Микротурбини

Енергийна ефективностТехнически статииСп. Енерджи ревю - брой 2, 2011

Подходящи за комбинирано производство на топлинна и електроенергия

Повишаването на енергийната ефективност и намаляването на енергийните разходи са сред най-широко дискутираните теми от няколко години насам. В същото време специалистите прогнозират непрекъснато нарастване на енергийните нужди. Как да се подсигури сигурно и непрекъснато енергийно захранване, което да бъде достатъчно икономически и енергийно ефективно е въпрос, който все по-често изниква на дневен ред. Икономическите условия в момента допълнително провокират търсенето и внедряването на иновативни енергоспестяващи технологии и автоматизиране на производството. Целта е оптимизиране на разходите, по-добра конкурентоспособност и т. н. Енергоспестяващо решение са и газовите микротурбини. Те все още се считат за сравнително нова технология, подходяща за независимо производство на енергия. Конструктивно представляват компактни системи, състоящи се основно от газова турбина и електрогенератор. Според специалисти, микротурбините биха могли успешно да се използват за производството на електрическа енергия за покриване на собствените нужди или за подаване към централната електропреносна мрежа. За много подходящо се счита използването им в когенерационни системи за комбинирано производство на електро- и топлоенергия. Мощността на предлаганите и разработвани в момента микротурбини обикновено варира в диапазона от 30 до 350 kW. За сравнение, мощността на конвенционалните газови турбини обикновено се движи в диапазона от 500 kW до 250 MW. Микротурбините предлагат няколко потенциални предимства в сравнение с други технологии за производство на енергия в малки количества, включително - малко на брой движещи се части, компактни размери, неголямо тегло, по-добра ефективност, по-ниски емисии, по-ниски електрически разходи и възможност за оползотворяване на отпадни горива. В тези системи може да се използва и рециркулация на отпадна топлина, с което да се постигне ефективност по-висока от 80%. Поради техните малки размери, сравнително ниски капитални разходи, очаквани ниски експлоатационни и производствени разходи и автоматичен електронен контрол, микротурбините се посочват като ефективно решение за директно механично задвижвани устройства като компресори или климатици, например.

Възможност за работа с течни и газообразни горива

Счита се, че активното разработване на микротурбини започва в началото на 80-те години на миналия век, провокирано от необходимостта от автономни източници на електро- и топлоенергия с малка мощност (до около 500 kW), с ниски емисионни нива и неголеми разходи за експлоатация и обслужване. Днес, най-широко представени са моделите микротурбини с единична електрическа мощност в диапазона от 30 до 250 kW. Възможността за свързването на няколко агрегата в каскада дава възможност да се произвежда енергия до няколко десетки МW. При включване към системата на котел-утилизатор, за оползотворяване на топлината на изхвърляните газове може да се произвежда и топлина. Подобни енергийни системи за съвместно производство на електроенергия и топлина са познати като микрокогенерационни системи.

Подходящи горива за микротурбините са както газообразните като природен газ, биогаз, сметищен газ, така и течните като газолин, керосин и дизелово гориво. В приложения за оползотворяване на отпадна топлина, микротурбините оползотворяват отпадни газове, които в противен случай биха изхвърлени директно в атмосферата.

Като цяло микротурбините са леки и компактни устройства, характеризиращи се с ниски нива на шум и вибрации, нискоемисионни и гъвкави по отношение на горивото в сравнение с конкурентните им технологии като двигателите с вътрешно горене, например. Корпусите обикновено се изпълняват влагозащитени, което позволява монтаж на открити площадки.

Характеристики на микротурбините

Микротурбините са устройства със сравнително малки размери. Сред основните им елементи обикновено са компресор, горивна камера, алтернатор, рекуператор за оползотворяване на отпадна топлина, с който се постига повишаване на ефективността на комперсорната станция и генератор. Те могат да бъдат класифицирани по различни техни характеристики като например микротурбини с един вал или с два вала, с прост цикъл на работа или с възможност за рекуперация на топлина. Микротурбините с един вал и с висока скорост на въртене от порядъка на 90 000 до 120 000 оборота в минута са по-често срещаната конструкция, тъй като тя се счита за по-лесна за изпълнение. В този случай компресорът, турбината и електрогенератора са поставени върху един общ вал. Като предимство на тази конструкция често се посочва наличието само на едни движещ се елемент, което улеснява поддръжката и засилва надеждността на конструкцията. От друга страна, турбината с два вала е предпочитаното решение при механично задвижвани съоръжения, които не изискват инвертор за промяна на честотата на променливия ток.

Микротурбини със и без рекуперация на топлина

Микротурбините, работещи без рекуперация на топлина или познати още като микротурбини с прост цикъл на работа, се характеризират с по-ниска ефективност приблизително около 15%, но също така и с по-ниски капиталови разходи, по-висока надеждност и произвеждат повече топлина за когенерационни приложения в сравнение с микротурбините с рекуперация. При тях сгъстеният въздух се смесва с горивото и изгаря в условията на постоянно налягане. Получените горещи газове се разширяват в турбина за извършване на работа.

При микротурбините с рекуперация на топлина се използват пластинчати топлообменници, в които се осъществява топлообмен между изхвърляния въздушен поток и потокът, постъпващ в горивната камера, който бива предварително загрят. Отпадна топлина от процеса на рекуперация може да се използва в когенерационни процеси. Комбинираната топлина и електроенергийна ефективност на микротурбините в подобни когенерационни приложения може да достигне до 85% в зависимост от изискванията на топлинните процеси.

Предимства и възможни приложения

Микротурбините имат редица потенциални предимства в сравнение с други технологии за производство на малки количества енергия. Например, компактен размер и ниско тегло за единица мощност водещи до намаляване на инженерните разходи, малко движещи се елементи, по-ниски шумови нива, възможност за използване на различни горива, както и възможността за по-малки количества вредни емисии. Отличителни характеристики на микротурбините са по-ниската себестойност на електрическата и топлинната енергия, произвеждана от турбината в сравнение с централната мрежа, ниска себестойност на обслужването, съчетано с функционална гъвкавост, ниско ниво на шум, неголеми габарити, лесна инсталация и пуск, екологично чисто производство на енергия, възможност за дистанционен контрол и управление. Микротурбините могат да се използват като автономен източник на енергия в отдалечени селища, изолирани сгради, строителни обекти, нефтени находища, нефтени платформи, отдалечени станции за комуникация и други обекти, в които електрическата мрежа не е на разположение. Също така микротурбините могат да се използват като резервен източник на енергия за предприятия и учреждения, където прекратяването на електрозахранването дори и за няколко минути може да доведе до сериозни последици, поради което използването на микротурбини за производството на електроенергия се счита за особено подходящо.

Рентабилност

Посочваният срок на откупуване на газовите турбини обикновено е в границите от 3 до 5 години, в зависимост от мощността, при която работи газовият генератор. В някои райони, в които присъединяването към централната електро- и топлопреносна мрежа е трудно, използването им може да се окаже особено ефективно. Още повече, че за разлика от свързването към вече съществуваща мрежа което е свързано с немалко разходи, микротурбините се откупуват няколко години след закупуване. В последствие газовите микротурбини позволяват да се получи енергия, стойността на която е няколко пъти по-ниска от традиционната, получена от централна мрежа.

Технически бариери

Основните технически бариери за широкото разпространение на микротурбините са няколко. Сред основните е по-ниската ефективност на основната конфигурация на газовата турбина в сравнение с буталните двигатели със същата мощност. В допълнение, ефективността на газовите турбини намалява при частично натоварване, а изгарянето на по-нискокалорични горива зависи от вида на турбината и в някои случаи може да не е допустимо. Обикновено ефективността на микротурбините е от 25 до 35%. При комбинирано производство на топлина и електроенергия в когенерационни приложения, ефективността може да достигне и над 80%.

Като цяло техническите бариери са свързани преди всичко със сроковете на откупуване, разходите за свързване към мрежата, административните трудности и т. н.





Top