Паровые 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


Printcepialnya shema MEC

Развернутая схема МЭК

Razvernutaya shema MEC_1

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

turbina 5 kW Konstruktsiya turbiny

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.


Condensator

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.

Generator

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 , z 2
Число рабочих лопаток, z2 56

Turbogenerator

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.

sistema paroprigotobleniya

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.

shema upravleniya_small

sistema avtomatizatcii

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

vneshniy vid MEC_1

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.

Источник: don-tech.ru


Микротурбина Турбосфера для выработки электроэнергии.

 

 

Микротурбина ТурбоСфера – энергосберегающая установка для утилизации энергии избыточного давления природного газа и тепловой энергии с последующим превращением в электрическую энергию. Она позволяет использовать низкопотенциальные энергоресурсы, такие как энергию избыточного давления и тепловые отходы для выработки электроэнергии, при этом работая без потребления топлива, а лишь используя часть уже затраченной энергии для своего функционирования.

Технология ожидает финансирования!

 

Описание

Преимущества

Конструкция и принцип работы

Многогранность применения

Применение

 

Описание:

Микротурбина ТурбоСфера – энергосберегающая установка для утилизации энергии избыточного давления природного газа и тепловой энергии с последующим превращением в электрическую энергию. Она позволяет использовать низкопотенциальные энергоресурсы, такие как энергию избыточного давления и тепловые отходы для выработки электроэнергии, при этом работая без потребления топлива, а лишь используя часть уже затраченной энергии для своего функционирования.


Микротурбина Турбосфера для выработки электроэнергии

Электрическая мощность агрегата составляет от нескольких кВт до 500 кВт и выше, зависит от условий эксплуатации. Входное давление 0,3–5,5 МПа, расход от 500 куб. м/час.

 

Преимущества ТурбоСферы перед другими турбинами:

– высокая эффективность,

– компактность,

– универсальность,

– многоступенчатость,

– тихоходность,

– герметичность.

 

Конструкция и принцип работы:

В микротурбине ТурбоСфере использован абсолютно новый подход к конструированию подобных агрегатов. Установка сочетает в себе одновременно турбину, теплообменник и электрогенератор.

Микротурбина Турбосфера для выработки электроэнергии

В микротурбине ТурбоСфере всего одно рабочее колесо. Но на нем осуществляется многоступенчатое расширение потока газа. Это возможно за счет подвода рабочего тела от одной ступени к другой через каналы теплообменника. В них осуществляется подогрев газа между ступенями. Рабочее тело движется многократно по круговой спирали внутри труб теплообменника, которые образуют сферическую поверхность. Снаружи каналы омываются греющим теплоносителем.

Высокая эффективность ТурбоСферы, работающей на любом виде пара или газа, обусловлена проходящими в ней процессами. В этой турбине в полной мере реализуется многоступенчатое расширение потока газа с промежуточным его подогревом. Как известно из термодинамики, такой процесс приближается к изотермическому, при котором возможно получение максимальной работы а, следовательно, и максимальной эффективности.

Рабочее тело в процессе расширения охлаждается на некоторую температуру, соответственно в теплообменнике между ступенями необходимо его нагреть на такую же температуру. Многоступенчатый подвод теплоты позволяет нагревать поток газа не сразу, сообщив ему большое количество теплоты, а постепенно. Поэтому достаточно низкотемпературного теплоносителя – это может быть даже холодная водопроводная вода с температурой от 10 градусов.

Микротурбина ТурбоСфера не имеет редуктора, что значительно уменьшает ее массогабаритные показатели.

Электрогенератор располагается внутри корпуса турбины. Частота вращения рабочего колеса до 3000 об/мин и выше.

 

Многогранность применения:

Микротурбина ТурбоСфера характеризуется многогранностью ее применения:

Во-первых, она изначально разрабатывалась как турбодетандерная установка ТДУ, или, как ее еще принято называть: турбодетандер, ДГА (турбодетандерный агрегат), ГУБТ (газовая утилизационная бескомпрессорная турбина), утилизационная турбина и т.д. В этой связи, микротурбина ТурбоСфера способна исполнять роль турбоагрегата, устанавливаемого на газорегулирующем пункте ГРП, газорегулирующей станции ГРС, предназначенных для снижения давления природного газа. Традиционно давление потока газа снижается с помощью дросселирования, т.е. создания сопротивления в регуляторах давления газа. Такое положение оправдано при наличии дешевых энергетических ресурсов. Сегодня ситуация изменилась.

Во-вторых, в развитых странах на место простых регуляторов давления приходят подобные турбины, хотя правильнее было бы сказать не «вместо», а «вместе». Это обусловлено тем, что изготавливаемые машины не совершенны и не способны регулировать давление так же четко, как и регуляторы давления газа. ТурбоСфера лишена этого существенного недостатка. С ее разработкой производство газовых микротурбин выходит на новый уровень.

В-третьих, подобная ситуация наблюдается при дросселировании водяного пара в котельных. Турбина, работающая вместо редукционно-охладительной установки, способна обеспечивать, по крайней мере, собственные нужды котельной. Такие турбины получили название противодавленческая турбина или турбина типа Р. Микротурбина ТурбоСфера и здесь, за счет возможности регулирования давлений и высокой эффективности преобразования энергии, выглядит очень конкурентоспособной.

В-четвертых, возможность использования низкопотенциального теплоносителя способна открыть новые горизонты в применении микротурбины ТурбоСферы. А именно – утилизация низкопотенциального сбросного тепла, которое имеется на абсолютно любом предприятии. Здесь подразумевается использование замкнутого цикла низкокипящего вещества (хладон, бутан и т.п.), которое будет подогреваться за счет сбросного тепла. Такое применение микротурбины ТурбоСферы позволяет успешно использовать вторичные энергетические ресурсы предприятий.

 

Источник: xn--80aaafltebbc3auk2aepkhr3ewjpa.xn--p1ai

Как работает паровая турбина?

В сущности, паровые турбины являются составной частью сложной системы, призванной преобразовать энергию топлива в электричество, иногда – в тепло.

промышленная паровая турбина

На данный момент этот способ считается экономически выгодным. Технологически это происходит следующим образом:

  • твердое или жидкое топливо сжигается в паровой котельной установке. В результате рабочее тело (вода) обращается в пар;
  • полученный пар дополнительно перегревается и достигает температуры 435 ºС при давлении 3.43 МПа. Это необходимо для того, чтобы добиться максимального КПД работы всей системы;
  • по трубопроводам рабочее тело доставляется к турбине, где равномерно распределяется по соплам с помощью специальных агрегатов;
  • сопла подают острый пар на изогнутые лопатки, закрепленные на валу, и заставляет его вращаться. Таким образом, кинетическая энергия расширяющегося пара переходит в механическое движение, это и есть принцип действия паровой турбины;
  • вал генератора, представляющего собой «электродвигатель наоборот», вращается ротором турбины, в результате чего вырабатывается электроэнергия;
  • отработанный пар попадает в конденсатор, где от соприкосновения с охлажденной водой в теплообменнике переходит в жидкое состояние и насосом снова подается в котел на прогрев.

Примечание. В лучшем случае КПД паровой турбины достигает 60%, а всей системы – не более 47%. Значительная часть энергии топлива уходит с теплопотерями и расходуется на преодоления силы трения при вращении валов.

конструкция парового агрегата

Ниже на функциональной схеме показан принцип работы паровой турбины совместно с котельной установкой, электрическим генератором и прочими элементами системы:

принцип работы конденсационной турбины

Чтобы не допускать снижения эффективности работы, на валу ротора располагается максимальное расчетное число лопаток. При этом между ними и корпусом статора обеспечивается наименьший зазор посредством специальных уплотнений. Простыми словами, чтобы пар «не крутился вхолостую» внутри корпуса, все зазоры минимизируются. Лопатка сконструирована таким образом, чтобы расширение пара продолжалось не только на выходе из сопла, но и в ее углублении. Как это происходит, отражает рабочая схема паровой турбины:

устройство агрегата

Следует отметить, что рабочее тело, чье давление после попадания на лопатки снижается, после рабочего цикла в первом блоке не сразу попадает в конденсатор. Ведь оно еще располагает достаточным запасом тепловой энергии, а потому по трубопроводам пар отправляется во второй блок низкого давления, где снова воздействует на вал посредством лопаток другой конструкции. Как показано на рисунке, устройство паровой турбины может предусматривать несколько таких блоков:

вид паровой установки

1 – подача перегретого пара; 2 – рабочее пространство блока; 3 – ротор с лопатками; 4 – вал; 5 – выход отработанного пара в конденсатор.

Для справки. Скорость вращения ротора генератора может достигать 30 000 об/мин, а мощность паровой турбины – до 1500 МВт.

Как сделать паровую турбину в домашних условиях?

Множество интернет-ресурсов публикует алгоритм, согласно которому в домашних условиях и с применением небольшого количества инструментов изготавливается мини паровая турбина из консервной банки. Помимо самой банки понадобится алюминиевая проволока, небольшой кусочек жести для вырезания полоски и крыльчатки, а также элементы крепежа.

миниатюрный паровой агрегат

В крышке банки делают 2 отверстия и впаивают в одно кусочек трубки. Из куска жести вырезают крыльчатку турбины, прикрепляют ее к полосе, согнутой в виде буквы П. Затем полосу прикручивают ко второму отверстию, расположив крыльчатку таким образом, чтобы лопасти находились напротив трубки. Все технологические отверстия, сделанные во время работы, тоже запаивают. Изделие нужно установить на подставку из проволоки, заполнить водой из шприца, а снизу разжечь сухое горючее. Импровизированный ротор паровой турбины начнет вращаться от струи пара, вырывающегося из трубки.

установка, сделанная своими руками

Понятно, что такая конструкция может служить лишь прототипом, игрушкой, поскольку данная паровая турбина, сделанная своими руками, не может использоваться с какой-то целью. Слишком мала мощность, а о каком-то КПД и речи не идет. Разве что можно показывать на ее примере принцип действия теплового двигателя.

Мини-генератор электроэнергии можно реально изготовить из старого металлического чайника. Для этого, кроме самого чайника, потребуется медная или нержавеющая трубка с тонкими стенками, кулер от компьютера и небольшой кусочек листового алюминия. Из последнего вырезается круглая крыльчатка с лопатками, из которой будет сделана паровая турбина малой мощности.

мини-генератор электроэнергии

С кулера снимается электродвигатель и устанавливается на одной оси с крыльчаткой. Получившееся устройство монтируется в круглом корпусе из алюминия, по размерам он должен подойти вместо крышки чайника. В днище последнего делается отверстие, куда впаивается трубка, а снаружи из нее выполняется змеевик. Как видите, конструкция паровой турбины очень близка к реальности, поскольку змеевик играет роль пароперегревателя. Второй конец трубки, как нетрудно догадаться, подводится к импровизированным лопаткам крыльчатки.

самодельная паровой генератор

Примечание. Самая сложная и трудоемкая часть устройства – это как раз змеевик. Изготовить его из медной трубки легче, чем из нержавейки, но она долго не прослужит. От контакта с открытым огнем медный перегреватель быстро прогорит, поэтому лучше сделать его своими руками из нержавеющей трубки.

Применение паровой турбины

Налив в чайник воды и поставив его на включенный газ, можно убедиться, что при закипании энергии выходящего из трубки пара достаточно, чтобы на выходе электродвигателя появилась ЭДС. Для этого к нему стоит подключить светодиодный фонарик. Помимо питания для электрических лампочек, возможно и другое применение паровой турбины, например, для зарядки аккумулятора сотового телефона.

турбинированный чайник с электрогенератором

В условиях квартиры или частного дома подобная мини-электростанция может показаться простой игрушкой. А вот оказавшись в походе и взяв с собой турбированный чайник с электрогенератором, вы сможете оценить по достоинству его функциональность. Возможно, в процессе вам удастся найти еще какое-нибудь назначение турбины. Больше информации об изготовлении походного генератора из чайника можно узнать, посмотрев видео:

Заключение

К сожалению, конструктивно паровые машины достаточно сложны и сделать дома турбину, чья мощность достигала хотя бы 500 Вт, весьма затруднительно. Если стремиться к тому, чтоб соблюдалась схема работы турбины, то затраты на комплектующие и потраченное время будут неоправданными, КПД самодельной установки не превысит 20%. Пожалуй, проще купить готовый дизель-генератор.

Источник: cotlix.com


Leave a Comment

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.