Микроэнергокомплекс на базе влажно-паровой турбины, солнечного коллектора и теплового насоса

На правах рукописи

Папин Владимир Владимирович МИКРОЭНЕРГОКОМПЛЕКС НА БАЗЕ ВЛАЖНО-ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ, СОЛНЕЧНОГО КОЛЛЕКТОРА И ТЕПЛОВОГО НАСОСА 05.14.01 – Энергетические системы и комплексы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новочеркасск 2013

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образова тельном учреждении высшего профессионального образования «Южно Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И.

Платова».

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Ефимов Николай Николаевич

Официальные оппоненты:

Андрюшин Александр Васильевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой автоматизированных систем управления тепловы ми процессами ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский универ ситет «МЭИ» Чернявский Адольф Александрович, кандидат технических наук, главный специалист по экономике и альтернативной энергетике, филиал "ЭНЕКС" (ОАО) "Ростовтеплоэлектропроект"

Ведущая организация: ФГБУН «Институт проблем геотермии» Даге станского научного центра РАН

Защита состоится «25» октября 2013 г. в 14:00 в 149 ауд. главного корпуса на заседании диссертационного совета Д 212.304.08 при федеральном государ ственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова» по адресу: 346428, г. Новочеркасск, Ростовской обл., ул. Просвещения, 132.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Южно Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова».

Автореферат разослан «24» сентября 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Скубиенко Сергей Витальевич Актуальность работы. На рынке энергоснабжения отсутствуют микро энергетические комплексы (МЭК) малых мощностей для автономных индивиду альных, малоэтажных энергопотребителей, удаленных от централизованных се тей. Такие потребители вынуждены использовать установки раздельного произ водства тепловой (водогрейные котлы) и электрической энергий (дизельные, бен зо- или газопоршневые и газотурбинные установки). В связи с тем, что доля мало этажного строительства уже к 2015 году планируется довести до 60% (что состав ляет около 54 млн. м2 жилья в год) потребность в микроэнергокомплексах с каж дым годом будет расти. В настоящее время разработаны конструктивные решения малоэтажных зданий различных классов энергоэффективности. Однако энергети ческие комплексы для обеспечения их как в автономном децентрализованном ре жиме, так и в комбинированном с традиционными и нетрадиционными техноло гиями отсутствуют. Такие системы должны обеспечивать дополнение и резерви рование централизованных систем.

В диссертации изложена разработка влажно-паровой микротурбинной уста новки для систем малой распределенной энергетики на основе комбинированного использования традиционных и нетрадиционных источников энергии для объек тов малоэтажного строительства.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с научным направлением ФГБОУ ВПО ЮРГПУ (НПИ) в рамках федеральной целевой программы «Иссле дования и разработки по приоритетным направлениям развития научно технологического комплекса России на 2007—2013 годы».

Цель работы. Разработка микроэнергокомплекса на основе влажно-паровой микротурбины и комбинированного использования традиционных и нетрадици онных источников энергии для автономного энергоснабжения децентрализован ного потребителя.

При достижении поставленной цели решались следующие задачи:

- определение диапазона тепловой и электрической мощностей для различных ка тегорий автономного энергопотребления;

- разработка влажно-паровой микротурбины МЭК;

- исследование и разработка оптимального схемного решения пароприготовления использующего комбинацию традиционного топлива и солнечной энергии для микроэнергокомплекса;

- разработка схем включения компонентов МЭК, обеспечивающих тригенерацию на основе применения теплового насоса;

- исследование и разработка принципиальной тепловой схемы микроэнергоком плекса полезной электрической мощностью до 5 кВт с учетом независимого ре гулирования тепловой и электрической нагрузки;

- расчетный выбор основных элементов микроэнергокомплекса с учетом клима тических условий;

- апробация отдельных элементов комплекса на реальных объектах.

Объектом исследований является совокупность генерирующих установок по производству электрической и тепловой энергий в когенерационном микро энергокомплексе.

Научная новизна работы:

- на основании статистического анализа потребностей в энергоснабжении опреде лено, что для современных малоэтажных индивидуальных домов соотношение тепловой и электрической энергий при реальном среднесуточном потреблении семьи составляет 13:1, что позволяет осуществлять полную когенерацию дома, в отличие от возможностей существующих микроэнергетических установок;

- впервые разработана вертикальная компактная конструкция микротурбины, мощ ностью 5 кВт, что в отличие от известных горизонтальных конструкций позволяет, за счет высокой герметичности снизить потери цикла на эжекцию пара на 15-18 %;

- на основании полученного соотношения 13:1 выбрана одновенечная центростреми тельная ступень микротурбины с электрическим коэффициентом использования тепла 0.07 – 0.08 и тепловым 0.9 – 0.91, что по сравнению с существующими тур бинами позволяет повысить энергетическую эффективность работы на 35-40 %;

- установлено, что в отличие от существующих паровых турбин, оптимальная скорость вращения влажно-паровой микротурбины составляет 35000 об/мин, при которой достигается минимальный диаметр рабочего диска с допустимой высо той рабочих лопаток и обеспечивается оптимальный электрический КПД;

- впервые получена тепловая схема микроэнергокомплекса на базе влажно паровой турбины, которая позволяет использовать комбинацию традиционных и возобновляемых источников энергии для тригенерации, при независимом регу лировании тепловой и электрической мощностей.

Степень достоверности научных положений и выводов подтверждается обоснованностью принятых в работе допущений, строгостью формальных преоб разований, использованием фундаментальных законов и уравнений теплоэнерге тики, турбомашиностроения, применением современных программных средств, согласованием результатов расчета с данными экспериментальных исследований, а также с данными литературных научно-технических источников.

Практическая значимость работы:

- определен оптимальный диапазон электрической (до 5 кВт) и тепловой (до 65 кВт) энергий, востребованный на рынке малоэтажного строительства;

- получена вертикальная компактная конструкция микротурбины, позволяющая сократить монтажное место и упростить сборку серийных образцов;

- предложенная схема энергокомплекса, обеспечивает тригенерацию за счет ком бинированного использования традиционных и возобновляемых источников энергии с отдельным регулированием тепловой и электрической энергии;

- создан испытательный образец влажно-паровой микротурбинной установки и демонстрационный комплекс на базе ЮРГПУ (НПИ) по апробированию элемен тов микроэнергокомплекса;

- проведен мониторинг работы энергетической системы в малоэтажном доме в со ставе теплового насоса и солнечного коллектора, являющихся блоками разраба тываемого комплекса, результаты которого показали снижение затрат на энерго носители на 40-50%.

Реализация работы.

Теоретические и методические разработки нашли практическое применение в процессах эскизного, технического и рабочего проектирования микроэнерго комплекса и внедрены на реальных объектах энергоснабжения индивидуального, автономного домостроения (имеются акты внедрения).

Материалы по разработке предложенного в диссертации микроэнергоком плеса легли в основу выполнения НИР и НИОКР государственных контрактов ГК № 16.516.11.6017 «Создание микроэнергокомплекса на базе высокоэффективной турбины с электрической нагрузкой 5 – 35 кВт и тепловой мощностью 20 – 200 кВт, для систем автономного децентрализованного распределения и потреб ления тепла и электроэнергии», ГК №16.526.11.6012 по теме «Разработка влажно паровой микротурбинной установки для систем малой распределенной энергети ки на основе комбинированного использования традиционных и возобновляемых источников энергии». Работы выполнены на высоком научно-техническом уровне, приняты государственной комиссией и рекомендованы для внедрения.

Материалы работ отражены во всех рейтинговых выставках по возобновляемой энергетике, по итогом которых были приняты не только российской, но и миро вой общественностью.

Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс для сту дентов и магистров по направлению 140100 – «Теплоэнергетика и теплотехника» в курсах лекций «Перспективы развития энергетики», «Проблемы энерго- и ре сурсосбережения», «Современные проблемы теплоэнергетики».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуж дались на научных семинарах кафедры “Тепловые электрические станции и теп лотехника”, ЮРГТУ (НПИ);

на VII и VIII международных научно-технических конференциях ЮРГТУ (НПИ) «Повышение эффективности производства элек троэнергии»;

на конференциях и форумах: с 21 по 23 октября 2010 года на вы ставке Вертол-Экспо (Ростов-на-Дону) «Х-й Международный бизнес-форум на Дону»;

с 12 по 15 мая 2011 года в г. Мадриде (Испания) выставка «Научно технические и инновационные достижения России»;

с 22 по 25 сентября 2011 г в г. Гуанчжоу (Китай) Международная ярмарка малых и средних предприятий;

с по 21 апреля 2012 г. в г. Анапа, Краснодарский весенний форум "Энергоэффек тивность и инновации";

с 10 по 14 сентября 2012 года в г. Брно (Чехия) 54-ая международная машиностроительная ярмарка "MSV — 2012".

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 4 в журналах из перечня изданий, рекомендованных ВАК РФ, получен 1 па тент на изобретение и 2 патента на полезную модель.

Объем работы и ее структура. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Содержит 160 страниц, 53 иллюстраций, 18 таблиц. Список ис пользуемых источников включает 120 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой темы, сформули рована цель диссертационной работы и перечислены решаемые задачи, представ лена научная новизна и практическая значимость, изложены основные положе ния, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ использования энергетических комплексов и систем автономного децентрализованного распределения и потребления тепла и электроэнергиии эффективности существующих решений на примере отечественных и иностранных систем автономного энергоснабжения на базе возобновляемых источников энергии (ВИЭ) и традиционных источников энергии.

Среди отечественных разработок существуют проекты по автономному электроснабжению за счет комбинированного использования солнечной энергии, энергии ветра и воды, совместно с системой аккумуляции электроэнергии или за счет ветрогенератора, солнечного коллектора и теплового насоса. Такие установки не могут обеспечивать когенерационные и тем более тригенерационные схемы, недостаточно надежны в энергоснабжении и зависимы от погодных и климатических условий.

Среди иностранных систем автономного энергоснабжения имеются разработки организаций NorthernPowerInc. (США), и "ConceptHouse" (шведская строительная корпорации NCC). Разработки NorthernPowerInc основаны на ги бридных схемах ветро-генераторов и солнечных батарей. Это дает возможность экономить топливо дизельному генератору, являющимся базовым элементом схемных решений. Однако такие системы также становятся зависимыми от кли матических и погодных условий региона, к тому же слишком дорогие и недо ступны для широкого круга потребителей.

На основании анализа информационных источников была поставлена задача по разработке энергоэффективного комплекса, отвечающего следующим требованиям:

обеспечение автономного потребителя тепловой и электрической энергией в полном объеме;

производство тепловой и электрической энергии за счет комбинированного использования традиционных источников энергии и ВИЭ;

обеспечение независимого регулирования тепловой и электрической нагрузок.

Во второй главе рассмотрена возможность использования различных ВИЭ в разрабатываемом энергокомплексе, предложена принципиальная схема микроэнергокомплекса, сформированы требования к теплоносителям.

В диссертации анализировались следующие источники энергии: солнечная, тепло грунта, ветровая, механическая энергия воды. По итогам была сформирована концепция использования всех видов ВИЭ, актуальных для опре деленных климатических условий с целью автономного децентрализованного энергоснабжения потребителя (табл. 1), но базовый состав комплекса определился, как влажно-паровая турбина, солнечная водонагревательная установка и тепловой насос.

Среднестатистическая семья из 4 человек в месяц потребляет до 500 кВт*ч электроэнергии, что в среднесуточном выражении мощности требует 0.7 кВт.

Учитывая, что коммунально-бытовое потребление имеет значительную неравно мерность суточного потребления до 80-85 %, электрическая мощность установки должна быть не менее 3.5 кВт, а с учетом необходимого запаса по мощности при нятому в энергетике с учетом собственных нужд, не менее 25 %, электрическая мощность электроагрегата должна выбираться в пределах 4.5 – 5.0 кВт. Поэтому в работе за основу была принята принципиальная тепловая схема микроэнергоком плекса электрической мощностью 5 кВт, на базе влажно-паровой микротурбинной установки, солнечных нагревателей и теплового насоса. При увеличении электро потребления с увеличением площади здания и количества квартир, электрическая мощность возрастает до 10 – 15 кВт (например, для 2 – 3 квартирного жилого до ма). Если возникает необходимость в техническом электропотреблении (фермер ское хозяйство и др.), то востребованная электрическая мощность может возрас тать до 30 кВт.

Таблица 1.

Принципиальная структура использования ВИЭ для автономного потребителя Электроснабжение Отопление и горячее водо- Кондицио снабжение нирование Днем Ночью Днем Ночью Круглосу точно Паросиловой цикл, в Аккумулятор- Паросиловой цикл, Аккуму- Пассивное составе солнечного ные батареи в составе солнеч- лятор кондицио коллектора и паровой ного коллектора и теплоты нирование турбины паровой турбины от грунто вых зондов Мини-ГЭС Мини-ГЭС Солнечный кол- Тепловой лектор насос Ветрогенератор Ветрогенератор Тепловой насос Фотопреобразователи Микроэнергокомплекс (рис.1) имеет вакуумный солнечный коллектор 1, где вода нагревается и испаряется, до состояния сухого насыщенного пара, затем она поступает в сепаратор 7. Очищенный пар направляется в паровую турбину 5, где он теряет свою энергию, приводя во вращение ротор турбины, соединенный с электрогенератором 6. Отработанный в турбине пар направляется в конденсатор 4, в котором пар конденсируется, за счет отбора теплоты в систему отопления 9 и горячего водоснабжения (ГВС). Конденсат отработанного пара питательным насосом 3 подается в солнечный коллектор. Котел 8 на органическом топливе включается, когда недостаточно мощности солнечных нагревателей. В случае ес ли теплота производимая конденсатором паровой турбины выше необходимой, то избыток сбрасывается в грунт с помощью грунтового теплообменника (зонда) 12, для чего включается циркуляционный насос 10 и соответственно переключается трехходовой клапан 11. Тот же грунтовый зонд может обеспечивать пассивное кондиционирование в летний период.

Основные параметры влажно-паровой микротурбины связаны между со бой зависимостями:

Gп = f(H,, p0-1);

D = f(n-1);

l = f(Gп-1, D-1), при N = const, где N – мощность энергоустановки, кВт;

Gп – расход пара на микротурбину, кг/с;

H – располагаемый теплоперепад в микротурбине, кДж/кг;

– КПД энергоуста новки;

p0 – давление перед турбиной, МПа;

D – средний диаметр рабочего колеса, м;

l – высота рабочей лопатки, м;

рк – давление на выходе из турбины, МПа;

t0 – температура на входе в турбину, 0С.

На рис. 2 представлена графическая зависимость для двухвенечного диска Кертиса p0 = f(Gп) и l = f(Gп) при n = 300 1/с;

рк = 0.004 МПа;

t0 = 160 0С. На гра фике показаны ограничения по условиям работы солнечных нагревателей и по высоте рабочих лопаток. При l10 мм резко возрастают лопаточные потери, сни жая КПД микротурбины, поэтому такие высоты лопаток турбины не рекоменду ется применять.

По ре зультатам вышеприве денного ана лиза опреде лены требо вания к теп ловой схеме, теплоносите лям и кон струкции микроэнерго комплекса:

Рис. 1. Принципиальная тепловая схема микроэнергокомплекса - давление рабочей среды на входе в микротурбинную установку должно быть 0,6 МПа и температура пара принята 160 0С (по условиям насыщения пара при давлении 0,6 МПа);

- температура теплоносителя в солнечных нагревателях не менее180 0С;

- максимальная электрическая мощность установки для индивидуального, авто номного потребителя определена как 5 кВт, с учетом необходимости регулиро вания суточных графиков нагрузки.

Теплообмен осуществляется интенсивнее у теплоносителей в жидкой фазе.

Учитывая это, в солнечном нагревателе предлагается использовать теплоноси тель-рассол с температурой кипения не менее 180 0С.

Рабочий процесс во влажно-паровой турбине связан с фазовыми перехода ми от паровой среды к конденсату. При этом желательно чтобы конденсат обра зовывался не в проточной части турбины, так как капли влаги при сверхзвуковых скоростях способны вызвать эрозионный износ металла рабочего колеса микро турбины. Поэтому скорость движения пара в проточной части турбины принима лась менее 700 м/с.

Конденсатор микротурбинной установки является теплообменником си стемы отопления и ГВС. Отсюда рабочая среда системы отопления замкнута на свой циркуляционный контур, а система ГВС работает через бойлер, чтобы обес печить проточность горячей воды.

Таким образом, различие в требованиях к теплоносителям для солнечных нагревателей, микротурбины и систем отопления и ГВС приводит к необходимо сти делать три циркуляционных контура: один для системы пароприготовления, второй для системы микротурбинной установки и третий для системы отопления и горячего водоснабжения.

Экономичность микротурбины по производству электроэнергии мала (КПД = 7-8 %). Поэтому микроэнергокомплекс на базе влажно-паровой микро турбинной установки использовать для производства только электроэнергии не целесообразно. Микроэнергокомплекс рассчитан на применение в когенерацион ных и тригенера ционных схемах.

Анализ 1, энергопотребления Давление пара на входе в турбину, МПа Ограничения по надежности ра боты солнечных нагревателей, семей, проживаю щих в домах, 1, Высота рабочих лопаток, мм утепленных по ка Ограничения по высоте лопаток lmax тегории энергоэф 0,8 фективности «А» lср, представлен на графике суточного 0, электропотребле ния (рис. 3).

0, На рис. 4 lmin 0, представлено теп-, G лопотребление 0, зданий 50, 100 и 0, 150 м в сравнении 0,0 8, с тепловыделени- 0, 0,2 0,025 0,03 0, ями предлагаемо- Расход пара на турбину, кг/с го комплекса, без Рис. 2. Графики работы солнечных нагревателей в диапазоне учета независимо нагрузок микротурбины го регулирования тепла и электро энергии, а также газопоршневой (ГПА) и газотур бинной (ГТУ) установок.

Пики пре вышения выработ ки тепла микро энергокомплексом предлагается ис пользовать полез но, накапливая его Рис. 3. Среднесуточное потребление электроэнергии жилого в тепловых акку дома категории энергоэффективности «А» в рабочий день: 1 – муляторах. Выде текущее электропотребление, 2 – среднесуточное электропо ленная на рис. требление область отражает наиболее часто потребляемое количество электроэнергии в месяц от 200 кВт·ч (среднесуточное потребление 0.268 кВт) до 500 кВт·ч (среднесуточное потребле ние 0.537 кВт).

При независимом ре гулировании тепловой и электрической нагрузок пропуском пара через бай пас в конденсатор макси мально достижимая тепло вая мощность МЭК состав ляет 65 кВт, при любой электрической нагрузке.

Для минимизации капитальных затрат на установку МЭК, при пол ном энергообеспечении дома соответствующего классу энергетической эф фективности «А», принят Рис. 4. Соотношение теплопроизводительности критерий оптимизации ис МЭК, ГПА и ГТУ, в зависимости от среднесуточ пользования МЭК – пло ного электропотребления, щадь дома. Для определе где 1 – ГПА, 2 – ГТУ, 3 – МЭК, 4 – потребность в ния критерия оптимизации, тепле дома 50 м2, 5 – потребность в тепле дома проанализированы тепло 2 поступления предлагаемого 100 м, 6 – потребность в тепле дома 150 м, 7 – сред МЭК и газопоршневой и несуточное электропотребление Ростовской области газотурбинной установок, при реальном уровне среднесуточного потребления электрической энергии, и проведены расчеты тепловых потерь домов 50, 100 и 150 м 2, при нормативных значениях температур внутреннего и окружающего воздуха для Ростовской обла сти: потребность в тепле дома 50 м2 – 2.74 кВт;

потребность в тепле дома 100 м2 – 5.49 кВт;

потребность в тепле дома 150 м2 – 8.23 кВт;

тепловыделение МЭК – 5.02 кВт;

тепловыделение ГПА – 0.78 кВт.

При реальном электропотреблении МЭК в наиболее оптимальном режиме (без регулирования тепловой и электрической мощности) обеспечит 91.5 % по требности в отоплении, а оставшиеся 8.5%, при включении регулирования тепло вой и электрической энергии пропуском пара в конденсатор через байпас, преду смотренный в тепловой схеме. Установка ГПА сможет обеспечить только 14.3% потребности в отоплении, не имея возможности повышать тепловую нагрузку.

Аналогичная ситуация возникает и при использовании ГТУ для когенерации. При этом ГТУ и ГПА работают при высоких температурах (более 800 0С) и давлениях рабочего тела, что сопряжено с рисками травматизма при их эксплуатации. Разра ботанный же энергокомплекс работает при низких параметрах рабочего тела (па ра) температура 1600С, давление 0.6 МПа, что позволяет использовать солнечную энергию как нагреватель. Вся располагаемая теплота цикла в МЭК, за исключени ем потерь, тратиться полезно 7-8 % на выработку электроэнергии и 90-91 % на выработку тепла, общий коэффициент полезного использования располагаемой теплоты более 90 %, в отличие от существующих паровых турбин, которые имеют КПД: конденсационные – 35 %, теплофикационные – 65 %.

В третьей главе представлена разработка тепловой схемы микроэнерго комплекса «солнечный коллектор – паровая турбина – тепловой насос».

Развернутая принципиальная схема микроэнергокомплеса показана на рис.

5, куда входят три циркуляционных контура.

1. Циркуляционный контур системы пароприготовления состоит из па раллельно и последовательно подключенных солнечных панелей 2, котла 1 по следовательно подключенных в циркуляционном контуре, циркуляционного насоса, парогенератора-сухопарника 4 и вспомогательных элементов оборудова ния: воздухоотводчика;

соединительных трубопроводов между солнечными па нелями;

расширительной емкости;

подпиток и др.

Система пароприготовления должна соответствовать следующим требова ниям:

удовлетворять максимальную потребность в паре для МЭК;

поддерживать номинальные начальные параметры пара;

иметь возможность работы как совместно (солнечные нагреватели + котел), так и раздельно (солнечные нагреватели или котел), обеспечивая полную нагрузку МЭК.

Рабочие параметры системы пароприготовления: давление не более 1.7 МПа;

температура 180 – 200 0С. Теплоноситель – рассол с высокой температу рой кипения или масло. В диссертации рассматривалось применение в качестве теплоносителя раствора воды и этиленгликоля (30%). При расчетах парогенерато ра-сухопарника так же просчитывался вариант применения масла в качестве теп лоносителя.

2. Рабочий контур производства электроэнергии, в котором рабочая среда последовательно проходит емкостную часть парогенератора-сухопарника 4, кото рый является также аккумулятором пара, влажно-паровую микротурбину 6, кон денсатор 8, конденсатный и питательный насосы и охлажденной возвращается в парогенератор-сухопарник. Помимо этого в этот контур входит водяной струйный насос-эжектор для удаления газов из конденсатора и создания в нем вакуума, теп лообменник эжектора, бак запасного конденсата, подпиточный насос и другое оборудование для осуществления рабочего процесса контура. Для осуществления раздельного регулирования процессами производства электрической и тепловой энергий в контуре имеется байпас 5, позволяющий свежий пар подавать в конден сатор напрямую, в обход микротурбины.

Параметры в этом циркуляционном контуре: давление влажного пара перед микротурбиной 0,6 МПа, температура -160 0С;

давление рабочей среды за микро турбиной 0,025 – 0,06 МПа с температурой насыщения 65 – 860С.

Основное назначение рабочего контура - преобразование потенциальной энергии пара в механическую энергию вращения ротора турбины с дальнейшим превращением ее в электрическую энергию в генераторе 7, а также создание условий для отбора тепловой энергии в конденсаторе микротурбины.

Рис. 5. Развернутая тепловая схема микроэнергокомплекса на базе солнечного коллектора, влажно-паровой турбины и теплового насоса, где 1 – котел на органическом топливе, 2 – солнечные вакуумные панели, 3 – блок автоматики,4 – парогенератор сухопарник, 5 – байпасная линия пара, 6 – паровая турбина, 7 – электрогенератор, 8 – конденсатор турбины, 9 – радиатор охлаждения конденсатора турбины,10 – геотермальный зонда,11 – группа отопительных приборов,12 – тепловой насос, 13 – бойлер ГВС, 14 – накопительная емкость.

3. Циркуляционный контур, передающий тепловую энергию, полученную в ре зультате конденсации пара на выходе из микротурбины, на отопление и ГВС состоит из трубных поверхностей нагрева конденсатора 8, по которым движется вода. Нагре тая вода направляется в накопительную емкость 14, где она передает тепло теплоно сителю системы отопления 11 и в бойлер горячего водоснабжения 13.

Движение воды по контуру осуществляется с помощью циркуляционного насоса.

Температура конденсации пара (температура насыщения) регулируется расходом охлаждающей воды и поддерживается в зимний период примерно 80 0С, а в летний 60 0С. Давление в данном циркуляционном контуре принимается равным 0,1-0,3 МПа и изменяется по тракту только за счет гидравлических потерь, которые компенсируются напором циркуляционного насоса.

Теплота конденсации отработанного по циклу Ренкина пара во влажно паровой турбине должна отводиться из конденсатора на отопление, вентиляцию и ГВС. Но возможны случаи работы микроэнергокоплекса по электрическому графику нагрузки, когда тепловыделение в конденсаторе превышает ее потребность. В таком случае оставшуюся часть теплоты необходимо отводить в систему охлаждения 9.

В работе приводится подробный анализ и выбор различных вариантов техно логических и конструктивных схем МЭК и его оборудования в зависимости от их назначения и определяемых характеристик, в результате как наиболее оптимальная, была принята схема, представленная на рис. 5.

В диссертационной работе прорабатывался вопрос летнего пассивного конди ционирования зданий от грунтовых теплообменников МЭК, что в 8-10 раз эконо мичнее, чем использование сплит-систем.

В четвертой главе представлен анализ технологической схемы МЭК и его элементов оборудования.

В работе анализировались три варианта конструктивной схемы микротурбины:

осевая двухвенечная, осевая одновенечная и одновенечная центростремительная. В результате была выбрана влажно-паровая центростремительная микротурбина, ис ходя из простоты конструкции при тех же технических характеристиках. Расчет ее по нормативным методам приведен в диссертации;

основные расчетные характери стики представлены в табл. 2. По результатам расчета были определены сопла и про точная часть микротурбины. Тип профиля рабочих лопаток выбран Р-30-21Б (из ат ласа профилей решеток турбин).

Анализ рис.6,а показывает, что уменьшение скорости вращения ротора приво дит к значительному увеличению расхода влажного пара на турбину и увеличению диаметра рабочего колеса, а при скорости вращения примерно 600 1/с (рис.6,б) мик ротурбинная установка может иметь максимальный внутренний КПД. Учитывая это, частота вращения ротора микротурбины выбрана 35000 об/мин как оптимальная, так как при этом также с увеличением скорости уменьшается диаметр рабочего колеса (163 мм), а высота рабочих лопаток остается приемлемой, т.е. не менее 10 мм.

Таблица 2.

Характеристики турбины мощностью 5 кВт с центростремительной ступенью при p0=0.6 МПа, t0=160 oC, n=583 об/c. (35 000 об/мин) Показатели зима лето Начальное давление пара р0, МПа 0.6 0. Давление за сопловой решёткой р1, МПа 0.0702 0. Конечное давление рк, МПа 0.06 0. о Температура насыщения tнас, С 85.93 Расход пара G, кг/с 0.0271 0. Абсолютная скорость на выходе из сопловой решетки с1, м/с 761.66 873. Относительная скорость на входе в рабочую решетку w1, м/с 472.82 584. Электрическая мощность турбины Nэ, кВт 5.003 6. Мощность нагревателя Nнагр, кВт 67.90 67. Рис.6 Соотношение рабочих параметров одноступенчатой центростремитель ной турбины Коэффициент использования первичного топлива определяется по двум видам выдаваемой продукции: по электрической составляющей и с учетом выдаваемой тепловой энергией на отопление и горячее водоснабжение.

Коэффициент использования топлива по электрической составляющей при комбинированной выработке от традиционных (затратных на топливо) и возобнов ляемых (бесплатных) источников энергии определяется по уравнению:

эл= 100%·Nэл /(Nнагр – Nсолн), где Nэл – электрическая мощность, вырабатываемая микротурбинной установкой, кВт;

Nнагр – полная мощность нагревателя, складываемая из мощностей полученных за счет сол нечной энергии и энергии сжигания органического топлива в котле (природного газа, диз топлива и др.), кВт;

Nсолн – тепловая мощность, полученная от солнечной радиации, кВт.

При производстве влажного пара снижение расхода органического топлива мож но добиться увеличением доли использования солнечного нагрева. При расчете сол нечного нагрева учитывалась солнечная инсоляция на предмет определения количества серийно изготавливаемых вакуумных солнечных нагревателей на основании россий ских данных (СНиП 23-01-99) и NASA при прямой и рассеянной радиации.

Расчеты показали, что при площади одного стандартного вакуумного солнеч ного коллектора 3 м2 ориентировочное количество солнечных коллекторов в летний период, для МЭК должно быть 30 – 60 шт. (первая цифра определялась по россий ским данным, а вторая по данным NASA). Следует отметить, что такая площадь солнечного нагревателя способна обеспечить установленную мощность микро энергокомплекса даже в пасмурную, дождливую погоду в течение 12 часов. В тече ние ночного времени установленная мощность МЭК обеспечивается от резервного парогенератора на органическом топливе или за счет аккумулятора пара или воды в состоянии насыщения при повышенном давлении.

На рис. 7 представлена конструкция влажно паровой вертикальной центростремительной турби ны с герметичным корпусом. Вертикальная кон струкция позволяет иметь единый герметичный корпус конденсатора и проточной части, что приво дит к сокращению затрат на эжекцию на 15-18 %.

В пятой главе представлены конкретные примеры реализации на практике элементов предла гаемого микроэнергокомплекса.

За последние 5 лет в Ростовской области и Краснодарском крае активно внедрялись микро энергокомплексы для систем отопления, кондицио нирования и ГВС на базе нетрадиционных и возоб новляемых источников энергии, таких как тепловые насосы, солнечные коллекторы и др.

В предлагаемом энергокомплексе геотермаль ный тепловой насос играет роль дополнительного ис точника теплоты, а его грунтовый зонд применяется Рис. 7. Конструкция влажно паровой вертикальной мик для пассивного кондиционирования и возможного от ротурбины с герметичным вода излишней теплоты от паросилового контура в корпусом, грунт. Солнечные коллекторы используются для па где 1 – электрогенератор, 2 – рогенерации за счет солнечной радиации.

Такой принцип энергоснабжения был заложен проточная часть, 3 – конден сатор при строительстве энергоэффективного малоэтажного жилого дома, строительство которого осуществлялось по заданию Министерства тер риториального развития, архитектуры и градостроительства Ростовской области и Фонд содействия реформированию жилищно-коммунального хозяйства РФ. Для этого дома, построенного в 2010 г., был разработан и смонтирован микроэнергокомплекс си стемы отопления, кондиционирования и горячего водоснабжения на базе теплового насоса и солнечного коллектора.

Установка МЭК состоит из: геотермального теплового насоса, выполняющего функцию отопления и горячего водоснабжения;

двух геотермальных грунтовых зон дов для отбора низкопотенциальной теплоты грунта и работы теплового насоса;

бойлера для горячего водоснабжения;

буферной емкости, которая используется как технологическая для гидравлического разделения контура теплового насоса, систе мы отопления и ГВС;

солнечной водонагревательной установки, осуществляющей горячее водоснабжение в светлое время суток;

фанкойлов для пассивного кондицио нирования воздуха в помещении;

стандартных отопительных приборов и сопут ствующих коммуникаций, а также трехходовых клапанов с сервоприводами, осу ществляющих переключение режимов работы.

Анализ показывает, что наиболее эффективным является внедрение индивиду альных энергокомплексов работающих на ВИЭ в домах с высоким классом теплоза щиты. Примером служит построенный «умный дом» в Ростовской области, монито ринг работы системы которого показал (рис. 8), что используя возобновляемые ис точники энергии, обеспечивается круглогодичное поддержание комфортной темпе ратуры в квартирах в любое время года.

Примененная технология строительства по принципу «умного энергоэффектив ного энергосберегающего дома» обусловила высокую теплоза щиту здания, что привело к снижению установленной мощ ности оборудования в два раза.

На территории завода ООО «СТРИМ» в г. Ростов-на Дону, был собран испытатель ный стенд МЭК, включающий в себя: систему пароприготовления Рис. 8. Графики мониторинга энергокомплекса состоящую из группы солнечных коллекторов (рис. 9, а) и резерв- «умного дома» Ростовской области, где 1 – темпе ного котла;

влажно-паровую ратура окружающего воздуха ночью, 2 – темпера микротурбинную установку и тура окружающего воздуха днем, 3 – температура в 1-й квартире, 4 – температура во 2-й квартире, блок автоматики (рис. 9, б).

Были проведены предвари- 5 – нормативное значение температуры в помеще нии тельные испытания системы па роприготовления и влажно-паровой турбоустановки. Испытательный стенд системы паро приготовления позволил получить пар с параметрами t0=160 0С, P0= 0.6 МПа, используя комбинацию солнечных коллекторов и резервного парогенератора. Турбоустановка была испытана при различной электрической нагрузки от 5 % до 100 %.

а) б) Рис. 9. Испытательный стенд МЭК, а) группа вакуумных солнечных коллекторов системы пароприготовления;

б) микро турбинная установка На реализованных объектах были испытаны основные компоненты энергоком плекса на базе влажно-паровой турбины, были подтверждены заявленные характери стики экспериментальными исследованиями.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В работе изложены научно-обоснованные технические решения по разработке микроэнергокомплекса для автономного энергоснабжения малоэтажного потребите ля за счет комбинации традиционных и возобновляемых источников энергии, име ющие существенное значение для развития малой энергетики Российской Федера ции. Основные выводы и результаты следующие.

1. Установлено, что для индивидуального, автономного энергопотребления эффек тивно использовать энергокомплекс, работающий на комбинации традиционных и возобновляемых источниках энергии, имеющий соотношение тепловой и элек трической мощностей 13/1 с максимальными мощностями по тепловой 65 кВт, и электрической энергии 5 кВт.

2. Впервые разработана одноступенчатая центростремительная влажно-паровая микротурбина вертикального исполнения, электрической мощностью 5 кВт, спо собная обеспечивать, как когенерационную, так и тригенерационную выработку энергии в комплексе с тепловым насосом.

3. Получен суммарный коэффициент использования располагаемого тепла микротур бины 0.98 – 0.99, что включает долю на выработку электроэнергии 0.07 – 0.08 и на тепло 0.9 – 0.91, при этом повышается энергетическая эффективность работы мик ротурбины на 35-40 %, по сравнению с существующими паровыми турбинами.

4. Определены оптимальные рабочие параметры влажно-паровой микротурбины (давление 0.6 МПа;

температура 160 0С;

частота вращения 35000 об/мин), что позволило минимизировать габариты микротурбины (внешний диаметр рабочего колеса 163 мм, высоту лопатки на входе 10 мм) и обеспечить максимальный от носительный внутренний КПД турбины равный 58 %.

5. Разработана тепловая схема энергокомплекса на базе влажно-паровой микротур бинной установки, состоящая из трех циркуляционных контуров: системы паро приготовления, системы производства электроэнергии и системы производства тепла на отопление и горячее водоснабжение, позволяющая отдельно регулиро вать нагрузку, как по электрической, так и по тепловой энергии.

6. Произведено внедрение и последующий мониторинг отдельных элементов мик роэнергокомплекса: микротурбинной установки, солнечных нагревателей, тепло вого насоса, геотермальных зондов. Результаты исследований подтверждены патентом на изобретение и 2 патентами на полезную модель.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Рецензируемые научные издания, рекомендованные ВАК:

1. Ефимов, Н.Н. Анализ использования тепловых насосов на тепловых и атомных электростанциях / Ефимов Н.Н., Малышев П.А., Папин В.В., Безуглов Р.В. // Изв.

вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. -2010. -№ 4. –С.35-39.

2. Ефимов, Н.Н. Система отопления, кондиционирования и горячего водоснабжения на базе возобновляемых источников энергии для Южного федерального округа / Ефимов Н.Н., Паршуков В.И., Папин В.В., Янченко И.В. // Изв. вузов. Сев.-Кавк.

регион. Техн. науки. -2012. -№ 1. –С.62-65.

3. Ефимов, Н.Н. Регулирование и распределение индивидуального, автономного энергопо требления от возобновляемых источников энергии / Ефимов Н.Н., Паршуков В.И., Папин В.В., Янченко И.В. // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. -2012. -№ 4. –С.30-33.

4. Ефимов, Н.Н. Микротурбинная установка для эффективного энергоснабжения ав тономных индивидуальных потребителей / Ефимов Н.Н., Паршуков В.И., Папин В.В., Безуглов Р.В. // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. -2013. -№ 1.

Патент на изобретение 5. Пат. 2425987 РФ, МПК F01K13/00, C1. Способ работы электростанции;

Н.Н. Ефи мов, П.А. Малышев, А.В. Черни, Г.Б. Каратаев, С.В. Скубиенко, И.С. Кожухов ский, В.И. Паршуков, В.В. Папин;

заявитель и патентообладатель Юж.-Рос. гос.

техн. ун-т (НПИ). №2009147690/06;

заявл. 21.12.209;

опубл. 10.08.2011. – 13с., ил.

Патенты на полезную модель 6. Пат. 99541 РФ, МПК F01K13/00, F01K11, U1. Вертикальная паровая турбина ма лой мощности;

Н.Н. Ефимов, П.А. Малышев, В.И. Паршуков, В.В. Папин, Р.В.

Безуглов;

заявитель и патентообладатель Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ).

№2010124481/06;

заявл. 15.06.2010;

опубл. 20.11.2010. – 2 с., ил. Бюл. №32.

7. Пат. 93942 РФ, МПК F24D 11/02, U1. Система пассивного поддержания темпера туры в помещении;

Н.Н. Ефимов, П.А. Малышев, В.В. Папин;

заявитель и патен тообладатель Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). №2009147490/22;

заявл. 21.12.209;

опубл. 10.05.2010. – 2 с., ил. Бюл. №32.

Публикации в других научных изданиях:

8. Ефимов, Н.Н. Использование теплового насоса в системе охлаждения конденсато ра АЭС / Ефимов Н.Н., Лапин И.А., Малышев П.А., Скубиенко С.В., Минасян К.С., Папин В.В., // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. -2010- Спецвып.:

[Состояние и перспективы строительства и ввода в эксплуатацию второго энерго блока Ростовской АЭС. Безопасная эксплуатация энергоблоков АЭС]. –С. 66- 9. Ефимов, Н.Н. Перспективы использования тепловых насосов в энергетике / Ефимов Н.Н., Папин В.В. // Изв. вузов. Электромеханика. -2008-. –Спецвып. –С. 184- 10. Луконин, В.А. Система автономного энергоснабжения коттеджа / Луконин В.А, Папин В.В., Тихонов Д.В. // Повышение эффективности использования и сбере жения энергетических ресурсов: сб. тр. сотрудников кафедры «Теоретические основы теплотехники» (по материалам научн.-техн. конф.) / Юж. Рос. гос. техн.

ун-т (НПИ). – Новочеркасск: ЮРГТУ, 2010. –С. 89-97.

11. Ефимов, Н.Н. Энергетический комплекс для обеспечения зданий тепловой и элек трической энергией на основе возобновляемых источников энергии / Ефимов Н.Н., Папин В.В., Безуглов Р.В., // Студенческая научная весна -2011: материалы регион.

научн.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Ростовской обла сти / Юж. Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). – Новочеркасск: ЮРГТУ, 2011. – С. 359-360.

12. Ефимов, Н.Н. Применение тепловых насосов для повышения экономичности ТЭС и теплофикации / Ефимов Н.Н., Папин В.В., Безуглов Р.В. // Эврика -2008:

сб. конкурсных работ Всерос. смотра-конкурса науч.-техн. творчества студентов вузов, г. Новочеркасск, 17-23 нояб. 2008г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). – Новочеркасск: Лик, 2008. – С. 482-484.

13. Луконин, В.А. Система автономного энергоснабжения на базе возобновляемых источников энергии / Луконин В.А, Папин В.В., Тихонов Д.В., // Студенческая научная весна -2008: материалы Межрегион. науч.-техн. конф. студентов, аспи рантов и молодых ученых Южного федерального округа / Юж. –Рос. гос. техн.

ун-т (НПИ). – Новочеркасск: ЛИК, 2008. – С. 268-270.

14. Ефимов, Н.Н. Использование низкопотенциальных источников теплоты при нагреве технологической воды производственного цеха ОАО «Каменскволокно» / Ефимов Н.Н., Скубиенко С.В., Папин В.В., Малов Е.В. // Повышение эффектив ности производства электроэнергии: материалы VIII Междунар. науч. конф., г.

Новочеркасск, 30 окт. -2 нояб 2011 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. (НПИ). – Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2012. – С. 23-26.

Вклад автора в результаты работ, опубликованных в соавторстве, состоит в постановке задачи исследования, проведении аналитических и экспериментальных исследований, обработке полученных данных, разработке методик расчета тепловых схем и отдельных ее элементов.

Папин Владимир Владимирович МИКРОЭНЕРГОКОМПЛЕКС НА БАЗЕ ВЛАЖНО-ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ, СОЛНЕЧНОГО КОЛЛЕКТОРА И ТЕПЛОВОГО НАСОСА Автореферат Подписано в печать 24.09. Формат 6084 1/16. Бумага офсетная. Печать цифровая.

Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 46-954.