Когенерационная установка на базе микротурбин

В котельной КТС-003 уже три года работает газотурбинная установка (рис. 1), основным оборудованием в которой являются две газовые микротурбины (МТ) С60 американской фирмы Capstone Turbine Corporation (США), общей электрической мощностью 120 кВт (2×60 кВт) и тепловой мощностью — 316 кВт (0,272 Гкал/ч).

Для начала подробно рассмотрим конструктивные особенности применяемых газовых микротурбин (рис. 2) ввиду их уникальности.

Микротурбинный двигатель состоит из компрессора, камеры сгорания, турбины, генератора и рекуператора тепла. Вращающиеся компоненты размещены на едином валу, опирающемся на воздушные подшипники, максимальная скорость вращения вала достигает 96 тыс. об./мин.

Камера сгорания МТ пригодна для работы на разных видах топлива: природный, шахтный, сжиженный, попутный газы (причем с содержанием сероводорода до 7%), биогаз, а также жидкое дизельное топливо и керосин. В нашем случае используется природный газ. Помимо электроэнергии, МТ производит сухой, горячий, насыщенный кислородом, экологически чистый поток выхлопного газа, тепловая энергия которого утилизируется.

Ротор генератора выполнен на основе постоянного магнита. На выходе из генератора формируется трехфазный переменный электрический ток переменной частоты (750−1600 Гц) и переменного напряжения (значение пропорционально скорости вращения турбины, при максимальных оборотах составляет 277 В на фазу). Генератор используется в качестве двигателя на этапах запуска и остановки МТ. Узлы двигателя охлаждаются потоком воздуха, проходящего через генератор.

Цифровой электронный блок — контроллер — обеспечивает управление работой МТ в целом и всех ее подсистем. Одна из функций контроллера состоит в формировании параметров электрического тока на выходе МТ, соответствующих конкретной аппликации и способу подключения МТ к сети и потребителям. На основании управляющих сигналов с контроллера выходной инвертор преобразует переменный ток переменной частоты, снимаемый с генератора, сначала в постоянный ток напряжением 760 В, а затем в переменный ток с постоянной частотой, параметры которого зависят от способа подключения МТ. При параллельной работе с сетью это 400−480 В с частотой 50−60 Гц, при автономной работе — 150−480 В с частотой 10−60 Гц.

Во время запуска МТ цифровой электронный блок использует генератор в качестве двигателя для раскрутки турбины до 45 тыс. об./мин — состояния, когда обеспечивается достаточная компрессия в камере сгорания. Во время остановки МТ цифровой электронный блок также использует генератор в качестве мотора для вращения турбины на период, пока из камеры сгорания и рекуператора не будет выведено избыточное тепло, что защищает компоненты МТ от перегрева.

МТ использует технологию воздушных подшипников для поддержания вала ротора в подвешенном бесконтактном состоянии. Эта технология представляет высоконадежное, безопасное и не требующее дорогостоящего сопровождения решение, которое, при отсутствии масла и охлаждающей жидкости, обеспечивает долговечную работу двигателя МТ. Когда МТ находится в рабочем состоянии, образующаяся газовая пленка изолирует вал от подшипника и защищает эти части от трения.

Продукты сгорания топлива образуют поток выхлопных газов, направляемых из МТ в атмосферу или в когенерационную систему утилизации тепловой энергии выхлопа. Выхлоп МТ является экологически чистым (менее 9 ppm V NO_x, менее 40 ppm V CO и на 18% состоит из кислорода). Объем выхлопных газов составляет 28 м³/ч.

Таким образом, микротурбина представляет собой модульную, экологически чистую, требующую минимального сопровождения систему для производства электрической и тепловой энергии, а также холода при наличии абсорбционного холодильного устройства (но перед нашим предприятием такая задача не стояла), в этом случае резко повышается КПД использования потенциала топлива (до 8090%).

МТ может использоваться в качестве основного, дополнительного или резервного источника энергии, работать параллельно с сетью или в автономном режиме. В нашем случае две МТ объединены в единый энергетический комплекс, установленный на территории котельной КТС-003, для обеспечения потребности в энергии котельной и внешних потребителей.

Установленная мощность теплоисточников этой котельной составляет 6,5 МВт, присоединенная нагрузка на отопление — 4,9 МВт, на ГВС.

— 0,14 МВт, на вентиляцию — 0,12 МВт. Необходимая электрическая мощность на покрытие собственных нужд котельной составляет 60 кВт, поэтому газотурбинная установка (ГТУ) работает в режиме полного использования тепловой и электрической энергии, с параллельным подключением к тепловой сети (рис. 3) и к внешней электрической сети. Учитывая сравнительно невысокий уровень потребления электроэнергии оборудованием котельной, избыточная электрическая энергия, вырабатываемая микротурбинами, поступает в общую электросеть.

В связи с тем, что котельная расположена в жилом микрорайоне, к оборудованию для автономного энергоснабжения предъявлялись повышенные требования по уровню шума и вредных выбросов. Как можно судить из приведенных выше данных, эти микротурбины удовлетворяют самым жестким экологическим требованиям, что подтвердил опыт их использования.

За время эксплуатации микротурбин претензий к их работе в основном не было. Простои в работе энергокомплекса были вызваны только неполадками дожимного газового компрессора (производитель — Великобритания), который неоднократно выходил из строя по ряду причин (выход из строя отдельных деталей компрессора, протечки и др.). Проблему удалось решить только после его замены на новый газовый компрессор другого производителя (Италия).

Положительным моментом в эксплуатации ГТУ является то, что на основании заключенного договора между ОАО «Мытищинская теплосеть» и электросетевой компанией излишки вырабатываемой микротурбинами электроэнергии сбрасываются в общую сеть. Вырабатываемая электроэнергия используется для собственных нужд теплоисточников ОАО «Мытищинская теплосеть», расположенных в пос. Дружба. На основании действующего договора электросетевая компания принимает в общую электросеть излишки электроэнергии, генерируемой микротурбинами, или обеспечивает котельную КТС-003 электроэнергией из сети в случае необходимости (что имело место быть при простоях ГТУ вследствие выхода из строя газового компрессора, как указывалось выше). Передача электроэнергии от ГТУ во внешнюю электросеть идет по сетям 0,4 кВ. Таким образом, мы обходимся без трансформации «сбрасываемой» электроэнергии, т.к. она отвечает предъявляемым техническим требованиям. На входе установлен реверсивный счетчик электроэнергии. В договоре прописана стоимость за транзит отдаваемой электроэнергии в общую электросеть, которую должна оплачивать ОАО «Мытищинская теплосеть».

В заключение, говоря о работе микротурбин, приведем ряд технико-экономических показателей ГТУ за усредненный (468 ч работы — 65%) месяц ее работы в 2009 г. Произведено тепловой энергии — 59,83 Гкал, электроэнергии — 56,63 тыс. кВтч, израсходовано природного газа — 27 тыс. нм³. При себестоимости электроэнергии 0,98 руб./кВтч и тарифной цене 2,38 руб./кВтч в общем итоге получен положительный финансовый результат.

Мощность первой когенерационной установки в масштабе теплоснабжения района небольшая, но главное — нам удалось решить две основные задачи: провести опробирование работы когенерационной установки и наладить взаимоотношения с местной электросетевой компанией. когенерация теплоснабжение микротурбина.