РАСЧЕТ ПАРОВОЙ МАШИНЫ И ПАРОВОГО КОТЛА

РАСЧЕТ ПАРОВОЙ МАШИНЫ И ПАРОВОГО КОТЛА

определение мощности паровой машины

Зачастую моделисту приходится строить модель под имею­щуюся уже готовую паровую машину. В этом случае он стал­кивается с трудностью выбора размеров модели.

Размер модели в основном зависит не от конструкции и типа паровой машины, а от ее мощности. Поэтому весьма важно уметь определять мощность уже имеющейся готовой паровой машины, не прибегая к каким-то экспериментам и догадкам, а находить ее по формуле, подставляя известные величины.

Необходимо также заметить, что умение определять мощ­ность уже имеющейся паровой машины поможет юному кон­структору находить и основные размеры паровой машины при проектировании повой машины по заданной мощности.

Для определения мощности паровой машины необходимо знать следующие величины:

1) / — количество цилиндров.

?) Т—тип машины — простого или двойного действия.

Под машиной простого действия подразумевают машину, в которой пар давит только с одной стороны на поршень. Ма­шиной двойного действия называется машина, в которой пар давит поочередно с двух сторон на поршень.

3) 5 — ход поршня, т. е. путь движения поршня от верх­ней мертвой точки до нижней, выраженной в метрах.

4) D — внутренний диаметр цилиндра, выраженный в сан­тиметрах.

5) Р — давление пара в котле при работе паровой машины.

6) п — количество оборотов, развиваемое паровой маши­ной в минуту.

Источник

Тепловая электростанция с поршневой паровой машиной

В.А. Жигалов, инженер-конструктор, г. Бийск

Введение

Рассмотрим энергоснабжение предприятий и других объектов, потребляющих одновременно тепловую и электрическую энергию. Таких, например, как предприятия пищевой промышленности, которые расходуют пар низких параметров для тепловой обработки продуктов и электроэнергию для холодильных установок. Другой пример – лесопереработка, где пар необходим для сушильных камер, а электроэнергия для распиловки брёвен. Или тепличные хозяйства и многое, многое другое. И, конечно, тепло- и электрообеспечение объектов ЖКХ, особенно небольших посёлков, включая объекты министерства обороны, перебои в электроснабжении которых часто приводят к остановкам котельных.

Известно, что совместное производство тепловой и электрической энергии более экономично, чем раздельное. При небольшой величине потребления совместное производство тепловой и электрической энергии может производиться на малых тепловых электростанциях (МТЭС). Чаще всего на малых ТЭС химическая энергия топлива преобразуется в тепловую с помощью паровых котлов. Затем заключённая в водяном паре тепловая энергия преобразуется в механическую с помощью паровых агрегатов – турбин, винтовых или поршневых машин.

Оставшаяся после агрегата тепловая энергия в зимнее время используется на отопление и технологические нужды, а в летнее время может использоваться на технологические нужды или для получения холода с помощью абсорбционных холодильных машин.

Такая схема может использоваться и на нефтедобывающих предприятиях, попутный газ которых не пригоден для работы газовых двигателей, но успешно сгорает в топке котла.

Удельный расход пара (количество килограммов пара, необходимое для производства 1 кВт∙ч механической энергии) для паросиловых установок не зависит от их типа, а зависит только от параметров поступающего в них пара и параметров пара на выходе из этих установок.

В поршневых паровых машинах весь поступивший в них пар совершает работу, а через турбины малой мощности и винтовые паровые машины часть поступившего пара проходит, не совершая работы. В связи с этим соотношение полученных от этих агрегатов механической работы и тепловой энергии сместится в сторону увеличения количества теплоты.

В табл. 1 показан удельный расход пара различными агрегатами. В ней собраны данные по поршневым паровым машинам (ППМ) и паровым турбинам серии ОР, выпускавшихся до 1950 г., а также по турбоагрегатам и винтовым паровым машинам (ВПМ), которые выпускаются в настоящее время.

К сожалению, данных о паропоршневых двигателях у автора нет.

Для сравнения экономичности агрегатов, использующих пар различных начальных параметров, фактический удельный расход пересчитан для пара со следующими параметрами:

— давление пара на входе в агрегат – 1,2 МПа

— температура пара на входе в агрегат – 260 °С

— давление пара на выходе из агрегата – 0,3 МПа

Таблица 1. Сравнительные характеристики паровых агрегатов малой мощности.

агрегатаДавление пара

МПаТемпература пара

на выходе
из агрегата,

МПаМощность агрегата, кВтФактический удельный расход пара,

кг/кВт•чКоэффициент пересчётаРасчётный удельный расход пара, кг/кВт•чТурбиныОР-0,3-11,52600,1300251,0626,5АП-0,753,54350,175013,11,1214,7ТГ-0,75/Р131,22500,474017,60,9616,9ОР-1,5-31,53500,3150014,51,0214,8ТП-11001,472200,0480012,01,0412,5ТП-3201,371940,1223518,50,9419,8МашиныВинтовая паровая машина1,32500,1250301,0230,6Поршневая паровая

СК-5001,63500,13706,81,087,4Поршневая паровая машина ЛМ-Х1,33300,12457,91,078,5

Данные табл. 1. показывают, что удельный расход пара у поршневых машин, потребляющих пар низких параметров, примерно вдвое ниже, чем у турбин, потребляющих пар тех же параметров.

МиниТЭС с поршневой паровой машиной

Условно МТЭС можно разделить на два относительно независимых модуля – энергетический и силовой (рисунок).

Рис. 1. Принципиальная схема МТЭС с поршневой паровой машиной.

Энергетический модуль состоит из парового котла и котельно-вспомогательного оборудования. Котёл (парогенератор) может быть как барабанным, так и прямоточного типа. Прямоточный котёл должен постоянно работать в режиме оптимальной мощности, а пар, который не используется в настоящий момент, должен уходить в конденсатор (теплообменник). Перегрев пара является желательным условием, но отнюдь не обязательным. В качестве энергетического модуля может использоваться любая действующая котельная.

Силовой модуль состоит из ППМ и соединённого с ней электрогенератора. Следует отметить, что при необходимости изменения соотношения получаемых от паровой машины тепловой и электрической энергий эта машина должна быть многоцилиндровой. В этом случае возможны три варианта работы такой машины:

1. При работе в режиме однократного расширения во все цилиндры подаётся пар из подводящей магистрали, после расширения в цилиндрах он отводится для дальнейшего использования.

2. В режиме двойного расширения пар из подводящей магистрали подаётся в меньшую часть цилиндров, и из них расширившийся пар вытесняется в ресивер. В остальные цилиндры пар подаётся из этого ресивера и срабатывается до атмосферного давления. В этом режиме может быть получено наибольшее количество механической или электрической энергии.

3. В режиме с промежуточным отбором пара в часть цилиндров, например, в половину, подаётся пар из подводящей магистрали, из них расширившийся пар вытесняется в ресивер. Часть пара из ресивера идёт на технологические нужды, а остальной подаётся в цилиндры второй ступени.

Изменение режима работы машины не требует никаких её регулировок, необходимы просто манипуляции вентилями, подключающими цилиндры к различным магистралям.

Расчёты доказывают, что, если к одинаковым котлам малой мощности присоединить силовые модули, один с паровой турбиной, другой с ППМ, то от силового модуля с ППМ можно получить большее количество механической/электрической энергии и по меньшей стоимости, чем от силового модуля с паровой турбиной.

Для изготовления ППМ можно использовать основные узлы двигателей внутреннего сгорания (ДВС) (рис. 2-4).

Рис. 2. Машина 2004 г. на базе двигателя Д6 (6Ч15/18), мощность 100 кВт:
выпуск пара через стандартные клапаны, впуск пара через двухседельные клапаны (г. Бийск).

Рис. 3. Машина 2011 г. на базе двигателя Д6, мощность 100 кВт:
впуск и выпуск пара через золотники с гидравлическим приводом.

Далее в табл. 2 представлены данные о мощности и расходе пара для ППМ однократного расширения, которые могут быть изготовлены на базе шести- или восьмицилиндровых рядных ДВС, выпускающихся в России. Взяты именно рядные ДВС, поскольку они позволяют изготовить машины с горизонтальным расположением цилиндров. Расчёты проведены для машин различного объёма при трёх значениях величины давления пара.

Таблица 2. Характеристики ППМ на базе двигателей внутреннего сгорания.

а б

Рис. 4. Машина 2014 г. на базе двигателя 211Д (6Ч21/21), мощность 300 кВт:
выпуск пара через золотники с приводом от распредвала (а), впуск – через клапаны с приводом от другого распредвала (б) (г. Балаково).

Поршневые паровые машины могут быть изготовлены и с использованием узлов и деталей компрессоров.

Паровые машины на базе компрессоров с оппозитными базами 4М4, 2М10, 4М10, и 4М16 имеют цилиндры двухстороннего действия с усилием на штоке соответственно 4, 10, и 16 т. Если использовать пар с давлением 1,3 МПа и температурой 250 °С при коэффициенте наполнения 0,24, ППМ, изготовленные на базе этих компрессоров, будут иметь указанные в табл. 3 мощность и расход пара.

Таблица 3. Характеристики ППМ на базе компрессоров.

базыУсилие на штоке, тДиаметр

поршней, ммРабочий

т/ч4М442004815036,67502352,022М10103206022069,55002802,54М1010320602201396007106,134М161640080300296500120010,0

Поршневые паровые машины известной немецкой фирмы, выполненные по крейцкопфной схеме с цилиндрами двухстороннего действия, имеют аналогичные значения мощности и расхода пара.

Можно использовать более мощные базы с усилиями на штоке 25 или 40 т и с числом цилиндров до 8. Паровые машины на их основе будут иметь мощность до 4 МВт.

Ранее выпускавшиеся ППМ имели существенный недостаток – большой вес на единицу мощности. Удельный вес поршневых паровых машин, которые могут быть изготовлены на базе современных ДВС или компрессоров, не превышает аналогичный показатель паровых турбин, использующих пар одинаковых с машинами параметров.

Стоимость поршневой паровой машины незначительно превышает стоимость двигателя или компрессора, на базе которого она будет изготовлена. Вместе с тем машины, имеющие больший ресурс, будут иметь более высокую стоимость.

В настоящее время автор занимается изготовлением электростанции мощностью 250 кВт на базе оппозитного компрессора 2М10 для одного из предприятий Петербурга.

Выводы

Согласно законам термодинамики машины любой конструкции, преобразующие тепловую энергию в механическую, для рассмотренных агрегатов при одинаковых параметрах рабочего тела имеют одинаковую теоретическую величину КПД.

Только объёмные машины, в которых весь поступивший в них пар совершает работу, позволяют достигать наименьших значений удельного расхода пара

Конструкции поршневых двигателей внутреннего сгорания и компрессоров отработаны настолько, что механические потери в них не превышают 10%. Такие же малые потери будут иметь изготовленные на их базе ППМ.

Простота конструкции и габаритные размеры ППМ, созданных на основе современных ДВС или поршневых компрессоров, позволяют устанавливать их в действующих котельных или использовать их в транспортабельных силовых модулях.

МТЭС с ППМ позволяют получать энергию по ценам более низким, чем сложившиеся на рынке.

При полном использовании энергии пара, прошедшего через машину, общий КПД МТЭС с ППМ может доходить до 65%.

К аналогичным выводам приходят и многие другие авторы, например, В.С. Дубинин, И.С. Трохин и ещё ряд серьёзных исследователей. И, практически, никто эти выводы не оспаривает. Но, как и во многих других отраслях промышленности и энергетики России, владельцы предприятий, которые могли бы выпускать экономичные электростанции с ППМ, не считают возможным вкладывать собственные средства в исследовательские и опытно-конструкторские работы. Хотя затраты здесь будут минимальными, поскольку все технические решения, которые используются в ППМ, были проработаны в прошлом веке и, дополнительно, – в последнее десятилетие.

Например, машину мощностью 80 кВт легко изготовить на базе оппозитного двигателя 6Н 358 (6-15/16), используемого в бронетранспортёрах. При этом, если техника военная, то Министерство обороны может её использовать для своих отдельно расположенных объектов, существенно сократив расходы на их обслуживание.

Хорошую машину мощностью от 200 до 600 кВт можно изготовить на базе двигателя 6-21/21. Электростанция с такой машиной будет покрывать потребности небольших теплоснабжающих предприятий.

А электростанцию с паровой машиной на базе двигателя Д50, которая может иметь мощность от 800 до 3000 кВт, есть возможность устанавливать непосредственно в местах добычи полезных ископаемых. Незаменимая вещь для угольных разрезов!

И конечно в любой котельной могут быть установлены электростанции или машины необходимой мощности для прямого привода насосов и вентиляторов.

Автор считает, что паропоршневые двигатели (ППД), имеющие постоянный впуск пара в цилиндры через калиброванное отверстие, хотя и имеют более простую конструкцию, чем обычные ППМ, однако уступают им по другим показателям, в частности, имеют больший удельный расход пара и меньшую мощность на 1 л рабочего объёма. Но они не лучше, и не хуже поршневых паровых машин, они просто другие.

Возможные технические решения для изготовления электростанций, в состав которых входят ППМ

В ближайшее время поршневые паровые машины (ППМ) докажут своё превосходство в малой энергетике над другими тепловыми машинами, такими, как агрегаты с дизельными, бензиновыми и газовыми ДВС, винтовыми паровыми машинами, паровыми турбинами малой мощности и газовыми турбинами. Тогда и появится возможность их серийного изготовления. А в настоящее время наиболее перспективным направлением, по мнению автора, является проектирование и изготовление опытных образцов ППМ на базах четырёхтактных тронковых ДВС и крейцкопфных компрессоров.

В этой паре ППМ на базе тронковых ДВС могут иметь более высокую мощность на единицу рабочего объёма, чем ППМ на базе крейцкопфных компрессоров. Это возможно за счёт использования пара с более высокими параметрами. Однако ППМ на базе тронковых ДВС имеют более сложную систему смазки, т.к. полностью избежать попадания конденсата в смазочное и охлаждающее масло машины невозможно.

Возможно сочетание преимуществ тронковой и крейцкопфной схем машин при использовании в тронковой схеме поршней, длина которых превышает ход поршня. В средней части такого удлинённого поршня необходимо выполнить полости, предназначенные для сбора конденсата и масла, проникающих через уплотнения поршня. В гильзе цилиндра должны быть выполнены отверстия, предназначенные для удаления собранных поршнем конденсата из цилиндра и масла из картера. Это позволит полностью разделить полости цилиндров и картера.

Разделению полостей цилиндра и картера способствует так же такое расположение машины, когда оси цилиндров располагаются горизонтально. При использовании поршней увеличенной длины, разделяющих полости картера и цилиндра, желательно для уплотнения цилиндра использовать бессмазочные кольца.

Используя коленчатый вал четырёх- или восьмицилиндрового рядного ДВС можно изготовить оппозитную ППМ. Такое расположение цилиндров позволит увеличить их диаметр по сравнению с диаметром цилиндров исходного двигателя и соответственно увеличить мощность машины.

Весьма скоро следует ожидать переход от единичного изготовления опытных образцов агрегатов с поршневыми паровыми машинами к их серийному производству.

Впоследствии могут быть использованы и другие типы машин, в которых пар расширяется в замкнутом объёме, например, роторно-лопастные машины.

О ППМ на базе четырёхтактных тронковых ДВС.

В связи с тем, что в отличие от ДВС ППМ являются двухтактными, они при меньшем среднем давлении в цилиндрах способны развивать мощность, сравнимую и даже превышающую мощность ДВС одинакового с ними рабочего объёма. При этом их распределительные валы должны вращаться синхронно с коленчатыми валами, что требует изменения шестерней или звёздочек распределительного механизма.

О ППМ на базе крейцкопфных компрессоров.

Мощность ППМ на базе компрессоров ограничена максимальным допустимым усилием на штоке, и, следовательно, равна максимальной мощности двигателя, используемого в компрессоре данного типа. Потому, хотя такие машины имеют цилиндры двухстороннего действия, их удельные весовые и объёмные показатели не превышают аналогичных показателей машин, изготовленных на базе тронковых ДВС. Кроме того, требуется установка привода парораспределительных механизмов.

У ППМ есть особенность, которая не позволяет использовать крышки цилиндров (или головки блоков) существующих ДВС и компрессоров. В основном это связано с тем, что существующие впускные клапаны, имеющие механический привод на открывание и пружинный привод на закрывание, не могут быть использованы, так как внешнее давление пара будет эти клапаны открывать, и впуск пара в цилиндры будет происходить постоянно. Использование более мощных пружин поднимет нагрузки в газораспределительном (а в данном случае парораспределительном) механизме выше допустимых пределов. Не требующие мощных пружин двухседельные клапаны не обеспечивают необходимую герметичность из-за термических деформаций.

Выбор электрогенератора

При использовании ППМ для привода электрогенератора в составе агрегата в настоящее время существует три способа получения электроэнергии необходимого качества. Все три способа требуют регулирования паровой машины таким образом, что при изменении нагрузки на неё частота вращения агрегата находилась в заданных пределах.

Первый – это использование генераторов постоянного тока с регулированием частоты вращения агрегата в некотором, довольно широком диапазоне. Полученная электроэнергия может использоваться непосредственно в том виде, в каком она получена, либо преобразуется с помощью частотного преобразователя в одно- или трёхфазный переменный электрический ток необходимой частоты.

Второй – использование генераторов переменного тока с регулированием частоты вращения агрегата в некотором диапазоне. Полученный переменный ток может быть выпрямлен, а затем преобразуется с помощью частотного преобразователя (ЧРП) в одно- или трёхфазный переменный электрический ток необходимой частоты.

Третий – использование генераторов переменного тока с точным регулированием частоты вращения агрегата, когда на зажимах генератора получается электрическая энергия необходимого качества.

Следует помнить, что применение ЧРП значительно, в 2-3 раза, повышает стоимость агрегата именно за счёт стоимости ЧРП. Вместе с тем агрегаты, в которых используются частотники, имеют более простую, не требующую высокой точности систему управления частотой вращения.

Для регулирования частоты вращения машины при изменении нагрузки на неё используются несколько методов.

Качественный – предполагает изменение давления пара перед цилиндрами. Этот способ регулирования с помощью дросселя наименее экономичный, хотя и наиболее простой.

Количественный – изменение величины отсечки, т.е. изменение величины угла поворота коленчатого вала, во время которого происходит впуск пара в цилиндры. Необходимо иметь возможность изменять отсечку в пределах от 10° до 180° угла поворота коленчатого вала после ВМТ. Такой широкий диапазон регулирования не позволяет использовать технические решения, которые применяются в настоящее время в ДВС с изменяющимися фазами газораспределения.

Следует обратить внимание на то, что с увеличением величины отсечки мощность машины растёт медленнее, чем расход пара. Это значит, что машины с малой величиной отсечки экономичнее, чем машины с большой (0,32 и выше) величиной отсечки. Однако у машин с маленькой величиной отсечки возникают проблемы с регулированием частоты вращения в режиме частичных нагрузок.

Это заставляет использовать для впуска пара в ППМ золотниковое парораспределение. При этом золотники могут быть использованы только на впуск пара, а выпуск пара будет осуществляться через клапаны. Возможно использование золотников как на впуск, так и на выпуск пара. В обоих случаях требуется использование отдельных механизмов, управляющих впуском и выпуском пара. В машинах с золотниковым парораспределением следует использовать двухконтурную систему смазки машины. Это вызвано тем, что в механизме парораспределения возможна конденсация пара и попадание конденсата в систему смазки. Потому необходимо разделить системы смазки коленчатого вала и механизма парораспределения.

Количественный метод регулирования наиболее точный, но и наиболее сложный. При частоте вращения машины выше 250 об./мин. этот метод реализуется с помощью двух последовательно расположенных золотников во впускных каналах каждого цилиндра.

Существует и комбинированный метод регулирования, называемый регулированием изменением противодавления. Он сочетает достаточную точность регулирования и невысокую сложность.

Заключение

Хочется верить, что поршневые паровые машины докажут своё превосходство в малой энергетике над другими тепловыми машинами, такими, как агрегаты с дизельными, бензиновыми и газовыми ДВС, винтовыми паровыми машинами, паровыми турбинами малой мощности и газовыми турбинами, и появится возможность их серийного изготовления, а представленные технические решения помогут всем, кто занимается таким перспективным направлением.

Источник