АННОТАЦИЯ

Одним из приоритетных направлений развития энергетики в большинстве индустриальных стран становится всё более широкое использование автономных систем электроснабжения малой (десятки-сотни кВт) мощности, среди которых заметное место занимают энергоустановки, преобразующие низкопотенциальное тепло посредством электротурбогенераторов с прямым приводом от расположенной на его валу турбины. В мировой практике подобные установки получили название микротурбин. В работе приведены данные экспериментальных исследований опытного образца турбогенератора, мощностью 1 кВт с частотой вращения ротора 100 000 об/мин, разработанного в НИУ МЭИ для прототипа микротрурбинной энергоустановки для утилизации низкопотенциального тепла, работающей по органическому циклу Ренкина.

1. ВВЕДЕНИЕ

Развитие систем малой (до 1÷2 МВт) энергетики в полной мере отвечает современной концепции децентрализованного энергоснабжения, согласно которой устройства выработки тепловой и электрической энергии должны быть максимально приближенны к потребителю. Подобный подход позволяет не только гарантированно обеспечивать потребителей энергией, необходимой для их жизни и эффективной хозяйственной деятельности, но и добиваться существенной экономии энергоресурсов за счёт использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии, утилизации сбросного и низкопотенциального тепла. Для России развитие малой энергетики для децентрализованных систем электроснабжения (СЭС) является, пожалуй, более актуальной задачей, чем для других индустриальных стран, что вызвано рядом причин.

Во-первых, при всей грандиозности созданной во времена СССР единой энергосистемы, на огромной территории нашей страны имеются многочисленные и весьма обширные районы, которые из-за удалённости от промышленных центров и/или относительно малого энергопотребления, не были охвачены централизованным энергоснабжением. В настоящее время, по данным печати [1] в областях, для энергоснабжения которых используются стационарные дизельные или бензиновые электростанции малой мощности, проживает почти 13 млн. наших сограждан. Во многих удалённых районах для выработки энергии используется керосин, сжиженный газ, уголь, древесное топливо. Подобные электростанции обладают низкой эффективностью, имеют значительные физический и моральный износы, требуют возрастающих затрат на поддержание их работоспособности, проведение капитального ремонта, на подвоз и хранение топлива.

Во-вторых, в условиях климатических и техногенных катастроф, участившихся в последние годы, при возникновении чрезвычайных ситуаций надёжность энерго- и теплоснабжения потребителей не может быть обеспечена только средствами централизованных СЭС.

В-третьих, крупные централизованные СЭС являются более уязвимыми, чем небольшие автономные системы в случае возникновения террористической или военной угроз.

2. МИКРОТРУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ МАЛОЙ МОЩНОСТИ

Одним из направлений развития систем малой энергетики является разработка микротурбинных установок, преобразующих тепловую энергию в электрическую в прямых (двигательных) циклах: Брайтона, Стирлинга, Ренкина, Эриксона и др. При этом расчёты специалистов показывают, что для преобразования энергии низкопотенциальных тепловых источников с возможным диапазоном температур от 60 до 180 °С наиболее экономичным является органический цикл Ренкина (Organic Rankine Cycle, ORC), в котором в качестве рабочего тела используются органические вещества, например, современные экологически безопасные фреоны [2]. По оценкам специалистов, в микротурбинах малой мощности с использованием ORC, наибольшая эффективность преобразования энергии достигается, если привод электротурбогенератора (ЭТГ) осуществляется от радиально-осевых центростремительных турбин, эффективно работающих при относительно больших степенях расширения и относительно небольших расходах рабочего тела.

Мировыми лидерами по производству микротурбин малой мощности являются американские фирмы Capstone, Calnetix, Infinity Turbine и др. В установках фирм Calnetix, Infinity Turbine в качестве первичного источника энергии используется низкопотенциальное тепло. Расчёты отказывают, что при мощности микротрурбинных установок до 300 кВт для достижения приемлемых значений эффективности турбины (более 70%) её рабочая частота вращения должна быть достаточно высокой (десятки-сотни тысяч об/мин), поэтому ЭТГ для таких установок является высокоскоростным. Типовая функциональная схема микротурбинной энергоустановки, работающей по органическому циклу Ренкина, приведена на рис. 1.

Рис.1. Функциональная схема микротурбинной энергоустановки, работающей по ORC

Анализ литературных источников показывает, что в большинстве проектов по современным и перспективным микротурбинным установкам малой мощности применяются высокоскоростные ЭТГ с возбуждением от постоянных магнитов (ПМ) на лепестковых газодинамических опорах (ЛГО) с частотой вращения ротора от 20 до 200 тысяч об/мин. Высокочастотные ЭТГ являются одним из видов высокоскоростных электротурбомашин (ЭТМ) на ЛГО, которые в настоящее время находят всё большее применение в различных промышленных агрегатах и системах, таких как турбокомпрессоры и турбогенераторы, технологические и медицинские центрифуги, микрокриогенные системы и т.д. ЭТМ на ЛГО способны работать в исключительно тяжелых условиях: при переменных нагрузках, в широком диапазоне изменения температуры и влажности, при воздействии вибрационных и ударных нагрузок, низком качестве очистки рабочего тела и т.д. Кроме того, ЭТМ с возбуждением от ПМ на ЛГО в наибольшей степени обеспечивают такие важные требования к автономным системам, как повышеные энергетическая эффективность и надёжность, низкий уровень шумов и вибраций, большой срок службы, малые габариты и вес, а также специфические требования, например, отсутствие в рабочем теле паров масла. Высокоскоростные ЭТГ становятся основой как наземных автономных систем электроснабжения малой мощности (до 1-2 МВт), так и рассматриваются в качестве основного узла перспективных систем электроснабжения космического назначения.

Величина и частота выходного напряжения ЭТГ в процессе работы изменяются в зависимости от мощности нагрузки, давления и температуры рабочего тела и других факторов, тогда как в подавляющем большинстве случаев выходное напряжение систем электроснабжения должно соответствовать стандартному напряжению общепромышленных сетей переменного тока: однофазного 220 В, 50 Гц при мощности энергоустановки до 10 кВт или трёхфазного 380/220 В, 50 Гц при мощности 10 ÷ 200 кВт с достаточно жёсткими требованиями к стабильности этих значений и коэффициенту гармоник. Поэтому электрическая силовая часть СЭС на основе микротурбин выполняется по так называемой схеме со звеном постоянного тока, функциональная схема которой изображёна на рис. 2. Выходное напряжение ЭТГ переменного тока высокой нестабильной частоты подаётся на вход электронного преобразователя ЭЛП 1 (в простейшем случае - неуправляемого мостового выпрямителя с ёмкостным фильтром на выходе). На выходе ЭЛП 1 формируется напряжение U_d шины постоянного тока, к которой подключается электронный преобразователь ЭЛП 2, основной функцией которого является формирование выходного синусоидального напряжения переменного тока заданного качества с частотой 50 Гц. Таким образом, в микротурбинных установках ЭТГ работают в режиме вентильных генераторов [3] на выпрямительную нагрузку с ёмкостным фильтром.

Рис. 2 Функциональная схема электрической силовой части энергоустановки

С целью выработки принципов построения микротурбинных энергетических установок малой мощности, работающих по органическому циклу Ренкина, отработки режимов их работы, изучения термодинамических параметров новых и перспективных органических рабочих тел, специалистами НИИ Механики МГУ им. М.В. Ломоносова и НИУ МЭИ был разработан образец-прототип такой установки, с выходной электрической мощностью 1 кВт. Рабочим телом является современное экологическибезопасное органическое вещество с температурой газа на входе в турбину 150 ^оС.

3. ОПЫТНЫЙ ОБРАЗЕЦ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ЭЛЕКТРОТУРБОГЕНЕРАТОРА

Высокоскоростные электротурбогенераторы (ЭТГ) являются одним из важнейших элементов микротурбинных установок, именно в них осуществляется преобразование энергии рабочего тела в электрическую энергию. Расчёты, выполненные специалистами НИИ Механики МГУ им. М.В. Ломоносова показали, что при выходной мощности энергоустановки Р₂ = 1 кВт для получения расчётного КПД центростремительной турбины 72%, номинальная частота вращения n_ном ротора ЭТГ должна составлять 100 000 об/мин. Для этих технических требований на кафедре электротехнических комплексов автономных объектов (ЭКАО) НИУ МЭИ были разработаны и изготовлены опытные образцы магнитоэлектрического электротурбогенератора ЭТГ-1, основные параметры которого приведены в таблице 1.

Таблица 1

На рис. 3 приведён трёхмерный эскиз разработанного турбогенератора, поясняющий некоторые особенности его конструкции. Ротор 1 ЭТГ на основе редкоземельных постоянных магнитов для обеспечения механической прочности выполнен составным со стальным бандажом. Цапфы 2 вала установлены в двух радиальных лепестковых газодинамических опорах 3. На одном торце ротора установлено рабочее колесо 4 центростремительной турбины, а на противоположном – пята 5 осевого ЛГО.

Рис. 3 Эскиз ЭТГ-1

Статор 6 выполнен шихтованным из листов электротехнической стали марки 2421. В пазах статора размещены витки трёхфазной обмотки 7. Охлаждение ЭТГ-1 естественное, для повышения эффективности охлаждения корпус 8 генератора выполнен ребристым.

Для проведения экспериментальных исследований в конструкцию опытных образцов ЭТГ-1 были включены датчики температуры, установленные в лобовых частях обмотки 7 и в статоре осевого ЛГО, и индуктивные датчики вибраций 9 и частоты вращения 10. Также для возможности дополнительного контроля частоты вращения ротора в пазах статора 6 была размещена измерительная обмотка с числом витков W = 2.

Разработанный турбогенератор предназначен для использования в экспериментальной установке, для демонстрации возможности преобразования низкопотенциального тепла в органическом цикле Ренкина. Для наглядности подобной демонстрации в качестве нагрузки ЭТГ-1 было предложено использовать лампы накаливания с номинальным напряжением 220 В, подключаемые к шине постоянного тока U_d (рис. 2). Соответственно под это выходное напряжение и были рассчитаны обмоточные данные генератора.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОПЫТНОГО ОБРАЗЦА ЭТГ-1

На первом этапе исследований опытной микротурбинной энергоустановки, работающей по органическому циклу Ренкина, требовалось экспериментально проверить работоспособность высокоскоростного турбогенератора в диапазоне рабочих частот вращения. Для проведения подобного эксперимента в НИИ механики МГУ им. М.В. Ломоносова был изготовлен воздушный стенд, позволяющий без изменения проточной части турбины раскручивать ротор ЭТГ-1 до номинальной частоты вращения от воздушного компрессора и выполнять необходимые измерения электрических величин. Стенд был оборудован автоматизированной микропроцессорной системой регистрации и обработки данных, позволяющей в реальном времени обрабатывать показания приборов, характеризующих процессы электрической (ток, напряжение, мощность), механической (частота вращения, вибрация ротора) и термодинамической (температуры, давления, расходы) природы. Помимо этой системы для визуального контроля хода исследований в экспериментальной установке были использованы различные стрелочные приборы.

На рис. 4 приведена схема электрической части экспериментальной установки. Выводы U, V, W, фаз турбогенератора ЭТГ-1 подключаются к входу трёхфазного мостового неуправляемого выпрямителя, собранного по схеме Ларионова. В качестве диодов VD1-VD6 использованы высокочастотные выпрямительные диодs типа HFA08PBA600 производства фирмы International Rectifier (США). Конденсатор фильтра С_ф образован двумя параллельно включёнными алюминиевыми электролитическими конденсаторами типа 100 мкФ × 450В производства фирмы EPCOS (Германия).

Рис. 4 Схема электрической части экспериментальной установки

При отсутствии нагрузки на клеммах турбогенератора и наличии давления на входе в турбину частота вращения ротора может превысить допустимое значение, что неизбежно приводит к разрушению ЭТГ. Для предотвращения этого в схеме предусмотрена не отключаемая балластная нагрузка R_б, образованная двумя параллельно включёнными резисторами типа С5-35 160 Вт × 1 кОм. Наличие R_б обеспечивает нагрузку ЭТГ-1 на уровне 10-12% от номинальной мощности при отсутствии внешней нагрузки R_н. Измерение электрических параметров турбогенератора производилось на стороне постоянного тока после фильтра С_ф. Напряжение U_d измерялось непосредственно на шинах постоянного тока с помощью вольтметра «В», а ток нагрузки - по падению напряжения на шунте RS типа 75ШС-10А-75мВ, установленном в минусовой шине, посредством милливольтметра «мВ». В качестве внешней нагрузки R_н использовались лампы накаливания мощностью 200 и 300 Вт, подключаемые к клеммам «+» и «-» установки, лампы подключались с помощью тумблеров, позволяющих создавать четыре дискретных уровня внешней нагрузки. На рис. 5 приведена фотография процесса испытаний турбогенератора на воздушном стенде при максимальной подключённой нагрузке.

Рис. 5 Испытания ЭТГ-1 на воздушном стенде

В ходе проведения эксперимента с помощью ручного регулирования давления и расхода воздуха, подаваемого на вход турбины, осуществлялось поддержание заданной частоты вращения ротора ЭТГ-1 с точностью ± 10% при изменении нагрузки генератора. Испытания проводились при частотах вращения n ротора 60, 90 и 100 тыс. об/мин. Диапазон изменения мощности нагрузки ЭТГ-1 составил от 50 Вт (внешняя нагрузка полностью отключена, n = 60 000 об/мин) до 1220 Вт (включена полная внешняя нагрузка, n = 100 000 об/мин). При максимальной нагрузке температура подпятника осевой ЛГО не превышала 130 ^оС. На рис. 6 приведены внешние характеристики турбогенератора, полученные экспериментально.

Также в процессе исследования внешних характеристик ЭТГ-1 с помощью цифрового осциллографа (на рис. 4 – не показан) были получены осциллограммы мгновенных значений фазных напряжений u_UN(t), u_VN(t), u_WN(t) и фазного тока i_U(t), позволяющие выявить некоторые особенности работы генератора ЭТГ-1 на выпрямительную нагрузку.

Результаты исследований ЭТГ-1 подтвердили его работоспособность и правильность принятых инженерных решений, положенных в его конструкцию, а также позволили получить важные данные, необходимые, для дальнейшей работы, например, для разработки системы запуска турбогенератора в двигательном режиме.

Успешное завершение испытаний турбогенератора позволило перейти ко второму этапу исследований, - отработке микротурбинной энергоустановки, работающей по органическому циклу Ренкина, в замкнутом цикле на фреоновом стенде, созданном в НИИ механики МГУ им. М.В. Ломоносова.

Рис. 6 Внешние характеристики генератора

Заключение

Создание микротурбинных энергетических установок для преобразования низкопотенциального тепла в электроэнергию является актуальной задачей современности. Специалисты МЭИ и МГУ им. М.В. Ломоносова обладают необходимыми методиками расчёта органического цикла Ренкина и практическими навыками, позволяющими осуществить расчет, проектирование и изготовление электротурбомашин с лепестковыми газодинамическими опорами мощностью 0,35 - 250 кВт.

Список литературы

1. Безруких П.П. Зачем России ВИЭ?// Энергия: экономика, техника, экология. -М.: Наука, 2002. -№11.- с.2-8.

2. Высокоскоростные турбогенераторы для автономных энергетических установок малой мощности с использованием низкопотенциального тепла. / Румянцев М.Ю., Захарова Н.Е., Поликарпов А.В. и др.// Труды Всероссийской научно-практической конференции «Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем» - ЭНЕРГО-2010 – М.: Издательский дом МЭИ, 2010. Том 1. С. 240-243.

3. Вентильные генераторы автономных систем электроснабжения / Н.М. Рожнов, А.М. Русаков, А.М. Сугробов, П.А. Тыричев. М.: Изд-во МЭИ, 1996. 280 с.