Микроэнергетический комплекс на базе влажно-паровой микротурбины

Микроэнергокомплекс на базе высокоэффективной микротурбины с электрической мощностью 5 – 30 кВт и тепловой мощностью 20 – 200 кВт, для систем автономного децентрализованного распределения и потребления тепла и электроэнергии

Цель

Создание микроэнергокомплекса на базе влажнопаровой турбины с электрической нагрузкой 5 – 30 кВт и тепловой мощностью 20 – 200 кВт, для систем автономного децентрализованного распределения и потребления тепла и электроэнергии.

Задачи

1. Повышение эффективности малой распределенной энергетики, разработка и создание полностью автоматизированных, простых, доступных и недорогих энергоустановок и комплексов на базе ВИЭ.

2. Снижение выбросов вредных веществ и повышение экологической безопасности производства и потребления энергии, и, как следствие, уменьшение пагубного влияния энергетического комплекса на окружающую среду.

Научная новизна

В результате анализа патентной и научно-технической документации выявлено, что в настоящий момент в энергетике применяются влажно-паровые турбины электрической мощностью не менее 100 кВт. Что касается диапазона вырабатываемых мощностей 30 – 100 кВт, то здесь доминируют автономные энергоустановки, в том числе когенерационные, базирующиеся на газопоршневых или газотурбинных агрегатах.

Главными особенностями влажно-паровой микротурбинной установки являются: вертикальное исполнение ее конструкции, малый расход пара, низкие начальные параметры (давление и температура) теплоносителя, а также возможность раздельного регулирования тепловой и электрической энергии. Перечисленные выше особенности и определяют новизну подхода к проектированию и конструктивному исполнению агрегата.

Основные характеристики микроэнергокомплекса (МЭК)

Технические характеристики	МЭК электрической мощностью 5 кВт	МЭК электрической мощностью 30 кВт
Вырабатываемая электрическая мощность, кВт	5	30
Вырабатываемая тепловая мощность, кВт	20	200
Габаритные размеры влажно-паровой микротурбины (диаметр/высота), мм	650/2200	-
Масса влажно-паровой микротурбины, кг	-	600
Интервал изменения электр. нагрузки,%	5 — 100	5 — 100
Температура рабочей среды (воды), отпускаемая потребителю, °С	40 — 80	40 — 80
Потери тепла при эксплуатации, %	не более 5	не более 5
Время пуска из «холодного» состояния, мин.	не более 10	не более 10
Рабочее давление пара во влажно-паровой микротурбине, МПа	0,6	0,6
Температура рабочего тела (пара) на входе во влажно-паровую микротурбину, °С	160	160
Расход рабочего тела (пара) на влажно-паровую микротурбину, кг/с	0,03	0,1
Выходное напряжение, В	~220 (однофазн.)	~380 (трехфазн.)
Частота выходного напряжения, Гц	50	50
Уровень шума на расстоянии 10 м, дБ	60±5	60±5
КПД по выработке электроэнергии		не менее 22
Коэффициент использования первичн. топлива, %	не менее 70	не менее 70

Принципиальная схема МЭКПринципиальная схема МЭК

Развернутая схема МЭК

1 – котел; 2 – автоматический воздуходоводчик; 3 – солнечные панели; 4 — соединительные гофры; 5 – насос; 6 – расширительная емкость; 7 – кран заправочный; 8 – парогенератор; 9 — теплообменник эжектора; 10 – регулирующий паровой клапан; 11 – эжектор; 12 – турбина; 13 – электрогенератор; 14 – конденсатор; 15 – система охлаждения; 16 — циркуляционный насос ; 17 – бак запасного конденсатаредактирование

Конструкция микротурбины

Конденсатор микротурбины

Отличительной особенностью разработанного конденсатора заключается в том, что он конструктивно совмещен с турбоагрегатом. Единая, корпусная конструкция позволяет обеспечить компактность и герметичность микротурбинной установки.

Генератор микротурбины

Высокая частота вращения (до 35 тыс. об/мин), повышенные требования к жесткости единого ротора стали определяющими факторами при выборе типа электрической машины влажно-паровой микротурбины. В результате анализа и сопоставления основных типов генераторов был выбран вентильный индукторный генератор.

Турбогенератор

Основные характеристики лопаточного аппарата	Величина
Эффективная мощность турбины, Nе, кВт	5
Диаметр на входе в раб. лопат.d1, м	0,254
Диаметр на выходе из раб. лопат.d2, м	0,214
Степень парциальности, ?	0,064
Абсол.  скорость на выходе из сопловой решетки, с1, м/с	816,854
Выходная высота сопловых лопаток, l1, см	1,0
Выходная высота рабочих лопаток, l2,см	1,6
Число сопловых каналов , z1	2
Число рабочих лопаток, z2	56

Система пароприготовления

В системе пароприготовления с целью оптимизации используемого оборудования, было принято техническое решение, заключающееся в в применении совместном котла, парогенератора, выполняющего функции аккумулятора пара и солнечных водонагревательных коллекторов для покрытия части тепловой энергии, необходимой для нагрева рабочего тела.

Система автоматизации, диспечеризации

Содержит информацию по всему оборудованию МЭК:

• значения всех контролируемых параметров;
• информацию о положениях всех регулирующих органов;
• информацию о состоянии (вкл. или откл.) насосов и компрессора;
• сообщения о выходе значений параметров за допустимые пределы;
• виртуальные средства для установки заданий для всех регуляторов;
• виртуальные средства для дистанционного включения и отключения электроприводов насосов, компрессоров и регулирующих органов.

Система автоматизации

Основные отличительные характеристики микротурбинной установки:

• вертикальная конструкция турбинной установки с центростремительной одновенечной проточной частью, парциальным подводом рабочего тела в едином корпусе с генератором и конденсатором, что позволило резко сократить массогабаритные, весовые показатели и площадь, необходимую для монтажа. Размеры (диаметр/высота (мм)/масса(кг): турбина 5 кВт — 485/1050/230, турбина 30 кВт – 800/1500/585;
• в качестве генератора разработана высокооборотная (35000 об/мин) реактивная вентильно-индукторная электрическая машина, способная работать как в генераторном, так и в двигательном режиме, что позволяет снизить стоимость капитальных затрат и повысить эксплуатационную надежность турбогенератора;
• в качестве опоры генератора в паровой турбине разработаны и применены отечественные воздушные газо-динамические подшипники, что позволило снизить потери на трение, полностью исключить применение смазочных материалов;
• разработана комбинированная система пароприготовления на базе вакуумных солнечных коллекторов, котла-парогенератора и аккумулятора тепловой энергии. Система позволяет за счет солнечной энергии в летнее время (май-сентябрь для условий ЮФО) заменить до 35-40% первичного органического топлива в дневное время суток.
• реализована схема отдельного регулирования электрической и тепловой энергии в диапазоне нагрузок 5-100%, что кардинально отличает влажно-паровую микротурбинную установку от газотурбинных и газопоршневых и позволяет её применение в любых климатических зонах;
• коэффициент использования топлива – 84%. Возможно использование различных видов топлив;
• уровень шумов от работающей турбины на расстоянии 5 м не превышает 55 дБ.

Внешний вид опытного образца МЭК

Научно-технические статьи, опубликованные по результатам НИОКР:

1. Микроэнергетический комплекс на базе влажно-паровой турбины. Специализированный журнал «Энергосбережение», № 6, 2013.

Указаны проблемы традиционной энергетики и необходимость перехода к распределенной. Описаны основные характеристики и преимущества разработанного микроэнергетического комплекса.

2. Микротурбинная установка для эффективного энергоснабжения автономных индивидуальных потребителей.

Описан микроэнергокомплекс (МЭК) малой мощности (5 — 30 кВт) предназначен для работы в качестве микро-ТЭЦ с целью обеспечения эффективного энергоснабжения, распределения электроэнергии.

3. Система автоматизированного контроля и регулирования параметров микроэнергокомплекса мощностью 5 кВт с солнечным коллектором

В статье рассматривается система автоматизированного контроля и регулирования параметров (программно-технический комплекс) микроэнергетического комплекса электрической мощностью 5 кВт, предназначенного для снабжения децентрализованного потребителя тепловой и электрической энергией. Программно-технический комплекс обеспечивает управление, контроль, регулирование параметров, визуализацию технологического процессаи архивацию входных и выходных данных. Работа актуальна тем, что в ней рассматриваются способы управления микроэнергетическим комплексом, активно внедряющимся в энергетический автономный сектор и работающим на возобновляемых источниках энергии, которые обеспечивают «зеленой» энергией удаленные от энергосистемы жилые строения.

Разработка защищена следующими патентами:

Патент РФ на полезную модель № 134239 «Центростремительная влажно-паровая турбина». Дата регистрации 10.10.2013 г.

Патент РФ на полезную модель № 134240 «Энергетический комплекс». Дата регистрации 10.10.2013 г.