Паровая турбина для выработки электроэнергии

Паровые турбины малой мощности для нужд сахарной промышленности

В одном из предыдущих выпусков «Клуба ПИ» мы рассказывали о возможности использовать энергию пара для выработки электроэнергии для собственных нужд предприятия. Отклики и вопросы читателей показали, что решения с паровыми турбинами малой мощности наша российская промышленность скорее ассоциирует с «большим масштабом», когда речь идет о значительных расходах пара и перепаде давления. А потому область применения их искусственно ограничивается энергетикой и нефтепереработкой.

Между тем, во всем мире активными пользователями паровых турбин малой мощности являются именно предприятия с небольшой выработкой пара — такие, как пищевые производства, например. В силу сравнительно невысокого потребления электроэнергии, эти предприятия закупают ее не на оптовом рынке, а по существенно более высоким розничным тарифам. А потому при меньшем потенциале выработки электроэнергии экономия от собственной генерации здесь может быть ощутима даже больше, чем на НПЗ или ТЭЦ.

Совместно с нашим партнером, чешской компанией G-Team в этом году мы приведем несколько примеров того, как работают мини турбины в разных отраслях промышленности. И сегодня начнем с применения паровых турбин на сахарных заводах.

На производство 1 тонны сахара в среднем расходуются 191,1 кВт/ч электроэнергии и 1,564 Гкал тепловой энергии*. Общие затраты на энергию и топливо производителей сахара с учетом действующих тарифов на энергоносители составляют 35–40% от общих затрат на переработку свеклы.

Очевидно, что снижение этого показателя может стать эффективным инструментом в борьбе за низкую себестоимость продукта. Вопрос для предприятий отрасли крайне актуальный — последние несколько лет цена на сахар стабильно снижается ввиду кризиса перепроизводства и популярной тенденции к переходу на здоровое питание (эксперты Института конъюнктуры аграрного рынка (ИКАР) оценивают российское предложение сахара в 2018 году выше спроса на полмиллиона тонн)**. В этих условиях сохранить объемы реализации на внутреннем рынке или заместить их экспортными продажами смогут те, кто сможет найти внутренние резервы для сохранения прибыли в условиях снижения цены.

Рассмотрим, как с этой задачей поможет справиться система энергоэффективного редуцирования пара на турбинных установках.

Для небольших производств

Характеристики объекта:

  • Общее электропотребление — 200 кВт/ч
  • Расход пара — 4 тонны пара в час
  • Давление пара на входе в РУ — 1,2 МПа
  • Температура пара на входе в РУ – 350°C
  • Давление, требуемое на производстве — 0,4 МПа

Задача:

Снизить объем электроэнергии, приобретаемой у внешних поставщиков, за счет внутренних резервов производства.

Решение:

Паровая турбина мощностью 145 кВт, установленная параллельно с действующей РУ, которая после внедрения турбины будет выполнять резервные функции.

Технические параметры:

  • Номинальное давление пара на входе — 1,2 МПа
  • Номинальная температура пара на входе — 350°С
  • Давление за турбиной — 0,4 МПа
  • Расход пара через турбины — 4,0 тонны/час
  • Частота вращения турбины — 29610 оборотов в минуту

Результат:

  • Покрытие 75% потребностей предприятия в электроэнергии
  • Возврат инвестиций через 18 месяцев

Для производств среднего масштаба

Характеристики объекта:

  • Общее электропотребление — 2500 кВт/ч
  • Расход пара — 33,1 тонн пара в час
  • Давление пара на входе в РУ — 2,30 МПа
  • Температура пара на входе в РУ — 350°C
  • Давление, требуемое на производстве — 0,19 МПа

Задача:

Снизить объем электроэнергии, приобретаемой у внешних поставщиков, за счет внутренних резервов производства.

Решение:

Паровая турбина мощностью 2500 кВт, установленная параллельно с действующей РУ, которая после внедрения турбины будет выполнять резервные функции.

Технические параметры:

  • Номинальное давление пара на входе — 2,3 МПа
  • Номинальная температура пара на входе — 350°С
  • Давление за турбиной — 0,18 МПа
  • Расход пара через турбины — 33,1 тонны/час
  • Частота вращения турбины — 13 000 оборотов в минуту

Результат:

  • Наиболее полное использование потенциала парогенерирующего оборудования на предприятии
  • Покрытие 100% потребностей предприятия в электроэнергии
  • Возврат инвестиций через 15 месяцев

Как видно из приведенных примеров, внедрение паровых турбин позволяет производителю сахара серьезно сократить энергозатраты, снизив таким образом себестоимость продукции. Причем сделать это можно без ущерба для качества продукции, критически важного для сохранения рыночных позиций в условиях жесткой конкуренции со стороны не только российских компаний, но и все более активных на нашем рынке иностранных производителей.

Паровые котлы и паровые турбины являются основными агрегатами тепловой электростанции (ТЭС).

Паровой котел — это устройство, имеющее систему поверхностей нагрева для получения пара из непрерывно поступающей в него питательной воды путем использования теплоты, выделяющейся при сгорании органического топлива (рис. 1).

В современных паровых котлах организуется факельное сжигание топлива в камерной топке, представляющей собой призматическую вертикальную шахту. Факельный способ сжигания характеризуется непрерывным движением топлива вместе с воздухом и продуктами сгорания в топочной камере.

Топливо и необходимый для его сжигания воздух вводятся в топку котла через специальные устройства — горелки. Топка в верхней части соединяется с призматической вертикальной шахтой (иногда с двумя), называемой по основному виду проходящего теплообмена конвективной шахтой.

В топке, горизонтальном газоходе и конвективной шахте находятся поверхности нагрева, выполняемые в виде системы труб, в которых движется рабочая среда. В зависимости от преимущественного способа передачи тепла к поверхностям нагрева их можно подразделить на следующие виды: радиационные, радиационно-конвективные, конвективные.

В топочной камере по всему периметру и по всей высоте стен обычно расположены трубные плоские системы — топочные экраны, являющиеся радиационными поверхностями нагрева.

Рис. 1. Схема парового котла ТЭС.

1 — топочная камера (топка); 2 — горизонтальный газоход; 3 — конвективная шахта; 4 — топочные экраны; 5 — потолочные экраны; 6 — спускные трубы; 7 — барабан; 8 — радиационно-конвективный пароперегреватель; 9 — конвективный пароперегреватель; 10 — водяной экономайзер; 11 — воздухоподогреватель; 12 — дутьевой вентилятор; 13 — нижние коллекторы экранов; 14 — шлаковый комод; 15 — холодная коронка; 16 — горелки. На схеме не показаны золоуловитель и дымосос.

В современных конструкциях котлов топочные экраны изготавливают либо из обычных труб (рис. 2, а), либо из плавниковых труб, сваренных между собой по плавникам и образующих сплошную газоплотную оболочку (рис. 2,б).

Аппарат, в котором вода нагревается до температуры насыщения, называется экономайзером; образование пара происходит в парообразующей (испарительной) поверхности нагрева, а его перегрев — в пароперегревателе.

Рис. 2. Схема выполнения топочных экранов
а — из обычных труб; б — из плавниковых труб

Система трубных элементов котла, в которых движутся питательная вода, пароводяная смесь и перегретый пар, образует, как уже указывалось, его водопаровой тракт.

Для непрерывного отвода теплоты и обеспечения приемлемого температурного режима металла поверхностей нагрева организуется непрерывное движение в них рабочей среды. При этом вода в экономайзере и пар в пароперегревателе проходят через них однократно. Движение же рабочей среды через парообразующие (испарительные) поверхности нагрева может быть как однократным, так и многократным.

В первом случае котел называется прямоточным, а во втором — котлом с многократной циркуляцией (рис. 3).

Рис. 3. Схема водопаровых трактов котлов
а — прямоточная схема; б — схема с естественной циркуляцией; в — схема с многократно-принудительной циркуляцией; 1 — питательный насос; 2 — экономайзер; 3 — коллектор; 4 — парообразующие трубы; 5 — пароперегреватель; 6 — барабан; 7 — опускные трубы; 8 — насос многократно-принудительной циркуляции.

Водопаровой тракт прямоточного котла представляет собой разомкнутую гидравлическую систему, во всех элементах которой рабочая среда движется под напором, создаваемым питательным насосом. В прямоточных котлах нет четкого разделения экономайзерной, парообразующей и пароперегревательных зон. Прямоточные котлы работают на докритическом и сверхкритическом давлении.

В котлах с многократной циркуляцией существует замкнутый контур, образованный системой обогреваемых и необогреваемых труб, объединенных вверху барабаном, а внизу — коллектором. Барабан представляет собой цилиндрический горизонтальный сосуд, имеющий водяной и паровой объемы, которые разделяются поверхностью, называемой зеркалом испарения. Коллектор — это заглушенная с торцов труба большого диаметра, в которую по длине ввариваются трубы меньшего диаметра.

В котлах с естественной циркуляцией (рис. 3,б) питательная вода, подаваемая насосом, подогревается в экономайзере и поступает в барабан. Из барабана по опускным необогреваемым трубам вода поступает в нижний коллектор, откуда распределяется в обогреваемые трубы, в которых закипает. Необогреваемые трубы заполнены водой, имеющей плотность ρ´, а обогреваемые трубы заполнены пароводяной смесью, имеющей плотность ρсм, средняя плотность которой меньше ρ´. Нижняя точка контура — коллектор — с одной стороны подвергается давлению столба воды, заполняющей необогреваемые трубы, равному Hρ´g, а с другой — давлению Hρсмg столба пароводяной смеси. Возникающая разность давлений H(ρ´ — ρсм)g вызывает движение в контуре и называется движущим напором естественной циркуляции Sдв (Па):

Sдв = H(ρ´ — ρсм)g,

где H — высота контура; g — ускорение свободного падения.

В отличие от однократного движения воды в экономайзере и пара в пароперегревателе движение рабочего тела в циркуляционном контуре является многократным, так как при проходе через парообразующие трубы вода испаряется не полностью и паросодержание смеси на выходе из них составляет 3-20%.

Отношение массового расхода циркулирующей в контуре воды к количеству образовавшегося пара в единицу времени называется кратностью циркуляции

R = mв/mп.

В котлах с естественной циркуляцией R = 5-33, а в котлах с принудительной циркуляцией — R= 3-10.

В барабане образовавшийся пар отделяется от капель воды и поступает в пароперегреватель и далее в турбину.

В котлах с многократной принудительной циркуляцией (рис. 3,в) для улучшения циркуляции устанавливается дополнительно циркуляционный насос. Это позволяет лучше компоновать поверхности нагрева котла, допуская движение пароводяной смеси не только по вертикальным парогенерирующим трубам, но также по наклонным и горизонтальным.

Поскольку наличие в парообразующих поверхностях двух фаз — воды и пара — возможно лишь при докритическом давлении, барабанные котлы работают при давлениях меньше критических.

Температура в топке в зоне горения факела достигает 1400-1600°С. Поэтому стены топочной камеры выкладывают из огнеупорного материала, а их наружная поверхность покрывается тепловой изоляцией. Частично охладившиеся в топке продукты сгорания с температурой 900-1200°С поступают в горизонтальный газоход котла, где омывают пароперегреватель, а затем направляются в конвективную шахту, в которой размещаются промежуточный пароперегреватель, водяной экономайзер и последняя по ходу газов поверхность нагрева — воздухоподогреватель, в котором воздух подогревается перед его подачей в топку котла. Продукты сгорания за этой поверхностью называются уходящими газами: они имеют температуру 110-160°С. Поскольку дальнейшая утилизация тепла при такой низкой температуре нерентабельна, уходящие газы с помощью дымососа удаляются в дымовую трубу.

Большинство топок котлов работает под небольшим разрежением 20-30 Па (2 — 3 мм вод.cт.) в верхней части топочной камеры. По ходу продуктов сгорания разрежение в газовом тракте увеличивается и составляет перед дымососами 2000-3000 Па, что вызывает поступление атмосферного воздуха через неплотности в стенах котла. Они разбавляют и охлаждают продукты сгорания, понижают эффективность использования тепла; кроме того, при этом увеличивается нагрузка дымососов и растет расход электроэнергии на их привод.

В последнее время создаются котлы, работающие под наддувом, когда топочная камера и газоходы работают под избыточным давлением, создаваемым вентиляторами, а дымососы не устанавливаются. Для работы котла под наддувом он должен выполняться газоплотным.

Поверхности нагрева котлов выполняются из сталей различных марок в зависимости от параметров (давления, температуры и др.) и характера движущейся в них среды, а также от уровня температур и агрессивности продуктов сгорания, с которыми они и находятся в контакте.

Важное значение для надежной работы котла имеет качество питательной воды. В котел непрерывно поступает с ней некоторое количество взвешенных твёрдых частиц и растворенных солей, а также окислов железа и меди, образующихся в результате коррозии оборудования электростанций. Очень небольшая часть солей уносится вырабатываемым паром. В котлах с многократной циркуляцией основное количество солей и почти все твердые частицы задерживаются, из-за чего их содержание в котловой воде постепенно увеличивается. При кипении воды в котле соли выпадают из раствора и на внутренней поверхности обогреваемых труб появляется накипь, которая плохо проводит тепло. В результате покрытые изнутри слоем накипи трубы недостаточно охлаждаются движущейся в них средой, нагреваются из-за этого продуктами сгорания до высокой температуры, теряют свою прочность и могут разрушиться под действием внутреннего давления. Поэтому часть воды с повышенной концентрацией солей необходимо удалять из котла. На восполнение удаленного количества воды подается питательная вода с меньшей концентрацией примесей. Такой процесс замены воды в замкнутом контуре называется непрерывной продувкой. Чаще всего непрерывная продувка производится из барабана котла.

В прямоточных котлах из-за отсутствия барабана нет непрерывной продувки. Поэтому к качеству питательной воды этих котлов предъявляются особенно высокие требования. Они обеспечиваются путем очистки турбинного конденсата после конденсатора в специальных конденсатоочистительных установках и соответствующей обработкой добавочной воды на водоподготовительных установках.

Вырабатываемый современным котлом пар является, вероятно, одним из наиболее чистых продуктов, производимых промышленностью в больших количествах.

Так, например, для прямоточного котла, работающего на сверхкритическом давлении, содержание загрязнений не должно превышат 30-40 мкг/кг пара.

Современные электростанции работают с достаточно высоким КПД. Теплота, затраченная на подогрев питательной воды, ее испарение и получение перегретого пара, — это полезно использованная теплота Q1.

Основная потеря тепла в котле происходит с уходящими газами Q2. Кроме того, могут быть потери Q3 от химической неполноты сгорания, обусловленные наличием в уходящих газах CO, H2, CH4 ; потери с механическим недожогом твердого топлива Q4, связанные с наличием в золе частичек несгоревшего углерода; потери в окружающую среду через ограждающие котел и газоходы конструкции Q5; и, наконец, потери с физической теплотой шлака Q6.

Обозначая q1 = Q1 / Q , q2 = Q2 / Q и т.д., получаем КПД котла:

ηk = Q1/ Q= q1=1-( q2+ q3+ q4+ q5+ q6),

где Q — количество тепла, выделяющегося при полном сгорании топлива.

Потеря тепла с уходящими газами составляет 5-8% и уменьшается с уменьшением избытка воздуха. Меньшие потери соответствуют практически горению без избытка воздуха, когда воздуха в топку подается лишь на 2-3% больше, чем теоретически необходимо для горения.

Отношение действительного объёма воздуха VД, подаваемого в топку, к теоретически необходимому VТ для сгорания топлива называется коэффициентом избытка воздуха:

α = VД/VТ ≥ 1.

Уменьшение α может привести к неполному сгоранию топлива, т.е. к возрастанию потерь с химическим и механическим недожогом. Поэтому принимая q5 и q6 постоянными, устанавливают такой избыток воздуха a, при котором сумма потерь

q2+ q3+ q4 → min .

Оптимальные избытки воздуха поддерживаются с помощью электронных автоматических регуляторов процесса горения, изменяющих подачу топлива и воздуха при изменениях нагрузки котла, обеспечивая при этом наиболее экономичный режим его работы. КПД современных котлов составляет 90-94%.

Все элементы котла: поверхности нагрева, коллекторы, барабаны, трубопроводы, обмуровка, помосты и лестницы обслуживания — монтируются на каркасе, представляющем собой рамную конструкцию. Каркас опирается на фундамент или подвешивается к балкам, т.е. опирается на несущие конструкции здания. Масса котла вместе с каркасом довольно значительна. Так, например, суммарная нагрузка, передаваемая на фундаменты через колонны каркаса котла паропроизводительностью D=950 т/ч, составляет 6000 т. Стены котла покрываются изнутри огнеупорными материалами, а снаружи — тепловой изоляцией.

Применение газоплотных экранов приводит к экономии металла на изготовление поверхностей нагрева; кроме того, в этом случае вместо огнеупорной кирпичной обмуровки стены покрываются лишь мягкой тепловой изоляцией, что позволяет на 30-50% уменьшить массу котла.

Энергетические стационарные котлы, выпускаемые промышленностью России, маркируются следующим образом: Е — паровой котел с естественной циркуляцией без промежуточного перегрева пара; Еп — паровой котел с естественной циркуляцией с промежуточным перегревом пара; Пп- прямоточный паровой котел с промежуточным перегревом пара. За буквенным обозначением следуют цифры: первая — паропроизводительность (т/ч), вторая — давление пара (кгс/см2). Например, ПК — 1600 — 255 означает : паровой котел с камерной топкой с сухим шлакоудалением, паропроизводительностью 1600 т/ч, давление пара 255 кгс/см2.

Источник: Полещук И.З., Цирельман Н.М. Введение в теплоэнергетику: Учебное пособие пособие / Уфимский государственный авиационный технический университет. — Уфа, 2003.

Возможно ли дома иметь собственную надежную, компактную систему генерации тепла и электричества? Компания MTT Micro Turbine Technology BV (Нидерланды) на этот вопрос ответила утвердительно, создав установку EnerTwin на основе микротурбины, одновременно генерирующей 3 кВт электричества и 15 кВт тепла. Микро-ТЭЦ EnerTwin разработана для замены отопительных котлов для малого бизнеса и домашних хозяйств. Основное внимание уделяется низкой себестоимости, надежности, снижению уровня шума и низким эксплуатационным расходам.

Выглядит МикроТЭЦ как обычный бытовой прибор

Микро-ТЭЦ одновременно генерирует (когенерирует) тепловую и электрическую энергию в местах, где они обе востребованы. Как правило, основным потребителем энергии микро-ТЭЦ является система отопления. Электричество, в этом случае, становится побочным продуктом, производимым по очень низкой себестоимости. Основное преимущество микро-ТЭЦ в том, что энергия топлива используется практически полностью. В этом состоит основное отличие от обычных электростанций, где значительное количество тепла теряется в атмосферу. Кроме того, микро-ТЭЦ экономит на передаче электроэнергии от электростанций до конечных пользователей, за счет уменьшения потерь. Любое превышение выработки электроэнергии от микро-ТЭЦ можно экспортировать в электрическую сеть (в Европе, США и др.). Существуют специальные программы стимулирования для поставщиков электроэнергии. Например в Германии, для тех кто поставляет излишки генерируемой электроэнергии в сеть, дополнительно предоставляются льготы. Это делает преимущества когенерации еще большими.

Распределенная система генерации энергии на базе микро-ТЭЦ EnerTwin

Технология

EnerTwin система микро-ТЭЦ построена на основе микротурбины. Принцип работы заключается в следующем:

Основная схема рабочих узлов микро-ТЭЦ

  1. Окружающий воздух поступает и сжимается в компрессоре.
  2. Сжатый воздух предварительно нагревают в рекуператоре.
  3. В камере сгорания, добавляется тепло при сгорании топлива.
  4. Горячий сжатый газ расширяется в турбине, что обеспечивает механическую энергию для компрессора и генератора. «Инвертер» преобразует энергию, подаваемую генератором в напряжение и частоту электросети (230⁄50 Гц).
  5. Расширенный газ после турбины нагревает воздух, сжатый компрессором в рекуператоре (см.2).
  6. Остаточное тепло, оставшееся в выходном газе после рекуператора, поглощается в теплообменнике с водой.
  7. Горячая вода используется для центрального отопления и /или горячего водоснабжения.

Внутреннее устройство EnerTwin

Турбина

Газовые турбины известны своей высокой мощностью, низким весом и эксплуатационными расходами. Использование технологии турбонаддува, разработка которой финансировалась государством, приводит к низкой себестоимости производства. Газотурбинные компоненты оптимизировались для применения в турбогенераторе. Высокоскоростной турбогенератор при частоте вращения 240 тысяч оборотов в минуту имеет чистый электрический к.п.д. 15% (19% эффективность мощности на валу). Вместе с низкими затратами, это обеспечивает большой потенциал для экономически эффективных микро-ТЭЦ систем.

Новая концепция

При создании EverTwin компания применила нетрадиционный подход для разработки эффективного, очень малого газотурбинного двигателя. Этот проект основан на вращающейся камере сгорания в сочетании с эффективным компрессором.

Эффективность газовой турбины в значительной степени зависит от потерь из-за утечек потока, тепловых потерь и трения. Эти потери становятся еще существенней при попытках создать турбины микро-мощности, масштабируя обычные газовые турбины. При уменьшении турбины соотношение зазоров и размеров лопастей турбины уменьшается. Кроме того, при уменьшении размера (снижается число Рейнольдса) вязкие потери на трение становятся больше, чем в обычных турбогенераторах. В результате , существует фундаментальное ограничение на эффективность микротурбин с обычной конфигурацией.

В концепции вращающейся камеры сгорания вышеуказанные масштабные эффекты не так заметны. Ключевой особенностью является монолитный ротор.

Монолитный ротор микротурбины

Монолитный ротор в разрезе

В основном , турбина состоит из одного ротора, в котором расположены центробежный компрессор, вращающаяся камера сгорания и реакционная турбина. У вращающейся камеры сгорания, компрессор не имеет диффузора и турбина не имеет лопаток.

Электрогенератор

Эффективный высокочастотный генератор на постоянных магнитах преобразует механическую энергию микротурбины в электроэнергию.
Генератор полностью интегрирован в ротор турбины, избегая затрат и потерь от дополнительных подшипников и муфт.

Уровень шума

Микротурбины излучают только высокочастотный шум, который может быть эффективно заглушен. По сравнению с обычными генераторами и турбинами, EnerTwin имеет очень низкий уровень шума.

Спецификация EnerTwin

  • Электрическая мощность (макс/мин) — 3,0 /1,0 кВт
  • Тепловая мощность (макс/мин) — 14,4 /5,0 кВт
  • Электрический КПД (макс/мин) — 15 /10 %
  • Максимальный суммарный КПД — 87% (зависит от параметров системы отопления, например температуры обратного трубопровода)
  • Скорость вращения ротора (макс/ мин) — 240 / 180 тысяч об/мин
  • Потребление газа (38.5 MJ/nm3, макс/мин) — 1,87 /0,84 nm3/h
  • Топливо — природный газ
  • Параметры системы отопления (подающая/обратная труба) — 80⁄60 °С
  • Шум — 55 dB(A) 1m
  • Размеры — 970 x 610 x 1120мм
  • Вес — 225 кг
  • Диаметр дымохода — 100мм
  • Электросеть — 230 В/50 Гц

Основное применение

По мнению разработчика основное применение микро-ТЭЦ:

  • Малые и средние предприятия;
  • Отрасли с относительно небольшим устойчивым требования тепла;
  • Конференц-залы;
  • Большие жилые дома;
  • Дома с бассейном и /или сауной;
  • Коттеджи;
  • Школы, спортивные школы, спортивные залы, студии и кружки;
  • Коммунальные здания;
  • Автозаправочные станции;
  • Гостиницы и рестораны;
  • Магазины;
  • Оздоровительные центры;
  • Дома престарелых;
  • Правительственные здания, такие как залы, полицейские станции, библиотеки.

Сертификация

В феврале 2013 года EnerTwin получили сертификат CE для полевых испытаний. Получение этого сертификата представляет собой важную веху в развитии EnerTwin. Сертификат был выдан по KIWA после всесторонних испытаний работы турбин на газообразном топливе и вопросам безопасности труда. Свидетельство KIWA действительно для всех стран Европейского Союза, а также в Норвегии, Хорватии, Турции и Швейцарии.

Европейский сертификат безопасности KIWA

Где посмотреть?

МТТ скоро будет участвовать на выставках:

  • Hannover Messe в Германии с 7 по 11 апреля 2014 года, павильон Holland Energy House, холл 27 G24
  • MCE в Милане с 18 по 21 марта 2014 г. в павильоне 5, стенд №. E02 10.