Авторы: Е. В. Мельникова, Н. Н. Галашов
Источник: Международная научно-практическая конференция Cовременные техника и технологии
В настоящее время основным видом привода механизмов собственных нужд ТЭС являются асинхронные электродвигатели. Главным достоинством этих двигателей является надежность и простота в эксплуатации. Но эти двигатели имеют и ряд существенных недостатков: 1) низкое и постоянное число оборотов, в то время как для большинства механизмов собственных нужд станции для уменьшения габаритов и повышения эффективности работы необходимо более высокое переменное число оборотов; 2) низкий коэффициент использования топлива (КИТ), который определяется произведением КПД выработки электроэнергии (35…40 %), КПД транспорта электроэнергии (90…95 %) и КПД электродвигателя (90…95 %), т.е. составляет 28…36 %. Для устранения первого недостатка либо устанавливают регулируемый частотный привод, либо применяют электродвигатели синхронного типа, но это приводит к росту стоимость привода примерно вдвое. Для устранения второго недостатка необходимо повысить КПД выработки электроэнергии, но для этого необходимо перейти на новые технологии выработки электроэнергии с более высоким термическим КПД, что в обозримой перспективе на базе паротурбинного цикла пока весьма проблематично.
Рассмотрим другие виды приводов механизмов собственных нужд, которые можно использовать на ТЭС, их достоинства и недостатки.
В этом плане наиболее перспективными являются тепловые двигатели [1], которые позволяют получать высокое переменное число оборотов, и в настоящее время достигли эффективного КПД на валу до 35…45 %, а при использовании теплоты уходящих газов позволяют получить КИТ до 90 %.
Наиболее перспективными в отношении замены электродвигателей для привода собственных нужд станции являются поршневые двигатели и паровые и газовые турбины.
Применяют два типа поршневых двигателей:
Достоинства поршневых двигателей: высокий эффективный КПД (до 45 %); слабая завиимость КПД от нагрузки и температуры наружного воздуха; широкий спектр агрегатов по мощности; время пуска составляет 5-10 минут.
К недостаткам следует отнести: дорогое обслуживание (использование охлаждающих жидкостей и смазочных масел, при этом расход масла может достигать 5-10 % от расхода топлива); возможность аварийного останова при резких колебаниях нагрузки; высокий уровень низкочастотного шума и вибрации, что требует установки шумогасителей и виброгасящих платформ.
Количественное соотношение тепловой энергии и механической у поршневых двигателей составляет от 1:2 до 1:1, что ниже чем у турбин.
Дизельные и газопоршневые двигатели обладают большим ресурсом по сравнению с газотурбинными (до 250000 часов), а удельную стоимость капитальных вложений – меньше (от 150 до 350 долларов/ кВт).
К достоинствам можно отнести то, что они могут быть встроены в основной цикл станции; имеют большой ресурс работы; высокую надежность и могут быть изготовлены на любую мощность. К недостаткам относятся: сложный и длительный пуск; невысокий эффективный КПД (до 30…40 %). В настоящее время применяются для привода питательных насосов на всех блоках сверхкритических параметров.
К достоинствам газотурбинных установок относятся: компактность; низкие эксплуатационные расходы; возможность работы на газовом и жидком топливе; надежная работа в резкопеременных режимах; малое время пуска (2-5 мин.); низкая вибрация и эмиссия вредных веществ в атмосферу; не требуют охлаждающей воды.
В качестве недостатков необходимо отметить сильную зависимость КПД от нагрузки и температуры наружного воздуха (так снижение нагрузки со 100 до 50 % приводит к снижению КПД в три раза); высокое давление газа, что требует установки дожимных компрессоров; высокий уровень высокочастотного шума; большие габариты газоводяных теплообменников и газоотводящих трактов.
Эффективный КПД энергетических газовых турбин составляет 25-0 %. При использовании уходящих газов для теплофикации КИТ возрастает до 90%.
Ресурс до капитального ремонта составляет у газовой турбины до 60 000 рабочих часов при общем ресурсе 100 000 часов. Газотурбинное оборудование производится на ряде отечественных авиационных заводов. Стоимость 1 кВт установленной электрической мощности составляет от 240 до 650 долларов, при вычете стоимости генератора она упадет долларов на 100.
Микротурбина – разновидность газовой турбины, может использоваться в качестве двигателя в диапазоне мощностей от 30 до 250 кВт. Микротурбины впервые появились в 1996 г для привода электрического генератора на мини-ТЭС, но могут использоваться и для привода других механизмов.
Основным видом топлива для микротурбин является природный газ, но они также могут не менее эффективно работать и на другом топливе (попутный нефтяной, биологический газы, шахтный метан, сжиженный пропан, бутан, керосин).
Все движущиеся части микротурбины (воздушный компрессор, турбина и генератор) расположены на одном валу, скорость вращения которого составляет 60000 оборотов в минуту. Вал закреплен на воздушных подшипниках, что позволило отказаться от жидкостной смазки. Воздух обеспечивает эффективное охлаждение всех элементов микротурбины, что позволило значительно повысить надежность и снизить стоимость их обслуживания по сравнению с другими двигателями.
К достоинствам микротурбин следует отнести: высокую надежность и большой ресурс работы; низкую стоимость обслуживания (отсутствие жидкостной смазки и хлаждающей воды); быстрый запуск (до 1 мин); возможность работы в диапазоне нагрузок от 0 до 100%; эффективный КПД около 30-35 %, а при использовании в теплофикации можно получить КИТ до 90 %; возможность автономной работы; гибкость по отношению к выбору топлива; самая низкая эмиссия вредных веществ по сравнению с другими тепловыми двигателями; практически отсутствует вибрация; низкий уровень шума, который легко гасится с помощью установки дополнительных кожухов. Корпус микротурбины имеет защиту от влаги и позволяет устанавливать оборудование на открытой площадке. Эти достоинства позволяют применять микротурбины вне помещений и в густонаселенных городских центрах.
Применение микротурбин в теплофикации определяется температурой уходящих газов. Количественное соотношение тепловой энергии к механической составляет от 2:1 до 1,5:1. Состав и экологическая безопасность выхлопа позволяет прямое использование уходящих газов для обогрева помещений.
В качестве недостатков микротурбин можно отметить низкую единичную мощность (30-250 кВт), необходимость применения редуктора и пока высокую удельную стоимость кВт установленной мощности. Но производство микротурбин быстро развивается и в ближайшее время эти недостатки, можно надеяться, будут устранены.