МОДУЛЬНАЯ ТВЕРДОТОПЛИВНАЯ СИЛОВАЯ
УСТАНОВКА серии МТСУ22 (угольная теплоэлектростанция) Техническое предложение
(предварительное)
АННОТАЦИЯ
В техническом предложении содержится краткая информация о модульной
твердотопливной силовой установке серии МТСУ22.
Она предназначена для привода
турбогенератора в составе экологически
чистых энергосберегающих тепло-электростанций 5-го
поколения, работающих на твердых видах топлива, в классе мощностей свыше
10 МВт.
ВВЕДЕНИЕ
Постепенное исчерпание запасов ископаемых
топлив несет человеческой цивилизации серьезные вызовы и угрозы.
Несмотря на то, что решение энергетических проблем найдено [1], его
массовое внедрение будет осуществляться в течение длительного периода
времени. И пока этого не произойдет,
человечеству потребуются все возможные источники энергии. В историческом плане мы находимся на границе смены
ископаемого периода мировой энергетики переходным, для которого
использование угля и торфа для выработки тепла и электричества является
характерной особенностью. В частности
"Энергетическая стратегия до 2020 г." предусматривает увеличение доли
угольной энергетики в России с 20 до
30% и это только начало долгосрочной
тенденции.
Основной проблемой угольной э нергетики является
то, что на единицу электроэнергии она производит вдвое больше
выбросов парниковых газов в атмосферу, чем газовая.
Общеизвестные на сегодняшний день технологии
чистого сжигания
угля, например за счет его
переработки в газ, сжигаемый для выработки электроэнергии, позволяют на
30% снизить удельные выбросы CO2, но стоимость электроэнергии при этом
удваивается.
Отсутствие технического решения, обеспечивающего приемлемый компромисс
между экологией и экономикой угольной энергетики, приводит к массовому
отказу, в том числе законодательному, от новых проектов угольных
электростанций. Такая картина характерна в частности для США.
Предлагаемая модульная твердотопливная силовая установка проекта 22
(МТСУ22), создаваемая на основе новых уникальных
технических решений, разработанных в процессе ряда фундаментальных и
прикладных исследований, осуществленных Научно-исследовательской
лабораторией двигателестроения (НИЛД) и Исследовательским центром силовых
и энергетических установок (ИЦСЭУ) в
г. Рыбинске в течение последних 15 лет, позволяет решить эту проблему.
Примененные
в ней энергосберегающие экологически
чистые технологии позволяют доступными по цене средствами реализовать, в
связке с турбогенератором, высоко эффективное и экологически чистое
превращение химической энергии угля, торфа, мазута, природного газа и
других топлив, в тепло и электричество.
1 МОДУЛЬНАЯ ТВЕРДОТОПЛИВНАЯ СИЛОВАЯ
УСТАНОВКА
1.1 Назначение
1.2 Технические характеристики
По антропоцентрической классификации МТСУ22 относится к изделиям 5-го
поколения, для которых характерны развитые способности самоадаптации к
внешним условиям, воздействиям и режимам эксплуатации. Основные
технические характеристики силовой установки для теплоэлектростанции
мощностью 100 МВт (одной МТСУ22-100 или двух МТСУ22-50) приведены в
таблице для различных топлив. Данные по теплотворной способности и
зольности топлив взяты из источников [2,3]. Высокие значения топливной экономичности МТСУ22 в
сочетании с возможностью работы на местных видах твердого топлива
позволяют при их внедрении снизить себестоимость выработки тепла и
электричества на 15…25% по отношению к традиционным угольным ТЭЦ и
ТЭС.
1
Мощность
номинальная..............................................................................................105МВт 2
Эффективный
КПД.......................................................................................................60% 3
Масса без камеры
сгорания......................................................................................15т 4
Габаритные размеры без камеры
сгорания...........................................................2 х2,5
х3м
5 Расход топлива на режиме номинальной мощности:
каменный уголь (Hu= 31,4…35,6 МДж/кг)
................................................................17,7…20,06
т/час
бурый уголь (Hu = 12,5…14,6 МДж/кг)
.....................................................................43,15…50,4
т/час
торф (Hu = 10,48…12,58 МДж/кг)
.............................................................................50,1…60,1
т/час
мазут (Hu = 40,74…41,454 МДж/кг)
.........................................................................15,2…15,46
т/час
природный газ (Hu = 48,744 МДж/кг)
.......................................................................12,925
т/час
6 Удельный расход топлива:
каменный уголь (Hu =31,4…35,6 МДж/кг)
.................................................................0,169…0,191
кг/(кВт час)
бурый уголь (Hu =12,5…14,6 МДж/кг)
........................................................................0,411…0,48
кг/(кВт час)
торф (Hu =10,48…12,58 МДж/кг)
................................................................................0,477…0,572
кг/(кВт час)
мазут (Hu = 40,74…41,454 МДж/кг)
............................................................................0,145…0,147
кг/(кВт час)
природный газ (Hu = 48,744 МДж/кг)
..........................................................................0,123
кг/(кВт час) 7
Золообразование на режиме номинальной мощности:
каменный уголь (Ad=29…38%)
...................................................................................5,13…7,62
т/час
бурый уголь (Ad=34…38%)
.........................................................................................14,67…19,15
т/час
торф (Ad=23%)
..............................................................................................................11,52…13,82
т/час
мазут (Ad=0,04…0,14%)
...............................................................................................0,006…0,022
т/час
природный газ (Ad=0%)
................................................................................................0
т/час
1.3 Схемное решение силовой установки
Принципиальная схема силовой
установки серии МТСУ22 показана на рисунке 1.
Рисунок 1 - принципиальная схема силовой установки
серии МТСУ22
1 - модульная твердотопливная силовая
установка (МТСУ); 2 - модуль подготовки воздуха (МПВ); 3 -
модуль-двигатель (МД); 4 - модуль выносной камеры сгорания (МВКС); 5 -
модуль подготовки воды (МПВо); 6 - вентилятор (В); 7 - пылезащитное
устройство (ПЗУ); 8 - устройство шумоглушения и влагоотделения (УШВО); 9 -
центробежный компрессор; 10 - компрессор объемного типа; 11 - камера
сгорания (КС); 12 - парогенератор (ПГ); 13 - очищающее устройство (ОУ); 14
- турбина объемного типа; 15 - стартер-генератор (СГ); 16 - блок
управления стартер-генератором (БУСГ); 17 - дозатор твердого топлива
(ДТТ); 18 - модуль
подготовки смазочного масла (МПСМ) А - подвод
воздуха из атмосферы; В - сброс продуктов сгорания в атмосферу; C - подвод
воды (безрасходный); D - управляющий сигнал
количества топлива; Е - подвод топлива; F - отвод золы и шлака; G - отвод
механической мощности; H - подвод масла
(безрасходный); K - низковольтная сеть постоянного тока; M - управляющий
сигнал стартер-генератора
Силовая установка серии МТСУ22 1 состоит четырех основных модулей: модуля
подготовки воздуха 2, модуль-двигателя 3, модуля выносной камеры сгорания
4 и модуля подготовки воды 5.
Работает МТСУ22 следующим образом. Воздух из атмосферы по каналу А
направляется в МПВ 2, где подается на вход вентилятора 6. От него под
избыточным давлением воздух направляется в ПЗУ 7, где происходит
разделение потоков на чистый и запыленный. Поток запыленного воздуха
направляется в УШВО 8, в котором смешивается с продуктами сгорания и
сбрасывается в атмосферу по каналу В. Поток чистого воздуха направляется
на вход центробежного компрессора 9, где давление его повышается и далее
он попадает в модуль-двигатель 3 на вход компрессора объемного действия
10. Сжатый в нем воздух под высоким давлением направляется в камеру
сгорания 11, находящуюся в МВКС 4.
В камеру сгорания 11 по каналу E через дозатор твердого топлива 17
подается топливо, которое сгорает в кислороде воздуха, повышая температуру
продуктов сгорания до высоких значений. Далее продукты сгорания
направляются в парогенератор 12, в котором они охлаждаются за счет впрыска
воды, поступающей под давлением от модуля подготовки воды 5. Охлажденная
парогазовая смесь попадает в очистное устройство 13, в котором из нее
удаляется не менее 99,9% золы и шлака, удаляемого по каналу F. Очищенная
парогазовая смесь возвращается в МД 3, где попадает на вход турбины
объемного действия 14. В ней парогазовая смесь совершает работу, ее
давление и температура снижаются. Под остаточным давлением парогазовая
смесь направляется в УШВО 8, где отделяется от водяного конденсата,
смешивается с запыленным воздухом из вентилятора 6, глушится и
сбрасывается в атмосферу по каналу В. Отделившийся водяной конденсат
направляется в МПВо 5, где очищается от химических загрязнений и далее под
давлением направляется в парогенератор 12. В нормальных условиях
эксплуатации обеспечивается баланс расхода и восстановления воды. При
техническом обслуживании недостаток воды восстанавливается по каналу С.
В МТСУ22 потребителями механической энергии являются вентилятор 6,
центробежный компрессор 9, компрессор объемного действия 10, а ее
производителем является турбина объемного действия 14. Избыток
вырабатываемой ею мощности направляется по каналу G на привод
турбогенератора для выработки электроэнергии.
Запуск МТСУ22 осуществляется за счет встроенного стартер-генератора 15,
управляемого собственным блоком управления 16. После запуска силовой
установки стартер-генератор 15 переводится в режим генератора и снабжает
электроэнергией низковольтную внутреннюю сеть постоянного тока.
Смазка модуль-двигателя 3 обеспечивается за счет функционирования модуля
подготовки смазочного масла 18.
Энергетическая эффективность МТСУ 22 настолько велика, что остается мало
тепла для его утилизации и оно имеет низкий потенциал. Температура
парогазовой смеси после турбины может снижаться до 100 С.
Соответственно, утилизация тепла при применении МТСУ22 в составе
теплоэлектростанции возможна в диапазоне 60…95 С. Ее целесообразно
осуществлять водо-водяным теплообменником, устанавливаемым между МПВо 5 и
парогенератором 12. Возможны и другие схемы утилизации тепла.
1.4 Термодинамический цикл
Идеальный термодинамический
цикл, по которому работают силовые установки серии МТСУ22, показан на
рисунке 2.
Рисунок 2 - идеальный
термодинамический цикл силовых установок серии МТСУ22 0-1 - сжатие; 1-2 - подвод тепла; 2-3 - подвод
массы; 3-4 (2-5) - расширение; 4-5-6 - выхлоп; 6-0
- отвод тепла и массы q - подвод или отвод тепла;
m - подвод или отвод массы 0-1-2-5-6-0 - простой
цикл; 0-1-2-3-4-6-0 - комбинированный цикл
Непрерывный процесс сгорания при постоянном объеме реализуется в камере
сгорания фиксированного объема, на вход которой подается воздух от
компрессора объемного типа. Отношение эквивалентной объемной
производительности турбины и компрессора определяют тип термодинамического
цикла. При их равенстве единице реализуется цикл "Отто", характерный для
бензиновых двигателей. При отношении свыше единицы реализуется "смешанный
цикл", характерный для дизельных двигателей.
Комбинированный термодинамический цикл реализуется впрыском воды в камеру
сгорания после зоны интенсивного горения топлива. При этом давление в
цикле повышается до величины, при которой массовая производительность
турбины равна суммарной производительности по продуктам сгорания и
водяному пару.
Впрыск воды в камеру сгорания постоянного объема в сочетании с
компрессором и турбиной объемного типа дает существенное увеличение
полезной работы цикла. При этом его КПД увеличивается от 10 до 20% в
зависимости от количества впрыскиваемой воды.
2 СХЕМНОЕ РЕШЕНИЕ ТВЕРДОТОПЛИВНОЙ КАМЕРЫ
СГОРАНИЯ
Условная схема
работы модуля выносной камеры сгорания показана на рисунке 3.
Рисунок 3 - условная схема работы модуля камеры
сгорания 1 - бункер-накопитель твердого топлива; 2
- дозатор твердого топлива; 3 - камера сгорания; 4 - жаровая труба; 5 -
форсунка газового топлива с воспламенителем; 6 - форсунка жидкого топлива;
7 - подвод воздуха; 8 - зона левитации твердого топлива; 9 - камера охлаждения и очистки; 10 - коллектор
водяных форсунок; 11 - система тонкой очистки парогазовой смеси; 12 - трубопровод отвода парогазовой смеси; 13 -
бункер для шлака и золы; 14 - устройство выгрузки шлака; 15 - водяная
рубашка камеры охлаждения и очистки; 16 - водяная рубашка камеры сгорания;
17 - трубопровод подвода воды под высоким давлением; 18 - транспортер
твердого топлива; 19 - твердое топливо; 20 - транспортер шлака и золы; 21
- шлак и зола
Работает
модуль выносной камеры сгорания следующим образом. При запуске МТСУ22
сжатый воздух по трубопроводу 7 поступает в камеру сгорания 3. В форсунку
5 подается газовое топливо, которое воспламеняется собственным
воспламенителем. После розжига пускового факела предварительно
измельченное твердое топливо (уголь, торф) из бункера-накопителя 1 через
дозатор 2 подается в камеру сгорания. Из-за конструктивных особенностей и
из-за закрутки воздуха твердое топливо в жаровой трубе 4 подвешивается в
пространстве в зоне левитации 8. В ней создаются условия для постоянного
горения твердого топлива аналогичные схеме сгорания, получившей названия
"кипящего слоя". После
устойчивого розжига твердого топлива подача газового топлива прекращается.
По мере выгорания зола и шлак перемещаются ближе к центру оси жаровой
трубы 4 и вместе с продуктами сгорания переносятся в камеру охлаждения и
очистки 9. В начале этой камеры осуществляется впрыск воды из форсунок,
объединенных общим коллектором 10. В зоне
левитации 8 условия горения подобраны так, что плавление шлака не
происходит, но в момент его уноса продуктами сгорания он плавится, образуя
мелкие капли. В зоне охлаждения под воздействием воды он застывает в виде
микрогранул, которые осыпаются в бункер для шлака и золы 13. И через
устройство для выгрузки шлака 14 покидают модуль камеры сгорания.
Охлажденная парогазовая смесь дополнительно очищается системой тонкой
очистки 11 и по трубопроводу 12 возвращается в модуль-двигатель. При
необходимости в камере сгорания могут сжигаться газообразные топлива, по
даваемые через форсунку 5 и жидкие топлива, подаваемые через форсунку
6. Для
охлаждения внешних стенок вокруг камер сгорания, охлаждения и очистки
выполнены водяные рубашки 16 и 15, в которые подается вода через
трубопровод 17 под высоким давлением. Впоследствии вода из этих водяных
рубашек направляется в коллектор водяных форсунок 10 и впрыскивается в
зону охлаждения.
3 СХЕМНОЕ РЕШЕНИЕ ТЕПЛОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ НА ОСНОВЕ
МТСУ22
Теплоэлектростанция на основе МТСУ22 будет состоять из модуля выносной
камеры сгорания, (см. рис. 3) и мотор-генераторного модуля, условная схема
монтажа которого показана на рисунке 4. Весь
мотор-генераторный модуль монтируется на общей раме 1 с последовательным
расположением компонентов. Модуль-двигатель имеет два вылета вала, которым
через основную соединительную муфту 3 он соединяется с турбогенератором 4
и через вспомогательную муфту 6 с модулем подготовки воздуха 7.
Далее за модулем подготовки воздуха располагаются, объединенные водяными
трубопроводами, модуль подготовки воды 8, водо-водяной теплообменник 9 и
водяной насос высокого давления с электроприводом 10.
Модуль-двигатель за счет избыточной мощности вращает турбогенератор 4. В
нем механическая энергия преобразуется в электрическую и через сетевые
контакты 5 направляется в электросеть.
Рисунок 4 - условная схема монтажа основных
компонентов теплоэлектростанции на основе
МТСУ22 1 - рама; 2 - модуль-двигатель; 3 -
основная соединительная муфта; 4 - турбогенератор; 5 - сетевые контакты
турбогенератора; 6 - вспомогательная соединительная муфта;7 - модуль
подготовки воздуха; 8 - модуль подготовки воды; 9 - водяной теплообменник;
10 - водяной насос высокого давления с электроприводом; 11 - трубопровод
подвода воздуха к модулю камеры сгорания; 12 - трубопровод отвода
парогазовой смеси от модуля камеры сгорания; 13 - трубопровод сброса
парогазовой смеси в модуль подготовки воздуха; 14 - трубопровод подвода к
МД чистого воздуха; 15 - подвод воздуха из атмосферы; 16 - сброс продуктов
сгорания в атмосферу; 17 - трубопроводы горячей воды для потребителей
тепла
4 НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ЗАДЕЛ ПРОЕКТА
К моменту
выявления потребности в создании энергосберегающих экологически чистых
теплоэлектростанций, работающих на твердом топливе, в ИЦСЭУ, были
проработаны практически все требующиеся для них решения.
4.1 Топливная всеядность
4.2 Комбинированный
термодинамический цикл
4.2.1 Энергосбережение
Объединение двух
термодинамических циклов, теплового и парового двигателей, в одной машине
позволяет снизить общие потери энергии и за счет этого повысить КПД. При
чем не только по отношению к тепловому двигателю, но и по отношению к
сложным системам, реализующим тот или иной комбинированный цикл
последовательно в нескольких машинах, например в парогазовых установках
[5]. Получаемый синергетический эффект оценивается в 5…8%. За счет
реализации комбинированного цикла в одной машине достигается очень высокая
топливная эффективность. Для МТСУ22 КПД по выработке электроэнергии
составляет значение ?эл=60%, а суммарный теплоэлектрический ??=90…95% в
зависимости от схемы утилизации тепла.
4.2.2 Экологичность
На экологическую чистоту выбросов влияет множество факторов, основными из
которых являются: высокий КПД, эффективная схема непрерывного выгорания
твердого топлива, относительно высокая температура в зоне горения,
повышенный объем зоны горения и очистка продуктов сгорания водяным
конденсатом.
Высокий КПД МТСУ22 позволяет на 30% снизить количество выбросов всех
токсичных и загрязняющих веществ, в том числе и CO2, за счет меньшего
потребления топлива.
Эффективная схема непрерывного выгорания твердого топлива полностью
исключает технологические выбросы токсичных и загрязняющих веществ,
связанных с загрузкой и выгрузкой твердого топлива. Дополнительно к этому,
в сочетании с высокой температурой процесса сгорания и повышенным объемом
камеры сгорания, она позволяет повысить коэффициент полноты выгорания
топлива.
Очистка продуктов сгорания водяным конденсатом позволяет существенно
снизить выбросы, таких токсичных окислов как NOX, SO2 и CO. Их
нейтрализация осуществляется в модуле подготовки воды путем химического
превращения в водонерастворимые вещества.
В совокупности эмиссия токсичных веществ МТСУ22 в 2…3 раза ниже, чем у
традиционных теплоэлектростанций на угле. Выбросы углекислого газа
уменьшены на 30…40%, а выбросы золы и шлака сокращены в 15 раз.
4.2.3 Охлаждение продуктов сгорания
Важным фактором, позволяющим непосредственно сжигать твердое топливо в
камере сгорания с высокой эффективностью, является побочный эффект
охлаждения продуктов сгорания при впрыске воды для реализации
комбинированного цикла.
Относительно низкая температура парогазовой смеси позволяет очищать ее от
золы за счет технически традиционных средств по приемлемой цене. Снижение
температуры продуктов сгорания также положительно влияет на ресурс и
надежность МТСУ22.
4.3 Роторная машина Курочкина
4.4
Стартер-генератор
4.5 Эффективный метод очистки запыленных газовых
потоков
Современные средства очистки воздуха, поступающего на питание мощных
двигателей, работающих на привод турбогенераторов, не эффективны с точки
зрения массы, габаритного объема и стоимости, а также требуют обслуживания
во время эксплуатации и замены фильтрующих элементов. Для создания
сверхкомпактных теплоэлектростанций это создает непреодолимые
препятствия. Для
решения этой проблемы было разработано специальное высокоэффективное
пылезащитное устройство без сменных элементов. Впервые оно было применено
в модуле подготовки воздуха для модуль-двигателей серии МДК21 и было
заимствовано для проекта МТСУ22.
Применение этого нового метода очистки запыленных газовых потоков
позволяет на порядок снизить массу и габаритные размеры ПЗУ и исключить из
процесса обслуживания замену фильтрующих элементов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Предлагаемая для стационарных теплоэлектростанций мощностью более 10 МВт
твердотопливная силовая установка серии МТСУ22, является оптимальным
решением для перспективных теплоэлектростанций, работающих на местных
видах твердых топлив: каменном и буром угле, торфе и т.д. На
основе энергосберегающих экологически чистых технологий, разработанных
ИЦСЭУ, и реализованных в МТСУ22, появляется возможность выработки тепла и
электричества на 15…25% дешевле, чем у традиционных ТЭЦ и ТЭС, работающих
на каменном угле, при существенно меньшем загрязнении окружающей среды.
Выбросы токсичных веществ снижаются в 2…3 раза, эмиссия углекислого газа
на 30..40%, а выбросы в атмосферу золы и шлака в 15 раз.
Реализованная в МТСУ22, как опция, функция топливной всеядности позволяет
теплоэлектростанциям на ее основе альтернативно работать на любых видах
твердых, жидких и газообразных топлив. Это позволяет более гибко строить
собственный топливный баланс в условиях дефицита энергоресурсов.
Проект силовой установки серии МТСУ22 рекомендуется для реализации в новых
проектах региональных и корпоративных теплоэлектростанций, ориентированных
на местное топливо.
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Курочкин
А.Г. Основные аспекты программы создания технических средств персонального
энергообеспечения // Не опубликовано, июнь 2007, 50 с. 2. Пчелкин Ю.М. Камеры сгорания газотурбинных
двигателей: Учебник для студентов вузов, обучающихся по специальности
"Турбиностроение". - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1984
- 280 с., ил. 3. ГОСТ Р 50902-96. Торф
топливный для пылевидного сжигания. Технические условия. 4. Курочкин А.Г. Энергосберегающие "всеядные"
двигатели внутреннего сгорания // Не опубликовано, апрель 2007, 21 с. 5. Горшков А., Умом Россию не понять…(аршин для
измерения отечественного рынка ГТУ) / Каталог газотурбинного оборудования,
2006, С. 2-7. 6. Пат. №2082903 РФ, МПК F 01
C 1/344. Роторная машина Курочкина / Курочкин А.Г.,
94028922/06; Заявлено 01.09.1994; Опубл. 27.06.1997. Бюл. 18. Приоритет
01.09.1994. 7. Разработка методологии
проектирования вновь создаваемых двигателей внутреннего сгорания на основе
математической имитационной модели: Отчет о НИР (заключительный) / РГАТА;
Руководитель Б. Н. Леонов. - № 01.9.70 009954. - Рыбинск, 2000. - 173 с.,
ил., табл. - Отв. исполн. А. Г. Курочкин; Соисполн.: Е.Н. Богомолов,
В. П. Добродеев, Н. Н. Новиков. 8.
812B00100ДИ, Техническая справка о результатах испытаний макетного образца
812B00100 пластинчатого насоса для откачки пластовой жидкости из
малодебитных скважин, НИЛД, Рыбинск, 2003 - 35 с. 9. Пат. №2170487 РФ, МПК H 02 K 19/22, 19/16.
Бесщеточная электрическая машина / Курочкин А.Г., Лебедев М.В., Новиков
Н.А., 2000106225/09; Заявлено 13.03.2000; Опубл. 10.07.2001.
Бюл. 17. Приоритет 13.03.2000.
|