автореферат диссертации по энергетике, 05.14.01, диссертация на тему: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

3 ОКТ 2013

005534179

Новочеркасск 2013

005534179

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Ефимов Николай Николаевич

Официальные оппоненты:

Андрюшин Александр Васильевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой автоматизированных систем управления тепловыми процессами ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «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 государственном 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 «ЮжноРоссийский 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 микроэнергетические комплексы (МЭК) малых мощностей для автономных индивидуальных, малоэтажных энергопотребителей, удаленных от централизованных сетей. Такие потребители вынуждены использовать установки раздельного производства тепловой (водогрейные котлы) и электрической энергий (дизельные, бен-зо- или газопоршневые и газотурбинные установки). В связи с тем, что доля малоэтажного строительства уже к 2015 году планируется довести до 60% (что составляет около 54 млн. м2 жилья в год) потребность в микроэнергокомплексах с каждым годом будет расти. В настоящее время разработаны конструктивные решения малоэтажных зданий различных классов энергоэффективности. Однако энергетические комплексы для обеспечения их как в автономном децентрализованном режиме, так и в комбинированном с традиционными и нетрадиционными технологиями отсутствуют. Такие системы должны обеспечивать дополнение и резервирование централизованных систем.

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

Диссертационная работа выполнена в соответствии с научным направлением ФГБОУ ВПО ЮРГПУ (НПИ) в рамках федеральной целевой программы «Исследования 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 нетрадиционных источников энергии для автономного энергоснабжения децентрализованного потребителя.

При достижении поставленной цели решались следующие задачи:

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

- разработка влажно-паровой микротурбины МЭК;

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

-разработка схем включения компонентов МЭК, обеспечивающих тригенерацию

не. основе применения теплового насоса; -исследование и разработка принципиальной тепловой схемы микроэнергокомплекса полезной электрической мощностью до 5 кВт с учетом независимого регулирования тепловой и электрической нагрузки; -расчетный выбор основных элементов микроэнергокомплекса с учетом климатических 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 определено, 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, мощностью 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 центростремительная ступень микротурбины с электрическим коэффициентом использования тепла 0.07 — 0.08 и тепловым 0.9 - 0.91, что по сравнению с существующими турбинами 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 высотой 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 регулировании тепловой и электрической мощностей.

Степень достоверности научных положений и выводов подтверждается обоснованностью принятых в работе допущений, строгостью формальных преобразований, использованием фундаментальных законов и уравнений теплоэнергетики, 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 комбинированного 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 элементов микроэнергокомплекса;

- проведен мониторинг работы энергетической системы в малоэтажном доме в составе теплового насоса и солнечного коллектора, являющихся блоками разрабатываемого комплекса, результаты которого показали снижение затрат на энергоносители 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 потребления тепла и электроэнергии», ГК №16.526.11.6012 по теме «Разработка влажно-паровой микротурбинной установки для систем малой распределенной энергетики 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 мировой общественностью.

Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс для студентов и магистров по направлению 140100 - «Теплоэнергетика и теплотехника» в i.ypcax лекций «Перспективы развития энергетики», «Проблемы энерго- и ресурсосбережения», «Современные проблемы теплоэнергетики».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры "Тепловые электрические станции и теплотехника", ЮРГТУ (НПИ); на VII и VIII международных научно-технических конференциях ЮРГТУ (НПИ) «Повышение эффективности производства электроэнергии»; на конференциях и форумах: с 21 по 23 октября 2010 года на выставке 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 19 по 21 апреля 2012 г. в г. Анапа, Краснодарский весенний форум "Энергоэффек-тииность 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 патент 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 используемых источников включает 120 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой темы, сформулирована цель диссертационной работы и перечислены решаемые задачи, представлена научная новизна и практическая значимость, изложены основные положения, 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 NorthernPowerlnc. (США), и "ConceptHouse" (шведская строительная корпорации NCC). Разработки NorthernPowerlnc основаны на гибридных 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 климатических и погодных условий региона, к тому же слишком дорогие и недоступны 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 определенных 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 неравномерность суточного потребления до 80-85 %, электрическая мощность установки должна быть не менее 3.5 кВт, а с учетом необходимого запаса по мощности принятому 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 микроэнергокомплекса электрической мощностью 5 кВт, на базе влажно-паровой микротурбинной

установки, солнечных нагревателей и теплового насоса. При увеличении электропотребления с увеличением площади здания и количества квартир, электрическая мощность возрастает до 10 - 15 кВт (например, для 2-3 квартирного жилого дома). Если возникает необходимость в техническом электропотреблении (фермерское хозяйство и др.), то востребованная электрическая мощность может возрастать до 30 кВт.

Таблица 1.

Принципиальная структура использования ВИЭ для автономного потребителя

Электроснабжение Отопление и горячее водоснабжение Кондиционирование

Днем Ночью Днем Ночью Круглосуточно

Паросиловой цикл, в составе солнечного коллектора и паровой турбины Аккумуляторные батареи Паросиловой цикл, в составе солнечного коллектора и паровой турбины Аккумулятор теплоты Пассивное кондиционирование от грунтовых зондов

Мини-ГЭС Мини-ГЭС Солнечный коллектор Тепловой насос

Ветрогенератор Фотопреобразователи Ветрогенератор Тепловой насос

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 если 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 собой зависимостями:

G„ =f(H, tj, ро'); D =f(n'); I =f(G„-', D'1), при N = const, где N - мощность энергоустановки, кВт; Gn- расход пара на микротурбину, кг/с; Н — располагаемый теплоперепад в микротурбине, кДж/кг; tj - КПД энергоустановки; ро - давление перед турбиной, МПа; D - средний диаметр рабочего колеса, м; / - высота рабочей лопатки, м; рк - давление на выходе из турбины, МПа; t0 -температура на входе в турбину, °С.

На рис. 2 представлена графическая зависимость для двухвенечного диска Кертиса р„ =f(G„) и I =f(G„) при и = 300 1/с; рк = 0.004 МПа; t0= 160 °С. На графике показаны ограничения по условиям работы солнечных нагревателей и по

высоте рабочих лопаток. При /<10 мм резко возрастают лопаточные потери, снижая КПД микротурбины, поэтому такие высоты лопаток турбины не рекомендуется применять.

По результатам вышеприведенного анализа определены требования к тепловой схеме, теплоносителям и конструкции микроэнерго-комплекса:

- давление

рабочей среды на входе в микротурбинную установку должно быть 0,6 МПа и температура пара принята 160 °С (по условиям насыщения пара при давлении 0,6 МПа);

- температура теплоносителя в солнечных нагревателях не менее180 °С;

- максимальная электрическая мощность установки для индивидуального, автономного потребителя определена как 5 кВт, с учетом необходимости регулирования суточных графиков нагрузки.

Теплообмен осуществляется интенсивнее у теплоносителей в жидкой фазе. Учитывая это, в солнечном нагревателе предлагается использовать теплоноситель-рассол с температурой кипения не менее 180 °С.

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

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

Таким образом, различие в требованиях к теплоносителям для солнечных нагревателей, микротурбины и систем отопления и ГВС приводит к необходимости 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 микротурбинной установки использовать для производства только электроэнергии не-

1,2

61,0

vS |

s 0,8

a

I 0,6 «

Im

s

0,2

0,0

1 I ^ I

Ограничения no надежности работы солнечных нагревателей

/

/

'«v

/

20

16 S

12

<§

в a. в

0,025

8.0 0,0325

целесообразно. Микроэнергокомплекс рассчитан на применение в когенерацион-ных и тригенера-ционных схемах.

Анализ энергопотребления сеней, проживающих в домах, утепленных по категории энергоэффективности «А» представлен на графике суточного электропотребле-ни! (рис. 3).

На рис. 4 представлено теп-лопотребление зданий 50, 100 и 150 м2 в сравнении с тепловыделениями предлагаемого комплекса, без учета независимого регулирования тепла и электроэнергии, а также газопоршневой-(ГНА) и газотурбинной (ГТУ) установок.

Пики превышения выработки тепла микро-энергокомплексом предлагается использовать полезно, накапливая его в тепловых аккумуляторах. Выделенная на рис. 4 область отражает

0.0275 0,03

Расход пара на турбину, кг/с Рис. 2. Графики работы солнечных нагревателей в диапазоне нагрузок микротурбины

кВт

1.2----------------------------—..........-.............................................................-......—............

1

0,80.6; 0.4: 0.2-о:

I

I _______________________________________________________________I...................._ i_____________

/1/2 1 1 1

/ J 1 \

о о о

о о тг

о о «о

о о СО

о о сч

о о

СО

о о

час

сч

Рис. 3. Среднесуточное потребление электроэнергии жилого дома категории энергоэффективности «А» в рабочий день: 1 — текущее электропотребление, 2 - среднесуточное электропотребление

наиболее часто потребляемое количество электроэнергии в месяц от 200 кВт-ч (среднесуточное потребление 0.268 кВт) до 500 кВт ч (среднесуточное потребление 0.537 кВт).

11

1(1

9

£

7

1 fi

Ч

S: S

а ?

?

1

II

1

1

У

Ь- у

1

1 >-

- - у

V-

3

/

А-

У /

k л

_

__ --

\ ~~ ~

}

• t

При независимом регулировании тепловой и электрической нагрузок пропуском пара через байпас в конденсатор максимально достижимая тепловая мощность МЭК составляет 65 кВт, при любой электрической нагрузке.

Для минимизации капитальных затрат на установку МЭК, при полном энергообеспечении дома соответствующего классу энергетической эффективности «А», принят критерий оптимизации использования МЭК - площадь дома. Для определения критерия оптимизации, проанализированы тепло-поступления предлагаемого МЭК и газопоршневой и газотурбинной установок, при реальном уровне среднесуточного потребления электрической энергии, и проведены расчеты тепловых потерь домов 50, 100 и 150 м2, при нормативных значениях температур внутреннего и окружающего воздуха для Ростовской области: 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 % потребности в отоплении, а оставшиеся 8.5%, при включении регулирования тепловой и электрической энергии пропуском пара в конденсатор через байпас, предусмотренный 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 °С) и давлениях рабочего тела, что сопряжено с рисками травматизма при их эксплуатации. Разработанный же энергокомплекс работает при низких параметрах рабочего тела (пара) температура 160°С, давление 0.6 МПа, что позволяет использовать солнечную энергию как нагреватель. Вся располагаемая теплота цикла в МЭК, за исключением потерь, тратиться полезно 7-8 % на выработку электроэнергии и 90-91 % на выработку тепла, общий коэффициент полезного использования располагаемой

0,8

Среднесуточное злектропотреВление. кВт Рис. 4. Соотношение теплопроизводительности МЭК, ГПА и ГТУ, в зависимости от среднесуточного электропотребления, где 1 - ГПА, 2 - ГТУ, 3 - МЭК, 4 - потребность в тепле дома 50 м , 5 — потребность в тепле дома 100 м2,6 — потребность в тепле дома 150 м2, 7 - среднесуточное электропотребление Ростовской области

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, ]суда входят три циркуляционных контура.

1. Циркуляционный контур системы пароприготовления состоит из параллельно и последовательно подключенных солнечных панелей 2, котла 1 последовательно подключенных в циркуляционном контуре, циркуляционного насоса, парогенератора-сухопарника 4 и вспомогательных элементов оборудована!: воздухоотводчика; соединительных трубопроводов между солнечными панелями; расширительной емкости; подпиток и др.

Система пароприготовления должна соответствовать следующим требованиям :

- удовлетворять максимальную потребность в паре для МЭК;

- поддерживать номинальные начальные параметры пара;

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

Рабочие параметры системы пароприготовления: давление не более 1.7 МПа; температура 180 - 200 °С. Теплоноситель - рассол с высокой температурой кипения или масло. В диссертации рассматривалось применение в качестве теплоносителя раствора воды и этиленгликоля (30%). При расчетах парогенератора* сухопарника так же просчитывался вариант применения масла в качестве теплоносителя. _

2. Рабочий контур производства электроэнергии, в котором рабочая среда последовательно проходит емкостную часть парогенератора-сухопарника 4, который является также аккумулятором пара, влажно-паровую микротурбину 6, конденсатор 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, теплообменник 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 конденсатор напрямую, в обход микротурбины.

Параметры в этом циркуляционном контуре: давление влажного пара перед микротурбиной 0,6 МПа, температура -160 °С; давление рабочей среды за микротурбиной 0,025 - 0,06 МПа с температурой насыщения 65 - 86°С.

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 результате конденсации пара на выходе из микротурбины, на отопление и ГВС состоит из трубных поверхностей нагрева конденсатора 8, по которым движется вода. Нагретая вода направляется в накопительную емкость 14, где она передает тепло теплоносителю 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 °С, а в летний 60 "С. 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 натрузки, когда тепловыделение в конденсаторе превышает ее потребность. В таком слу чае оставшуюся часть теплоты необходимо отводить в систему охлаждения 9.

В работе приводится подробный анализ и выбор различных вариантов технологических 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 кондиционирования зданий от грунтовых теплообменников МЭК, что в 8-10 раз экономичнее, 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, исходя из простоты конструкции при тех же технических характеристиках. Расчет ее по нормативным методам приведен в диссертации; основные расчетные характеристики представлены в табл. 2. По результатам расчета были определены сопла и проточная часть микротурбины. Тип профиля рабочих лопаток выбран Р-30-21Б (из атласа профилей решеток турбин).

Анализ рис.6,а показывает, что уменьшение скорости вращения ротора приводит к значительному увеличению расхода влажного пара на турбину и увеличению диаметра рабочего колеса, а при скорости вращения примерно 600 1/с (рис.6,б) микротурбинная 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

Показатели зима лето

Начальное давление пара ро, МПа 0.6 0.6

Давление за сопловой решёткой рь МПа 0.0702 0.0313

Конечное давление рк, МПа 0.06 0.025

Температура насыщения 1нас, °С 85.93 65

Расход пара О, кг/с 0.0271 0.0271

Абсолютная скорость на выходе из сопловой решетки С[, м/с 761.66 873.45

Относительная скорость на входе в рабочую решетку м/с 472.82 584.01

Электрическая мощность турбины кВт 5.003 6.81

Мощность нагревателя МнаП), кВт 67.90 67.39

0,8

0,6

0,5 0.4

0,3 0,2

Ь МО

у л п=200 Ьс

\

ТОО - \

ч V

0.02 0,03 0.04 0,045

ф Расход пара па турСтпу, к:/с

■>00 в00 Скорость ¿¡тщетт, 1/с

б)

Рис.6 Соотношение рабочих параметров одноступенчатой центростремительной 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 возобновляемых (бесплатных) источников энергии определяется по уравнению:

7/эл= 100%-/(кагр - лид где Л^, - электрическая мощность, вырабатываемая микротурбинной установкой, кВт; ^чагр— полная мощность нагревателя, складываемая из мощностей полученных за счет сол-

нечной энергии и энергии сжигания органического топлива в котле (природного газа, диз-топ лива и др.), кВт; Ncom- тепловая мощность, полученная от солнечной радиации, кВт.

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

Расчеты показали, что при площади одного стандартного вакуумного солнечного коллектора 3 м2 ориентировочное количество солнечных коллекторов в летний период, для МЭК должно быть 30 - 60 шт. (первая цифра определялась по российским 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 течение 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 турбины с герметичным корпусом. Вертикальная конструкция позволяет иметь единый герметичный корпус конденсатора и проточной части, что приводи! к сокращению затрат на эжекцию на 15-18 %.

В пятой главе представлены конкретные примеры реализации на практике элементов предлагав мого микроэнергокомплекса.

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

В предлагаемом энергокомплексе геотермальны]"! тепловой насос играет роль дополнительного источника теплоты, а его грунтовый зонд применяется для пассивного кондиционирования и возможного отвода излишней теплоты от паросилового контура в грунт. Солнечные коллекторы используются для па-рогенерации за счет солнечной радиации.

Такой принцип энергоснабжения был заложен при строительстве энергоэффективного малоэтажного жилого дома, строительство которого осуществлялось по заданию Министерства тер-

Рис. 7. Конструкция влажно-паровой вертикальной микротурбины с герметичным корпусом, где 1 - электрогенератор, 2 -проточная часть, 3 — конденсатор

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 системы 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 зондов 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, системы отопления и ГВС; солнечной водонагревательной установки, осуществляющей горячее водоснабжение в светлое время суток; фанкойлов для пассивного кондиционирования воздуха в помещении; стандартных отопительных приборов и сопутствующих коммуникаций, а также трехходовых клапанов с сервоприводами, осуществляющих переключение режимов работы.

Анализ показывает, что наиболее эффективным является внедрение индивидуальных энергокомплексов работающих на ВИЭ в домах с высоким классом теплозащиты. Примером служит построенный «умный дом» в Ростовской области, мониторинг работы системы которого показал (рис. 8), что используя возобновляемые источники энергии, обеспечивается круглогодичное поддержание комфортной температуры в квартирах в любое время года.

Примененная технология строительства по принципу «умного энергоэффективного энергосберегающего дома» обусловила высокую теплозащиту здания, что привело к снижению установленной мощности оборудования в два раза.

На территории завода ООО «СТРИМ» в г. Ростов-на-Дону, был собран испытательный стенд МЭК, включающий в себя: систему пароприготовления состоящую из группы солнечных коллекторов (рис. 9, а) и резервного котла; влажно-паровую микротурбинную установку и блок автоматики (рис. 9, б).

Были проведены предварительные испытания системы пароприготовления и влажно-паровой турооустановки. испытательныи стенд системы пароприготовления позволил получить пар с параметрами 1<)=160 °С, Р0= 0.6 МПа, используя

°с

35

30

25 20 15 10

5 о

"5 ю "15 20

, месяц

123456789 10 И 12 Рис. 8. Графики мониторинга энергокомплекса «умного дома» Ростовской области, где 1 — температура окружающего воздуха ночью, 2 - температура окружающего воздуха днем, 3 - температура в 1-й квартире, 4 - температура во 2-й квартире, 5 - нормативное значение температуры в помещении

комбинацию солнечных коллекторов и резервного парогенератора. Турбоустановка была исп зггана при различной электрической нагрузки от 5 % до 100 %.

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

На реализованных объектах были испытаны основные компоненты энергокомплекса на базе влажно-паровой турбины, были подтверждены заявленные характеристики экспериментальными исследованиями.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе изложены научно-обоснованные технические решения по разработке минроэнергокомплекса для автономного энергоснабжения малоэтажного потребителя за счет комбинации традиционных и возобновляемых источников энергии, имеющие существенное значение для развития малой энергетики Российской Федерации. Основные выводы и результаты следующие.

1. Установлено, что для индивидуального, автономного энергопотребления эффективно использовать энергокомплекс, работающий на комбинации традиционных и возобновляемых источниках энергии, имеющий соотношение тепловой и электрической 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, способная обеспечивать, как когенерационную, так и тригенерационную выработку энергии в комплексе с тепловым насосом.

3. Получен суммарный коэффициент использования располагаемого тепла микротурбины 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 микротурбины на 35-40 %, по сравнению с существующими паровыми турбинами.

4. Определены оптимальные рабочие параметры влажно-паровой микротурбины (давление 0.6 МПа; температура 160 °С; 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 относительный внутренний КПД турбины равный 58 %.

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

6. Произведено внедрение и последующий мониторинг отдельных элементов мик-роэнергокомплекса: микротурбинной установки, солнечных нагревателей, теплового насоса, геотермальных зондов. Результаты исследований подтверждены 1 патентом на изобретение и 2 патентами на полезную модель.

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

1. Ефимов, H.H. Анализ использования тепловых насосов на тепловых и атомных электростанциях / Ефимов H.H., Малышев П.А., Папин В.В., Безуглов Р.В. // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. -2010. -№ 4. -С.35-39.

2. Ефимов, H.H. Система отопления, кондиционирования и горячего водоснабжения на базе возобновляемых источников энергии для Южного федерального округа / Ефимов H.H., Паршуков В.И., Папин В.В., Янченко И.В. // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. -2012. -№ 1. -С.62-65.

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

4. Ефимов, H.H. Микротурбинная установка для эффективного энергоснабжения автономных индивидуальных потребителей / Ефимов H.H., 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, Cl. Способ работы электростанции; H.H. Ефимов, П.А. Малышев, A.B. Черни, Г.Б. Каратаев, C.B. Скубиенко, И.С. Кожуховский, 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 малой мощности; H.H. 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 е., ил. Бюл. №32.

7. Пат. 93942 РФ, МПК F24D 11/02, U1. Система пассивного поддержания температуры в помещении; H.H. Ефимов, П.А. Малышев, В.В. Папин; заявитель и патентообладатель Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). №2009147490/22; заявл. 21.12.209; опубл. 10.05.2010.-2 е., ил. Бюл. №32.

Публикации в других научных изданиях:

8. Ефимов, H.H. Использование теплового насоса в системе охлаждения конденсатора АЭС / Ефимов H.H., Лапин И.А., Малышев П.А., Скубиенко C.B., Минасян К.С., Папин В.В., // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. -2010- Спецвып.: [Состояние и перспективы строительства и ввода в эксплуатацию второго энергоблока Ростовской АЭС. Безопасная эксплуатация энергоблоков АЭС]. -С. 66-69

9. Ефимов, H.H. Перспективы использования тепловых насосов в энергетике / Ефимов H.H., Папин В.В. // Изв. вузов. Электромеханика. -2008-. -Спецвып. -С. 184-186

10. Луконин, В.А. Система автономного энергоснабжения коттеджа / Луконин В.А, Папин В.В., Тихонов Д.В. // Повышение эффективности использования и сбережения 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, H.H. Энергетический комплекс для обеспечения зданий тепловой и электрической энергией на основе возобновляемых источников энергии / Ефимов H.H., Папин В.В., Безуглов Р.В., // Студенческая научная весна -2011: материалы регион, научн.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Ростовской обла-:ти / Юж. Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2011. - С. 359-360.

12. Ефимов, H.H. Применение тепловых насосов для повышения экономичности ГЭС и теплофикации / Ефимов H.H., Папин В.В., Безуглов Р.В. // Эврика -2008: :б. конкурсных работ Всерос. смотра-конкурса науч.-техн. творчества студентов зузов, 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 яаучная весна -2008: материалы Межрегион, науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых Южного федерального округа / Юж. -Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск: ЛИК, 2008. - С. 268-270.

14. Ефимов, H.H. Использование низкопотенциальных источников теплоты при лагреве технологической воды производственного цеха ОАО «Каменскволокно»

Ефимов H.H., Скубиенко C.B., Папин В.В., Малов Е.В. // Повышение эффективности 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

посгановке 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 24.09.2013 Формат 60*84 '/15. Бумага офсетная. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 46-954.

Отпечатано в ИД «Политехник» 346428, г. Новочеркасск, ул. Первомайская, 166 ¡dp-npi@mail.ru

Министерство образования и науки Российской Федерации федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования Южно-Российский государственный политехнический университет

(НПИ) имени М.И. Платова

МИКРОЭНЕРГОКОМПЛЕКС НА БАЗЕ ВЛАЖНО-ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ, СОЛНЕЧНОГО КОЛЛЕКТОРА И ТЕПЛОВОГО НАСОСА

Специальность: 05.14.01 -«Энергетические системы и комплексы»

На правах рукописи

Папин Владимир Владимирович

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор техн. наук, профессор Ефимов Н.Н.

Новочеркасск -2013

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................4

Глава 1. ИССЛЕДОВАНИЕ СУЩЕСТВУЮЩИХ СПОСОБОВ АВТОНОМНОЙ ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННОЙ ГЕНЕРАЦИИ, РАСПРЕДЛЕНИЯ, ПОТРЕБЛЕНИЯ ТЕПЛА И ЭЛЕКРОЭНЕРГИИ В ОБЛАСТИ МАЛОЙ НЕТРАДИЦИОННОЙ ЭНЕРГЕТИКИ.........................................................................................................10

1.1 Аналитический обзор информационных источников в области автономных энергетических комплексов....................................................................................10

1.2 Исследование существующих способов автономной децентрализованной генерации тепла и электроэнергии, анализ эффективности существующих решений...................................................................................................................18

1.2.1 Традиционные решения автономного энергоснабжения..........................18

1.2.2 Зарубежные решения автономного энергоснабжения на базе возобновляемых источников энергии.................................................................19

1.2.3 Российские решения автономного энергоснабжения на базе возобновляемых источников энергии.................................................................20

1.2.4 Определение категории разрабатываемого энергокомплекса..................23

1.3 Постановка задачи.............................................................................................24

Выводы по главе 1.........................................................................................................24

Глава 2. РАЗРАБОТКА КОНЦЕПЦИИ МИКРОЭНЕРГОКОМПЛЕКСА..............26

2.1 Выбор и обоснование направления исследований..........................................26

2.1.1. Перспективы использования ВИЭ в МЭК для Российской Федерации..26

2.1.2 Использование энергии низкопотенциальных источников тепла............27

2.1.3 Использование механической энергии сред..............................................31

2.1.4 Использование энергии солнца..................................................................32

2.2 Разработка концепции микроэнергокомплекса...............................................35

2.3 Сравнение предлагаемого микроэнергокомплекса с современными когенерационными установками............................................................................41

Выводы по главе 2......................................................................................................49

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ТЕПЛОВОЙ СХЕМЫ МИКРОЭНЕРГОКОМПЛЕКСА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МОЩНОСТЬЮ 5 КВТ НА БАЗЕ СОЛНЕЧНОГО КОЛЛЕКТОРА, ВЛАЖНО-ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ И ТЕПЛОВОГО НАСОСА... 50

3.1 Разработка системы пароприготовления.........................................................50

3.1.1 Разработка принципиальной схемы системы пароприготовления МЭК .51

3.1.2 Повышение эффективности работы системы пароприготовления..........54

3.1.3 Разработка конструкции парогенератора-сухопарника............................58

3.1.4 Составление развернутой тепловой схемы системы пароприготовления 61

3.2 Паросиловая часть микроэнергокомплекса.....................................................62

3.3 Разработка системы охлаждения конденсатора паровой турбины................64

3.3.1 Разработка принципиальной схемы охлаждения конденсатора паровой турбины................................................................................................................64

3.3.2 Отопительные приборы микроэнергокомплекса.......................................68

3.4 Разработка общей схемы микроэнергокомплекса базе солнечного

коллектора, влажно-паровой турбины и теплового насоса..................................73

Выводы по главе 3......................................................................................................78

Глава 4. РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ БЛОКОВ МИКРОЭНЕРГОКОМПЛЕКСА.........79

4.1 Расчет основных элементов системы пароприготовления.............................79

4.1.1 Влияние солнечных нагревателей на экономичность МЭК.....................79

4.1.2 Расчет количества вакуумных солнечных коллекторов системы пароприготовления..............................................................................................79

4.1.3 Расчет аккумулирующего объема парогенератора....................................84

4.1.4 Тепловой расчет аккумулятора-парогенератора.......................................86

4.2 Расчет турбины..................................................................................................96

4.2.1 Выбор конструкции турбины.....................................................................96

4.2.2 Оптимизация частоты вращения ротора турбины.....................................99

4.2.3 Расчет параметров влажно-паровой центростремительной турбины .... 101

4.2.4 Расчет расширяющегося сопла.................................................................111

4.3 Расчет конденсатора влажно-паровой турбины............................................112

Выводы по главе 4....................................................................................................115

ГЛАВА 5. ВНЕДРЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ЭНЕРГОКОМПЛЕКСА, ОТРАБОТКА ФУНКЦИЙ ЭНЕРГОКОМПЛЕКСА НА ЕГО ОТДЕЛЬНЫХ КОМПОНЕНТАХ 117

5.1 Внедрение систем отопления, кондиционирования и горячего водоснабжения на базе возобновляемых источников энергии, по южному

региону РФ............................................................................................................117

5.2. Демонстрационный Центр.............................................................................117

5.3 Проект «Умный дом» в жилом микрорайоне................................................118

5.4 Проект «Умный Дом» в жилом здании повышенной комфортности..........124

5.5 Испытательный стенд влажно-паровой микротурбинной установки..........129

Выводы по главе 5....................................................................................................134

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................135

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.............................137

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ................................................138

СПИСОК ИЛЛЮСТРАТИВНОГО МАТЕРИАЛА................................................150

ПРИЛОЖЕНИЕ А - Акты о внедрении результатов диссертационной работы... 154

ПРИЛОЖЕНИЕ Б - Копии патентов...........................................................158

ВВЕДЕНИЕ

В России централизованные электрические системы, работающие от крупных ГРЭС и ТЭЦ, в большинстве своем уже отслужили проектный ресурс и требуют вывода их из эксплуатации. Строительство новых тепловых электростанций в ближайшее время трудно осуществить, так как для этого требуются большие капитальные затраты. Выход из сложившейся ситуации заключается в ускоренном развитии распределенной электрической системы, состоящей из множества преимущественно мелких источников энергии, находящихся в непосредственной близости от потребителей. На рынке энергоснабжения отсутствуют микроэнергетические комплексы (МЭК) малых мощностей для автономных индивидуальных, малоэтажных энергопотребителей, удаленных от централизованных сетей. Такие потребители вынуждены использовать установки раздельного производства тепловой (водогрейные котлы) и электрической энергий (дизельные, бензо- или газопоршневые и газотурбинные установки). В связи с тем, что доля малоэтажного строительства уже к 2015 году планируется довести до 60% (что составляет около 54 млн. м2 жилья в год) потребность в микроэнергокомплексах с каждым годом будет расти. В настоящее время разработаны конструктивные решения малоэтажных зданий различных классов энергоэффективности. Однако энергетические комплексы для обеспечения их как в автономном децентрализованном режиме, так и в комбинированном с традиционными и нетрадиционными технологиями отсутствуют. Такие системы должны обеспечивать дополнение и резервирование централизованных систем.

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

Диссертационная работа выполнена в соответствии с научным направлением ФГБОУ ВПО ЮРГПУ (НПИ) имени М.И. Платова в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям

развития научно-технологического комплекса России на 2007—2013 годы».

Актуальность темы исследования подтверждена решениями Министерства образования и науки РФ выделением государственных средств на проведение 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 потребления тепла и электроэнергии»; ГК №16.526.11.6012 по теме «Разработка влажно-паровой микротурбинной установки для систем малой распределенной энергетики на основе комбинированного использования традиционных и возобновляемых источников энергии».

Цель работы заключается в разработке микроэнергокомплекса на основе влажно-паровой микротурбины и комбинированного использования традиционных и нетрадиционных источников энергии для автономного энергоснабжения децентрализованного потребителя. Для достижения цели в работе поставлены следующие задачи:

-определение диапазона тепловой и электрической мощностей для различных категорий 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 микроэнергокомплекса полезной электрической мощностью до 5 кВт с учетом независимого регулирования тепловой и электрической нагрузки;

- расчетный выбор основных элементов микроэнергокомплекса с учетом климатических условий;

- апробация отдельных элементов комплекса на реальных объектах.

Научная новизна работы состоит в следующем.

- На основании статистического анализа потребностей в энергоснабжении определено, 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, мощностью 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 среднесуточного потребления семьи 13:1 выбрана одновенечная центростремительная ступень микротурбины с электрическим коэффициентом использования тепла 0.07 - 0.08 и тепловым 0.9 -0.91, что по сравнению с существующими турбинами позволяет повысить энергетическую эффективность ее 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 высотой 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 регулировании тепловой и электрической мощностей.

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

комбинированного 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 элементов микроэнергокомплекса; -проведен мониторинг работы энергетической системы в малоэтажном доме в составе теплового насоса и солнечного коллектора, являющихся блоками разрабатываемого комплекса, результаты которого показали снижение затрат на энергоносители на 40-50%.

Достоверность и обоснованность результатов подтверждается обоснованностью принятых в работе допущений, строгостью формальных преобразований, использованием фундаментальных законов и уравнений теплоэнергетики, турбомашиностроения, применением современных программных средств, согласованием результатов расчета с данными экспериментальных исследований, а также с данными литературных научно-технических источников.

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

Материалы по разработке предложенного в диссертации микроэнергокомплеса 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 потребления тепла и электроэнергии», ГК №16.526.11.6012 по теме «Разработка влажно-паровой микротурбинной установки для систем малой распределенной энергетики 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 мировой общественностью.

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

Личный вклад автора состоит в:

разработке оптимальной тепловой схемы микроэнергокомплекса полезной электрической мощностью 5 кВт и тепловой - до 65 кВт;

разработке способа независимого регулирования тепловой и электрической нагрузки энергокомплекса;

разработке вертикальной влажно-паровой микротурбины электрической мощностью 5 кВт и тепловой - до 65 кВт;

разработке оптимальной схемы системы пароприготовления использующей комбинацию традиционного топлива и солнечной энергии для микроэнергокомплекса электрической мощностью 5 кВт и тепловой - 65 кВт;

проведении расчетной оптимизации основных элементов микроэ нергокомпл екс а;

апробации отдельных элементов комплекса на реальных объектах.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры "Тепловые электрические станции и теплотехника", ЮРГТУ (НПИ); на УП и VIII международных научно-технических конференциях ЮРГТУ (НПИ) «Повышение эффективности производства электроэнергии»; на конференциях и форумах: с 21 по 23 октября 2010 года на выставке 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 19 по 21 апреля 2012 г. в г. Анапа, Краснодарский весенний форум "Энергоэффективность и инновации"; с 10 по 14 сентября 2012 года в г. Брно (Чехия) 54-ая международная машиностроительная ярмарка "МБУ — 2012".

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

На защиту выносятся:

Концепция комплексного использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) и традиционных, актуальных для рассматриваемой местности, в микроэнергокомплексе с паросиловым рабочим контуром;

Конструкция влажно-паровой вертикальной турбины, электрической мощностью 5 кВт, тепловой 65 кВт;

Соотношение производимой тепловой и электрической энергии 13/1; Тепловая схема энергокомплекса на базе влажно-паровой микротурбины, позволяющая использовать комбинацию традиционных и возобновляемых источников энергии для тригенерации, при независимом регулировании тепловой и электрической мощностей.

Диссертация содержит 160 страниц основного текста, 53 иллюстраций, 18 таблиц, список используемых источников включает 120 наименований, 2 приложен�