Технические науки / 5. Энергетика

д.т.н. Силуянова М.В.*, Попова Т.В.*, Ломазов В.С.**, Князев А.Н.**

ФГБОУ ВПО «МАТИ - Российский государственный технологический университет имени К.Э.Циолковского»*

ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова»**

Исследование схем сложных термодинамических

циклов микротурбин

В настоящее время выработка электроэнергии или тепла в малой энергетике (до 1 МВт), как правило, производится поршневыми двигателями (ДВС). ДВС имеют высокий КПД (40% и более), их конструкция и технология производства за многие десятилетия достигли совершенства, налажено их крупносерийное производство, а, следовательно, ДВС имеют низкую себестоимость. Даже при хронических недостатках — высокой эмиссии NO_х, трудной эксплуатации в зимних условиях достойной альтернативы им в настоящее время нет. С появлением газотурбинных установок (ГТУ) малой мощности появилась надежда на создание альтернативных энергоустановок. Действительно, ГТУ имеют существенные преимущества перед ДВС: компактны, имеют меньший удельный вес, при использовании высокооборотных электрогенераторов имеют высокий ресурс, существенно более простую эксплуатацию, в том числе в зимних условиях, возможность достижения низких уровней эмиссии NO_x. В дополнение к этому, современная централизованная энергетическая инфраструктура не может подключить всех желающих производителей и потребителей. По данным Объединённого института высоких температур РАН на апрель 2011 г. энергетики смогли удовлетворить всего 10 % заявок потребителей на подключение (Московский регион). В случаях, когда потребная мощность лежит в пределах от нескольких единиц до нескольких сотен кВт оказывается, что выгоднее применить автономные микротурбины.

В микротурбинах возможно организовывать накопительный и кластерный принципы работы.Благодаря высоким эксплуатационным характеристикам из микротурбин возможно создавать кластеры. Это позволяет гибко реагировать на нужды потребления энергии. Кластерный принцип заключается в организации параллельной работы сразу нескольких микротурбин, благодаря этому можно производить больше электроэнергии для удовлетворения нужд и повышения надежности обеспечения энергией потребителя.

Накопительный принцип реализуется благодаря установке буферных аккумуляторных батарей (АКБ), необходимых для поддержания на выходе стабильного напряжения при работе в автономном режиме. Микротурбины практически все время работают на переходных режимах, АКБ позволяет системе управления компенсировать недостающую электрическую мощность на время, пока скорость вращения ротора двигателя достигает необходимых оборотов. Что позволяет принять 100% нагрузки и исключить возможность холостого хода, благодаря чему достигается до 40% экономии топлива.

Преградой для широкого применения ГТУ малой мощности является их низкий КПД в простой схеме — не более 24 - 26%, т.е. в 1,5..1,8 раза ниже ДВС [1]. Это преимущество существенно снижается при применении более эффективных циклов, таких как широко известную схему с регенерацией тепла за турбиной, однако данная схема позволяет использовать только жидкое или газообразное топливо, для реализации горения твердого топлива возможно использовать схему с внешним подводом тепла (рис.1). Принцип работы схемы: воздух, прошедший компрессор, нагревается в высокотемпературном теплообменнике, срабатывает на турбине и далее используется в тепловой установке в качестве окислителя. Продукты сгорания, прошедшие через теплообменник, могут далее поступать на котел-утилизатор. Такая схема позволяет использовать все виды топлива при простой конструкции и имеет достаточно высокий КПД.

Рис.1. – Схема с внешним подводом тепла

Для сравнения максимально достижимых значений параметров по двум циклам при температуре 1100 К сведены в Таблицу 1.

Таблица 1. Параметры схемы с внешним подводом тепла при 1100 К

Максимально достижимые параметры	ГТУ с внешним подводом тепла	ГТУ регенерацией тепла
КПД	33%	32%
Мощность	144.2 кВт	163.8 кВт
Степень повышения давления	2.858	3.199

В перспективе возможно поднять температуру газа перед турбиной до 1200 К данные представлены в Таблице 2. В результате сравнения можно сделать вывод, рассматриваемые схемы не имеют принципиальных различий в параметрах и позволяют получить высокий КПД при низких степенях повышения давления.

Разумеется, что для создания энергоустановки на базе схемы с внешним подводом тепла потребуется разработка целого ряда технологий: технология сжигания твердого топлива, создание высокоэффективного теплообменного регенератора и др.

Таблица 2. Параметры схемы с внешним подводом тепла при 1200 К

Максимально достижимые параметры	ГТУ с внешним подводом тепла	ГТУ регенерацией тепла
КПД	37%	36%
Мощность	184.4 кВт	213.7 кВт
Степень повышения давления	2.964	3.359

В настоящее времяведутся работы по исследованию и разработке энергоустановки с внешним подводом тепла. В процессе работы был разработана система сжигания твердого топлива для газотурбинной установки. Это удалось реализовать за счет твердотопливной горелки.

Принцип работы: Топливо в гранулах или в виде мелкой угольной фракции (штыба) подается в керамическую чашку, где при ά=0,2~0,25 газифицируется. Скорость движения генераторного газа ниже скорости витания частиц золы за счет чего аэродинамическая очистка генераторного газа от твердых включений происходит во внутренней полости газификатора. Работа горелки была подтверждена испытаниями[1].

В настоящее время большое внимание уделяется разработке высокоэффективного пластинчатого теплообменника. По данной проблеме уже были проведены экспериментальные исследования, разработана аналитическая программа расчета, позволяющая определить основные параметры теплообменника при проектировании, создана методика проектирования пластины пластинчатого аппарата с волнообразной поверхностью [2], разработана технология штамповки и роликовой сварки пакетов пластинчатого теплообменника, и на данный момент идет подготовка к испытаниям. Благодаря проделанной работе по схеме с внешним подводом тепла, удалось изготовить образец-демонстратор мощностью несколько  кВт.

В заключение необходимо отметить, что микротурбины с использованием сложных термодинамических циклов в сопряжении с накопительными и кластерными принципами работы являются хорошей альтернативой ДВС и решением многих проблем в российской энергетике.

Литература:

1. Попова Т.В. Анализ микротурбин со сложными термодинамическими циклами // Тезисы докладов LХ Научно-технической сессии по проблемам газовых турбин и парогазовых установок. – Санкт-Петербург, 2012. – с. 132-138.

2. Попова Т.В., Дробыш М.В., Силуянова М.В. Проектирование параметрической 3D-модели пластины теплообменного аппарата //  Научные труды XXXIX Международной молодежной конференции «Гагаринские чтения» в 9 томах. — М.: МАТИ, 2013. Т2., 316 с., с. 266-267.