РосТепло.ru - Информационная система по теплоснабжению
РосТепло.ру - всё о теплоснабжении в России

Микроэнергокомплекс на базе влажно-паровой турбины

Д.т.н. Н.Н. Ефимов, профессор, заведующий кафедрой «Тепловые электрические станции и теплотехника», Южно-Российский политехнический институт (НПИ) им. М.И. Платова, научный консультант ООО НПП «Донские технологии»;
В.И. Паршуков, директор,
И.В. Русакевич, ведущий инженер,
В.В. Копица, ведущий инженер,
ООО НПП «Донские технологии», г. Новочеркасск, Ростовская область

(Публикуется в сокращении, с полной версией статьи можно ознакомиться на сайте РосТепло.ру)

Проблемы энергоснабжения

В стране уже сегодня функционирует около 50 тыс. объектов малой распределенной генерации, которые способны обеспечивать дополнение и резервирование централизованных систем.

Анализ развития малых электростанций в приведенных оценках объемов реализации (подробнее см. полную версию статьи на сайте Ростепло.ру (http://www.rosteplo.ru/Tech_stat/stat_shablon.php?id=3247 ) - Прим. ред.) показывает, что большое количество установок приобретается:

■ для модернизации и реконструкции действующих дизельных электростанций (муниципальных и производственных);

■ в качестве резервных (особенно мощностью менее 60 кВт), в т.ч. для котельных.

Эффективности энергоснабжения в малой распределенной энергетике можно добиваться не только за счет приближения производителя энергии к потребителю, но и за счет комплексного производства электрической и тепловой энергии, холода, т.е. за счет когенерации и тригенерации. В этом случае можно повысить экономичность энергоустановок до 90% и даже более.

При использовании когенерации и тригене- рации разные энергетические турбомашины способны создавать вполне определенные соотношения в производстве электрической и тепловой энергии. Например, газопоршневые агрегаты при производстве 1 кВт электрической энергии способны выдавать 1,2-1,5 кВт тепловой. Для газотурбинных машин характерно другое соотношение: на 1 кВт электрической энергии выдается 1,5-2 кВт тепловой. Еще большее значение количества вырабатываемой тепловой энергии обеспечивается при использовании паросиловых установок. На 1 кВт электрической энергии они способны производить 12-13 кВт тепловой [1, 2].

Основной недостаток газопоршневых и газотурбинных энергетических установок заключается в одновременном регулировании электрической и тепловой мощности. При снижении уровня производимой электрической энергии одновременно снижается и уровень поставляемой тепловой. Данный режим работы не подходит для суровых климатических условий большинства регионов России. Приходится устанавливать дополнительное теплогенерирующее оборудование для получения только тепловой энергии.

Паросиловая энергетическая установка более приспособлена для комбинированного производства электрической энергии и обеспечения теплоснабжения потребителей в соответствии с их графиками потребления.

Особенности влажно-паровых микротурбинных агрегатов

Учитывая востребованность паросиловых установок малой мощности, были разработаны и изготовлены влажно-паровые микротурбинные агрегаты (рис. 1) электрической мощностью 5 и 30 кВт в составе микроэнергокомплексов (МЭК) [3], которые способны выдавать тепловую мощность до 70 и 400 кВт соответственно. Характеристики разработанных энергетических установок приведены в таблице.

Рис. 1. Конструкция влажно-паровой вертикальной микротурбины с герметичным корпусом: 1 - электрогенератор; 2 - проточная часть; 3 - конденсатор.

Таблица. Технические характеристики микроэнергокомплексов.

Наименование параметров Значения
Электрическая мощность, кВт 5 30
Тепловая мощность, кВт 70 400
Число обортов ротора, об./мин 35000 35000
Расход пара, кг/с 0,028 0,14
Диаметр рабочего колеса, мм 163 163
Количество сопел на входе пара 2 10
КПД использования топлива, % 80 80

В данном проекте используется центростремительная схема проточной части микротурбины. Как показали расчеты, такая конструктивная схема способна перерабатывать заданный теплоперепад (разность теплосодержания) в одной активной ступени давления турбомашины, в то время, как при осевом выполнении проточной части турбомашины и аналогичном теплоперепаде требуется две ступени давления.

Вертикальная конструкция микротурбины позволяет:

■ облегчить нагрузку на опорные подшипники, что дает возможность применить воздушные, газодинамические, лепестковые подшипники и отказаться, таким образом, от традиционной смазки подшипников турбинным маслом;

■ создать герметичный корпус, в котором находится сама влажно-паровая турбина, конденсатор турбины и электрогенератор, что предотвращает утечки рабочей среды из внутренней части паросиловой установки.

Для создания воздушного клина на лепестках подшипников потребовалось создание стабильного давления воздуха в полости подшипника. Для этого во внутренние объемы подшипников и электрогенератора подводится воздух давлением 0,1 МПа для надежной работы подшипника и для охлаждения статора и ротора электрогенератора. В конструкции микротурбины предусмотрено также водяное охлаждение корпуса генератора и подшипников.

Влажно-паровая турбинная установка удобна тем, что, в отличие от когенерационных газовой турбины и газопоршневого агрегата, она способна раздельно регулировать производство электрической и тепловой энергии.

Рабочий процесс во влажно-паровой турбине связан с фазовыми переходами от пара к конденсату. Микротурбина работает при сравнительно низких параметрах рабочей среды: температура - 160 ОС, давление - 0,6 МПа. В разработке учитывалось, что капли влаги при сверхзвуковых скоростях способны вызвать эрозионный износ металла рабочего колеса микротурбины (рис. 2), поэтому скорость движения пара в турбине ограничивается - не более 700 м/с. Основным рабочим телом является водяной пар, но также может применяться теплоноситель с температурой кипения 60-80 ОС при давлении 0,06-0,1 МПа (диатермическое масло).

Рис. 2. Рабочее колесо влажно-паровой микротурбинной установки.

Поддержание необходимых характеристик теплоносителей микроэнергокомплекса требуют применения трех циркуляционных контуров для систем: пароприготовления, микротурбинной установки, теплоснабжения потребителей (рис. 3).

Циркуляционный контур системы пароприготовления осуществляет подготовку влажного пара с использованием парогенератора (парового котла) 1 на различных видах топлива. Также в состав контура входит циркуляционный насос 7 и другие вспомогательные элементы оборудования.

В рабочем контуре производства электроэнергии рабочая среда последовательно проходит сепаратор пара 2, влажно-паровую микротурбину 4, конденсатор 6, питательный насос 8 и охлажденной возвращается в сепаратор. Параметры в данном циркуляционном контуре: давление влажного пара перед микротурбиной - 0,6 МПа, температура - 160 ОС; давление рабочей среды за микротурбиной - 0,025-0,06 МПа с температурой насыщения 60-80 ОС. Основное назначение рабочего контура - преобразование потенциальной энергии пара в механическую энергию вращения ротора турбины с дальнейшим превращением ее в электрическую энергию в генераторе 5, а также создание условий для отбора тепловой энергии через клапан 3 в конденсатор микротурбины.

Область применения

Экономичность микротурбины по производству электроэнергии мала. Поэтому микроэнергокомплекс на базе влажно-паровой микротурбинной установки использовать для производства только электроэнергии нецелесообразно. Оптимальная конфигурация комплекса рассчитана на его использование в схемах ко- генерации и тригенерации. В этом случае общий КПД (для режима когенерации) составляет не менее 80%.

Возможно размещение микроэнергокомплекса в качестве резервного источника электрической энергии в котельной. В этом случае тепловая энергия из утилизационного контура установки передается в общий коллектор, а на первое место выступают такие преимущества микротурбины, как возможность работы на низких параметрах рабочей среды при наличии в паре капель влаги.

Структура, алгоритмы и параметры управления автоматизированной системы микроэнергокомплекса приведены в статье [4].

Опытный образец микроэнергетического комплекса электрической мощностью 5 кВт прошел предварительные стендовые испытания и передан ГОСНИТИ (г. Москва) для отработки вариантов возможного применения в составе энерготехнологического комплекса при переработке промышленных и твердых коммунальных отходов. Опытный образец микроэнергокомплекса электрической мощностью 30 кВт находится в стадии опытной эксплуатации на Новочеркасской ГРЭС. Пробные пуски турбины уже состоялись. Микротурбину выводили на обороты до 12 тыс. об./мин и набирали частичную нагрузку. На рис. 4 представлен испытательный стенд данного энергокомплекса на станции.

Рис. 4. Испытательный стенд микроэнергетического комплекса МЭК-30:

1 - турбогенератор; 2 - конденсатор; 3 - главный паровой клапан; 4 - вакуумный насос; 5 - конденсатный насос; 6 - устройство преобразования и регулирования электроэнергии, 7 - электронные регуляторы нагрузки.

Заключение

Проведенный анализ применения энергетических установок с турбоприводами позволяет сделать следующие выводы:

■ в России лучшие показатели для энергоснабжения удаленных потребителей в регионах с суровыми климатическими условиями (где высока потребность в тепловой энергии) могут быть достигнуты при использовании паросиловых микроэнергокомплексов;

■ разработанные влажно-паровые микротурбины обеспечивают возможность работы таких энергокомплексов на низких параметрах рабочей среды и при наличии в паре капель влаги.

Литература

1. Ефимов Н.Н. Микроэнергокомплекс на базе влажно-паровой турбины//Энергосбережение. 2013. № 6. С. 54-55.

2. Ефимов Н.Н., Паршуков В.И. и др. Микротурбинная установка для эффективного энергоснабжения автономных индивидуальных потребителей // Изв. вузов Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2013. № 1. С. 51-55.

3. Разработка влажно-паровой микротурбинной установки для систем малой распределенной энергетики на основе комбинированного использования традиционных и возобновляемых источников энергии: отчет об ОКР (этап № 1, промежуточный) / Донские технологии; рук. Паршуков В. И.; испол.: Ефимов Н.Н., Кихтев И.М. и др. Новочеркасск, 2012. 320 с.

4. Горбачев В.М., Папин В.В., Безуглов Р.В. и др. Система автоматизированного контроля и регулирования параметров микроэнергокомплекса мощностью 5 кВт с солнечным коллектором//Научное обозрение. 2014. № 4. С. 122-126.

Н.Н. Ефимов, В.И. Паршуков, И.В. Русакевич, В.В. Копица, Микроэнергокомплекс на базе влажно-паровой турбины

Источник: Журнал «Новости теплоснабжения» №8 (192) 2016 г. , www.rosteplo.ru/nt/192

Оставить комментарий

Тематические закладки (теги)

Тематические закладки - служат для сортировки и поиска материалов сайта по темам, которые задают пользователи сайта.

Похожие статьи:

Программы Auditor