Научная статья на тему 'Перспективы применения паровых микротурбин в распределенной энергетике'

Перспективы применения паровых микротурбин в распределенной энергетике Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
661
136
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ВЛАЖНО-ПАРОВЫЕ МИКРОТУРБИНЫ / ГАЗОТУРБИННЫЕ И ГАЗОПОРШНЕВЫЕ УСТАНОВКИ / КОГЕНЕРАЦИЯ / ТРИГЕНЕРАЦИЯ / WET-STEAM MICROTURBINES / GAS TURBINE AND GAS PISTON UNITS / COGENERATION / TRIGENERATION

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Ефимов Николай Николаевич, Скубиенко Сергей Витальевич, Балтян Василий Николаевич, Копица Вадим Валерьевич, Чистяков Александр Евгеньевич

Анализируется возможность и перспективность использования влажно-паровых микротурбин в малой распределенной энергетике. Показано, что в климатических условиях России при осуществлении режимов когенерации и тригенерации в сравнении с газотурбинными или газопоршневыми двигателями наибольшее предпочтение имеют малые паросиловые установки, эффективность которых повышается при использовании оборудования возобновляемых источников энергии.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Ефимов Николай Николаевич, Скубиенко Сергей Витальевич, Балтян Василий Николаевич, Копица Вадим Валерьевич, Чистяков Александр Евгеньевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

OUTLOOKS FOR THE APPLICATION OF STEAM MICROTURBINES IN DISTRIBUTED POWER ENGINEERING

The possibility and prospects of using wet-steam microturbines in small distributed power engineering are analyzed in this paper. It is shown that in the climatic conditions of Russia, in the implementation of cogeneration and trigeneration regimes in comparison with gas turbine or gas piston engines, small-size steam-power plants are most preferred, the efficiency of which increases with the use of renewable energy equipment.

Текст научной работы на тему «Перспективы применения паровых микротурбин в распределенной энергетике»

ЭНЕРГЕТИКА POWER ENGINEERING

УДК 620.92 (67.02) DOI: 10.17213/0321-2653-2018-1-37-44

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПАРОВЫХ МИКРОТУРБИН В РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ

© 2018 г. Н.Н. Ефимов1, С.В. Скубиенко1, В.Н. Балтян1, В.В. Копица1, А.Е. Чистяков2, А.В. Никитина2, С.Н. Чеботарев1, А.Ю. Лагутин1

1Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия,

2ООО СКТБ «Инверсия» г. Ростов-на-Дону, Россия

OUTLOOKS FOR THE APPLICATION OF STEAM MICROTURBINES IN DISTRIBUTED POWER ENGINEERING

N.N. Efimov1, S.V. Skubienko1, V.N. Baltyan1, V.V. Kopitsa1, A.E. Chistyakov2,

A.V. Nikitina2, S.N. Chebotarev1, A.Yu. Lagutin1

1Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia, 2LLC SKTB «Inversion», Rostov-on-Don, Russia

Ефимов Николай Николаевич - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Тепловые электрические станции и теплотехника», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: [email protected]

Скубиенко Сергей Витальевич - канд. техн. наук, доцент, зав. кафедрой «Тепловые электрические станции и теплотехника», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия.

Балтян Василий Николаевич - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Тепловые электрические станции и теплотехника», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия.

Копица Вадим Валерьевич - магистр, кафедра «Тепловые электрические станции и теплотехника», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: [email protected]

Чистяков Александр Евгеньевич - д-р физ.-мат. наук, ведущий научный сотрудник ООО СКТБ «Инверсия» г. Ростов-на-Дону, Россия. Тел. (8635)22-79-02.

Никитина Алла Валерьевна - д-р техн. наук, ведущий научный сотрудник ООО СКТБ «Инверсия» г. Ростов-на-Дону, Россия. Тел. (8635)22-79-02.

Efimov Nikolay Nikolaevich - Doctor of Technical Sciences, professor, head of department «Thermal Power Stations and Heat Transfer Engineering», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: [email protected]

Skubienko Sergey Vitalevich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, head of the department «Thermal Power Stations and Heat Transfer Engineering», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia.

Baltyan Vasiliy Nikolaevich - Doctor of Technical Sciences, professor, department «Thermal Power Stations and Heat Transfer Engineering», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia.

Kopitsa Vadim Valerievich - master of the department «Thermal Power Stations and Heat Transfer Engineering», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: [email protected]

Chistyakov Alexander Evgenievich - Doctor of Physical and Mathematical Sciences, leading researcher of LLC SKTB «Inversion», Rostov-on-Don, Russia. Ph.. (8635) 22-79-02.

Nikitina Alla Valeryevna - Doctor of Technical Sciences, leading researcher of LLC SKTB «Inversion», Rostov-on-Don, Russia. Ph.. (8635) 22-79-02.

ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 1

Чеботарев Сергей Николаевич - д-р физ.-мат. наук, профессор, кафедра «Физика и электроника», ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. Тел. (8635)25-54-81. E-mail: [email protected]

Лагутин Александр Юрьевич - магистр, кафедра «Тепловые электрические станции и теплотехника», ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. Тел. (8635)25-56-44.

Chebotarev Sergei Nikolaevich - doctor of physico-mathematical sciences, professor of the department «Physics and Electronics» Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. Ph. (8635)25-54-81. E-mail: chebotarev.sergei@gmail. com

Lagutin Alexander Yurievich - master of the department «Thermal Power Stations and Heat Transfer Engineering», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. Ph. (8635)25-56-44.

Анализируется возможность и перспективность использования влажно-паровых микротурбин в малой распределенной энергетике. Показано, что в климатических условиях России при осуществлении режимов когенерации и тригенерации в сравнении с газотурбинными или газопоршневыми двигателями наибольшее предпочтение имеют малые паросиловые установки, эффективность которых повышается при использовании оборудования возобновляемых источников энергии.

Ключевые слова: влажно-паровые микротурбины; газотурбинные и газопоршневые установки; когенерация; тригенерация.

The possibility and prospects of using wet-steam microturbines in small distributed power engineering are analyzed in this paper. It is shown that in the climatic conditions of Russia, in the implementation of cogenera-tion and trigeneration regimes in comparison with gas turbine or gas piston engines, small-size steam-power plants are most preferred, the efficiency of which increases with the use of renewable energy equipment.

Keywords: wet-steam microturbines; gas turbine and gas piston units; cogeneration; trigeneration.

В Российской Федерации производство электрической и тепловой энергий в основном происходит на крупных тепловых, атомных, гидравлических электростанциях и котельных. Принято считать, что эти электростанции вырабатывают электро- и теплоэнергию более эффективно. Однако существующие энергоагрегаты большой мощности, входящие в энергетическую структуру страны, имеют ряд недостатков. В цене электроэнергии, продаваемой населению, только 50 % отводится производству, а остальные составляющие ценообразования тарифов -это услуги системного оператора, различные потери электроэнергии и транспортировки, а также сбытовые надбавки. При увеличении неравномерности суточных графиков нагрузок потребления и производства возрастает скорость их изменения, особенно при прохождении вечернего пика нагрузок. Такую скорость изменения нагрузок все труднее обеспечивать при существующей инерционности системы передачи энергии на большие расстояния от производителя к потребителю.

В этих условиях все большее значение приобретает малая распределенная энергетика, которая в последние годы развивается опережающими темпами по сравнению с другими производствами электроэнергии [1]. Причинами опережающего развития распреде-

ленной энергетики являются следующие факторы:

- наличие и освоение территорий, не охваченных централизованным электроснабжением;

- экономический и производственный рост в зонах централизованного электроснабжения при отсутствии технологических возможностей подключения к электрическим сетям;

- технические достижения в изготовлении оборудования малой генерации, когда на рынке стало доступным электрогенерирующее оборудование небольшой мощности с приемлемыми технико-экономическими показателями: эффективные микротурбины; газопоршневые агрегаты малой мощности; ветрогенераторы; фотопреобразователи и др.;

- неоспоримыми достоинствами малой генерации являются небольшие сроки ввода объектов в эксплуатацию и небольшие начальные инвестиции.

В табл. 1 представлены объемы вводов в РФ малых электроустановок на базе двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных двигателей, а также крупных электростанций [1]. Из данных таблицы видно, что объемы вводимых малых энергоустановок по устанавливаемой мощности больше, чем крупных, особенно в последние годы.

Таблица 1 / Table 1 Объемы вводов в России электрогенерирующих установок малой и крупной мощности, МВт (по данным Росстата) / Volumes of commissioning in Russia of small and large-capacity power generating

plants, MW (according to Rosstat)

Вводы малых электростанций, МВт Годы

2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 20012007

До 60 кВт 134 151 206 265 470 919 1443 3455

60 - 300 кВт 30 47 68 83 137 279 415 1028

300 - 5000 кВт 1422 1609 1363 1243 1046 1617 2017 8895

Общая мощность вводимых малых электроустановок 1585 1808 1637 1591 1653 2815 3875 13379

Общая мощность крупных электростанций 2773 579 1851 950 2861 1307 2082 9630

Анализ приведенных в табл. 1 данных объемов реализации малой энергетики в России за период 2001 - 2007 гг. показывает:

- большинство малых энергоустановок приобретается для модернизации и реконструкции действующих дизельных электростанций;

- большое количество реализуемых установок, особенно мощностью менее 60 кВт, используется в качестве резервных на предприятиях, котельных, в коттеджной застройке и т.д.

При этом не все электрогенераторы, устанавливаемые в стране, учитываются отечественной статистикой. Статистическими наблюдениями достаточно полно отслеживаются энергоустановки мощностью 500 кВт и выше и значительно хуже электростанции меньшей мощности.

Применение автономных микроэнерго-агрегатов позволяет избегать дополнительных финансовых затрат, а эксплуатационные расходы становится возможным полностью переложить на индивидуальных производителей электроэнергии и тепла [2]. Эффективности энергоснабжения в малой распределенной энергетике можно добиваться не только за счет приближения производителя энергии к потребителю, но и путем комплексного энергоснабжения потребителя электрической и тепловой энергией, т.е. благодаря когенерации и тригенерации. В этом случае можно повысить экономичность энергоустановок до 90 % и даже более.

При использовании когенерации и триге-нерации разные энергетические турбомашины способны создавать вполне определенные соот-

ношения по производству электроэнергии и тепла. Например:

- газопоршневые агрегаты обычно производят на 1 кВт электрической энергии 1,2 - 1,5 тепловой;

- газовые турбины имеют возможность увеличить это соотношение (на 1 кВт электрической энергии 1,5 - 2,0 тепловой);

- еще большего соотношения можно добиваться при использовании паросиловых установок - на 1 кВт электрической энергии 12,0 - 13,0 тепловой [2 - 4].

На возможность применения микротурбин большое влияние оказывают климатические условия. Температура воздуха зимой в Западной Европе изменяется от - 2,5 до + 8 оС, а разность между зимней и летней температурами составляет не более 20 оС, в то время как в России она изменяется от 25 до 58 оС, а температура самой холодной пятидневки в РФ колеблется от - 20 до - 55 оС. Как показывает анализ, только южные регионы европейской части России и Приморский край по климатическим условиям сравним с условиями энергообеспечения Западной Европы. Все остальные северные регионы России по энергообеспечению находятся в более жестких условиях, как по сезонным температурным изменениям, так и по продолжительности отопительного периода. Отопительный сезон в климатических зонах России (табл. 2) изменяется также в широких пределах от 150 - 170 до 300 дней в году [5, 6].

Таблица 2 / Table 2

Отопительный сезон в климатических зонах России / Heating season in climatic zones of Russia

Территория Город Средняя температура января, оС Средняя температура июля, оС Разность температур «зима-лето», оС Продол-житель-ность отопительного сезона, сут

Россия Архангельск -12,8 16,3 29,1 251

Москва -6,7 19,2 25,9 205

Пермь -12,8 18,7 31,5 226

Ростов- на-Дону -3 23,4 26,4 175

Красноярск -15,5 18,7 34,2 235

Томск -17,1 18,7 35,8 234

Якутск -38,6 19,5 58,1 300

Западная Европа Стокгольм -2,5 17,4 19,9 -

Берлин 0,7 19,8 19,1 -

Лондон 4,9 17,9 13,0 -

Рим 8,1 24,5 16,1 -

Мадрид 5,9 25,7 19,8 -

Для большинства регионов России в отличие от Европы отопление более значимо, чем кондиционирование воздуха в помещениях.

В табл. 3 даны данные продолжительности светлого времени суток и величины солнечной радиации в летний и зимний периоды. В Европе применяются установки, использующие солнечное излучение. В нашей стране солнечную радиацию можно использовать в основном в летний период. Зимой солнечные установки способны создавать энергообеспечение только в южных регионах. Только здесь условия солнечной эффективности сравнимы с европейскими условиями.

Таблица 3 / Table 3

Данные продолжительности светлого времени суток и

величины солнечной радиации в летний и зимний периоды / The data of the duration of daylight hours and the values of solar radiation in summer and winter periods

Территория Город Световой день 22 декабря Световой день 22 июня Солнечная радиация в январе, (кВт ч)/м2 день Солнечная радиация в июне, (кВт ч)/м2 день

Архангельск 3 ч 53 мин 21 ч 31 мин 0,05 5,51

Москва 7 ч 17 ч 12 мин 0,33 5,56

Россия Пермь 6 ч 27 мин 18 ч 11 мин - -

Ростов-на-Дону 8 ч 29 мин 15 ч 56 мин 1,0 5,76

Якутск 5 ч 08 мин 19 ч 46 мин 0,16 6,19

Западная Европа Берлин 7 ч 39 мин 16 ч 50 мин 0,61 4,8

Лондон 7 ч 50 мин 16 ч 38 мин 0,6 4,84

Мадрид 11 ч 51 мин 12 ч 24 мин 1,64 7,41

Средняя российская семья потребляет 200 - 500 кВт ч электроэнергии в месяц, что составляет 5,5 - 14 % от максимально разрешенной мощности. Отсюда среднесуточная мощность электрогенератора 200 - 800 Вт, но по электропотреблению энергоустановка должна иметь возможность изменять свою нагрузку на 86 -94 %. При этом полностью останавливать энергоисточник не представляется возможным, поскольку в семьях имеются приборы, которые работают постоянно (например, холодильник). Отсюда, электрическая нагрузка в течение суток при индивидуальном автономном энергопотреблении в любой период года изменяется крайне неравномерно. Минимальное электропотребле-

ние приходится на ночное время в летний, осенний и весенний периоды. Однако ночная и дневная нагрузки начинают возрастать, если появляется необходимость включать кондиционирование (летом) или отопление (зимой). В такие периоды производимая электрическая мощность энергоустановки в отдельные моменты может достигать своего максимума - 5 - 8 кВт.

Нагрузка на отопление, в отличие от электроснабжения, для индивидуальных, автономных потребителей практически не изменяется в течение суток. Тепловая отопительная нагрузка изменяется только сезонно в зависимости от температуры наружного воздуха. Требуемая максимальная отопительная нагрузка возникает при минимальной температуре зимой и определяется теплопотерями через внешние ограждения здания. Например, для здания площадью 200 м2 при относительно хорошо утепленной конструкции (класс А и В++) она примерно составляет 5 -12 кВт для умеренной климатической зоны.

Горячее водоснабжение (ГВС) в течение суток потребляется так же неравномерно, как и электроэнергия. Однако энергии на нагрев воды ГВС требуется незначительно.

Таким образом, паросиловая энергетическая установка более приспособлена для комбинированного производства электроэнергии и тепла при автономном энергообеспечении индивидуального децентрализованного потребителя, чем газопоршневые и газотурбинные агрегаты. Влажно-паросиловая установка не эффективна для производства только электроэнергии, но она очень эффективна для комплексного производства электроэнергии и тепла зимой, и для абсорбционного кондиционирования и горячего водоснабжения летом. Влажно-паровая турбинная установка удобна для индивидуального потребителя еще и тем, что в отличие от когенера-ционных газовой турбины и газопоршневого агрегата она способна раздельно регулировать производство электроэнергии и тепла.

Одним из решений по распределенным системам автономного, децентрализованного энергоснабжения может стать микроэнергокомплекс (МЭК) на базе влажно-паровой микротурбинной установки электрической мощностью от 5 до 30 кВт и тепловой до 70 до 400 кВт.

При реальном электропотреблении (при среднесуточной мощности 0,4 - 0,5 кВт) МЭК электрической мощностью 5 кВт в оптимальном режиме обеспечит 91 ,5 % потребности в отоплении, а оставшиеся 8,5 % - при включении регули-

ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.

TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 1

рования тепловой энергии пропуском пара помимо турбины в конденсатор через байпас. Альтернативная установка газопоршневых агрегатов сможет обеспечить только 14,3 % потребности в отоплении, не имея возможности регулировать тепловую нагрузку. Аналогичная ситуация возникает, если анализировать когенерацию на базе газотурбинных установок. Последние работают при высоких температурах (500 - 800 °С) и давлениях рабочего тела, что является взрывоопасным. Влажно-паровая микротурбина может работать при низких параметрах рабочей среды (например, температура 160 °С, давление 0,6 МПа).

Поддержание необходимых характеристик теплоносителей микроэнергокомплекса, системы отопления и ГВС требуют применения трех циркуляционных контуров (рис. 1) для систем: паро-приготовления, самой микротурбинной установки, отопления и горячего водоснабжения [4, 7].

Рис. 1. Принципиальная тепловая схема микроэнергокомплекса: 1 - вакуумные солнечные нагреватели; 2 - сепаратор пара; 3 - трехходовой клапан; 4 - влажно-паровая турбина; 5 - электрический генератор; 6 - конденсатор турбины; 7 - бойлер; 8 - тепловая сеть на отопление; 9 - тепловая сеть на горячее водоснабжение; 10 - циркуляционный насос охлаждения конденсатора турбины; 11 - питательный насос; 12 - парогенератор на

органическом топливе; 13 - циркуляционный насос греющего контура / Fig. 1. The basic thermal scheme of the microenergy complex: 1 - vacuum solar heaters; 2 - separator of steam; 3 - a three-way valve; 4 - wet steam turbine; 5 - electric generator; 6 - turbine condenser; 7 - boiler; 8 - heating network for heating; 9 - heat network for hot water supply; 10 - circulating pump for cooling the turbine condenser; 11 - feeding pump; 12 - Progen generator on organic fuel; 13 - circulation pump for the heating circuit

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Циркуляционный контур системы паро-приготовления для получения влажного пара может частично или полностью использовать возобновляемые источники энергии (например, солнечные нагреватели). В этот контур входят: парогенератор (котел, солнечные нагреватели),

циркуляционный насос и другие вспомогательные элементы оборудования. Система паропри-готовления должна: удовлетворять максимальную потребность в паре МЭК; поддерживать номинальные начальные параметры пара; иметь возможность работы как совместно (солнечные нагреватели + котел), так и раздельно (солнечные нагреватели или котел) [4, 7 - 10]. Параметры системы пароприготовления: давление не более 1,7 МПа; температура 180 - 200 °С.

Рабочий контур производства электроэнергии, в котором рабочая среда последовательно проходит сухопарник, влажно-паровую микротурбину, конденсатор, конденсатный и питательный насосы и охлажденной возвращается в парогенератор-сухопарник. Для удаления газов из конденсатора и создания в нем вакуума в этот контур также входит эжектор (или вакуумный насос). Параметры в этом циркуляционном контуре: давление влажного пара перед микротурбиной 0,6 - 1,0 МПа, температура - 160 - 180 °С; давление рабочей среды за микротурбиной 0,025 - 0,06 МПа с температурой насыщения 60 - 80 °С. Основное назначение рабочего контура - преобразование потенциальной энергии пара в механическую энергию вращения ротора турбины с дальнейшим превращением ее в электрическую энергию в генераторе, а также созданием условий для отбора тепловой энергии в конденсаторе микротурбины.

Циркуляционный контур, передающий тепловую энергию, полученную в результате конденсации пара на выходе из микротурбины, на отопление и ГВС, состоит из трубных поверхностей нагрева конденсатора. Нагретая вода направляется в накопительную емкость, где она передает тепло теплоносителю системы отопления и в бойлер ГВС. Движение воды по контуру осуществляется с помощью циркуляционного насоса. Температура конденсации пара (температура насыщения) регулируется расходом охлаждающей воды и поддерживается зимой до 80 °С, а летом до 60 °С (только для ГВС).

Экономичность микротурбины по производству электроэнергии мала (КПД не более 10 %). Поэтому МЭК на базе влажно-паровой микротурбинной установки использовать для производства только электроэнергии нецелесообразно. Оптимальная конфигурация МЭК рассчитана на его использование в схемах когене-рации и тригенерации. В этом случае общий КПД (для режима когенерации) составит не менее 80 %.

ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.

TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 1

Анализ показывает, что снижения доли органического топлива можно добиться при увеличении доли использования солнечного нагрева при производстве влажного пара микротурбинной установки.

Коэффициент использования органического топлива по электрической составляющей при комбинированной выработке от традиционных (затратных на топливо) и возобновляемых источников энергии определяется по уравнению:

Пэл = 100 /(^нагр - ^олн),

где Ыэл - электрическая мощность микротурбинной установкой, кВт; Nm^ - полная мощность нагревателя, складываемая из мощностей полученных за счет солнечной энергии и энергии сжигания органического топлива в котле (природного газа, дизтоплива и др.), кВт; Лсолн - тепловая мощность солнечных нагревателей, кВт.

В случае недостаточного солнечного излучения для осуществления предварительного нагрева воды и производства пара, например в ночное время, автоматизированная система управления МЭК переключает положение трехходового клапана, при котором питательная вода первого контура направляется в парогенератор, работающий на органическом топливе, где происходит превращение её в пар заданных параметров.

Специалистами кафедры тепловых электрических станций ЮРГПУ (НПИ) и ООО НПП «Донские технологии» разработаны и испытаны два варианта центростремительных влажно-паровых микротурбин, основные параметры которых приведены в табл. 4, а конструктивная схема - на рис. 2.

Таблица 4 / Table 4

Технические параметры центростремительных влажно-паровых микротурбин МЭК-5 и МЭК-30 / Technical parameters of centripetal moisture-steam microturbines MEC-5 and MEC-30

Наименование параметров Модель МЭК

МЭК-5 МЭК-30

Электрическая мощность, кВт 5 30

Тепловая мощность, кВт 65 400

Расход пара, кг/с 0,028 0,14

КПД электрический, % 9,5 10,7

Рис. 2. Конструктивная схема вертикальной влажно-паровой микротурбины: 1 - рабочее колесо; 2 - сопловой аппарат; 3 - корпус; 4 - подшипники качения (2 шт); 5 - уплотнения / Fig. 2. Constructive scheme of vertical wet-steam microturbine: 1 - the impeller; 2 - nozzle apparatus; 3 - housing; 4 - rolling bearings (2 pcs); 5 - seals

Первые опытные микротурбины были спроектированы при работе на газодинамических подшипниках со скоростью вращения ротора микротурбины 35000 об/мин.

Испытания показали работоспособность разработанных вариантов микротурбин, но отмечалась ненадежная работа подшипниковых опор энергоустановок при частых пусках и переменных режимах работы на сниженных оборотах (особенно в диапазоне 1000 - 10000 об/мин). Поэтому при дальнейших испытаниях стали использоваться подшипники качения, допускающие скорость вращения до 18000 об/мин. Нагрузочные характеристики при различных параметрах на входе и оборотах вращения ротора микротурбины 5 кВт представлены на рис. 3.

На рис. 3 сплошной линией графика показан режим со сбросом влажного пара в атмосферу при Рк = 0,12 МПа (¿к = 104 °С) и различном давлении на входе в микротурбину; пунктирной линией представлен расчетный режим с повышенным вакуумом за турбиной (Рк = 0,6 МПа и ¿к = 85 °С); выделенная область - зона работы микротурбины с подшипниками качения.

ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 1

Рис. 3. Графики зависимости электрической мощности микротурбины МЭК-5 от скорости вращения / Fig. 3. Graphs of the dependence of the electric power of the microturbine MEC-5 on the speed of rotation

Заключение

Проведенный анализ применения энергетических установок с микротурбинами позволяет сделать следующие выводы:

1. В последние годы в мировой практике малой энергетики, в том числе и в России, находят применение газотурбинные и газопоршневые установки только зарубежных производителей.

2. На объектах малой энергетики в РФ кроме ГТУ находятся в эксплуатации паротурбинные микроустановки электрической мощностью до 200 кВт собственного производства. Паровые когенерационные микроустановки электрической мощностью до 30 кВт проходят стадию опытно-конструкторских разработок.

3. Одним из перспективных направлений работ в области микроэнергетики является создание когенерационных влажно-паровых микротурбин с использованием традиционных топ-лив и возобновляемых источников энергии.

Литература

1. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года: утверждена распоряжением Правительства Российской Федерации от 13 ноября 2009 г. №1715-р [Электронный ресурс]. М.: Институт энергетической стратегии, 2009. URL: http://www.energystrategy.ru/projects/docs/ES-2030_(utv._ N1715-p_13.11.09).rar (дата обращения 21.09.2017).

2. Кузнецова О.Р. Экономическая эффективность систем децентрализованного энергоснабжения: на примере Хабаровского края: дис. ... канд. экон. наук. Комсомольск-на-Амуре, 2002. 180 с.

3. Ефимов Н.Н. Микроэнергокомплекс на базе влажно-паровой турбины // Энергосбережение. Специализированный журн. 2013. № 6. С. 54 - 55.

4. Ефимов Н.Н., Паршуков В.И. [и др.]. Микротурбинная установка для эффективного энергоснабжения автономных индивидуальных потребителей // Изв. вузов Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2013. № 1. С. 51 - 55.

5. СНиП 2.01.01-82 Строительная климатология.

6. Попель О.С., Фрид С.Е., Киселева С.В., Коломиец Ю.Г., Лисицкая Н.В. Климатические данные для возобновляемой энергетики (база климатических данных): учеб. пособие. М.: ОИВТРАН, 2010. 56 с.

7. Разработка влажно-паровой микротурбинной установки для систем малой распределенной энергетики на основе

ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 1

комбинированного использования традиционных и возобновляемых источников энергии: отчет об ОКР (этап № 1, промежуточный) / Донские технологии; рук. В.И. Паршуков; испол.: Н.Н. Ефимов, И.М. Кихтев и др. Новочеркасск, 2012. 320 с. 8. Горбачев В.М., Папин В.В., Безуглов Р.В. [и др.]. Система автоматизированного контроля и регулирования пара-

метров микроэнергокомплекса мощностью 5 кВт с солнечным коллектором // Журн. Научное обозрение. 2014. № 4. С. 122 - 126.

9. Дейч М.Е., Филиппов Г.А., Лазарев Л.Я. Атлас профилей решёток осевых турбин. М.: Машиностроение, 1965.

10. Смоленский А.Н. Паровые и газовые турбины. М.: Машиностроение, 1977. 288 с.

References

1. Energeticheskaya strategiya Rossii na period do 2030 goda: utverzhdena rasporyazheniem Pravitel'stva Rossiiskoi Federatsii ot 13 noyabrya 2009 g. №1715-r [Energy strategy of Russia until 2030: it is approved by the order of the Government of the Russian Federation of November 13, 2009 No. 1715-r] Moscow, Institut energeticheskoi strategii. Available at: http://www.energystrategy.ru/projects/docs/ES-2030_(utv._N1715-p_13.11.09).rar (accessed 21.09.2017)

2. Kuznetsova O.R. Ekonomicheskaya effektivnost' sistem detsentralizovannogo energosnabzheniya na primere Khabarovskogo kraya. Diss. kand. ekon. nauk [Economic efficiency of systems of the decentralized power supply: on the example of Khabarovsk Krai. Cand. house-keeper. sci. diss.]. Komsomolsk-on-Amur, 2002, 180 p.

3. Efimov N.N. Mikroenergokompleks na baze vlazhno-parovoi turbiny [Micropower complex on the basis of the damp steam turbine]. Energosberezhenie. Spetsializirovannyi zhurnal, 2013, no. 6, pp. 54-55. (In Russ.)

4. Efimov N.N., Parshukov V.I. i dr. Mikroturbinnaya ustanovka dlya effektivnogo energosnabzheniya avtonomnykh individual'nykh potrebitelei [Microturbine installation for effective power supply of independent individual consumers]. Izv. vuzov Sev.-Kavk. region. Tekhn. nauki, 2013, no. 1, pp. 51-55. (In Russ.)

5. SNiP 2.01.01-82 Stroitel'naya klimatologiya [Construction Norms and Regulations 2.01.01-82 Construction climatology].

6. Popel' O.S., Frid S.E., Kiseleva S.V., Kolomiets Yu.G., Lisitskaya N.V. Klimaticheskie dannye dlya vozobnovlyaemoi energetiki (baza klimaticheskikh dannykh) [Climatic data for renewable power (base of climatic data)]. Moscow, OIVTRAN Publ., 2010, 56 p.

7. Efimov N.N., Kikhtev I.M. i dr. Razrabotka vlazhno-parovoi mikro turbinnoi ustanovki dlya sistem maloi raspredelennoi energetiki na osnove kombinirovannogo ispol'zovaniya traditsionnykh i vozobnovlyaemykh istochnikov energii: otchet ob OKR (etap № 1, promezhutochnyi) [Development of damp and steam microturbine installation for the systems of the small-scale distributed power generation on the basis of the combined use traditional and renewables: report on ROC (stage No. 1, intermediate)]. Novocherkassk, Donskie tekhnologii, 2012, 320 p.

8. Gorbachev V.M., Papin V.V., Bezuglov R.V. i dr. Sistema avtomatizirovannogo kontrolya i regulirovaniya parametrov mikroen-ergokompleksa moshchnost'yu 5 kVt s solnechnym kollektorom [The system of the automated control and regulation of parameters of a micropower complex with a power of 5 kW with a solar collector]. Zhurnal «Nauchnoe obozrenie» = Science Review, 2014, no. 4, pp. 122-126. (In Russ.)

9. Deich M.E., Filippov G.A., Lazarev L.Ya. Atlas profilei reshetok osevykh turbin [Atlas of profiles of lattices of axial turbines]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1965.

10. Smolenskii A.N. Parovye igazovye turbiny [Steam and gas turbines]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1977, 288 p.

Поступила в редакцию /Receive 10 октября 2017 г. / October 10, 2017

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.