Использование паровой турбины в составе солнечной опреснительной установки

УДК 620.91

DOI: 10.14529/power160307

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ В СОСТАВЕ СОЛНЕЧНОЙ ОПРЕСНИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

И.М. Кирпичникова, И.Р. Рахматулин

Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск

Рассматривается возможность повышения энергоэффективности солнечных опреснительных установок за счет внедрения промежуточной секции из паровой турбины и генератора электрической энергии. Представлен разработанный экспериментальный стенд, имитирующий работу энергоэффективного комплекса очистки воды и выработки электрической энергии для различных времен года. Приведены и проанализированы результаты экспериментальных исследований, выводы и рекомендации по увеличению производительности и использованию солнечных опреснительных установок с паровыми турбинами.

Ключевые слова: энергоэффективный комплекс, солнечная опреснительная установка, паровая турбина, солнечные коллекторы.

Введение

При использовании солнечной энергии в процессах опреснения воды имеет место вопрос нецелесообразного использования энергии пара при изменении его агрегатного состояния, то есть при переходе из парообразного состояния в жидкое [1-7]. В связи с этим для увеличения энергоэффективности установок принято решение применить пар в процессах получения электрической энергии за счет внедрения промежуточной секции в опреснительной установке. Секция состоит из паровой турбины и генератора, где образовавшийся от нагрева опресняемой жидкости пар при расширении передаст свою кинетическую энергию в механическую энергию вращения турбины.

Экспериментальные исследования процессов получения электрической энергии и очищенной воды в составе одного энергоэффективного комплекса проводятся впервые.

Структурная схема использования паровой турбины в составе солнечной опреснительной установки приведена на рис. 1.

Целесообразность использования генератора оправдана при суммарной тепловой мощности

солнечных коллекторов от 3 кВт. Общий вид комплекса представлен на рис. 2.

Теоретический расчет производительности комплекса показал целесообразность использования паровой турбины в составе солнечной опреснительной установки [8-12].

Работа комплекса определяется следующими зависимостями:

Gn = fH, n, Р° - 1); D = fn - 1); l = - 1, D - 1), при N = const,

где N - мощность энергоустановки, кВт; Gu - расход пара на турбину, кг/с; H - располагаемый теп-лоперепад в микротурбине, кДж/кг; n - КПД энергоустановки; p° - давление перед турбиной, МПа; D - диаметр рабочего колеса, м; l - высота рабочей лопатки, м; рк - давление на выходе из турбины, МПа; t° - температура на входе в турбину, °С.

Для подтверждения теоретических расчетов и проверки адекватности работы комплекса разработан стенд (рис. 3) и проведены экспериментальные исследования с имитацией работы комплекса в течение нескольких летних месяцев.

Исследования и расчеты процессов парообразования в составе солнечной опреснительной

Рис. 1. Структурная схема использования паровой турбины в составе солнечной опреснительной установки

Альтернативные источники энергии

Рис. 2. Схема выработки электрической энергии в солнечной опреснительной установке: 1 - парогенератор, 2 - турбина с генератором, 3 - конденсатор, 4 - трубопровод подачи очищенной воды, 5 - теплоноситель,

6 - солнечные коллекторы

Рис. 3. Экспериментальный стенд выработки электрической энергии за счет использования солнечной энергии: 1 - солнечные коллекторы, 2 - опреснитель, 3 - циркуляционный насос, 4 - тепловая турбина и генератор, 5 - теплообменник

установки проводились ранее и их результаты приведены в статье [13-15]. Закономерности, полученные в результате этих испытаний, позволяют рассчитать объемы полученного пара, и тем самым заменить солнечные коллекторы электрическим нагревателем ТЭК-2 мощностью 6 кВт, что равноценно 40 трубкам вакуумного коллектора [16].

Принцип действия стенда заключается в том, что электрический нагреватель, имитируя работу солнечных коллекторов 1 и теплообменника 5, нагревает теплоноситель, который через насос 3 циркулирует через опреснитель 2, откуда образовавшийся пар попадает в паровую турбину 4, на валу которой установлен генератор.

Секция для выработки электрической энергии состоит из радиальной одноступенчатой турбины, установленной непосредственно на вал генератора мощностью 150 Вт (рис. 4).

КПД турбины в дальнейшем планируется увеличить на 25 % за счет модернизации установки, использования более плотных концевых уплотнителей и увеличения количества сопла для равномерного распыления пара внутри турбины.

а) б)

Рис. 4. Радиальная одноступенчатая турбина

Bulletin of the South Ural State University. Ser. Power Engineering.

2016, vol. 16, no. 3, pp. 57-61

Кирпичникова И.М., Рахматулин И.Р.

Использование паровой турбины в составе солнечной опреснительной установки

Рис. 5. Графики зависимости выработки электрической энергии (1) и объем полученной очищенной воды (2) в летние месяцы использования комплекса

На рис. 5 показан график зависимости выработки электрической энергии в течение дня, невысокая производительность комплекса объясняется низким КПД генератора - 50 %.

Таким образом, использование паровой турбины в составе солнечной опреснительной установки позволит увеличить эффективность комплекса, сделать его полностью автономным. Электрическую энергию, вырабатываемую комплексом, в зависимости от мощности комплекса, можно использовать как для питания собственных нужд станции (насосы, система управления), так и подачи электроэнергии в сеть.

Использование паровой турбины в составе солнечной опреснительной установки экономически целесообразно при использовании от 40 трубок вакуумных солнечных коллекторов и с поступлением солнечной радиации от 1000 кВт-ч/м2 в год.

Заключение

Полученные результаты позволяют сделать вывод о возможности увеличения выходной мощности комплекса за счет увеличения трубок солнечных коллекторов и увеличения КПД генератора и турбины на 20 % с учетом снижения тепловых потерь при передаче энергии от коллекторов до турбины. Вследствие этого становится возможной разработка энергоэффективного комплекса для обеспечения электрической энергией в 3 кВт-ч и питьевой водой в объеме 40 л в сутки загородного дома при использовании 27 модулей вакуумных коллекторов фирмы Rucelf.

Литература

1. Кирпичникова, И.М. Опреснение воды с использованием энергии ветра и солнца / И.М. Кирпичникова // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия «Энергетика». -2012. - № 16 (275). - С. 22-25.

2. Агамалиев, М.М. Технология комбинирован-

ного опреснения морской воды с использованием вторичным энергоресурсов / М.М. Агамалиев // Энергосбережение и водоподготовка. - 2007. -№ 4. - С. 14-16.

3. Солнечное излучение как источник энергии // Георесурсы. - 2006. - № 4. - С. 30.

4. Слесаренко, В.Н. Опреснительные установки / В.Н. Слесаренко - Владивосток.: ДВГМА, 1999. - 244 с.

5. Рахматулин, И.Р. Сравнительный анализ использования солнечного коллектора и солнечного концентратора для опреснения воды / И.Р. Рахматулин // Наука ЮУрГУ: материалы 65-й науч. конф. Секции технических наук: в 2 т. - Челябинск: Издат. центр ЮУрГУ. - 2013. - Т. 2. -С. 190-193.

6. Калнинь, И.М. Физическая модель теплона-сосных опреснителей соленой воды / И.М. Калнинь, А.С. Жернаков, С.Б. Пустовалов // Вестник Международной академии холода. - 2010. - № 2. -С. 12-21.

7. Солнечная энергетика / В.И. Виссарионов, Г.В. Дерюгина, В.А. Кузнецова, Н.К. Малинин // Издательский дом МЭИ, 2008. - 276 с.

8. Теплофикационная паровая турбина Т-125/150-12.8 / А.Е. Валамин, А.Ю. Култышев, А.А. Гольдберг и др. // Теплоэнергетика. - 2014. -№ 12. - С. 3.

9. Теплофикационная паровая турбина Т-113/145-12,4 / Г.Д. Баринберг, А.Е. Валамин, Ю.А. Сахнин и др. // Надежность и безопасность энергетики. - 2010. - № 11. - С. 38-41.

10. Ивановский, А.А. Перспективы строительства ТЭЦ с паровыми турбинами с противодавлением / А.А. Ивановский, А.Ю. Култышев, М.Ю. Степанов // Теплоэнергетика. - 2014. -№ 12. - С. 37.

11. Чепурной, М.Н. Энергетические характеристики газопаровых турбин с ТЭЦ с противо-давленческими паровыми турбинами / М.Н. Че-

Альтернативные источники энергии

пурной, М.В. Бужинский // BicHUK Втницъкого полтехтчного iHcmumymy. — 2009. —№ 2. — С. 51-54.

12. Расчет моментов сил трения в турбогенераторе вертикальной миктротурбины с газодинамическими подшипниками, работающей на традиционной и на сезонной солнечной энергии / Н.Н. Ефимов, Р.В. Безуглов, В.В. Папин, Д.С. Ка-толиченко // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. — 2015. — № 14. — С. 59—64.

13. Рахматулин, И.Р. Экспериментальные исследования влияния устройства слежения на производительность солнечной опреснительной установки / И.Р. Рахматулин // Ползуновский Вестник. — 2013. — № 4. — С. 168—178.

14. Кирпичникова, И.М. Экспериментальные

исследования лабораторного опреснителя воды / И.М. Кирпичникова, И.Р. Рахматулин // Альтернативная энергетика и экология. - 2013. - № 1. -Т. 2 (118). - С. 40-43.

15. Рахматулин, И.Р. Математическая модель солнечной опреснительной установки с устройством слежения за солнцем /И.Р. Рахматулин // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника». - 2014. -Т. 14, № 1. - С. 110-115.

16. Пособие по проектированию и расчету гелиосистем RUCELF. - 32 с. - http://geo-comfort.ru/ images/PDF/Teplovie%20nasosy/Solnishko/проектир ование%20гелиосистем.pdf (дата обращения: 20.03.2016).

Кирпичникова Ирина Михайловна, д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Электротехника и возобновляемые источники энергии», Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск; ionkim@mail.ru.

Рахматулин Ильдар Рафикович, канд. техн. наук, Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск; ildar.o2010@yandex.ru.

Поступила в редакцию 22 июня 2016 г.

DOI: 10.14529/power160307

STEAM TURBINE IN SOLAR DESALINATION PLANT

I.M. Kirpichnikova, ionkim@mail.ru,

I.R. Rakhmatulin, ildar.o2010@yandex.ru

South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation

The article discusses the possibility of using a steam turbine as a part of the solar desalination plant, the results of experimental research, conclusions and recommendations.

Keywords: energy-efficient complex, solar desalination plant, steam turbine, solar collectors.

References

1. Kirpichnikova I.M. [Desalination Using Wind and Solar Energy]. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Power Engineering, 2012, no. 16

2. Agamaliev M.M. [Technology of Combined Desalination of Sea Water Using a Secondary Energy]. Ener-gosberezhenie i vodopodgotovka [Energy Saving and Water Treatment], 2007, no. 4, pp. 14-16.

3. [Solar Radiation as an Energy Source]. Georesursy [Georesources], 2006, no. 4, pp. 30.

4. Slesarenko V.N. Opresnitel'nye ustanovki [Desalination Plants]. Vladivostok, DVGMA, 1999. 244 p.

5. Rakhmatulin I.R. [Comparative Analysis of Use of Solar Concentrator and Desalination]. Nauka YuUrGU: materialy 65-y nauchnoy konferentsii. Sektsii tekhnicheskikh nauk [SUSU Science: Proceedings of the 65th Conference. Section of Technical Sciences]. Chelyabinsk, SUSU Publ., 2013, vol. 2, pp. 190-193.

6. Kalnin' I.M., Zhernakov A.S., Pustovalov S.B. [Physical Model of Heat Pump Desalination]. Vestnik Mezhdunarodnoy akademii kholoda [Journal of the International Academy of Refrigeration], 2010, no. 2, pp. 12-21.

Bulletin of the South Ural State University. Ser. Power Engineering.

2016, vol. 16, no. 3, pp. 57-61

Кирпичникова И.М., Рахматулин И.Р.

Использование паровой турбины в составе солнечной опреснительной установки

7. Vissarionov V.I., Deryugina G.V., Kuznetsova V.A., Malinin N.K. Solnechnaya energetika [Solar Power]. MEI Publ., 2008. 276 p.

8. Valamin A.E., Kultyshev A.Yu.,Gol'dberg A.A., Sakhnin A.A. et. al. [T-125 / 150-12.8 Heat and Steam Turbine]. Teploenergetika [Thermal Engineering], 2014, no. 12, pp. 3.

9. Barinberg G.D., Valamin A.E., Sakhnin Yu.A., Ivanovskiy A.A. et. al. [T-113/145-12,4 Heat and Steam Turbine]. Nadezhnost' i bezopasnost' energetiki [Reliability and Safety of Energetics], 2010, no. 11, pp. 38-41.

10. Ivanovskiy A.A., Kultyshev A.Yu., Stepanov M.Yu. [Prospects for Construction of Thermal Power Station with Backpressure Steam Turbine]. Teploenergetika [Thermal Engineering], 2014, no. 12, pp. 37.

11. Chepurnoy M.N., Buzhinskiy M.V. [Energy Characteristics of Gas-steam Turbines of Thermoelectric Plant with Backpressure Steam Turbines]. Visnik Vinnic'kogopolitehnichnogo institutu, 2009, no. 2, pp. 51-54.

12. EfimovN.N., Bezuglov R.V., Papin V.V., Katolichenko D.S. [Calculation of Friction Torque in Vertical Micro-turbine Generator with Gas-dynamic Bearings Using Conventional and Seasonal Solar Energy] Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Severo-Kavkazskiy region. Seriya: Tekhnicheskie nauki [Proceedings of Higher Educational Institutions. North-Caucasian region. Series: Engineering], 2015, no. 14, pp. 59-64.

13. Rakhmatulin I.R. [Experimental Studies of Tracking Devices Affecting Performance of Solar Desalination Plant]. Polzunovskiy Vestnik, 2013, no. 4, pp. 168-178.

14. Kirpichnikova I.M., RakhmatulinI.R. [Experimental Studies of Laboratory Water Distiller]. Al'ternativnaja jenergetika i jekologija [Alternative Energy and Ecology], 2013, no. 1, vol. 2

15. Rakhmatulin I.R. [Mathematical Model of Solar Desalination Plant with Sun Tracking Device]. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Computer Technology, Management, Electronic, 2014, vol. 14, no. 1, pp. 110-115.

16. Posobie po proektirovaniyu i raschetu geliosistem RUCELF [Manual for Designing and Calculating RUSELF Solar Systems], 32 p. Available at: http://geo-comfort.ru/images/PDF/Teplovie%20nasosy/Solnishko/ nроектироeaние%20геmосистем.pdf

Received 22 June 2016

ОБРАЗЕЦ ЦИТИРОВАНИЯ

FOR CITATION

Кирпичникова, И.М. Использование паровой турбины в составе солнечной опреснительной установки / И.М. Кирпичникова, И.Р. Рахматулин // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». - 2016. - Т. 16, № 3. - С. 57-61. DOI: 10.14529/power160307

Kirpichnikova I.M., Rakhmatulin I.R. Steam Turbine in Solar Desalination Plant. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Power Engineering, 2016, vol. 16, no. 3, pp. 57-61. (in Russ.) DOI: 10.14529/power160307