CC BY
140
УДК 620.91
DOI: 10.14529/power160307
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ В СОСТАВЕ СОЛНЕЧНОЙ ОПРЕСНИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
И.М. Кирпичникова, И.Р. Рахматулин
Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск
Рассматривается возможность повышения энергоэффективности солнечных опреснительных установок за счет внедрения промежуточной секции из паровой турбины и генератора электрической энергии. Представлен разработанный экспериментальный стенд, имитирующий работу энергоэффективного комплекса очистки воды и выработки электрической энергии для различных времен года. Приведены и проанализированы результаты экспериментальных исследований, выводы и рекомендации по увеличению производительности и использованию солнечных опреснительных установок с паровыми турбинами.
Ключевые слова: энергоэффективный комплекс, солнечная опреснительная установка, паровая турбина, солнечные коллекторы.
Введение
При использовании солнечной энергии в процессах опреснения воды имеет место вопрос нецелесообразного использования энергии пара при изменении его агрегатного состояния, то есть при переходе из парообразного состояния в жидкое [1-7]. В связи с этим для увеличения энергоэффективности установок принято решение применить пар в процессах получения электрической энергии за счет внедрения промежуточной секции в опреснительной установке. Секция состоит из паровой турбины и генератора, где образовавшийся от нагрева опресняемой жидкости пар при расширении передаст свою кинетическую энергию в механическую энергию вращения турбины.
Экспериментальные исследования процессов получения электрической энергии и очищенной воды в составе одного энергоэффективного комплекса проводятся впервые.
Структурная схема использования паровой турбины в составе солнечной опреснительной установки приведена на рис. 1.
Целесообразность использования генератора оправдана при суммарной тепловой мощности
солнечных коллекторов от 3 кВт. Общий вид комплекса представлен на рис. 2.
Теоретический расчет производительности комплекса показал целесообразность использования паровой турбины в составе солнечной опреснительной установки [8-12].
Работа комплекса определяется следующими зависимостями:
Gn = fH, n, Р° - 1); D = fn - 1); l = - 1, D - 1), при N = const, (1)
где N - мощность энергоустановки, кВт; Gu - расход пара на турбину, кг/с; H - располагаемый теп-лоперепад в микротурбине, кДж/кг; n - КПД энергоустановки; p° - давление перед турбиной, МПа; D - диаметр рабочего колеса, м; l - высота рабочей лопатки, м; рк - давление на выходе из турбины, МПа; t° - температура на входе в турбину, °С.
Для подтверждения теоретических расчетов и проверки адекватности работы комплекса разработан стенд (рис. 3) и проведены экспериментальные исследования с имитацией работы комплекса в течение нескольких летних месяцев.
Исследования и расчеты процессов парообразования в составе солнечной опреснительной
Рис. 1. Структурная схема использования паровой турбины в составе солнечной опреснительной установки
Альтернативные источники энергии
Рис. 2. Схема выработки электрической энергии в солнечной опреснительной установке: 1 - парогенератор, 2 - турбина с генератором, 3 - конденсатор, 4 - трубопровод подачи очищенной воды, 5 - теплоноситель,
6 - солнечные коллекторы
Рис. 3. Экспериментальный стенд выработки электрической энергии за счет использования солнечной энергии: 1 - солнечные коллекторы, 2 - опреснитель, 3 - циркуляционный насос, 4 - тепловая турбина и генератор, 5 - теплообменник
установки проводились ранее и их результаты приведены в статье [13-15]. Закономерности, полученные в результате этих испытаний, позволяют рассчитать объемы полученного пара, и тем самым заменить солнечные коллекторы электрическим нагревателем ТЭК-2 мощностью 6 кВт, что равноценно 40 трубкам вакуумного коллектора [16].
Принцип действия стенда заключается в том, что электрический нагреватель, имитируя работу солнечных коллекторов 1 и теплообменника 5, нагревает теплоноситель, который через насос 3 циркулирует через опреснитель 2, откуда образовавшийся пар попадает в паровую турбину 4, на валу которой установлен генератор.
Секция для выработки электрической энергии состоит из радиальной одноступенчатой турбины, установленной непосредственно на вал генератора мощностью 150 Вт (рис. 4).
КПД турбины в дальнейшем планируется увеличить на 25 % за счет модернизации установки, использования более плотных концевых уплотнителей и увеличения количества сопла для равномерного распыления пара внутри турбины.
а) б)
Рис. 4. Радиальная одноступенчатая турбина (а) и сопло (б)
Bulletin of the South Ural State University. Ser. Power Engineering.
2016, vol. 16, no. 3, pp. 57-61
Кирпичникова И.М., Рахматулин И.Р.
Использование паровой турбины в составе солнечной опреснительной установки
Рис. 5. Графики зависимости выработки электрической энергии (1) и объем полученной очищенной воды (2) в летние месяцы использования комплекса
На рис. 5 показан график зависимости выработки электрической энергии в течение дня, невысокая производительность комплекса объясняется низким КПД генератора - 50 %.
Таким образом, использование паровой турбины в составе солнечной опреснительной установки позволит увеличить эффективность комплекса, сделать его полностью автономным. Электрическую энергию, вырабатываемую комплексом, в зависимости от мощности комплекса, можно использовать как для питания собственных нужд станции (насосы, система управления), так и подачи электроэнергии в сеть.
Использование паровой турбины в составе солнечной опреснительной установки экономически целесообразно при использовании от 40 трубок вакуумных солнечных коллекторов и с поступлением солнечной радиации от 1000 кВт-ч/м2 в год.
Заключение
Полученные результаты позволяют сделать вывод о возможности увеличения выходной мощности комплекса за счет увеличения трубок солнечных коллекторов и увеличения КПД генератора и турбины на 20 % с учетом снижения тепловых потерь при передаче энергии от коллекторов до турбины. Вследствие этого становится возможной разработка энергоэффективного комплекса для обеспечения электрической энергией в 3 кВт-ч и питьевой водой в объеме 40 л в сутки загородного дома при использовании 27 модулей вакуумных коллекторов фирмы Rucelf.
Литература
1. Кирпичникова, И.М. Опреснение воды с использованием энергии ветра и солнца / И.М. Кирпичникова // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия «Энергетика». -2012. - № 16 (275). - С. 22-25.
2. Агамалиев, М.М. Технология комбинирован-
ного опреснения морской воды с использованием вторичным энергоресурсов / М.М. Агамалиев // Энергосбережение и водоподготовка. - 2007. -№ 4. - С. 14-16.
3. Солнечное излучение как источник энергии // Георесурсы. - 2006. - № 4. - С. 30.
4. Слесаренко, В.Н. Опреснительные установки / В.Н. Слесаренко - Владивосток.: ДВГМА, 1999. - 244 с.
5. Рахматулин, И.Р. Сравнительный анализ использования солнечного коллектора и солнечного концентратора для опреснения воды / И.Р. Рахматулин // Наука ЮУрГУ: материалы 65-й науч. конф. Секции технических наук: в 2 т. - Челябинск: Издат. центр ЮУрГУ. - 2013. - Т. 2. -С. 190-193.
6. Калнинь, И.М. Физическая модель теплона-сосных опреснителей соленой воды / И.М. Калнинь, А.С. Жернаков, С.Б. Пустовалов // Вестник Международной академии холода. - 2010. - № 2. -С. 12-21.
7. Солнечная энергетика / В.И. Виссарионов, Г.В. Дерюгина, В.А. Кузнецова, Н.К. Малинин // Издательский дом МЭИ, 2008. - 276 с.
8. Теплофикационная паровая турбина Т-125/150-12.8 / А.Е. Валамин, А.Ю. Култышев, А.А. Гольдберг и др. // Теплоэнергетика. - 2014. -№ 12. - С. 3.
9. Теплофикационная паровая турбина Т-113/145-12,4 / Г.Д. Баринберг, А.Е. Валамин, Ю.А. Сахнин и др. // Надежность и безопасность энергетики. - 2010. - № 11. - С. 38-41.
10. Ивановский, А.А. Перспективы строительства ТЭЦ с паровыми турбинами с противодавлением / А.А. Ивановский, А.Ю. Култышев, М.Ю. Степанов // Теплоэнергетика. - 2014. -№ 12. - С. 37.
11. Чепурной, М.Н. Энергетические характеристики газопаровых турбин с ТЭЦ с противо-давленческими паровыми турбинами / М.Н. Че-
Альтернативные источники энергии
пурной, М.В. Бужинский // BicHUK Втницъкого полтехтчного iHcmumymy. — 2009. —№ 2. — С. 51-54.
12. Расчет моментов сил трения в турбогенераторе вертикальной миктротурбины с газодинамическими подшипниками, работающей на традиционной и на сезонной солнечной энергии / Н.Н. Ефимов, Р.В. Безуглов, В.В. Папин, Д.С. Ка-толиченко // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. — 2015. — № 14. — С. 59—64.
13. Рахматулин, И.Р. Экспериментальные исследования влияния устройства слежения на производительность солнечной опреснительной установки / И.Р. Рахматулин // Ползуновский Вестник. — 2013. — № 4. — С. 168—178.
14. Кирпичникова, И.М. Экспериментальные
исследования лабораторного опреснителя воды / И.М. Кирпичникова, И.Р. Рахматулин // Альтернативная энергетика и экология. - 2013. - № 1. -Т. 2 (118). - С. 40-43.
15. Рахматулин, И.Р. Математическая модель солнечной опреснительной установки с устройством слежения за солнцем /И.Р. Рахматулин // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника». - 2014. -Т. 14, № 1. - С. 110-115.
16. Пособие по проектированию и расчету гелиосистем RUCELF. - 32 с. - http://geo-comfort.ru/ images/PDF/Teplovie%20nasosy/Solnishko/проектир ование%20гелиосистем.pdf (дата обращения: 20.03.2016).
Кирпичникова Ирина Михайловна, д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Электротехника и возобновляемые источники энергии», Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск; ionkim@mail.ru.
Рахматулин Ильдар Рафикович, канд. техн. наук, Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск; ildar.o2010@yandex.ru.
Поступила в редакцию 22 июня 2016 г.
DOI: 10.14529/power160307
STEAM TURBINE IN SOLAR DESALINATION PLANT
I.M. Kirpichnikova, ionkim@mail.ru,
I.R. Rakhmatulin, ildar.o2010@yandex.ru
South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation
The article discusses the possibility of using a steam turbine as a part of the solar desalination plant, the results of experimental research, conclusions and recommendations.
Keywords: energy-efficient complex, solar desalination plant, steam turbine, solar collectors.
References
1. Kirpichnikova I.M. [Desalination Using Wind and Solar Energy]. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Power Engineering, 2012, no. 16 (275), pp. 22-25. (in Russ.)
2. Agamaliev M.M. [Technology of Combined Desalination of Sea Water Using a Secondary Energy]. Ener-gosberezhenie i vodopodgotovka [Energy Saving and Water Treatment], 2007, no. 4, pp. 14-16. (in Russ.)
3. [Solar Radiation as an Energy Source]. Georesursy [Georesources], 2006, no. 4, pp. 30. (in Russ.)
4. Slesarenko V.N. Opresnitel'nye ustanovki [Desalination Plants]. Vladivostok, DVGMA, 1999. 244 p.
5. Rakhmatulin I.R. [Comparative Analysis of Use of Solar Concentrator and Desalination]. Nauka YuUrGU: materialy 65-y nauchnoy konferentsii. Sektsii tekhnicheskikh nauk [SUSU Science: Proceedings of the 65th Conference. Section of Technical Sciences]. Chelyabinsk, SUSU Publ., 2013, vol. 2, pp. 190-193. (in Russ.)
6. Kalnin' I.M., Zhernakov A.S., Pustovalov S.B. [Physical Model of Heat Pump Desalination]. Vestnik Mezhdunarodnoy akademii kholoda [Journal of the International Academy of Refrigeration], 2010, no. 2, pp. 12-21. (in Russ.)
Bulletin of the South Ural State University. Ser. Power Engineering.
2016, vol. 16, no. 3, pp. 57-61
Кирпичникова И.М., Рахматулин И.Р.
Использование паровой турбины в составе солнечной опреснительной установки
7. Vissarionov V.I., Deryugina G.V., Kuznetsova V.A., Malinin N.K. Solnechnaya energetika [Solar Power]. MEI Publ., 2008. 276 p.
8. Valamin A.E., Kultyshev A.Yu.,Gol'dberg A.A., Sakhnin A.A. et. al. [T-125 / 150-12.8 Heat and Steam Turbine]. Teploenergetika [Thermal Engineering], 2014, no. 12, pp. 3. (in Russ.)
9. Barinberg G.D., Valamin A.E., Sakhnin Yu.A., Ivanovskiy A.A. et. al. [T-113/145-12,4 Heat and Steam Turbine]. Nadezhnost' i bezopasnost' energetiki [Reliability and Safety of Energetics], 2010, no. 11, pp. 38-41. (in Russ.)
10. Ivanovskiy A.A., Kultyshev A.Yu., Stepanov M.Yu. [Prospects for Construction of Thermal Power Station with Backpressure Steam Turbine]. Teploenergetika [Thermal Engineering], 2014, no. 12, pp. 37. (in Russ.)
11. Chepurnoy M.N., Buzhinskiy M.V. [Energy Characteristics of Gas-steam Turbines of Thermoelectric Plant with Backpressure Steam Turbines]. Visnik Vinnic'kogopolitehnichnogo institutu, 2009, no. 2, pp. 51-54.
12. EfimovN.N., Bezuglov R.V., Papin V.V., Katolichenko D.S. [Calculation of Friction Torque in Vertical Micro-turbine Generator with Gas-dynamic Bearings Using Conventional and Seasonal Solar Energy] Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Severo-Kavkazskiy region. Seriya: Tekhnicheskie nauki [Proceedings of Higher Educational Institutions. North-Caucasian region. Series: Engineering], 2015, no. 14, pp. 59-64. (in Russ)
13. Rakhmatulin I.R. [Experimental Studies of Tracking Devices Affecting Performance of Solar Desalination Plant]. Polzunovskiy Vestnik, 2013, no. 4, pp. 168-178. (in Russ)
14. Kirpichnikova I.M., RakhmatulinI.R. [Experimental Studies of Laboratory Water Distiller]. Al'ternativnaja jenergetika i jekologija [Alternative Energy and Ecology], 2013, no. 1, vol. 2 (118), pp. 40 - 43. (in Russ)
15. Rakhmatulin I.R. [Mathematical Model of Solar Desalination Plant with Sun Tracking Device]. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Computer Technology, Management, Electronic, 2014, vol. 14, no. 1, pp. 110-115. (in Russ)
16. Posobie po proektirovaniyu i raschetu geliosistem RUCELF [Manual for Designing and Calculating RUSELF Solar Systems], 32 p. Available at: http://geo-comfort.ru/images/PDF/Teplovie%20nasosy/Solnishko/ nроектироeaние%20геmосистем.pdf (accessed 20.03.2016)
Received 22 June 2016
ОБРАЗЕЦ ЦИТИРОВАНИЯ
FOR CITATION
Кирпичникова, И.М. Использование паровой турбины в составе солнечной опреснительной установки / И.М. Кирпичникова, И.Р. Рахматулин // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». - 2016. - Т. 16, № 3. - С. 57-61. DOI: 10.14529/power160307
Kirpichnikova I.M., Rakhmatulin I.R. Steam Turbine in Solar Desalination Plant. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Power Engineering, 2016, vol. 16, no. 3, pp. 57-61. (in Russ.) DOI: 10.14529/power160307
