Микротурбинная установка для эффективного энергоснабжения автономных индивидуальных потребителей

УДК 621.311.182

МИКРОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ЭФФЕКТИВНОГО ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ АВТОНОМНЫХ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ

© 2013 г. Н.Н. Ефимов, В.И. Паршуков, В.В. Папин, Р.В. Безуглов, И.В. Янченко, Р.А. Клинников, Д.Ю. Чумаков, Е.С. Трофименко

Южно-Российский государственный South-Russian State

технический университет Technical University

Рассматривается применение турбины малой мощности в составе микроэнергокомплекса для обеспечения тепловой и электрической энергией децентрализованных потребителей.

Ключевые слова: паровая турбина; энергетический комплекс; децентрализованное энергоснабжение.

The use of a turbine of a low power in the micro energy complex for the supply of thermal and electrical energy of decentralized consumers.

Keywords: steam turbine; energy complex; decentralized energy supply.

Строительство малоэтажных домов особенно актуально в последнее время для сельской местности, где необходимо предусматривать возможность организации малых фермерских хозяйств, удаленных от центрального энергообеспечения. Доля такой недвижимости уже к 2015 г., как подтверждают планы Правительства РФ, будет доведена до 60 % (что составляет около 54 млн м2 в год). Удаленное децентрализованное энергообеспечение потребителей должно предусматривать эффективное энергоснабжение электроэнергией, теплом и водой.

В этих условиях актуальными становятся разработка и создание микроэнергокомплексов, способных обеспечивать электроэнергией от 5 до 30 кВт, теплом до 200 кВт и холодом (кондиционирование воздуха) до 40 кВт.

Эффективное энергоснабжение для индивидуального автономного энергопотребления в настоящее время в основном рассматривается в контексте использования в той или иной степени возобновляемых источников энергии. В электроснабжении - это применение фотопреобразователей; в теплоснабжении -использование тепловых насосов для отопления и солнечных нагревателей для горячего водоснабжения.

При разработке эффективного энергоснабжения как крупных? так и малых энергопотребителей используются когенерационные и тригенерационные установки на базе газотурбинных и газопоршневых агрегатов, способных обеспечить комплексное производство электроэнергии и тепла.

Энергоэффективности при большом количестве потребителей добиваться, нам представляется, гораздо проще, поскольку расширяются возможности маневрирования при энергообеспечении. В этом случае, как правило, в энергообеспечении участвуют несколько энергоагрегатов (котлов, энергоустановок электростанций), которые могут останавливаться на некоторое время, а затем вновь запускаться или снижать нагрузку, обеспечивая оптимальное энергообеспече-

ние потребителей с наименьшими потерями энергии при производстве и передаче. Сложнее обеспечивать маневренность в потреблении электрической и тепловой энергий автономного, индивидуального энергопотребителя. В этом случае маневренность в энергопотреблении приходится обеспечивать от одной энергоустановки, производящей либо электричество, либо тепло.

При максимальном разрешенном электропотреблении для индивидуального потребителя в 10 кВт и при полном наборе приборов, потребляющих электроэнергию, мощность агрегатов может достигать 5 - 8 кВт. Таким образом, в месяц можно получить 3600 кВт-ч. Однако реально семья потребляет 200 - 500 кВт-ч в месяц, т.е. 5,5 - 14 % от максимально возможной мощности. Отсюда среднесуточная мощность электрогенератора составляет 200 - 800 Вт, и по электропотреблению энергоустановка должна иметь возможность изменять свою нагрузку на 86 - 94,5 %. При этом полностью останавливать энергоагрегат не представляется возможным, поскольку в семьях имеются приборы, которые работают постоянно (например, холодильник).

Электрическая нагрузка в течение суток при индивидуальном автономном энергопотреблении в любой период года изменяется крайне неравномерно. Минимальное энергопотребление приходится на ночное время в осенний и весенний периоды, когда работает только холодильник. Максимальное электропотребление в эти периоды происходит в дневное время, когда начинается приготовление пищи, стирка и другие операции на электроприборах. Однако ночная и дневная нагрузки начинают возрастать, если появляется необходимость включать кондиционирование (летом) или отопление (зимой). В такие периоды потребляемая электрическая мощность достигает своего максимума 5 - 8 кВт.

Нагрузка на отопление, в отличие от обеспечения электроэнергией, при теплоснабжении индивидуаль-

ных, автономных потребителей практически не изменяется в течение суток. Тепловая отопительная нагрузка изменяется сезонно в обратной зависимости от температуры наружного воздуха. Требуемая максимальная отопительная нагрузка возникает при минимальной температуре зимой и определяется теплопо-терями через внешние ограждения здания. Например, для здания площадью 200 м2 при относительно хорошо утепленной конструкции (класс А и В++) она примерно составляет 5 - 12 кВт для умеренной климатической зоны. В табл. 1 даны характеристики классности зданий по критерию теплопотерь.

Горячее водоснабжение в течение суток потребляется также неравномерно, как и электроэнергия. Однако энергии на нагрев такого количества воды требуется незначительно. Днем горячая вода расходуется для мытья посуды, купания и стирки. Считается, что в среднем на одного человека требуется 100 л воды в сутки, или примерно 0,15 - 0,25 кВт-ч мощности на нагрев воды для человека в день. Для семьи из 6 человек это значит 1,2 - 1,5 кВт-ч нагрузки в день. В ночное время горячее водоснабжение не требуется. Результаты проведенного анализа приведены в табл. 2

Таблица 1

Требования к потреблению энергии зданиями различного класса энергоэффективности

Обозначение класса Наименование класса энергетической эффективности Величина отклонения расчетного (фактического) удельного расхода тепловой энергии на отопление здания от нормативного, % Рекомендуемые мероприятия органами администрации субъекта РФ

Для новых и реконструируемых зданий

Очень высокий А+ ниже -60 Экономическое стимулирование

А от -45,0 до -59,9

Высокий В++ от -35,0 до -44,9 То же

В+ от -25,0 до -34,9

В от -10,0 до -24,9

Нормальный С от +5 до -9,9 -

Для существующих зданий

Пониженный D от +5,1 до +50,0 Модернизация здания

Низкий E более +50 Требуется утепление здания

Таблица 2

Энергообеспечение жилого дома площадью 200 м2 класса энергоэффективности А - В++

Наименование Газопоршневая энергоустановка Газотурбинная установка Паросиловая установка

Максимальная часовая нагрузка Электрическая, кВт 5 - 10

Тепловая отопительная, кВт 10 - 15

Горячее водоснабжение в сутки, кВт-ч 1,2 - 1,5

Потребляемая (требуемая) нагрузка в холодные зимние дни

Средняя часовая нагрузка Электрическая, кВт 0,5 - 0,8

Тепловая отопительная, кВт 8,0 - 12,0

Горячее водоснабжение в сутки, кВт-ч 1,2 - 1,5

Потребляемая (требуемая) нагрузка в жаркие летние дни

Средняя часовая нагрузка Электрическая, кВт 0,4 - 0,6

Тепловая отопительная (на кондиционирование), кВт 5,0 - 8,0

Горячее водоснабжение в сутки, кВт-ч 1,0 - 1,2

Нагрузка, которую могут обеспечить энергоустановки

Электрическая, кВт 0,4 - 0,8

Тепловая (отопление + кондиционирование + горячее водоснабжение), кВт 0,6 - 1,0 0,75 - 1,50 5,0 - 12,0

Из анализа таблицы видно, что паросиловая энергетическая установка более приспособлена для комбинированного производства электроэнергии и тепла при автономном энергообеспечении индивидуального децентрализованного потребителя, чем газопоршневые и газотурбинные агрегаты.

С учетом вышеизложенного разработаны микротурбинные установки мощностью 5 и 30 кВт, работающие на влажном паре со следующими параметрами: давление пара 0,6 МПа, температура пара 160 оС, удельный расход влажного пара на турбину в зависимости от мощности турбины (5 - 30 кВт) -0,03 - 0,10 кг/с. Такая микроэнергоустановка предназначена для эффективного энергоснабжения жилого дома площадью 200 - 400 м2.

Разрабатываемый микроэнергокомплекс (МЭК) малой мощности предназначен для работы в качестве микроТЭЦ с целью обеспечения эффективного энергоснабжения, распределения электроэнергии, ее комплексного учета, контроля и управления в сетях энерго- и жизнеобеспечения. МЭК необходим для систем автономного энергоснабжения на основе комбинированного использования влажно-паровой микротурбины, аккумуляторов-парогенераторов, получающих тепло от котлов малой мощности или/и солнечных нагревателей, которые являются элементами общей системы энергопроизводства.

Влажно-паровая микротурбинная установка состоит из следующих устройств:

- сама влажно-паровая турбина, на валу которой закреплено центростремительное рабочее колесо;

- электрогенератор, находящийся в едином корпусе с микротурбиной и, в свою очередь, состоящий из ротора, находящегося на едином валу с ротором микротурбины, системы оригинальных воздушных, лепестковых опорно-упорных подшипников, системы охлаждения статора и системы управления и распределения электроэнергии;

- герметичный конденсатор, система охлаждения которого предназначена для конденсации пара после рабочего колеса турбины и для выделения тепла на отопление и горячее водоснабжение.

Анализ используемых в настоящее время энергоустановок показал преимущества паросиловой установки перед газопоршневыми (ГЗПУ) и газотурбинными (ГТУ) установками по следующим критериям:

1. При использовании когенерации или даже три-генерации применяются разные турбомашины с проточной рабочей средой, которые способны создавать вполне определенные соотношения по производству электроэнергии и тепла. Существуют следующие схемы производства электроэнергии и тепла, в том числе и для микроэнергокомплексов.

- газопоршневые агрегаты способны производить на 1 кВт электрической энергии 1,2 - 1,5 кВт тепловой;

- газотурбинные турбомашины имеют возможность увеличить это соотношение - на 1 кВт электрической энергии до 1,5 - 2,0 кВт тепловой;

- еще большего соотношения можно добиваться при использовании паросиловых установок - на 1 кВт электрической энергии 5,0 - 15,0 кВт тепловой.

Таким образом, микропаросиловые турбомашины найдут свою нишу при использовании их в индивидуальном, децентрализованном энергоснабжении электричеством и теплом [1].

2. ГЗПУ и ГТУ работают только на жидком и газообразном топливе, в то время как влажно-паровая установка может использовать как газообразное и жидкое топливо, так и твердое (в том числе пилеты), и даже солнечные нагреватели. Так, на Гавайях установлена паросиловая турбина, работающая от солнечных нагревателей.

3. ГЗПУ и ГТУ имеют достаточно высокие параметры в проточной части (900 - 1000 оС). Это делает их пожароопасными, в то время как паровые турбины на входе имеют температуру не более 160 оС. В котле температура газов высокая, те же 900 - 1000 оС, однако он не имеет сложных вращающихся элементов и может быть вынесен на требуемое расстояние от объектов энергопотребления.

4. Моторесурс влажно-паровой турбины составляет 200 - 300 тыс. ч, в то время как у ГТУ он не выше 200 тыс. ч, а у ГЗПУ моторесурс не превышает 50 тыс. ч.

5. Изменение электрической нагрузки в ГЗПУ и ГТУ неизбежно вызывает пропорциональное изменение тепловой энергии, что потребует применения сложной системы регулирования тепловой нагрузки агрегата. Паросиловая установка способна регулировать количества электрической и тепловой энергий раздельно, т. е. независимо одно от другого.

6. Поскольку температуры в проточной части паровой турбины низкие в сравнении с ГЗПУ и ГТУ, то и стоимость ее изготовления будет ниже.

7. В схеме паровой микротурбины удобно использовать тригенерацию, установив абсорбционные холодильные машины в тепловую схему энергокомплекса.

Применяя паросиловую турбину малой мощности (5 - 30 кВт), создают МЭК по технологической схеме «солнечный коллектор (или резервный парогенератор) - аккумулятор-сухопарник - паровая турбина - конденсатор - бойлер». Такая схема производства энергии представлена на рисунке.

В группе вакуумных солнечных коллекторов 1, через их поверхность теплообмена, циркулирует промежуточный теплоноситель (вода/масло), при температуре 180 - 200 оС, передавая свою теплоту питательной воде, которая закипает и направляется через регулирующий клапан 3 в паровую турбину 4. При недостаточной мощности солнечных коллекторов включается дополнительный источник на органическом топливе 20.

Байпасная линия 19 используется в пусковом режиме и в случае пониженной нагрузки на турбину, при необходимости выработки теплоты. На паропроводе свежего пара установлен блок 22 контрольно-измерительной аппаратуры, показания которого используются в процессе пусконаладки и испытаний.

Развернутая схема энергокомплекса: 1 - группа солнечных коллекторов; 2 - циркуляционный насос солнечного контура; 3 - регулирующий паровой клапан; 4 - турбина; 5 - электрогенератор; 6 - теплообменник охлаждения конденсатора турбины наружным воздухом; 7 - накопительная емкость; 8 - приборы ГВС; 9 - на отопительные приборы; 10 - циркуляционный насос системы отопления; 11 - трехходовой клапан системы охлаждения конденсатора турбины; 12 - циркуляционный насос системы охлаждения турбины; 13 - теплообменник охлаждения генератора; 14 - циркуляционный насос охлаждения генератора; 15 - эжектор; 16 - теплообменник охлаждения воды для эжектора; 17 - конденсатор турбины; 18 - питательный насос; 19 - байпас пара напрямую в конденсатор; 20 - парогенератор на органическом топливе; 21 - циркуляционный насос парогенератора на органическом топливе; 22 - блок контрольно-измерительной аппаратуры с вежего пара; 23 - парогенератор-аккумулятор; 24 - расширительные емкости

Трехходовой клапан 11 переключает охлаждение конденсатора турбины с системы отопления на теплообменник 6 наружного охлаждения при отсутствии необходимости в отоплении. Через теплообменник 16 происходит охлаждение воды, подаваемой на эжектор 15, через теплообменник 13 - охлаждение генератора 5 и подогрев обратной линии системы отопления.

Конструктивно влажно-паровая турбина может выполняться в горизонтальном и вертикальном исполнениях. В предлагаемом проекте принята вертикальная конструктивная схема выполнения микротурбины. 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.

Технологическая схема движения пароводяной среды в проточной части микротурбины может выполняться осевой, центробежной и центростремительной. В энергетике традиционно применяется осевая проточная схема движения рабочей среды. Известно, что такая схема способна перерабатывать большие расходы рабочей среды. Однако такая схема не рас-

считана на использование больших рабочих напоров. Поэтому в данном проекте используется центростремительная схема проточной части микротурбины. Как показали расчеты, центростремительная конструктивная схема проточной части способна перерабатывать заданный теплоперепад в одной ступени давления турбомашины, в то время как при осевом выполнении проточной части турбомашины и аналогичном тепло-перепаде требуется две ступени давления или двухве-нечная ступень диска Кертиса.

При принятой конструкции микротурбинной установки применены воздушные лепестковые опорно-упорные подшипники при большой скорости вращения ротора турбины (35000 об/мин). И хотя такие подшипники могут работать и при больших скоростях вращения ротора турбины (известны случаи применения более 100000 об/мин), такая конструкция оказалась уникальной. 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.

Бойлер получает тепло от замкнутого контура охлаждения конденсатора микротурбины. Он способен аккумулировать тепло, равномерно нагружая систему

отопления и горячего водоснабжения, при неравномерном поступлении тепла при конденсации пара в конденсаторе.

Статья подготовлена в рамках работ по государственному контракту № 16.526.11.6012 для Министерства образования и науки РФ.

Поступила в редакцию

Литература

1. Кузнецова О.Р. Экономическая эффективность систем децентрализованного энергоснабжения: на примере Хабаровского края: дис. ... канд. экон. наук. Комсомольск-на-Амуре, 2002. 180 с.

12 сентября 2012 г.

Ефимов Николай Николаевич - д-р техн. наук, заведующий кафедрой «Тепловые электрические станции», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (86352)25-52-18. E-mail: efimov@novoch.ru

Паршуков Владимир Иванович - директор, ООО НПП «Донские технологии». Тел. (86352) 22-76-06. E-mail: v_parshukov@mail.ru

Папин Владимир Владимирович - аспирант, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (86352) 22-76-06. E-mail: vampire_2006@inbox.ru

Безуглов Роман Владимирович - аспирант, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (86352) 22-76-06. E-mail: roman.reer@mail.ru

Янченко Илья Владимирович - аспирант, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (86352) 22-76-06. E-mail: vozhdvolgi@rambler.ru

Клинников Роман Александрович - студент, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (86352) 22-76-06. E-mail: olga-klinnikova@yandex.ru

Чумаков Денис Юрьевич - магистрант, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (86352) 22-76-06. E-mail: chumakovdenis@mail.ru

Трофименко Елена Степановна - аспирант, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (86352) 22-76-06. E-mail: lenka888penka@mail.ru

Efimov Nikolai Nikolaevich - Doctor of Technical Sciences, head of department «Thermal Power Stations», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (86352)25-52-18. E-mail: efimov@novoch.ru

Parshukov Vladimir Ivanovich - director, Limited Liability Company Scientific Production Enterprise «Don Technologies». Ph. (86352) 22-76-06. E-mail: v_parshukov@mail.ru

Papin Vladimir Vladimirovich - post-graduate student, South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (86352) 22-76-06. E-mail: vampire_2006@inbox.ru

Bezuglov Roman Vladimirovich - post-graduate student, South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (86352) 22-76-06. E-mail: roman.reer@mail.ru

Yanchenko Ilya Vladimirovich - post-graduate student, South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (86352) 22-76-06. E-mail: vozhdvolgi@rambler.ru

Klinnikov Roman Aleksandrovich - student, South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (86352) 22-76-06. E-mail: olga-klinnikova@yandex.ru

Chumakov Denis Yurievich - the second year undergraduate, South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (86352) 22-76-06. E-mail: E-mail Address: chumakovdenis@mail.ru

Trofimenko Elena Stepanovna - post-graduate student, South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (86352) 22-76-06. E-mail: E-mail Address: lenka888penka@mail.ru