КОТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И ПАРОГЕНЕРАТОРЫ > Котлы > Паровые котлы ТЭС > парогенераторы

Анализ КПД связки: малый паровой котел низкого давления, малая паровая турбина и электрогенератор

В малой энергетике, особенно в автономных системах или на предприятиях с потребностью в технологическом паре, часто рассматривается связка из парового котла низкого давления, паровой турбины малой мощности и электрогенератора. Такая система позволяет преобразовывать тепловую энергию топлива в электрическую, а отработанный пар использовать для технологических или отопительных нужд. Однако КПД (коэффициент полезного действия) подобных систем обычно ниже, чем у крупных теплоэлектростанций, из-за ограничений в конструкции и масштабах оборудования. В данной статье подробно анализируется КПД такой связки, рассматриваются ключевые факторы, влияющие на эффективность, и приводятся расчетные оценки.

Компоненты системы

1. Паровой котел низкого давления

Паровой котел низкого давления (давление пара до 0,07–1,2 МПа, температура до 115–170 °C) предназначен для выработки насыщенного или слегка перегретого пара. Такие котлы, как, например, КП-40М или ECO-PAR, имеют следующие характеристики:

• КПД котла: 85–90% (современные модели с турбулизаторами, трехходовыми конструкциями).

• Тип топлива: газ, дизель, биомасса, отработанные масла.

• Паропроизводительность: от 40 до 1000 кг/час.

• Параметры пара: давление 0,07–0,7 МПа, температура 115–150 °C.

Основные потери в котле связаны с теплопотерями через дымовые газы, излучение и конвекцию. Для повышения КПД применяются турбулизаторы и экономайзеры, которые подогревают питательную воду за счет тепла отходящих газов.

2. Паровая турбина малой мощности

Малые паровые турбины (мощностью 100–1000 кВт, например, ПТМ или ПТГ от ООО «ЭЛТА» или ГК «ТУРБОПАР») работают на низком давлении пара и имеют следующие особенности:

• Внутренний КПД турбины: около 60–75% (в 1,2–1,3 раза выше, чем у устаревших моделей, благодаря оптимизированной конструкции лопаток).

• Тип конструкции: одноступенчатые или многоступенчатые, часто без промежуточного перегрева.

• Параметры пара на входе: давление 0,15–1,2 МПа, температура 115–170 °C.

• Ограничения КПД: из-за малого диаметра ротора снижается соотношение скоростей истекающего пара и окружной скорости лопаток, что приводит к потерям кинетической энергии.

Малые турбины редко достигают КПД крупных агрегатов (80–90%), так как их конструкция упрощена, а пар не подвергается промежуточному перегреву. Отработанный пар (давление 0,02–0,4 МПа) может использоваться для технологических нужд, что повышает общую эффективность системы в когенерационном режиме.

3. Электрогенератор

Электрогенератор преобразует механическую энергию вращения вала турбины в электрическую. Для малых систем характерны:

• КПД генератора: 85–95% (зависит от мощности и качества конструкции).

• Тип: синхронные генераторы, рассчитанные на частоту вращения 1500–3600 об/мин.

• Потери: тепловые (в обмотках) и механические (трение подшипников).

Принцип работы системы

1. Котел: топливо сжигается, нагревая воду до состояния насыщенного пара (давление 0,07–1,2 МПа, температура 115–170 °C).

2. Турбина: пар расширяется, воздействуя на лопатки ротора, преобразуя кинетическую энергию в механическую. Отработанный пар с пониженным давлением направляется в конденсатор или на технологические нужды.

3. Генератор: ротор турбины приводит в движение вал генератора, вырабатывая электроэнергию.

4. Конденсатор/теплообменник: отработанный пар конденсируется (в замкнутых системах) или используется для нагрева воды/воздуха (в когенерации).

Расчет КПД системы

КПД всей системы определяется как отношение полезной электрической энергии к тепловой энергии, выделяемой при сгорании топлива:

КПД системы= КПД котла х КПД турбины  х КПД генератора

Пример расчета

Допустим, параметры системы следующие:

• Котел: КПД 88%, паропроизводительность 500 кг/час, давление пара 0,7 МПа, температура 150 °C (насыщенный пар).

• Турбина: внутренний КПД 70%, работает на низком давлении без промежуточного перегрева.

• Генератор: КПД 90%.

Общий КПД системы:

КПД системы = 0,88 х 0,70 х 0,90 = 0,5544 или 55,44%

Что на практике это может обозначать? Ответ на впосро сколько кВт при таком КПД мы получим например сжигая одну тонну  дров твердых пород (1кг-3кВт при 100% КПД):

1000кг дров умножить на 3кВт умножить на КПД системы 0,55 = 1550кВт приблизительно на сегодняшнюю сумму на предприятии 15500грн(10грн/кВт с электросети стоит). А тонна дров стоит в среднем 4000грн! Даже коогенерации не надо!

Однако это значение учитывает только электрический КПД. Если отработанный пар используется для теплоснабжения (когенерация), общий КПД (электрический + тепловой) может достигать 80–90%, так как тепло отработанного пара не теряется, а направляется на полезные цели.

Реальные значения КПД

На практике КПД малых систем обычно ниже из-за следующих факторов:

• Потери в турбине: из-за малого размера и упрощенной конструкции КПД турбины может падать до 50–60%.

• Низкие параметры пара: насыщенный пар с низкой температурой (115–150 °C) имеет меньший энергетический потенциал, чем перегретый пар (435 °C, 3,43 МПа), используемый на крупных ТЭС.

• Теплопотери в трубопроводах: в малых системах теплоизоляция часто менее эффективна.

• Механические потери: трение в подшипниках и редукторах снижает КПД.

Типичный электрический КПД связки для малых систем составляет 20–30% без учета когенерации. С когенерацией (использование отработанного пара) общий КПД может достигать 70–85%.

Факторы, влияющие на КПД

1. Параметры пара:

   • Чем выше давление и температура пара, тем выше КПД турбины. Однако котлы низкого давления ограничены по этим параметрам.

   • Использование перегретого пара (вместо насыщенного) увеличивает КПД на 5–10%.

2. Конструкция турбины:

   • Многоступенчатые турбины с оптимизированными лопатками (например, ПТМ от ООО «ЭЛТА») имеют КПД на 10–15% выше, чем одноступенчатые.

   • Минимизация зазоров между лопатками и корпусом снижает потери пара.

3. Когенерация:

   • Использование отработанного пара для теплоснабжения или технологических нужд значительно повышает общий КПД системы.

4. Качество топлива:

   • Низкокачественное топливо снижает КПД котла из-за большего количества золы и недожога.

5. Масштаб системы:

   • Малые турбины имеют меньший КПД из-за физических ограничений (меньший диаметр ротора, ниже окружная скорость лопаток).

Преимущества и недостатки системы

Преимущества

• Компактность: малые габариты турбины (3х3 м) позволяют устанавливать ее в существующих котельных.

• Энергосбережение: замена редукционной установки турбиной позволяет вырабатывать электроэнергию вместо потерь энергии при дросселировании.

• Когенерация: возможность использовать отработанный пар повышает общий КПД.

• Надежность: срок службы турбины между капитальными ремонтами – 5 лет, полный срок – до 25 лет.

Недостатки

• Низкий электрический КПД: 20–30% без когенерации.

• Высокая стоимость: малые турбины изготавливаются под заказ, что увеличивает затраты.

• Ограничения по параметрам пара: низкое давление и температура снижают эффективность.

• Сложность обслуживания: необходимость точной балансировки ротора и минимизации зазоров.

Практическое применение

Такие системы находят применение в:

• Промышленных котельных: для покрытия собственных нужд в электроэнергии (например, насосы, вентиляторы).

• Мини-ТЭЦ: когенерация тепла и электроэнергии на предприятиях (пищевая, деревообрабатывающая промышленность).

• Сельском хозяйстве: обработка кормов, пропарка почвы.

• ЖКХ: отопление и горячее водоснабжение.

Пример: на предприятии с котлом, производящим 10 т/час пара при 13 атм, установка турбины вместо редукционной установки позволяет получить 250 кВт электроэнергии, покрывая нужды котельной.

Рекомендации для повышения КПД

1. Использование перегретого пара: установка пароперегревателя повысит температуру пара до 200–250 °C, увеличивая КПД турбины.

2. Оптимизация конструкции турбины: выбор многоступенчатой турбины с высоким внутренним КПД (например, ПТМ-30).

3. Когенерация: максимальное использование отработанного пара для технологических нужд.

4. Экономайзеры и турбулизаторы: повышение КПД котла до 90% за счет утилизации тепла дымовых газов.

5. Регулярное обслуживание: контроль зазоров, балансировка ротора, чистка котла.

Заключение

Связка малого парового котла низкого давления, паровой турбины и электрогенератора имеет электрический КПД в диапазоне 20–30% из-за ограничений параметров пара и масштаба оборудования. Однако в когенерационном режиме, с использованием отработанного пара для теплоснабжения, общий КПД может достигать 70–85%. Для повышения эффективности рекомендуется использовать перегретый пар, многоступенчатые турбины и оптимизировать конструкцию котла. Такие системы эффективны для малых предприятий, где требуется автономное энергоснабжение и утилизация тепла, но их применение ограничено высокой стоимостью и сложностью обслуживания.

Источники

• Парогенераторы, водогрейные и паровые котлы, котельные установки под ключ.

• Паровая турбина — Википедия.

• Самодельная паровая турбина своими руками: принцип работы, устройство, КПД, схема.

• Паровые турбины малой мощности, высокий КПД ПТМ, производство малых паровых турбин.

• Доступно о турбинах.

• Паровая турбина низкого давления от производителя.

• Вертикальный паровой котел КП-40М от производителя.

• Паровой котел низкого давления КП-0,15-0,07 от производителя.

• Китай Паровая турбина с высоким КПД Поставщик, Производитель.