Obnovitelný zdroj energie – kogenerační jednotka Turbogenerátor HAESBIO 200

Naše firma EL-INSTA ENERGO s.r.o. se již 25 let zabývá dodávkami silnoproudých el. zařízení pro výrobce el. energie a spotřebitele, inženýringem a zajišťováním kvality el. energie. Také se zabýváme obnovitelnými zdroji energie - máme 11 MW ve fotovoltaice a zabýváme se i kombinovanou výrobou elektřiny a tepla (KVET).

Inspirací nám bylo zařízení anglické firmy TALBOT, které jako plynovou turbínu využívá turbodmychadlo, kde je v tlakové části mezi kompresorem a turbínou spalován zemní plyn. Turbína bez vložené převodovky pohání vysokofrekvenční generátor. Výstup z generátoru je usměrněn a prostřednictvím měniče převeden na síťovou frekvenci. Zařízení je ovšem poruchovější a pracuje jen s malými výkony, řádově desítky kW) a se systémy ORC. ORC pracují s malou účinností, max. 18%, mají složitější systém, minimálně navíc s jedním výparníkem a jedním kondenzátorem vody a tři pracovní média – vzduch, silikonový olej, voda/pára. Proto jsme se rozhodli vyrobit podobné zařízení a to jednodušší a pracující s daleko většími výkony – řádově stovky kW a s větší účinností. Ve spolupráci s Ing. Kunderou z PBS ENERGO a s doc. Ing. Skálou z VUT Brno jsme vyvinuli kogenerační turbogenerátorovou jednotku, která může pracovat s výkony až do 500 kW.

Naše řešení je unikátní tím, že pracovní médium je pouze vzduch – spalinový (v kotli a ve výměníku vzduch/vzduch) a na turbíně je pouze čistý vzduch, tzn. bez ekologické zátěže a dále bez velkého tlaku (pracovní tlak 2 až 3 bary). Z toho důvodu je možné energeticky hodnotné odpadní teplo přímo využít např. pro sušárnu nebo lakovnu bez dalšího výměníku.

Hlavní přínos je v předpokládané největší účinnosti (do 20%) ze všech doposud známých malých zdrojů el. energie a tepla. Velkou předností je to, že oproti pístovým spalovacím motorům (diselgenerátory, plynogenerátory) je systém velice odolný, spolehlivý a téměř bezporuchový, proto je schopen pracovat v nepřetržitém celoročním provozu (7500 hod/rok). Je to na údržbu nenáročný, cenově dostupný produkt pro kombinovanou výrobu elektrické energie a tepla.

Vlastní turbogenerátor využívá energii odpadních spalin nebo vzduchu o vysoké teplotě 390 – 640°C, tlaku 2-3 bary, průtoku 2 m³/s.

Tržní perspektiva energetického bloku HAESBIO je založena na dlouhodobém a trvalém trendu zvyšování podílu biomasy a likvidaci odpadů jako nejvýznamnějšího obnovitelného zdroje při výrobě elektřiny a tepla. Proto je koncepce jednotky zaměřena na biomasu - lesní štěpku, odpady dřevozpracující a zemědělské výroby, pelety z uvedených surovin; (u štěpky a pelet je výhoda automatizace přikládání).

Jelikož výstupem je čistý vzduch, je TG jednotka vhodná na přímé použití pro průmyslové podniky, zemědělské farmy - sušení zemědělských plodin, dřevozpracující podniky - sušení dřeva, pilin; lakovny, výroba pelet, městské výtopny; ostrovní systémy s vlastní výrobou elektřiny a tepla, chladu, klimatizační rozvody. Jednotka TG také splňuje požadavky na nízký hluk a emise dle normy ČSN EN 303-5 (EURO 5) – tak je ji možné instalovat i do městské zástavby.

Protože turbína může spalovat i tzv. špinavý plyn, tak se v současnosti jako nejperspektivnější jeví nasazení HAESBIO 200 při kogenerační výrobě elektrické energie a tepla z cenově dostupného paliva na skládkách odpadů. Ve spojení se zplynovačem komunálního odpadu může pracovat jako ostrovní systém i přímo na skládce odpadu – likvidovat odpad a pro tuto činnost si sám vyrábět el. energii. Pro tento účel nám zplynovací zařízení dodá firma NWT, a.s. Zlín, která spolupracuje s Výzkumným energetickým centrem při VŠB-TU Ostrava.

Uplatnění také nachází v technologiích, kde je k dispozici nevyužité odpadní teplo (hliníkárny, slévárny, ocelárny), ze kterého lze po připojení k turbogenerátoru generovat elektrickou energii.

Princip činnosti TG jednotky ve spojení s kotlem na dřevní štěpku s výkonem 1400 MWt

V kotli se spaluje dřevní štěpka a vyrobí se spalinový vzduch o teplotě asi 1000°C. Spalinový vzduch se přes cyklónový odlučovač vede do horkovzdušného výměníku do primární části tvořené žárovzdornými trubkami, zde předá teplo čistému sekundárnímu vzduchu, který proudí rotačně okolo trubek pod pláštěm výměníku. Ochlazené spaliny se vedou zpět do zadní části kotle, kde ještě ohřejí vodu v rekuperátoru a pak vystoupí komínem.

Čistý sekundární vzduch se předtím nasaje přes filtr do kompresoru, v něm se stlačí na 2 – 3 bary, při průtoku 2m³ a přes rekuperátor se vede o teplotě asi 160°C do již zmíněné sekundární části teplovzdušného výměníku a ohřeje se až o 480°C na teplotu 550 až 640°C. Takto ohřátý a stlačený vzduch se vede do vysokotlaké části turbíny, kterou roztočí na 30 000 ot/min, přitom se ochladí a na výstupu turbíny je vzduch ještě o teplotě 390°C až 450°C. K práci turbíny při P_N tedy stačí teplotní spád na turbíně 130°C až 190°C. Jelikož výstupem z turbíny je čistý horký vzduch, který má ještě velkou tepelnou energii, je vhodný na přímé použití pro sušárny, lakovny a případně i pro klimatizační rozvody, dále se může použít pro vytápění.

Turbína je na společné hřídeli s poháněným kompresorem a na druhé straně hřídele je spojená přes spojku a převodovku s el. generátorem, který pak vyrábí el. energii. Hřídel klouže na olejovém filmu; natlakovaný olej se připravuje v systému mazání. Pro pohon generátoru se otáčky v převodovce sníží v poměru 1:10 na 3000 min^-1. Generátor vyrobí el. energii pro vlastní spotřebu uživatele nebo může být přifázován k el. síti. Doba najetí turbosoustrojí na jmenovitý výkon je do 5 min. Pozitivní je také fakt, že turbína je velmi rychle reagující na změnu teploty nebo tlaku vzduchu a výkon generátoru je ve velikém úseku charakteristiky lineárně závislý na teplotě spalin, potažmo sekundárního čistého vzduchu.

V současnosti máme vyrobený jeden prototyp kompletního zařízení, který je umístěn v provozovně firmy ATOMA v Sudoměřicích nad Moravou, kde také úspěšně proběhl zkušební provoz ve spojení s kotlem na dřevní štěpku. Tento prototyp už má dokonce svého nového majitele. Je to zemědělská farma na portugalském ostrově Madeira, kde TG bude napájet zemědělskou výrobu a skleníky výkonem 160 kW_el a 800 kW_t.

Na zdokonalování tohoto projektu soustavně pracuje naše vývojové oddělení.

Hlavní technologické části jednotky

Tepelná část:

Zdroj tepla: kotel na spalování biomasy (plně automatický, výrobce ATOMA - tepelná technika),
Zásobník štěpky s podavačem.
Alternativou tepelného zdroje může být kotel na pelety nebo zplynovač odpadu, biomasy, aj.
Horkovzdušný výměník spaliny/vzduch (výrobce ATOMA - tepelná technika)
Rekuperační výměník vzduch/vzduch
Ohřívák vody
Alternativně výstupní vzduchový komín

Turbosoustrojí: kompresor + turbína (výrobce PBS Turbo Velká Bíteš):

Turbína MAN TCR (Man Turbo Velká Bíteš), jejich turbíny pracují na ropných věžích a v naftových motorech velkých výkonů - např. lodních motorech
Převodovka - jednostupňová se šikmým ozubením a převodovým poměrem 1:10, s účinností vyšší než 96%, (výrobce firma G-Team Velká Bíteš)
Rychloběžná spojka
Chladící a mazací systém (pro mazání hřídele, která je uložena na olejovém filmu, ne na valivých ložiskách)
Příslušenství turbosoustrojí (El-INSTA ENERGO, s.r.o.)
Asynchronní motorgenerátor s kotvou nakrátko, dvoupólový o výkonu 160 kW, 3 x 400 V, (SIEMENS)
Tato vyjmenovaná zařízení jsou sestavena na jeden konstrukční rám

El. příslušenství:

Startovací měnič frekvence Siemens
Rozvaděč el. energie a řízení funkce zařízení (EL-INSTA ENERGO)
Řídící ochranný a monitorovací systém (OMRON)

Další příslušenství:

Tepelná, protihluková izolace
Měření, polní instrumentace
Náhradní díly a dokumentace

Charakteristické vlastnosti systému

Komplexní řešení řízení turbíny
Autonomní řízení spalování
Zabudované víceúrovňové hardwarové a softwarové ochrany
Vizualizace provozních stavů a nastavení parametrů
V řešení je vzdálená správa, monitoring a archivace dat
Požadováno minimum odstávek na servis (ve srovnání se spalovacími motory je turbína téměř bezporuchová)
Nízké náklady na údržbu (běžná standardní údržba – 2x za rok odstávka na 1 týden - oprava vyzdívky, detailní kontrola zanesení výměníku, kotle, čištění lopatek turbíny, kontrola mazání apod.
Možnost rychlé výměny průtočných částí dle aktuálních potřeb zákazníka v místě instalace
Systém pracuje bez nutnosti použití vodního chladícího okruhu

Hlavní technické a ekonomické parametry

Jmenovitý elektrický výkon dodávaný do sítě 160 - 450kWe
Jmenovitý tepelný výkon 670 – 4 000kWt
Rychlé najetí turbíny na jmenovitý výkon (5 min.)
Nízký hluk a emise normy ČSN EN 303-5 (EURO 5) – možnost instalování jednotky do městské zástavby
Vibrace max. 1 mm/s.
Možnost celoročního provozu s min. odstávkami
Dodávka elektřiny a tepla v horké vodě nebo v horkém vzduchu
Prostá návratnost cca 6 - 7 let podle roční doby provozu, ceny paliva a ceny el. energie
Elektrická účinnost na svorkách generátoru: do 20%
Provoz: plně automatický řízený na bázi PLC
Doba využití: kontinuální celoroční, předpoklad 7500 hod/rok
Předpoklad výroby elektrické energie: 1400 MWh/rok
Předpoklad výroby tepelné energie: 7 600 GJ/rok (2 100 MWh)/rok

Srdcem systému je plynová turbína MAN TCR

Principiální schéma

3D modely turbogenerátorové jednotky

Samotná turbogenerátorová jednotka HAESBIO 200

Zapouzdření jednotky

Dispoziční uspořádání energetického bloku

Výroba kotle na biomasu a tepelného výměníku (výrobce firma ATOMA)

Tepelný výměník je vyroben z legované oceli, nádobu je nerezová povrchově izolovaná s oddělenými prostorami. Jedná se o trubkový protiproudový výměník pro teploty mezistěny výměníku do 800°C. Spaliny proudí vnitřkem trubek výměníku, mohou dosahovat teploty až 1000°C, pláštěm proudí čistý sekundární vzduch až do 700°C - rotující proud vzduchu podporuje tepelnou výměnu (výrobce firma ATOMA)

Turbogenerátor ve spojení s kotlem na dřevní štěpku, firma ATOMA Sudoměřice

Příprava spojení turbogenerátoru s kotlem na dřevní štěpku, firma ATOMA Sudoměřice

Výměník opláštěný tepelnou izolací, zapojený do sestavy, firma ATOMA Sudoměřice

Situační pohled na výměník pro turbogenerátor ve spojení s kotlem na dřevní štěpku, ATOMA Sudoměřice, řídící a silové rozváděče

Silový a řídící rozváděč při výrobě ve firmě EL-INSTA ENERGO s.r.o., Hrušovany u Brna

Alternativní zdroj tepla - jednotka na spalování biomasy ve formě pelet (dodala firma ProPelety s.r.o.)

Zplynovač tříděného komunálního odpadu, plastů, pneumatik, biomasy, aj. (dodala firma NWT a.s., Zlín)
Zde vidíme největší uplatnění TG, neboť na rozdíl od jiných kogeneračních jednotek, kde se spaluje čistý plyn, tak tato jednotka může spalovat tzv. špinavý plyn ze zplyněného odpadu. Firma NWT na vývoji zplynovače spolupracuje s Výzkumným energetickým centrem (VEC) při Technické univerzitě Vysoké školy báňské – Ostrava.

Vlastnosti naměřené ve zkušebním provozu : elektrický výkon v závislosti na teplotě sekundárního vzduchu

Vlastnosti naměřené ve zkušebním provozu Teplotní diference na výměníku vs. teplota primárního vzduchu

Vlastnosti naměřené ve zkušebním provozu Teplotní závislost diference na výměníku

Záznam měření na turbokompresoru ze dne 16. 2. 2017