Использование вихревых турбин в целях энергосбережения.

   В настоящее время большое количество потенциальной энергии давления сжатых газов и паров безвозвратно теряется на редукторах и регуляторах давления на газораспределительных станциях (ГРС) и газораспределительных пунктах (ГРП) в газовой промышленности, при различных технологических процессах в химической и других отраслях промышленности, в коммунально-бытовом хозяйстве...

   В 2000 году в США был разработан стратегический план развития малых локальных энергоустановок: спеииалисты-энергетики, общественные и специализированные группы признали увеличивающуюся роль маломощных, чистых и более эффективных энергогенерируюших систем в обеспечении потребностей мирового сообщества в энергии; малые модульные системы начали превосходить по эффективности и экологическим характеристикам стационарные электростанции. Предполагается поднять КПД энергоустановок на базе газовых турбин мощностью от 25 до 1000 кВт с существующего уровня 25—30% до 40%, обеспечить межремонтный ресурс 11 000 ч и срок службы 45 000 ч. Для достижения поставленных целей в 2000 году из федерального бюджета было выделено $24,3 млн. В этом же 2000 году число заказов на малое энергогенерируюшее оборудование в США увеличилось в 1,5—2 раза.

   Учитывая возможность срабатывания перепада давления не на дросселирующем органе, а на турбине, можно создавать утилизирующие энергосберегающие турбогенераторные установки мощностью до 1000 кВт. При этом основная проблема состоит в турбине, так как обычно для таких мощностей (особенно до 500 кВт) необходимы высокооборотные классические (центростремительные или осевые) турбины и часто — с парциальным подводом газа или пара на рабочее колесо. Для снижения числа оборотов необходимо применять редуктор, что усложняет и удорожает конструкцию и эксплуатацию установки, а парциальный подвод рабочего тела приводит к снижению КПД. В итоге габариты такой установки получаются большими, а срок окупаемости не менее 2 лет.
   Более перспективным является создание турбо­генераторных агрегатов (ТГА) на базе вихревых турбин (ВТ). Основными преимуществами вихревой турбины, в сравнении с осевой или центростремительной, являются:
—   простота конструкции, технологичность и низкая себестоимость изготовления;
— сравнительная низкооборотность, то есть при прочих равных условиях оптимальная частота вращения вихревой турбины значительно меньше оптимальной частоты вращения классической турбины, поэтому при использовании вихревой турбины часто возможно безредукторное исполнение агрегата, что резко удешевляет машину, повышает ее надежность и сокращает расходы на обслуживание.

   Преимущества вихревой турбины позволяют получить максимально простой и надежный турбопривод или турбогенератор со сроком окупаемости 1—2 года.
В вихревой турбине рабочее тело через сопло поступает в проточную часть, образованную каналом корпуса и межлопаточными каналами рабочего колеса, вращающегося в корпусе с малыми радиальными и торцевыми зазорами. Средняя окружная составляющая скорости (среднерасходная скорость) рабочего тела в канале больше окружной скорости рабочего колеса. Чтобы эффективно использовать энергию рабочего тела, находящегося в канале, нужно организовать продольно-вихревое движение по длине проточной части. Тогда частицы газа в проточной части, турбины движутся по спиралеобразным траекториям от входа к выходу машины, многократно взаимодействуя с лопатками рабочего колеса и постепенно отдавая ему энергию (рис. 1, 2).

   При перемещении частиц в межлопаточных каналах рабочего колеса изменяются направление и величина скорости и момент количества движения, в результате чего на лопатках появляются силы, приводящие колесо в движение. Это продольно-вихревое течение является базовым при обмене энергией между частицами газа в канале корпуса и лопатками рабочего колеса, и чем интенсивнее оно организовано, тем выше эффективность турбины. Из проточной части газ отводится через выходное отверстие. Между соплом и выходным отверстием расположен отсекатель.

   Одним из способов повышения эффективности вихревой турбины является более совершенная организация потока газа на входном участке и по длине проточной части с помощью сопла, определенным образом ориентированного относительно лопаток рабочего колеса.

   Ступень с внешним периферийным каналом (рис. 1) наиболее технологична и конструктивно проста, особенно при исполнении многоканальных и многопоточных схем по сравнению с вихревыми ступенями, имеющими другие типы пробочных частей (с боковым, периферийно-боковым, внутренним периферийным каналами и др.). Ступень с периферийно-боковым каналом (рис. 2), особенно с криволинейной проточной частью и радиальными рабочими лопатками, представляет значительный интерес, так как криволинейная проточная часть является высокоэффективной при работе в компрессорном режиме, а радиальные лопатки рабочего колеса дают возможность получения реверсивного движения.

   Основными потерями в вихревой турбине является неизбежные потери на организацию вихревого рабочего процесса. Потери, обусловленные переносом газа через отсекатель, относительно невелики (относительная величина этих потерь для исследованной турбины с внешним периферийным каналом составляет 0,055—0,075%) в отличие от вихревых компрессоров (до 40%).
   Вихревые турбины можно использовать для привода пневмоинструмента, механизмов запорной арматуры больших диаметров, электрогенераторов небольшой мощности, турбокомпрессоров, насосов и др. Турбины весьма перспективны с точки зрения энергосбережения. Особенно перспективным является направление использования ВТ вместо редукторов давления газа или пара. Это позволяет использовать безвозвратно теряемую при дросселировании энергию.

   Анализ парка газоперекачивающих агрегатов (ГПА) ОАО «Газпром» показывает, что из более чем 4000 установленных газоперекачивающих агрегатов почти 80% имеют газотурбинный привод. Топливный газ в газотурбинный двигатель на этих ГПА подается с выхода станции и при этом дросселируется до требуемого давления. Полезная мощность, которую можно было бы получить с помощью турбогенератора, установленного параллельно узлу дросселирования, не превышает 500 кВт, что тоже попадает в диапазон применяемости ВТ.
Результат анализа парка ГПА ОАО «Газпром», проведенного с целью определения мощности, которую можно получить при замене узлов дросселирования топливного газа для газотурбинных двигателей турбодетандерными установками ТАУ) на базе ВТ, приведены в таблице 1. Получаемая мощность на валу ТДУ может быть преобразована в электроэнергию или использована для привода турбомашин (вентиляторов, компрессоров, насосов и т.п.).

   Из таблицы видно, что наиболее целесообразна установка ТАУ на ГПА мощностью 16 МВт.

   На Одесском припортовом заводе возможна утилизация избыточной энергии давления пара в котельном цехе и в технологических линиях производства карбамида, а также природного газа на газораспределительном пункте. Расчеты, выполненные для котельного цеха, показывают, что при установке вихревого турбодетандера на узле редуцирования пара можно получить мощность на выходном валу турбодетандера 290 кВт (эту мощность целесообразно использовать для привода питательного насоса ПЭ 160-53). При установке вихревого турбодетандера на узле редуцирования природного газа мощность на выходном валу может составить 180 кВт (эту мощность целесообразно преобразовать в электроэнергию). На одной из линий производства карбамида при замене узлов редуцирования пара может быть получено до 600 кВт полезной мощности. На этом предприятии можно использовать ВТ в качестве приводов турбомашин. В частности, в цехе аммиака №1 на семнадцати технологических позициях в качестве приводов используются паровые турбины. При этом на одиннадцати позициях мощности менее 500 кВт (от 18 до 476 кВт) и КПД от 12 до 36%. Суммарная экономия пара от применения вихревых турбин составляет 20,1 т/час или 39,4% от всего расходуемого на эти цели пара. И это еще не все возможности применения ВТ на этом предприятии!


   Изменения на энергетическом рынке ставят перед предприятиями задачи повышения объемов выпускаемой продукции без дополнительных затрат энергоносителей и с минимальными капитальными вложениями на модернизацию. Так, например, в ОАО «Днепразот» для увеличения объема производства карбамида необходимо, кроме всего прочего, увеличить подачу двуокиси углерода. Обследование компрессоров линии нагнетания СО2 показало, что за счет модернизации поршневых компрессоров их производительность может быть увеличена на 18%, но при этом давление газа на входе должно быть увеличено на 1 кгс/см2. Это требует модернизации турбокомпрессора Babetta (К104), которая невозможна без увеличения мощности привода компрессора, а мощности приводного электродвигателя недостаточно. Разработанные в ООО «ТРИЗ» предложения по модернизации этого компрессора позволяют повысить его производительность на 6,5% без повышения потребляемой мощности. Однако этого недостаточно для полной загрузки поршневого компрессора. Замена электродвигателя на более мощный — дорогостоящее и очень сложное мероприятие, влекущее за собой повышение потребления электроэнергии, и как результат — снижение рентабельности производства.

   Для решения этой проблемы было предложено недостающую мощность получить от парового турбопривода, что является принципиально новым подходом к использованию турбо приводных агрегатов при модернизации различного оборудования, требующего подвода дополнительной мощности.

   Суть предложения состоит в том, что имеющийся привод не меняется, а дополнительная мощность непосредственно с вала турбопривода передается на приводной вал оборудования (в данном случае на вал КНА турбокомпрессора) с минимальными потерями. Турбопривод подключается к существующему паропроводу и исполняет роль редуцирующего устройства.
Такой метод позволяет не только снизить материальные затраты при проведении модернизации, но и экономить энергоресурсы.

   В настоящее время ведется разработка паровой ВТ, предназначенной для получения дополнительной мощности на привод компрессора типа Babetta, установленного в цехе производства карбамида №2 ОАО «Днепразот», что позволит увеличить производительность компрессора без замены электродвигателя.

   Конструкция турбопривода (ТП) позволяет устанавливать его в производственном помещении. Вал ротора вихревой турбины (ВТ) соединяется непосредственно с ротором компрессора низкого давления турбокомпрессора через обгонную муфту. Для упрощения конструкции и снижения стоимости смазка подшипников ТП осуществляется от маслостанции компрессора. Вариант конструкции такой ТП показан на рисунке 3.
   Также ведутся разработки ряда ВТ мощностью от 100 до 600 кВт (рис. 4). Эти турбины имеют два периферийно-боковых канала с криволинейными проточными частями и радиальными рабочими лопатками, четырехпоточную схему подвода рабочего пара и двухпоточную схему отвода отработавшего пара, картерную систему смазки подшипников качения, встроенный водяной холодильник для охлаждения масла, сухие газовые импульсные уплотнения разработки ООО «ТРИЗ механический автомат безопасности.