или микро-ТЭЦ, с использованием поршневых двигателей. Последнее обусловлено тем, что такие двигатели имеют приемлемую экономичность при малых мощностях, больший ресурс и меньшую стоимость благодаря техническим достижениям в поршневом двигателестроении. Это позволяет непосредственно приводить ими промышленное оборудование, что не только экономит природный газ вследствие отсутствия двойного преобразования энергии (механическая—> электрическая—»механическая), но и позволяет отказаться от дорогостоящих электрогенераторов и электродвигателей.

Применение ЕСГГМЭТЭ делает экономически обоснованным взятый в национальном проекте «Доступное жилье» и проекте большой Москвы курс на малоэтажное строительство. Классический вариант при малоэтажном строительстве предполагает большую протяженность электросетей и теплосетей, высокую их стоимость, отнесенную к м2 жилья и большие потери электрической и тепловой энергии, а так-

же большие затраты электроэнергии на перекачку теплоносителя по протяженным теплосетям. Вариант использования ЕСГГМЭТЭ предполагает практическое отсутствие таких сетей.

В шестой главе показана целесообразность применения подходов ЕСГГМЭТЭ при большой плотности электрических и тепловых нагрузок на примере МР (Московский регион = Москва + Московская область), как наименее благоприятном для применения ЕСГГМЭТЭ в связи с выработкой в настоящее время около 43 % тепловой энергии комбинированно с электрической энергией. Это означает перспективность ЕСГГМЭТЭ для всей газифицированной части России, в том числе для присоединенных к Москве территорий, где плотность таких нагрузок будет меньше. Энергоснабжение этих территорий уже запланировано от газопоршневых установок.

Имеющиеся проработки предполагают наличие до 2020 г. несбалансированного в пределах Московской энергосистемы режима и покрытие дефицита и размещение резерва в ОЭС Центра не располагающей (в настоящее время и в среднесрочной перспективе) такими возможностями.

Рабочей группой Российской академии наук для увеличения надежности электроснабжения была разработана концепция технического перевооружения энергетического хозяйства Москвы и Московской области (Концепция) опубликованная в журнале «Электрические станции», 2006, №5, 7-12. В ней поставлена задача перейти на сбалансированный режим уже в 2012 г. Далеко не все требования Концепции выполняются, однако даже при полной реализации Концепции, ориентированной на газотурбинные технологии, предусматривающей электропотребление МР в 2020 г. 140,44 млрд. кВт*час после 2010 г., потребность ТЭС в природном газе не обеспечивается. Степень удовлетворенности ТЭС МР в газе на 2020 г. даже при работе Петровской ГРЭС на угле составляет 80 %. Поэтому если развивать энергетику МР только в направлениях изложенных в Концепции, то дефицит мощности в Московской энергосистеме не будет преодолен, а надежность электроснабжения не будет, с учетом отказа от строительства Петровской ГРЭС на угле, обеспечена. Решить эту проблему можно реализовав ЕСГГМЭТЭ в МР.

В условиях МР для реализации ЕСГГМЭТЭ целесообразно применять паро-поршневые двигатели (ППД), так как коэффициент электрической/механической мощности МР ниже возможного электрического КПД для паросиловых установок на базе ППД. Их применение обеспечивает потребности в электроэнергии МР в 2020 г. с превышением 1,57 млрд. кВт*час при предварительно запланированных ОАО «Газпром» на 2020 г поставках природного газа в МР. Другим преимуществом применения ППД перед газотурбинными технологиями является возможность работы на резервном топливе—мазуте, в то время как мощные газовые турбины фактически монотопливны. При этом ограничения поставок природного газа в период низких температур могут составить до 50 % потребности, как показал январь— февраль 2006 г. При применении газотурбинных технологий необходимо расширение существующего или создание нового 111X на объем 2-2,5 млрд. м3, что принято в Концепции, но еще только требует рассмотрения в ОАО «Газпром».

Учитывая, что системы теплоснабжения не допускают перерывов в электроснабжении, целесообразно в целях повышения надежности теплоснабжения обеспе-

чить работу котельных, которые в Москве называются РТС и КТС, а также водогрейных котлов ТЭЦ, независимо от сетевой электроэнергии, что возможно с помощью паропоршневых двигателей сделать достаточно быстро. Это не только увеличит надежность теплоснабжения, но сэкономит электрическую мощность, потребляемую котельными МР, оцениваемую как не менее 768 МВт без учета потребления электроэнергии водогрейными котлами ТЭЦ. Такая величина больше ограничения для потребителей электроэнергии введенного зимой 2005/06 г. (640 МВт).

Для повышения безопасности функционирования Московской энергосистемы целесообразно обеспечение автономной работы от сетей вспомогательного оборудования энергетических котлов ТЭЦ, что может быть реализовано с помощью паропоршневых двигателей, так как сохранение энергетических котлов в работе позволяет поднять ТЭЦ при «посадке на нуль» ее собственными возможностями и в сроки, вероятно, в несколько раз меньшие, обеспечивая при этом отопление путем прохождения пара в бойлеры через редукционно-охладительные устройства. Привод вспомогательного оборудования ТЭЦ ППД вместо электродвигателей увеличивает электрическую мощность электростанции и по МР дает дополнительную мощность не менее 478 МВт.

При использовании ППД для привода вспомогательного оборудования, как котельных, так и ТЭЦ может быть сэкономлена электрическая мощность более 768 + 478 = 1246 МВт. Это уже сопоставимо с дополнительными резервами ЗаГЭС и ГТУ (1450 МВт), которые могут быть использованы 4,5 часа в то время как применение ППД не ограничено во времени.

При реализации ЕСГГМЭТЭ на базе паропоршневых двигателей и применении для этого паровых котлов, 1 нм3 использованного природного газа приводит к выбросу такого количества N0* , которое предусмотрено нормативами для ГТУ, но не обеспечивается отечественными ГТУ. ЕСГГМЭТЭ экономит природный газ при комбинированной выработке электрической и тепловой энергии и предполагает разукрупнение паровых котлов, что снижает эмиссию Ж)х. В связи с этим, выбросы N0* при применении ЕСГГМЭТЭ будут гарантированно ниже, чем при применении газотурбинных и паротурбинных технологий.

ВЫВОДЫ

1. Показано, что в газифицированной части РФ целесообразно соединять источники энергии и потребителей электроэнергии и тепловой энергии не высоковольтными линиями электропередач (ЛЭП) и теплосетями, а газопроводами с комбинированной выработкой механической, электрической и тепловой энергии (коге-нерацией) на месте их потребления, то есть использовать ЕСГТМЭЭ, ориентируясь, в основном, на современные поршневые машины.

Необходимость такого подхода обусловлена следующими обстоятельствами:

- более низкой стоимостью и более высокой надёжностью газопроводов по сравнению с ЛЭП и теплосетями;

- когенерация возможна для потребителя практически любой мощности при использовании природного газа в качестве топлива, при этом уменьшается

выброс теплоты в атмосферу (через градирни и с выхлопными газами при применении двигателей внутреннего сгорания), а в конечном счете, экономится природный газ, который не расходуется для компенсации потерь в электрических и тепловых сетях;

- большим ресурсом и более низкой стоимостью поршневых двигателей, работающих на газообразном топливе по сравнению с ПТУ, ГТУ, 111 У, при малых мощностях;

- высокий КПД современных поршневых двигателей в простом цикле (реальный КПД серийных двигателей около 50 %), сопоставимый с газотурбинными 111 У и широкие возможности создания поршневых Iii У на базе

• серийно выпускаемых отечественной промышленностью поршневых двигателей внутреннего сгорания;

- возможности эффективно применять паросиловой цикл там, где он целесообразен (при коэффициенте электрической мощности потребителя меньше чем достижимый КПД ППД);

- более низкими выбросами оксидов азота паросиловыми установками с ППД по сравнению с паротурбинными и газотурбинными электростанциями.

2. Установлено, что двигатели дискретного действия (ДДД) могут обладать свойством самостабилизации частоты вращения, обеспечивая в случае привода ими синхронного электрогенератора, при автономной от сети выработке электроэнергии её качество на уровне требований ГОСТ 13109-97 на сетевую электроэнергию, на этой основе пред ложена система стабилизации частоты вращения

3. Определена область рационального применения в энергетике поршневых двигателей внутреннего сгорания газообразного топлива и паропоршневых двигателей (ППД) в зависимости от коэффициента электрической мощности потребителя [14]

Основное содержание диссертации изложено о следующих публикациях:

1. Дубинин B.C. Сопоставление систем централизованного и децентрализованного энергоснабжения в современных условия! России. Часть 1,23. -Промышленная энергетика, 2005, №9. - С. 7-12, №10. - С. 8-15, №11. - С. 11-16.

2. Титов Д.П., Дубинин B.C., Лаврухин K.M. Паровым машинам быть! - Промышленная энергетика, 2006, №1. - С. 5053.

3. Использование древесины и растительных отходов с целью получения искусственного экологически чистого твёрдого топлива для децентрализованного энергоснабжения России I Дубинин B.C., Лаврухин K.M., Степанова ТА., Титов Д.П. // Промышленная энергетика, 2006, №9. - С. 44-47.

4. Дубинин B.C. О сопоставлении систем централизованного и децентрализованного энергоснабжения в современных условиях России// Промышленная энергетика, 2007, №1.

5. О работе одного из паровых котлов ДКВ-6,5-13 в котельной автономно от электрических сетей / Дубинин В. С., Лаврухин К. М., Кормилицын С. Р., Титов Д. Ш/ Промышленная энергетика, 2007, J66. - С. 14-18.

6. О возможности применения поршневых машин в тепловой и атомной энергетике / Дубинин B.C., Лаврухин КМ., Титов Д.П., Трохин И.С. // Промышленная энергетика, 2008, ЛгЗ. - С. 40-44.

7. Котельные России должны работать без использования сетевой электроэнергии I Дубинин В. С., Лаврухин К. М., Титов Д. П. и др. // Промышленная энергетика, 2008, №7. - С. 2-8.

8. Сравнительная оценка газопоршневых, паротурбинных и паропоршневых электростанций / Дубинин B.C., Лаврухин K.M., Шкарупа С. О. и др. // Промышленная энергетика, 2008, №8. - С. 37-43.

9. Киселев В.П., Дубинин B.C., Лаврухин K.M. Автономная генерация — способ обеспечения энергетической безопасности России. — Промышленная энергетика, 2010, № 1.

10. Дубинин B.C., Лаврухин K.M., Алексеевич М.Ю., Шкарупа С.О. Применение паропоршневых технологий в котельных в качестве альтернативы внешнему электропитанию — Энергобезопасность и энергосбережение, 2010, № 6 — с. 17-20.

Способ работы поршневого двигателя и поршневой двигатель / Ульянов И. Е., Дубинин B.C., Квачев В.II. и др. //

19

Авт. СвидЛ»753001 AI, приор. 19.07.89, опубл. 07.08.98. Бюл. №29.

12 Дубинин B.C. Способ стабилизации частоты вращения двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием. Положительное решение на выдачу патента на изобретение по заявке Л"« 4951328/06 (055248) МКИ 5 F 02 D 45/00Дата подачи заявки 27.06.91.

13. Дубинин B.C. Способ работы поршневой расширительной машины. Положительное решение на выдачу патента на изобретение по заявке № 4951329/29 (055249) МКИ 5 F 02 В 25/02. Дата подачи заявки 11 №31.

14. Дубинин ас. Обеспечение независимости электро и теплоснабжения России от электрических сетей на базе поршневых технологий: Монография.—М.: Изд. МИЭЭ, 2009. — 164 с.

15. Дубинин B.C. Вопросы микроэвергегаки летательных аппаратов. // В квите «Гагаринские научные чтения по авиация и космонавтике, 1981 года. М.: Наука, 1983. - С. 211.

16. Дубинин B.C. Об условиях устойчивого сохранения частота вращения одной нелинейной нехонсервативной системы. // В кн.: Колебания, деформация, прочность, конструкции двигателей летательных аппаратов: Тематический сборник научных трудов. - M.: Издательство МАИ, 1991.-С. 15-18.

17. Дубинин B.C. Об устойчивости в большой сохранения частота вращения одной нелинейной неоконсервативной системы. // В кн.: Конструкция двигателей летательных аппаратов, их прочность и надежность: Тематический сборник научных тру-дов.-М.: Издательство МАИ, 1991. - С. 60-65.

18. Дубинин B.C. Двигатели для решения локальных энергетических щюблем. // В книге «Малые города верхнекамья. Экономика. Эколошя. Культура». Березники, 1994. - С. 49-50.

19. Дубинин B.C., Лаврухин КМ. Перспективы использования поршневых машин для децентрализованной комбинированной выработки тепловой и электрической энергии. - Строительные материалы, оборудование и технологии XXI века, 2001, №6. -С. 30-31, №7. -С. 36-37.

20 Дубинин B.C., Лаврухин K.M. Комбинированная выработка тепловой и электрической энергии в котельных. - Новости теплоснабжения, 2002, №4. - С. 44-47, №5. - С. 45-49, №6. - С. 28-30.

21. Дубинин B.C., Лаврухин КМ. Котельные могут обесточить Россию электроэнергией с меньшей затратой газа автономно от электрических сетей РАО «ЕЭС России».// Тезисы докладов международной научно-практической конференции «Малая энергетика -2003» 11-14 ноября 2003 г. г. Обнинск. - С. 64-65.

22. Дубинин B.C., Лаврухин K.M., Титов Д.П., Перспективы применения паропоршневых двигателей дм привода вспомогательного оборудования илельных // Тезисы доевдв ьюкаугеродгй шучкиракпяажй имферетдаи «Малая энергетика 2003» 1114 ноября 2003 г., г. Обнинск. - С.62-63.

23. Дубинин В.С, Лаврухин КМ, Титов ДП. Сопоставление централизованных и децентрализованных систем энергоснабжения в связи с ожидаемой ситуацией в энергетике РоссииЛ Тезисы докладов международной научно-практической конференции «Малая энергетика—2004» 11-14 октября 2004 г. г. Москва.-С. 19-21.

24. Дубинин B.C., Лаврухин ЮМ, Титов Д.П., Роль паропоршневых двигателей в реформировании энергетики России.// Тезисы докладов международной научно-практической конференции «Малая энсргетка-2004» 11—14 октября2004г., г. Москва. - С. 134135.

25. Беляев A.A., Дубинин B.C. Мини ТЭЦ с топками кипящего слоя на высокозольном угле. // Тезисы докладов на международной научно-практической конференции «Малая энергетика-2005», 11-14 октября 2005 г., г. Москва.

26. Беляев A.A., Дубинин B.C., Лаврухин КМ., Першин ЛИ., Титов ДП. Паросиловая установка (локомобиль) не подлежащая регистрации в органах Гостехнадоора с топкой кипящего слоя на древесных отходах. // Тезисы докладов на международной научно-практической конференции «Малая энергегаха-2005», 11-14 октября 2005 г., г. Москва.

27. Дубинин B.C., Лаврухин КМ, Першин Л.И., Титов ДП. Паросиловая установка (локомобиль) не подлежащая регистрации в орпшах Гостехнадоора с топкой вибрационного горения под наддувом на древесных отходах. // Тезисы докладов на международной научно-щ>аютческой конференции «Малая энергегша-2005», 11-14 октября 2005 г., г. Москва.

28. Дубинин B.C., Лаврухин КМ, Титов Д.П. Сопоставление систем цешралкюваннпго и децентрализованного энергоснабжения в современных условиях России.- Полимергаз, 2005, №2. - С. 54-60, №3. - С. 62-66.

29. Дубинин B.C., Лаврухин КМ, Титов Д.П. Сопоставление систем централизованного и децентрализованного энергоснабжения в газифицированных регионах России,- Реформа ЖКХ, 2005, №4. - С. 18-29.

30. Дубинин B.C., Лаврухин K.M., Титов Д П. Роль паропоршневых двигателей в реформировании коммунальной энергетики России.-// Реформа ЖКХ, 2005, №3. - С. 45.

31. Дубинин B.C., Лаврухин К JA, Титов Д,П. К вопросу о применении паропоршневых машин. — Турбины и дизели, 2006, №2. -С. 16-20.

32. Дубинин B.C., Лаврухин КМ., Титов ДЛ. Паропоршневые двигатели в реформировании коммунальной энергетики. - Турбины и дизели, 2006, №6. - С. 48-49.

33. Дубинин B.C. Автономное электро и теплоснабжение на базе порпшевых технологий: Учебное пособие. — М.: Изд. МИЭЭ, 2009, —164 с.

34. Дубинин Владимир, Лаврухин Константин, Алексеев Александр, Титов Дмитрий, Першин Леонид, Шкарупа Сергей, Тро-хин Иван, Алханов Денис, Погорельский Евгений. Какими должны быть котельные? — Коммунальный комплекс России 2009, №11-12; 2010, №1; 2010, №2; 2010, №3; 2010, №4.

35. Брянцев В. А., Дубинин B.C., Лаврухин K.M., Трохин И.С. Паровые двигатели XXI века для малых ТЭЦ. — Труды 7-й международной научно-прахтнчсской конференции (18-19 мая 2010 г., Москва, ГНУ ВИЭСХ) часть 1.

36. Дубинин. B.C., Лаврухин КМ, Алексеев AB, Титов ДП, Першин ЛИ, Шкарупа С.О, Трохин ИС, Алханов ДВ, Погорельский Е И. Котельные России должны работать без сетевой электроэнергии. — Альтернативный киловатт, 2010, № б.—С. 38-43; 2011, №1. —С.30-35.

37. Дубинин. B.C., Шкарупа С.О, Лаврухин М.К, Котельные должны работать автономно - Энергосбережение, 2011, №8. -С.56-61.

38. Трохин ИС, Дубинин B.C., Технологии когенерацив и тригенерацни на мини-теплоэлектроцентралях с паровыми моторами. —Труды 8-ймежяунгфоднойнаучжн1факхическойконферешда(16-17мая2012г,Москва,П1У ВЮ(^часгь 1.

Подписано в печать ¡6.Р$>ШЬГ. Зак. Шб Тир. WO П.л. IXS Полиграфический центр МЭИ, Красноказарменная ул.,д.13

І

Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ»

На правах рукописи

04201358078

ДУБИНИН ВЛАДИМИР СЕРГЕЕВИЧ

Совершенствование систем энергоснабжения в газифицированных регионах

России на базе поршневых технологий

Специальность: 05.14.01 — Энергетические системы и комплексы

Диссертация

На соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н. А.А. Беляев

Москва-2013 г.

Содержание

Введение...................................................................................................................б

Актуальность темы.........................................................................................6

Цель работы.....................................................................................................8

Научная новизна.............................................................................................9

Практическая ценность................................................................................10

Личное участие.............................................................................................12

Апробация работы........................................................................................12

Глава 1. Развитие комбинированной выработки электрической и тепловой энергии (теплофикации, когенерации) — как наиболее эффективного способа экономии топлива. Цель и постановка " задачи исследования.....................................................................................14

1.1. Комбинированная выработка электрической и тепловой

энергии (теплофикация, когенерация) — как наиболее эффективный способ экономии топлива..........................................14

1.2. Развитие различных подходов к когенерации в энергетике

России с 30-х годов прошлого века до рубежа столетий...............14

1.3. Перспективы децентрализованной генерации электроэнергии........22

1.4. Распределённая генерация электроэнергии........................................31

1.5. Автономная генерация электроэнергии и понятие о

предлагаемой Единой системе газоснабжения и генерации механической, электрической и тепловой энергии

(ЕСГГМЭТЭ).......................................................................................32

1.5.1. Опыт применения газопоршневых двигателей в народном

хозяйстве.................................................................................................33

1.6. Цель и постановка задачи исследования.............................................41

Глава 2. Сопоставление надежности и стоимости прокладки

линейной части Единой электроэнергосистемы (ЕЭЭС) и Единой системы газоснабжения и генерации механической, электрической и тепловой энергии (ЕСГГМЭТЭ).................................43

2.1. Сопоставление надежности линейной части Единой

электроэнергосистемы (ЕЭЭС) и Единой системы газоснабжения и генерации механической, электрической и тепловой энергии (ЕСГГМЭТЭ).......................................................43

2.2. Сопоставление стоимости прокладки линейной части Единой

электроэнергетической системы (ЕЭЭС) и Единой системы газоснабжения и генерации механической, электрической и тепловой энергии (ЕСГГМЭТЭ).......................................................52

2.3. Выводы по главе 2.................................................................................61

Глава 3. Сопоставление генерирующих частей Единой

электроэнергетической системы (ЕЭЭС) с предлагаемой Единой системой газоснабжения и генерации механической,

электрической и тепловой энергии (ЕСГГМЭТЭ).................................64

3.1. Непосредственный привод оборудования в ЕСГГМЭТЭ.................64

3.2. Сопоставление генерирующих частей ЕЭЭС с ЕСГГМЭТЭ при

работе по конденсационному циклу по удельному расходу топлива и электрическому КПД........................................................65

3.3. Сопоставление генерирующих частей ЕЭЭС с ЕСГГМЭТЭ при

работе по теплофикационному циклу...............................................74

3.4. Сравнение установок на базе газовых турбин с

газопоршневыми установками по стоимости установленного кВт........................................................................................................76

3.5. Сравнение двигателей электростанций по ресурсу...........................79

3.6. Производственные возможности замены выходящего за

парковый ресурс теплоэлектрогенерирующего оборудования России отечественными газопоршневыми и паропоршневыми электростанциями...............................................................................83

3.7. Выводы по главе 3.................................................................................85

Глава 4. Паропоршневые двигатели...............................................................86

4.1. Возможные области рационального применения

паропоршневых двигателей в коммунальной и промышленной энергетике............................................................................................86

4.2. Возможности применения ППД в паровых котельных.....................87

4.3. Коэффициент электрической/механической мощности

потребителя электрической/механической и тепловой энергии.... 89

4.4. Применение паросиловых установок в паровых и водогрейных

котельных.............................................................................................92

4.5. Пример технико-коммерческого предложения применения

паропоршневых двигателей на при их использования для привода вспомогательного оборудования котельной.....................97

4.6. Обзор работ автора по созданию экспериментальных образцов

ППД....................................................................................................108

4.7. Возможности применения ППД для мини- и микро-ТЭЦ..............112

4.8. Возможность применения паропоршневых двигателей для

привода вспомогательного оборудования тепловых электростанций..................................................................................117

4.9. Выводы по главе 4...............................................................................119

Глава 5. Явление самостабилизации частоты вращения поршневых

двигателей и автономная генерация электроэнергии.........................120

5.1. Проблема стабилизации частоты тока...............................................120

5.2. Физика явления самостабилизации...................................................123

5.3. Периодическое решение и его устойчивость....................................131

5.3.1. Неподвижная точка преобразования.............................................131

5.3.2. Устойчивость неподвижной точки преобразования..................132

5.4. Возможность реализации полученных условий стабилизации

частоты вращения в двигатель-генераторной установке.............138

5.5. Динамическая модель двигателя дискретного действия с

постоянным тормозящим моментом между двумя разгоняющими ударами....................................................................140

5.6. Экспериментальное исследование явления само стабилизации.....145

5.7. Выводы по главе 5...............................................................................154

Глава 6. Предложения на базе высоких технологий к концепции

Энергетической стратегии России до 2020 г. в

газифицированных регионах....................................................................157

6.1. Целесообразность применения Единой системы газоснабжения

и генерации механической, электрической и тепловой энергии (ЕСГГМЭТЭ) в энергетике России.................................................157

6.2. Особенности применения Единой системы газоснабжения и

генерации механической, электрической и тепловой энергии (ЕСГГМЭТЭ) при реализации национального проекта «Доступное жилье»...........................................................................158

6.3. Особенности применения Единой системы газоснабжения и

генерации механической, электрической и тепловой энергии (ЕСГГМЭТЭ) при большой плотности электрических и тепловых нагрузок............................................................................159

6.3.1. Сложившаяся ситуация в Московском регионе.........................160

6.3.1.1. Снижение надежности электроснабжения Московского региона........................................................................................................:........................................160

6.3.1.2. Пути решения проблемы ненадежности электроснабжения Московского региона, предложенные рабочей группой РАН и недостаточность этих мер...................................................................................................161

6.3.1.3. Недопустимость перерывов электроснабжения в мегаполисах......................................................................................................................................164

6.3.2. Вариант решения проблемы надежного теплоснабжения Московского региона при ненадежном электроснабжении......165

6.3.3. Повышение безопасности функционирования Московской энергосистемы путем автономной от электросетей работы вспомогательного оборудования ТЭЦ...........................................168

6.3.4. Экономия электроэнергии путем автономизации работы вспомогательного оборудования источников тепловой энергии от электросетей....................................................................169

6.3.5. Возможности технического перевооружения энергетического хозяйства Москвы и Московской области на основе Единой системы газоснабжения и генерации механической, электрической и тепловой энергии (ЕСГГМЭТЭ)........................................................................................176

6.3.5.1. Оценка коэффициента электрической/механической мощности для МР........................................................................................................................177

6.3.5.2. Пример возможного применения паросиловой установки в МР..............................................................................................................................................................179

6.3.5.3. Возможности покрытия потребностей МР в электроэнергии в 2020 г. при использовании ЕСГГМЭТЭ................................................................183

6.3.5.4. Сопоставление энергетики МР построенной на базе применения ЕСГГМЭТЭ с энергетикой запланированной к

постройке по эмиссии Ж)х................................................................................................183

6.4. Выводы по главе 6...............................................................................186

Основные выводы.............................................................................................191

Список литературы..............................................................................................193

Приложения..........................................................................................................218

Введение

Актуальность темы

Руководство России взяло курс на снижение энергетических затрат при производстве продукции и в жилищно-коммунальном хозяйстве. Особенно важна экономия природного газа, что обусловлено ограниченностью ресурсов и ростом цен на него, в том числе в связи с ухудшением горно-геологических и географических условий добычи. В России основная часть электроэнергии вырабатывается из природного газа. Как известно, наиболее эффективным способом экономии топлива является переход от раздельной выработки электрической энергии на конденсационных электростанциях (КЭС) и тепловой энергии в котельных к комбинированной выработке электрической и тепловой энергии на теплоэлектроцентралях— ТЭЦ (теплофикация, когенерация). Однако, коэффициент использования теплоты сгорания топлива классических паротурбинных ТЭЦ России всего 60-65 %. Применение таких ТЭЦ предполагает использование теплосетей протяженностью до 20 км и электросетей. При этом потери тепловой энергии в теплосетях могут превышать 30%, а электрической в электросетях 13%. Поэтому идея теплофикации дискредитируется и уже несколько десятков лет, в научных журналах и на научно-технических конференциях идет дискуссия по вопросу: «Когенерация или крышные котельные и поквартирное отопление должны использоваться в газифицированных регионах России?». Началась ликвидация созданной ранее уникальной теплофикационной системы: предприятия строят свои газовые котельные, ТЭЦ лишаются тепловой нагрузки, становятся убыточными и закрываются.

Строительство газотурбинных мини-ТЭЦ электрической мощностью 612 МВт в одном агрегате на базе крупных котельных (районных тепловых станций РТС) в г. Москве дает импульс в развитии систем теплоснабжения. Однако, по разным причинам это возможно только для очень ограниченного числа таких котельных и невозможно для средних котельных (квартальных

теплостанций, КТС) и мелких котельных. Поэтому актуальна задача анализа возможности применения комбинированной выработки электрической и тепловой энергии (когенерации) в каждой котельной на основе высоких технологий.

Настоящая работа посвящена сравнительному анализу централизованной и децентрализованной комбинированной выработке электрической- и тепловой энергии. Автором разработаны предложения, которые можно назвать «Концепция Единой системы газоснабжения и генерации механической, электрической и тепловой энергии (ЕСГГМЭТЭ)». В этой системе потребители электрической энергии соединены не электросетями, а газопроводами. Электрическая энергия вырабатывается автономно от внешних электросетей и комбинированно с тепловой энергией. Оба вида энергии потребляются на месте их производства, что исключает протяженные и ненадежные магистральные теплосети и системообразующие электросети вместе с потерями энергии в них. Показана целесообразность применения для ЕСГГМЭТЭ поршневых двигателей с учетом научно-технических достижений за последние 20 лет в этой области.

Актуальность именно автономной генерации обусловлена высокой платой за присоединение к электросетям и проблемами при получении разрешения на присоединение к ним, в т.ч., убыточным для владельца генерации диспетчерским графиком (останов генерации в периоды ночных провалов нагрузки в сети и т.д.).

Известно, что при автономной от сети -генерации электроэнергии возникают проблемы с её качеством (нестабильность частоты тока). Ориентация ЕСГГМЭТЭ именно на автономную от сетей генерацию электроэнергии стала возможной в результате разработанного автором на базе свойств нелинейных систем с двумя степенями - свободы нового способа стабилизации частоты вращения, что обеспечивает приемлемое качество электроэнергии.

Автор показал целесообразность использования децентрализованной комбинированной выработки электрической и тепловой энергии с помощью поршневых двигателей в 1994 г. [1], но тогда такой подход противоречил общепринятой концепции и не мог быть опубликован в научно-технических журналах. Информационная блокада была прорвана только в 2000 г. [2]. Сейчас обоснованное автором применение ППД в кооперационных установках распределённой генерации дополняет и расширяет номенклатуру приводных двигателей для энергетических установок Технологической платформы «Малая распределенная энергетика», утверждённой Правительственной комиссией по высоким технологиям и инновациям 1 апреля 2011 г.

Цель работы

- обосновать техническую возможность и экономическую целесообразность перехода на комбинированную выработку тепловой и электрической энергии в газифицированных регионах России.

- доказать, что в России установки малой энергетики, базирующиеся на сжигании природного газа, способны заменить значительную часть выходящих за пределы паркового ресурса ТЭЦ и КЭС, работающих на природном газе.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести сравнительный анализ:

• - надежности линейной части существующей единой электроэнергосистемы ЕЭЭС с предлагаемой ЕСГГМЭТЭ (глава 2);

- стоимостных показателей прокладки линейной части существующей ЕЭЭС с предлагаемой ЕСГГМЭТЭ (глава 2);

- генерирующей части существующей ЕЭЭС с предлагаемой ЕСГГМЭТЭ по: расходу топлива, стоимости, ресурсу (глава 3);

2. оцепить производственные возможности отечественных производителей генерирующего оборудования для ЕСГГМЭТЭ (глава 3);

3. определить области рационального применения в ЕСГГМЭТЭ поршневых двигателей внутреннего сгорания, работающих на природном газе, и паросиловых установок с паропоршневыми двигателями (глава 4);

4. показать возможность обеспечения качества электроэнергии на уровне сетевого при выработке ее автономно от сети без ее двойного преобразования (глава 5);

5. разработать предложения к концепции энергетической стратегии России до 2020 г. в газифицированных регионах (глава 6);

6. провести анализ целесообразности применения ЕСГГМЭТЭ для больших плотностей тепловых и электрических нагрузок на частном случае Московского региона (глава 6).

Научная новизна

1. Впервые разработана концепция Единой системы газоснабжения и генерации механической, электрической и тепловой энергии (ЕСГГМЭТЭ), которая обосновывает перспективы комбинированной выработки электрической и тепловой энергии автономно от внешних электросетей, что исключает протяженные и ненадежные теплосети и электросети вместе с потерями энергии в них.

2. Обоснована целесообразность применения для ЕСГГМЭТЭ поршневых двигателей с учетом новейших научно-технических достижений в этой области на основе сравнительного анализа таких двигателей с газовыми и паровыми турбинами по экономичности, стоимости и ресурсу.

3. Впервые разработана система стабилизации частоты вращения поршневых двигателей и других двигателей дискретного действия, приводящих электрогенераторы, работающие автономно от сети, что позволяет при использовании ЕСГТМЭТЭ обеспечить поддержание

частоты тока с заданной точностью, в том числе при резком и глубоком изменении нагрузки.

4. Впервые предложены и использованы в научно-технической литературе следующие понятия:

- Единая система газоснабжения и генерации электрической и механической энергии (ЕСГГМЭЭ, 2001 г.);

- двигатели дискретного действия (ДДД, 1983 г.);

- паропоршневые двигатели (ИНД, 2005 г.);

- коэффициент электрической/механической мощности потребителя электрической/механической и тепловой энергии щ (2009 г.).

5. Впервые разработаны методические основы выбора двигателя внутреннего сгорания ил