Микротурбинные установки

 

В турбине энергия горячего газа преобразуется в работу. При  входе в сопловой аппарат турбины  под действием высоких температур горячие газы расширяются, и их тепловая энергия преобразуется в кинетическую. Затем, в роторной части турбины, кинетическая энергия газов переходит в механическую энергию вращения ротора турбогенератора. Высокая частота вращения ротора (до 96 000 об./мин.) позволила добиться уменьшения габаритов турбины, благодаря чему энергоустановка имеет малый вес и компактные габаритные размеры. Часть мощности турбины расходуется на работу воздушного компрессора, а оставшаяся часть является полезной выходной мощностью.

Газотурбинный двигатель  приводит во вращение находящийся с ним на одном валу высокоскоростной генератор. Если установка оборудована системой когенерации (утилизации тепла выхлопных газов), то выхлопные газы из рекуператора проходят через теплообменник. Данный теплообменник передает тепло выхлопных газов циркулирующей воде, использующейся в промышленных и коммунальных системах горячего водоснабжения, обогрева помещений или для других нужд. Общий КПД турбины (электрический и тепловой) при таком режиме достигает 92%, что приводит к значительной экономии топлива и снижению себестоимос-

ти вырабатываемой энергии. Благодаря применению в конструкции  двигателя особого типа генератора с постоянным магнитом в роторе и электрического инвертора вместо традиционного синхронного генератора с редуктором, частота вращения ротора микротурбины изменяется от 45 000 до 96 000 оборотов и при этом не связана с выходным напряжением. Отсутствие этой связи и возможность изменения частоты вращения в широком диапазоне приводит к оптимальному расходу топлива, пропорциональному нагрузке. Для запуска микротурбинной установки Capstone используется блок аккумуляторных батарей, который компенсирует ток нагрузки, в то время как двигатель набирает обороты. За счет этого, микротурбина способна выдерживать 80%-й наброс нагрузки. При единовременном сбросе нагрузки до 80% часть тока берет на себя блок аккумуляторных батарей, а скорость вращения вала замедляется с помощью тормозных резисторов. Таким образом достигается абсолютная эластичность к нагрузке без увеличения износа двигателя и существенного снижения КПД энергосистемы. Это свойство особенно важно для объектов с непрерывным, но неравномерным потреблением энергии, таких как объекты ЖКХ и инфраструктуры, городские жилые районы и коттеджные поселки.

Силовая цифровая электроника  управляет работой микротурбины и всех ее вспомогательных систем (см. рис. 2). Она преобразует переменный ток переменной частоты от генератора в постоянный ток, а затем в переменный ток постоянной частоты промышленной сети — 50 Гц, 380 В. Это позволяет практически мгновенно реагировать на изменение нагрузки и выдавать требуемую мощность.

Рис.2  Схема микротурбинной установки

 

 

 

Режим работы

Когенерация

Когенерация — (название образовано от слов КОмбинированная ГЕНЕРАЦИЯ  электроэнергии и тепла) процесс  совместной выработки электрической  и тепловой энергии. В советской  технической литературе распространён  термин теплофикация — централизованное теплоснабжение на базе комбинированного производства электроэнергии и тепла  на теплоэлектроцентралях. Когенерация  широко используется в энергетике, например на ТЭЦ (теплоэлектроцентралях), где рабочее тело после использования  в выработке электроэнергии, применяется  для нужд теплоснабжения. Тем самым  значительно повышается КПД —  до 90 % и даже выше.

 

Смысл когенерации в том, что при прямой выработке электрической  энергией, создаётся возможность  утилизировать попутное тепло.

 

Когенерационные установки (когенераторы) широко используются в  малой энергетике (мини-ТЭЦ). И для  этого есть следующие причины:

-Тепло используется непосредственно в месте получения, а это обходится гораздо дешевле, чем строительство и эксплуатация многокилометровых теплотрасс;

-Электричество используется большей частью в месте получения, в результате, без накладных расходов поставщиков энергии, его стоимость для потребителя может быть до 5 раз меньше, чем у энергии из сети.

-Потребитель приобретает энергетическую независимость от сбоев в электроснабжении и аварий в системах теплоснабжения.

-Использование когенерации наиболее выгодно для потребителей с постоянным потреблением электроэнергии и тепла. Для потребителей, у которых имеются ярко выраженные «пиковые нагрузки» (например, жилое хозяйство, ЖКХ) когенерация мало выгодна — из-за большой разницы между установленной и среднесуточной мощности окупаемость проекта значительно затягивается.

Помимо генерации электричества  турбина может вырабатывать тепло. Для этого она должна быть укомплектована специальным устройством, утилизирующим теплоту выхлопных газов. Такие энергетические системы, совместно вырабатывающие электричество и тепло, относятся к классу CHP (Combined Heat and Power). В случае микротурбин их называют microCHP. Специально для микротурбин Capstone сконструировано несколько типов таких теплообменников, рассчитанных на совместную работу с одной, двумя, четырьмя и более микротурбинами. Их производят в США, Европе, Японии. Возможно применение российских утилизаторов тепла, соответствующих по производительности, размерам соединительной арматуры и другим параметрам конструкции микротурбины. Применение установок microCHP резко повышает общий КПД (до 90% и выше) и решает задачи теплоснабжения для отопления и получения горячей воды.

Тригенерация

Тригенерация — это  организация сразу трех энергий: электричества, тепла и холода. Получение  первых двух есть когенерация (то есть первые две составляющие). Тригенерация является более выгодной по сравнению  с когенерацией, поскольку даёт возможность  эффективно использовать утилизированное  тепло не только зимой для отопления, но и летом для кондиционирования  помещений или для технологических  нужд. Для этого используются абсорбционные  бромистолитиевые холодильные установки. Такой подход позволяет использовать генерирующую установку круглый  год, тем самым не снижая высокий  КПД энергетической установки в  летний период, когда потребность  в вырабатываемом тепле снижается.

Комбинированное производство электричества, тепла и холода. Холод  вырабатывается абсорбционной холодильной машиной посредством утилизации тепла выхлопных газов турбины. Принцип действия абсорбционных холодильных машин (АБХМ) основан на том, что вода в условиях вакуума испаряется при низких температурах, и при испарении уносит тепло от воздуха системы кондиционирования. В абсорбционных холодильных машинах раствор бромистого лития (LiBr) — очень сильный абсорбент воды — поглощает пар, переносящий тепло охлаждающей воды, превращаясь в разбавленный раствор, который откачивается в генератор, где выпаривается, нагреваясь от горячего пара, воды, выхлопных газов и т. п. Концентрированный раствор LiBr возвращается в абсорбер, а водяной пар направляется в конденсатор, чтобы процесс повторился.

 

Рис.3  Когенерация и тригенерация

 

Параллельно с  сетью

В этом режиме микротурбинная установка вырабатывает электрический  ток, синхронизированный с сетью  по напряжению и частоте.

Автономно

Автономный режим характеризуется  работой микротурбинной установки независимо от сети в качестве основного источника энергии. В этом режиме выходная мощность определяется потребителем, параметры электрического тока настраиваются в соответствии с потребностями нагрузки по напряжению и частоте. Устройство для автономной работы включает преобразователь энергии, координирующий работу блока аккумуляторных батарей (АКБ). Он имеет зарядное устройство и производит необходимые соединения между основной системой управления и блоком АКБ. Запуск и работа микротурбины осуществляются в автоматическом режиме.

Двойной режим (автономно  и параллельно с сетью)

В этом режиме микротурбина подключена к местной сети и, по желанию  потребителя, может быть переключена  в автономный режим работы. Переключение может производиться в ручном режиме и автоматически, через контроллер двойного режима фирмы Capstone.

 

 

 

 

В одиночном режиме или в кластере из нескольких турбин

Потребляемое  топливо

Микротурбинные  установки не требуют предварительной  газоочистки при работе на большинстве  видов газового топлива. При этом теплотворная способность газа должна находиться в пределах от 2500 до 24 000 ккал/м³.

-  Природный газ высокого или низкого давления по ГОСТ Р 5542-87;

-  Биогаз: мусорный газ; газ, получающийся при очистке сточных вод; анаэробный газ;

- Попутный нефтяной газ, факельный газ;

-  Жидкие виды топлива: керосин, дизельное топливо, биодизельное топливо;

-  Низкокалорийные газы;

-  Газы с нестабильными характеристиками состава;

-  Сжиженный газ: природный газ (метан), пропан-бутан;

-  Шахтный метан, метан угольных пластов;

-  Коксовые газы;

-  Сингаз (синтез-газ).

Варианты размещения микротурбин

-На открытой площадке в легковозводимом погодном укрытии;

-В отдельном здании/сооружении;

-В основном здании объекта, внутри помещения;

-На крыше/кровле здания;

 

 

Устройство микротурбинной установки

 

 

 

Консрукция турбогенератора

Турбогенератор  микротурбинной установки включает в себя газотурбинный двигатель  и генератор. Газотурбинный двигатель  состоит из компрессора, рекуператора, камеры сгорания, турбины и выхлопного газохода. Двигатель в разрезе  показан на рис. 4.

Запуск микротурбинного  двигателя осуществляется от встроенного  блока аккумуляторных батарей. Двигатель  охлаждается воздухом и не потребляет масло. Крыльчатка компрессора и  ротор турбины смонтированы на одном  валу с генератором. Малый вес  вала двигателя уменьшает инертность микротурбины, позволяя быстрее реагировать на повышение и снижение выходной мощности. Этот вал поддерживается на воздушных подшипниках. Скорость вращения вала двигателя генератора 45 000 - 96 000 об./мин. При скорости 96 000 оборотов в минуту выходное напряжение составляет 277 В. Двухполюсный генератор на постоянных магнитах охлаждается потоком воздуха, поступающего в двигатель.

На выходе генератора формируется трёхфазный электрический ток переменного напряжения и частоты (до 1600 Гц) в зависимости от скорости вращения генератора, который конвертируется в постоянный ток, а затем преобразовывается в выходной ток требуемого напряжения и частоты. Применение инверторов на базе высокоскоростных IGBT (Insulated

Gate Bipolar Transistor —  биполярный транзистор с изолированным затвором) транзисторов обеспечивает высокое качество выходного напряжения с точки зрения стабильности, амплитуды, частоты, синусоидальности и искажений в соответствии с международными стандартами ISO.

Инновацией, примененной  в микротурбинах семейства Capstone, являются воздушные подшипники (см. рис. 6). Они поддерживают вал ротора генератора в подвешенном бесконтактном  состоянии. Воздушный подшипник  состоит из двух компонентов. Внешняя  часть, выполненная из особого высокотемпературного сплава, имеет цилиндрическую форму. Внутренняя часть представляет собой тонкую волнообразную окружность, выполняющую роль пружины под которой расположена лента. Пружины создают силу противодействия лентам и воздуху, что позволяет валу находится в устойчивом положении на воздушных подушках. Благодаря особой аэродинамической форме подшипника при скорости вращения свыше 2000 оборотов в минуту образуется воздушная плёнка, которая отделяет вал от ленты подшипника и защищает его от износа. Это снимает необходимость использования масел и лубрикантов, что позволяет значительно снизить эксплуатационные расходы. Кроме того, малое количество сопрягаемых частей снижает до минимума риск повреждения деталей турбогенератора и обеспечивает высоконадежную и безопасную работу микротурбины. Это также является одним из ключевых факторов длительного срока службы до капитального ремонта — до 60 000 часов. За счет высокой частоты вращения вала и воздушных подшипников достигается низкий уровень шума и вибраций энергоустановки. Внешний вид турбогенератора с одетой теплоизоляцией показан на рис. 7.

 

 

 

 

 

 

Топливная система

 

Микротурбинная  установка может эффективно использоваться в широком диапазоне углеводородных газов и жидкого топлива с различной теплотворной способностью. Топливная система мониторит, дозирует и подаёт топливо в двигатель от источника топлива, а также поддерживает в газообразном состоянии жидкое топливо. Это возможно благодаря конструктивным особенностям инжекторов и специальным дозирующим клапанам, создающим оптимальную топливно-воздушную смесь, что приводит к максимально эффективному сгоранию топлива.

Топливная система микротурбины включает:

-топливную обвязку для газа высокого давления/топливную обвязку для природного газа низкого давления / топливную обвязку для жидкого топлива;

-инжекторы;

- свечу с возбудителем.

 

 

 

 

Камера сгорания

Тщательные рабочие  испытания и опыт эксплуатации турбины показали надежную работу топливной системы и камеры сгорания, которая пригодна для работы на разных видах топлива: природный, шахтный, сжиженный, попутный газы (в том числе с высоким содержанием сероводорода), биогаз, а также жидкое дизельное топливо и керосин. Низкие требования к качеству топлива (загрязненности примесями) сочетаются с малой концентрацией вредных веществ в выбрасываемых продуктах сгорания. Это было продемонстрировано в ходе специальных испытаний и подтверждено соответствующими сертификатами официальных органов по охране окружающей среды. Уровень загрязняющих выбросов столь низок, что устанавливает новые экологические стандарты для малых электростанций.