Микротурбины: Микротурбины Capstone. Официальный сайт.

Принцип работы микротурбины Capstone

Перед подачей в микротурбинную установку внешний воздух проходит через входной воздушный фильтр малого сопротивления, использующийся для очистки воздуха, а также для снижения потери мощности двигателя. Отфильтрованный внешний воздух, проходя через генератор, охлаждает обмотки статора, что позволяет отказаться от использования дополнительных устройств охлаждения генератора. Уменьшение числа компонентов двигателя в устройстве газовой турбины ведет к упрощению конструкции, сведению к минимуму риска поломки отдельной составной части микротурбины Capstone и, как следствие, повышению надежности всей системы. Компрессор увеличивает давление воздуха, откуда сжатый воздух поступает в рекуператор. Использование рекуператора повышает электрический КПД газовой турбины и позволяет в 2 раза снизить объем потребляемого топлива за счет использования тепловой энергии выхлопа для подогрева воздуха, поступающего в камеру сгорания. Нагретый сжатый воздух поступает в камеру сгорания, где смешивается с топливом, и происходит возгорание смеси. Горение топливно-воздушной смеси происходит при постоянном давлении и низких рабочих температурах, что приводит к снижению вредных атмосферных выбросов. Камера сгорания и колесо турбины выполнены из специальных высокотемпературных материалов, что дает возможность использовать широкий диапазон топлива с различной теплотворной способностью. Специальные антикоррозийные материалы, примененные в составе системы подвода топлива к форсункам, позволяют газовой турбине Capstone работать на высокосернистом топливе с содержанием сероводорода (H2S) до 7%. Условно низкие температуры сгорания топлива (510–954 °С), при которых достигается минимальный уровень вредных выбросов в атмосферу, являются достаточными для сжигания высокосернистого газа без нанесения вреда двигателю газовой микротурбины. Температура выхлопных газов (260–309 °С) препятствуют образованию конденсата серной кислоты и, как следствие, быстрому износу деталей двигателя. Это также является одним из факторов увеличения ресурса до капитального ремонта. Такой принцип работы газовой турбины Capstone является одним из факторов увеличения ресурса до капитального ремонта. В турбине энергия горячего газа преобразуется в работу. При входе в сопловой аппарат турбины под действием высоких температур горячие газы расширяются, и их тепловая энергия преобразуется в кинетическую. Затем, в роторной части турбины, кинетическая энергия газов переходит в механическую энергию вращения ротора турбогенератора. Высокая частота вращения ротора (до 96 000 об./мин.) позволила добиться уменьшения габаритов газовой турбины, благодаря чему микротурбинная установка имеет малый вес и компактные габаритные размеры. Часть мощности газовой микротурбины расходуется на работу воздушного компрессора, а оставшаяся часть является полезной выходной мощностью. Газотурбинный двигатель приводит во вращение находящийся с ним на одном валу высокоскоростной генератор. Если микротурбинная установка оборудована системой когенерации (утилизации тепла выхлопных газов), то выхлопные газы из рекуператора проходят через теплообменник. Данный теплообменник передает тепло выхлопных газов циркулирующей воде, использующейся в промышленных и коммунальных системах горячего водоснабжения, обогрева помещений или для других нужд. Общий КПД газовой турбины (электрический и тепловой) при таком режиме достигает 92%, что приводит к значительной экономии топлива и снижению себестоимости вырабатываемой энергии. Благодаря применению в устройстве газовой турбины особого типа генератора с постоянным магнитом в роторе и электрического инвертора вместо традиционного синхронного генератора с редуктором, частота вращения ротора микротурбины изменяется от 45 000 до 96 000 оборотов и при этом не связана с выходным напряжением. Отсутствие этой связи и возможность изменения частоты вращения в широком диапазоне приводит к оптимальному расходу топлива, пропорциональному нагрузке газовой турбины. Для запуска микротурбинной установки Capstone используется блок аккумуляторных батарей, который компенсирует ток нагрузки, в то время как двигатель набирает обороты. За счет этого, микротурбина способна выдерживать 80%-й наброс нагрузки. При единовременном сбросе нагрузки до 80% часть тока берет на себя блок аккумуляторных батарей, а скорость вращения вала замедляется с помощью тормозных резисторов. Таким образом достигается абсолютная эластичность к нагрузке без увеличения износа двигателя и существенного снижения КПД газовой турбины. Это свойство особенно важно для объектов с непрерывным, но неравномерным потреблением энергии, таких как объекты ЖКХ и инфраструктуры, городские жилые районы и коттеджные поселки. Силовая цифровая электроника управляет работой микротурбины и всех ее вспомогательных систем. Она преобразует переменный ток переменной частоты от генератора в постоянный ток, а затем в переменный ток постоянной частоты промышленной сети — 50 Гц, 380 В. Это позволяет практически мгновенно реагировать на изменение нагрузки и выдавать требуемую мощность. Принцип работы газовой турбины Capstone схематично показан на рисунке. Энергетический цикл микротурбин семейства Capstone

Сравнение микротурбин и поршневых станций

Производя сравнение микротурбинных установок с газопоршневыми станциями прежде всего следует отметить, что и то и другое — это надежное и современное оборудование, каждое из которых предназначено для своих целей. И у того и у другого оборудование есть преимущества и недостатки — за счет этого не существует однозначного ответа на вопрос «что лучше, микротурбина или ГПУ?».

Сравнение между этими технологиями нужно проводить не в теории, а целенаправленно, для каждого отдельно взятого объекта. В настоящей статье мы базисно отметим преимущества каждой из технологий и опишем критерии выбора оборудования, которые можно использовать для построения собственного объекта генерации.

Основной момент, который определяет использование того или иного типа силовой установки на любом предприятии, это его электрический КПД.

Если у газопоршневых установок он составляет, в среднем, 40% и изменяется незначительно, то у микротурбин он находится, так же в среднем, в районе 33% и может значительно уменьшаться даже при небольшом изменении температуры окружающего воздуха или высоты над уровнем моря.

Так, при проведении сравнения, приближенного к реальным условиям, можно использовать расчетный КПД газопоршневой установки в размере 37%, а КПД микротурбины (в реальных, а не идеальных условиях) в размере 27%. Простое соотношение этих величин показывает (37/27=1,37) что: Газопоршневая установка по сравнению с микротурбиной до 1,4 раза более эффективна для производства электроэнергии.

Для микротурбины это означает и более высокое (в 1,4 раза) потребление газа, и такое же увеличение лимитов. Безусловно, стоимость технического обслуживания у микротурбины значительно меньше чем у газопоршневой установки, однако это преимущество полностью разбивается о необходимость использования дожимных компрессоров, о необходимость регулярной смены аккумуляторных батарей и о другие скрытые расходы.

Завершая сравнение, необходимо упомянуть, что стоимость микротурбины выше до двух раз, чем стоимость газопоршневой электростанции.

Казалось бы, на  микротрубинных технологиях можно поставить крест — однако это не так. Как мы упомянули в начале статьи, каждое оборудование имеет своего потребителя.

На некоторых объектах мы рекомендуем использовать именно микротурины:

1. Высокий расход топлива микротурбиной полностью не важен на объектах с низкой стоимостью газа — например, для попутного нефтяного газа.
2. Именно микротурбины можно использовать при строительстве крышной мини-тэц, тогда как газопоршневым электростанциям это недоступно. Бывают объекты, где крышное размещение мини-тэц является единственным вариантом, и двукратное превышение стоимости уже не имеет значения.
3. Стоит так же упомянуть о объектах малой мощности, до 100 кВт, где микротурбина является чуть ли не единственным устройством, которое способно производить электроэнергию при низкой нагрузке.

В то же время микротурбины с успехом используются на некоторых объектах, где первоначальные затраты и высокая себестоимость не играют роли, а наиболее важным фактором является редкое техническое обслуживание. Однако с точки зрения коммерческого использования мини-тэц микротурбины, по нашему мнению, остаются полностью несостоятельными за счет высокой удельной стоимости и высокой стоимости производимой электроэнергии.

Микротурбины Capstone: особенности и обслуживание

Микротурбины Capstone нашли широкое применение в самых различных сферах. Это обусловлено эффективностью, надежностью и экологичностью тепло- и электрогенерирующего оборудования.

Микротурбины Capstone, являющиеся разработкой американской компании Capstone Turbine Corporation, представляют собой высокотехнологичные установки, которые преобразуют энергию сгорания топлива в электрическую и тепловую энергию.

Главной задачей производителя является повышение эффективности энергогенерирующего оборудования и сокращение уровня вредных выбросов, поэтому микротурбины Capstone отличаются не только высоким КПД, но и экологичностью.

Рис. 1. Микротурбинные установки Сapstone

Микротурбинные установки Сapstone благодаря своим конструктивным особенностям получили широкое применение в самых различных отраслях, где присутствует необходимость в качественном тепло- и электроснабжении:

• Промышленные предприятия
• Жилые и торгово-развлекательные комплексы, санатории
• Добывающие отрасли
• Сельское хозяйство
• Медицина
• Жилищно-коммунальное хозяйство
• Другие сферы, где есть потребность в создании надежного источника электроснабжения

Микротурбины Capstone позволяют оптимизировать энергозатраты, создать резервный источник непрерывного энергоснабжения на случай чрезвычайной ситуации, решают проблему энергоснабжения в условиях отсутствия возможности подключения к централизованной сети, улучшают экологическую обстановку и т. д.

Обслуживание микротурбин Capstone

В микротурбинных установках Capstone применяются лепестковые газодинамические подшипники, благодаря которым происходит:

• Увеличение удельной мощности двигателя
• Полное устранение необходимости использования смазочных материалов
• Сокращение денежных и временных затрат на техническое обслуживание

Пара «лепесток/вал» должна:

• Противостоять задирам
• Быть износостойкой
• Обладать низким коэффициентом трения и устойчивостью к высоким температурам

Защитить лепестковые газодинамические подшипники от задиров, сухого трения, возникающего в начальный момент их работы, и преждевременного износа помогают антифрикционные твердосмазочные покрытия MODENGY, наносящиеся на несущие поверхности лепестков.

Покрытие MODENGY 2560 выдерживает экстремально высокие температуры до +500 °С. Благодаря свойствам твердых смазочных частиц (дисульфида вольфрама и графита) оно эффективно снижает трение и износ деталей при пусках и остановках оборудования.

Рис. 2. Лепестковые газодинамические подшипники до и после нанесения покрытия MODENGY 2560

В качестве аварийной смазки применяется покрытие MODENGY 1007, а для предотвращения скачкообразного движения MODENGY 1014.

Микротурбины Capstone: свойства и преимущества

• Низкий уровень шума – позволяет устанавливать оборудование рядом с жилыми домами и на крышах зданий
• Работают на всевозможных газообразных или жидких видах топлива
• Компактные размеры
• Минимальный объем выбросов загрязняющих веществ и парниковых газов
• Отсутствие вибраций – благодаря высокой частоте вращения вала и применению воздушных подшипников, которое также дает возможность отказаться от использования смазочных материалов
• Специальная система удаленного управления делает возможным функционирование микротурбин в отдаленных районах без постоянного присутствия технических специалистов
• Имеют несколько режимов: когенерация (производится тепло), тригенерация (вырабатывается электричество, тепло и холод), параллельно с сетью (оборудование подключено к сети), автономно (функционирует независимо от сети), двойной режим (переключение двух предыдущих режимов)

Следует добавить, что КПД и мощность установки зависят от наличия сопротивления выхлопного тракта, температуры воздуха на входе в микротурбинный двигатель, высоты над уровнем моря, загрязненности фильтров, за чистотой которых необходимо следить при эксплуатации микротурбины Capstone, а также учитывать все вышеперечисленные факторы.

При соблюдении условий эксплуатации микротурбинной установки срок ее службы до капитального ремонта составляет 60 000 часов. Периодические технические работы производятся каждые 8 000 часов. 

Микротурбины Capstone в ближайшие годы останутся ценным активом (22.09.2020) — «Фридом Финанс»

© 2011 – 2021 ООО ИК «Фридом Финанс»

ООО ИК «Фридом Финанс» оказывает финансовые услуги на территории Российской Федерации в соответствии с государственными бессрочными лицензиями профессионального участника рынка ценных бумаг на осуществление брокерской, дилерской и депозитарной деятельности, а также деятельности по управлению ценными бумагами. Государственное регулирование деятельности компании и защиту интересов ее клиентов осуществляет Центральный банк Российской Федерации.
Владение ценными бумагами и прочими финансовыми инструментами всегда сопряжено с рисками: стоимость ценных бумаг и прочих финансовых инструментов может как расти, так и падать. Результаты инвестирования в прошлом не являются гарантией получения доходов в будущем. В соответствии с законодательством компания не гарантирует и не обещает в будущем доходности вложений, не дает гарантии надежности возможных инвестиций и стабильности размеров возможных доходов. Услуги по совершению сделок с зарубежными ценными бумагами доступны для лиц, являющихся в соответствии с действующим законодательством квалифицированными инвесторами, и производятся в соответствии с ограничениями, установленными действующим законодательством.
Информационно-аналитические услуги и материалы предоставляются ООО ИК «Фридом Финанс» в рамках оказания указанных услуг и не являются самостоятельным видом деятельности. Компания оставляет за собой право отказать в оказании услуг лицам, не удовлетворяющим предъявляемым к клиентам условиям или в отношении которых установлен запрет/ограничения на оказание таких услуг в соответствии с законодательством Российской Федерации или иных стран, где осуществляются операции. Также ограничения могут быть наложены внутренними процедурами и контролем ООО ИК «Фридом Финанс».

Микротурбины Capstone

«Арман Энерго» является официальным дистрибьютором Capstone Turbine Corporation на территории Российской Федерации  – мирового лидера по производству инновационных газовых микротурбин Capstone.

С начала 2000 гг., благодаря своим превосходным техническим параметрам и характеристикам, оборудование Capstone постоянно увеличивает долю рынка автономных источников энергии в самых разных сферах экономики.

Особенности микротурбинной установки Capstone

Двигатель агрегата состоит лишь из одной движущейся детали — вращающегося вала. На нем коаксиально расположены электрический генератор, компрессор и турбинное колесо. В установке не используются дополнительные механические приводы типа редукторов, полумуфт и других передаточных механизмов. Энергоустановка вообще не требует использование масла, что значительно сокращает расходы на ее обслуживание. Все дело в применении уникальных газодинамических (воздушных) подшипников. Благодаря своей особой аэродинамической форме, подшипники поддерживают вал ротора установки в подвешенном бесконтактном состоянии. Это не только позволяет отказаться от смазки, но и значительно снижает риск износа деталей двигателя. Также за счет этого скорость вращения вала может достигать – 96 тыс. оборотов в минуту. При такой высокой частоте вращения микротурбина отличается низким уровнем шума и полным отсутствием вибраций. Кроме этого, малое количество соприкасающихся частей обеспечивает стабильную и длительную работу всего оборудования, со сроком службы до капитального ремонта – до 60 тыс. часов.

Главные преимущества микротурбин Capstone

• Простая конструкция и отсутствие трущихся деталей, обеспечивающие высокую надежность; быстроту и легкость монтажа, подключения к топливным и электрическим коммуникациям; возможность сервисного обслуживания и капитального ремонта на месте эксплуатации в течение 1 дня.
• Уникальные воздушные подшипники, исключающие необходимость использования моторного масла, охлаждающей жидкости и лубрикантов.
• Низкий уровень шума (до 60 дБ) и вибраций дающие широкие возможности для выбора места размещения.
• Периодическое сервисное обслуживание каждые 8000 часов, не чаще 1 раза в год.
• Удобная система дистанционного мониторинга и контроля параметров работы микротурбины через GSM модем.
• Эластичность к нагрузкам, способность работать в диапазоне нагрузки от 0 до 100% без остановок и снижения ресурса.
• Потребление широкого спектра топлива, в том числе с нестабильными характеристиками состава и содержанием сероводорода до 7%.
• Непрерывность работы в автономном режиме или параллельно с централизованной сетью.
• Ресурс до капитального ремонта — до 60 000 часов.
• Высокий КПД в режиме когенерации и тригенерации — до 92%.

 

Микротурбины/ микротурбинные установки

О микротурбинах  Capstone — Calnetix

Микротурбины Capstone — Calnetix представляют собой  ультракомпактные,  тепловые электростанции, с электронной системой управления и вспомогательными агрегатами, которые смонтированы на общем каркасе.

Микротурбины Capstone — Calnetix производятся только в США, причем более простой и дешевый Calnetix ТА 100, сравнительно недавно приобретенный Capstone Turbine Corporation®, в настоящее больше не производится. Вероятнее всего это было сделано корпорацией для устранения конкурента и дальнейшей экспансии на рынке.

Для предохранения микротурбин Capstone — Calnetix от внешних воздействий, применяются контейнеры — кожухи со звукоизоляционным и температурным компенсированием. Климатический температурный диапазон микротурбинных электростанций Capstone — Calnetix, в котором они надежно работают, составляет от –30 °С до +50 °С.

Микротурбины Capstone — Calnetix из-за небольших размеров могут устанавливаться на крышах жилых зданий и нефтяных платформах.

Микротурбины Capstone — Calnetix имеют систему воздушного охлаждения. Некоторые марки микротурбин, такие как Capstone — Calnetix, практически не потребляют моторного масла и в целом, имеют низкие эксплуатационные расходы. Но сами установки очень дорогие – цена за один киловатт установленной электрической мощности достигает $3000.
Назначенный срок службы микротурбин Capstone — Calnetix — экспертам пока неизвестен, но, по утверждениям американских производителей и российского дилера, жизненный цикл установок составляет 200 000 часов.

Микротурбины Capstone — Calnetix  просты в эксплуатации,  но в российских условиях они обязательно нуждаются в обслуживающем персонале. Сервис — замена воздушного фильтра и осмотр — осуществляется один раз в год.

Где применяются микротурбины

В силу своей компактности микротурбины могут с успехом работать на нефтяных платформах, в особых случаях они могут использоваться для энергоснабжения отдельных зданий в больших городах, где необходимо крышное размещение установок, а подключение к сетям стоит свыше $3000 за 1 кВт.

Микротурбины могут служить прекрасным и наглядным учебным пособием в профильных университетах, институтах, училищах, попутно вырабатывая для них электричество и тепло. Имеются немногочисленные, но замечательные примеры подобного применения микротурбин.

В других сферах экономики российскому потребителю всегда следует обращать внимание на высокую стоимость микротурбинных установок и на очень долгие сроки окупаемости проектов, где они предполагаются к использованию. Безусловно, если бы микротурбины стоили как в США, $900 за 1 кВт электрической мощности, то они имели бы большее распространение в России.

Микротурбины

Capstone — Calnetix — описание

Силовыми установками — агрегатами этих  «новых» электростанций являются микротурбины  — уменьшенные в масштабе аналоги старых, давно известных, газотурбинных установок.

Микротурбины Capstone — Calnetix используются для комбинированной выработки электроэнергии, тепла и холода. Причем, производство холода — это совершенно отдельная система на базе АБХМ, стоимостью $500 за 1 кВт

Топливом может быть природный газ, солярка, попутный нефтяной газ с высоким содержанием сероводорода (при обязательном наличии станции подготовки газа) и многие другие виды углеводородов с различной теплотворной способностью. Для работы на дизельном топливе (солярке) необходима совершенно иная топливная рампа.

Давление газа, приемлемое для работы микротурбин, начинается от 0,02 бар. Для его подъема до рабочих значений постоянно используется штатные дожимные компрессоры. Без них микротурбина работать не будет. К сожалению, на работу компрессоров тратится значительная энергия.

Расход газового топлива при номинальной нагрузке микротурбины: 0,37–0,65 м³/час, этого объема микротурбине достаточно для производства 1 кВт электричества и ~ 1,7 кВт тепловой энергии в час. Расход газового топлива повышается еще более (на 20-30%) при работе с низкой нагрузкой. При работе с низкими электрическими нагрузками, для получения стабильных объемов тепловой энергии обязательно требуется установка дополнительной газовой котельной.

Электрический КПД у микротурбин — слабое звено, в среднем, он составляет 28-30%.

То есть микротурбинные установки потребляют очень большое количество топлива — природного газа. По этому ключевому параметру микротурбины неконкурентоспособны – их, как бы оппоненты — газопоршневые установки на треть экономичнее и дешевле почти в три раза.

Схема инверторного преобразования позволяет получить идеальные, качественные выходные параметры по току, напряжению и частоте. Такие параметры необходимы для большинства современных производственных линий во избежание внезапных остановок и аварий.

Но это качество микротурбин дается потребителю  дорогой ценой — неизбежным спутником установок является тяжелая, мощная аккумуляторная батарея (АКБ), подлежащая регулярным заменам в процессе эксплуатации. Замена АКБ происходит раз в 2-3 года. Старая батарея нуждается в обязательной утилизации, а новая обходится в приличную сумму.

Микротурбины Capstone — Calnetix — технические характеристики

• Мощность электрическая: от 100 кВт до 1 МВт
• Выходное напряжение: 400–480В, 3 фазы
• Сила тока от: 40 А
• Выходная частота тока: 50–60 Гц
• Электрический КПД: 27–30 %
• Диапазон электрической нагрузки: 1–100%
• Мощность тепловая: до 1,7 кВт на 1 кВт электрической энергии
• Входная температура теплоносителя: (вода) 40°С для ГВС и 70°С для отопления
• Выходная температура теплоносителя: (вода) 95°С
• Температура выхлопных газов: от 275°С

Федеральная целевая программа «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014—2021 годы»

Федеральная целевая программа (далее Программа)

— это сумма мероприятий, процедур и регламентов, через которые государство осуществляет научно-техническую политику, размещая государственные заказы на исследования и разработки в тех направлениях науки и технологии, которые признаны приоритетными.

Организационное сопровождение Программы

Организационное сопровождение Программы осуществляет федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Дирекция научно- технических программ» (далее Дирекция)

Дирекция Программы выполняет следующие основные функции:

• cобирает и систематизирует статистическую и аналитическую информацию о реализации мероприятий Программы;
• организует по поручению государственного заказчика Программы экспертизу проектов на всех этапах реализации Программы;
• организует независимую оценку показателей результативности и эффективности мероприятий Программы, их соответствия целевым индикаторам и показателям;
• внедряет информационные технологии и обеспечивает их применение в целях управления реализацией Программы и контроля за ходом выполнения мероприятий Программы;
• осуществляет информационное обеспечение специализированного сайта (сайтов) в информационно-телекоммуникационной сети «Интернет»;
• организует техническое и информационное сопровождение приемки и оценки результатов работ;
• обеспечивает организационно-техническое сопровождение формирования тематики конкурсных лотов.

Направления развития и финансирования

Программа ориентирована на проведение и финансирование исследований, дающих выход на конкретные разработки и продукты. Она направляет ресурсы на проведение прикладных исследований по тем технологическим направлениям, которые являются приоритетными для российской экономики и способствуют повышению ее конкурентоспособности.

Кроме того, в рамках Программы финансируется создание и поддержка инновационной инфраструктуры, призванной связать сектор исследований и разработок с субъектами рыночной экономики, обеспечить конвертацию знаний, преобразование их в рыночный продукт.

микротурбин | WBDG — Руководство по проектированию всего здания

Введение

Микротурбины — это относительно новая технология распределенной генерации, используемая для стационарных приложений генерации энергии. Они представляют собой тип турбины внутреннего сгорания, которая вырабатывает как тепло, так и электричество в относительно небольших масштабах.

Микротурбины

обладают рядом потенциальных преимуществ по сравнению с другими технологиями для маломасштабной выработки электроэнергии, в том числе: небольшое количество движущихся частей, компактный размер, легкий вес, большая эффективность, меньшие выбросы, более низкие затраты на электроэнергию и возможности использования отработанного топлива.В этих системах также можно использовать рекуперацию отходящего тепла для достижения эффективности более 80%.

Ожидается, что микротурбины из-за своего небольшого размера, относительно низких капитальных затрат, ожидаемых низких затрат на эксплуатацию и техническое обслуживание, а также автоматического электронного управления займут значительную долю рынка распределенной генерации. Кроме того, микротурбины предлагают эффективное и чистое решение для рынков с прямым механическим приводом, таких как компрессор и кондиционирование воздуха.

Микротурбины работают как реактивные двигатели, но вырабатывают электричество вместо тяги.
Фотография предоставлена: Capstone Turbine Corp.

Описание

A. Что такое микротурбина?

Обзор микротурбины
Имеется в продаже	Да (ограничено)
Диапазон размеров	25-500 кВт
Топливо	Природный газ, водород, пропан, дизельное топливо
КПД	20-30% (рекуперация)
Окружающая среда	Низкий (<9–50 частей на миллион) NOx
Другие функции	Когенерация (вода 50–80 ° C)
Коммерческий статус	Производство небольших партий, коммерческие прототипы.

(любезно предоставлено Калифорнийским справочником по распределенным энергетическим ресурсам на микротурбинах)

Микротурбины — это небольшие турбины внутреннего сгорания размером примерно с холодильник мощностью от 25 до 500 кВт. Они произошли от турбонагнетателей для автомобилей и грузовиков, вспомогательных силовых агрегатов (ВСУ) для самолетов и небольших реактивных двигателей. Большинство микротурбин состоит из компрессора, камеры сгорания, турбины, генератора переменного тока, рекуператора (устройства, улавливающего отходящее тепло для повышения эффективности ступени компрессора) и генератора.На рисунке ниже показано, как работает микротурбина.

B. Типы микротурбин

Микротурбины классифицируются по физическому расположению составных частей: одно- или двухвальные, простой цикл или с рекуперацией, с промежуточным охлаждением и с повторным нагревом. Машины обычно вращаются со скоростью более 40 000 оборотов в минуту. Выбор подшипника — масляный или воздушный — зависит от использования. Одновальная микротурбина с высокими скоростями вращения от 90 000 до 120 000 оборотов в минуту является более распространенной конструкцией, поскольку ее проще и дешевле построить.И наоборот, разъемный вал необходим для приводов машин, для которых не требуется инвертор для изменения частоты переменного тока.

Генераторы микротурбин

также можно разделить на два общих класса:

• Микротурбины без рекуперации (или простого цикла) — В турбине простого цикла или без рекуперации сжатый воздух смешивается с топливом и сжигается в условиях постоянного давления. Полученный горячий газ расширяется через турбину для выполнения работы.Микротурбины простого цикла имеют более низкий КПД (около 15%), но также более низкие капитальные затраты, более высокую надежность и больше тепла, доступного для когенерационных приложений, чем блоки с рекуперацией.

• Рекуперируемые микротурбины — Рекуперируемые блоки используют теплообменник из листового металла, который утилизирует часть тепла от выхлопного потока и передает его входящему воздушному потоку, повышая температуру воздушного потока, подаваемого в камеру сгорания. Дальнейшая рекуперация тепла выхлопных газов может быть использована в конфигурации когенерации. На рисунках ниже показана рекуперированная микротурбинная система. Эффективность преобразования топливной энергии в электрическую находится в диапазоне от 20 до 30%. Кроме того, агрегаты с рекуперацией могут обеспечить экономию топлива от 30 до 40% за счет предварительного нагрева.

Рекуперированная микротурбина
Фото: Capstone

Когенерация — это вариант во многих случаях, поскольку микротурбина расположена в точке использования электроэнергии. Комбинированный теплоэлектрический КПД микротурбин в таких приложениях когенерации может достигать 85% в зависимости от требований теплового процесса.

КПД микротурбины
Конфигурация	КПД
без ремонта	15%
Восстановленный	20–30%
с рекуперацией тепла	до 85%

(любезно предоставлено Калифорнийским справочником по распределенным энергетическим ресурсам на микротурбинах)

Современные материалы, такие как керамика и термобарьерные покрытия, являются одними из ключевых технологий, позволяющих улучшить микротурбины. Повышение эффективности может быть достигнуто с помощью таких материалов, как керамика, которые позволяют значительно повысить рабочую температуру двигателя.

C. Характеристики микротурбин

Некоторые из основных приложений для микротурбин включают:

• Распределенное поколение — автономные локальные приложения, удаленные от электросетей
• Качественная мощность и надежность — снижение колебаний частоты, скачков напряжения, скачков, провалов или других сбоев
• Резервное питание — используется в случае отключения электроэнергии в качестве резервного источника электроэнергии
• Пиковое бритье — использование микротурбин в периоды, когда потребление электроэнергии и плата за потребление высоки
• Повышение мощности — увеличение локальных генерирующих мощностей и в более удаленных сетях
• Дешевая энергия — использование микротурбин в качестве базовой нагрузки или основного источника энергии, которое дешевле производить на месте, чем покупать у электроэнергетической компании.
• Комбинированное производство тепла и электроэнергии (когенерация) — повышает эффективность местного производства электроэнергии за счет использования отходящего тепла для существующего теплового процесса.

Микротурбины предлагают множество потенциальных преимуществ для распределенного производства электроэнергии. Избранные сильные и слабые стороны технологии микротурбин перечислены в следующей таблице из Калифорнийского руководства по распределенным энергетическим ресурсам для микротурбин.

Микротурбины
Сила	Слабые стороны
Небольшое количество движущихся частей	Низкое соотношение топлива к электроэнергии
Компактный размер	Потеря выходной мощности и КПД при более высоких температурах окружающей среды и возвышении
Облегченный
Высокая эффективность когенерации
Низкие выбросы
Можно утилизировать отработанное топливо
Увеличенные интервалы технического обслуживания
Без вибрации
Меньше шума, чем поршневые двигатели
Повышает энергетическую безопасность

Доступно для гостей : N / A

Эстетика :

• Улучшает обзор и обзор с автономными системами, что устраняет необходимость в воздушных линиях электропередачи

Рентабельность : (См. Раздел F: Экономика микротурбин)

• Позволяет снизить затраты за счет снижения пикового спроса на объекте и, следовательно, снижения платы за спрос

Функциональный :

• Обеспечивает лучшую надежность и качество электропитания, особенно для тех, кто находится в зонах с пониженными энергиями, скачками напряжения и т. Д.являются обычными или электроснабжение менее надежно
• Обеспечивает питание удаленных приложений, где традиционные линии передачи и распределения не подходят, такие как строительные площадки и морские объекты.
• Может быть альтернативой дизельным генераторам для локального питания критически важных функций (например, коммуникационные центры)
• Обладает комбинированными теплоэнергетическими возможностями
• Снижает перегрузку линий электропередачи на входе
• Оптимизирует использование существующих сетевых активов, включая возможность высвобождения передающих активов для увеличения пропускной способности.
• Повышает надежность сети
• Облегчает более быструю выдачу разрешений, чем модернизация линии электропередачи
• Может размещаться на площадках с ограничениями по производству электроэнергии

Производственные :

• Обеспечивает высококачественное питание для чувствительных приложений
• Быстрее реагирует на новые потребности в электроэнергии — так как увеличение мощности может производиться быстрее
• Способствует уменьшению капиталовложений, связанных с непроизводительными активами, поскольку модульная природа микротурбин означает, что добавление и сокращение мощности может производиться небольшими приращениями, точно в соответствии со спросом, вместо строительства центральных электростанций, размер которых соответствует предполагаемому будущему (а не текущему) спросу.
• Энергопотребление в режиме ожидания сокращает время простоя, позволяя сотрудникам возобновить работу
• Производит меньше шума, чем поршневые двигатели

Надежный / Сейф :

• Повышает энергетическую безопасность
• Резервное питание обеспечивает быстрое восстановление после события

Устойчивое развитие :

• Производит самые низкие выбросы среди всех систем сжигания некаталитического ископаемого топлива
• Имеет небольшую занимаемую площадь, сводя к минимуму неудобства на рабочем месте
• Уменьшает или откладывает модернизацию инфраструктуры (линии и подстанции)
• Для микротурбин с рекуперацией энергии, обладает более высокой эффективностью преобразования энергии, чем центральное поколение.
• Обеспечивает более эффективное управление энергопотреблением и нагрузкой

Д.Экономика микротурбин

Капитальные затраты на микротурбину колеблются от 700 до 1100 долларов США / кВт. Эти затраты включают все оборудование, соответствующие руководства, программное обеспечение и начальное обучение. Добавление рекуперации тепла увеличивает стоимость на 75–350 долларов за кВт. Затраты на установку значительно различаются в зависимости от местоположения, но обычно добавляют 30-50% к общей стоимости установки.

Производители микротурбин нацелены на будущие затраты ниже 650 долларов за кВт. Это представляется возможным, если рынок расширяется и объемы продаж увеличиваются.

Поставщики микротурбин надеются, что с меньшим количеством движущихся частей эти устройства могут обеспечить более высокую надежность, чем традиционные технологии возвратно-поступательного движения. Производители ожидают, что начальные единицы потребуют более неожиданных посещений, но по мере того, как продукция созревает, будет хватать ежегодного графика технического обслуживания. Большинство производителей нацелены на интервалы обслуживания от 5 000 до 8 000 часов.

Затраты на техническое обслуживание микротурбинных установок по-прежнему основаны на прогнозах с минимальными реальными ситуациями.Оценки варьируются от 0,005 до 0,016 доллара за кВтч, что сопоставимо с оценкой для небольших систем поршневых двигателей.

Стоимость микротурбины
Капитальные затраты	700–1100 долл. США / кВт
Затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание	0,005-0,016 $ / кВт
Интервал технического обслуживания	5000-8000 часов

(любезно предоставлено Калифорнийским справочником по распределенным энергетическим ресурсам на микротурбинах)

Приложение

Микротурбины

могут использоваться для резервного питания, обеспечения качества и надежности электроэнергии, снятия пиковых нагрузок и когенерации. Кроме того, поскольку микротурбины разрабатываются для использования различных видов топлива, они используются для извлечения ресурсов и использования свалочного газа. Микротурбины хорошо подходят для небольших коммерческих зданий, таких как рестораны, отели / мотели, небольшие офисы, магазины розничной торговли и многие другие.

Разнообразие потребителей энергии, которые уже используют микротурбины, велико и быстро растет. Например:

• Микротурбины, работающие на свалочном газе, установленные на полигоне Джамача в Спринг-Вэлли, Калифорния, обеспечивают электроэнергией на месте и обратно в сеть.Подробнее

• Ресторан McDonald’s в Чикаго, штат Иллинойс, получает большую часть электроэнергии от микротурбины, работающей на природном газе, что сокращает его ежемесячный счет за электроэнергию на 1500 долларов.

Электрогенератор с микротурбиной Parallon 75 в The Energy Efficient McDonald’s (TEEM) в Бенсенвилле, штат Иллинойс, может обеспечивать электроэнергией весь магазин, включая освещение, кухонное оборудование и системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.
Фото: Новости потребителей энергии

• Текстильная фабрика в Лоуренсе, Массачусетс, обеспечивает непрерывную работу, получая энергию от микротурбин.

• В здании Chesapeake Building в кампусе Мэрилендского университета, Колледж-Парк, штат Мэриленд, есть система охлаждения, обогрева и электроснабжения (ТЭЦ), состоящая из микротурбин, чиллера и дымовой трубы, которая использует отработанное тепло для охлаждения и обогрева здания, что значительно повышает эффективность системы. .

Система когенерации Chesapeake Building, Мэрилендский университет — Колледж-Парк, Мэриленд

Также ведется разработка технологии микротурбин для транспортных средств.Автомобильные компании заинтересованы в микротурбинах как в легком и эффективном источнике энергии на основе ископаемого топлива для гибридных электромобилей, особенно автобусов.

Другие текущие разработки для улучшения конструкции микротурбины, снижения затрат и повышения производительности с целью производства конкурентоспособного продукта распределенной генерации включают рекуперацию тепла / когенерацию, гибкость топлива и гибридные системы (например, топливный элемент / микротурбина, маховик / микротурбина).

Дополнительные ресурсы

Государственные и федеральные агентства

Ассоциации и организации

• California Communities for Advanced Distributed Energy Resources (CADER) — Служит в качестве центра обмена информацией по эффективным технологиям и системам инфраструктуры, которые повышают качество, надежность и безопасность энергоснабжения местных сообществ, сокращая при этом затраты на электроэнергию и воздействие на окружающую среду, связанное с производством электроэнергии.
• Ассоциация ТЭЦ — ассоциация, объединяющая интересы различных рынков для содействия росту чистых и эффективных ТЭЦ в Соединенных Штатах. Его миссия заключается в создании нормативной, институциональной и рыночной среды, которая способствует использованию чистых и эффективных ТЭЦ в качестве основного источника электроэнергии и тепловой энергии в США. (бывшая Ассоциация чистого тепла и энергии США (USCHPA))
• Всемирный альянс за децентрализованную энергетику (WADE) — учрежденный группой крупных компаний и национальных промышленных ассоциаций для ускорения разработки высокоэффективных систем когенерации и децентрализованной энергетики (DE), которые принесут существенные экономические и экологические выгоды во всем мире.

Производители

Во всем мире более двадцати компаний участвуют в разработке и коммерциализации микротурбин для приложений распределенной генерации. Ниже приведены ссылки на пять ведущих производителей микротурбин.

• Bowman Power Systems — британская компания, которая разрабатывает микротурбинные системы выработки электроэнергии мощностью 80 кВт для РЭД и мобильных энергетических приложений.
• Calnetix Technologies — ведущий производитель микротурбин для использования в распределенной генерации, комбинированном производстве тепла и электроэнергии (ТЭЦ), биогазе и морских установках.
• Capstone Turbine Corporation. Компания Capstone, расположенная в Чатсуорте, Калифорния, является лидером в коммерциализации высоконадежных микротурбинных электрогенераторов с низким уровнем выбросов. Компания предлагает системы мощностью 30 и 60 кВт для приложений DER.
• Ansaldo Turbec — В конце 2012 года компания Ansaldo Energia приобрела Turbec. Компания предлагает микротурбинный электрогенератор мощностью 100 кВт для коммерческих приложений РЭД.

Разработка микротурбинных технологий

Технология микротурбин эволюционировала от ранних систем мощностью 30–70 кВт до современных систем, которые могут иметь индивидуальную мощность от 200 до 250 кВт.Теперь доступны блоки мощностью до 1 МВт, которые можно собирать в блоки multipac для проектов мощностью от 5 до 10 МВт. Эти современные блоки оснащены встроенной цифровой защитой, синхронизацией и управлением; они производят высокую комбинированную теплоэнергетику; и они могут использовать несколько видов топлива.

Микротурбины — относительно новая технология для выработки электроэнергии. Поэтому неудивительно, что потенциальные клиенты, инженерные фирмы, производители оригинального оборудования и государственные учреждения часто задают вопросы о том, как работают микротурбины и чем они отличаются от других более традиционных форм производства электроэнергии. В этой статье рассматриваются эти вопросы, описываются основные особенности микротурбин и приводятся примеры их использования в реальных приложениях (рис. 1).

1. Простой осмотр. Техник осматривает микротурбину Capstone C65 мощностью 65 кВт, оснащенную встроенной системой рекуперации тепла. Предоставлено: Capstone Turbine Corp.

Типовая конструкция микротурбины

Микротурбины — это простая форма газовой турбины, обычно состоящая из радиального компрессора и роторов турбины и часто использующих только одну ступень каждого из них.Обычно они регенерируют энергию выхлопных газов для предварительного нагрева сжатого входящего воздуха, тем самым повышая электрический КПД по сравнению с машинами простого цикла. Воздухо-воздушный теплообменник называется «рекуператором», а вся система обычно называется рекуперированным циклом.

На рис. 2 показан разрез микротурбины Capstone мощностью 65 кВт, иллюстрирующий расположение этих основных компонентов в коммерческом продукте. Узел часто называют «турбогенератором», поскольку он включает в себя все компоненты микротурбины и генератор.Единственный вал турбины, компрессора и генератора вращается с высокой скоростью — 96 000 об / мин в случае турбогенератора Capstone C65. Таким образом, выходной сигнал генератора представляет собой высокочастотный переменный ток, который необходимо регулировать с помощью силовой электроники для обеспечения полезной выходной мощности 50 или 60 Гц.

2. Вид изнутри. На этом виде в разрезе турбогенератора Capstone C65 показано расположение всех компонентов газовой турбины, включая генератор.Окружающий воздух сжимается в компрессоре, топливо сжигается в камере сгорания для повышения температуры сжатого воздуха, а горячие газы высокого давления расширяются через радиальную турбину, создавая мощность на валу для генератора. Рекуператор рекуперирует тепло от горячих газов для нагрева сжатого воздуха перед его поступлением в камеру сгорания, чтобы уменьшить количество потребляемого топлива, тем самым увеличивая тепловой КПД системы турбогенератора. Источник: Capstone Turbine Corp.

Микротурбины обеспечивают высокий электрический КПД по сравнению с традиционными газовыми турбинами того же класса.Рекуператор, который рециркулирует часть энергии выхлопных газов обратно в процесс преобразования энергии, дает преимущество в эффективности. На рис. 3 показаны конкурентные предложения нескольких производителей микротурбин, а также некоторых более крупных газовых турбин. Обратите внимание, что микротурбины обладают наивысшим электрическим КПД, примерно до 5 МВт, что соответствует размеру первой традиционной газовой турбины, предлагаемой в модели с рекуперацией (Solar Tubines ‘Mercury 50).

3. Конкурс на эффективность. Электрический КПД конкурирующих предложений в диапазоне размеров микротурбин. Источник: Capstone Turbine Corp.

Однако КПД в диапазоне от 20% до 30% обычно недостаточен для обеспечения привлекательной экономической рентабельности инвестиций в коммерческих приложениях, где приобретается обычное топливо, а итоговые затраты на генерацию необходимо сравнивать с мощностью, покупаемой коммунальными предприятиями. . Сильной стороной варианта микротурбины является комбинированное производство тепла и электроэнергии (ТЭЦ) или комбинированное охлаждение, тепло и мощность (CCHP), где чистое тепло выхлопных газов может быть рекуперировано и продуктивно использовано.

Основная ценность любой микротурбины для большинства бизнес-клиентов — это ее способность снижать стоимость энергии. Помимо использования стандартных методов финансового анализа для оценки проекта, микротурбины часто имеют право на федеральные льготы при работе на возобновляемом топливе и на федеральный налоговый кредит в размере 10%, который может быть использован в качестве авансового гранта. Во многих штатах также есть программы скидок и стимулов для стимулирования покупки экологически чистых и эффективных решений для производства электроэнергии.

Хотя для того, чтобы вызвать серьезный интерес клиентов, обычно требуется привлекательная окупаемость инвестиций, несколько факторов рынка помогают определить, насколько быстро будет принята технология микротурбин, как объясняется ниже.

Микротурбины соответствуют низким пределам выбросов. Все большее количество регулирующих органов во всем мире принимают сверхнизкие уровни выбросов, аналогичные тем, которые устанавливает Калифорнийский совет по воздушным ресурсам (CARB). Это означает, что альтернативы другим поколениям, такие как генераторы с поршневым двигателем, часто должны добавлять системы селективного каталитического восстановления. Некоторые производители микротурбин соблюдают требования CARB без активной дополнительной обработки выхлопных газов, что дает владельцам значительные преимущества по стоимости.

Одним из преимуществ микротурбинной технологии является ее способность достигать чрезвычайно низкого уровня выбросов выхлопных газов. Непрерывное сжигание бедной смеси обеспечивает низкий уровень оксидов азота (NO _x ), монооксида углерода и несгоревших углеводородов (часто измеряемых как летучие органические соединения).

В качестве полезной точки сравнения можно сказать, что поршневые двигатели, работающие на природном газе, производят NO _x , что составляет примерно половину от средней системы выработки электроэнергии в масштабах коммунального предприятия.Модель Capstone C65 мощностью 65 кВт (тепловая мощность которой составляет около 11 800 БТЕ / кВт · ч LHV) вырабатывает NO _x со скоростью примерно 9 ppmvd, что составляет долю от производительности большой поршневой генераторной установки, работающей на природном газе.

В целом микротурбины обеспечивают превосходную производительность без необходимости в дорогостоящей активной очистке выхлопных газов. Выбросы являются ключевой причиной, по которой крупная нефтегазовая компания, занимающаяся разведкой больших запасов сланца, недавно заказала в августе 18 микротурбин C65 с низким уровнем выбросов, чтобы обеспечить максимальную мощность для своих центральных перерабатывающих предприятий и участков измерения на месторождении сланцевого газа Игл-Форд на юге Техаса.

Микротурбины отвечают жестким требованиям к межсетевым соединениям. Некоторые регионы мира ограничивают подключение традиционных синхронных генераторов к электросети из-за их вклада тока короткого замыкания в уже находящуюся под напряжением систему распределения. В большинстве микротурбин используется силовая электроника с цифровым управлением процессором. Такой подход позволяет интегрировать функции реле защиты блока в саму микротурбину, включая ограничение тока при наличии неисправности в электросети.

В большинстве микротурбин используется силовая электроника для преобразования высокочастотного выходного сигнала генератора в трехфазный переменный ток с частотой 50 или 60 Гц, от 400 В до 480 В, который может использоваться потребителями. Высокочастотный переменный ток от турбогенератора сначала проходит через инвертор и преобразуется в постоянный ток. Из этой внутренней шины постоянного тока второй каскад инвертора создает подходящий переменный ток частотой 50 или 60 Гц. Этот выходной сигнал фильтруется для соответствия требованиям IEEE 519 по низким уровням гармоник.

Преимущество микротурбинной технологии этого типа заключается в том, что выходной инвертор имеет встроенные функции защитного реле, поэтому для удовлетворения многих требований к межсетевым соединениям на местном уровне не требуется дополнительного оборудования.

Микротурбины делают возможными интегрированные системы. Несколько блоков можно объединить в микросеть, что дает владельцам множество преимуществ. (См. « Microgrids Promise Improved Power Quality and Reliability », июнь 2008 г. в онлайн-архивах на https://www.powermag.com.) Один контроллер системы питания может управлять несколькими блоками двигателей для синхронизации их выходных напряжений, регулировки их выходная мощность для максимальной эффективности и сохранение вращающегося резерва, чтобы система могла реагировать на ожидаемые изменения нагрузки.Результатом является единый «виртуальный» пакет, который действует как единая система с уникальными характеристиками эффективности и управления.

Преимущество этой интегрированной системы состоит в том, что силовые модули можно запускать или останавливать по мере необходимости, чтобы максимизировать эффективность при частичной нагрузке. Эта функция может быть полезна, когда ожидается, что нагрузка на систему резко изменится во время работы или когда первоначальная установка основана на потенциальном росте нагрузки в будущем. Этот тип системы также полезен для подстанций электроснабжения, чтобы помочь управлять пиковыми нагрузками.На рис. 4 показан КПД при частичной нагрузке серии из пяти модулей микротурбин мощностью 200 кВт, работающих в тандеме, по сравнению с использованием одной более крупной турбины. Область кривой между двумя линиями частичной нагрузки представляет экономию топлива.

4. Практическая эффективность при частичной нагрузке. На этом рисунке показан КПД при частичной нагрузке серии из пяти модулей микротурбин мощностью 200 кВт, работающих в тандеме, по сравнению с использованием одной более крупной турбины.Область кривой между двумя линиями частичной нагрузки представляет экономию топлива. Источник: Capstone Turbine Corp.

Возможность автоматической синхронизации выходной мощности в электросети или между микротурбинами также может быть интегрирована в средства управления микротурбиной. Эта функция упрощает координацию нескольких блоков и позволяет объединить несколько силовых модулей микротурбин в один корпус.

Микротурбины обеспечивают надежный источник энергии.Микротурбины могут работать непрерывно в течение длительных периодов времени с минимальным временем простоя для обслуживания. Они также отличаются высокой надежностью, что делает их хорошим выбором для клиентов, которым требуется безопасное питание с чрезвычайно высокой доступностью. Capstone воспользовалась этими характеристиками, а также возможностями своей силовой электроники, чтобы создать интегрированный источник бесперебойного питания (ИБП) и систему выработки электроэнергии под названием «Гибридный ИБП».

Система состоит из двух отдельных инверторов, называемых модулями управления нагрузкой (LCM1 и LCM2).LCM1 действует как инвертор для подключения к сети, включая встроенное защитное реле, которое требуется большинству электроэнергетических компаний, чтобы микротурбинный генератор мог быть связан с их системой. LCM1 также является двунаправленным, что позволяет перетекать мощность как на служебную шину, так и от нее. LCM2 действует как автономный инвертор, что означает, что он подает напряжение на критические нагрузки независимо от напряжения на шине электросети. Внутри гибридной системы ИБП есть соединение постоянного тока, которое связывает LCM1 и LCM2 вместе, но оно также позволяет получать питание от микротурбинного генератора и внешней аккумуляторной системы хранения.

В режиме работы ИБП мощность передается от шины электроснабжения через LCM1 к внутреннему соединению постоянного тока, а затем обратно через LCM2 для питания критических нагрузок. Точно так же работает традиционная система ИБП с двойным преобразованием. Однако гибридный ИБП добавляет еще один режим работы под названием «Режим высокой эффективности». В этом режиме микротурбинный генератор включен и подает питание на критическую шину переменного тока через LCM2. Как правило, эта микротурбина также будет частью системы ТЭЦ или КТЭУ, обеспечивающей мощность с высоким КПД, которая может снизить потребности потребителей в энергии.Эти системы достигают своей наивысшей эффективности и, следовательно, максимальной экономической окупаемости, когда они соответствуют тепловым требованиям системы ТЭЦ или КТЭЦ.

Конструкция гибридного ИБП позволяет отслеживать тепловую нагрузку и не требует, чтобы микротурбина вырабатывала точно то количество энергии, которое требуется для критической нагрузки. Это связано с тем, что LCM1 позволяет мощности течь в некритическую часть системы распределения или может потреблять мощность от электросети по мере необходимости, чтобы соответствовать требованиям критической нагрузки.

Третий режим — «Аварийный режим», в котором микротурбинный генератор и / или внешний аккумуляторный источник могут подавать питание на критическую нагрузку, когда электроснабжение от электросети недоступно. Между всеми этими режимами осуществляется плавное переключение, поэтому критические нагрузки не испытывают колебаний напряжения, которые могут повлиять на чувствительный центр обработки данных или телекоммуникационное оборудование.

Недавние тематические исследования

Ниже приведены два примера микротурбинных установок в целях иллюстрации.Первый — это применение возобновляемого топлива с использованием одной микротурбины мощностью 200 кВт. Эта система работает почти два года. Второй — применение двенадцати микротурбинных систем гибридного ИБП мощностью 65 кВт, установленных в университетском центре обработки данных.

Установка очистных сооружений. До весны 2009 года факельное сжигание побочного продукта биогаза, которое непрерывно горел над заводом, занимало видное место в углеродном следе центра очистки сточных вод за пределами Коссато, Италия.Отработанный газ считался нежелательным побочным продуктом процесса очистки (рис. 5).

5. Переработка биогаза. Станция очистки сточных вод Cossato Spolina сжигала биогаз, производимый ее метантенками, до тех пор, пока не была установлена ​​микротурбина, которая могла использовать это топливо для производства электроэнергии и тепловой энергии. Предоставлено: Capstone Turbine Corp .

Сегодня одна турбина Capstone CR200 обеспечивает всю электроэнергию, необходимую на очистной установке, а также тепло для обеспечения оптимальной эффективности работы варочных котлов завода (рис. 6).Эта простая и элегантная система, вероятно, послужит образцом для аналогичных проектов на очистных сооружениях по всему миру.

6. Закрытая система. Capstone CR200, установленный на станции очистки сточных вод Cossato Spolina, сжигает отходящий биогаз, производимый заводом, и теперь обеспечивает все потребности завода в электроэнергии. Тепловая энергия, рекуперированная из микротурбины, используется для поддержания надлежащей рабочей температуры метантенка. Предоставлено: Capstone Turbine Corp.

Цифры рассказывают историю. Во-первых, CR200 производит 1,7 млн ​​кВтч ежегодно, покрывая потребности станции в электроэнергии за счет 2600 кубометров биогаза, который ранее сжигался на факелах. Во-вторых, внешний теплообменник, установленный на микротурбине, выдает еще 2,3 миллиона кВтч тепловой энергии для нагрева варочных котлов. Совместное производство тепла и электроэнергии сокращает выбросы углекислого газа на станции на 1.8 тонн в год. Второй блок находится в разработке для этого завода по очистке сточных вод. Благодаря 18-месячной окупаемости проект может произвести революцию в подходе центров очистки сточных вод к комбинированному производству тепла и электроэнергии.

Центр данных Сиракузского университета. Двенадцать микротурбин гибридных ИБП Capstone C65 недавно были установлены в новом центре обработки данных в Сиракузском университете в штате Нью-Йорк. Проект был введен в эксплуатацию в декабре 2009 года. Сиракузский университет в партнерстве с IBM и Управлением энергетических исследований и разработок штата Нью-Йорк (NYSERDA) создал «Зеленый центр обработки данных» с целью снижения потребности в энергии на 50% по сравнению с традиционными центрами обработки данных.На рисунке 7 показана завершенная установка микротурбины внутри центра обработки данных. Общая площадь центра обработки данных составляет 12 000 квадратных футов, из которых примерно половина составляет этаж центра обработки данных.

7. Характеристики охлаждения. Twelve Capstone C65 Hybrid UPS микротурбины, оснащенные системой рекуперации тепла, удовлетворяют потребности в электроэнергии, обогреве и охлаждении только что завершенного центра обработки данных Сиракузского университета. Предоставлено: Capstone Turbine Corp.

В этом проекте использовалось несколько новых подходов к проектированию центра обработки данных для снижения энергопотребления, в том числе:

• Гибридные микротурбины ИБП с усовершенствованным CCHP. Микротурбины ИБП Capstone Hybrid будут работать на природном газе, а чистый выхлопной газ будет использоваться как в традиционных теплообменниках с горячей водой, так и в абсорбционных чиллерах двойного действия для производства охлажденной воды для охлаждения. Выхлопы микротурбин отводятся на одну или обе эти системы рекуперации энергии по мере необходимости. Результатом является высокая общая эффективность системы по сравнению с традиционным подходом к закупке электроэнергии у местных коммунальных предприятий и удовлетворению потребности здания в тепле с помощью газовых водонагревателей и абсорбционных охладителей.Еще одно повышение эффективности — уменьшение количества преобразований мощности, необходимых, когда микротурбины обеспечивают критическую нагрузку, по сравнению с добавлением отдельных традиционных систем ИБП с двойным преобразованием.
• Охлаждение оборудования данных охлажденной воды. IBM поставляет свой новый теплообменник Rear Door Heat eXchanger, чтобы основные серверы данных работали эффективно. Охлажденная вода из абсорбционной системы может быть направлена ​​туда, где она будет наиболее эффективна, вместо использования принудительного воздушного охлаждения.
• Распределение постоянного тока. Часть критической нагрузки будет питаться постоянным током, что опять же снизит потери энергии, связанные с многократным преобразованием мощности.

В рамках соглашения между Сиракузским университетом, IBM и NYSERDA, университет будет отслеживать производительность этого объекта в сравнении с комплексной моделью здания, чтобы подтвердить экономию энергии и создать основу для прогнозирования производительности будущих центров обработки данных, построенных с их использованием. такие же улучшения эффективности.

Интеграция солнечной энергии

В июле Capstone и HelioFocus продемонстрировали, как солнечная энергия может приводить в движение микротурбину. Демонстрация проводилась с микротурбиной Capstone C65 и новым солнечным приемником HelioFocus на стационарной оптической вышке с использованием гелиостатов в Институте Вейцмана в Реховоте, Израиль. Солнечный концентратор HelioFocus фокусирует достаточно солнечной энергии, чтобы обеспечить теплом микротурбину. Работа системы аналогична работе других проектов концентрированной солнечной энергии (CSP), но вместо нагрева жидкости солнечный коллектор перегревает сжатый воздух, который расширяется в турбине для выработки энергии.

Утверждается, что это возобновляемое решение обеспечивает высокую эффективность преобразования солнечной энергии для систем мощностью от 30 кВт до 5 МВт. Большим преимуществом этой конструкции системы является то, что солнечная энергия может приводить в действие турбины в течение дня, но турбины также могут работать в ночное время, используя природный газ или другие возобновляемые виды топлива, в отличие от традиционных систем CSP.

— Стивен Джилетт ([email protected]) — вице-президент по развитию бизнеса Capstone Turbine Corp.

Микротурбины для коммерческого и промышленного применения

Газовые турбины бывают разных размеров. В то время как большие турбины внутреннего сгорания, похоже, привлекают наибольшую огласку, причем больше всего шума производят такие компании, как Siemens, GE и Mitsubishi Hitachi Power Systems, несколько более мелких компаний нашли ниши на рынке микротурбин. Их инновационные разработки особенно интересны в коммерческом и промышленном сегментах.

Когда многие люди думают о микротурбинах, они часто представляют себе небольшие агрегаты, производящие всего 30 кВт мощности. Хотя такие блоки являются новинкой, отрасль сильно изменилась за последнее десятилетие, и в наши дни общая мощность многоблочных блоков может достигать 30 МВт.

Консалтинговая фирма ICF Inc. ведет базу данных по установкам комбинированного производства тепла и электроэнергии (ТЭЦ) для Министерства энергетики США. Он считается наиболее полным источником информации об установках ТЭЦ в стране.ICF недавно сообщила, что микротурбины захватили 25% рынка ТЭЦ США ​​в диапазоне от 100 кВт до 5 МВт в период с 2013 по 2017 год. Это установило новый рекорд.

Согласно базе данных, общая установленная мощность систем ТЭЦ менее 5 МВт составила 2631,4 МВт на конец 2017 года. ICF прогнозирует, что годовая мощность установленных ТЭЦ в США вырастет с 561 МВт в 2017 году до 1400 МВт в 2026 году. Ожидается, что рост будет происходить за счет небольших коммерческих приложений, которые обычно совместимы с микротурбинными технологиями.

«Учитывая рекордно низкие цены на газ и их стабильность в обозримом будущем, разработка проектов когенерации представляет собой привлекательную возможность с множеством потоков доходов — пар продается хостам для промышленных процессов, а электроэнергия продается в сеть», — Сирадж Тадж, директор и владелец консультантов ST Power Services сообщили POWER . «Коммерческие и промышленные потребители оценивают экономическую целесообразность скрытой когенерации, чтобы снизить эксплуатационные расходы, повысить надежность, достичь целей в области энергоэффективности и уменьшить свой углеродный след», — добавил он.

Энергетика промышленных процессов

Почти десять лет назад POWER сообщал о развитии микротурбинных систем (см. «Развитие микротурбинных технологий» в ноябрьском выпуске 2010 года). Capstone Turbine Corp., которая утверждает, что является ведущим разработчиком и производителем микротурбинных систем выработки электроэнергии, уже тогда продавала единичные блоки мощностью до 1 МВт. Сегодня все блоки Capstone могут быть подключены параллельно мощностью до 30 МВт.

Чтобы понять, в чем преимущества этих пакетов, рассмотрим Felsineo La Mortadella. Компания представляет собой итальянский кухонный комбайн, который производит термообработанные свиные колбасы мелкого помола. Это было показано в тематическом исследовании, опубликованном на веб-сайте Capstone.

Felsineo стремилась модернизировать систему выработки электроэнергии на своем основном производственном предприятии в Болонье. Требовалось устройство, способное справиться с увеличением производства насыщенного пара для производства колбас.

Компания решила установить микротурбину Capstone C1000, работающую на природном газе (рис. 1), а также газовый компрессор и парогенератор дожигания.Проект Felsineo был первой микротурбиной Capstone, в которой использовался пар после сжигания пара, который успешно удовлетворял как электрические, так и тепловые потребности объекта. Согласно тематическому исследованию, общая эффективность производственного предприятия повысилась на 30%, экономя Felsineo около 300 000 евро в год.

1. Capstone Turbine Corp. предлагает линейку микротурбин, начиная от модели C30 мощностью 30 кВт (в разрезе показано здесь) и заканчивая блоком C1000S мощностью 1 МВт. Предоставлено: Capstone Turbine Corp.

«Новая линейка продуктов Capstone Signature Series делает значительный прогресс на рынке ТЭЦ, который, в частности, ориентирован на рост вертикали рынка энергоэффективности и продолжение диверсификации бизнеса Capstone», — Джим Кроуз, исполнительный вице-президент Capstone по продажам. и маркетинг, говорится в недавнем пресс-релизе о росте рынка ТЭЦ.

Самая эффективная малая газовая турбина в мире

Aurelia Turbines — относительный новичок на рынке — компания была основана в 2013 году, но ее технология разрабатывалась десятилетиями.Главный офис и производственные мощности компании расположены в Лаппеенранте, Финляндия. Расположение важно, потому что Аурелия работала в сотрудничестве с Технологическим университетом Лаппеенранты над разработкой своей новой газовой турбины.

По словам генерального директора Aurelia Матти Малкамяки, Лаппеенранта «немного напоминает Кремниевую долину для высокоскоростных технологий». В эксклюзивном интервью для POWER Малкамяки сказал, что он специально основал компанию в Лаппеенранте из-за «ноу-хау», существовавшего в этом районе.«На начальных этапах проектирования турбину проектировали пять разных профессоров из университета и их соответствующие исследовательские группы, всего более 30 человек. Без них этот продукт никогда бы не увидел свет », — сказал он.

В газовой турбине Aurelia используется процесс, который компания называет IRG2 (генератор с промежуточным охлаждением и рекуперацией на двух золотниках). Хотя многоступенчатые турбины и турбины с рекуперацией / промежуточным охлаждением существуют и в других формах, турбина Aurelia A400 является первой в своем роде, в которой все эти функции используются в одном и том же агрегате (рис. 2).

2. На этой схеме показан процесс IRG2 (генератор с промежуточным охлаждением и рекуперацией на двух золотниках). Основные компоненты конструкции Aurelia включают компрессоры низкого (LP) и высокого (HP) давления, турбины и генераторы. Предоставлено: Aurelia Turbines

Вознаграждение — повышение эффективности. Aurelia утверждает, что у нее самые эффективные в мире небольшие газовые турбины по электрическому КПД.

«Мы здесь не творим чудес», — пояснил Малкамяки. «Самая большая разница для нас по сравнению с другими газовыми турбинами аналогичного размера заключается просто в том, что у нас два вала. У нас есть вал низкого давления и у нас есть вал высокого давления. Это означает, что у нас есть два генератора. Оба они без редукторов, так что это высокоскоростные валы. И у нас есть компрессор низкого давления, после которого у нас есть промежуточный охладитель, и это делает остальную часть процесса преобразования намного более эффективной, поскольку тогда воздух становится более плотным и более холодным.Затем у нас есть рекуператор — так что это турбина с рекуперацией — но у нас немного более высокий перепад давления в камере сгорания, чем у всех других турбин аналогичного размера. Это дает нам небольшую выгоду ».

В то время как конструкция Capstone хорошо подходит для ТЭЦ, где тепло выхлопных газов может использоваться для повышения общей эффективности, Aurelia нацелена на приложения, в которых электричество является движущей силой решения об установке турбины. Турбину Aurelia можно по-прежнему использовать в когенерационных установках, но в зависимости от конкретных требований площадки также может потребоваться канальная горелка.

«Мы больше конкурируем с газовыми двигателями», — сказал Малкамяки. В этой области Aurelia предлагает большую гибкость в отношении топлива и более низкие выбросы. «У нас гораздо больше возможностей для различных видов топлива. Мы можем использовать очень бедный биогаз, который не подходит для двигателей. Именно здесь мы видим свою первую рыночную нишу ».

Еще одна уникальная особенность турбины Aurelia — активные магнитные подшипники. Подшипники не требуют масла, что исключает возможность утечек и сокращает объем технического обслуживания.Дизайн не нов. Компания Sulzer, которая также представлена ​​в Лаппеенранте, использует аналогичные подшипники в некотором своем оборудовании, например, в высокоскоростных турбокомпрессорах для очистных сооружений и некоторых других. Успех в этих областях применения вселил в Aurelia уверенность в том, что система подшипников используется в конструкции турбины.

«В этом бизнесе главное — надежность и демонстрация того, что вы заслуживаете доверия», — сказал Малкамяки. Аурелия пытается сделать все возможное, чтобы «вести разговор», — добавил он.

Дополнительные решения для когенерации

Британская компания Centrax — еще один поставщик небольших газовых турбин. В октябре 2017 года он также сдал в эксплуатацию проект в Болонье, Италия. На этом объекте используются две генераторные установки CX501-KB5 DLE, каждая из которых вырабатывает до 3,9 МВт электроэнергии, подключенные к промышленным котлам, которые способны обеспечить отопление примерно 8000 домохозяйств в городе. Оба агрегата оснащены газовыми турбинами Siemens 501-K.

Hera, многофункциональная компания, которой принадлежит объект, инвестировала более 17 миллионов евро в проект, расположенный на территории завода, работающего с 1990-х годов.По заявлению компании, модернизация стимулировалась повышением энергоэффективности и экологической устойчивости. Часть старой электростанции была снесена в мае 2015 года, и электростанция начала питать сеть централизованного теплоснабжения менее чем за 18 месяцев.

«Генераторы 501-KB5 DLE хорошо подходят для этого проекта, предоставляя Hera компактное, но мощное решение, обеспечивающее отличную гибкость, когда и когда требуются тепло и энергия», — Крис Дюмон, исполнительный менеджер по продажам и маркетингу Centrax, Об этом говорится в сообщении для прессы об открытии завода.«Благодаря новой технологии Hera может управлять объектами из удаленного центра, что позволяет минимизировать потребности в персонале на месте».

OPRA Turbines, голландская группа компаний Dalian Energas, предлагает еще один небольшой газотурбинный агрегат. Его газовая турбина OP16 имеет радиальную конструкцию. Он считается уникальным, поскольку его передовые системы сжигания позволяют работать с широким спектром жидкого и газообразного топлива. Умеренный перепад давлений OP16 позволяет работать при низком давлении топливного газа, и он может быть оборудован камерами сгорания с низким уровнем выбросов или камерами сгорания топлива с низким Btu.По заявлению компании, ее уникальная технология сжигания может превратить грязный топливный газ, который в противном случае был бы сожжен, сброшен или просто потрачен впустую, в «зеленую энергию и чистый выхлопной газ».

Один из примеров решения OPRA в действии можно найти на предприятии по производству гипсокартона Siniat в Нидерландах. Технологический процесс Siniat требовал непрерывной подачи 5,8 МВт и 1,8 МВт. Изучив варианты, компания решила использовать газовую турбину OP16 в автономном режиме. Выхлопные газы, выходящие из турбины при температуре 575 ° C, направляются непосредственно в сушилки и декарбонизаторы.В результате общий электрический и тепловой КПД установки превышает 85%. Выхлопные газы содержат 15% O ₂ , что позволяет легко применять дожигание на входе в сушилку, если требуется дополнительная тепловая мощность. Кроме того, установка была установлена ​​всего за две недели в том же месте, что и старая, ранее существовавшая радиальная газовая турбина. ■

— Аарон Ларсон — исполнительный редактор POWER.

Микротурбины — обзор | Темы ScienceDirect

Микротурбины

Микротурбины — это крошечные газовые турбины, которые могут вырабатывать как электричество, так и тепло.Их электрическая мощность варьируется от 25 до 250 кВт. Чуть более крупные агрегаты, часто от 250 до 500 кВт, иногда называют мини-турбинами. Эти два типа предназначены для использования в больших домашних или небольших коммерческих помещениях, где есть потребность как в тепле, так и в электроэнергии. Эти блоки обычно устанавливаются на стороне потребителей электроэнергии счетчика электроэнергии, но они могут экспортировать электроэнергию в сеть.

В зависимости от источника описывается, что микротурбины произошли от турбонагнетателей в автомобильных двигателях или вспомогательных силовых агрегатов для самолетов.Независимо от их происхождения, они идентичны по своим основным компонентам обычным газовым турбинам с компрессором, камерой сгорания и силовой турбиной. Основное отличие, помимо размера, состоит в том, что микротурбина будет иметь только один комплект лопаток компрессора и один комплект лопаток турбины.

В большинстве микротурбин генератор комплектуется турбиной, образуя единый блок, который может быть установлен быстро и с небольшой подготовкой. Чтобы поддерживать высокий КПД, скорость вращения лопатки газовой турбины должна увеличиваться по мере уменьшения ее размера.Благодаря небольшому размеру микротурбины и их генераторы работают с очень высокими частотами вращения, обычно от 40 000 до 120 000 оборотов в минуту. Генераторы, вращающиеся с такими скоростями, не могут быть подключены напрямую к сети. Вместо этого они подключаются через твердотельный интерфейс, который преобразует высокочастотную мощность переменного тока, вырабатываемую генератором, в 50–60 Гц, необходимую для синхронизации с сетью.

Доступны два основных типа микротурбинных агрегатов: простые и с рекуперацией.Простые турбины, как правило, более надежны, но их эффективность преобразования энергии низкая — около 15%. Однако при этом остается значительное количество отработанного тепла в выхлопе турбины для подачи горячей воды в когенерационных установках. Рекуперируемые микротурбины используют тепло выхлопных газов для нагрева сжатого воздуха между ступенью компрессора и камерой сгорания точно так же, как промышленные и авиационные газовые турбины (рис. 4.9). Рекуперация на микротурбине может повысить общую эффективность преобразования до 20–30%.В обоих типах улавливание отработанного тепла для горячей воды может повысить общую эффективность когенерации до 85%.

Рисунок 4.9. Схема типичной микротурбины.

Большинство микротурбин спроектировано для сжигания природного газа. Комплексная система будет включать микротурбинный генератор, газовый компрессор для подачи природного газа при давлении, требуемом для камеры сгорания турбины, твердотельную сетку интерфейса и во многих случаях систему утилизации отходящего тепла. Они имеют очень низкий уровень выбросов и могут быть установлены в жилых и коммерческих помещениях.Микротурбины более дорогие, чем поршневые двигатели аналогичного размера, но исследования продолжаются с целью достижения гораздо более высокой эффективности преобразования энергии в электрическую.

4.2 Микротурбины — Общие сведенияCHP.com

Микротурбины — это небольшие газовые турбины, большинство из которых имеют внутренний теплообменник, называемый рекуператором. В микротурбине радиальный компрессор сжимает входящий воздух, который затем предварительно нагревается в рекуператоре с использованием тепла выхлопных газов турбины.Затем нагретый воздух из рекуператора смешивается с топливом в камере сгорания, а горячий газ сгорания расширяется через расширительную и силовую турбины. Турбодетандер вращает компрессор, а в одновальных моделях — и генератор. В двухвальных моделях выхлоп турбины привода компрессора используется для питания второй турбины, которая приводит в движение генератор.

Одновальные модели обычно работают со скоростью более 60 000 оборотов в минуту (об / мин) и вырабатывают электрическую энергию высокой и переменной частоты (переменный ток –AC).Эта мощность выпрямляется до постоянного тока (DC), а затем инвертируется до 60 герц (Гц) для коммерческого использования в США. В двухвальной версии силовая турбина через редуктор соединяется с генератором, вырабатывающим мощность с частотой 60 Гц. Некоторые производители предлагают блоки с частотой 50 Гц для использования в странах, где 50 Гц является стандартом, например, в Европе и некоторых частях Азии.

Микротурбины работают по тому же термодинамическому циклу, известному как цикл Брайтона, что и более крупные газовые турбины. В этом цикле атмосферный воздух сжимается, нагревается и затем расширяется, причем мощность, вырабатываемая детандером (также называемым турбиной), превышает мощность, потребляемую компрессором, используемым для выработки электроэнергии.Мощность, производимая турбодетандером и потребляемая компрессором, пропорциональна абсолютной температуре газа, проходящего через эти устройства. Следовательно, выгодно эксплуатировать турбодетандер при наивысшей практической температуре, совместимой с экономичными материалами, и эксплуатировать компрессор с входящим воздушным потоком при как можно более низкой температуре. По мере того, как технологические достижения позволяют более высокую температуру на входе в турбину, оптимальная степень сжатия также увеличивается. Более высокие соотношения температуры и давления приводят к более высокому КПД и удельной мощности.Таким образом, общая тенденция развития газовых турбин заключалась в сочетании более высоких температур и давлений. Тем не менее, температура на входе микротурбины обычно ограничивается 1800 ° F или ниже, чтобы можно было использовать относительно недорогие материалы для рабочего колеса турбины и поддерживать отношения давлений на сравнительно низком уровне от 3,5 до 4,0.

Основными компонентами микротурбины являются компрессор, турбогенератор и рекуператор. Сердцем микротурбины является компрессорно-турбинный агрегат, который обычно устанавливается на одном валу вместе с электрическим генератором.Два подшипника поддерживают единственный вал. Единственная движущаяся часть конструкции с одним валом может снизить потребность в техническом обслуживании и повысить общую надежность. Существуют также двухвальные версии, в которых турбина на первом валу напрямую приводит в движение компрессор, а силовая турбина на втором валу приводит в действие коробку передач и обычный электрический генератор, вырабатывающий мощность 60 Гц. Двухвальная конструкция отличается большим количеством движущихся частей, но не требует сложной силовой электроники для преобразования выходной мощности переменного тока высокой частоты в 60 Гц.

В газовых турбинах средних и больших размеров используются многоступенчатые турбины и компрессоры с осевым потоком, в которых газ течет вдоль оси вала и сжимается и расширяется в несколько этапов. Однако микротурбинная турбомашина основана на одноступенчатых радиальных компрессорах и турбинах. Турбомашины с радиальным потоком работают с небольшими объемными потоками воздуха и продуктов сгорания с достаточно высокой эффективностью компонентов. Крупногабаритные турбины и компрессоры с осевым потоком обычно более эффективны, чем компоненты с радиальным потоком.Однако в диапазоне размеров микротурбин — от 0,5 до 5 фунтов в секунду потока воздуха / газа — компоненты радиального потока обеспечивают минимальные поверхностные потери и потери на торцевых стенках и обеспечивают наивысший КПД.

В микротурбинах вал турбокомпрессора обычно вращается с высокой скоростью вращения, около 96 000 об / мин в случае машины 30 кВт и около 80 000 об / мин в машине 75 кВт. Не существует единого правила скорости вращения и размера мощности, поскольку конкретные конструктивные характеристики турбины и компрессора сильно влияют на физический размер компонентов и, следовательно, на скорость вращения.Для конкретной аэродинамической конструкции, когда номинальная мощность уменьшается, скорость вала увеличивается, следовательно, высокая скорость вала малых микротурбин.

Компрессор с радиальным турбинным приводом по конструкции и объемному расходу очень похож на легковые, грузовые и другие небольшие турбокомпрессоры с поршневым двигателем. Нагнетатели и турбокомпрессоры используются в течение почти 80 лет для увеличения мощности поршневых двигателей за счет сжатия поступающего в двигатель воздуха. Сегодняшний мировой рынок турбонагнетателей для небольших автомобилей и грузовиков составляет около двух миллионов единиц в год.Небольшие газовые турбины, по размеру и мощности сравнимые с микротурбинами, служат в качестве вспомогательных систем питания самолетов. В системах охлаждения (кондиционирования) салона самолетов используются компрессоры и турбины того же размера и конструкции. Многолетний опыт работы с этими приложениями обеспечивает основу для разработки и производства компонентов микротурбин.

Генератор

Микротурбина вырабатывает электроэнергию либо с помощью высокоскоростного генератора, включающего единственный вал турбокомпрессора, либо с помощью отдельной силовой турбины, приводящей в действие коробку передач и обычного генератора со скоростью 3600 об / мин.Высокоскоростной генератор одновальной конструкции использует генератор с постоянным магнитом (обычно самарий-кобальт) и требует, чтобы выходная высокочастотная переменная частота (около 1600 Гц для машины 30 кВт) была преобразована в 60 Гц для общего использования. Это преобразование мощности включает в себя выпрямление высокочастотного переменного тока в постоянный, а затем инвертирование постоянного тока в переменный ток 60 Гц. Преобразование мощности приводит к снижению эффективности (примерно пять процентов). Для запуска конструкции с одним валом генератор действует как двигатель, вращающий вал турбокомпрессора до тех пор, пока не будет достигнута скорость, достаточная для запуска камеры сгорания.Если система работает независимо от сети (черный запуск), для запуска генератора используется аккумуляторный блок (обычно аккумуляторный ИБП).

Рекуператоры

Рекуператоры

— это теплообменники, которые используют горячий выхлопной газ турбины (обычно около 1200 ° F) для предварительного нагрева сжатого воздуха (обычно около 300 ° F), поступающего в камеру сгорания, тем самым уменьшая количество топлива, необходимого для нагрева сжатого воздуха до температуры на входе в турбину. Сегодняшним микротурбинам требуется рекуператор для достижения уровней эффективности, необходимых для обеспечения конкурентоспособности при непрерывной работе.В зависимости от рабочих параметров микротурбины, рекуператоры могут более чем удвоить КПД машины. Однако, поскольку наблюдается повышенный перепад давления как на стороне сжатого воздуха, так и на выхлопе турбины рекуператора, выходная мощность обычно снижается на 10-15%. Рекуператоры также снижают температуру выхлопа микротурбины, снижая эффективность микротурбины при использовании ТЭЦ.

Подшипники

Микротурбины работают на подшипниках с масляной или воздушной смазкой, которые поддерживают вал (ы).Подшипники с масляной смазкой представляют собой механические подшипники и бывают трех основных видов: высокоскоростные металлические ролики, плавающая втулка и керамическая поверхность. Последние обычно предлагают наиболее привлекательные преимущества с точки зрения срока службы, рабочей температуры и расхода смазочного материала. Хотя это хорошо зарекомендовавшая себя технология, они требуют масляного насоса, системы фильтрации масла и жидкостного охлаждения, что увеличивает стоимость микротурбины и ее техническое обслуживание. Кроме того, выхлопные газы машин, оснащенных подшипниками с масляной смазкой, могут не использоваться для прямого обогрева помещения в когенерационных конфигурациях из-за возможности загрязнения.Поскольку масло никогда не вступает в прямой контакт с горячими продуктами сгорания, как в случае небольших поршневых двигателей, считается, что надежность такой системы смазки более типична для судовых двигательных дизельных систем (которые имеют отдельные подшипники и системы смазки цилиндров). ) и автомобильных трансмиссий, чем смазка цилиндров в автомобильных двигателях.

Воздушные подшипники уже много лет используются в системах охлаждения салона самолетов. Они позволяют турбине вращаться в тонком слое воздуха, поэтому трение низкое, а частота вращения высокая.Не требуется ни масла, ни масляного насоса. Воздушные подшипники обеспечивают простоту эксплуатации без затрат, проблем с надежностью, требований к техническому обслуживанию или утечки энергии из системы подачи и фильтрации масла. Есть опасения по поводу надежности воздушных подшипников при многократных и повторяющихся пусках из-за трения металла о металл во время пуска, останова и изменений нагрузки. Надежность в большей степени зависит от методологии контроля качества отдельных производителей, чем от проектирования, и будет подтверждена только после значительного опыта работы со значительным количеством устройств с большим количеством рабочих часов и циклов включения / выключения.Воздушные подшипники значительно увеличивают время запуска микротурбины (от одной до двух минут).

Силовая электроника

Как уже говорилось, одновальные микротурбины оснащены цифровыми контроллерами мощности для преобразования высокочастотной энергии переменного тока, производимой генератором, в полезную электроэнергию. Высокочастотный переменный ток выпрямляется в постоянный, инвертируется обратно в переменный ток 60 или 50 Гц, а затем фильтруется для уменьшения гармонических искажений. Это критический компонент в конструкции одновальной микротурбины, и он представляет собой серьезные конструкторские проблемы, в частности, при согласовании выходной мощности турбины с требуемой нагрузкой.Чтобы учесть переходные процессы и скачки напряжения, силовая электроника обычно может выдерживать в семь раз больше номинального напряжения. Большая часть силовой электроники микротурбин вырабатывает трехфазное электричество.

Электронные компоненты также управляют всеми функциями управления и запуска. Микротурбины обычно оснащены элементами управления, которые позволяют блоку работать параллельно или независимо от сети, и внутренне включают в себя многие функции защиты сети и системы, необходимые для соединения.Элементы управления также позволяют осуществлять удаленный мониторинг и работу.

Микротурбины более сложны, чем обычные газовые турбины простого цикла, поскольку добавление рекуператора снижает расход топлива (тем самым существенно повышая эффективность) и вносит дополнительные внутренние потери давления, которые умеренно снижают эффективность и мощность. Поскольку рекуператор имеет четыре соединения — к выпуску компрессора, выпуску турбины расширения, впуску камеры сгорания и выпуску системы — для разработчика микротурбины становится сложной задачей выполнить все соединения таким образом, чтобы минимизировать потерю давления, сохранить низкая стоимость производства и наименьший риск для надежности системы.Модели каждого производителя развивались по-своему.

Добавление рекуператора открывает многочисленные конструктивные параметры для компромисса между производительностью и стоимостью. В дополнение к выбору соотношения давлений для обеспечения высокой эффективности и наилучших деловых возможностей (высокая мощность по низкой цене), рекуператор имеет два рабочих параметра: эффективность и падение давления, которые также должны быть выбраны для сочетания эффективности и стоимости, которое создает лучшие условия для бизнеса. Рекуперация с более высокой эффективностью требует большей площади поверхности рекуператора, что увеличивает стоимость и вызывает дополнительный перепад давления.Такой увеличенный перепад внутреннего давления снижает полезную выработку электроэнергии и, как следствие, увеличивает стоимость микротурбины на киловатт.

Характеристики микротурбины

с точки зрения КПД и удельной мощности очень чувствительны к небольшим изменениям характеристик компонентов и внутренних потерь. Это связано с тем, что в высокоэффективном рекуперированном цикле обрабатывается гораздо большее количество воздуха и потока продуктов сгорания на киловатт полученной чистой энергии, чем в случае машин простого цикла с высокой степенью сжатия.Когда чистая мощность представляет собой небольшую разницу между двумя большими числами (работа компрессора и турбодетандера на единицу массового расхода), небольшие потери эффективности компонентов, потери внутреннего давления и эффективность рекуператора имеют большое влияние на полезный КПД и полезную мощность на единицу массовый поток. По этим причинам при рассмотрении производительности рекомендуется сосредоточиться на тенденциях и сравнениях, полагаясь при этом на гарантии производителей в отношении точных значений.

Усовершенствованный металлический AM позволяет микротурбинам быть в 40 раз эффективнее

Микротурбина исторически была упрощенной версией газовой турбины, подходящей для множества применений: они используются в беспилотных летательных аппаратах (БПЛА), для зарядки батарей, приводящих в действие двигатели, в качестве расширителей диапазона или в гибридных БПЛА, которые сменяют друг друга. между батареями и моторами.В США Sierra Turbines нарушает правила традиционного производства, чтобы повысить производительность микротурбин. Роджер Смит, генеральный директор, объясняет, что компания планирует аддитивно производить не менее 95% компонентов микротурбин, даже когда компания выйдет на крупномасштабное производство. Для этого компания решила сотрудничать с VELO3D, полагаясь на собственную технологию аддитивного производства металлов без поддержки. Их цель — повысить эффективность своих турбин в 40 раз за счет увеличения удельной мощности в 10 раз и снижения веса на 50% по сравнению с традиционными микротурбинами.

Технологии аддитивного производства не заменят традиционные методы производства, но они определенно могут повысить производительность приложений, в которых конструкция еще не оптимизирована. Это случай микротурбин, где ограничения по стоимости всегда запрещали производство сложных функций, которые улучшили бы производительность. Промежуток времени между капитальным ремонтом (TBO) для большинства малых газотурбинных двигателей составляет в среднем от 40 до 50 часов, но Роджер Смит намеревается поднять это значение до 1000+ часов, наравне с коммерческими самолетами.Он также планирует вдвое снизить вес двигателя, снизить уровень шума и повысить топливную экономичность, при этом упростив производство турбин. Это, мягко говоря, амбициозные цели!

Две камеры сгорания турбины, напечатанные на 3D-принтере, которые служат ядром небольшого двигателя Sierra Turbines | Фото любезно предоставлено VELO3D

Роджер Смит объясняет, что он уверен, что его команда добьется успеха там, где другие потерпели неудачу, благодаря множеству конструктивных улучшений, которые стали возможными только с усовершенствованным металлическим AM.Именно здесь на помощь приходят бесплатные возможности VELO3D и их специализированное программное обеспечение для AM Flow. Сегодня некоторые конструкции невозможно изготавливать с использованием металлических порошковых технологий AM без опор, что требует дополнительных шагов постобработки для их удаления, что увеличивает затраты и ограничивает свобода дизайна. В конечном итоге технология без поддержки позволяет изготавливать более сложные компоненты.

В Sierra Microturbines камера сгорания, сердце микротурбин Aurelius, была специально разработана для аддитивного производства.Компонент содержит сотни маленьких отверстий, тонкую сетку, десятки внутренних охлаждающих каналов и серию тонких, чрезвычайно высоких стенок. Первоначальный дизайн содержал 61 дискретную часть, которые были объединены в одну с помощью методов DfAM. Именно эту сложную конструкцию Смит представил различным производителям аддитивного оборудования перед тем, как выбрать VELO3D. Он предложил им построить деталь из Hastelloy® X, высокопрочного металла с низкой ползучестью, который позволит двигателю достигать температур, обычно недостижимых в микротурбинах.

Поперечные сечения ядра двигателя, напечатанного на 3D-принтере, демонстрируют мелкие детали как в напечатанном виде, так и в САПР. Синяя часть в модели САПР определяет плавно смешанную геометрию решетки, разработанную с помощью программного обеспечения оптимизации nTopology | Изображения любезно предоставлены VELO3D и Sierra Turbines.

Говоря о своем сотрудничестве с VELO3D, Роджер Смит говорит: « Команда VELO3D работала с нами над дизайном, настраивая вещи, чтобы сделать его более технологичным, но именно их программное обеспечение Flow, возможно, было самым большим стимулом.Он содержит ряд специальных инструментов, которые обеспечивают ценную обратную связь на протяжении всего процесса подготовки к печати ». В конце концов, на 3D-печать двух камер сгорания микротурбин ушло около 50 часов — традиционные методы производства заняли бы месяцы.

Кроме того, исключив опоры на мелких выступах, команда Sierra Turbines также смогла снизить потребность во вторичной механической обработке и других чистовых процессах, которые могут быть довольно дорогими. Наконец, программное обеспечение обеспечения качества системы Assure документирует все важные данные датчиков, которые влияют на качество деталей, и создает подробный отчет о сборке для отслеживания.Вооружившись данными о выступах, уровне кислорода, сроке службы фильтра и юстировке лазера, Sierra Turbines уверена, что изготовленная деталь соответствует стандартам.

Роджер Смит комментирует, что после того, как камера сгорания будет тщательно протестирована и протестирована, он намеревается добиваться дополнительных улучшений производительности. Он добавляет: « VELO3D считает, что вы можете использовать присадки для полномасштабного производства, и я тоже. Для будущего развития газовых турбин мы стремимся использовать возможности аддитивного производства для интеграции таких функций, как рекуператор, повышающий эффективность, напечатано. -в датчиках и более новой геометрии изоляции и охлаждения .”

По сути, передовая технология AM из металла смогла снизить затраты и сократить время выполнения заказа, позволив объединить десятки и десятки компонентов в одну деталь, напечатанную на 3D-принтере, которая имеет меньшую массу и большую механическую целостность, чем сварная и собранная альтернатива. Роджер Смит рассчитывает выполнить все остальные поставленные им цели в ближайшем будущем! Дополнительную информацию можно найти на официальном сайте VELO3D .

Что вы думаете о сотрудничестве между VELO3D и Sierra Turbines по повышению производительности микротурбин? Сообщите нам об этом в комментариях ниже или на наших страницах в Facebook и Twitter! Подпишитесь на нашу бесплатную еженедельную рассылку новостей, все последние новости в области 3D-печати прямо на ваш почтовый ящик!

микротурбин находят свою нишу

Ричард Браунинг из Gravity Industries тестирует уникальное приложение для микротурбин.[/ caption]

Постоянная тенденция в области микротурбин состоит в том, что технология становится все более мощной, более универсальной и компактной. Это ведет к большему творчеству, расширяя возможные области применения этих машин.

Микротурбины захватывают определенную долю рынка за счет поршневых двигателей для комбинированного производства тепла и электроэнергии (ТЭЦ) и находят некоторые возможности в распределенном производстве энергии. Дополнительные ниши включают переработку отходов в энергию, гибридные топливные элементы, насосы на месторождениях природного газа, двигатели небольших лодок, холодильное оборудование, телекоммуникации, расширители диапазона для электромобилей и для парков военных транспортных средств в удаленных местах.

Годовое производство микротурбин. Предоставлено Forecast International. [/ Caption]

Тенденции рынка

Ожидается, что в краткосрочной перспективе рынок микротурбин немного пострадает до 2020 года, а затем восстановится до стабильной годовой суммы примерно от 70 до 80 миллионов долларов до 2029 года, согласно данным в Forecast International.

Производство единиц в этом году пострадает. Но Forecast International прогнозирует скачок с 600 до 750 в год до 900 и 1050 с 2021 по 2029 год.Этот скачок частично объясняется выходом на рынок двух европейских компаний, Bladon и Micro Turbine Technologies (MTT).

Ниша Bladon — телекоммуникации. Среди ее клиентов — операторы сотовой связи в отдаленных районах, например в некоторых частях Африки и Австралии. Его микротурбина серии MTG мощностью 12 кВт работает на природном газе и может контролироваться дистанционно. Компания заявляет о сокращении посещений объектов на 90% и расходов на топливо на 30% по сравнению с дизельными аналогами. Микротурбина тихая, регистрирует уровень ниже 65 дБ.Он соответствует строгим европейским стандартам для дизельных двигателей. По данным Forecast International, Bladon должен произвести около 2400 единиц до 2029 года, что составит около 33,36 миллиона долларов в стоимости производства за этот период. Это соответствует рыночной доле в 4,67%.

Микротурбина серии Bladon MTG. [/ Caption]

МТТ EnerTwin вырабатывает 3,2 кВт электроэнергии для дома и бизнеса. Он имеет тепло в качестве первичного выхода и электроэнергию в качестве вторичного. МТТ заявила, что может работать как автономная система, в кластере из нескольких систем или в сочетании с одним или несколькими обычными котлами.В настоящее время система работает на природном газе. Однако в стадии разработки находятся новые приложения, которые потребуют использования новых видов топлива. EnerTwin в настоящее время проходит сертификацию для использования со сжиженным углеводородным газом (LPG), например, в областях, где нет инфраструктуры природного газа.

Forecast International прогнозирует, что к 2029 году МТТ будет продано около 2450 единиц. В сумме это составит 19,6 млн долларов и 2,74% доли микротурбинного пирога.

Aurelia, финская компания, поддерживаемая университетскими исследованиями, утверждает, что разработала самую эффективную микротурбину на сегодняшний день (более 40%).A400 сочетает в себе функции с несколькими золотниками и рекуперацией / промежуточным охлаждением. Основными целевыми рынками Aurelia являются малые и средние коммерческие и промышленные конечные потребители, которым требуется электроэнергия и тепло для своих процессов, а также те, кому требуется пар или охлаждение.

Компания Mitsubishi Power, ранее известная как Mitsubishi Hitachi Power Systems, также добивается значительных успехов в технологии микротурбин. Его концепция Megamie объединяет микротурбину и твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) для выработки 250 кВт с использованием природного газа, биогаза или водорода.Первый коммерческий блок Megamie был установлен в Токио в 2019 году и обслуживает многочисленные магазины и офисы.

Основная концепция работает хорошо, но стоимость остается препятствием. Компания планирует увеличить плотность производства ячеек, улучшить качество материалов, упростить производственные процессы и сотрудничать с деловыми партнерами для оптимизации цепочки поставок. На стадии проектирования находится установка мощностью 1000 кВт.

Между тем, микротурбогенераторная система военного класса «Турбины БПЛА» предназначена для выработки электроэнергии по запросу.Его машины имеют мощность от 3 до 40 кВт и решают проблему выработки электроэнергии на ходу и на больших высотах (чем выше высота, тем тоньше воздух, тем ниже энергоэффективность).

«Мобильность становится важным фактором мотивации для наших военных; быть портативным и маневренным на поле боя », — сказал Фред Фриджерио, старший вице-президент по инженерным вопросам UAVT. «Их интересуют вещи, с которыми могут справиться двое, трое или четверо парней в грузовике или джипе».

Кроме того, БПЛА продемонстрировал турбовальный двигатель Monarch 5, которым оснащается легкий истребитель Northrop.Теперь он может работать на природном газе, расширяя свой потенциал для наземной аварийной и резервной выработки электроэнергии как для местных, так и для удаленных районов. БПЛА привлекает таких клиентов, как FEMA и Министерство внутренней безопасности США. Эти тихие генераторы могут производить до 30 кВт.

Лидеры рынка

Несмотря на всех этих новых детей на рынке, Capstone и FlexEnergy, как ожидается, сохранят свое доминирующее положение в ближайшее десятилетие. Технология микротурбин Capstone находит новое применение в морском секторе (рабочие катера, грузовые суда, коммерческие суда и роскошные яхты) и в качестве расширителей диапазона для электромобилей (транзитные автобусы, рабочие грузовые автомобили классов 7 и 8).Он нашел успех с масштабируемой архитектурой микротурбины. Требуется больше мощности? Положите еще одну серию Capstone C на последнюю. Они могут работать на разнообразном газообразном или жидком топливе, включая природный газ, попутный газ, сжиженный нефтяной газ / пропан, факельный газ, свалочный газ, газ варочного котла, дизельное топливо, авиационное топливо и керосин.

Компания предлагает микротурбины мощностью от 30 кВт до 1 МВт, которые могут быть развернуты группами до 10 МВт. Линия продуктов Signature Series была разработана на основе двигателя C200 (200 кВт) и может быть сконфигурирована в пакетные решения мощностью 1000, 800 и 600 кВт.Дополнительным преимуществом этой технологии является возможность улавливать выхлопные газы и использовать их для производства горячей воды, пара, охлажденной воды, а в некоторых случаях непосредственно в процессе. C1000S был развернут в таких местах, как итальянские предприятия по производству пищевых продуктов, завод по очистке сточных вод в Пенсильвании и фармацевтический завод в Калифорнии.

Capstone продает от 400 до 700 микротурбин в год, наиболее популярными из которых являются C65 и C200 по общему количеству проданных мегаватт. C250 (250 кВт) находится в стадии разработки.

США и Европа остаются основными рынками для проектов когенерации и нефтегазовых проектов. Но компания заметила рост популярности в Латинской Америке, Африке, Азии и на Ближнем Востоке. Ожидается, что до 2029 года компания продаст 3 840 микротурбинных установок, что составит 520,57 миллиона долларов производственной стоимости и 72,8% доли рынка за этот период, согласно Forecast International.

Ожидается, что, как и у многих производителей, затраты будут снижаться по мере увеличения объемов. Также открываются возможности для сотрудничества.Capstone работает с компанией 247Solar над созданием микротурбины на солнечной энергии с нулевым уровнем выбросов. Еще одно партнерство с немецкой компанией B + K направлено на использование древесных отходов для производства перегретого воздуха для создания возобновляемой микротурбины с тепловым приводом. Кроме того, Capstone сотрудничает с New York Power Authority и Brenmiller Energy в проекте по хранению тепловой энергии для Колледжа закупок Государственного университета Нью-Йорка.

«Наша микротурбина будет напрямую направлять выхлопные газы с низким уровнем выбросов в блок аккумулирования тепла с нулевым выбросом углерода Brenmiller bGen, чтобы он мог извлекать и хранить тепло до тех пор, пока оно не понадобится», — сказал Даррен Джемисон, президент и главный исполнительный директор Capstone Turbine.«Система представляет собой альтернативу аккумулятору с потенциально большей продолжительностью разряда»,

Микротурбина C200R будет использоваться в приложении ТЭЦ для поддержки здания физического воспитания Закупочного колледжа, заменяя стареющий контур централизованного теплоснабжения в ЦТ и обеспечивая базовую нагрузку. электричество. Предполагается, что это позволит колледжу сэкономить около 100 000 долларов в год при одновременном сокращении выбросов углекислого газа.

Capstone рассматривает потребность молодого поколения в чистой энергии как окно для увеличения прибыли в будущем.

Он не одинок в этом настроении. FlexEnergy, которая позиционирует себя как экологически чистая компания, фокусируется на производстве энергии с почти нулевыми выбросами. В 2011 году она приобрела подразделение Ingersoll-Rand Energy Systems и, соответственно, линейку микротурбин MT250. Теперь он предлагает семейство систем, работающих на различных видах топлива.

Хлеб и масло компании остаются нефтью и газом, ее крупнейшим рынком с 2015 года. Самым популярным агрегатом является турбина Flex Turbine мощностью 333 кВт серии GT 333S.Он преобразует факельные и отходящие газы и пары резервуаров от нефтегазовых операций в электроэнергию. Компания удвоила выпуск машин за последние пять лет. Согласно данным Forecast International, ожидается, что FlexEnergy продаст 407 единиц до 2029 года, что составит 123,9 миллиона долларов США, что составит 17,3% рынка.

Дуг Бальцер, коммерческий директор FlexEnergy, сказал, что вслед за нефтью и газом идет производственный сектор. Он сказал, что для увеличения продаж большую роль могут сыграть местные коммунальные службы, в том числе поддерживая генерацию на месте.

«Оборудование, необходимое для подключения к электросетям, является самым сложным препятствием для роста продаж и снижения затрат», — сказал Бальцер. «Наша способность работать с широким спектром новых видов топлива, таких как синтетический природный газ, может стимулировать рост на новых рынках».

Проблемы остаются

Инновации в области аккумуляторов и возобновляемых источников энергии представляют собой конкурентную проблему для производителей микротурбин. Батареи остаются дорогими, но их стоимость неуклонно снижается. Рынок микротурбин также был сильным в областях, где добывается факельный газ или многоразовый газ.В связи с сокращением добычи сланцевых пластов из-за падения цен на нефть непосредственный спрос может пострадать.