Распределенная генерация тепла и электричества для труднодоступных районов на основе инновационных паровых турбогенераторов.

Серков С.А. (SerkovSA@mpei.ru), Грибин В.Г., Румянцев М.Ю., Сигачев С.И., Грузков С.А.

(НИУ «Московский энергетический институт»)

Развитие нашей страны требует создания объектов распределенной энергетики. Большая часть России не охвачена централизованными системами генерации электрической и тепловой энергии. Одно из решений задачи - разработка и создание паротурбинных мультитопливных энергетических установок малой мощности. Такие установки распределенной когенерации мощностью 50-100 кВт, объединенные в кластеры, позволят решить задачу снабжения теплом и электроэнергией небольших поселков, особенно в Сибири и на Дальнем Востоке. В настоящее время огромные средства расходуются на завоз дорогого топлива. Эксплуатация распределенной энергетики на базе местного возобновляемого биотоплива (дрова, опилки, отходы переработки древесины и т.п.) может дать значительную экономию средств и повысить качество жизни.

Решение задачи обусловлено следующими факторами, особенно важными для Российской Федерации:

1. На огромной территории страны имеются районы, прежде всего в Сибири и на Крайнем Севере, а также отдельно расположенные технические объекты, которые из-за удалённости от промышленных центров или малого энергопотребления, не охвачены централизованным энергоснабжением. Во многих удалённых районах для выработки энергии на малых электростанциях используется нефтепродукты, сжиженный газ. Распространение получили автономные энергоустановки фирмы «Capstone» (на базе газовых микротурбин)- рис. 1, 2.

Рис 1. Внешний вид автонормной малой энергоустановки «Capstone».

Рис. 2. Турбогенератор фирмы «Capstone» малой мощности.

                                                                                                             Подобные электростанции обладают высокими капитальными затратами (стоимость одного кВт установленной мощности многократно превышает таковую для традиционных ТЭЦ и ТЭС), невысоким ресурсом, обусловленным высокими температурами в проточной части, требуют возрастающих затрат на поддержание их работоспособности, проведение капитального ремонта, на транспортировку и хранение топлива. Особо отметим трудности импортных поставок оборудования и запчастей с учетом реалий рынка. Имеются и другие схемы малых энергетических установок на базе газовых турбин (Рис. 3).

Рис. 3. Примеры малых энергетических установок на базе газовых турбин. а) Мини- ТЭЦ с использованием газовой турбины (4-5),  генератора (1), преобразователя частоты (2) вместо редуктора , регенератора (8-9)  и сетевого подогревателя  (10-11).  3,12- вход и выход воздуха и продуктов сгорания, 14-подшипники. 7-подача топлива в камеру сгорания 6. б) Мини-ТЭС на базе газовой турбины. Здесь 13- редуктор.

В значительной части эти недостатки относится к газопоршневым установкам, например, «Caterpiller» (США). Высокие капитальные затраты также сдерживают развитие ветровых и солнечных энергоустановок. В ряде случаев их эксплуатация  из-за климатических условий Сибири и Крайнего севера невозможна.

2. В условиях климатических и техногенных катастроф, в чрезвычайных ситуациях надёжность электро- и теплоснабжения потребителей уже не может быть обеспечена только средствами централизованных систем электроснабжения. Требуются надежные мобильные установки быстрого развертывания, работающие на местном низкореактивном топливе.
3. Крупные централизованные системы электроснабжения являются более уязвимыми, чем автономные системы малой мощности, в случае возникновения террористической или военной угроз.
4. Эффективные и надёжные установки малой мощности являются важнейшим функциональным элементом специальных объектов, обеспечивающих обороноспособность страны.

Данная работа проводится в соответствии с перечнем приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации и критических технологий.

Поставленная задача - создавать отечественные образцы установок распределенной генерации, не уступающие, а по ряду параметров превосходящие зарубежные аналоги. Выход на промышленное производство таких установок решает несколько социальных задач:

1) Обеспечение теплом и электроэнергией населения Сибири и Дальнего Востока.

2) Создание рабочих мест на предприятиях, связанных с производством и эксплуатацией систем когенерации.

3) Использование местного недорогого топлива при экологически чистых технологиях.

4) Повышение энергетической независимости страны.

5) Импортозамещение.

Применение паровых, а не газовых турбин приводит к уменьшению рабочей температуры по сравнению с зарубежными аналогами и позволяет иметь больший ресурс, т.е. уменьшает расходы на ремонт и эксплуатацию.

Отсутствие ползучести в паровой турбине небольшой мощности позволяет применять для изготовления недорогие стали. Малые размеры ротора позволяют изготавливать его, при наличии станков с ЧПУ  и авторского программного обеспечения, Использование установок в качестве судового двигателя позволяет более эффективно осваивать сибирские реки, поскольку топливом может служить валежник, бурелом и т.п. Большое значение имеет применение установок или кластеров в горных районах, где отсутствует централизованное энергоснабжение. Для функционирования небольших поликлиник, школ, больниц генерации оказывается вполне достаточно. Обслуживающий персонал не требует высокой квалификации и специального образования. Установки модульные и не требуют специалистов при  монтаже. Для транспортировки не нужен спецтранспорт. Такие установки могут быть применены в горных районах Кавказа.

Применение парового турбогенератора  сопряжено с анализом возможных    тепловых схем. Очевидно, что схемы для поставленных задач  бездеаэраторные. Это оправдано 2-мя обстоятельствами: 1) необходимая компактность установки; 2) невысокая стоимость ремонта проточной части. Рассматриваются схемы без промперегрева и регенерации, что также продиктовано компактностью агрегата и его дешевизной. Экономия на капитальных затратах, как следствие, приводит к некоторому снижению к.п.д., что, однако, оправдывается существенной дешевизной топлива, в ключая биотопливо.  Так, по данным МЭИ, стоимость 1 т гранул, получаемых от переработки дров, коры, опилок  и другого подобного  древесного сырья, составляет 2000 руб.  при удельной теплоте сгорания 3,5-4 тыс. ккал/кг. Схема с водяным конденсатором не исключается, но в первом приближении также не рассматривается для упрощения эксплуатации.

Основной рабочей схемой является тепловая схема турбины с противодавлением около 5 бар. (рис.4) . На выходе устанавливается сетевой подогреватель,  который обеспечивает потребителя. Электрическая мощность двухпоточной турбины 60 кВт. Ясно, что выбор двухпоточной конструкции необходим, так как опоры должны быть разгружены от осевых усилий, но это неизбежно ведет к малым высотам лопаток. Проточная часть паровой турбины может включать, например, типичную осерадиальную ступень, возможно, с регулируемым сопловым аппаратом, (рис.5), после чего может устанавливаться одна или несколько осевых ступеней (не исключая двухвенечную)- на рисунке не показаны. В условиях Сибири и Севера особое внимание должно быть уделено пуску и останову при низких температурах. В дальнейшем планируется исследование цикла для «незамерзающих» теплоносителей, пока же сошлемся на большой опыт эксплуатации в свое время паровозов (слив воды, заливка перед пуском теплой воды). Рассмотрение процесса при данных условиях показывает, что расширение происходит в зоне перегретого пара (рис.6). Тепловая нагрузка представляет собой сетевой подогреватель, работающий, например, в режиме отопления. Тепловая нагрузка примерно в 2 раза больше по мощности электрической. Заметим, что тепловой нагрузкой может служить также энергетическая установка с низкотемпературным циклом Ренкина.

Предварительный анализ показывает, что протор с центральным расположением генератора и симметричными разнонаправленными равными потоками пара может быть выполнени жестким, что облегчает пуск и балансировку, а также эксплуатацию воздушных подшипников. Возможно также выполнение регулируемого направляющего аппарата осевых ступеней, но это усложняет конструкцию.

Рис. 4. Примерная тепловая схема малой ТЭЦ (второй поток для простоты не показан).

Рис. 5. Схема первой ступени одного потока малой паровой турбины (последующие ступени осевые, для простоты не показаны).

Рис. 6. Общий процесс в h-s диаграмме для рассматриваемой паровой турбины малой мощности.

Для выполнения поставленных задач турбогенератор выполняется по новым технологиям, обеспечивающих долговечность и высокую эффективность опор, достоверные расчеты проточной части, сохранение высокой частоты вращения ротора при отказе от редуктора, современную конструкцию высокочастотного генератора. Использование современной элементной базы позволяет создать надежный, компактный и доступный по цене преобразователь частоты. Это позволяет отказаться от сложной системы регулирования частоты вращения ротора и редуктора. Структурная схема турбогенератора показана на рис.7.

Рис. 7. Структурная схема  парового турбогенератора

В МЭИ много лет разрабатываются и производятся высокоскоростные генераторы и силовая электроника (Рис.8).

Рис. 8. Преобразование электрического тока. 1-высокоскоростной турбогенератор, 2- преобразователь переменного тока в постоянный, АБ- ресиверная нагрузка, в данном случае-аккумуляторная батарея, 3- линия постоянного тока, 4- преобразователь переменного тока в постоянный, далее- потребители переменного тока. Указаны возможные потребители постоянного тока.

Что касается высокоскоростных безмасляных опор - то в МЭИ освоена технология проектирования и изготовления лепестковых газодинамических подшипников, которые показали себя с лучшей стороны при эксплуатации в турбомашинах (Рис.9).

Рис. 9. Лепестковые газовые высокоскоростные подшипники.

1-корпус подшипника, 2-опора лепестка-упругий шарнир, 3-лепесток, 4-ротор.

Таким образом, предлагаемые установки обладают следующими преимуществами перед имеющимися или предлагаемыми на основе газовых турбин:

Планируемые в МЭИ работы по задаче и ожидаемые результаты

 – рассмотрение разных тепловых и прочностных схем решения, анализ результатов, выбор задач исследований.– научное обоснование компоновочной схемы установки и кластеров, формирование ТЗ на разработку экспериментального образца, разработка расчётных моделей системы, расчёт и проектирование опытной установки и электронного преобразователя, разработка технологических решений для станков с ЧПУ.

– изготовление и сборка экспериментального образца установки (без котла), разработка программы предварительных испытаний и стендового оборудования для ТЭЦ МЭИ, предварительные испытания образца.

– анализ результатов испытаний, комплектование установки внешними элементами (котёл, электроавтоматика, элементы защиты и т.д.), создание экспериментального полигона микротурбинных технологий на базе МЭИ. Разработка модельного ряда ЭУММ. Разработка документации для серийного изготовления установок в собственном корпусе и с собственным котлом– подготовка к серийному производству ЭУММ. Эксплуатационные проверки работы. Отработка характеристик регулирования.

- создание стратегии развития технологической платформы распределенной когенерации для различных регионов.

         Предлагаемая концепция позволяет в значительной степени решить доступными средствами задачу распределенной когенерации .

                                                Литература.

1.Энергетическая стратегия России на период до 2030 г. Утверждена распоряжением Правительства Российской федерации от 13.11.09 г.  №1715-Р, раздел V.

2. Щегляев А.В. Паровые турбины. М. 1987.

3. Шерстюк А.Н., Зарянкин А.Е., Осерадиальные турбины малой мощности. М. 1960.

4.  Автономные источники электроэнергии. Пономаренко И.С., Лунин А.И., Аксенов Д.А., Кондратенко Р.О.,Крупович А.Ю.,Першин В.О., Пономаренко О.И.Энергоэкперт, № 6, 2012. С. 30-34.

5. Микрогазотурбинные электроагрегаты - новое направление в малой энергетике. Пожидаев В.М. Академия энергетики, №4, 2005. с. 26-33.

6. Проспект фирмы Capstone: http://www.capstoneturbine.com/_docs/datasheets/C65%20&%20C65%20ICHPLiquid%20Fuels_331038F_lowres.pdf

7. Опыт разработки высокоскоростных электротурбомашин на кафедре ЭКАО МЭИ. / Румянцев М.Ю., Захарова Н.Е., Сигачев С.И. // Вестник Московского Энергетического Института. М.: Изд-во МЭИ, 2007. №3. С.45-50.

8. Применение высокоскоростных электротурбомашин малой мощности на летательных аппаратах. / Н.Е.Захарова, М.Ю.Румянцев, С.И.Сигачев, А.В.Сизякин. // Материалы Всероссийской научно-технической конференции «Х Научные чтения, посвященные памяти Н.Е.Жуковского» / Сборник докладов. – М.: Издательский дом Академии имени Н.Е.Жуковского, 2013. С.307-312.