ПАРОВАЯ ВИНТОВАЯ МАШИНА (ПВМ): ОПЫТ ЭКСПЛУАТАЦИИ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ

ОПЫТ: Энергоустановка ПВМ-2000АГ-1600 (Уфимская ТЭЦ-4 ООО БГК)

ПВМ-2000АГ-1600
АРМ оператора
Энергоустановка имеет САУ на базе современных вычислительных контроллеров
Основные параметры работы контролируются с помощью электронных датчиков. Наиболее важные параметры имеют до трех независимых точек измерения
Общий вид

Достигнутые результаты
Наработка энергоустановки является наибольшей среди всех созданных до настоящего времени аналогов и составила более 6700 часов.
Выработано 4 млн. кВт*час электроэнергии. Для сравнения: это равносильно работе всей Уфимской ТЭЦ-4 в течение 24…30 часов.
В наиболее показательные - зимние месяцы работы, благодаря работе энергоустановки, расход электроэнергии на собственные нужды ТЭЦ снизился с 8,5 % до 7,9 % от общей выработки, а удельный расход топлива на отпуск электроэнергии уменьшился на 0,8 г у.т./кВт*час.
ПВМ, примененная в составе энергоустановки, является наиболее мощной (1,2…1,4 МВт) из созданных в Российской Федерации подобных машин.
В ПВМ, примененная в составе энергоустановки, рассчитана для работы при наиболее высоких, среди аналогов, начальных параметрах пара (t=300 град. С; P=1,6 МПа).

Устройство паровой винтовой машины (ПВМ)
Патрубок выходной
Патрубок входной
ПВМ является ротационной машиной объемного действия.
Принцип действия - обращенный винтовой компрессор сухого сжатия.
ПВМ состоит из корпуса, в котором размещены два ротора, подшипники, уплотнения и другие узлы и детали.
Каждый ротор в средней части имеет многозаходную винтовую нарезку специального профиля.

Работа ПВМ
При работе ПВМ водяной пар поступает под давлением в парные полости, образуемые зубьями винтов роторов и корпусом.
В процессе вращения винтов каждая парная полость отсекается от впускного окна, увеличивается в объеме в процессе расширения пара, а затем соединяется с выпускным окном, через которое отработанный пар поступает в выпускной паропровод.

Работа ПВМ
Крутящий момент, возникающий под действием пара, передается на ведущий вал ПВМ.

ПВМ и ТУРБИНА
В ряде рекламных материалов, а также в популярных публикациях, о ПВМ говорится как о «винтовой турбине», что является грубой ошибкой.
БРЭ:
а) «ТУРБИНА (франц. turbine, от лат. turbo – вихрь, вращение с большой скоростью) – двигатель с вращательным движением рабочего органа – ротора и непрерывным рабочим процессом, преобразующий в механическую работу энергию подводимого рабочего тела – пара, газа или жидкости; лопаточная машина…»;
б) «ПАРОВАЯ ТУРБИНА – турбина, в которой кинетическая энергия водяного пара преобразуется в механическую работу…».
ПВМ не является лопаточной машиной, и в ней не кинетическая, а потенциальная энергия рабочего тела преобразуется в механическую работу.
Из-за отсутствия нормативных документов, определяющих термин «паровая винтовая машина», возможны необоснованные конфликты между предприятиями–производителями оборудования и государственными надзорными и контролирующими органами.

Достоинства ПВМ
Компактность.
Простота конструкции, высокая ремонтопригодность.
Неприхотливость к качеству пара, который может быть любой влажности, а также содержать твердые частицы.
Маневренность, быстрый пуск и останов.
Большой диапазон регулирования мощности (20…100 %).
Постоянство крутящего момента на выходном валу по оборотам.
Меньшая (в 1,5…2 раза) стоимость, чем у лопаточных турбин.
Эксплуатационная надежность и безопасность при аварийных ситуациях.
Потенциально высокий ресурс (до 100…150 тыс. час), обусловленный отсутствием взаимного касания роторов и, соответственно, механического износа.

Перспективы применения ПВМ
Благодаря совокупности положительных качеств ПВМ, их можно использовать там, где невозможно или невыгодно использование паровых турбин или классических (поршневых) паровых машин:
а) в действующих ТЭЦ и котельных параллельно РОУ, РУ;
б) в ГТУ-ТЭЦ и ГПА-ТЭЦ в паровом цикле с использованием котлов – утилизаторов;
в) на предприятиях пищевой, целлюлозно-бумажной и др. отраслей;
г) на геотермальных станциях;
д) в газотранспортных системах;
е) в нефтедобывающей отрасли.
В настоящее время практически апробировано использование ПВМ в качестве привода электрических генераторов. В дальнейшем возможно их использование и в качестве регулируемого привода технологического оборудования.
Возможно появление газовых винтовых машин и их применение для детандирования газа.

Винтовые машины в газотранспортных системах
Энергетические затраты на осуществление работы газоперекачивающих агрегатов (ГПА) компрессорных станций (КС) составляют более 75 % общих производственно-технологических потребностей магистральных газопроводов в топливе.
Большинство ГПА являются газотурбинными установками (ГТУ) и при их работе огромные количества энергии теряются с продуктами сгорания газа, так называемыми вторичными энергоресурсами (ВЭР).
До настоящего времени использование тепла ВЭР на КС составляет менее 5 % из-за отсутствия крупных внешних потребителей тепла и сезонности теплопотребления.
Наиболее реальными способами утилизации ВЭР могут быть производство электрической энергии, обеспечение привода компрессоров, а также организация охлаждения компримируемых газа и воздуха ГПА.
Наибольшее распространение получили процессы утилизации тепла ВЭР с использованием конденсационных паровых турбин. В настоящее время рассматривается также применение в утилизационных циклах в качестве рабочего тела органических агентов с низкой теплотой парообразования (бутан, пентан).
При реализации утилизационных циклов ВЭР с использованием и водяного пара, и веществ с низкой теплотой парообразования, в диапазоне мощностей 500…1500 кВт применение винтовых машин может дать значительную выгоду.

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНАЯ УТИЛИЗАЦИЯ попутного нефтяного газа (ПНГ)
с помощью энергоустановок на базе паровых винтовых машин
Актуальность задачи утилизации ПНГ:
1. Согласно постановлению правительства РФ, с 2012 г. целевой показатель сжигания газа на факельных установках должен составлять менее 5% объема добычи.
2. Осуществляется поэтапная отмена нулевой ставки налога на добычу полезных ископаемых (НДПИ) для нефтяного газа.
3. С 01 января 2012 г. Правительством РФ запланировано увеличение на порядок штрафных санкций для стимулирования достижения 95 % величины утилизации ПНГ.
Существующие способы утилизации ПНГ
Газопоршневые, газотурбинные электростанции. ( Недостатки : большая металлоемкость, высокая удельная величина капитальных вложений, невысокий межремонтный период, высокие эксплуатационные затраты, необходимость предварительной подготовки газа (сероочистка)).
Закачка газа в пласт. ( Недостатки: большая металлоемкость, высокая удельная величина капитальных вложений, невысокий межремонтный период; объем закачиваемого газа жестко привязан к технологии разработки месторождений, в связи с этим труднорегулируем).

Наиболее эффективно размещение энергоустановок в нефтесборных парках (НСП) НГДУ
Преимущества:
существует система сбора и распределения ПНГ;
существует система сжигания ПНГ (технологические котельные);
расположены рядом электро -, и теплопотребители;
максимально сокращаются теплопотери при использовании технологических котлов в дежурном режиме для нужд пожаротушения;
система сбора и подготовки универсальна и предлагаемая схема применима в любом НГДУ.
Расчеты показали, что, используя пар типовой котельной с двумя котлами ДКВР-2,5/13, можно получить электрическую мощность 450…500 кВт при двухконтурной схеме применения винтовых машин и 240…250 кВт – при одноконтурной.
Возможна также реализация одноконтурной схемы применения винтовых машин с использованием в качестве рабочего тела органических агентов с низкой теплотой парообразования. Пар технологической котельной будет при этом выполнять роль промежуточного теплоносителя или ВЭР.
Экономическая эффективность:
Применение в НСП энергоустановки мощностью 250 кВт позволит снизить годовую плату за потребленную электроэнергию в количестве 2,2 млн. кВт*ч на сумму 2,5 млн. руб., за потребление мощности в количестве 250 кВт на сумму 1 млн.руб. (по тарифам 2009 г.).
Срок окупаемости проекта составляет 2,5…3 года.

Предлагаемая схема (типовая для НГДУ)
утилизации ПНГ
ПНГ с технологических ступеней
сепарации НСП
ГРУ технологической котельной НСП
Паровые котлы технологической котельной
Эл. потребители НСП
Потребители НСП, возврат конденсата в котельную
ЭЛ.ЭНЕРГИЯ (1тн.пара/ч=0,05 МВт/ч)
ПАР или ГОРЯЧАЯ ВОДА
ГАЗ
ПНГ из «газосборного кольца»
Энергоустановка на базе ПВМ
ГАЗ
ПАР

Расчет мощности, получаемой от пара типовой котельной при реализации двухконтурной схемы применения винтовых энергоустановок

Газоперекачивающие агрегаты ОАО «Газпром»