Делай, что должен. Как сделать паровую турбину

Компания Infynity Turbine выпустила электрогенератор на микротурбине, работающий в органическом цикле Ренкина. Многие спросят: «А что такое вообще органический цикл Ренкина?» Для начала вспомним, что же есть обычный, не органический цикл Ренкина.

Цикл Ренкина - это самый распространенный термодинамический процесс на ТЭЦ. Фактически, все паровые турбогенераторы на ТЭЦ работают в цикле Ренкина или в его вариациях. Сначала происходит нагрев и испарение воды, затем перегрев пара, перегретый пар расширяясь вращает турбину, отработанный пар конденсируется с помощью охлаждающей воды, сконденсированный пар сжимается для подачи в парогенератор.

Цифрами обозначено: 1 - вход тепла; 2 - теплообменник; 3 - турбина/генератор; 4 - насос; 5 - конденсатор; 6 - отработанное тепло.

В органическом цикле Ренкина (ORC) вместо воды, в качестве рабочего тела используются органические жидкости, кипящие при более низких температурах. Органические жидкости имеют более высокую молекулярную массу, замедляющую скорость вращения турбин. Например, могут использоваться фреоны, аналогчные используемым в холодильной технике. За счет применения такого рабочего тела становиться возможным использование низкотемпературных источников тепла (70 - 90ºС). Это могут быть такие системы накопления тепла как: солнечные пруды, градирни, гейзеры, солнечные коллетора и даже системы отопления. КПД подобных генераторов невелик, но из-за дешевизны такого вида тепла и большого сумарного КПД системы подобные генераторы могут занять свою нишу.

Схема работы ORC турбины

Что значит суммарный КПД?

Дело в том, что, например, при работе генератора ORC в системе отопления, источником будет служить теполноситель «подачи», а охлаждением будет являться «обратный» теплоноситель. Т.е. все тепло в конечном счете будет все-равно утилизировано системой отопления. При работе такого генератора с системой отопления, потребитель получает свою собственную надежную ТЭЦ с высоким КПД.

Внешний вид микротурбины Infinity Turbine IT10

Преимущества

• Созданы микротурбины мощностью от 2кВт! Мощностной ряд турбин других производителей обычно начинается от 100квт.
• Частота вращения турбины 1800 - 3600 об/мин. Турбина напрямую (или через муфту) подсоединяется к обычному электрогенератору. Используются обычные подшипники, обычные смазки. Напротив, у типовых микротурбин частота вращения достигает 100 тыс. об./мин. Это требует огромных усилий по удержанию турбины. Используются прецезионные керамические или воздушные подшипники, смазки, воздушные фильтра и т.п.
• Возможность многолетней работы без техобслуживания
• Работает при разности температур между нагревателем и охладителем в 50 ºС

Области применения турбин с органическим циклом Ренина

• Утилизация тепла от газовых, твердотопливных, жидкотопливных, ТЭЦ, ТЭС;
• Утилизация тепла компрессорных станций;
• Утилизация тепла промышленных процессов (металлургия, кирпичные, цементные, стекольные, спирт заводы и т.п.);
• Утилизация тепла сгорания биомассы (пеллеты, торф,);
• Утилизация тепла мусоросжигающих заводов, отходы деревообработки;
• Утилизация тепла сжигаемых нефтяных газов;
• Утилизация тепла от дизельных и турбогенераторов;
• Утилизация тепла сточных горячих вод;
• Геотермальных источников;
• Выхлопных газов;
• Утилизация тепла газовых и нефтяных скважин

Для домашних мастеров

На видео конструктор собрал дома установку с ORC. В основе установки серийные части от автомобилей и холодильной техники: спиральный компрессор от автокондиционера, турбина авто турбонагнетатель и т.п.

Видео на английском языке

Компания Infynity Turbine выпустила электрогенератор на микротурбине, работающий в органическом цикле Ренкина. Многие спросят: «А что такое вообще органический цикл Ренкина?» Для начала вспомним, что же есть обычный, не органический цикл Ренкина.

Цикл Ренкина - это самый распространенный термодинамический процесс на ТЭЦ. Фактически, все паровые турбогенераторы на ТЭЦ работают в цикле Ренкина или в его вариациях. Сначала происходит нагрев и испарение воды, затем перегрев пара, перегретый пар расширяясь вращает турбину, отработанный пар конденсируется с помощью охлаждающей воды, сконденсированный пар сжимается для подачи в парогенератор.

Цифрами обозначено: 1 - вход тепла; 2 - теплообменник; 3 - турбина/генератор; 4 - насос; 5 - конденсатор; 6 - отработанное тепло.

В органическом цикле Ренкина (ORC) вместо воды, в качестве рабочего тела используются органические жидкости, кипящие при более низких температурах. Органические жидкости имеют более высокую молекулярную массу, замедляющую скорость вращения турбин. Например, могут использоваться фреоны, аналогчные используемым в холодильной технике. За счет применения такого рабочего тела становиться возможным использование низкотемпературных источников тепла (70 - 90ºС). Это могут быть такие системы накопления тепла как: солнечные пруды, градирни, гейзеры, солнечные коллетора и даже системы отопления. КПД подобных генераторов невелик, но из-за дешевизны такого вида тепла и большого сумарного КПД системы подобные генераторы могут занять свою нишу.

Схема работы ORC турбины

Что значит суммарный КПД?

Дело в том, что, например, при работе генератора ORC в системе отопления, источником будет служить теполноситель «подачи», а охлаждением будет являться «обратный» теплоноситель. Т.е. все тепло в конечном счете будет все-равно утилизировано системой отопления. При работе такого генератора с системой отопления, потребитель получает свою собственную надежную ТЭЦ с высоким КПД.

Внешний вид микротурбины Infinity Turbine IT10

Преимущества

• Созданы микротурбины мощностью от 2кВт! Мощностной ряд турбин других производителей обычно начинается от 100квт.
• Частота вращения турбины 1800 - 3600 об/мин. Турбина напрямую (или через муфту) подсоединяется к обычному электрогенератору. Используются обычные подшипники, обычные смазки. Напротив, у типовых микротурбин частота вращения достигает 100 тыс. об./мин. Это требует огромных усилий по удержанию турбины. Используются прецезионные керамические или воздушные подшипники, смазки, воздушные фильтра и т.п.
• Возможность многолетней работы без техобслуживания
• Работает при разности температур между нагревателем и охладителем в 50 ºС

Области применения турбин с органическим циклом Ренина

• Утилизация тепла от газовых, твердотопливных, жидкотопливных, ТЭЦ, ТЭС;
• Утилизация тепла компрессорных станций;
• Утилизация тепла промышленных процессов (металлургия, кирпичные, цементные, стекольные, спирт заводы и т.п.);
• Утилизация тепла сгорания биомассы (пеллеты, торф,);
• Утилизация тепла мусоросжигающих заводов, отходы деревообработки;
• Утилизация тепла сжигаемых нефтяных газов;
• Утилизация тепла от дизельных и турбогенераторов;
• Утилизация тепла сточных горячих вод;
• Геотермальных источников;
• Выхлопных газов;
• Утилизация тепла газовых и нефтяных скважин

Для домашних мастеров

На видео конструктор собрал дома установку с ORC. В основе установки серийные части от автомобилей и холодильной техники: спиральный компрессор от автокондиционера, турбина авто турбонагнетатель и т.п.

Видео на английском языке

Гринман М.И. к.т.н., Фомин В.А. к.т.н,
ООО «Комтек-Энергосервис», г. Санкт-Петербург

1. Общие положения

В условиях быстрого роста цен на органическое топливо энергосбережение во всех отраслях промышленности является важнейшим фактором снижения себестоимости производства продукции и повышения её конкурентоспособности. Основные направления энергосбережения:

Утилизация низкопотенциальной энергии промышленных предприятий;

Создание простых и надёжных энергетических установок для производства тепловой и электрической энергии, работающих на местных видах топлива;

Повышение коэффициента использования теплоты топлива в энергетических установках, работающих на мини-ТЭЦ и магистральных газопроводах.

Решение перечисленных проблем сдерживается отсутствием на энергетическом рынке установок, позволяющих утилизировать тепловую энергию с низкими параметрами теплоносителей.

Для энергетических установок, утилизирующих низкопотенциальную энергию, применяют низкокипящие рабочие тела (НРТ), которые имеют достаточно высокие давления насыщенных паров при низких температурах. и поэтому давно привлекают внимание разработчиков в различных областях энергетики и, в частности, в геотермальной энергетике. В качестве НРТ применяют фреоны, водный раствор аммиака, пентан, изопентан, бутан, изобутан и др.

При выборе НРТ необходимо выполнять ряд требований:

Дешевизна рабочего тела;

Хорошие теплофизические свойства (максимум работы при минимальных параметрах);

Нетоксичность;

Отсутствие экологического воздействия на окружающую среду (озоновый слой, парниковый эффект);

Замерзание при достаточно низких отрицательных температурах, что важно для климатических условий северных регионов.

Область применения таких установок с НРТ достаточно широка.

В различных отраслях промышленности применяются сотни промышленных печей со сбросом горячих газов в атмосферу. В таких промышленных установках можно использовать теплоту уходящих газов в водогрейных или паровых котлах, из которых нагретую воду или пар подавать в контур с НРТ для выработки электроэнергии.

На магистральных газопроводах установлены сотни газотурбинных компрессорных станций со сбросом горячих газов в атмосферу. Такие ГТУ можно перевести в режим парогазовых установок (ПГУ) с применением контуров с НРТ. Такую же схему можно применить для энергетических ПГУ малой мощности.

Дешёвые местные виды топлива можно сжигать в водогрейных котлах, а горячую воду из них использовать в качестве греющего теплоносителя в контуре с НРТ.

В газопоршневых машинах контуры с НРТ можно использовать для утилизации теплоты выхлопных газов и теплоту системы охлаждения двигателя.

2. Комбинированная энергетическая установка

Для повышения тепловой экономичности энергетических установок и оптимизации режимных характеристик в ООО «Комтек-Энергосервис» разработана комбинированная энергетическая установка, состоящая из противодавленческой паровой турбины, к выхлопу которой параллельно подключены теплофикационная установка и контур с низкокипящим рабочим телом. В установке реализованы паровой и органический циклы Ренкина.

Преобразование низкопотенциальной тепловой энергии в механическую и далее в электрическую происходит в замкнутом бутановом контуре, который включает в свой состав парогенератор (испаритель) бутана, бутановую турбину с электрогенератором, конденсатор бутана, насосное и вспомогательное оборудование (рисунок 1). Для уменьшения затрат электроэнергии на сжатие жидкого бутана применено многоступенчатое сжатие: в конденсатном насосе и в одном или двух струйных термонасосах (инжекторах).

Области применения предлагаемого бутанового контура в промышленном и коммунальном тепло- и электроснабжении многообразны и определяются источником низкопотенциальной теплоты, подводимой к парогенератору бутана.

3. Конструкция агрегатов бутанового контура

3.1.Конструкция бутановой турбины.

Применение бутана в качестве рабочего тела позволяет создать компактную малогабаритную турбину, так как объемный расход пара через последнюю ступень в случае применения бутана уменьшается на два порядка. Так при температуре конденсации 30 0 С, удельный объем водяного пара составляет 32,89 м3/кг при давлении 0,0425 бар, в то время как у бутана (R 600) – 0,141 м3/кг при давлении 2,81 бар. В результате в бутановом контуре отсутствует вакуумная система удаления воздуха из конденсатора со всеми ее

Рис.1. Принципиальная тепловая схема бутанового контура.

Обозначения: ИБ – испаритель бутана; ЭкБ – экономайзер бутана; ТБ – турбина бутановая; Конд. – конденсатор; ВПБ – водяной подогреватель бутана; КНБ – конденсатный насос бутановый; ИВД – инжектор высокого давления (острого пара); ИНД – инжектор низкого давления.

эксплуатационными проблемами. Это позволяет создавать конструкции минимальных габаритов из обычных материалов (низкий уровень температур, минимальные окружные скорости и напряжения). Турбинная часть установок на бутане или пентане представляет собой газовую турбину, работающую с низкими параметрами газа и поэтому достаточно надёжную. Аналогом таких турбин являются турбодетандеры, преобразующие энергию в процессе понижения давления природного газа при его подаче из магистрального газопровода к потребителю.

3.2. Конструкция теплообменного оборудования.

Производство пара НРТ происходит в парогенераторе. Он представляет собой кожухотрубный теплообменник, в котором греющий теплоноситель проходит внутри трубной системы, расположенной в объёме НРТ (рис.1). Пар, полученный в процессе испарения, сепарируется и направляется в турбину.

Конденсация пара НРТ после турбины производится в конденсаторе. Если в районе расположения мини-ТЭЦ имеется достаточное количество воды, то можно применять конденсатор с водяным охлаждением, в противном случае – с воздушным охлаждением.

Потери НРТ в установке при нормальных эксплуатационных режимах практически отсутствуют, так как протечки через концевые уплотнения турбины невелики и составляют 2-3 л/мин. Эти протечки улавливаются системой сбора НРТ и возвращаются в контур. При ремонтах производится закрытый слив жидкого НРТ из контура в специальные ёмкости с последующей продувкой контура водяным паром. Потери НРТ в процессе эксплуатации восполняются из баллонов.

Агрегаты бутанового контура скомпонованы в герметичном контейнере. В соответствии с правилами обслуживания помещений с взрывоопасными газами кратность принудительной циркуляции воздуха в контейнере с оборудованием равна пяти.

Масса бутана в контуре составляет приблизительно 1500 кг. Бутан не токсичен и не является коррозионно – активным рабочим телом, поэтому турбина, трубопроводы, арматура и вспомогательное оборудование выполняются из углеродистых сталей.

4. Варианты тепловых схем энергетических установок с применением НРТ.

4.1. Совмещение контура с НРТ с противодавленческими турбинами малой мощности.

Выработка электроэнергии на тепловом потреблении наиболее эффективна, поэтому на многих промышленных и муниципальных паровых котельных устанавливают противодавленческне турбины, имеющие минимальные габариты, простые в эксплуатации, дешевые и не требующие сложного сервиса.

Основной недостаток варианта надстройки котельных паровыми противодавленческими турбинами состоит в том, что они могут работать только при наличии тепловой нагрузки.

Летом, когда тепловая нагрузка горячего водоснабжения составляет только 15% от номинальной, турбина не сможет работать, если не будет дополнительной нагрузки, связанной с потреблением пара низких параметров на технологические нужды.. В результате коэффициент использования установленной мощности в среднем за год может составлять 0,5 и ниже.

Наиболее эффективно подстраивать к выхлопу противодавленческих турбин контур, работающий на бутане, так как уровень температур греющего пара составляет 130-150 0 С. В этом случае любая недогрузка противодавленческой турбины по тепловой мощности передаётся в дополнительный контур (рис.2).

Обозначения: 1 – стопорный и регулирующий клапаны с пневмоприводом; 2 – бутановая турбина; 3 – «сухие» бутановые уплотнения; 4 – воздушный конденсатор; 5 – конденсатный насос; 6 – инжектор; 7 – испаритель бутана; 8 – паровая турбина типа Р-6-3,4/0,5; 9 – подогреватель бутана смешивающий струйного типа; 10 – БРОУ.

Совместная работа парового и бутанового контуров может обеспечить коэффициент использования установленной мощности паровой турбины, равный 1, независимо от тепловой нагрузки.

При создании комбинированной установки, состоящей из противодавленческой турбины и бутанового контура, годовая выработка электроэнергии удваивается. Это происходит за счёт того, что даже в периоды отсутствия тепловых нагрузок противодавленческая турбина работает на номинальной мощности, и, кроме того, в эти периоды электроэнергия дополнительно вырабатывается в бутановом контуре.

Теплоэнергетическая установка содержит паротурбинную установку с электрическим генератором и системой отпуска электроэнергии, отличающаяся тем, что она снабжена фреоновой ступенью, содержащей фреоновую турбину, сухую вентиляторную градирню, насос и испаритель, установленные последовательно, соединенные гидравлически и образующие фреоновый контур теплоэнергетической установки. Паровая турбина, электрический генератор и фреоновая паротурбинная установка расположены на одном валу. Техническим результатом предлагаемой полезной модели является создание теплоэнергетической установки с высоким коэффициентом полезного действия и меньшими габаритными размерами.

Предлагаемая полезная модель относится к теплоэнергетике и может быть использована в энергетических установках для выработки электрической энергии.

Известна теплоэнергетическая установка [Кутателадзе С.С, Розенфельд Л.М. / Патент 941517] включающая фреоновую паровую турбину с электрическим генератором, конденсатором, насосом и теплообменником.

Однако, указанная установка, малой мощности, работает на низких параметрах пара, имеет невысокие технико-экономические показатели.

Кроме того, известна теплоэнергетическая установка [Доброумов Л.А., Телякова Т.В.. Паротурбинные установки для ТЭС и АЭС: Отраслевой каталог / Под ред. В.Н. Бутина. - М.: Изд-во ЦНИИТЭИТЯЖМАШ, 1994. - 96 с.] являющаяся прототипом предлагаемой полезной модели и содержащая паротурбинную установку с электрический генератор и системой отпуска электроэнергии. Паротурбинная установка гидравлически соединена с испарителем.

Однако прототип имеет недостатки: в силу физических свойств воды не допускается конденсация водяного пара при температурах ниже 273 К, что обусловливает низкий коэффициент полезного действия; высокие удельные объемные расходы водяного пара, определяют значительные габаритные размеры.

Задачей предлагаемой полезной модели является создание теплоэнергетической установки с высоким коэффициентом полезного действия и меньшими габаритными размерами.

Поставленная задача достигается тем, что теплоэнергетическая установка, содержащая электрический генератор с системой отпуска электроэнергии, снабжена фреоновой ступенью, которая расположена на одном валу с электрическим генератором, причем, фреоновый контур теплоэнергетической установки - это фреоновая ступень, сухая вентиляторная градирня, насос и испаритель, которые установлены последовательно, соединены гидравлически.

На чертеже приведена структурная схема предлагаемой установки.

Предлагаемая теплоэнергетическая установка содержит паротурбинную установку и фреоновую ступень. Паротурбинная установка с системой отпуска электроэнергии состоит из паровой турбины (1), электрического генератора (2), испарителя (3), подогревателей низкого давления (4), деаэратора (5), подогревателей высокого давления (6), котла (7). Фреоновая ступень состоит из последовательно установленных и гидравлически соединенных фреоновой турбины (8), сухой вентиляторной градирни (9), насоса (10). При этом паровая турбина, электрический генератор и фреоновая паротурбинная установка расположены на одном валу.

Данная установка работает следующим образом: водяной пар поступает в паровую турбину (1), затем пар поступает в испаритель (3), где конденсируется за счет поступающего в испаритель (3) фреона, затем сконденсировавшийся пар (вода) идет на подогреватели низкого давления (4), затем в деаэратор (5) и далее в подогреватели высокого давления (6) и последовательно в котел (7). По фреоновому циклу поступающий в испаритель (3) фреон переходит в парообразное состояние за счет параметров водяного пара, затем фреоновый пар поступает на фреоновую турбину (8), отработанный фреон конденсируется в сухой вентиляторной градирни (9) и подается насосом (10) в испаритель (3), тем самым образовывая замкнутый фреоновый контур.

Таким образом, предлагаемая теплоэнергетическая установка по сравнению с прототипом: имеет фреоновую ступень, которая использует фреон в качестве рабочего тела; в силу физических свойств фреона, по сравнению с водой, обеспечиваются малые удельные объемные расходы фреона, что обусловливает уменьшение габаритов. За счет конденсации фреонового пара при температурах ниже 273 К обеспечивается высокий коэффициент полезного действия.