CC BY
63
У доповіді наведено досвід створення когене-раційних мікроустановок на основі керамічних цГТУ електричною потужністю 2 кВт і тепловою 5 кВт з загальною ефективністю 85%
Ключові слова: кераміка, мікроустановка, газова турбіна, рекуператор
□--------------------□
В докладе представлен опыт создания когенераци-онных микроустановок на основе керамических цГТУ электрической мощностью 2 кВт и тепловой 5 кВт с общей эффективностью 85%
Ключевые слова: керамика, микроустановка, газовая турбина, рекуператор
□--------------------□
The issue of developments of the ceramic microGTE-based cogeneration plants with the electric power up to 2KW and heat output of 5KW and the total efficiency of 85% is discussed in the paper
Key words: ceramics, micro plant, gas turbine, recuperator
УДК 62.156
УНИВЕРСАЛЬНЫЙ АВТОНОМНЫЙ ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ НА ОСНОВЕ КЕРАМИЧЕСКОЙ МИКРОГАЗОТУРБИННОЙ
УСТАНОВКИ
А . В . С у д а р е в
Доктор технических наук, профессор, академик АТН РФ, генеральный
директор*
Контактный тел.: 7 (812) 225-34-53 E-mail: [email protected]
А . С . М о л ч а н о в
Заместитель генерального директора* Контактный тел.: 7 (812) 225-44-91 E-mail: [email protected] В.Г. Конаков Доктор химических наук, профессор, генеральный директор
ООО НТЦ «Стекло и керамика» Полюстровский проспект, 15, корпус 2, г. Санкт-Петербург, Россия, 195221
Контактный тел.: 7 (812) 225-77-87 E-mail: [email protected] А . А . С у р ь я н и н о в Главный конструктор* Контактный тел.: 7 (812) 225-44-91 E-mail: [email protected] *ООО «Научный Центр «Керамические Двигатели им. А.М. Бойко» Полюстровский проспект, 15, корпус 2, г. Санкт-Петербург, Россия, 195221
1. Введение
Целью настоящей работы является повышение экологичности и экономичности автономных микроустановок для нагрева воды за счет выработки ими электроэнергии без снижения количества поставляемого тепла. Применяемые в настоящее время котельные установки проектируются с целью производства и поставки только тепловой энергии. При такой технологии тепло продуктов сгорания топлива далеко не полностью передается нагреваемой воде, значительная его доля выбрасывается в атмосферу. Если же продукты сгорания топлива использовать сначала для нагрева воздуха, поступающего в турбину турбоэлектрогенератора, а лишь затем - для нагрева воды, то тепловая эффективность такой когенерационной микроустановки существенно повышается, а Потребитель получает и энергию и тепло. Осуществление когенерации позволяет Потребителю стать менее зависимым от различных социально-экономических обстоятельств. Оптимальная мощность когенерационных установок, необходимых, прежде всего для коммунального сектора, особенно для владельцев дач, домов, небольших магазинов, малого бизнеса и т.д., сводится к уровню электрической мощности номинального режима от 1
до 5 кВт при полной мощности (электричество + тепло) от 4 до 10 кВт [1-3].
2. Существующие когенерационные установки
Подробный сравнительный анализ различных типов применяемых в настоящее время когенерацион-ных микроустановок показывает, что наиболее приемлемыми для Потребителя показателями (соотношение электрической и тепловой мощности, шум, эмиссия токсичных компонентов, массогабаритные параметры, возможность применения различных топлив, и др.) обладают микротурбинные двигатели (рис. 1).
В подавляющем большинстве случаев применяются две тепловые схемы когенерации на основе ми-крогазотурбинных установок (цГТУ). Первая схема выполняется на основе, например, газотурбинных электрогенераторов (ЭГ), выхлопные газы, которых используются для нагрева теплофикационной воды. Во второй схеме также используются выхлопные газы, например, тех же газотурбинных ЭГ, но уже в качестве окислителя сжигаемого в теплофикационном водяном котле топлива. Подобные системы отличаются высокой эффективностью и возможностью регулировать
Е
Электрический КПД, %
Обозначения: ♦ - двигатели Стирлинга; а - технологии внутреннего сгорания (ДВС, ГТУ); • - твердооксидные высокотемпературные топливные элементы (ТЭ), ■ - низкотемпературные ТЭ; • - двигатели с циклом
Ранкина;
------линия, показывающая общий КПД, 85%.
Рис. 1. График теплового и электрического КПД у различных технологий когенерационных
микроустановок [4,5]
механическом микросистемы (гтМЭМС), состоящей из цГТУ и цЭГ.
Обычный водонагреватель (ВН), сжигает любое газообразное, жидкое или твердое топливо при давлении, близком к атмосферному. В этом, безусловно, достоинство такой схемы. К сожалению, есть и недостатки:
- большие тепловые потери с выхлопными газами;
- сравнительно высокая эмиссия токсичных составляющих выхлопа;
- значительные за-
соотношение между производством электрической и тепловой энергией. Основными их недостатками являются:
- невозможность сжигать твердое топливо, поскольку и газовые турбины и дизельные двигатели работают только на газообразном или жидком топливе;
- сравнительно высокая эмиссия токсичных компонентов выхлопа существующих тепловых двигателей, так как сжигание в их камерах сгорания осуществляется при относительно высоком давлении и высокой температуре;
- высокие массогабаритные показатели.
траты на покупку электроэнергии необходимой для привода вспомогательного оборудования (воздушные вентиляторы, водяные насосы, дымососы, топливные устройства, приборы и
3. Когенерационная керамическая микроустановка
С целью устранения перечисленных выше недостатков и соответствующего улучшения экологических и экономических характеристик когене-рации наиболее целесообразно осуществить интеграцию водяного микрокотла (цВК) и газотурбинной электро-
Рис. 2. Тепловая схема когенерационной установки (ВК+ВП) + ГТУ
датчики систем управления, регулирования, освещения и т.д.), суммарная мощность которого достигает 5-10% общей мощности ВК.
При интеграции цВК с гтМЭМС роль традиционной камеры сгорания выполняет размещаемый между зоной горения котла и нагревателем воды (НВ) (рис. 2), керамический микровоздухоподогреватель (цВП).
В цВП подается воздух после сжатия в компрессоре и некоторого подогрева в цЭГ. Этот воздух нагревается за счет отбора тепла от продуктов сгорания, выходящих из топки котла, и поступает в воздушную турбину, приводящую компрессор и цЭГ, обеспечивающий электроэнергией не только вспомогательное оборудование когенерационной установки, но и нужды Потребителя. После расширения в турбине воздух имеет температуру не ниже 1100°С, а давление, близкое к атмосферному, и с такими параметрами поступает внутрь котла в предтопочное пространство. Общий расход воздуха, направляемого в котел, в 2,5-3 раза больше, чем в его стандартной конструкции, поскольку воздух требуется не только для сжигания топлива, но и для работы приводящей цЭГ турбины.
При необходимости может быть предусмотрена и автономная работа котла в те периоды, когда Потребитель нуждается только в поставке тепла. Если же тепло вообще не требуется, то в конструкции котла имеется байпас, направляющий горячий газ непосредственно в дымовую трубу, минуя НВ.
4. Конструкция основных устройств когенерационной микроустановки
Определяющими устройствами, разработанными в рамках рассмотренной выше принципиальной схе-
мы когенерации тепловой и электрической энергии, являются:
- встроенный в котел керамический цВП (рис. 3), обеспечивающий подогрев рабочего тела - воздуха до температуры 1350°С;
- энергетическая микроустановка (гтМЭМС), являющаяся приводом встроенного в турбоблок цЭГ постоянного тока электрической полезной мощностью 2 кВт.
цВП состоит из двух параллельно работающих цилиндрических модулей диаметром ~94 мм и высотой ~170 мм.
Каждый модуль представляет собой матричный теплообменник [1] с противоточным движением теплоносителей: снизу вверх по цилиндрическим каналам течет выходящий из топки котла горячий газ с температурой на входе ~1500°С, а в противоположном направлении по щелевым каналам движется воздух с температурой на входе ~150°С, подаваемый компрессором цГТУ.
Суммарная площадь газовых каналов в несколько раз превышает площадь воздушных каналов, так как в газовый тракт поступает выхлопной газ из турбины и воздух из вентилятора, а в воздушный тракт
- только воздух из нагнетания компрессора.
Изготовленные модули керамического цВП и весь теплообменник в сборе показаны на рис. 4.
Одновременно с цВП была спроектирована цГТУ (рис. 5), все основные узлы которой выполнены на основе инновационных запатентованных материало-ведческих, технологических и конструкторских решений, не имеющих аналогов в мировом турбостроении [2, 3].
Создание экономических цГТУ является сложной комплексной задачей, так как миниатюризация тур-
Рис. 3. Рекуперативный цВП
€
а) Ь)
Рис. 4. Керамический цВП: а — керамический модуль в сборе с деталями подвода и отвода воздуха;
Ь — теплообменник в сборе: 1 (2) — входной (выходной) патрубок цВП; 3(4) — патрубок подвода (отвода) холодного (горячего) воздуха; 5 — гибкий хомут; 6 — узел натяжения; 7 — сильфон, 8 —керамический модуль
цВП
Рис. 5. Конструктивная схема цГТУ
бомашин сопровождается снижением эффективности их лопаточных аппаратов, а также ограничением уровня температуры рабочего тела на входе в турбину из-за невозможности организовать ее надежное охлаждение.
Увеличение КПД цГТУ до 28 ±1% может быть достигнуто за счет реализации результатов НИОКР по следующим направлениям:
1. Разработка и внедрение конструкционных керамических материалов (ККМ), обеспечивающих надежную работу изготавливаемых из них деталей цГТД до 1350°С без применения охлаждения.
2. Концепции туннельных (безлопаточных) турбомашин [3] с разработкой газодинамической и прочностной методологии их расчета, с изготовлением и испытанием металлических моделей и штатных рабочих колес турбомашин, а также узлов статора
- диффузора компрессора и соплового аппарата турбины.
3. Конструкции керамического микротурбоэлектрокомпрессора (рис. 6), в котором совмещены роторные и статорные узлы и детали цЭГ и микротурбокомпрессора, за счет чего осуществлена жесткая конструкция ротора.
3
Рис. 6. Основные элементы микротурбоэлектрокомпрессора
5. Выводы
1. Проведенные НИОКР по осуществлению комплекса инновационных технических решений при соз-
дании газотурбинной керамической гтМЭМС мощностью 2 кВт подтвердили возможность реализации:
- КПД на уровне лучших |аГТУ мощностью 30-65 кВт (2830%),
- экологической чистоты, как по эмиссии NOx и СО, так и по уровню шума,
- повышения КПД цЭГ до 99%,
- высокой массовой и объемной удельной мощности (>300 Вт/кг и >400 Вт/л, включая цЭГ и цВП) [9].
2. Решающим преимуществом когенераци-онных микроустановк является возможность их использования в многомодульных энергетических системах, не требующих ремонта, остановок и эксплуатирующихся на всех режимах работы с номинальным значением электрического КПД.
Литература
1. Cударев А.В., Cурьянинов А.А., Тен В.С, Головкин Б.А., Деле А.В., Противоточный пластинчатый матрично-кольцевой керамический рекуператор, патент РФ №2391614 от 18.11.2GG8 г.
2. A. Soudarev, A. Souryaninov, V. Tikhoplav, A. Molchanov, P.Avran, L.Lelait, Pioneer concept of blade-free turbomachines for micro gas turbine engines. (Part II. Tests of metal model of micro turbine), Proceedings of the International Gas Turbine Congress 2GG7 Tokyo, December 3-7, 2GG7, Paper TS-G19, 4 p.
3. А^.Молчанов, Б.В^ударев, А.А.Халатов, М.В.Ковалев, Унифицированный ряд регенеративных газотурбогенераторов (ГТГ) судового и наземного применения, Восточно-Европейский журнал передовых технологий, 3/1G (51) 2G11, стр. 37-43.
4. C .Soares, Microturbines Applications for Distributed Energy Systems, 2GG7, Elsevier Inc, 271 p.
5. M. Knowles, I. Burdon, Micro Energy Systems: Review of Technology, Issues of Scale and Integration, 2GG4, John Wiley and Sons, 18G p.
t
