МИКРО ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ С ДВИГАТЕЛЕМ С ВНЕШНИМ ПОДВОДОМ ТЕПЛОТЫ, РАБОТАЮЩАЯ НА ЭНЕРГИИ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ КОКСОВОГО ПРОИЗВОДСТВА | Опубликовать статью РИНЦ

МИКРО ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ С ДВИГАТЕЛЕМ С ВНЕШНИМ ПОДВОДОМ ТЕПЛОТЫ, РАБОТАЮЩАЯ НА ЭНЕРГИИ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ КОКСОВОГО ПРОИЗВОДСТВА

Научная статья

Мехтиев А.Д.¹, Югай В.В.², Алькина А.Д.³, Есенжолов У.С.^4, *, Калиаскаров Н.Б.⁵

¹ ORCID: 0000-0002-2633-3976;

² ORCID: 0000-0002-7249-2345;

³ ORCID: 0000-0003-4879-0593;

⁴ ORCID: 0000-0003-2536-6810;

⁵ ORCID: 0000-0001-9772-4205;

^{1, 2, 3, 4} Карагандинский государственный технический университет, Караганда, Казахстан,

⁵ Северо-Казахстанский государственный университет им.М.Козыбаева, Петропавловск, Казахстан

* Корреспондирующий автор (newneil[at]mail.ru)

Аннотация

Микро электростанция с двигателем с внешним подводом теплоты будет вырабатывать электрическую энергию для собственных нужд предприятия используя тепловые потери коксового производства. Основой микро тепловой электростанции является двигатель с внешним подводом теплоты работающий по принципу Стирлинга. В своей работе мы учитываем положительные результаты, опыт и достижения зарубежных, для создания собственной конструкции. В статье приведены некоторые результаты исследований по эффективности работы двигателя с внешним подводом теплоты.  Также в статье показаны основные технические характеристики модели. Для достижения высокого КПД двигателя необходимо добиться эффективного нагрева и охлаждения тела. В статье предоставлены пути решения данных проблем.

Кроме того, в статье есть моделирование процесса увеличения давления при помощи компьютерной программы, что наглядно показывает все рабочие характеристики двигателя.

Ключевые слова: Тепловая электростанция, двигатель Стирлинга, когенерация, электрическая энергии, тепловая энергия, комплексное производство, электроснабжение, альтернативная энергетика, тепловой двигатель, кокс, коксовая печь, металлургия.

MICRO POWERPLANT WITH ENGINE WITH EXTERNAL HEAT SUPPLY, WORKING ON ENERGY OF HEAT LOSSES OF COKE PRODUCTION

Research article

Mekhtiyev A.D.¹, Yugai V.V.², Alkina A.D.³, Esenzholov U.S.⁴, Kaliaskarov N.B.⁵

¹ ORCID: 0000-0002-2633-3976;

² ORCID: 0000-0002-7249-2345;

³ ORCID: 0000-0003-4879-0593;

⁴ ORCID: 0000-0003-2536-6810;

⁵ ORCID: 0000-0001-9772-4205;

^{1, 2, 3, 4} Karaganda State Technical University, Karaganda, Kazakhstan

⁵ North Kazakhstan State University named for N.Kozybayev, Petropavlovsk, Kazakhstan

* Corresponding author (newneil[at]mail.ru)

Abstract

A micro powerplant with an engine with an external heat supply generates electrical energy for the company’s own needs using heat loss from coke production. The basis of a micro thermal power plant is an external heat supply engine based on the Stirling principle. In this paper, authors take into account the positive results, experience, and achievements of foreigners, to create own design. The article presents some results of research on the efficiency of the engine with external heat supply. The article also shows the main technical characteristics of the model. In order to achieve high engine efficiency, it is necessary to get effective heating and cooling of a body. The article provides solutions to these problems.

In addition, the article presents a simulation of the process of increasing pressure with the application of a computer program, which clearly shows all the performance characteristics of the engine.

Keywords: Thermal power station, Stirling engine, cogeneration, electric energy, thermal energy, integrated production, power supply, alternative energy, heat engine, coke, coke oven, metallurgy.

Не одно столетие человек занимается производством кокса для металлургических печей и без его производства немыслимо получение чугуна, стали и других металлов. В Казахстане существует определенная потребность в развитии коксового производств, основными потребителями которого являются домны сталелитейных заводов, например, АО «АрселорМиттал” который является крупнейшим производителем является мировым лидером металлургии и горнодобывающей промышленности. В его производственном процессе используется крупный кусковой кокс «металлургический» (доменный) размерами более 25 мм или более 40 мм, большая часть которого добывается на шахтах Карагандинского угольного бассейна и примерно около 15 % завозится из соседней России [1]. Важное значение придается не только показателям качества самого кокса, но и стабильности этих показателей, так как практика показала, что резкие изменения в качестве кокса в течение одних суток в большей степени вызывают снижение производительности домны, чем постепенное снижение качества кокса в течении длительного периода. Качество кокса на прямую влияет на эффективную работу доменной печи. Еще одним потребителем кокса в Карагандинской области являются литейные заводы, на их долю приходится примерно около 7 % от всего производства коксового. Для вагранок используется крупно кусковой кокс с низкой реакционной способностью и низкой пористостью, так как количество шлака в вагранках ограничено, то требуется низкозольный и малосернистый кокс. Технология производства кокса постоянно совершенствуется, вследствие снижения расхода кокса на тонну чугуна, в доменную печь вводится значительно меньше золы и серы, а значат снижается их вредное влияние [2].  При комбинировании металлургического и коксохимического производства появляется возможность использования коксового (доменного) газа для различных нужд химической промышленности, например, для синтеза аммиака и других различных химических веществ. В коксовой печи под воздействием высокой температуры около 900—1100 °С без доступа воздуха происходит превращение угля в кокс, в результате которого выделяется коксовый газ. Количество произведенного газа зависит от температуры и продолжительности цикла производства, продолжительностью которого около 13-14 часов, из одной тонны коксующегося угля (в зависимости от качества), коксовая печь производит 740 – 780 кг твердого кокса и 15-18 % коксового газа. Коксовый газ используют в качестве топлива для котлов ТЭЦ, его также можно использовать вместо природного газа для мартеновских печей, нагревательных колодцев и печей в прокатных цехах [3].

Учитывая многолетний опыт АО «АрселорМиттал” Темиртау по использованию коксового газа для нужд энергетики, мы разработали электрический генератор с приводом от двигателя с внешним подводом теплоты работающий по принципу Стирлинга, способный производить электрическую энергию при сжигании коксового и полукоксового газа, последний отличается низкой калорийностью и требует серьезной очистки. Практика показала, что эксплуатация газогенераторных электростанций не совсем эффективна при работе на коксовом и полукоксовом газе, так как требуются значительные вложения в системы очистки и последующий ремонт силового агрегата (двигателя внутреннего сгорания). Наша разработка должна решить проблему утилизации части коксового и полукоксового газа, который приходится сжигать факелом. Еще одним направлением является охлаждение коксового газа с температуры с 600⁰ С до 200⁰ С для дальнейшего его использования в газогенераторной установке. Такая проблема возникла у АО «Казахстан Инвест Комир», образованной в 2005 году по государственной инвестиционной программе импортозамещения, так как потребности металлургов увеличились и приходится закупать кокс за рубежом.  Предприятие располагает производственной базой для получения спецкокса и активированного угля, а также утилизация горючего газа для выработки электроэнергии и сушки древесины. Коксовальный газ на выходе из печей, не позволяет его использовать на прямую без очистки на химическом заводе, а также улавливанию продуктов сухой перегонки угля и влаги. Проведенный анализ в химической лаборатории показал следующий его состав: 300-500г/нм³ водяных паров, 100-125г/нм³ смолы, 30-40г/нм³ бензольных углеводородов, 7-1 г/нм³ аммиака, 5-20г/нм³ сероводорода, незначительная доля вкраплений сероуглерода, окислов азота и циана.  Очищенный коксовый газ имеет хорошие показатели по теплотворной способности 14-18 МДж/м³, данные показатели делают его очень эффективным топливом [4].

Наша работа выполнена в рамках проекта «Микро тепловая электростанция когерационного типа с рекуперацией тепла» (№ АР05131751), целью которого является создание к 2020 году опытного образца микро тепловой электростанция (МТЭС) и проведение ее полномасштабных испытаний в условиях АО «Казахстан Инвест Комир». МТЭС будет вырабатывать электрическую энергию для собственных нужд предприятия использую тепловые потери коксового производства. Отработку образца начнем с лабораторной установки мощностью около 10 Вт, но в последствие будем постепенно приближаться к необходимой расчётной мощности 100 кВт. В качестве силового агрегата будет использован четырех цилиндровый двигатель двухстороннего действия с кривошипной шатунным механизмом. В планах провести пуско-наладочные работы совместно с инженерами АО «Казахстан Инвест Комир». В настоящее время в Казахстане нет опыта использования МТЭС на основе двигателя с внешним подводом теплоты (ДВПТ) и приходится проводить ряд предварительных исследований и отработок на небольших по мощности моделях [5].

В своей работе мы собираемся учитывать положительные результаты, опыт и достижения разработчиков прошлого века, создавших множество модификаций двигатели с внешним подводом теплоты работающего по циклу Стирлинга, например, Philips, STM Inc., Daimier Benz, Solo, United Stirling, выпускавшие промышленные образцы [1]. Будет учтен опыт современных производителей: Ecopower, WhisperGen, Microgen, Lion-Powerblock, Honda,  EcoGen использующих схожие технологии. Современные зарубежные образцы имеют высокую эффективность и стоимость 1 кВт мощности, работающие в основном на природном газе. Копирование данных образцов полностью отвергается АО «Казахстан Инвест Комир», компания ставит задачу разработки двигателя ДВПТ собственной конструкции и способно эффективно работать в их условиях эксплуатации. Вторым моментом должна быть решена задача его дальнейшего производства по минимально возможной цене использованием материалов и технологий, имеющих Казахстанское содержание. Максимальное исключение импортных комплектующих и проектируемого ДВПТ сильно усложняет задачу на первоначальном этапе, но будущие научные и опытно конструкторские должны послужить основой успешной реализации проекта и востребованности нашей разработки на производстве. Для этого нами будут внесены ряд изменений в типовые известные конструкции ДВПТ [6], а также приводного механизма и электрического генератора. Предстоит отработать свою конструкцию нагревателя, регенератора, охладителя и уплотнений поршней, для достижения максимально возможного КПД. В качестве системы охлаждения будет использоваться жидкостный охладитель с обдуваемым радиатором.

Ожидаемый результат от внедрения МТЭС в будущем: частичная или полная независимость компании от внешних источников энергии и ежегодного роста тарифа на электрическую энергию; переход к энергоэффективным и энергосберегающим технология сокращающих тепловые потери предприятия; снижение стоимости 1 кВт/ч производимой для собственных нужд электроэнергии с перспективой продажи излишков во внешнюю электрическую сеть; примерный срок окупаемости МТЭС должен быть в более 5 лет.

На начальном этапе своей работы мы провели ряд экспериментов с небольшими моделями и известными по конструкции для отработки будущей конструкции и накопления опыта по их изготовлению, что в дальнейшем позволит нам добиться оптимальной конструкции ДВПТ. Выбранный нами для экспериментов тепловой двигатель, работает по циклу Стирлинга, конструктивно реализован по известному типу «Альфа» [6]. Это известный тип двигателя и широко используется зарубежном его описание можно найти в источнике [7]. Он содержит холодный цилиндр 1 с поршнем 2 и горячий цилиндр 3 с вытеснителем 4, кривошипно – шатунный механизм, нагреватель и охладитель (радиатор) с магистралью для перекачки рабочего тела, станину для крепления элементов механической части и цилиндров.

В нашем случае используется одно цилиндровый ДВПТ типа «Альфа» с массивным маховиком, что в первую очередь сильно влияет на массогабаритные размеры, во-вторых для его пуска требуется значительное усилие, чем для четырех цилиндрового с поршнями двойного действия без массивного маховика, который мы собираемся использовать в будущем. Тогда колебания скорости вращения и момента станут минимальными и его можно будет эффективно использовать для МТЭС, в таком случае он сможет оказать значительную конкуренцию атмосферному дизельному двигателю[8].

Основные технические характеристики модели:

1. электрическая генератора на постоянных магнитах до10 Вт;
2. механическая мощность до 18 Вт;
3. частота вращения, 300-1500 об/мин;
4. рабочее тело воздух;
5. давление рабочего тела в цилиндрах не более 0,5 МПа;
6. система охлаждения воздушная;
7. температура пламени газовой горелки до 900⁰ С;
8. температура воздуха в помещении 23⁰ С;

Для достижения высокого КПД двигателя необходимо добиться эффективного нагрева и охлаждения тела. В дальнейшей работе мы постараемся спроектировать нагреватель таким образом, чтобы он обеспечивал максимальный и быстрый нагрев рабочего тела. В исследуемой модели нет регенератора, что снижает его КПД до 3 раз, естественно в будущей конструкции мы это важное обстоятельство учтем. Система охлаждения должна быть с принудительной циркуляцией автомобильного антифриза, что позволит получить большую разницу температур на нагревателе и охладителе, чем большая разница температур горячего и холодного цилиндров, тем выше КПД [9]. В нашем эксперименте участвует модель с естественным охлаждением, но если на охладитель поместить смоченную в воде кусочек ткани, то охлаждение рабочего тела улучшается, при этом повышается мощность двигателя и его число оборотов в минуту. Для измерения оборотов вращения двигателя использовался лазерный бесконтактный тахометр Victor DM6234P (производства Китай). Для измерения температуры нагревателя использовался Пирометр С – 20.3 (производства Россия). Давление нагнеталось через штуцер с ниппелем, установленным в холодном цилиндре, при помощи поршневого компрессора.  Параметры давления измерялись при помощи манометра с диапазоном измерения от 0 до 0,6 Мпа[10].

 

Рис. 1 – Исследуемый двигатель с внешним подводом тепла типа «Альфа»

 

При изменении давления изменяются и термодинамические показатели рабочего тела и теплопередачи, при увеличении давления рабочее тело поглощает больше тепла, а значит появляется дополнительная механическая энергия. Удельная теплоемкость использованного нами воздуха зависит от температуры и давления. При увеличении давления в два раза вырабатываемая мощность пропорционально увеличивается, а вот КПД увеличивается менее чем на 0,5%. Предстоит решить проблему уплотнений, работающих без смазки, без которых невозможно достичь КПД 20-30% (Philips достигали 40% КПД), при их повреждении мощность двигателя сильно падает или он вообще перестает работать.

Моделирование процесса увеличения давления при помощи компьютерной программы, показало, что увеличение давления положительно сказывается на мощности двигателя, но его повышение свыше 27 МПа может негативно отразиться на рабочих характеристиках двигателя, проблем с теплообменником и выходу из строя уплотнений. Повышение давления напрямую увеличивает КПД двигателя, а вот скорость вращения практически не влияет на крутящий момент, а только оказывает влияние на эффективность работы генератора, чем выше ее показатели, тем больше выдает мощности генератор. В данном типе двигателя очень легко достигается максимальный крутящий момент при низких скоростях вращения. В разрабатываемом нами двигателе в качестве рабочего тела будет использоваться воздух с давлением 10 МПа. Конечно в данном варианте не мы сможем превзойти лучшие мировые образцы по мощности и КПД, но зато облегчим работу уплотнений и существенно снизим стоимость двигателя в целом. Если будет возможным достичь показателей давления в 20 МПа, то будет решены сразу несколько важных задач, повышение мощности и КПД без увеличения массы двигателя в целом, а значит очень большая привлекательность использования по сравнению с дизельным двигателем. Для снижения температуры в зоне работы уплотнений длинна рабочего поршня будет в 3,5 раза больше чем его ход.

Проведённые нами предварительные исследования по испытанию моделей показали важный фактор, касающийся эффективной работе ДВПТ, это конструкция уплотнений и материал для их изготовления. На рисунке 2 показана зависимость потери мощности при использовании кольцевых уплотнений рабочего поршня. С помощью компьютерного моделирования нами были получены данные, что при увеличении частоты вращения коленчатого вала до 3000 об/мин, потери мощности снизятся до 24%. Лучший результат показали скользящие уплотнения из полимера с низким коэффициентом трения при увеличении частоты вращения коленчатого вала до 3000 об/мин, потери мощности снизятся до 7%.

Рис. 2 – Значение потери мощности в процентном соотношении в зависимости от частоты оборотов коленчатого вала для кольцевых и скользящих уплотнений: а – кольцевые уплотнения, б – скользящие уплотнения

 

Это обстоятельство необходимо учесть при конструировании будущего двигателя, желательно достичь частоты оборотов коленчатого вала в 3000 об/мин, что благоприятно скажется на работе электрического генератора. Более низкая частота вращения коленчатого вала в диапазоне 1000 – 1500 об/мин, создадут ряд проблем с частотой вырабатываемого тока и для ее увеличения придётся использовать конструкции тихоходных электрических генераторов, которые будут значительно больше в габаритных размерах и иметь большую стоимость. Еще одной проблемой которую предстоит решить, это точность изготовления скользящих уплотнений из полимера. Проведенные нами натурные эксперименты показали, что падение мощности нашего двигателя будет завесить от величины утечки рабочего тела через не плотности уплотнений (рисунок 3), но при увеличении частоты оборотов коленчатого вала до 3000 об/мин, потери мощности из-за утечек рабочего тела снижаются до 4%. На рисунке 4 показана вазоне значение давления на КПД двигателя.

Рис. 3 – Значение потери мощности в процентном соотношении в зависимости от частоты оборотов коленчатого вала при возникновении утечки рабочего тела

Рис. 4 – Зависимость электрической мощности генератора от давления рабочего тела, при частоте вращения коленчатого вала 1500 об/мин

 

Нами намерено изменялось рабочее давление в цилиндрах от 0,1 до 0,5 МПа, при этом подвод тепловой энергии от пламени горелки оставался постоянный, соответственно в будущей конструкции мы собираемся создавать рабочее давление не менее 1 МПа, но желательное значение давления около 10 МПа, но это вызовет серьезные нагрузки на уплотнения и другие части двигателя по которым циркулирует рабочее тела.

Рис. 5 – Зависимость электрической мощности генератора от частоты вращения коленчатого вала при различных значениях давлении рабочего тела

 

В проектируемом ДВПТ мы должны уделили большое внимание уплотнениям штока и поршня, целостность которых влияет на его эффективность, так ка при их повреждении снижается мощность из – за потери давления. Для подкачки мы использовали поршневой компрессор. Для сокращения материальных затрат на уплотнения и упрощении их конструкции, в своем ДВПТ, мы будем использовать кольцевые уплотнения, предварительный расчет показал, что на преодоление силы трения кольцевого уплотнения о стенку цилиндра, потери мощности будут составлять примерно 500 – 700 Вт на одно уплотнение.

Рис. 6 – Скользящее уплотнение штока и поршня

 

Данный тип уплотнения позволит упростить ремонт, а значит удешевить эксплуатацию двигателя. Для себя мы установили, чтобы уменьшить утечку рабочего тела, необходимо тщательно полировать поверхности штока и поршня в зонах их контакта с уплотнениями высота неровностей не должна превышать 160 мкм, а их овальность должна быть менее 14 мкм.

Возможно в также использование в качестве материала для уплотнений: полиамид; термопластик; стекловолокно; керамическое волокно с добавками графита; стекловолокно с добавками графита. Выбор конкретного материала будет произведен после серии испытаний и исследований.

Ориентировочная стоимость 1кВт мощности ДВПТ мощностью 100 кВт (по циклу Стирлинга) единичных экспериментальных образцов, в зависимости от их мощности и уровня готовности к производству, может составлять примерно от 2000 – 7000 долларов США, но при организации их массового производства стоимость может снизиться более чем в 20 раз, а в отдельных случаях можно добиться снижение стоимости производства более 1000 штук в месяц около 70 долларов США за 1кВт мощности. Массовое производство ДВПТ мощностью 1-3 кВт может снизиться стоимость 1 кВт более чем в 30 раз.

Стоимость ДВПТ зависит от объема производства и от его металлоёмкости. Нам желательно добиться, чтобы удельная масса составляла 280-290 кг при мощности в 100 кВт, чтобы составить серьезную конкуренцию атмосферному дизелю, но показатели нашей модели в 90 раз больше, над снижением ее металлоемкости предстоит длительная работа.

Вывод. Для достижения оптимальных показателей металлоёмкости и КПД двигателя необходимо давление рабочего тела в цилиндрах не менее 10 МПа, что при частоте вращения 1500 об/мин даст наибольшие показатели крутящего момента на валу двигателя, в таком случае придется использовать тихоходный синхронный генератор переменного тока.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.