Высокоскоростные турбогенераторы для автономных энергетических установок малой мощности с использованием низкопотенциального тепла
М.Ю. Румянцев
Н.Е. Захарова
А.В. Поликарпов
Л.Н. Пономарёва
Т.М. Розеноер
СИ. Сигачев
Московский энергетический институт (технический университет) (1) НИИ механики МГУ им. М.В. Ломоносова (2)
Аннотация
Известно, что работа современных промышленных предприятий, систем и механизмов сопровождается выбросом огромного количества тепловой энергии, полезное использование которой затруднено из-за её низкого температурного потенциала. Работы по утилизации низкопотенциального тепла являются весьма актуальными и ведутся практически во всех развитых странах мира. В докладе рассмотрены проблемы создания энергетических установок малой (до нескольких сотен киловатт) мощности, работающих по органическому циклу Ренкина и использующих для привода электрогенераторов радиально-осевые центростремительные турбины. Приведены данные расчётов рабочих параметров турбин, работающих на фреоне R114. Особое внимание в докладе уделено конструкциям высокоскоростных магнитоэлектрических турбогенераторов. Обосновано применение лепестковых газодинамических опор в качестве подшипников высокоскоростных электротурбомашин. Рассмотрены конструкции роторов таких машин и особенности построения электронных преобразователей для них.
энергетический мощность ренкин турбина
Человечество вступило в век всеобъемлющей экономии энергоресурсов. На современном этапе все чаще поднимается вопросы об эффективном использовании энергетических ресурсов, о снижении энергозатрат в промышленности и коммунальном хозяйстве, ведутся непрерывные разработки «альтернативных», «нетрадиционных» источников энергии. В то же время большинство технологических процессов, работа многих механизмов и устройств сопровождается выделением большого количества тепла, которое никак не используется, а рассеивается в окружающем пространстве, т.е. попросту сбрасывается (отсюда его название -- «сбросное тепло»). Сбросное тепло является низкопотенциальным с температурой незначительно (от 10-30 °С) большей температуры окружающей среды, поэтому его использование обычным путём затруднено. В то же время низкопотенциальное тепло обладает колоссальной энергией, поэтому его утилизация, то есть преобразование «бесплатной», выбрасываемой тепловой энергии в полезную энергию является важной научно-технической задачей. Источниками низкопотенциального тепла могут служить техногенные системы:
-- промышленные предприятия (теплота сжатия газов в компрессорах, теплота продуктов сгорания различного рода топлива и т.д.);
-- системы водяного охлаждения, стоки промышленных предприятий и очистных сооружений (теплота жидкости);
-- биогазовые установки, газогенераторные установки, пиролизеры и т.д. (теплота сгорания топлива, сгенерированного в этих установках);
-- тепловые движители транспортных средств (теплота выхлопных газов), а также источники естественного происхождения:
-- геотермальные источники (энергия Земли);
-- солнечные коллекторы, солнечные концентраторы (солнечная энергия);
Одним из направлений работ по использованию низкопотенциального тепла является разработка энергетических установок малой (десятки-сотни киловатт) мощности. Подобные установки в полной мере отвечают современной концепции децентрализованного электропитания и с лёгкостью могут использоваться как автономные источники электропитания загородных домов, небольших посёлков, удалённых от электросетей промышленных объектов, а также как вспомогательные источники электроэнергии автономных объектов.
Преобразование низкопотенциальной тепловой энергии может осуществляться в различных термодинамических циклах, но на сегодняшний день наибольшее внимание специалистов привлекает органический цикл Ренкина (Organic Rankine Cycle, ORC) (рис.1).
Данный цикл отличается от обычного парогазового цикла Ренкина тем, что вместо воды в качестве рабочего тела используются различные органические вещества, в частности фреоны, применяемые в холодильной технике.
Вычисления, проведённые специалистами показали, что в качестве расширительных машин и приводов электрогенераторов в цикле Ренкина малой мощности могут быть использованы радиально-осевые центростремительные турбины, которые нашли широкое применение, например, в областях криогенной техники (турбодетандеры в ожижителях природного газа, в воздухоразделительных установках), в турбонаддуве автомобильных двигателей. Данный тип турбин обеспечивает достаточно высокую эффективность преобразования энергии при небольших расходах и при относительно больших степенях расширения рабочего тела.
Использование в качестве рабочего тела воды в энергетических установках, работающих по циклу Ренкина с одноступенчатой радиально-осевой турбиной, при малой выходной мощности, приводит к необходимости повышения рабочей частоты вращения вала турбогенератора до чрезвычайно высоких значений и, как следствие, к необоснованному усложнению электромашинной части энергоустановок. Применение ORC позволяет получить более низкие рабочие температуры и относительно высокие рабочие давления в цикле и соответственно меньшую частоту вращения турбины. При этом получаются приемлемые с технологической точки зрения размеры рабочих колёс, относительно высокие значения термического КПД цикла и изоэнтропийного КПД турбины. В качестве примера в табл. 1 приведены параметры одноступенчатых радиально-осевых центростремительных турбин, работающих по ORC на фреоне марки R114 в диапазоне мощностей от 1 до 60 кВт. торов. На рис. 2 приведена функциональная схема энергоустановки, работающей по органическому циклу Ренкина с использованием высокочастотного турбогенератора.
Высокочастотные турбогенераторы являются одним из видов высокоскоростных электротурбомашин (ЭТМ), которые в настоящее время находят всё большее применение в современных промышленных агрегатах и системах, таких как турбокомпрессоры и турбогенераторы, турбомолекулярные насосы, технологические и медицинские центрифуги, микрокриогенные системы, сверхскоростные электрошпиндели и т.д.
Интерес к разработке высокоскоростных ЭТМ определяется всё возрастающими требованиями к техническим характеристикам агрегатов, главными из которых являются энергетическая эффективность и надёжность машин, уровень шумов и вибраций,
Из табл. 1 видно, что приемлемые значения КПД термодинамического преобразования в энергетических установках малой мощности обеспечиваются при достаточно высокой частоте вращения ротора турбины, исчисляемой десятками и сотнями тысяч оборотов в минуту. Это обстоятельство предполагает применение в качестве электромеханического преобразователя энергии высокочастотных генерамассогабаритные характеристики и стоимость.
Во многих случаях турбомашины работают в исключительно тяжелых внешних условиях: при переменных нагрузках, в широком диапазоне изменения температур, повышенной влажности, при воздействии вибрационных и ударных нагрузок, низком качестве очистки рабочего тела и т.д.
Опыт, накопленный отечественными и зарубежными специалистами, показывает, что при мощностях, не превышающих 200-250 кВт в большинстве случаев высокоскоростные ЭТМ целесообразно выполнять на основе электрических машин с возбуждением от постоянных магнитов [3], а в подшипниковых узлах применять лепестковые газодинамические опоры (ЛГО) [4].
При практической реализации высокоскоростных ЭТМ необходимо решить ряд важных проблем, главными из которых являются проблема обеспечения механической прочности быстровращающихся роторов и проблема отвода тепла в электромашинной части.
Роторы высокоскоростных ЭТМ
При выборе конструкции роторов высокоскоростных ЭТМ необходимо учитывать, что постоянные магниты в этих машинах должны работать при высоких механических и температурных нагрузках.
Опыт показывает, что обеспечить требуемую прочность роторов высокоскоростных ЭТМ можно в двух различных конструкциях:
1) используя монолитные роторы из высокопрочных магнитных сплавов группы «железо - хром -- кобальт»;
2) используя составные роторы с магнитами из редкоземельных элементов и внешним бандажом из высокопрочных сплавов.
Хром-кобальтовые сплавы, в отличие от других магнитных сплавов, обладают чрезвычайно высокими прочностными свойствами (предел текучести уф = 400-440 МПа) и поддаются механической обработке на обычных металлорежущих станках, что позволяет изготавливать монолитные роторы сколь угодно сложной формы. Однако магнитные свойства этих сплавов весьма низкие (коэрцитивная сила Не = = 40-50 кА/м, индукция насыщения Вг = 1,2--1,38 Тл), что создаёт опасность размагничивания ротора в процессе работы ЭТМ, особенно, в пусковых режимах.
Технология изготовления составных роторов более сложная и дорогая, чем монолитных роторов, для её реализации необходимо решать вопросы стабильного и надёжного соединения магнитов, бандажа и конструктивных элементов вала методами склеивания, пайки, сварки и т.д. Использование магнитов из редкоземельных элементов (неодим-железо-бор и/или самарий-кобальт) обеспечивает прекрасные магнитные свойствами составных роторов при их малом весе и габаритах, что особенно важно для высокоскоростных ЭТМ на ЛГО. Часто использование составных роторов позволяет упростить структуру электронных преобразователей ЭТМ.
Лепестковые газодинамические опоры
Накопленный в различных отраслях техники опыт использования бесконтактных высокоскоростных опор показывает, что из трех известных типов: газодинамических, газостатических и электромагнитных, преимущественное применение нашли лепестковые газодинамические опоры (ЛГО), являющиеся разновидностью газодинамических опор. Этот тип опор не нуждается ни во внешнем источнике сжатого газа, необходимом для работы газостатических опор, ни в источнике электроэнергии, питающем электромагнитные опоры.
Рабочая поверхность ЛГО образована рядом взаимно перекрывающихся лепестков, изготовленных из стальной ленты с повышенной упругостью. На рабочую поверхность лепестков нанесено антифрикционное покрытие. Свойство лепестков отвечать деформацией на колебания вала и внешнее воздействие обуславливает высокие демпфирующие свойства ЛГО и позволяет использовать этот тип опор в ЭТМ, работающих в условиях повышенных вибраций, больших теплопритоков и иных сложных эксплуатационных условиях.
Главными эксплуатационными характеристиками ЛГО, которые необходимо учитывать при разработке электромашинной части и ЭТМ в целом являются:
* несущая способность;
* частота всплытия;
* демпфирующая способность;
* рабочая температура.
Требуемая несущая способность ЛГО обеспечивается за счет правильного подбора геометрических параметров лепестков (длины, ширины, толщины, степени перекрытия) и их профилировки.
Частота всплытия, т.е. та частота вращения ротора на ЛГО, при которой образуется разделительный газовый слой, зависит от геометрических параметров лепестков и от силы прижатия лепестков к валу в состоянии покоя. Минимизация частоты всплытия приводит к уменьшению момента сухого трения при запуске ЭТМ и к уменьшению износа антифрикционного покрытия на лепестках и соответственно к увеличению ресурса опор и всей ЭТМ.
Демпфирующие свойства ЛГО обусловлены их способностью рассеивать энергию колебаний вала за счёт трения лепестков между собой и корпусом.
Рабочие температуры ЛГО ограничиваются теплостойкостью антифрикционного покрытия лепестков.
Монтажные зазоры в радиальных и осевых ЛГО относительно велики, что позволяет снизить требования к точности сборки, компенсировать тепловые деформации узлов ЭТМ во время работы, а также снизить требования к чистоте рабочего газа опор.
В целом применение ЛГО в ЭТМ позволяет решить ряд актуальных проблем:
- обеспечить требуемую высокую частоту вращения ротора;
- обеспечить надежную работу ЭТМ при воздействии значительных внешних вибраций и ударных нагрузок, при наличии значительных внешних теплопритоков;
- полностью исключить загрязнение рабочего тела парами масел;
- уменьшить массу ЭТМ за счет более компактной конструкции опорного узла и ликвидации системы смазки;
- увеличить ресурс и упростить обслуживание ЭТМ.
Напряжение, вырабатываемое высокочастотным турбогенератором, отличается от общепромышленного, при этом частота и амплитуда этого напряжения изменяются в широких пределах при изменении частоты вращения турбины. Для обеспечения заданного качества электрической энергии в установившихся и переходных режимах в современных энергетических системах применяют электронные преобразователи (ЭЛП). В общем случае на вход ЭЛП подаётся выходное напряжение электрогенератора, которое характеризуется величиной действующего значения U\, частотой/ь числом фаз т\ и определённым гармоническим составом. На выходе ЭЛП формируется требуемое напряжение с параметрами Ui,fi, тг. В большинстве случаев ЭЛП выполняются по так называемой схеме с промежуточным звеном постоянного тока, в которой входное напряжение сначала выпрямляется, а затем полученное напряжение Ud постоянного тока преобразуется в требуемое выходное напряжение. Таким образом, ЭЛП состоит из двух устройств, включённых последовательно -- входного выпрямителя (В) и выходного преобразователя постоянного тока (ППТ). Как правило, высокоскоростные турбогенераторы выполняют трёхфазными {т\ = 3), а входные выпрямители В -- по мостовым двухполупериодным схемам на основе полупроводниковых диодов. Такое построение входной части ЭЛП обеспечивает высокую степень использования электротехнических материалов турбогенератора и приемлемое качество выпрямленного напряжения [5]. На рис. 3 изображена функциональная схема ЭЛП.