Принципы технологии энергосбережения на основе ПВМ.

Важно сразу отметить, что производство собственной электроэнергии является полезным, но побочным процессом. Здесь главное – не нарушить режим работы основного производства, использующего пар для своих технологических нужд.
Пар в котлах промышленных котельных генерируется в зависимости от степени изношенности котлов обычно при давлении 8-13 ати  и при  температуре 176-194°С, а при наличии пароперегревателя – до 250°С.
Если этот пар направить в энергоустановку, тогда часть тепловой энергии (теплоснабжение) пара преобразуется в электроэнергию. Для возмещения этой отобранной энергии пара необходимо сжечь в котле дополнительное топливо. Согласно расчетам, удельный расход дополнительного топлива на выработанную электроэнергию составляет 140-145  г.у.т./кВтчас.
Пар, отработанный в ПВМ, направляется на технологические нужды или на отопление. Температура этого пара должна соответствовать условиям данного конкретного производства, например, в сушильные камеры. Учитывая, что пар из ПВМ выходит влажным, тогда, как следует из термодинамики, температура этого пара однозначно определяется его давлением.

Рассмотрим последовательно ряд аспектов данной технологии энергосбережения.
Электрический  КПД   установки определяется как

η,
где   - относительный индикаторный КПД;
- механический КПД,  для ПВМ ;
- КПД электрогенератора,  
Экспериментально показано, что при нанесении уплотнительного материала на роторы и корпус винтовой машины величина   достигает максимального значения  =  0.86.  При этом величина   в значительной мере зависит от окружной скорости  винтов. Оптимальная величина  окружной скорости  80 – 100 м/с. Другим важным фактором, влияющим на  , является величина  зазоров между роторами. Для реально выполненных винтовых машин эта величина составляет  около 0.1% от диаметра винтового ротора. Отметим, что при работе на влажном паре образующийся конденсат затекает в зазоры, уменьшая утечки пара, что благоприятно отражается на   .
Экспериментально показано, что КПД винтовой машины, работающей в режиме детандера, существенно выше, чем у той же машины в режиме компрессора.
Практически  реальное  значение   = 0.72 – 0.76.   Эта величина выше, чем у лопаточных турбин малой размерности, где величина   падает из-за увеличения относительного зазора между лопатками и корпусом. Кроме того, КПД лопаточной турбины существенно уменьшается при росте влажности пара из-за увеличения потерь при обтекании лопаточного профиля.
Оптимальность конструкции ПВМ.  
ПВМ является паровой машиной объемного типа. Она содержит  корпус высокого давления  с впускным патрубком, корпус низкого давления  с выпускным патрубком, ведущий  и ведомый  винтовые роторы. На  валах установлены торцовые уплотнения , опорные подшипники  и  упорные подшипники . Ведущий и ведомый роторы имеют соответственно 4 и 6 винтовых зубьев, которые находятся в зацеплении с гарантированным зазором. Роторы связаны между собой при помощи синхронизирующих шестерён . Острый пар через  впускное окно  поступает к винтовым зубьям роторов и расширяется в полостях, образованных впадинами зубьев роторов, и удаляется из машины через выпускной патрубок.
Ресурс работы и ремонт.  Естественно, опытных данных по назначенному ресурсу ПВМ пока не получено. Однако, основываясь на опыте эксплуатации винтовых компрессоров, которые являются обратимыми машинами по отношению к ПВМ, назначенный ресурс ПВМ должен составлять не менее 150-200 тыс. часов, т.е. 25-30 лет.  В самом деле, винтовые роторы ПВМ при работе не касаются друг друга и не подвергаются эрозионному износу со стороны влажного пара. В процессе работы стальные роторы и корпус покрываются черной оксидной пленкой, т.е. подвергаются «воронению».
Ремонтные работы на ПВМ производятся  раз в 3 года ( около 15000 часов работы ) и включают в себя, в основном, ремонт подшипников скольжения и торцовых уплотнений. ПВМ имеет высокую ремонтопригодность. Разборка и сборка ПВМ производится непосредственно на месте силами 2-х слесарей средней квалификации и составляет соответственно, в среднем, 4 и 6 человеко-дней.  После сборки ПВМ, во избежание появления вибрации, обязательно проводится её центровка с генератором с точностью до 0,05 мм.
Система выдачи электрической мощности.  Выходной вал ведущего ротора ПВМ соединяется с электрогенератором. При работе параллельно с электрической сетью  0,4;  6; 10 кВ, целесообразно использовать асинхронный генератор (АГ), который является обращением обычного серийного асинхронного двигателя с короткозамкнутой обмоткой ротора. АГ имеет следующие преимущества перед синхронным генератором (СГ).
1.    АГ более прост в обслуживании и надежен в эксплуатации, чем СГ.
2.     Стоимость АГ  ниже, чем СГ.
3.    АГ не нуждается в системе синхронизации с сетью и в регуляторе возбуждения генератора.
4.    Система защиты АГ значительно проще, чем у СГ, ввиду того, что токи короткого замыкания в АГ быстро затухают вследствие исчезновения магнитного поля в роторе.
5.    Максимальные обороты серийно выпускаемых асинхронных машин в диапазоне до 1 МВТ составляют 3000 об/мин, в то время как у СГ максимальные обороты составляют 1500 об/мин. Поэтому АГ может работать с ПВМ либо напрямую, либо через редуктор с малым передаточным отношением.
АГ имеет следующие недостатки:
1.    АГ потребляет реактивную мощность из сети. Этот недостаток можно компенсировать включением батареи конденсаторов на низковольтный стороне.
2.    Серийно выпускаемые асинхронные машины в диапазоне около 1 МВт имеют воздушное охлаждение и создают соответственно повышенную шумность от вентилятора.  
При согласовании технических условий на подключение АГ к сети практически всегда возникают бюрократические трудности. Электроснабжающие предприятия всячески противятся выдаче электрической мощности в сеть за пределы предприятия, несмотря на то, что это противоречит закону об энергосбережении. Поэтому, во избежание сложностей,  собственное производство электроэнергии в котельной должно обеспечивать только собственные нужды предприятия.
Система автоматического регулирования и защиты (САРЗ)  должна обеспечивать автоматическую защиту установки при возникновении какой-либо  аварийной ситуации. Защита заключается в прекращении подачи пара в ПВМ и одновременном отключении генератора от сети.
САРЗ располагается на центральном щите котельной и включает в себя пульт управления  на базе промышленного компьютера. Штатный запуск и останов осуществляется в ручном режиме с этого пульта.  Регулировка мощности установки осуществляется при помощи заслонки на входе пара в ПВМ. Обороты ПВМ при этом не изменяются ввиду того, что обороты  АГ поддерживаются частотой электрической сети.
Наличие энергоустановки в котельной не должно никоим образом сказываться на снабжении паром основного производства предприятия и на работе котлов. Поэтому на входе пара в ПВМ установлен автоматический переключатель пара, связанный с САРЗ. При возникновении аварийной ситуации переключатель пара мгновенно прекращает доступ пара в ПВМ и пускает его через редукционное устройство в обвод.

Применительно в условиях лесной промышленности, на предприятиях лесопиления, денежная составляющая топлива равна нулю, так как опилки являются продуктом лесопиления и подлежат утилизации. В случае применения винтовой турбины, количество сжигаемых опилок увеличивается, что является положительным моментом. Себестоимость выработанной электроэнергии без топливной составляющей  не более 10-15 копеек за 1кВт/час.