CC BY
11ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА
WIND ENERGY
Статья поступила в редакцию 01.06.13. Ред. рег. № 1660 The article has entered in publishing office 01.06.13. Ed. reg. No. 1660
УДК 621.548+621.438
ГАЗО-ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА 1В.В. Бирюк, 2Ю.И. Цыбизов, 3Л.П. Шелудько, 4Р.А. Серебряков
1 Самарский государственный аэрокосмический университет, Россия 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34, Тел. (846) 267-45-66, e-mail: teplotex_ssau@bk.ru
2 Самарский научно-технический комплекс им. Н.Д. Кузнецова Россия, Самара, улица Сергея Лазо, 2А Тел.: +7 (846) 950-70-05, E-mail: sntk@samtel.ru
3 Самарский государственный технический университет 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244 Тел.: +7 (846) 278-44-00, Е-mail: rector@samgtu.ru
4 Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) 109456, Москва, 1-й Вешняковский проезд, 2, ВИЭСХ. Тел.: (499)171-19-20, факс: (499) 170-51-01, e-mail: viesh@dol.ru, www.viesh.ru
Заключение совета рецензентов 03.06.13 Заключение совета экспертов 05.06.13 Принято к публикации 06.06.13
В статье предложен принцип работы и конструктивное решение вихревой газо-ветроэнергетической установки для выработки электроэнергии за счет использования отходящего потока газов от газоперекачивающих агрегатов и кинетической энергии ветра.
Ключевые слова: газоперекачивающий агрегат, потери электроэнергии, газотурбинные энергоагрегаты, энергия ветра, вихревая ветроэнергетическая установка, отработавшие газы, комбинированный газо-ветро электроагрегат.
GAS-WIND TURBINE 1V.V. Birjuk, 2Yu.I. Tsibizov, 3L.P. Chelydko, 4R.A. Serebyakov
1 Samara State Aerospace University, 443086 Russia, Samara, Moscow highway, 34, tel. (846) 267-45-66, e-mail: teplotex_ssau@bk.ru
2 N.D. Kuznetsov Samara Scientific and Technical Complex Russia, Samara, Sergey Lazo St., 2A Теl.: +7 (846) 950-70-05, e-mail: sntk@samtel.ru
3 Samara state technical University 443100, Russia, Samara, Molodogvardeiskaya St., 244 +7 (846) 278-44-00, e-mail: rector@samgtu.ru
4 All-Russian Scientific Research Institute for Electrification of Agriculture (VIESH) VIESH, 1st Veshnyakovsky pr., 2, Moscow, 109456, Russia tel. 171-19-20; e-mail: viesh@dol.ru, www.viesh.ru
Referred 03.06.13 Expertise 05.06.13 Accepted 06.06.13
In this paper the principle and design solution and vortex gas-wind turbine to generate electricity through the use of the effluent gas from the gas compressor units and the kinetic energy of the wind.
Keywords: gas compressor unit, loss of electricity, gas-turbine power units, wind energy, whirling wind power plant, exhaust, combined gas-electric generation wind.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 07 (129) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
Владимир Васильевич Бирюк
Юрий Ильич Цыбиз( >в
Леонид Павлович Шелудько
Сведения об авторе: Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет), доктор технических наук, профессор кафедры «Теплотехники и тепловых двигателей».
Область научных интересов: термодинамические процессы, энергосбережение, возобновляемые источники энергии. Публикации: 311.
Сведения об авторе: инженерный центр ОАО «Кузнецов» г. Самара, доктор технических наук, начальник отдела.
Область научных интересов: газовая динамика сверхзвуковых течений в каналах и соплах, вопросы горения и теплопередачи, экология. Публикации: 186.
Сведения об авторе: Самарский государственный технический университет, кандидат технических наук, доцент.
Область научных интересов: тепломассообмен, термодинамика. Публикации: 42.
Сведения об авторе: Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства, кандидат технических наук. Область научных интересов: вихревая энергетика, возобновляемые источники энергии.
Публикации: 196.
Рудольф Анатольевич Серебряков
Для обеспечения собственных электрических нужд каждой из сотен компрессорных станций (КС) страны, оснащенных газоперекачивающими агрегатами (ГПА), затрачивается около 1,5-2,5 МВт электрической мощности. Электроснабжение КС производится от высоковольтных линий электропередач (ЛЭП), удаленных от них на десятки и даже сотни километров. При этом потери при транспорте и трансформации централизованно поставляемой электроэнергии обычно составляют от 10 до 15% от электроэнергии, потребляемой на собственные нужды КС, и достигают в стране значительных величин. Для повышения надежности и возможности обеспечения аварийного электроснабжения на всех КС установлены специальные аварийно-резервные газотурбинные энергоагрегаты [1]. В условиях непрерывного роста цен на централизованно поставляемую электроэнергию и повышения себестоимости транспорта газа целесообразно стремиться к сокращению или даже к ликвидации зависимости КС от поставок внешней дорогой электроэнергии. При
этом одно из возможных направлений - оснащение газотурбинных КС высокоэкономичными газотурбинными или парогазовыми
энергоустановками собственных нужд с отказом от низкоэкономичных аварийных энергоустановок. Но этот путь потребует больших капитальных затрат.
Второй путь - выработка электроэнергии для обеспечения собственных нужд КС с использованием энергии ветра. Но большинство из лопастных ветрогенераторов, установленных на башнях высотой 30-40 м с длиной лопаток ветроколеса 4-5 м и горизонтальной осью, развивают мощность порядка 800-1000 кВт при средней скорости ветра в 5-7 м/с. Удельные капвложения в эти ветрогенераторные установки находятся на уровне 1200-1400 $/кВт. Высокая стоимость и возможность получения требуемой мощности только в районах с высокими ветровыми нагрузками определяют их малую эффективность для обеспечения собственных нужд КС.
Значительно меньшую стоимость имеют вихревые ветроэнергетические установки [2]. В их
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 07 (129) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
В.В. Бирюк, Ю.И. Цыбизов, Л.П. Шелудько, Р.А. Серебряков ГАЗО-ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
гиперболическом корпусе (статоре) происходит образование закрученного воздушного потока, подобного природному смерчу, обладающего значительным запасом кинетической энергии. В приосевой центральной области вихря, сформированного в статоре, давление понижено относительно внешнего атмосферного давления. Благодаря этому в восходящий смерчеобразный столб всасывается дополнительная масса воздушного потока. В ветроколесе этой ветрогенераторной установки, имеющей вертикально расположенную ось, кинетическая энергия воздушного потока преобразуется в механическую работу, используемую для выработки электроэнергии. Вихревые установки при значительно меньшей скорости ветра (2-3 м/с) и одинаковых площадях, ометаемых ветроколесом, могут развивать примерно в пять раз большую мощность, чем лопастные ветроэнергетические установки с горизонтальной осью.
Из сбросных труб газоперекачивающих агрегатов компрессорных станций ежесекундно
выбрасываются в атмосферу миллионы килограмм отработавших газов со скоростями порядка двадцати метров в секунду и с температурой до четырехсот градусов Цельсия.
Вместе с тем, кинетическая энергия уходящих газов ГПА сравнительно невелика и практически не позволяет напрямую использовать их значительный энергетический потенциал для выработки электроэнергии и обеспечения собственных нужд КС. При увеличении скорости и кинетической энергии уходящих газов произойдет повышение сопротивления выхлопного тракта и снижение эффективного КПД газоперекачивающих агрегатов. Поэтому представляет интерес создание энергетических установок для собственных нужд КС путем разработки новых типов комбинированных газо-ветро электроагрегатов вихревого типа с вертикальной осью и возможностью эффективного использования в них энергетического потенциала потоков отходящих газов ГПА и кинетической энергии набегающего потока ветра.
В зависимости от расхода и температуры выхлопных газов газовых турбин ГПА электрическая мощность газо-ветроэнергетических установок даже в безветренную погоду может составлять от 80 до 200 кВт. Причем с увеличением скорости ветра в них происходит повышение вихревого эффекта и, соответственно, мощности установки.
На рис. 1 изображена принципиальная схема движения в вихревой газо-ветроэнергетической установке потоков отходящих газов ГПА и атмосферного воздуха. Установка этого типа снабжается входным завихрителем воздушного потока, вызывающим его вихревое движение с увеличением тангенциальной скорости, созданием разрежения в осевой части вихря и ускорением движения сбросного потока газов ГПА.
Предварительно подкрученный поток газов, выходящий из выхлопной трубы ГПА, поступает в центральную часть цилиндрического статора установки и смешивается с воздушным потоком, ускоряясь вместе с ним [3].
За счет того, что в осевой части статора газоветроэнергетической установки развивается небольшое разрежение относительно атмосферного давления, в выходном тракте установки не будет происходить увеличения газодинамического сопротивления выхлопного тракта, снижения эффективного КПД газовой турбины или уменьшения мощности ГПА.
Сг
Рис. 1. Схема газо-воздушных потоков в статоре установки: СВ , СГ - скорости воздушного и газового потоков на входе в
газо-ветроустановку; С - абсолютная скорость газовоздушного потока у стенок статора; С7, Сг, Сф - проекции скорости С на оси координат; ш и z - тангенциальная и осевая скорости газо-воздушного потока
Fig. 1. Scheme of air-gas flow in the facility stator: Св, Сг - velocity of air and gas flow on the inlet of gas-wind turbine, С - absolute velocity of the gas-air flow at the walls of the stator, Cz, Cr, Сф - velocity projection С on the coordinate axes; w and z - tangential and axial velocity of the gas-air flow
Если на периферии гиперболического статора преобладает тангенциальная составляющая скорости закрученного газовоздушного потока, то в его центральной части происходит значительное увеличение осевой скорости потока.
Важно, что при увеличении скорости ветра в газо-ветроэнергетической установке возрастает вихревой эффект, сопровождающийся увеличением скорости и расходом газо-воздушной смеси, и вызывающий повышение ее мощности.
Конструктивная схема газо-ветроэнергетической установки приведена на рис. 2. Корпус установки имеет гиперболическую форму и установлен с воздушным зазором над выхлопной трубой ГПА.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 07 (129) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
Рис. 2. Принципиальная схема газо-ветроэнергетической
установки ГПА: 1 - выхлопная труба ГПА; 2 -криволинейные воздушные каналы; 3 - гиперболический статор; 4 - направляющий аппарат; 5 - электрогенератор; б - лопатки осевой турбины; 7 - труба Вентури; S - флюгер
Fig. 2. Block diagram of gas-wind power plant GPA: 1 - exhaust
pipe, 2 - curved air channels, 3 - hyperbolic stator, 4 - guide vanes, 5 - electric generator, б - axial turbine blades, 7 - Venturi tube, S - weathercock
Воздушный ветровой поток с помощью криволинейных направляющих лопаток 2 завихривается с увеличением его тангенциальной скорости и поступает в гиперболический статор установки 3, где смешивается с предварительно закрученными газами, выходящими из выхлопной трубы 1 ГПА. Ускоренный в гиперболическом корпусе установки газовоздушный поток с помощью направляющего аппарата 4 подается на лопатки осевой турбины б, приводящей во вращение электрогенератор 5. Над выходной частью статора З на подшипниках установлена труба Вентури, создающая дополнительное разрежение в верхней части корпуса установки. С помощью направляющей пластины S (флюгера) труба Вентури устанавливается по направлению ветра и способствует увеличению мощности осевой турбины б и электрогенератора 5.
Выводы
Рассмотренный принцип и конструктивная схема газо-ветроэнергетической установки дают
возможность достаточно эффективно использовать
для выработки электроэнергии энергию отходящего потока газов ГПА и кинетическую энергию набегающего воздушного потока.
При этом для нее характерны следующие положительные качества:
- увеличение скорости и кинетической энергии газо-воздушного потока;
- увеличение массового расхода через осевую турбину;
- разбавление горячих выхлопных газов ГПА потоком воздуха, снижение температуры газовоздушной смеси и уменьшения в них концентрации вредных веществ, что позволяет уменьшить высоту выхлопных труб ГПА;
- в результате применения трубы Вентури, в выхлопной трубе ГПА создается небольшое разрежение, приводящее к уменьшению гидравлических потерь в выходном тракте и к повышению эффективного КПД газовой турбины при той же мощности ГПА;
- главный положительный фактор - за счет обеспечения автономного электроснабжения собственных нужд повысится надежность работы КС магистральных газопроводов;
- в случае установки на ГПА газоветроэнергетических агрегатов и сохранения централизованного электроснабжения существенно снизятся затраты на покупку электроэнергии у внешних поставщиков, или появится возможность сокращения потребления топливного газа аварийно-резервными газотурбинными энергоагрегатами.
Принципиально, газо-ветроэнергетическими установками такого типа может быть оборудована значительная часть ГПА КС, находящихся на больших расстояниях от электростанций и транзитных высоковольтных ЛЭП.
Список литературы
1. Гриценко Е.А., Данильченко В.П., Лукачев С.В., Резник В.Е., Цыбизов Ю.И. Конвертирование авиационных ГТД и газотурбинные установки наземного применения. Самара: СПЦ РАН, 2004. 266 с.: ил.
2. Бирюк В.В. Вихревые энергетические системы для транспорта. Самара: Известия СПЦ РАН «Перспективы и направления развития транспортной системы», 2007. С. 167-171.
3. Серебряков Р.А., Бирюк В.В. Вихревая ветроэнергетическая установка // Сборник Ракетно-космическая техника, сер. XII. Самара, 2000. С. 4873.
22
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 07 (129) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
1SJAI
