RST2014_Yaroslavl_exhaust heat recovery

Мухачев Валерий Алексеевич

Май 2013 год

Организация производства универсальных пластинчатых

теплообменников- утилизаторов и автономных блоков для утилизации тепла выхлопных газов дизельных и

газо-поршневых электростанций

2

Проблема

Малогабаритный сварной пластинчатый теплообменник-утилизатор предназначен для отбора тепла выхлопных газов циркулирующей водой для отопления и горячего водоснабжения (ГВС). При отборе тепла от газа и водяной рубашки двигателя на эти цели КПД установок повышается с 35÷40% до 80÷85%. Сейчас в большинстве энергетических установок на базе дизельных и газо-поршневых двигателей применяются сварные трубчатые утилизаторы в 6÷8 раз больше по массе и размерам пластинчатого утилизатора, необходимым приложением к ним являются перепускная труба-газовод и две заслонки с приводами. Для каждого типоразмера энергетической установки по мощности требуется свой типоразмер трубчатого утилизатора. На дизельных энергоустановках трубчатые утилизаторы трудно очищать от продуктов неполного сгорания топлива (сажи) механическим или химическим способом. Трубчатые утилизаторы практически не используются на передвижных мобильных энергоустановках.

3

Кожухотрубный утилизатор и его сравнение с пластинчатым теплообменником

4

Решение

Сварной пластинчатый утилизатор с эффективной теплообменной поверхностью и высокими скоростями газа при малых габаритах снимает столько же тепла как и трубчатый теплообменник при одинаковых потерях давления теплоносителей. Точечное соединение с корпусом позволяет теплообменной секции выдерживать термические удары и очищаться от продуктов неполного сгорания топлива прожигом при температуре газа 450÷500°С при отключении подачи воды. На опытной секции утилизатора в моторном боксе ЯМЗ прожиг в течение 10 минут обеспечил 100% очищение газовой теплообменной поверхности, из водяной полости вода вылетела паром.

У энергетических установок в диапазоне 100÷500 кВт в пластинчатых утилизаторах изменяется количество пластин в пакете.

Установка перепускных заслонок на корпусе утилизатора позволила управлять заслонками от единого привода и не делать перепускной трубы.

5

Базовые теплообменные пластины 2-х видов для комплектования пакетов утилизаторов для установок

мощностью от 50 до 500 кВт

6

Краткое описание изделияПредлагаемый для производства сварной теплообменник-утилизатор

имеет теплообменную секцию, содержащую пакет из штампованных гофрированных пластин, сваренных по периметру и по боковым окнам микроплазменной или лазерной сваркой. Пластины из нержавеющей ленты 12Х18Н10Т толщ. 0,3 мм вырубаются и формуются эластичной средой (полиуретан, резина) в закрытом штампе на мощных чеканочных прессах. Теплообменная секция заключена в сварной корпус со штуцерами подвода воды и фланцем подвода выхлопных газов.

К фланцу присоединен блок заслонок для подвода и перепуска газа мимо утилизатора. Заслонками управляет актуатор (электрический силовой привод).

Утилизатор с блоком заслонок работает при температуре газа до 600°С, давлении воды до 8 атм. и температуре до 90°С.

Утилизатор может быть использован автономно как приставка к действующим электростанциям и для комплектации когенерационных установок на базе дизельных и газо-поршневых двигателей.

7

Утилизатор тепла выхлопных газов с блоком заслонок

Варианты блока утилизации тепла выхлопных газов, вверху, для энергоустановок мощностью 150÷200 кВт с дизельными и газо-поршневыми двигателями, для микротурбин мощностью 30 кВт, внизу, для установок мощностью 250÷300 кВт с газо-поршневыми двигателями, для микротурбин мощностью 60÷65 кВт.

Отличие в размерах секций из теплообменных пластин и фланцев подвода выхлопных газов. Блок заслонок с общим актуатором один и тот же.

Для тепловой изоляции корпуса обматываются базальтовым шнуром и закрываются стеклотканью. Актуатор защищен от теплового излучения и перегрева.

8

Дизельная электростанция 150кВт с утилизационным модулем и выносным радиаторным блоком

Такая комплектацияпозволяет использоватьрадиатор для воздушногоотопления и сушки, а ути-лизационный модуль длягорячего водоснабжения.Дизельная электростанциястановиться когенераторомс КПД 80÷85%, но имеетвдвое меньше дополните-льного оборудования чемтиповой когенератор.Малые габариты и простотамонтажа дает возможностьпеределывать электростан-ции в когенераторы в местахих эксплуатации и вдвоеповышать КПД.

9

Инновационные составляющие проекта

– Прогрессивная конструкция малогабаритного сварного пластинчатого утилизатора тепла выхлопных газов вместо применяющихся сейчас кожухо-трубных утилизаторов, способная выдерживать термические удары и самоочищаться прожигом от продуктов неполного сгорания топлива.

– Массогабаритные характеристики утилизатора в 6÷8 раз меньше трубчатых аналогов.

– Универсальность применения в составе дизельных и газо-поршневых когенераторов, микротурбин, а также самостоятельно как приставка к силовым установкам, имеющим на выходе горячий газообразный теплоноситель.

– Применение современных технологий формовки гофрированных пластин эластичной средой и лазерной сварки тонких пластин для перехода к массовому производству утилизатора.

– Технические решения в конструкции утилизатора обладают новизной и будут защищены патентами.

10

Основные элементы Бизнес-модели

Инфраструктура

Предложение Потребитель

ООО НПК «Теплоутилизатор»

Офис с конструкторско-технологической

службой и сервисомПроизводственный цех

Предприятия-партнеры с услугами штамповки

теплообменных пластин, лазерной резки металла,

литья нержавеющей стали, токарной и фрезерной

обработки деталей

Продукция: утилизационные блоки, автономные модули, когенерационные установки.

Цены ниже аналогичных изделий из нержавейки.

Малогабаритные цельно- сварные пластинчатые

блоки утилизации тепла выхлопных газов в 6÷8 раз

меньше трубчатых аналогов при одинаковой

эффективности, технология и конструкция блоков

позволяют организовать массовое производство секций утилизатора для

широкого диапазона мощностей и снизить

себестоимость изделий и их продажную цену

Целевой потребитель:

Производители когенераторов и

микротурбин, владельцы

газопоршневых и дизельных

электростанций для передела в

миниТЭЦ

CRM –модель: Привлечение клиентов через Интернет, в сайте

компании дать описание преимуществ

изделий, предлагать клиентам варианты

конкретного монтажа

Каналы сбытаПрямые договора поставок

массовым потребителям, продажи через интернет с обсуждением применения и предоплатой, участие в

конкурсных тендерах

11

Рынок: КонкурентыДля нашего продукта рынок и существующий и новый. Например, только в

Нижнем Новгороде четыре производителя трубчатых утилизаторов, а еще в Ухте, Екатеринбурге, Новосибирске, Петербурге, Москве и других городах, трубчатый утилизатор можно сделать на любом машиностроительном предприятии. За рубежом трубчатые утилизаторы выпускаются на специализированных предприятиях. На следующем слайде показаны образцы утилизаторов разных фирм.

Пластинчатые сварные высокотемпературные утилизаторы не делает никто, даже за рубежом. Пластинчатые утилизаторы, кроме малых габаритов и массы, более технологичны для массового производства, что снижает их себестоимость по сравнению с трубчатыми утилизаторами.

Сейчас никто не модернизирует существующие энергетические установки, используя громоздкие трубчатые утилизаторы, мобильный малогабаритный модуль с пластинчатым утилизатором не требует дополнительных площадей для энергоустановки, легко монтируется и демонтируется. По данным министерства энергетики в России в эксплуатации находится около 100 тысяч энергетических установок мощностью 50 – 500 кВт, только в Ярославской области ежегодно выпускается более 1 тысячи таких установок в год. Вместо электрических, на жидком или газообразном топливе нагревателей воды появляется возможность применять компактный модуль, используя «даровое» тепло выхлопных газов.

12

Трубчатые котлы-утилизаторы разных фирмСлева: Котел-утилизатор фирмы Thermax (Индия). Два

хода по газу, блок перепуска газа отдельно.

Внизу: Котел-утилизатор фирмы Гидротермаль (Россия) с байпасными заслонками и перепускной трубой.

Вертикально: Гладко-трубный 2-х ходовой утилизатор фирмы Альфа Лаваль Aalborg HW. Встроенная байпасная система для выхлопных газов для регулирования производительности.

13

Дорожная картаЭтап 1: Юридическое оформление и подготовка

Регистрация ОООУстав разработан, название

компании подобрано и логотип проверен на новизну

Провести собрание акционеров, оформить протокол и подать заявку на регистрацию ООО

Разработать и изготовить титульный лист, печать и

штамп ООО

Зарегистрировать печать, юридический адрес компании, получить

расчетный счет в банке

Этап 2: Организация компании и производственного участка

Подбор кадров, распределение обязанностей,

выпуск должностных инструкций

Доработка технической документации, запуск

материалов для патентования

Аренда площадей для производства и офиса,

планировка и наполнение их оборудованием

Приобретение основных средств, разработка и

изготовление технологической оснастки

Приобретение материалов и комплектующих, заказ литья для опытной партии изделий

Этап 3: Изготовление опытной партии модулей с утилизаторами тепла

Сборка и сварка теплообменных пакетов из

имеющихся пластин, проверка герметичности

Заказ по договору на лазерную резку деталей из

листовых материалов

Заказ по договору на токарную и фрезерную

обработку деталей утилизационных модулей

Сборка и сварка теплообменных секций с корпусами, сборка блока

заслонок и модулей с трубной обвязкой

Подготовка 2-х модулей с утилизационными блоками для испытаний, изготовление 2-х

радиаторных блоков

Этап 4: Испытания опытных модулей с блоками утилизации, сертификация модулей

Испытания модуля с блоком утилизации на

микротурбинных установках 30 и 65 кВт

Испытания модуля с блоком утилизации на дизельных и газопоршневых энергоузлах

мощностью 150-200 кВт

Сертификация модуля с блоком утилизации и

отдельно блока утилизации

Создание сайта компании, описание вариантов

применения утилизаторов, реклама их качеств

На выставках представлять автономные утилизационные модули и когенерационные

установки с этими модулями

Этап 5: Серийное производство утилизационных блоков, продажи по договорам и в розницу

Отработка и оптимизация всей технологической цепочки изготовления

модулей и блоков утилизации

Отбор клиентов для прямых поставок по договорам

модулей и блоков утилизации, разделение пропорций между

ними

Разграничение по тепловой мощности блоков

утилизации и выпуск в резерв наиболее

востребованных блоков

Организация продаж блоков утилизации и модулей с

этими блоками через интернет- магазин с

предварительной оплатой 

Расширение производства за счет закупки установки

лазерной резки, фрезерного станка с ЧПУ и дублирования

остального оборудования

14

ПрогнозАвтономные модули с малогабаритными утилизаторами УТМ-200, которые

будут сделаны на первом этапе реализации проекта, найдут применение на действующих дизельных и газо-поршневых электростанциях мощностью от 100 до 250 кВт, микротурбинах 30 и 65 кВт. При парке действующих энергоустановок такой мощности 50÷100 тыс.шт. они будут распределены для испытаний и проданы сразу после изготовления. При запланированной программе выпуска 120 шт./год утилизаторов УТМ-200 и частично модулей с этими утилизаторами их изготовление делать по заявкам потребителей и продавать по мере готовности. Они будут использоваться с энергоустановками в больницах, армии и МЧС, в сочетании с выносными радиаторными блоками найдут применение в помещениях с воздушным отоплением и ГВС (автономные производства, теплицы, спорткомплексы, бассейны, склады и т.п.). Стоимость дополнительного оборудования в 2÷3 раза меньше переделки электростанции в типовой когенератор.

Утилизаторы УТМ-200 с блоком заслонок пойдут на комплектацию вновь изготавливаемых когенерационных установок. Эти же блоки без переделок на установках с наддувными двигателями будут использованы для охлаждения сжатого воздуха или газо-воздушной смеси.

При резком росте спроса надо перейти к организации массового производства со своими машинами лазерной резки и сварки (Этап ІІ), что уменьшит себестоимость изготовления продукции и повысит мобильность реагирования на рынок. При затяжке развития производства могут появиться «копировщики» с китайским участием.

Стратегический партнер-Завод микротурбин г.ТутаевВ микротурбинах утилизатор тепла выхлопных газов –

это основной элемент повышения КПД установки с 20-28% до 80-85% и превращения ее в когенератор. Сделать завод микротурбин пилотным в реализации проекта определили следующие обстоятельства:

1. На заводе есть газовый испытательный бокс, где можно провести сертификацию утилизаторов.

2. Микротурбины С30 фирмы Capstone поступают из США без теплоутилизаторов, а цена утилизаторов для С65 вдвое дороже предлагаемых нами .

3. Стабильный количественный заказ.4. Есть электронный блок управления

перепускными заслонками.5. Температура выхлопных газов ниже

чем у газо-поршневых и дизельных энерго- агрегатов.

Для сравнения, в одном масштабе энергоблок С30 и утилизатор УТМ. Утилизатор тепла размещается на крыше блока, а водяной насос , фильтр, краны, приборы, блок управления на стене бокса или стойке.

15

16

Финансы

Оценка ресурсов, вложенных автором проекта:– Конструкторская и технологическая документация на утилизатор УТМ-200 с

блоком заслонок – 2 млн. рублей.– Штамповая оснастка с контейнером из высокопрочной вязкой стали,

гравированные матрицы, высокоточные вырубные штанцы–1 млн.руб.– Задел оснастки для сборки и сварки теплообменной секции, 800 шт.

гофрированных пластин – 200 тыс. рублей. Оценка прилагаемых ресурсов для осуществления проект мелкосерийного

производства:– Организация ООО и производства, аренда производственных и офисных

площадей, фонд оплаты труда сотрудников.– Закупка сварочного и станочного оборудования, закупка офисной оргтехники и

прочего оборудования.– Разработка и изготовление оснастки и приспособлений.– Закупка материалов и комплектующих для изготовления опытной партии

утилизационных модулей.– Изготовление опытной партии утилизационных модулей (6 штук).– Испытания и сертификация утилизационных модулей.– Защита интеллектуальной собственности и реклама.

17

Финансы (продолжение)

– Участие в выставках и конференциях.Подготовительный период и выпуск опытной партии утилизационных

модулей определен сроком 6-8 месяцев и финансированием в проект 15 млн.руб. Подготовлено ежемесячное производство 10 утилизационных блоков и частично модулей с этими блоками, большинство операций механической обработки деталей выполняется сторонними организациями по договорам подряда.

Срок окупаемости производства при выпуске 10 изделий/месяц составит 3 года от начала финансирования.

Узким и дорогим местом изготовления является лазерная резка, поэтому при увеличении выпуска изделий, наряду с дублированием оборудования, надо иметь свой станок лазерной резки. Станок с необходимыми параметрами стоит 16 млн.руб. новый и 8÷9 млн. б/у.

При положительных результатах мелкосерийного кустарного производства наступит пора (этапII) организации массового производства утилизационных блоков (10 тыс.шт./год) с расширением диапазона энергоустановок до 3 мегаватт. Это будет предприятие с установками лазерной сварки и чеканочным прессом до 8-10 тыс.тонн.

18

Организация массового производства теплообменников- утилизаторов и автономных блоков утилизации

Расчетный выпуск при массовом производстве 10000 изд./год. Приобретается и переоборудуется производственный цех со всеми коммуникациями площадью 4-5 тыс.кв.метров. В Ярославле стоимость такого цеха с офисными помещениями будет в пределах 100 млн.рублей. Основу базового оборудования составят высокопроизводительные установка лазерной сварки и чеканочный пресс усилием 10 тыс.тонн. Стоимость такой установки лазерной сварки вместе с монтажом на НПО Сатурн обошлась в 70 млн.рублей, а мощный чеканочный пресс (кривошипно-шатунный или гидравлический) вместе с затратами на установку будет стоить столько же (70 млн.руб.). Затраты на другое необходимое оборудование примерно 60 млн.руб. Суммарные затраты на оборудование составят 200 млн.руб.. Общие затраты на создание производственной базы массового производства теплообменников-утилизаторов составят 300 млн.руб.

Организацию массового производства изделий можно начать после года мелкосерийного производства при положительных параметрах изделий и конъюктуры рынка.

При сохранении чистой прибыли, что и при мелкосерийном производстве, годовой доход с 10000 реализованных изделий составит более 500 млн.руб.. Даже при 25% от запланированного выпуска расходы на создание производства для массового выпуска изделий окупятся за 3 года.

19

Базовое оборудование для массового производства компактных утилизаторов тепла выхлопных газов

Многофункциональный обрабатывающий центр:Трехмерная лазерная сварка, резка и наплавка.

Есть техническое предложение фирмы TRUMPF (Германия)

Гидродинамический пресс для пластинчатых теплообменников усилием 10 тысяч тонн

фирмы MOSSINI s.p.A. (Италия)