Автономные источники электросабжения на основе паровых и газовых турбин малой мощности

Технологические ограничения на пути практической реализации концепции распределённых систем генерации были сняты только с началом коммерческого производства совершенно нового класса энергетического оборудования – микротурбин (30 кВт – 1 МВт). В настоящее время лишь немногим международным компаниям удалось наладить массовый выпуск надёжных, простых и относительно недорогих газовых микротурбин. Среди них признанные мировые лидеры в указанном диапазоне мощностей: 

1. Capstone Turbine Corporation (США) – производство микротурбин мощностью 30, 65, 200, 600, 800, 1000 кВт.
2. Ingersoll Rand (США) – производство микротурбин мощностью 250 кВт.
3. OPRA (Голландия) – производство малых турбин мощностью 2 МВт.

Микротурбинные  электростанции на российском рынке  представлены установками Calnetix Power Solutions (ранее Elliott Energy Systems), Capstone Turbine Corporation, Ingersoll-Rand и Turbec.

Основным  преимуществом микротурбин является возможность их применения на объектах с большой цикличностью нагрузок (зима-лето, день-ночь и основное –  часовые перепады).

Потребителями таких мощностей, как правило, являются: жилые дома, офисные, развлекательные и торговые центры, бани, бассейны, складские помещения, предприятия быстрого питания, малого и среднего бизнеса, больницы, прачечные и др. с единовременной нагрузкой 100-1500 кВт.

На таких  объектах, к примеру днём, электрическая  нагрузка может достигать до 1000 кВт, а ночью падать до 20-30 кВт. Применение газопоршневых машин в таких случаях нереально, т.к. минимальная рекомендуемая долговременная нагрузка должна составлять не менее 30-50 % единичной мощности агрегата (данные из эксплуатационной документации), а работать параллельно с сетями, как это принято и поощряется государством в зарубежных странах, у нас ещё невозможно по ряду причин. В то же время микротурбинная установка может работать в течение длительного времени при очень низких нагрузках, в том числе в режиме холостого хода.

Кроме того, микротурбинны отличаются от газопоршневых установок высокими эксплуатационными характеристиками. К ним можно отнести низкие затраты на эксплуатацию и обслуживание, высокую заводскую готовность, практически  отсутствие вибраций и возможность  установки на крыше зданий, экологически чистый выхлоп, большой диапазон изменения  нагрузок, отсутствие внешних охладителей, необходимых газопоршневым установкам при отсутствии теплосъёма. Эти особенности позволяют считать данное оборудование наиболее востребованным и перспективным для применения на объъектах с нагрузками 10-1500 кВт. 

    3.2 Конструкция турбогенератора 

  Турбогенератор микротурбинной установки включает в себя газотурбинный двигатель и генератор. Газотурбинный двигатель состоит из компрессора, рекуператора, камеры сгорания, турбины и выхлопного газохода.

Запуск  микротурбинного двигателя осуществляется от встроенного блока аккумуляторных батарей. Двигатель охлаждается воздухом и не потребляет масло. Крыльчатка компрессора и ротор турбины смонтированы на одном валу с генератором. Малый вес вала двигателя уменьшает инертность микротурбины, позволяя быстрее реагировать на повышение и снижение выходной мощности. Этот вал поддерживается на воздушных подшипниках. Скорость вращения вала двигателя генератора 45 000 — 96 000 об/мин. При скорости 96 000 об/мин выходное напряжение составляет 277 В. Двухполюсный генератор на постоянных магнитах охлаждается потоком воздуха, поступающего в двигатель. На выходе генератора формируется трехфазный электрический ток переменного напряжения и частоты (до 1600 Гц) в зависимости от скорости вращения генератора, который конвертируется в постоянный ток, а затем ISO.  

   Рис. 3.1 Внешний вид турбогенератора и единый вал турбогенератора  

Инновацией, примененной в микротурбинах семейства Capstone, являются воздушные подшипники. Они поддерживают вал ротора генератора в подвешенном бесконтактном состоянии. Воздушный подшипник состоит из двух компонентов. Внешняя часть, выполненная из особого высокотемпературного сплава, имеет цилиндрическую форму. Внутренняя часть представляет собой тонкую волнообразную окружность, выполняющую роль пружины под которой расположена лента. Пружины создают силу противодействия лентам и воздуху, что позволяет валу находиться в устойчивом положении на воздушных подушках. Благодаря особой аэродинамической форме подшипника при скорости вращения свыше 2000 об/мин образуется воз душная пленка, которая отделяет вал от ленты подшипника и защищает его от износа. Это снимает необходимость использования масел и лубрикантов, что позволяет значительно снизить эксплуатационные расходы. Кроме того, малое количество сопрягаемых частей снижает до минимума риск повреждения деталей турбогенератора и обеспечивает высоконадежную и безопасную работу микротурбины. Это также является одним из ключевых факторов длительного срока службы до капитального ремонта до 60 000 ч. За счет высокой частоты вращения вала и воздушных подшипников достигается низкий уровень шума и вибраций энергоустановки.

Микротурбинная установка может эффективно использоваться в широком диапазоне углеводородных газов и жидкого топлива с различной теплотворной способностью. Топливная система мониторит, дозирует и подает топливо в двигатель от источника топлива, а также поддерживает в газообразном состоянии жидкое топливо. Это возможно благодаря конструктивным особенностям инжекторов и специальным дозирующим клапанам, создающим оптимальную топливно-воздушную смесь, что приводит к максимально эффективному сгоранию топлива.

Тщательные  рабочие испытания и опыт эксплуатации турбины показали надёжную работу топливной  системы и камеры сгорания, которая  пригодна для работы на разных видах  топлива: природный, шахтный, сниженный, попутный газы ( в том числе с высоким содержанием сероводорода), биогаз, а также жидкое дизельное топливо и керосин. Низкие требования к качеству топлива (загрязненности примесями) сочетаются с малой концентрацией вредных веществ в выбрасываемых продуктах сгорания. Это было продемонстрировано в ходе специальных испытаний и подтверждено соответствующими сертификатами официальных органов по охране окружающей среды. Уровень загрязняющих выбросов столь низок, что устанавливает новые экологические стандарты для малых электростанций.

  Контроль  и управление микротурбиной осуществляются микропроцессорной системой автоматического управления. Благодаря высокой степени автоматизации и надежной системе управления установка работает в автоматическом режиме, не требуя постоянного присутствия персонала при нормальном режиме работы. В случае критической ситуации система автоматически выключает установку и запоминает причину аварийного отключения. Система управляет режимами автоматического пуска, остановки, контролирует параметры работы, поступающие с датчиков расхода топлива, температуры, скорости вращения, электрической нагрузки и т.д. В цифровой системе управления реализованы сложные алгоритмы, которые поддерживают устойчивую работу установки и многофункциональность применения с точки зрения пользователя. В частности, предусмотрена возможность автоматического запуска при падении напряжения в сети (при использовании микро-турбины в качестве источника электроэнергии). Система управления обеспечивает работу в автономном режиме, в режиме параллельной работы с сетью для снятия пиковых нагрузок и передачи дополнительной электроэнергии в сеть.

  Система управления оснащена пультом оператора для ручного управления и программирования различных режимов. Достоинством системы является функция удаленного управления через каналы связи и сети Интернет, в том числе управления группами установок, расположенными в разных местах, но работающими как единое целое. Координацию работы системы из нескольких десятков микротурбин осуществляет специальный компьютер — Advanced Power Server, который по заданным алгоритмам синхронизирует работу генераторов и оптимизирует распределение нагрузки. Advanced Power Server позволяет осуществлять управление кластером содержащим до 100 микротурбин. Может быть задан последовательный, параллельный или смешанный режимы работы отдельных установок, объединённых в кластер. 

    3.3 Принцип работы МТУ 

Перед подачей в микротурбину внешний воздух проходит через входной воздушный фильтр малого сопротивления, использующийся для очистки воздуха, а также для снижения потери мощности двигателя. Отфильтрованный внешний воздух, проходя через генератор, охлаждает обмотки статора, что позволяет отказаться от использования дополнительных устройств охлаждения генератора. Уменьшение числа компонентов двигателя ведет к упрощению конструкции, сведению к минимуму риска поломки отдельной составной части и, как следствие, повышению надежности всей системы. Компрессор увеличивает давление воздуха, откуда сжатый воздух поступает в рекуператор. Использование рекуператора повышает электрический КПД двигателя и позволяет в 2 раза снизить объем потребляемого топлива за счет использования тепловой энергии выхлопа для подогрева воздуха, поступающего в камеру сгорания. Нагретый сжатый воздух поступает в камеру сгорания, где смешивается с топливом, и происходит возгорание смеси. Горение топливно-воздушной смеси происходит при постоянном давлении и относительно низких рабочих температурах, что приводит к снижению вредных атмосферных выбросов. Камера сгорания и колесо турбины выполнены из специальных высокотемпературных материалов, что дает возможность использовать широкий диапазон топлива с различной теплотворной способностью. Специальные антикоррозийные материалы, примененные в составе системы подвода топлива к форсункам, позволяют микротурбине работать на высокосернистом топливе с содержанием сероводорода (Н2S) до 7%. Условно низкие температуры сгорания топлива (510 — 954 С), при которых достигается минимальный уровень вредных выбросов в атмосферу, являются достаточными для сжигания высокосернистого газа без нанесения вреда двигателю. Температура выхлопных газов (260 — 309'С) препятствуют образованию конденсата серной кислоты и, как следствие„быстрому износу деталей турбины. Это также является одним из факторов увеличения ресурса до капитального ремонта.  

   Рис. 3.2 Схема (термодинамическая) микротурбинной установки  

  В турбине энергия горячего газа преобразуется в работу. При входе в сопловой аппарат турбины горячие газы расширяются и их тепловая энергия преобразуется в

кинетическую. Затем в роторной части турбины кинетическая энергия газов переходит в механическую энергию вращения ротора турбогенератора. Высокая частота вращения ротора (96 000 об/мин) позволила добиться уменьшения габаритов турбины, благодаря чему энергоустановка имеет малый вес и компактные габаритные размеры. Часть мощности турбины расходуется на работу воздушного компрессора, а оставшаяся часть является полезной выходной мощностью.

Газотурбинный двигатель приводит во вращение находящийся с ним на одном валу высокоскоростной генератор. Если установка оборудована системой когенерации (утилизации тепла выхлопных газов), то выхлопные газы из рекуператора проходят через теплообменник. Данный теплообменник передает тепло выхлопных газов циркулирующей воде, использующейся в промышленных и коммунальных системах горячего водоснабжения, обогрева помещений или для других нужд. Общий КПД турбины (электрический и тепловой) при таком режиме достигает 92%, что приводит к значительной экономии топлива и снижению себестоимости вырабатываемой энергии. Благодаря применению в конструкции двигателя особого типа генератора с постоянным магнитом в роторе и электрического инвертора вместо традиционного синхронного генератора с редуктором частота вращения ротора микротурбины изменяется от 45 000 до 96 000 оборотов и при этом не связана с выходным напряжением.

  Отсутствие  этой связи и возможность изменения частоты вращения в широком диапазоне приводят к оптимальному расходу топлива, пропорциональному нагрузке. Для запуска микротурбинной установки Capstone используется блок аккумуляторных батарей, который компенсирует ток нагрузки, в то время как двигатель набирает обороты. За счет этого микротурбина способна выдерживать 80%-й наброс нагрузки.

При единовременном сбросе нагрузки до 80% часть тока берет на себя блок аккумуляторных батарей, а скорость вращения вала замедляется с помощью тормозных резисторов. Таким образом, достигается абсолютная эластичность к нагрузке без увеличения износа двигателя и существенного снижения КПД энергосистемы.

Это свойство особенно важно для объектов с непрерывным, но неравномерном потреблением энергии, таких как объекты ЖКХ и инфраструктуры, городские жилые районы и коттеджные поселки.

Силовая цифровая электроника управляет работой микротурбины и всех ее вспомогательных систем. Она преобразует переменный ток переменной частоты от генератора в постоянный ток, а затем — в переменный ток постоянной частоты промышленной сети — 50 Гц, 380 В. Это позволяет практически мгновенно реагировать на изменение нагрузки и выдавать требуемую мощность.

3.4 Режимы работы установки 

Когенерация

  Помимо  генерации электричества, турбина может вырабатывать тепло. Для этого она должна быть укомплектована специальным устройством, утилизирующим теплоту выхлопных газов. Такие энергетические системы, совместно вырабатывающие электричество и тепло, относятся к классу CHP (Combined Heat and Power). В случае микротурбин их называют microCHP. Специально для микротурбин компанией Capstone сконструировано несколько типов таких теплообменников, рассчитанных на совместную работу с одной, двумя, четырьмя и более микротурбинами. Их производят в США, Европе, Японии. Возможно применение российских утилизаторов тепла, соответствующих по производительности, размерам соединительной арматуры и другим параметрам конструкции микротурбины. Применение установок microCHP резко повышает общий КПД (до 90% и выше) и решает задачи теплоснабжения для отопления и получения горячей воды.