Научно-техническое обоснование и практическая реализация создания микротурбинного генератора мощностью 100 кВт на основе современных расчётно-экспериментальных методов

Многообразие потребителей энергии^ и требований к виду1 и^{Качеству} энергообеспечения, заставляет по-новому взглянуть на роль ав'3^"1>номных энергетических агрегатов малой мощности (от десятков киловатт до «Скольких мегаватт) в общей структуре энергетики. В условиях экономического^» кризиса трудно рассчитывать на изыскание достаточных материальных реоз^р>сов для ввода в эксплуатацию в ближайшие годы новых энергетически^ станций большой мощности (за исключением завершения строительства ране^^ Начатых объектов).

Вместе с тем наличие большой доли оборудования, уже отсл^-о^сившего проектный ресурс или приближающегося к этому сроку, связано с не^зНежным выводом из эксплуатации части этого оборудования, что пр^^^одит к определенному сокращению производства тепловой и, электрическое^ энергии В таких условиях в ближайшей перспективе серьезное внимание следует уделить сооружению относительно дешевых автономных э^Р^^тических установок (АЭУ) малой мощности, различного назначения, Финанс^х1рование которых возможно как из местных бюджетов, так и за счет и^Ез^вестиций частного капитала.

Аналогичные процессы проходят не только в России, но и многих зарубежных странах.

Области использования АЭУ малой мощности очень широк^:^ это*.

• промышленные предприятия, медицинские учреждения,^{схтлищные} коттеджи, бизнес — центры и другие объекты крупных городов, в том числе Санкт — Петербурга;

• магистральные газопроводы, газораспределительные станции нефтепроводы, нуждающиеся в энергообеспечении для но1?:1<�гального функционирования;

• предприятия по переработке бытовых отходов;

• развивающиеся районы нашей, страны, где отсутствуют в настоящее время энергоисточники и линии электропередач;

• энергодефицитные, районы Крайнего Севера, Дальнего Востока, некоторых районов Нечерноземья;

• резервирование линий > электропередач, питающих* ответственных потребителей энергии, а также восполнение дефицита* электроэнергии^ вызванного стихийными бедствиями и другими чрезвычайными ситуациями;

• мобильные источники электрической" и тепловой энергии для нужд" МЧС;

• малые города, коттеджные поселки и деревни, во многих из которых до сих пор не решен вопрос централизованного теплоэнергоснабжения;

• крупные животноводческие фермы, предприятия по переработке сельскохозяйственной продукции, предприятия лесозаготовительной промышленности, поисковые партии газовиков, геологов, и др., нуждающиеся в электрической, тепловой, механической энергии, подаче воды и сжатого воздуха;

Создание фермерских хозяйств и коттеджных зон усилит потребность в сравнительно маломощных энергетических установках для привода электрических генераторов, насосов, компрессоров, различных машин и механизмов для выполнения тех или иных сельскохозяйственных, бытовых и других технологических операций. Энергетические установки таких потребителей должны быть недорогие, доступные для приобретения широкому кругу представителей малого бизнеса. По нашему мнению потребность в таких автономных установках может оказаться значительной даже в районах с развитыми электрическими станциями в связи с высокой стоимость строительства и эксплуатации линий электропередач в условиях сельской местности.

Эффективность использования. АЭУ малой мощности определяется:

• низкой себестоимостью производства электроэнергии и тепла при использовании совершенного оборудования;

• высокой надежностью энергоснабжения;

• существенным сокращением сроков их сооружения;

• независимостью режима работы от загруженности энергосгеап^^ггемьг.

• уменьшением отчуждения территории под крупное энеР: г" ^гз?11ческс)е строительство;

• повышением экологичности производства электроэнергией^ ^ тепла снижением затрат на охрану окружающей среды;

• применением перспективных современных технол0-ги^ и технических решений при создании новой техники.

Этот класс установок должен быть ориентирован на широк^з^^о гамму топлив (многотопливность): жидкое, газообразное, твердое, отходыЛесной и сельскохозяйственной промышленности, биогаз, продукты пер^{работки} бытовых отходов, продукты подземной или промышленной газ:<�офИкацИИ твердых топлив, отходов нефтедобычи и нефтепереработки, и др.

В зависимости от складывающихся ситуаций в процессе экохюхуатации рассматриваемых установок возможно изменение вида топлива, в сн^з^ с чем к ним должно быть предъявлено требование приспособляемости к иг^^енению условий эксплуатации.

Принципиально в качестве автономных могут быть 1×5>И:менены теплоэнергетические установки с различными типами агрегатов: -Огвигатели внутреннего сгоранияпаровые и газовые турбины или их комбинациях.

Каждый из этих типов агрегатов может оказаться рациональны^^ для или иной конкретной области применения и вида топлива.

К автономным энергетическим установкам должно быть предъявлено требование комплектности и блочной поставки, а, следовательно, необходимо создания малогабаритных турбин, камер сгорания, насосов и теплообменного оборудования.

Разрабатываемые автономные энергетические установки: должны работать с минимальными вредными выбросами в окружающую среду за счет применения высокоэффективных технологий сжигания, что о (5есггечивает экологическую безопасность установок.

Особенности эксплуатации автономных установок, тяжелые климатические условиянедостаточная, поройквалификация обслуживающего персоналатребуют большой надежности агрегатов, простотымонтажа, ремонта, а также высокой степени* автоматизации,, включая" компьютерное: управление:

В> связи? с актуальностью поставленных задач по развитию) автономной-энергетики и 1 высокойвостребованностью' их на рынке локальных* источников! электрической и тепловой! энергии, был выполнен комплекс теоретических! и экспериментальных исследований, направленных на! разработку и создание микротурбинных генераторов (МТГ) мощностью 100 -кВт.

В зарубежной и отечественной литературе такие установки называют микротурбинами. Микротурбина — это автономная тепловая электростанция малой мощности. Микротурбинаимеет электрическую мощность от нескольких киловатт до 1000 кВт. Микротурбина — это электростанция" с очень низким уровнем вредных выбросов: Микротурбина, не требует больших расходов, на эксплуатацию и обслуживание. Минимальная электрическая мощность микротурбины — несколько кВт. Микротурбины легко объединяются в кластер — единую энергетическую систему. Кластер из микротурбин позволяет вырабатывать значительную мощность — до 10 МВт. В режиме когенерации микротурбина способна успешно решать задачи теплоснабжения различных объектов: Тригенсрация, применительно к микротурбине, дает возможность преобразовывать избытки тепловой энергии, в холод, производимый абсорбционными холодильными машинами (АБХМ).

Микротурбины имеют чрезвычайно низкий уровень эмиссий 1ЧОх < 15 ррт, что позволяет устанавливать их даже в жилых массивах. Микротурбина — это новый экологический стандарт для всех автономных электростанций. Микротурбина представляет собой яркий образец инновационных технологий в сфере электроэнергетики. Микротурбины надежно работают с топливом широкого спектра, это: природный газ с любым давлениему биогаз, попутный нефтяной газ с высоким содержанием серы дизельное топливо, сжиженный газ — пропан, другие виды топлива.

Микротурбинные установки безупречно приспособлены для работы с неравномерными нагрузками. При снижении электрической нагрузки в ночное время, микротурбины способны в течение длительного времени работать, с мощностью от 1%, без какого-либо снижения ресурса эксплуатации. Эта инновационная особенность позволила применять. микротурбины для автономного энергоснабжения: жилых домов, торговых центровофисных сооружений, бассейнов, больниц, предприятий общественного питания. Также легко, микротурбина справляется и с пиковыми нагрузками.

Для управления микротурбины используется современная цифровая система, которая отслеживает все ключевые параметры работы электростанции. Система управления не требует постоянного присутствия персонала. Мониторинг микротурбины может осуществляться с помощью удаленного доступа через телефонную (SMS), модемную или спутниковую связь.

Воздушное охлаждение микротурбины повышает надежность установки и удешевляет эксплуатацию. Работа без вибраций, низкий уровень шума позволяет использовать установки в жилых кварталах и на морских газодобывающих платформах.

Преимущества микротурбин (микротурбинных генераторов): возможность работы в течение длительного времени при низких нагрузках,.

• низкий уровень выбросов, вибраций, шума,.

• работа без смазок и моторного масла,.

• низкая стоимость эксплуатационных расходов.

• длительный ресурс до капитального ремонта,.

• возможность работы на различных видах топлива.

• высокая надежность.

Всё вышесказанное определяет высокую актуальность диссертационной работы.

В первой главе приведен обзор и состояние развития современных микротурбинных генераторов малой мощности (микротурбин), производимых зарубежными производителями. Представлены основные характеристики, области применения, конструктивное исполнение. Сформулированы цели и задач исследования.

Вторая глава посвящена теоретическому исследованию! и выбору параметров и характеристик микротурбинных генераторов малой мощности. Разработано методологическое обеспечение для исследования тепловых схем МТГ малой мощности. Выполнена параметрическая оптимизация, на основании которой произведен выбор оптимальных параметров и характеристик МТГ малой мощности.

В третьей главе разработаны принципы построения конструктивной схемы перспективного МТГ малой мощности. Выбраны основные элементы МТГ, обоснованы их характеристики.

Четвертая глава посвящена прочностному обоснованию основных элементов перспективного МТГ.

В пятой главе описаны экспериментальные стенды и установки, объекты исследования, методики проведения экспериментальных исследований и обработки экспериментальных данных представлены результаты экспериментальных исследований основных элементов МТГ и сравнение их с теоретическими исследованиями.

В шестой главе приведено описание конструктивного облика перспективного МТГ малой мощности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

• разработаны и обоснованы основные технические решения с применением комплекса современных теоретических методов трёхмерного численного моделирования основных узлов микротурбинного генератора с максимальным использованием конструкторско-технологических решений. К таким решениям относятся применение малорасходных высокоэффективных радиально-осевых турбин с внутренним КПД по полным параметрам не менее 90% и начальной температурой газа перед турбиной, равной 1173Кмалорасходных центробежных компрессоров с политропическим КПД = 0.82 и степенью повышения давления не менее 3.8- газодинамических подшипниковш высокооборотных электрогенераторов с преобразователями с частотой > вращения ротора до' 60 000 об/мин, низкотоксичных камер сгорания с низким уровнем эмиссий NOx <15;

• > цикл микротурбинного генератора с регенерацией позволяет выполнить задачу создания MTF с-внутренним КЦД не менее 34.35%. Полученные параметры и характеристики' практически обеспечивают принятые оптимальные параметры тепловой схемы микротурбинного генератора;

• показано, что создание микротурбинного генератора на уровень КПД 0,33.0,34, при достигнутых на сегодняшний день КПД турбомашин и гидравлических потерь в трактах, по простой схеме MIT не представляется возможным;

• проведены стендовые модельные испытания основных узлов МТГ, с идентификацией численных моделей с экспериментальными результатами и оптимизацией технических решений по результатам испытаний;

• оптимизированы термодинамические параметры основных узлов микротурбинного генератора малой мощности — компрессора, камеры. сгорания и турбины, а их характеристики взаимоувязаны для> работы в едином турбоагрегате;

• оптимизирован, спроектирован и создан центробежный компрессор со степенью сжатия и политропический КПД на номинальном режиме 3.8 и 82% соответственно. Тестовые испытания практически подтвердили эти характеристики;

• оптимизирована, разработана и изготовлена неохлаждаемая радиально-осевая турбина с КПД по полным параметрам 0.895. Тестовые испытания практически подтвердили эти характеристики;

• спроектирована, изготовлена и испытана выносная малоэмиссионная камера сгорания, обеспечивающая заданную радиальную и окружную эпюры температур перед турбиной. И уровень выбросов NOx< 7 мг/нм .

• с помощью численных методов было выполнено расчётное исследование по определению прочностных характеристик основных узлов МТГ: турбины, компрессора, ротора и камеры сгорания;

• в процессе конструкторских проработок и прочностных расчетов была определена оптимальная форма рабочего колеса турбины — с удлиненной в осевом направлении выходной кромкой лопаток. Статическая прочность рабочего колеса турбины, изготовленного из сплава ЭП975-ИД, обеспеченазапас по пределу текучести больше 1.30- запас по. пределу длительной прочности на 25 000 часов близок к 1.50. [РТМ 108.022.106−86]. В процессе численных исследований были изучены характерные и наиболее опасные формы собственных колебаний рабочего колеса турбины. В процессе расчетов определены места наибольших напряжений РК компрессора — поверхность центрального отверстия и прикорневая часть входных кромок лопаток. В процессе выполнения конструкторских проработок и прочностных расчетов был выбран работоспособный вариант колеса компрессора, характеризующийся минимальной толщиной обода, равной 2 мм;

• накоплен уникальный опыт технологического освоения производства газотурбинного оборудования в условиях использования современного машиностроительного комплекса по таким технологическим операциям как изготовление центробежных компрессоров, радиально-осевых турбин, газодинамических подшипников и др.