Разработка стационарной микрогазотурбинной теплоэлектростанции на твёрдом возобновляемом топливе

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

РАЗРАБОТКА стационарной микрогазотурбинной теплоэлектростанции на твердом возобновляемом топливе

Марина Владимировна Силуянова, д.т.н., проф., каф. «Двигатели летательных аппаратов и теплотехника»,

Татьяна Валерьевна Попова, магистр, инженер ФГУП ЦИАМ им. П.И. Баранова, ГОУ ВПО «МАТИ» - Российский государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского, Москва

ФГУП Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова, Москва

Authors consider modern problems of the energy industry, including rising prices for conventional fuels and search for new sources of energy; justify perspectivity of a solid renewable fuel as an economic and environmental point of view; present an innovative project to develop a micro gas turbine solid propellant thermoelectric power station operating on renewable solid fuels and basic methods of burning solid fuels and selected the best option.

Рассмотрены современные проблемы энергетической отрасли, в том числе постоянный рост цен на традиционные виды топлива и поиск новых источников энергии; обоснована перспективность использования твердого возобновляемого топлива как с экономической, так и с экологической точки зрения; представлен инновационный проект разработки твердотопливной микрогазотурбинной теплоэлектростанции на твердом возобновляемом топливе; рассмотрены основные методы сжигания твердых топлив и выбран оптимальный вариант.

Keywords: power plant, gas turbine technology, solid renewable fuel, micro gas turbines.

Ключевые слова: энергоустановка, газотурбинная технология, твердое возобновляемое топливо, микро ГТУ.

твердотопливная теплоэлектростанция возобновляемое топливо

Постоянное увеличение объема потребления энергии (главным образом, электрической) является естественным следствием развития общества. Большая часть электроэнергии в мире вырабатывается тепловыми электростанциями, работающими на технологичном топливе - жидком и газообразном, которое удобно при сжигании. Однако использовать эти виды топлива для выработки электроэнергии нерационально, поскольку, во-первых, их количество ограничено, а во-вторых, они являются ценным сырьём для химической промышленности.

В то же время по всему миру имеются большие запасы твёрдого топлива минерального и растительного происхождения. Но сфера использования этих видов топлива тоже органичена: минеральное (в основном уголь) распространено преимущественно в тех регионах, где нет возможности обеспечить снабжение технологичным топливом, а растительное (древесина) используется в незначительных масштабах только для печного отопления.

Главным ограничением использования твёрдого топлива является сложность его переработки в подходящую для промышленного использования форму. Это процесс является трудоёмким и дорогостоящим, поскольку требует специального оборудования и дополнительных затрат.

Кроме того, при использовании этого вида топлива следует учитывать большее число факторов, чем при использовании жидкого или газообразного. Например, применяемая технология угледобычи приводит к образованию большого количества (десятки процентов общей добычи) мелкой нетоварной фракции размером несколько миллиметров и менее (штыба). Штыб повсеместно идёт в отвал, занимает большие площади и создаёт экологические проблемы. Разработка методов использования штыба без дополнительной обработки позволит повысить отдачу угледобычи и одновременно снизить индустриальную нагрузку на окружающую среду [4].

Запасы древесины, как возобновляемого ресурса, при рациональном использовании неисчерпаемы. Неиспользование древесины приводит к захламлению лесов и, как следствие, лесным пожарам. Ежегодно в российских лесах, в пределах доступности для разработки, вырастает не менее 200 млн тонн условного топлива, не включенного в энергетический баланс страны. Лесные пожары 2010 г. показали, насколько опасно оставлять большие запасы растительного топлива в лесах. Пренебрежение использованием древесины в качестве топлива может привести к экологической катастрофе.

Современная наука и промышленность во всём мире увеличивают масштабы исследований по экономически и экологически оправданному использованию твёрдых топлив. Одно из направлений этих исследований - разработка методов их использования в газотурбинных установках (ГТУ), широко применяемых сейчас и наиболее перспективных для развития энергетики в будущем.

В настоящее время постоянно растёт доля электроэнергии, вырабатываемой ГТУ, что объясняется следующими преимуществами применения этих установок перед остальными способами генерации электроэнергии:

· малыми капитальными затратами, обеспечивающими гибкость энергообеспечения;

· высоким КПД, снижающим затраты на эксплуатацию;

· большим объемом мощностей, позволяющим подобрать подходящую ГТУ практически под любые цели.

Разработка нового способа топливопитания для отечественных ГТУ позволяет значительно улучшить их экономическую привлекательность благодаря снижению топливной составляющей в общих расходах на эксплуатацию, так как именно на топливо приходится наибольшая часть этих расходов.

При сжигании твердых топлив в промышленных энергетических установках общепринятыми являются следующие основные методы сжигания: сжигание распыляемой пыли (пылевое горение), колосниковое сжигание с нижней подачей окислительного воздуха и сжигание с верхней загрузкой измельченного топлива в кипящем слое. (Также в настоящее время в некоторых источниках появилась информация о возможности использования предварительно измельченных отходов древесины или угля при прямом сжигании топливной пыли в камере сгорания.)

Все три вышеперечисленных способа сжигания не могут использоваться применительно к ГТУ. Колосниковое сжигание и сжигание в кипящем слое применяются только для котловых установок. В работах отечественных и зарубежных специалистов рассматривается вариант пылевого сжигания древесного измельченного топлива в камере сгорания ГТУ. Но анализ процесса горения частиц показывает, что использовать измельченную древесину даже самой малой возможной фракции нельзя. Горение частиц топлива происходит от поверхности и при скоростях газового потока до 100 м/с. Поэтому полное сгорание частицы должно происходить за 2 - 5 мс, что при размерах частиц с диаметром до 50 мкм невозможно. Вследствие неполного сгорания частиц образуется высокоскоростной поток продуктов сгорания в смеси с недогоревшими твердыми частицами, приводящими к абразивному износу проточной части турбины. При полноте сгорания древесины до 50 % и расходах топлива до 500 кг/час получается не менее 200 кг/час абразива. Очевидно, что при таком количестве абразива ресурс турбины будет исчисляться десятками часов.

Кроме того, в специальной конструкторской и технологической литературе предлагается использование низкотемпературного пиролиза с последующей подачей генераторного газа в камеру сгорания. Эта схема, как и схема пылевого горения, не может быть признана работоспособной. При теплотворной способности генераторного газа до 6 - 7 МДж/м³ и стехиометрическом соотношении 1: 2,5 объем генераторного газа, который необходимо сжать в 15 раз для подачи в камеру сгорания, сравним с объемом воздуха, сжимаемого компрессором. Суммарная работа по сжатию воздуха и генераторного газа в таких условиях будет значительно большей, чем при сжигании жидкого топлива или природного газа.

Дополнительной проблемой использования генераторного газа в ГТУ будет то, что перед подачей газа в дожимной компрессор его необходимо охладить и очистить от смолистых включений и дегтя. Исходя из вышеизложенного, использование генераторного газа в ГТУ возможно, но с настолько низким КПД и с такими техническими трудностями, что этот вариант следует признать нерациональным [2].

Также предлагается использовать двигатели, основанные на циклах внутреннего сгорания с использованием твердого топлива, но в технической реализации они будут сложными и дорогостоящими, а их КПД будет существенно ниже КПД ГТУ на традиционных видах топлива. Доводка таких турбин представляется инженерной задачей высокого класса сложности, а прогнозируемый результат может оказаться технически и экономически нецелесообразным.

В России и большинстве ведущих стран мира активно ведутся разработки инновационных энергоустановок на возобновляемых источниках энергии, в том числе на древесине и отходах деревообработки.

Сжигание древесины в тепловых электростанциях и котельных, в силу малого содержания серы и низкой зольности, является экологически чистым видом энергетики, не нарушающим экологическое равновесие окружающей среды и баланс двуокиси углерода в атмосфере, поэтому перевод значительной части энергетики РФ на древесное топливо даст в самой короткой перспективе большой экологический и экономический эффект.

В настоящее время научно-технические разработки по промышленному использованию древесных топлив занимают незначительный объем в работах по альтернативным видам энергии. Одной из таких работ является инновационный проект по созданию твердотопливной микрогазотурбинной теплоэлектростанции (микро ГТУ), проводимой в Центральном институте авиационного моторостроения (ЦИАМ) им. П.И.Баранова.

Цель проекта - разработка нового конкурентоспособного продукта, который не имеет аналогов на российском рынке и который удовлетворял бы большинству требований потенциальных потребителей [3].

Одной из таких инноваций является применение газотурбинной технологии при создании твердотопливной энергоустановки. В настоящее время не существует аналогов газотурбинных установок, работающих на твердом топливе. Применение газотурбинной технологии стало возможным благодаря использованию выносной камеры сгорания. Сегодня на этом принципе основаны технологии, применяемые для повышения экологических характеристик энергоустановок.

Суть работы энергоустановки - использование генераторного газа для подогрева рабочего тела. В данном случае генераторный газ получается путем газификации твердого топлива: дров, щепы, древесных гранул и др.

Газификация твердого топлива широко применялась в 40 - 50 гг. прошлого столетия в СССР, когда добыча нефти и газа была затруднена. Генераторный газ использовался как топливо в промышленности и в быту, а также для автомобильных, тракторных и тепловозных двигателей и т.д. Но в качестве топлива генераторный газ применялся лишь в газопоршневых установках и паровых турбинах. Инновационная идея разработчиков ЦИАМ позволяет использовать его совершенно в новом качестве.

Еще одной инновационной разработкой является твердотопливная теплообменная камера сгорания для получения генераторного газа. Проектирование этой камеры было осуществлено с помощью современных методов, основанных на 3D-моделировании. Параметры теплообменной камеры рассчитывались при помощи программы ANSYS.

Суть инновации теплообменной камеры сгорания заключается в конструкции и принципе работы. Топливо в гранулах или в виде мелкой угольной фракции (штыба) подается в керамическую чашку, где газифицируется. Затем происходит дожигание, и в теплообменник продукты сгорания поступают при температуре 850 °С. Скорость движения генераторного газа ниже скорости витания частиц золы, за счет чего аэродинамическая очистка генераторного газа от твердых включений происходит во внутренней полости газификатора. Дальнейшее сжигание газа аналогично сжиганию природного газа.

Для реализации микротурбинной установки рассматривалось два варианта компрессора и турбины. Наиболее дешевым представляется создание микротурбинной установки на базе автомобильного турбокомпрессора ТКР-7. Этот турбокомпрессор выпускается большой серией Воронежским механическим заводом, он конструктивно отработан и дешев в производстве, как изделие для автомобильной промышленности.

Другой вариант - компрессор и турбина от вспомогательной силовой установки ТА-18, серийно выпускаемой Ступинским объединением «Аэросила».

Для предлагаемых базовых прототипов был проведен расчет КПД и параметров рабочего процесса. Анализ расчетов показывает, что даже при использовании в качестве прототипа ТКР-7, КПД компрессора которого составляет 78 %, а турбины - 68 %, достигается достаточно высокий КПД установки, а при использовании в качестве базовой основы компрессора и турбины от ТА-18 обеспечиваются еще более высокие параметры КПД узлов и температура перед турбиной.

В конструкцию разрабатываемой микро ГТУ будет входить теплообменное устройство, или теплообменник (ТО), выполненное в кожухотрубном либо пластинчатом виде.

Теплообменник целесообразно делать противоточным, так как данная схема обеспечивает наибольший теплообмен между средами, и многоходовым, что улучшает массогабаритные характеристики и условия теплообмена, независимо от выбранного типа ТО.

Пластинчатый теплообменник целесообразно выполнять только неразборным сварным, поскольку при данном температурном режиме другие схемы неприменимы. Такой тип теплообменников во многом равноценен кожухотрубным в плане технологичности производства и ресурса. Пластинчатая и кожухотрубная схемы устройства теплообменников обеспечивают достаточную технологичность производства и высокие экономические показатели, которые, в свою очередь, зависят от минимальной массы используемого материала.

Кожухотрубная схема теплообменника, выполненная из большого количества тонкостенных труб, обеспечивает достаточную прочность и жесткость конструкции. Использование максимально тонких труб и листов удовлетворяет массогабаритным условиям, но вызывает трудности, связанные с компенсацией температурного расширения.

Ограничивающим фактором в геометрии элементов пластинчатого теплообменника является необходимость поиска оптимальной технологии изготовления пластин с большой степенью вытяжки при малой толщине - 0,1 мм. Для изготовления теплообменника требуются специальные методы штамповки, поскольку штампуется тонколистовой материал. В данном случае особенности технологии не позволяют применять традиционные методы штамповки и вытяжки, поэтому для изготовления пластин теплообменников из тонколистового материала необходимо разрабатывать специальную технологию с учетом свойств материала.

Анализ имеющихся мощностей и существующих технологий позволяют сделать вывод, что создание энергоустановки, работающей на возобновляемом твердом топливе, возможно. Более того, микрогазотурбинная теплоэлектростанция должна обладать высокой конкурентоспособностью и будет востребована как на российском, так и на зарубежном рынке.

Таким образом, осуществлен анализ ситуации в энергетической сфере, который показал, что в связи с постоянно растущими потребностями в энергии требуются дополнительные автономные электростанции, способные быстро реагировать на изменение потребления электроэнергии; установлено, что таким требованиям удовлетворяют газотурбинные энергоустановки.

Проведенный обзор рынка малой энергетики выявил, что использование альтернативных видов топлива (твердого минерального и древесины) в скором времени будет иметь большую перспективу и, чтобы преуспеть в данном направлении, необходимо уже сейчас начинать научно-исследовательскую и опытно-конструкторскую деятельность. Разработанные технологии найдут свое применение не только в энергетической отрасли, например, твердотопливная камера сгорания позволяет получить чистый от золы генераторный газ, который может использоваться для любых других нужд.

Материалы, представленные в данной работе, убедительно доказывают, что существует теоретическая и практическая возможность использования газотурбинных технологий для освоения твердого возобновляемого топлива.

Литература

1.Попова Т.В., Силуянова М.В. Исследование стационарной микрогазотурбинной теплоэлектростанции на твердом возобновляемом топливе // Научн. тр. ММНК «XXXVII Гагаринские чтения». М.: МАТИ. 2011. С. 197 - 198.

2. Ломазов В.С. Анализ способов сжигания твердого топлива применительно к ГТУ и выбор оптимального метода сжигания // Справка-отчет о научно-исследовательской работе. М.: ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова». 2011. С. 3.

3.Попова Т.В., Силуянова М.В. Инженерно-экономическое обоснование и разработка маркетинговой стратегии инновационного проекта // Тр. всероссийской молодежной научн.-практ. конф. «Модернизация промышленности на базе интенсивного развития инновационно-инвестиционных процессов». М.: МАТИ. 2011. С. 23 - 27.

4.Алфимов А.В. Актуальность использования твердого возобновляемого топлива // Справка-отчет о научно-исследовательской работе. М.: ФГУП «ЦИАМ им. П.И.Баранова». 2011. С. 2.

Размещено на Allbest.ru