+7 (383) 362-03-48

Микротурбины Capstone

Capstone Turbine Corporation, США – ведущий мировой производитель микротурбинных энергетических систем, первым представивший на мировом рынке коммерческие микротурбиные элктростанции.

На сегодняшний день Capstone разрабатывает и производит микротурбины в диапазоне мощностей 30 кВт – 1 МВт.

Микротурбины

Микротурбины — это современное оборудование для автономного теплоэнергоснабжения потребителей, сочетающее в себе отличные технические и эксплуатационные характеристики. Непревзойденные потребительские свойства и тщательная проработка всех элементов с применением инновационных технологий, защищенных более чем 100 патентами, позволяют выделить микротурбины в отдельный класс энергогенерирующего оборудования. Микротурбины идеально отвечают нуждам современной распределенной энергетики, прежде всего, за счет своих конструктивных особенностей.

Микротурбинный двигатель состоит всего из одной движущейся детали — вращающегося вала, на котором соосно расположены электрический генератор, компрессор и непосредственно турбина. В установке не используются редукторы или другие механические приводы.

Уникальной конструктивной особенностью двигателя является применение воздушных подшипников, за счет которых достигается рекордная скорость вращения вала — 96 000 оборотов в минуту. Они поддерживают вал ротора генератора в подвешенном бесконтактном состоянии. Воздушный подшипник состоит из двух компонентов. Внешняя часть, выполненная из особого высокотемпературного сплава, имеет цилиндрическую форму. Внутренняя часть представляет собой тонкую волнообразную окружность, выполняющую роль пружины под которой расположена лента. Пружины создают силу противодействия лентам и воздуху, что позволяет валу находится в устойчивом положении на воздушных подушках. Благодаря особой аэродинамической форме подшипника при скорости вращения свыше 2000 оборотов в минуту образуется воздушная плёнка, которая отделяет вал от ленты подшипника и защищает его от износа. Эта инновация дает возможность отказаться от использования масла, высокий расход которого у других видов оборудования составляет значительную часть эксплуатационных затрат. Кроме того, малое количество сопрягаемых частей снижает до минимума риск повреждения деталей турбогенератора и обеспечивает высоконадежную и безопасную работу микротурбины. Это также является одним из ключевых факторов длительного срока службы до капитального ремонта — до 60 000 часов. За счет высокой частоты вращения вала и воздушных подшипников достигается низкий уровень шума и вибраций энергоустановки.

Низкие рабочие температуры снижают уровень эмиссии окислов азота, благодаря чему уровень выбросов СO и NOx не превышает 9 ppm, что позволяет отнести микротурбины к одному из самых экологически чистых источников генерации энергии. Другой уникальной особенностью турбин является компоновка основных узлов агрегата. В компактном корпусе размещены компрессор, камера сгорания, рекуператор, непосредственно турбина и постоянные магниты электрогенератора. Генератор охлаждается набегающим потоком воздуха, что исключает необходимость организации системы жидкостного охлаждения и повышает надежность и экономичность оборудования в процессе эксплуатации. Благодаря использованию воздухо-воздушного теплообменника (рекуператора) в конструкции турбодвигателя, микротурбины имеют высокий для турбогенераторов электрический КПД — до 35%.

Рекуператор использует тепловую энергию выхлопа для предварительного нагрева воздуха в камере сгорания, что позволяет снизить объем потребляемого топлива практически в два раза. Благодаря высокой степени автоматизации энергосистема на базе микротурбин может функционировать без постоянного присутствия обслуживающего персонала. Контроль над работой турбин осуществляется посредством микропроцессорной системы автоматического управления через GSM модем, координирующий работу установок вне зависимости от их расположения. Это позволяет размещать установки в труднодоступных районах на необслуживаемых объектах, таких как радиорелейные станции и линейная часть газопроводов. В совокупности эти свойства обеспечивают надежную работу оборудования и позволяют минимизировать время технического обслуживания.

Срок до капитального ремонта микротурбин при соблюдении условий эксплуатации составляет 60 000 часов, а периодические сервисные работы производятся каждые 8000 часов, т.е. не чаще 1 раза в год. Различные модификации микротурбинных установок дают возможность индивидуального подхода к решению задач автономного энергоснабжения различных групп потребителей.

Основные узлы и агрегаты электростанций:

  • газовая микро турбина
  • рекуператор
  • теплообменник - вода / выхлопные газы
  • силовая электроника (выпрямитель, инвертор, фильтр)
  • воздушная система охлаждения силовой электроники
  • система автоматического управления микрогенераторной установки
  • панель управления микротурбинной электростанции
  • аккумуляторные батареи

Комплектация микротурбинных установок:

  • Высокоскоростной генератор
  • Автоматический выключатель
  • Аккумуляторные батареи для запуска микротурбины
  • Зарядное устройство аккумуляторной батареи
  • Воздушный фильтр микротурбинной установки
  • Выпрямитель
  • Инвертор
  • Корпус микротурбины
  • Интерфейс

Принцип работы

Перед подачей в микротурбину 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 ведет к упрощению конструкции, сведению к минимуму риска поломки отдельной составной части и, как следствие, повышению надежности всей системы. Компрессор увеличивает давление воздуха, откуда сжатый воздух поступает в рекуператор. Использование рекуператора повышает электрический КПД двигателя 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 микротурбине 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. Температура выхлопных газов (260–309 °С) препятствуют образованию конденсата серной кислоты и, как следствие, быстрому износу деталей турбины. Это также 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 турбины, благодаря чему энергоустановка имеет малый вес и компактные габаритные размеры. Часть мощности турбины 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 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 турбины (электрический и тепловой) при таком режиме достигает 92%, что приводит к значительной экономии топлива и снижению себестоимости вырабатываемой энергии. Благодаря применению в конструкции двигателя 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.

Для запуска микротурбинной установки 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 энергосистемы. 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 микротурбин Capstone схематично показан на рисунке.

Режимы работы

Когенерация

Помимо генерации электричества турбина может вырабатывать тепло. Для этого она должна быть укомплектована специальным устройством, утилизирующим теплоту выхлопных газов. Такие энергетические системы, совместно вырабатывающие электричество и тепло, относятся к классу CHP (Combined Heat and Power). В случае микротурбин их называют microCHP. Для микротурбин сконструировано несколько типов таких теплообменников, рассчитанных на совместную работу с одной, двумя, четырьмя и более микротурбинами. Их производят в США, Европе, Японии. Возможно применение российских утилизаторов тепла, соответствующих по производительности, размерам соединительной арматуры и другим параметрам конструкции микротурбины. Применение установок microCHP резко повышает общий КПД (до 90% и выше) и решает задачи теплоснабжения для отопления и получения горячей воды.

Тригенерация

Комбинированное производство электричества, тепла и холода. Холод вырабатывается абсорбционной холодильной машиной посредством утилизации тепла выхлопных газов турбины. Принцип действия абсорбционных холодильных машин (АБХМ) основан на том, что вода в условиях вакуума испаряется при низких температурах, и при испарении уносит тепло от воздуха системы кондиционирования. В абсорбционных холодильных машинах раствор бромистого лития (LiBr) — очень сильный абсорбент воды — поглощает пар, переносящий тепло охлаждающей воды, превращаясь в разбавленный раствор, который откачивается в генератор, где выпаривается, нагреваясь от горячего пара, воды, выхлопных газов и т. п. Концентрированный раствор LiBr возвращается в абсорбер, а водяной пар направляется в конденсатор, чтобы процесс повторился.

Параллельно с сетью

В этом режиме микротурбинная установка вырабатывает электрический ток, синхронизированный с сетью по напряжению и частоте.

Автономно

Автономный режим характеризуется работой микротурбинной установки независимо от сети в качестве основного источника энергии. В этом режиме выходная мощность определяется потребителем, параметры электрического тока настраиваются в соответствии с потребностями нагрузки по напряжению и частоте. Устройство для автономной работы включает преобразователь энергии, координирующий работу блока аккумуляторных батарей (АКБ). Он имеет зарядное устройство и производит необходимые соединения между основной системой управления и блоком АКБ. Запуск и работа микротурбины осуществляются в автоматическом режиме.

Двойной режим (автономно и параллельно с сетью)

В этом режиме микротурбина подключена к местной сети и, по желанию потребителя, может быть переключена в автономный режим работы. Переключение может производиться в ручном режиме и автоматически, через контроллер двойного режима.

Топливо

Микротурбинные установки не требуют предварительной газоочистки при работе на большинстве видов газового топлива. При этом теплотворная способность газа должна находиться в пределах от 2 500 до 24 000 ккал/м3.

  • Природный газ высокого или низкого давления по ГОСТ Р 5542-87
  • Биогаз: мусорный газ; газ, получающийся при очистке сточных вод; анаэробный газ
  • Попутный нефтяной газ, факельный газ
  • Жидкие виды топлива: керосин, дизельное топливо, биодизельное топливо
  • Низкокалорийные газы
  • Газы с нестабильными характеристиками состава
  • Сжиженный газ: природный газ (метан), пропан-бутан
  • Шахтный метан, метан угольных пластов
  • Коксовые газы
  • Сингаз (синтез-газ)

Свойства

  • 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 dBA) 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%.
  • Компактные размеры, надежная опорная поверхность.
  • Интегрированная система синхронизации и защиты энергомодуля.
  • Одни из лучших в мире экологических показателей — уровень выбросов парниковых газов не превышает 9 ppm.

Характеристики

Технические характеристики

Модельный ряд

C30

C65

C200

C600

C800

C1000

Электрическая мощность, кВт

30

65

200

600

800

1000

КПД по электричеству, %

26 (±2)

29 (±2)

33 (±2)

33 (±2)

33 (±2)

33 (±2)

Общий КПД электростанции (с утилизацией тепла), %

80–90

80–90

66–90

66–90

66–90

66–90

Диапазон рабочего напряжения, В

380–480

380–480

380–480

380–480

380–480

380–480

Максимальный ток в фазе, А

46

100

275–290

930

1240

1550

Частота тока, Гц

50

50

50

50

50

50

Вес, кг

578

1121

3180–3640

8142–9534

1260–14400

15875–18144

Длина, мм

1516

1956

3660

9144

9144

9144

Ширина, мм

762

762

1700

2438

2438

2438

Высота, мм

1943

2110

2490

2896

2896

2896

Вид топлива

Газ, керосин, дизель

Газ, керосин, дизель

Газ, керосин, дизель

Газ, керосин, дизель

Газ, керосин, дизель

Газ, керосин, дизель

Рабочее давление топлива на входе, бар

низкое: 0,02-1 высокое: 3,6

низкое: 0,02-1 высокое: 5,2

низкое: 0,02-1 высокое: 5,2

низкое: 0,02-1 высокое: 5,2

низкое: 0,02-1 высокое: 5,2

низкое: 0,02-1 высокое: 5,2

Расход топлива при номинальной нагрузке, нм3

12

23

65

195

260

325

Максимальная температура выхлопных газов, °С

275

309

280

280

280

280

Выход тепловой энергии, кДж/час (Гкал/час)

305000   (0,073)

591000   (0,141)

1420000 (0,339)

4260000 (1,017)

5680000 (1,356)

7100000 (1,696)

Выброс вредных веществ при 15% O2

< 9 ppmV NOx

< 9 ppmV NOx

< 9 ppmV NOx

< 9 ppmV NOx

< 9 ppmV NOx

< 9 ppmV NOx

Уровень шума на расстоянии 10 метров, дБ

Не более 60

Не более 60

Не более 60

Не более 60

Не более 60

Не более 60

Скорость вращения турбины, об./мин.

96 000

96 000

60 000

60 000

60 000

60 000

Срок службы до капремонта, часов

60 000

60 000

60 000

60 000

60 000

60 000

С30

Микротурбина минимальной мощности – 30 кВт. Данная турбина не предусматривает монтажа теплоутелизатора. За счет небольших габаритов идеально подходит для организации комплексного тепло и электро- снабжения частных домов, а также теплиц и фермерских хозяйств.

С65

Микротурбина мощностью – 65 кВт, данная модификация имеет небольшие габариты, легко масштабируется. Имеет высокий коэффициент использования топлива свыше 90% за счет за счет когенерации и тригенерации.

С 200

Модель С200 – мощность 200 кВт, поставляется на российский рынок с начала 2008 года. Обладая более высокой мощностью в сравнении с моделями С30 и С65, микротурбины С200 отличаются рядом конструктивных особенностей, благодаря которым увеличен КПД и срок службы установки:

  • упорный подшипник вынесен в холодную зону
  • увеличено расстояние между подшипниками вала ротора
  • увеличен рекуператор

С 1000

Микротурбинные системы серии С1000 — новейшая разработка Capstone Turbine Corporation. Микротурбинные системы серии С1000 были специально спроектированы для размещения оборудования в едином компактном пространстве. Их основой стал микротурбинный двигатель С200. Основное преимущество заключается в уникальном решении всех коммуникаций энергоблока, за счет которого осуществляется внутреннее резервирование, позволяющее выводить/вводить отдельные двигатели в эксплуатацию, не прерывая работу всей энергосистемы. Это обеспечивает удобство и независимость обслуживания каждого модуля С200, входящего в состав системы.

В результате достигается высокая степень надежности всего энергоблока, что позволяет избежать перебоев или полного прекращения подачи электроэнергии при остановке одного или нескольких двигателей. Модель С200 обладает рядом конструктивных особенностей, благодаря которым увеличен электрический КПД до 35% и общий срок службы установки:

  • упорный подшипник вынесен в холодную зону;
  • увеличено расстояние между подшипниками вала ротора;
  • увеличен рекуператор.

Системы серии С1000 отличаются компактностью, модульностью конструкции и масштабируемостью. В зависимости от потребностей заказчика они могут комплектоваться энергоблоками С200 в количестве от 1 до 5. Выходную электрическую мощность любой из установок семейства С1000 можно оперативно увеличить до максимального значения в 1 МВт при сохранении исходных габаритных размеров. Блочно-модульная конструкция позволяет устанавливать энергосистемы С1000 друг на друга, что дает возможность оптимально разместить их на ограниченной площади.