Prezentare rezultate

Prezentare Rezultate

Etapa 4 (an 2017):

În cadrul etapei finale a proiectului, prin activităţile de cercetare-dezvoltare desfăşurate, a fost realizat şi experimentat, într-un parteneriat format din INCDT COMOTI în calitate de Coordonator şi INCDIE ICPE-CA, SC. CUANTUM, SC ELECTROSOFT, un model funcţional micro-cogenerativ cu potenţial ridicat pentru utilizarea acestuia în industrie.

Microturbina MCT30 din componenţa modelul experimental microcogenerativ dezvoltă o putere utilă de 30 kW, la o turaţie de 96000 rpm , corespunzând pentru scopurile specifice ale proiectului. Soluţia constructiva a microturbinei este mono ax, rotorul generatorului electric este cuplat de turbomotor prin intermediul unui cuplaj flexibil-fretat la ambele capete Figură 2. Rotorul generatorului electric este dispus pe două lagăre radiale hidrodinamice cu aer. Ansamblul rotoric al microturbinei este prevăzut cu un lagăr radial pe aer, aerodinamic, dispus intre compresor si turbina si un lagăr axial dublu, hibrid, cu rolul de a preluarea forţelor axiale dezvoltate in microturbina. Rolul cuplajului flexibil este de a prelua abaterea coaxialitate/concentricitate a lagărului radial al microturbinei fata de cele doua lagăre ale generatorului electric.

Microturbină funcţionează în ciclul Brayton cu recuperare, Figură 1, fiind echipată cu recuperator de căldură gaze arse -aer comprimat care reduce consumul de combustibil (conducând la o creştere a randamentului). Aerul comprimat furnizat de compresorul centrifugal traversează recuperatorul de căldură, preluând o parte din energia termică a gazelor de ardere ce ies din turbina centripetă. Recuperatorul are patru conexiuni - către ieşirea din compresor, evacuarea din turbină, intrarea în camera de ardere şi sistemul de evacuare.

Tabel 1- Parametri principali de funcţionare- calculaţi conform program CHP-PREA,

Parametrul	Notaţie	U.M.	Valoare
Debit de aer aspirat	M_a	kg/s	0.3
Raportul de comprimare al compresorului	π_c	-	3.5
Temperatura aerului la ieşirea din compresor	T₂	K	478
Temperatura aerului dupa recuperatorul de căldură	T₂₁	K	783
Temperatura gazelor de ardere după camera de ardere	T₃	K	1100
Temperatura gazelor de ardere evacuate din turbina centripetă	T₄	K	866
Temperatura gazelor de ardere evacuate din recuperator	T₅	K	533
Puterea dezvoltată de microturbină	P_TMG	kW	30

Figură 1 Schema de principiu de funcţionare Microturbină (fără schimbător de căldură pentru cogenerare)

Figură 2 Secţiune longitudinală prin microturbină

A fost dezvoltat un rotor de generator electric sincron, cu magneţi permanenţi susţinut pe lagăre aerodinamice cu aer. Acesta funcţionează în domeniul de turaţii 60.000-100 000 rpm, putând fi utilizat atât în domeniul micro-cogenerării, al expanderelor de gaz, dar şi în domeniul generatoarele de aviaţie moderne.

Rezultatele încercărilor generatorului electric se situează in estimările si impunerile temei de cercetare; adică atingerea nivelului de 30 kW. In cadrul proiectului a fost acumulata atât o buna experienţa in proiectarea si tehnologia acestui tip neconvenţional de generator sincron cât si in iniţierea si realizarea programului de încercări.

Figură 3 Desen de ansamblu generator cu magnet permanent

Figură 4 Pachet statoric cu 24 de ancoşe

De remarcat si o lista de dificultăţi care nu au putut fi prevăzute pe parcurs si pentru care nu a existat o experienţa tehnologică specifica:

- Echilibrarea dinamica a rotoarelor neconvenţionale cum este cel al generatorului abordat.

- Prelucrările mecanice al rotorului pe lungimi mari si in zona in care a fost montat magnetul permanent.

- Prelucrările mecanice (rectificările ) zonei de lagăr cu aer.

- Necesitatea (exista posibilitatea) asimilării magnetului permanent in tara.

S-a proiectat si realizat un schimbător de căldura gaze de ardere-apa pentru preluarea energiei termice din gazele de evacuare, la ieşirea din microturbina. Testele funcţionale la regimuri parţiale ale microturbinei au evidenţiat alegerea judicioasa a soluţiilor tehnice-schimbătoare de căldură din ţevi de cupru în formă de serpentină cu nervuri (suprafeţe extinse), montate în contracurent. După realizarea testelor de anduranţa si analiza rezultatelor experimentale, se poate afirma ca randamentul global al modelului experimental microcogenerativ a fost de peste 65%, aşa cum s-a estimat din calculele de dimensionare iniţiale.

Figură 5 Rotor generator cu magnet permanent

Figură 6 Vedere lateral a modelului experimental de generator de mare turatie (GMT1)

De menţionat anumite aspecte de care trebuie ţinut cont pentru îmbunătăţirea performantelor instalaţiei:

- Creşterea randamentului prin micsorarea pierderilor prin conducte

- Creşterea eficientei prin controlul curgerii gazelor de ardere prin reteaua de schimbatoare de caldura.

Au fost realizate cercetări teoretice in domeniul lagărelor pe aer pentru susţinerea generatorului electric. Domeniul lagărelor pe aer constituie de asemenea o provocare şi o noutate la nivel naţional, în lume această tehnologie fiind la plină dezvoltare, doar câteva firme de renume reuşind producerea acestora.

Figură 7 Ansamblul schimbator de caldura

Figură 8 Schema instalatie preparare agent termic primar

Figură 9 Distribuţie temperaturi schimbător de căldură la diferite regimuri de funcţionare

Sistemul de comandă şi control, descris în Figură 10 , pentru sistemul de micro-cogenerare cu microturbină are ca scop controlul sistemului de conversie şi al întregului sistem de micro-cogenerare .Acesta este compus dintr-un automat programabil (AP) şi module de extensie pentru semnale de intrări/ieşiri (I/O).

Comunicaţia cu convertoarele de energie electrică se realizează prin comunicaţie tip Fieldbus de înaltă viteză, bazat pe Ethernet.

Interfaţa cu celelalte componente ale sistemului este realizată prin semnale I/O de următoarele tipuri:

- Intrări digitale 24VDC

- Ieşiri digitale 24VDC prin tranzistor, interfaţate cu relee pentru a rezulta ieşiri cu contacte libere de potenţial

- Intrări analogice tip semnal unificat 0...20mA sau 0...10V

- Intrări analogice tip termocuplu

Sistemul este, de asemenea, dotat cu elemente de comandă şi control ce include:

- Butoane de comandă

- Lămpi de semnalizare

- Un afişaj tactil tip HMI, utilizat pentru introducerea de reglaje, afişarea în timp real a parametrilor sistemului, monitorizarea stării elementelor componente, şi afişarea alarmelor.

Pentru programare, parametrizare, monitorizare şi înregistrare parametrii funcţionali, sistemul se poate conecta la PC prin comunicaţia Ethernet disponibilă la convertoare, AP, HMI. Pentru realizarea comunicaţiei între aceste componente, precum şi pentru programare/monitorizare, sistemul dispune de switch-uri Ethernet.

Figură 10 Schema funcţională echipament de comandă şi control generator electric şi microturbină

Figură 11 Ansamblul schimbător de caldură

Etapa 3 (an 2016):

Realizarea activitati de cercetare-dezvoltare pentru:

• Fabricatie componente si adaptare subansamble pentru montaj. Realizare componente demonstrator si ansamblu model functional.

• Realizare componente de integrare ansamblu model functional pe standul de experimentare COMOTI.

Etapa 2 (an 2015):

A fost definita configuraţia generală model funcţional micro-cogenerativ de 30 kWe compusă din microturbină, generator electric cu magneţi permanenţi de înaltă turaţie, schimbător de căldură, echipamente de comandă şi control, instalaţie de gaz combustie, instalaţie de alimentare cu apă.
Au fost calculati parametrii funcţionali şi de performanţă pentru modelul funcţional micro-cogenerativ de 30 kWe dotat cu recuperator gaze de ardere-aer şi schimbător de căldură gaze de ardere-apă. A fost utilizat un program de calcul dezvoltat de COMOTI, care se bazează pe o serie de subrutine care modelează procesele termoenergetice ce au loc pe traseele gazodinamice ale motorului. Astfel au rezultat parametrii funcţionali care determină nivelul tehnic impus.

Figură 1 Ansamblu rotoric Microturbina MCT30

Figură 2 Schema funcţională pentru instalaţia de gaz combustie microturbină 30 kW.

A fost elaborat un program general de probe şi secvenţe de operare model funcţional.
Pe baza modelului de calcul de dimensionare generator electric de 200 kW dezvoltat în cadrul etapei de execuţie nr.1, s-a realizat dimensionare generator electric de 30 kW la turaţia de 96000 rpm. A fost realizată o modelare in FLUX 11.1 ce a inclus printre altele modelarea câmpului magnetic în circuitul magnetic al generatorului (rotorul cu magnetul permanent cu p=1 (magnetizat cu o pereche de poli) si pachetul statornic din tole de tabla feromagnetice cu grosime de 0,1 mm cu 189 ancoşe).Modelarea a fost efectuată cu un mesh având o discretizare de 10⁷ elemente .

Figură 3 - Spectru câmpului magnetic în circuitul magnetic al generatorului Figură 4 Rotor generator electroc

A fost realizată documentaţia tehnică pentru realizarea magnetului permanent, astfel s- a prelucrat prin electroeroziune magnetul permanent - diametrul 26mm, lungimea 50mm. Pentru încercări preliminare prin similitudine s-a realizat un model experimental microgenerator. S-a realizat modelarea 3D a principalelor subansambluri ce intră în componenţa modelului experimental micro-cogenerative microturbina, generatorul electric de înalta turaţie, schimbătorul de căldură. S-au utilizat softurile de proiectare CAD CATIA V5 si Solid EDGE ST4. Pe baza parametrilor funcţionali ai microturbinei (debit, temperatură arse, energie termică gaze arse) s-a realizat calcul de dimensionare schimbător de căldură şi a fost aleasă soluţia optimă de element schimbator de caldura. Gaze de ardere (fluid cald): prin exteriorul tevilor
Debitul de caldura (informativ): Qg = 71 kW
Debitul de gaze: mg = 0,304 kg/s (1096 kg/h)
Temperatura gaze la intrare: tig = 272 ^oC
Temperatura gaze la iesire: teg = 57 ^oC
Caderea maxima de presiune: 0,0075 bar (76 mm apa)
Presiunea maxim admisibila (calcul mecanic): 2,5 bar
Temperatura maxim admisibila (calcul mecanic): 350 ^oC
Apa (fluid rece) prin tevi
Debitul de caldura (informativ): Qa = 62 kW
Debitul de apa: ma = 0,27 kg/s (872 kg/h)
Temperatura apa la intrare: tia = 15 ^oC
Temperatura apa la iesire: tea = 70 ^oC

Figură 5 Element schimbător de căldură

Etapa 1 (an 2014):

Prezentarea a situaţiei la nivel naţional şi internaţional privind aplicaţiile de cogenerare. Prezentarea contextului energetic naţional şi european privind utilizarea resurselor energetice epuizabile.
Definirea procesului tehnologic de microcogenerare energetică. Definirea soluţiei tehnice microcentrală cogenerativă. A fost desfăşurata o activitate de studiu si documentare asupra caracteristicilor funcţional-constructive si a cerinţelor impuse pentru grupurile de micro-cogenerare.
Definirea soluţiei tehnice de generator electric de înaltă turaţie. Definirea situaţiei la nivel naţional şi internaţional privind generatoarele electrice cu putere de până la 200kW. S-a realizat un program de calcul de dimensionare şi proiectare preliminară generator şi de evidenţiere a solicitărilor electromecanice mecanice. S-au prezentat principalii parametrii geometrici şi de performanţă ai unui generator electric cu turaţia de 45000rpm şi putere electrică 200 kW. S-au prezentat considerente privind echilibrarea dinamică a rotoarelor şi tehnici si tehnologii pentru echilibrarea dinamică rotorului pentru turaţii de până la 100.000 rpm.
A fost utilizat programul CHP-PREA, dezvoltat de INCDT COMOTI, care permite calculul principalilor parametri funcţionali şi de performanţă pentru grupurile cogenerative echipate cu motoare cu turbină cu gaze, caz particular microturbine, cu recuperator gaze de ardere-aer şi schimbătoare de căldură gaze de ardere-apă. Programul se bazează pe o serie de subrutine care modelează procesele termoenergetice ce au loc pe traseele gazodinamice ale motorului. Astfel au rezultat parametrii funcţionali care determină nivelul tehnic impus.
A fost definita soluţia tehnica pentru ansamblul instalaţiei microcogenerative.

Figură 16. Diagramă de proces tehnologic

Au fost realizate activităţi de documentare cu privire la configuraţiile generale ale grupurilor microcogenerative existente pe piaţă.
A fost cercetată soluţia constructivă pentru instalaţiile de gaz combustie şi demaraj ce echipează grupurile microcogenerative, prezentându-se scheme funcţionale, lista parametrilor măsuraţi si domeniile măsura a acestora.