CC BY
62
УДК 621.311
Гаврилов Е.С., Якимов И.А., Фомин Н.В., Линьков С.А.
ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»
Мехатронная система паровой турбинной электростанции тушильной башни коксового цеха ОАО «ММК»
Разработана мехатронная система паровой турбинной электростанции тушильной башни ОАО «ММК», которая генерирует и аккумулирует электроэнергию, а также питает осветительные установки. Проведено исследование суточного технологического цикла охлаждения кокса в тушильной башне, определено оптимальное место установки паровой турбины и генератора. Произведен расчет мощности паровой турбины с оптимальным диаметром рабочего колеса с пятью лопастями, предложены два варианта питания электростанции от генератора постоянного тока и от синхронного генератора с постоянными магнитами. Рассчитана оптимальная ёмкость и количество аккумуляторных батарей в аккумуляторной станции. Произведен расчет срока окупаемости проекта.
Ключевые слова:
инвертор напряжения.
мехатронная система, паровая турбина, электростанция, аккумуляторная станция, тушильная башня,
Введение
Серьёзная конкуренция на мировом рынке металла и экономические санкции в отношении российских товаров вынуждают резко сокращать расходы на производство. В связи с ростом цен на энергоносители все больше промышленных предприятий ориентируются на внедрение в производство инновационных разработок, снижающих потребление электроэнергии там, где это возможно. Экономическая политика сокращения расходов ОАО «ММК» ставит задачу поиска «слабых мест», где можно с помощью инноваций «залатать энергетические утечки» и повысить рентабельность производства.
Доменное производство - одно из самых энергоёмких в металлургии, которое включает в себя подготовку кокса для доменной печи. Процесс коксования заканчивается, когда в осевой плоскости коксовый пирог достигает температуры 949-1049°С. В доменной печи кокс является основным источником теплоты, поэтому считается целесообразным полученный раскаленный кокс сразу же загружать в печь [1]. Однако транспортирование, хранение и загрузка раскаленного кокса - технически весьма сложная задача. Кроме того, свойства выдаваемого кокса не соответствуют требуемой кондиции. Поэтому первым процессом подготовки кокса для доменных печей является охлаждение (тушение) до температур, при которых возможны его транспортирование и сортировка.
Способ тушения кокса, который применятся на ММК, заключается в том, что кокс из камер коксования выдают в тушильный вагон, который едет под тушильную башню высотой 26 м и диаметром 6 м, где на кокс подают непрерывным потоком воду в течение 1,52 мин (рис. 1). Во время тушения раскалённого кокса пары с естественной тягой устремляются к верхней части башни и выводятся в атмосферу со скоростью 20-25 м/с. После прекращения подачи воды вагон находится под башней еще некоторое время (около 1 мин), в течение которого вода стекает с кокса. Кокс, охлажденный до 180-250°С, разгружается на наклонную площадку - рампу, где испаряется влага, затем
подают на коксосортировку.
Целью и задачей данной работы является разработка мехатронной системы паротурбинной установки, преобразующей кинетическую энергию пара в электрическую и аккумулирующую ее для внешних потребителей электроэнергии.
В рамках реконструкции тушильной башни либо строительства новой паротурбину с генератором выгоднее всего установить на верхней части трубы, где скорость пара максимальная (рис. 1). Число лопастей турбины не должно превышать пяти, дабы не нарушать условия естественной вентиляции и свободного выхода пара. Генератор сочленяется с паротурбиной посредством конического редуктора, выводится за пределы паропотока во избежание перегрева.
© Гаврилов Е.С., Якимов И.А., Фомин Н.В., Линьков С.А., 2016
Рис. 1. Процесс охлаждения кокса в тушильной башне с паротурбиной: 1 - тушильная башня; 2 - турбина; 3 - конический редуктор; 4 - крепление и защитная крышка генератора; 5 - генератор
Расчет и проектирование
ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ
На первом этапе проектирования пароэлектро-станции (ПЭС) следует узнать, каким образом поток пара трансформируется в электрическую энергию и сколько такой энергии можно будет получить на одной
тушильной башне. По приведенной формуле можно рассчитать энергию, которую можно получить от па-ропотока [2]:
гии;
P = V3 -р-S/2,
(1)
где V - скорость паропотока, м/с ; р=1,2 кг/м - плотность потока воздуха с влажностью 100%; - площадь, на которую дует паропоток, м2.
В реальных условиях максимально возможно получить 30-40% от потенциальной энергии воздушного потока [3]. Это ограничение связано с технологическим и физическим выполнением парогенератора. Более точный расчет средней мощности генератора (1) можно сделать по следующей формуле:
РСр R2-V3 -р-Лред-Лген/2
(2)
где 4 - коэффициент использования энергии ветра (в номинальном режиме для быстроходных турбин достигает максимум 4шах = 0,4 ^ 0,5); Я - радиус ротора, м; Пред - КПД редуктора, %; пген - КПД генератора, %.
В таблице приведены расчеты по формуле (2) вырабатываемой турбиной средней мощности рср при различных диаметрах рабочего колеса Бк и скоростях воздушного потока Vп. Учтены механические потери мощности в коническом редукторе и генераторе (4=0,45, Пред=0,9, Пген=0,85).
По данным таблицы построены зависимости средней мощности генератора от скорости пара при различных диаметрах рабочего колеса турбины (рис. 2). Из графиков видно, что мощность, выдаваемая генератором, квадратично растет от скорости пара и кубически от увеличения диаметра рабочего колеса.
На рис. 3 представлены принципиальные электрические схемы ПЭС [4]. Первая схема (рис. 3, а) питается от генератора постоянного тока с релейной схемой контроля тока возбуждения. Тихоходные двигатели (генераторы) краново-металлургической серии Д широко эксплуатируются в условиях производства ОАО «ММК», к тому же качественно реализован их ремонт. Во второй схеме (рис. 3, б) питание производится от синхронного генератора с постоянными магнитами (более дорогой вариант) [5]. Аккумуляторная станция (АКС) в1-в8 накапливает электроэнергию, а управляемый инвертор преобразует постоянное напряжение в переменное 220 В для питания внешних потребителей.
Расчет АКС и срока окупаемости проекта
На втором этапе проектирования необходимо выяснить, окупится ли данный проект и будет ли приносить прибыль в виде сэкономленных средств на электроэнергию. Расчет срока окупаемости проекта предполагает вычисление себестоимости электростанции с турбиной, которые включают в себя следующие затраты на изготовление (закупку):
- колеса турбины;
- конического редуктора;
- генератора;
- аккумуляторной станции для накопления энер-
- инвертора напряжения для внешних потребителей.
Расчет аккумуляторной станции следует производить исходя из следующих условий:
- напряжение полностью заряженной АКС должно быть по величине меньше напряжения генератора, работающего с максимальным отбором мощности турбины;
- ёмкость АКС должна быть достаточной для обеспечения бесперебойного питания потребителей в зимнее и летнее время;
- батареи АКС должны полностью заряжаться за один суточный цикл работы турбины.
При вращении турбины со скоростью 100150 об/мин, а также с учетом мультипликативного редуктора, скорость вращения на валу генератора 200250 об/мин. Выбирается генератор постоянного тока серии Д исходя из расчетов (см. таблицу), мощностью рн = 13 кВт, пн = 600 об/мин, ин = 220 В. При 200 об/мин генератор будет выдавать 73 В.
Напряжение одной аккумуляторной батареи -12 В, поэтому применяется последовательное соединение четырёх батарей, которые в сумме будут давать 48 В. Величина напряжения в данном случае с выхода генератора достаточная для заряда АКС. Суточный цикл работы турбины составляет около 4-5 ч. Учитывая, что АКС будет заряжаться во время работы потребителей - это компенсирует глубокую разрядку батарей.
Ёмкость АКС должна быть как можно большей для стабильного обеспечения электроэнергией потребителей, но стоимость накопителей энергии довольно высокая. Поэтому расчет оптимальной ёмкости АКС должен производиться исходя из суммарной потребляемой мощности при исключении недозарядки батареи за суточный цикл. Чтобы увеличить суммарную ёмкость аккумуляторной батареи (АКБ), их нужно соединить параллельно. Количество соединенных в параллель стоек АКБ (Кст), а соответственно и емкость всей АКС, будут рассчитываться в зависимости от потребляемого активного тока нагрузки:
Р
Т — 1 НГ
1 и "
13000 220
= 59 А,
где Рнг - номинальная мощность генератора; UH - напряжение нагрузки.
В данном случае в качестве нагрузки будет стационарное освещение энергосберегающими лампами в ночное время суток. Время работы осветительных установок в зимнее время 9 ч, в летнее - 6 ч. В качестве базовой, для расчета количества стоек АКС, возьмём аккумуляторную батарею типа TYUMEN BATARY 6CT-190L с ёмкостью W3=190 (А - ч). Таким типом аккумуляторов комплектуются большегрузы и тягачи. Время работы одной стойки из 4 последовательно соединенных АКБ до полного разряда
W 190
Г = W =-= 3,22 ч.
1 /„ 59
Зависимостт средней мощности генератора от скорости пара при различных диаметрах рабочего колеса турбины
Уп, м/с 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Дк = 3 м Рср, кВт 0,083 0,567 0,813 1,119 1,52 2,009 2,6 3,3 4,1
Дк = 4 м Рср, кВт 0,67 1,008 1,446 1,99 2,702 3,572 4,6 5,8 7,3
Бк = 5 м Рср, кВт 1,048 1,575 2,259 3,109 4,222 5,581 7,2 9,9 12,8
14
12 10 8 6 4 2 0
кВт 0 = 5му*
К
Э = 3м
К, м/с
8
10
11
12
13
14
15
Рис. 2. Зависимости средней мощности генератора от скорости пара
б
Рис. 3. Принципиальные электрические схемы ПЭС: а - с генератором постоянного тока; б - с синхронным генератором
Таким образом, 3-х стоек, соединенных в параллель, достаточно для обеспечения электроэнергией осветительных ламп в зимнее время с расчетным током нагрузки 59 А. Причем АКС не будет разряжена полностью, т.к. в ночное время турбина так же работает.
= = 3-190 =
3 /.. 59
Таким образом, в одной АКС будет размещаться 12 аккумуляторных батарей. Стоимость одной АКБ на текущий момент - 10 000 руб. Стоимость всей АКС: 12-10 000 = 120 000 руб. Стоимость изготовления турбины - 150 000 руб. Расходы на закупку инвертора, генератора, а также затраты на установку и монтаж, по предварительным подсчетам, - около 70 000 руб. Итого себестоимость всей паротурбинной электростанции составляет 340 000 руб.
Стоимость 1 кВт-ч электроэнергии - 3,3 руб.
Мощность, потребляемая за суточный цикл, 13 000 Вт-ч за 9 часов, 13 000-9=117 000 Вт-ч.
Стоимость потребляемой мощности за суточный цикл: 117-3,3=386,1 руб.
Стоимость потребляемой мощности за год: 386,1-365=140890 руб.
Срок окупаемости проекта: 340 000/140 890=2,4 года.
С учетом того, что АКС при благоприятных условиях работы служит 7-8 лет, чистая прибыль от сэкономленных средств на электроэнергию за 5,5 лет составит 5,5-140890 = 774895 руб.
Заключение
Разработана мехатронная система паротурбинной установки, преобразующая кинетическую энергию пара в электрическую и аккумулирующая ее для внешних потребителей электроэнергии.
Срок окупаемости проекта реконструкции только для одной тушильной башни не превышает 2,5 года.
Список литературы
1. Мучник Д.А. Вопросы теории и технологии внепечного формирования свойств доменного кокса: дис. ... д-ра техн. наук. Днепродзержинск, 1979. 447 с.
2. Фатеев Е.М. Ветродвигатели и ветроустановки. М.: Сель-хозгиз, 1957.
3. Линьков С.А., Сарваров С.А., Бачурин И.А. Перспективы развития ветроэнергетики в России и за рубежом // Электротехнические системы и комплексы. 2013. №21. С.220-225.
4. Линьков С.А., Сарваров С.А., Бачурин И.А. Мехатронные системы ветряных электростанций как альтернативные источники энергии // Электроэнергетические системы и сети. Энергосбережение: межвуз. науч. сборник / Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т.- Уфа: УГАТУ. 2013. С. 12-17.
5. Линьков С.А., Сарваров С.А., Бачурин И.А. Анализ систем управления синхронных электроприводов // Электротехнические системы и комплексы. 2014. № 2(23). С. 2528.
Information in English
Mechatronic System of Steam Turbine Power Plant of Quenching Tower at OJSC "MMK"
COKE PLANT
Gavrilov E.S., Yakimov I.A., Fomin N.V., Linkov S.A.
The research group developed a mechatronic system of a steam turbine power plant at OJSC "MMK" quenching tower, which generates and accumulates electric power and feeds lighting systems. A study of daily technological cycle of coke cooling in a quenching tower was carried out to determine the optimum location of the steam turbine and the generator. The authors calculated the power of the steam turbine with the optimum wheel diameter with five blades and offered two options for power supply from the DC generator and from the synchronous generator with permanent magnets. The optimal capacity and the number of rechargeable batteries in the station were calculated. The calculation of the payback period of the project was carried out.
Keywords: Mechatronic system, steam turbine, power station, station battery, quenching tower, voltage inverter.
References
1. Muchnik D.A. Voprosy teorii i tehnologii vnepechnogo formirovaniya svoistv domennogo koksa [Issues of theory and technology of out-of-furnace coke forming properties]: D.Sc. thesis in Engineering. Dneprodzerjinsk, 1957.
2. Fateev E.M. Vetrodvigateli i vetroustanovki [Wind motors and wind turbines]. Moscow. Selhozgiz. 1957.
3. Linkov S.A., Sarvarov A.S., Bachurin I.A. Perspektivi razvitia vetroenergetiki v Rossii i za rubezhom [Prospects for development of wind energy in Russia and abroad]. Elektrotehnichesskie sistemy I komplexy [Electrotechnical systems and complexes]. 2013, vol. 21, pp. 220-225.
4. Linkov S.A., Sarvarov A.S., Bachurin I.A. Mehatronnye sistemy vetryanyh elektrostantsiy kak alternativnie istochniki energii [Mechatronic systems of wind power as an alternative energy source]. Elektrotehnichesskie sistemy I sety. Energosberezhenie: mezhvuzovskiy nauchniy sbornik [Electric power systems and networks. Energy saving: the interu-niversity collection of scientific papers]. Ufa. Ufa State Aviation Technical University. 2013, pp. 12-17.
5. Linkov S.A., Sarvarov A.S., Bachurin I.A. Analiz system upravleniya sinhronnih elektroprivodov [Analysis of synchronous electric drives control systems]. Elektrotehnichesskie sistemy I komplexy [Electrotechnical systems and complexes]. 2014, vol. 2 (23), pp. 25-28.
