Абсолютное давление пара в котле 1, разрешенное органами Ростехнадзора, обычно не превышает 0,7‑1 МПа, а в бойлер 6 для нагрева воды потребителям 9 поступает пар с более низким абсолютным давлением – 0,12‑0,6 МПа. Поэтому электроагрегат с паровым двигателем 5 через запорную 3 и регулирующую 4 арматуру включается параллельно редукционному устройству или, как на схеме, взамен последнего. Тогда вместо бесполезного дросселирования пара двигатель будет совершать полезную работу по приводу электрогенератора 7, горячая вода насосом 8 будет подаваться потребителям, а конденсат отработавшего в двигателе пара с помощью насоса 2 – направляться обратно в котел.
Таким образом, котельная превращается в независимый от централизованных электросетей, технико-экономически выгодный источник тепловой и электрической энергии с общим КПД на уровне 80‑90 процентов. Если потребителю не требуется много теплоты, то такой энергоисточник можно дооснастить абсорбционными холодильными машинами для выработки холода при работе на отработавшем в двигателе паре или блочными мини-градирнями для конденсации отработавшего пара. С целью бесперебойного электроснабжения потребителей круглогодично необходима безостановочная работа котельной в режиме мини-ТЭЦ, что возможно, если электроэнергию генерировать при выработке теплоты, необходимой для обеспечения горячего водоснабжения потребителей.
Но прогресс не стоит на месте. «Ползуновы» XXI столетия из объединенной научной группы «Промтеплоэнергетика» Московского авиационного института и ряда ведущих научных учреждений России образовали своеобразное «содружество» паровозных и высоких технологий, разрабатывая для нужд котельных современные паровые поршневые машины на базе… обычных двигателей внутреннего сгорания! Зачем?
Еще в 1950‑х годах некоторые маломощные паровые машины имели примерно в два раза меньший (!) удельный расход пара, чем современные паровые турбины, при тех же мощностях и параметрах пара. Современные паровые машины тоже «унаследовали» это качество. Эти моторы, в отличие от турбин, могут обеспечивать прямой (безредукторный) привод электрогенераторов, а также насосов или тягодутьевого оборудования котельной. Паровым турбинам требуется система охлаждения, а это – дополнительный расход воды и потери энергии. Современные паровые машины теплоизолируются и охлаждать их не требуется, ведь у их цилиндрах температура рабочего тела в пять-шесть раз ниже, чем у исходных для конверсии двигателей внутреннего сгорания.
Ресурс лопаточных паровых турбин определяется, в основном, ресурсом лопаток из дорогостоящих сплавов, а у паровых машин – ресурсом более дешевых узлов шатунно-поршневой группы. Паровинтовые турбины не имеют лопаток, но по расходу пара схожи с лопаточными, да и ресурс до капитального ремонта отличается несильно. Паровые машины всегда отличались своей неприхотливостью в обслуживании и феноменальной надежностью. Ресурс же современных паровых моторов может быть выше, чем у исходных двигателей, так как пар, в отличие от горючей смеси, не взрывается, а расширяется и плавно давит на поршень. Для технического обслуживания турбин необходим высококвалифицированный персонал.
Все поршневые двигатели обладают еще и свойством самостабилизации частоты вращения вала, чего нет у турбин. Реализация этого революционного для техники открытия В. С. Дубинина позволяет обеспечивать поддержание частоты вращения вала двигателя с такой точностью, что приводимый электрогенератор способен автономно вырабатывать электроэнергию с частотой 50 0,2 Гц, как требуется по отечественным стандартам, без дорогих выпрямительно-инверторных устройств. Самостабилизация осуществляется без организации отрицательной обратной связи при импульсной подаче или выработке рабочего тела (пара) через равные промежутки времени. Такой процесс, по сути, аналогичен работе анкерного механизма и маятника в часах. В нашем случае – это двигатель с источником пара и задающий генератор импульсов подачи пара в двигатель.
Идейным «вождем» и руководителем всех этих уникальных паромашинных разработок является В. С. Дубинин – лауреат знака «Изобретатель СССР» и ветеран труда. При создании паровых машин XXI века сотрудники группы руководствуются принципом устойчивого развития человека, окружающей природы и техники, который можно представить простой формулой: «энергоэффективность плюс экология плюс экономика».
Что же конструктивно представляет собой современная паровая машина «по‑русски»? Это – паропоршневой двигатель однократного расширения пара, одностороннего давления, с золотниково-клапанным или газодинамически-клапанным механизмом парораспределения и циркуляционной системой смазки с «сухим» картером. Вал двигателя может свободно вращаться с частотой, достаточной для прямого привода электрогенератора (500‑3000 об/ мин). Возможен вариант и полностью бесклапанного «газодинамического» мотора (авторское свидетельство СССР SU 1753001).
Точку зрения о преимуществах современных паровых машин над турбинами для мини-ТЭЦ разделяют и зарубежные специалисты. Например, Майкл Мюллер из Центра передовых энергетических систем Рутгерского университета США отмечает, что малоразмерные паровые поршневые двигатели, в отличие от паровых турбин, прекрасно и экономично работают даже на влажном паре и с очень умеренными рабочими частотами вращения. За рубежом уже хорошо зарекомендовали себя в эксплуатации паровые моторы Spilling (Германия) и PolyComp PM‑VS (Чехия). В США несколько лет назад государственную поддержку получил проект создания паровых моторов прямоточного типа «Циклон» под лозунгом «Одной планете – единый двигатель».
Что делать с водогрейными котельными? Их целесообразно надстраивать дополнительными водотрубными паровыми котлами или полностью заменять на них водогрейные. На то есть веские аргументы: экономия топлива при снижении тепловых нагрузок, например, весной ведет к скорейшей коррозии поверхностей нагрева у водогрейных котлов, а реальный срок службы последних составляет не более десяти лет с заменой поверхностей нагрева через каждые два-три года. Паровые же котлы, конечно, дороже водогрейных, но для них эксплуатационные затраты ниже, и они могут надежно работать не менее тридцати лет без замены поверхностей нагрева.
В заключение хотелось бы акцентировать внимание и на том, что электроагрегаты с паровыми моторами как нельзя лучше подходят для автономных и экологически чистых при работе энергоустановок с солнечными коллекторами. Тем более что в Российском ВИЭСХе под руководством академика Россельхозакадемии Д. С. Стребкова разрабатываются вполне подходящие солнечные коллекторы. Вместе с «солнечными» паровыми котлами такие моторы могут использоваться в солнечных паропоршневых энергоустановках для электро-, тепло- и холодоснабжения сельских домов, хозяйственных и промышленных объектов.
