CC BY
1
УДК 621.165
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-1-544-545
ГИДРОПАРОВАЯ ТУРБИНА НА ГЕОТЕРМАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
О. О. Мильман, А. А. Любин, В. Б. Перов, Б. А. Шифрин, Л. А. Кузина, Л. Н. Сережкин, П.Ю.Днепровская
В цикле геотермальных электростанций (ГеоЭС) имеется низкопотенциальный источник энергии в виде сепарата термальной воды в системе подготовки пара, доля которого может составлять 70-90% от общего расхода продуктивных скважин. Реактивная гидропаровая турбина (СПГ) - простой и дешевый способ использования этой энергии. Приведена принципиальная схема включения ГПТ в цикл ГеоЭс, предполагающая отвод отработавшего пара ГПТ в конденсатор основной турбины. Даны технические характеристики ГПТ мощностью 150 кВт и размеры рабочих сопл для такой установки. Компоновка оборудования ГПТ обеспечивает возможность изготовления транспортабельных блоков полной заводской готовности. Благодаря простоте конструкции установка ГПТ мощностью 150 кВт вполне экономически оправдана, обеспечивая простой срок окупаемости до 4 лет.
Ключевые слова: реактивная гидропаровая турбина, пар, вода, сепарат, генератор, двигатель, вскипание.
В цикле геотермальной электростанции (ГеоЭС) в качестве сопутствующего низкопотенциального источника энергии присутствует сепарат, образовавшийся в системе подготовки пара для турбоустановок. В зависимости от энтальпии воды термальной скважины h и параметров пара на входе турбины доля сепарата колеблется, как это показано на рис. 1, но в целом довольна велика.
от температуры пара на входе в турбину
В настоящее время рассматривается ряд проектов использования тепла сепарата, прежде всего - это установки на базе органического цикла Ренкина, энергетическая эффективность (КПД) которых колеблется в диапазоне 10 - 12% при достаточно больших капиталовложениях.
Одним из возможных направлений использования тепла сепарата является реактивная гидропаровая турбина (ГПТ) на базе Сегнерова колеса. Вода высокой температуры (110-150°С) подводится к соплам Лаваля (см. рис. 2), вскипает, образовавшийся пар в расширяющейся части сопла разгоняет пароводяную смесь, создавая реактивную силу F, которая приводит во вращение ротор турбины и далее генератора, производя электроэнергию.
Электротехнические комплексы и системы
Т
Термодинамическая Т^ диаграмма гидропаровой турбины приведена на рис. 3 в сравнении с классической паровой турбиной.
Рис. 3. Термодинамические процессы гидропаровой турбины и цикла Ренкина
Для ГПТ цикл состоит из нагрева 1-2, расширения в соплах турбины (2-3) с образованием пароводяной смеси (ПВС) и конденсации выделившегося пара (3-1); для цикла Ренкина 1-2-3-4 - нагрев, испарение и перегрев рабочего тела в парогенераторе, 4-5 - расширение в соплах турбины, 5-1 - конденсация отработавшего пара. Таким образом, гидропаровая турбина работает на пароводяной смеси, но в ней нет лопаточного аппарата, подверженного износу.
Принципиальная схема включения ГПТ в цикл ГеоЭС приведена на рис. 4 в привязке к Верхнемутновской ГеоЭС [1-5].
Пароводяная смесь от продуктивной скважины (или несколько скважин) поступает в систему подготовки пара 4, разделяется на пар и сепарат. Пар подается на паротурбинный агрегат ГеоЭС 3 и вырабатывает электроэнергию. Сепарат из системы подготовки пара частично (или полностью) подается на гидропаровую турбину 1, также вырабатывает свою долю электроэнергии. Отработавшая пароводяная смесь в сепараторе 2 и ГПТ разделяется на пар и воду. Пар подмешивается к основному потоку выхлопа паротурбинного агрегата 2 и конденсируется в воздушном конденсаторе 5 [8]. Отработавшая вода и пар из сепаратора 2 подается насосом 6 в скважину реинжекции.
Технические характеристики гидропаровой турбины мощностью 150 кВт приведены в таблице на параметры сепарата, близкие Верхне-Мутновской ГеоЭС.
Рис. 4. Принципиальная схема включения ГПТ-150 в цикл ГеоЭС 1 — реактивная турбина ГПТ-150, 2 — конденсатосборник-сепаратор,
3 — основная турбина ГеоЭС, 4 — система подготовки пара, 5 — воздушный конденсатор, 6 — конденсатный насос, К1 — К5, Кс-1, Кс — запорно-регулирующая арматура, р, * — точка измерения давления
и температуры
Технические характеристики ГПТ-150
Расход геотермального сепарата, кг/с 20,5
Температура сепарата, °С 146
Давление сепарата, МПа (не менее) 0.43
Давление в конденсаторе, кПа 12
Число оборотов ротора, 1/мин 3000
Мощность на клеммах генератора, кВт 168
Собственные нужды ГПТ (насосы, потери), кВт 18
Мощность на отпуск, кВт 150
Конструкторское исполнение ГПТ-150 показано на рис. 5. Рабочее колесо консольного типа с 8 соплами опирается на две группы шариковых подшипников. Рабочая
546
вода подводится к центру колеса и по радиальным каналам проходит к соплам Лаваля. Проходя через горло сопла, вода вскипает, пароводяная смесь ускоряется под влиянием выделившегося пара и создает реактивную силу, вращающую ротор [6-7].
Рис. 5. Конструкция турбинной части ГПТ-150: а — общий вид, 1 — корпус; 2 — крышка корпуса; 3 — ротор; 4 — полумуфта; 5 - рабочее сопло; 6 — фланец
сепаратора; б — рабочее сопло
ззии
1= / Л и й ^ / \ 1 ■ ЦЙЕЕ - г—а~ 2
\ I г, 5 £ ы 1 1 Мг- I'1 1 ■л—
4 Л 3 о о Г-
- - ^А1! \ № гп
1 V. / у ^ |Ц|
Рис. 6 Компоновка оборудования гидропаровой турбинной установки ГПТ-150 1 — гидропаровая турбина, 2 — двигатель-генератор АИР 315М2, 3 — насос конденсатный КС 50-55, 4 — конденсатосборник-сепаратор
547
Компоновка установки ГПТ-150 приведена на рис. 6. На опорной конструкции смонтирована рама с корпусом и ротором турбины 1 и двигателем-генератором 2 мощностью 200 кВт. Выхлопной патрубок корпуса турбины соединен с сепаратором 4, который соединен двумя трубопроводами Ду 600 с воздушным конденсатором основной турбины. Сепарат, отделившийся от пара, откачивается насосом 3 в скважину реинжек-ции. В условиях поставки установка разделяется на 2 транспортабельных блока полной заводской готовности.
Вертикальные габариты установки определяются необходимостью обеспечить безкавитационную работу конденсатного насоса.
Выполнен эскизный проект установки в привязке к параметрам Верхнемутнов-ской ГеоЭС с турбоустановками «Туман-4».
Заключение. Технико-экономические характеристики ГПТ-150 определяются с одной стороны невысокой технической эффективностью, которая с другой стороны компенсируется простотой конструкции и низкой стоимостью ее производства и эксплуатации. Так при стоимости блока ГПТ-150 на уровне 8 млн. руб., продолжительности эксплуатации 6000 час/год и продажной стоимости 1 кВтчас на уровне 4,6 руб./кВтч, экономический эффект составит около 4 млн. руб./год, а простой срок окупаемости не превысит 3 года, что для энергетики совсем не плохо.
В статье использованы результаты, достигнутые при выполнении НИОКТР с использованием мер государственной поддержки развития кооперации российских образовательных организаций высшего образования, государственных научных учреждений и организаций реального сектора экономики, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства, предусмотренных постановлением Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 г. № 218.
Соглашение с Минобрнауки РФ № 075-11-2022-031 от 07.04.2022 г. по теме: «Создание высокотехнологичного производства реактивных гидропаровых турбин для возобновляемых источников энергии и в схемах когенерации на отопительных котельных». НИОКТР выполняются в организации Головного исполнителя - ФГБОУ ВО «Калужский государственный университет им. К.Э. Циолковского».
Список литературы
1. Федоров В.А., Мильман О.О., Лавров В.А., Герасимов А.В., Демочкин В.А., Сережкин Н. И. Воздушно конденсационные установки для геотермальных электростанций // Международная научно-технич. конференция «Современные проблемы нетрадиционной энергетики» (Тезисы докладов). С.Петербург. 1994. С. 124-125.
2. Федоров В.А., Мильман О.О. Системы подготовки пара для геотермальных электростанций // Международная научно-технич. конференция «Современные проблемы нетрадиционной энергетики» (Тезисы докладов) С.Петербург. 1994. С. 128-129.
3. Федоров В.А., Мильман О.О., Дельнов Ю.А., Гольдберг Е.М. Система подготовки пара для геотермальных электростанций // Энергетическое строительство.1995. № 6. С. 62-65.
4. Мильман О.О., Голдин А.С. Экспериментальное исследование расширяющихся сопл, работающих на сильно недогретой воде // Теплоэнергетика. 2003. № 3. С. 70-73.
5. Федоров В.А. , Мильман О.О., Брусницын Н.А. Гидропаровая турбинная установка. Патент РФ № 2184244. Приоритет от 11.09.2000.
6. Мильман О.О., Дахнович А.А., Голдин А.С., Федоров В.А. Экспериментальное исследование течения перегретой жидкости в соплах гидропаровой турбины // Труды регионального конкурса науч. проектов в области естественных наук. Калуга. 2003. Вып.4. С. 89-94.
7. Федоров В.А., Мильман О.О., Карышев А.К., Шевелев Д.В., Михеев М.А. Тепловое испытание гидропаровой турбины на отопительной котельной // Теплоэнергетика. 2009. № 4. С. 34-38.
8. Федоров В.А., Мильман О.О., Пискарев-Васильев П.О. Паротурбинная установка для низкопотенциальных источников пара. Патент на изобретение РФ № 2422643. Приоритет от 01.12.2009.
Мильман Олег Ошеревич, д-р техн. наук, профессор, omilmanayandex.ru, Россия, Калуга, Калужский государственный университет им. К.Э. Циолковского,
Любин Алексей Анатольевич, директор, Россия, Петропавлоск-Камчатский, Ф-л ПАО "Камчатскэнерго" Возобновляемая энергетика,
Перов Виктор Борисович, генеральный директор, perov'aturhoconkaluga.ru, Россия, Калуга, ЗАО "Научно-производственное внедренческое предприятие "Турбо-кон ",
Шифрин Борис Аронович, канд. техн. наук, начальник конструкторского бюро термодинамических и газодинамических расчётов, hhshifrina mail.ru, Россия, Калуга, ЗАО "Научно-производственное внедренческое предприятие "Турбокон",
Кузина Любовь Афанасьевна, главный технолог - начальник конструкторского бюро, kuzzinaamail.ru, Россия, Калуга, ЗАО "Научно-производственное внедренческое предприятие "Турбокон ",
Сережкин Леонид Николаевич, канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой, kafl0a tksu.ru, Россия, Калуга, Калужский государственный университет им. К.Э. Циолковского,
Днепровская Полина Юрьевна, аспирант, _polina4429gmail.ru, Россия, Калуга, Калужский государственный университет им. К.Э. Циолковского
HYDRO-STEAM TURBINE AT A GEOTHEEMAL POWER PLANT
O.O. Milman, A.A. Lyuhin, V.B. Perov, B.A. Shifrin, L.A. Kuzina, L.N. Serezhkin,
P.Yu. Dneprovskaya
In the cycle of geothermal power plants (GePP) there is a low-potential source of energy in the form of a thermal water separator in the steam preparation system, the share of which can he 70-90% of the total consumption of productive wells. A jet hydro steam turbine (LNG) is a simple and cheap way to use this energy. A schematic diagram of the inclusion of the GST in the GeoPP cycle, which assumes the removal of the exhaust steam of the GST to the condenser of the main turhine, is given. The technical characteristics of the 150 kW HPT and the dimensions of the working nozzles for such an installation are given. The layout of the GPT equipment provides the possibility of manufacturing transportable hlocks of complete factory readiness. Due to the simplicity of the design, the installation of a 150 kW GST is quite economically justified, providing a simple payback period of up to 4 years.
Key words: reactive hydrosteam turbine, steam, water, separate, generator, engine, boiling up.
Milman Oleg Osherevich, doctor of technical sciences, professor, omilmanayandex.ru, Russia, Kaluga, Kaluga State University named after K.E. Tsiolkovsky,
Lyubin Alexey Anatolyevich, director, Russia, Petropavlovsk-Kamchatsky, Branch of PJSC "Kamchatskenergo" Renewable Energy,
549
Perov Viktor Borisovich, general director, [email protected], Russia, Kaluga, CJSC Scientific and Production Innovation Enterprise Turbocon,
Shifrin Boris Aronovich, candidate of technical sciences, head of the design bureau of thermodynamic and gasdynamic calculations, bshifrin@,mail.ru, Russia, Kaluga, Scientific production company Turbocon,
Kuzina Lyubov Afanasyevna, chief technologist - head of the design bureau, [email protected], Russia, Kaluga, Scientific production company Turbocon,
Leonid Nikolaevich Seryozhkin, candidate of technical sciences, docent, head of the department of physics and mathematics, kaf10@,tksu.ru, Russia, Kaluga, Kaluga State University named after K.E. Tsiolkovsky,
Dneprovskaya Polina Yurievna, postgraduate, [email protected], Russia, Kaluga, Kaluga State University named after K.E. Tsiolkovsky
