Развитие Арктической зоны Российской Федерации в наше время является одним из первостепенных вопросов. Согласно стратегии государственной программы основным направлением объявляется разработка и внедрение новых научных технологий. Климатические условия Арктических районов крайне неблагоприятны для строительства и жизни. Природа Арктики очень хрупка и чувствительна к внешнему вмешательству. Теплогенераторы, применяемые ранее, уже не отвечают новым критериям и поставленным задачам по экологичности. Двигатель Стирлинга — тепловая машина, в которой рабочее тело: газ или жидкость, движется в замкнутом объеме. Двигатель имеет преимущества: многотопливность, т. е. возможность работы практически от любого источника теплоты; высокий ресурс и длительный межремонтный период. Таким образом, двигатель Стирлинга является наиболее перспективным для применения в типовых тепловых генераторах в Арктической зоне Российской Федерации.
Ключевые слова: теплоноситель, теплогенератор, двигатель Стирлинга, экологичность.
В связи с утверждением государственной Программы Российской Федерации «Социально-экономическое развитие Арктической зоны Российской Федерации на период до 2020 года» [1], проблема инженерной деятельности в этих районах на данный момент является одной из первостепенных.
Согласно Программе на период до 2020 года приоритетными направлениями являются:
комплексное социально-экономическое развитие Арктической зоны Российской Федерации;
развитие науки и технологий;
создание современной информационно-телекоммуникационной инфраструктуры;
обеспечение экологической безопасности;
международное сотрудничество в Арктике.
Таким образом, одним из важнейших параметров является применение новых усовершенствованных технологий, которые позволят получать максимально возможный КПД энергетических установок при минимальном вреде для экологии.
Климатические условия Арктических районов и их влияние на строительство
Тип климата, характерный для Арктического географического пояса и части Субарктики формируется не только в связи с низкими температурами высоких широт, сильным светоотражением снежно-ледяного покрова длительной полярной ночью, но и в связи с отражением тепла в светлое время от снега и льда.
Годовая сумма атмосферных осадков 100–200 мм. В зонах перехода к субарктическому климату развивается циклоническая деятельность, и атмосферные осадки увеличиваются до 400 мм в год [2].
Полярные день и ночь обусловливают крайне неравномерное поступление солнечной радиации в течение года. Радиационный баланс в южных районах Арктики положительный, составляет 420–630 Мдж/(м2·год).
Суровый Арктический климат обусловливает низкую температуру океанических вод. В области распространения дрейфующих льдов в течение всего года температура поверхностного слоя вод (толщиной 100–200 м) близка к минус 2°С [3].
Любая строительная и хозяйственная деятельность в районах вечной мерзлоты сопряжена с большими трудностями. Мерзлотные процессы разрушают сооружения и транспортные пути. Поэтому основные грузы приходится поставлять в холодное время года по зимним дорогам или по водному пути. Любые здания сооружают на сваях, которые при недостаточном заглублении, выталкиваются грунтом и приводят к разрушению здания. Мерзлота сохраняет органические и неорганические вещества и препятствует их разложению. Данный фактор существенно усложняет захоронение промышленных и бытовых отходов. Из-за низких температур медленно происходит самоочищение вод, задерживается восстановление тундровой флоры. В связи с осваиванием труднодоступных Арктических регионов, требуется строительство нефтедобывающих, угольных, газовых и других строительных объектов [4].
Теплогенераторы: внедрение новых технологий
В Арктической зоне сконцентрирована добыча 91 % природного газа и 80 % газа промышленных категорий. Кроме того, на шельфе Баренцева моря разведано одиннадцать месторождений, в том числе четыре нефтяных. В Сибири сосредоточены богатые запасы практически всех ценных металлов: золота, серебра, никеля, молибдена и цинка [5]. Однако на многих разведанных месторождениях добыча не ведется из-за труднодоступности и высокой стоимости разработок. Любая добывающая промышленность требует больших затрат электроэнергии и тепла. На сегодняшний момент в основном для этих целей применяют дизельные генераторы.
Основные технические характеристики дизельных энергоустановок [6]:
мощность одной установки: 0,10–5,00 МВт;
напряжение: 0,4–13 кВ;
срок службы двигателя: 150–300 тыс.ч.;
КПД (без утилизации теплоты): 0,39–0,47;
КПД (с утилизацией теплоты): 0,70–0,80;
диапазон рабочих режимов: 10–110 % от номинальной мощности;
моторесурс до текущего ремонта: 10–60 тыс.ч.;
моторесурс до капитального ремонта: 60–100 тыс.ч.;
затраты на ремонт: 5–20 % от стоимости;
стоимость установленной мощности: 90–200 $ / кВт;
уровень шума: не более 88 дБ;
вредные выбросы (концентрация в отработавших газах, приведенная к 5 % О2):
NOx: 3400 мг/м3;
СО: 170 мг/м3.
Принцип работы одного цикла дизельного генератора представлен на Рисунке 1.
Рис. 1. Принцип работы дизельного генератора
В настоящий момент основной задачей становится переход на новый технологический уровень, связанный с энергосбережением, экологией и сокращением доли использования традиционных энергоресурсов [7]. В рамках решения этих задач, наиболее перспективным путем является разработка и внедрение двигателей Стирлинга (ДС). В его современных типах заложены новые технические решения, позволяющие снизить их стоимость (применение менее дорогостоящих материалов, а также новые варианты теплоносителей) [8].
ДС — тепловая машина, в которой рабочее тело, движется в замкнутом контуре.
Основные технические характеристики двигателя:
Мощность, вырабатываемая ДС, почти прямо пропорциональна среднему давлению цикла. Поэтому, чтобы получить высокие значения абсолютной и удельной мощности, давление в двигателе должно составлять 10–20 Мпа. КПД ДС может достигать 65–70 % КПД цикла Карно при современном уровне проектирования и технологии изготовления. ДС по своей природе обладает низким уровнем шума. По сравнению с сопоставимым дизельным двигателем уровень шума ДС ниже на 18 дБ [9].
Цикл Стирлинга состоит из четырёх фаз и разделён двумя переходными фазами: нагрев, расширение, переход к источнику холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику тепла (Рис.2). Таким образом, при переходе от тёплого источника к холодному источнику происходит расширение и сжатие газа, находящегося в цилиндре. При этом изменяется давление, за счёт чего можно получить полезную работу [10].
Рис. 2. Принцип действия двигателя Стирлинга
Преимущества двигателя Стирлинга перед дизельным генератором
Преимущества можно распределить по категориям, освещая основные моменты.
Конструкция, обслуживание и ремонт. Конструкция дизельного генератора сложная, с множеством компонентов и узлов. Работы по техническому обслуживанию следует проводить квалифицированному персоналу с соответствующим оборудованием практически регулярно. Моторесурсы до текущего и капитального ремонтов не велики. ДС отличается тем, что не требует дополнительных систем, таких как газораспределительный механизм. Отсутствие многих склонных к износу узлов позволяет обеспечить небывалый для других двигателей запас работоспособности [11,12].
Экономичность. Дизель генераторы отличаются экономичностью в отношении расхода топлива и пожаробезопасности. Для утилизации некоторых видов теплоты, особенно при небольшой разнице температур, ДС часто оказывается самым эффективным видом двигателя. Например, в случае преобразования в электричество солнечной энергии ДС иногда дает больший КПД (21,5 %) [13].
Экологичность. ДС не имеет выброса рабочего тела, а значит уровень его шума гораздо меньше, чем у поршневых двигателей внутреннего сгорания. Бета-Стирлинг с ромбическим механизмом является идеально сбалансированным устройством и, при достаточно высоком качестве изготовления, имеет предельно низкий уровень вибраций (амплитуда вибрации меньше 0,0038 мм) [14]. Сам по себе ДС не имеет каких-то частей или процессов, которые могут способствовать загрязнению окружающей среды. Он не расходует рабочее тело. Экологичность двигателя обусловлена, прежде всего, экологичностью источника теплоты [15]. Стоит также отметить, что обеспечить полноту сгорания топлива в двигателе внешнего сгорания проще, чем в двигателе внутреннего сгорания. В ДВС полнота сгорания топлива зависит от соответствия химического состава топлива физическим параметрам ДВС. Например, бензин или дизельное топливо всегда сгорают в цилиндрах не полностью, тогда как спирт или сжиженный газ сгорают в ДВС полностью [16].
Источник теплоты. Дизельный генератор работает на дизельном топливе, которое мало того, что является неэкологичным, сопутствует выбросу в атмосферу вредных веществ. ДС может работать от почти любого источника теплоты: например, между разными слоями воды в океане, от солнца, от ядерного или изотопного нагревателя [17]. В качестве местного топлива в Арктических районах для Стирлинг-генераторов может использоваться торф, измельченный уголь и др. В настоящее время в Российской Федерации ежегодно пропадает до 60 млрд. м3 попутного газа, который выходит вместе с нефтью [18]. Собирать его сложно и дорого, использовать в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания нельзя из-за постоянно меняющегося фракционного состава. Однако этот газ может быть приемлемым топливом для энергетических установок с ДС [19].
Таким образом, отпадет необходимость завозить топливо с материка, и не будет наноситься ущерб природе, поскольку минимизируются вредные выбросы. Из данного пункта вытекает преимущество — снижение или исключение затрат на поставки топлива.
Поставка. Поставка ресурсов в районы Крайнего Севера осуществляется водным транспортом или в холодное время года по зимнему пути, в редких случаях воздушным способом. Все виды транспорта являются весьма дорогостоящими. Однако ДС может работать на местном топливе или попутном газе от нефтепромышленности, что в разы снижает стоимость поставок [20].
Выводы
Арктические районы Российской Федерации вышли на новый виток развития, приобретя важное стратегическое значение. За последние 20 лет в данном регионе было обнаружено более 20 крупных месторождений нефти и газа, что делает организацию строительства всей необходимой инфраструктуры для освоения природными ресурсами одной из первостепенных проблем.
Используемые в данный момент теплогенераторы уже не отвечают новым критериям экологической эффективности в системе охраны окружающей среды. Одной из основных задач при освоении данного региона является охрана окружающей среды и предотвращение создания в нем экологически неблагоприятных районов. Именно поэтому разработкой и созданием более экологичных двигателей Стирлинга занимаются во многих странах мира. В плане экологичности доказано серьезное преимущество двигателя Стирлинга перед дизельным генератором. По сравнению с последними они имеют лучшие показатели по токсичности и уровню шума, могут работать практически с любым источником теплоты и т. д. Универсальность двигателя Стирлинга в отношении источника теплоты, в сочетании с высоким КПД позволяет рассчитывать на широкое распространение теплового двигателя этого типа в будущем.
Литература:
1 Постановление Правительства Российской Федерации от 21 апреля 2014 г. № 366 Москва // Интернет-портал «Российской Газеты». URL: http://rg.ru/2014/04/24/arktika-site-dok.html (дата обращения: 11.04.2016).
2 Арктический климат // Федеральный портал Protown.ru. URL: http://protown.ru/information/hide/4328.html (дата обращения: 11.04.2016).
3 Географический атлас России. ПКО»Картография».-М.1998
4 Крайний Север России // География России. URL: http://geographyofrussia.com/krajnij-sever-rossii/ (дата обращения: 11.04.2016).
5 Агалаков С. Е., Беляев С. Ю., Борисова Л. С. и др. Особенности геологического строения и разработки уникальных залежей газа крайнего севера Западной Сибири. — Новосибирск: СО РАН, 2004. — 141 с.
6 Кашкаров А. П. Современные био-, бензо-, и дизель-генераторы и другие полезные конструкции. — Москва: ДМК-Пресс, 2011. — 142с.
7 Двигатель Стирлинга. Кукис В. С., Романов В. А., Петриченко М. Р., Куколев М. И., Дворцов В. С. патент на полезную модель RUS 126372 27.02.2012
8 Кукис В. С., Куколев М. И., Костин А. И., Дворцов В. С., Ноздрин Г. А., Абакшин А. Ю. Перспективы улучшения характеристик двигателей Стирлинга // Двигателестроение. — 2012. — № 3. — С. 3–6.
9 Ридер Г., Хупер Ч. Двигатели Стирлинга. — Москва: Мир, 1986. — 464с.
10 Уокер Г. Двигатели Стирлинга. — Москва: Машиностроение, 1985. — 401с.
11 Энергоустановка с двигателем Стирлинга. Кукис В. С., Петриченко М. Р., Куколев М. И., Дворцов В. С., Романов А. В. патент на полезную модель RUS 151039 16.06.2014
12 Уокер Г. Машины, работающие по циклу Стирлинга. Москва: Энергия, 1978. — 152 с.
13 Бреусов В. П., Куколев М. И. Серийное производство двигателей Стирлинга // Академия Энергетики. — 2010. — № 3. — С. 58–61.
14 Круглов М. Г., Даниличев В. Н., Ефимов С. И. и др. Двигатели Стирлинга. Москва: Машиностроение, 1997. — 150 с.
15 Бреусов В. П., Куколев М. И. Проектная разработка и технология изготовления двигателей с внешним подводом теплоты, работающих на биогазе // Двигателестроение. — 2009. — № 2. — С. 45–46.
16 Мышинский, Э.Л., Рыжков-Дудонов М. А. Судовые двигатели внешнего сгорания. Ленинград: Судостроение, 1976. — 76с.
17 Куколев М. И., Кукис В. С., Вильдяева С. Н. Обобщенная методика оценки режимов работы теплового накопителя // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. — 2013. — № 2. — С. 169–172.
18 Бреусов В. П., Куколев М. И., Яковлева С. Н., Абакшин А. Ю. Двигатели с внешним подводом теплоты // Двигателестроение. — 2009. — № 3. — С. 41–44.
19 Бреусов В. П., Куколев М. И., Вильдяева С. Н., Абакшин А. Ю. Двигатели с внешним подводом теплоты (продолжение) // Двигателестроение. —2009. —№ 4. —С. 41–45.
20 Бреусов В. П., Куколев М. И. Некоторые разработки двигателей Стирлинга за рубежом // Академия Энергетики. — 2010. — № 5. — С. 72–76.
