Микротурбины

Потребность в разработке автономных источников энергии и теплоснабжения малой мощности с низкими затратами на обслуживание и эксплуатацию появилась еще в 80-х годах. Традиционный скептицизм инноваций в энергетике, появившейся с первым прототипом микротурбины на постсоветском пространстве в 2002 г., был  развеян в течение нескольких лет компанией Capstone, с ее первым прототипом микротурбины, представленным в 1994г. Компания, стала мировым лидером в данной сфере.  Использование при производстве прогрессивных технологий позволили компании добиться высокой надежности и экономичности своей продукции. Такие технологии, как: отсутствие в конструкции микротурбины трущихся частей, использование воздушных подшипников, высокая степень автоматизации энергосистем и высокая экологичность (низкие рабочие температуры и отсутствие масла) позволили предприятию добиться рекордной скорости при вращении вала (96000 об/мин).

Устройство и принцип работы микротурбин.

Микротурбина – это тепловой двигатель с непрерывным действием, в котором энергия сжатого и нагретого газа или другого топлива (в лопаточном аппарате) преобразуется в механическую работу на валу. Сам двигатель турбины состоит непосредственно из одного вала, на оси которого располагаются: компрессор, электрогенератор и турбина. Турбинная установка характеризуется отсутствием редукторов и других механических приводов. Преимущество таких микротурбин: высокая плотность мощности, мало подвижных частей, распределение полученного от двигателей тепла между выхлопом и охлаждающей системой. Инновация в области безмасляных систем позволили компании Capstone добиться высоких показателей в области эксплуатационных затрат (у конкурентов большой расход масла). Показатели экологичности при использовании таких микротурбин достигаются благодаря низким рабочим температурам, которые снижают уровень эмиссии окислов азота и таким образом выбросы СO (кобальт) и NOx (азот) не превышают 9 ppm (миллионная доля, единица измерения концентрации).

В качестве топлива для выработки энергии, микротурбины могут использовать:

• Природный газ (высокого или низкого давлений), газ с высоким содержанием серы;
• Дизельное топливо, керосин;
• Попутный нефтяной газ, факельный газ;
• E85 (вид биотоплива);
• Коксовые газы;
• Биодизель, биогаз (мусорный газ, газ получаемый при очистке сточных вод).

Особенностью микротурбин является – оптимальная компоновка узлов, т.е. в одном корпусе размещены: компрессор (сжатие и подача воздуха под давлением), камера сгорания, рекуператор (теплообменник, использующий теплоту отходящих газов), турбина и постоянные магниты электрогенератора. Исключение из системы жидкостное охлаждение стало возможным, благодаря постоянно набегающему потоку воздуха, который охлаждает генератор. Решение об использовании в конструкции рекуператора позволило достичь высокого показателя электрического КПД (35%), также рекуператор позволяет снизить потребление топлива за счет использования тепловой энергии выхлопа для предварительного нагрева воздуха в КС. При работе с циклическими нагрузками (снижение электрической нагрузки ночью), турбины способны длительное время работать (минимальные нагрузки), исключая снижение мото-ресурса. Это делает их незаменимыми в автономном снабжении бань, больниц, развлекательных центров, предприятий общепита и т.д. Применения САУ (системы автоматизированного управления), позволяет осуществлять постоянный удаленный  контроль над микротурбиной (без присутствия персонала). Дистанционный контроль над турбиной осуществляется через GSM-модем, посредством микропроцессорной системы АУ, что позволяет координировать работу нескольких установок. Благодаря удаленному контролю появилась возможность размещать установки в труднодоступных районах. В совокупности, приведенные мероприятия позволяют минимизировать время на техническое обслуживание установки.

Принцип работы микротурбины.

Поступление воздуха с начальными параметрами в турбину происходит через входной воздушный фильтр (с малым сопротивлением), который используется для очистки воздуха и для снижения потери мощности двигателя. Далее, проходя через генератор, отфильтрованный воздух охлаждает обмотки статора (неподвижная часть, взаимодействующая с подвижным ротором), что позволяет отказаться от установки системы охлаждения генератора. После прохождения компрессора, в котором воздух сжимается до заданных параметров, он поступает в теплообменный аппарат (рекуператор). Благодаря рекуператору, повышается электрический КПД установки, что вдвое снижает потребление топлива (использование тепловой энергии выхлопа). Поступая в камеру сгорания, нагретый и сжатый воздух смешивается с топливом и воспламеняется (возгорание смеси). Горение смеси происходит при постоянном давлении (изобарный процесс) и низких температурах (рабочих), что позволяет достичь минимальных показателей по выбросу вредных веществ в атмосферу. Широкий диапазон выбора типа топлива (теплотворная способность) обусловлен изготовлением КС и колеса турбины из термостойких материалов. Сгорание топлива при низких температурах и температура выхлопных газов (без образования конденсата), позволяет сжигать даже высокосернистый газ, не нанося ущерба двигателю. После прохождения турбины, энергия, полученная при сжигании смеси преобразуется в работу. Входя в сопловой аппарат турбины горячие газы под действием высоких температур расширяются, позволяя преобразовать тепловую энергию в кинетическую. Далее, поступив в роторную часть турбины, кинетическая энергия газов переходит в механическую энергию ротора (подвижная часть). Распределение мощностей в турбине таково: часть мощности уходит на работу компрессора, вторая часть является выходной полезной мощностью. Для запуска микротурбинной установки Capstone используют аккумуляторы, которые компенсируют ток нагрузки (когда двигатель начинает набирать обороты). Эта особенность позволяет турбинам Capstone выдерживать 80%-й резкий скачок (вброс) нагрузки, особенность окажется полезной при использовании турбины в ЖКХ и городских поселках, где имеет место неравномерное потребление энергии.

Режимы работы микротурбины.

Когенерация. Процесс, при котором совместно вырабатывается электрическая и тепловая энергия. Возможность работы турбины в таком режиме обусловлена наличием специального устройства, которое способно утилизировать теплоту выхлопных газов установки. Такие системы относят к классу CHP – (Combined Heat and Power). Отличие турбин Capstone – специально сконструированные системы, работающие в режиме когенерации (пр-во США, Япония, Европа). Применение режима  когенерации обеспечивает рост КПД до 90% и позволяет решить задачи теплоснабжения, отопления и подогрева воды.

Тригенерация. Процесс, совмещающий в себе производство электричества, тепла и холода. Выработка холода при тригенерации происходит благодаря утилизации выхлопных газов установки, при помощи абсорбционной холодильной установки. Принцип работы абсорбционно - холодильной установки основан на принципе испарения воды в вакууме при низких температурах, при испарении уводит(уносит) тепло от воздуха система кондиционирования. Абсорбентом воды в холодильной установке служит LiBr (бромистый литий), который поглощает нагретый пар и превращается в разбавленный раствор, откачиваемый в генератор (происходит процесс выпарки).

Режим работы параллельно с сетью. Данный режим позволяет микротурбинной установке вырабатывать электрический ток, который синхронизируется с сетью по частоте и напряжению.

Автономный режим работы. Режим, который позволяет функционировать установке в полной независимости от сети в качестве основного источника энергии. Все параметры в данном режиме определяется и настраиваются, исходя из пожеланий потребителя (выходная мощность установки и параметры электрического тока). Для обеспечения автономной работы используется преобразователь энергии и аккумуляторные батареи (координируются преобразователем).

Несколько примеров применения микротурбинных установок:

• Добывающая отрасль (нефть, газ, уголь, лес). Целью применения является организация надежного энергосбережения, утилизация и переработка: попутных газов, опилок, щепы. Эффект от внедрения микротурбины: уменьшение стоимости готовой продукции(за счет генерации недорогой тепловой и электрической энергии), автоматическая работа энергосистем.
• Сельское хозяйство. Целью применения является: утилизация органических отходов, повышение энергоэффективности, обеспечение потребностей (комплексное) в тепле, холоде и электричестве. Эффект: снижение энергозатрат, соответствие выработке и потребления  энергии, экономия на удобрениях (за счет получения экологически чистых удобрений).
• Строительство. Цель внедрения: надежное и непрерывное снабжение энергией, резервное энергоснабжение, строительство на неосвоенных территориях. Эффект внедрения: получение дохода от продажи энергии потребителю, исключение перебоев в энергоснабжении.

Плюсы использования микротурбин Capstone:

• Отсутствие трущихся деталей, простота конструкции, быстрый и легкий монтаж установки, возможность подключения к топливной или электрической системе (коммуникации), низкий уровень шума и вибраций. Применение воздушных подшипников, исключающие использование системы охлаждения. Удобная система управления и контроля параметров микротурбин, посредством GSM-модема, эластичность к нагрузкам (0-100%), высокий ресурс капремонта (60000 ч.)

Плюсы автономных электростанций, использующих микротурбины:

Высокий показатель экономической эффективности (окупаемость 2-3 года, доходность 30%, себестоимости энергии в 2 раза ниже). При использовании режима когенерации или тригенерации - коэффициент использования топлива выше 90%. Низкий показатель затрат на строительство: не нужны проекты, строительные и монтажные работы. Высокая надежность системы (за счет внутреннего резервирования и модульности). Широкий диапазон мощности от 30 кВт до 20 МВт, мощность поставляется блоками. Возможность работы в автоматическом режиме.

• «« В начало
• « Предыдущая
• Следующая »
• В конец »»