Зарубежный

Турбины и дизели /март�апрель 2012

Зарубежныйопыт

50 www.turbine�diesel.ru

использование в когенерацииОрганический цикл Ренкина:

Любомир Янчошек, Петер Кунц – Engul, s.r.o. Martin, Словацкая Республика; ООО «Пауэртех», Москва

In br iefOrganic Rankine Cycle:

application in cogenerationpower plant.

Cogeneration power

station is applied for

generation of electric

and thermal power.

Generation thermal

power can be used for

hot water production

with temperature

of 70/90 °C, steam or

low�potential heat with

temperature of 40/60 °C

and cooling power

with temperature of

12.5…7 °C (trigeneration

power plants).

During development

of cogeneration power

plant it is necessary to

take into account what

power will be of priority

– electric or thermal.

In Russia usually

electric power genera�

tion is primary. Lifetime

of the plant has to be

not less than 8000 per

year. Peaking loads

are traditionally covered

by means of ordinary

boilers. Organic Rankine

Cycle power plant

operating in connection

with cogeneration

power unit is the optimal

solution in cases when

electric power genera�

tion is primary and

waste heat is not used

in corpore.

Когенерационная установка (КГУ) применяется для одновременной выработки электрическойи тепловой энергии. При этом полученное тепло может использоваться для производствагорячей воды с параметрами 70/90°C, пара или низкопотенциального тепла 40/60°C, а также холода с уровнем температуры 12,5…7,0 °C (тригенерация).

Аспекты когенерации При проектировании КГУ необходимо учи�

тывать, какая энергия будет приоритетнойи какая – вторичной. С учетом спецификироссийского рынка (и не только российского),в большинстве случаев приоритетным являет�ся производство электрической энергии. Длянадежного снабжения электроэнергией жела�тельно использовать несколько установок, что�бы в случае выхода из строя одной из них, дру�гие оставались в эксплуатации. Этот же прин�цип актуален и в случае приоритетного произ�водства тепловой энергии.

Ресурс работы когенерационной установкидолжен составлять не менее 8000 часов в год.Пиковые нагрузки, как правило, покрываютсяобычными котлами в сочетании с КГУ, которыеможно включать поочередно в соответствиис потреблением тепла.

При использовании КГУ для производстватепловой энергии желательно иметь накопи�тель тепла в виде бака горячей воды с различны�ми значениями температур, который действуетпочти как гидравлический разделителъ конту�ров производства тепла и его использования, ногораздо большего объема. Применение такогобака имеет ряд преимуществ:

мгновенный резерв тепловой мощности;возможность снимать или передавать тепло с различными значениями температуры, еслипри проектировании накопительного бака пре�дусмотрены впускные и выпускные отверстия;исключаются частые включения/ выключе�ния КГУ.При приоритетной выработке электроэнер�

гии необходимо аварийное охлаждение КГУ.При этом тепло передается в атмосферу или водоемы (грунтовые воды, реки и т.д.), т.е.тепловая энергия в этом случае используетсянерационально, что влияет на экономичностьКГУ. Чем больше тепла теряется, тем это болееэкономически невыгодно, не говоря уже об эко�логических аспектах.

Таким образом, встает вопрос: что делатьс неиспользованным теплом от КГУ? В летниемесяцы оно может использоваться в абсорбцион�ных чиллерах для производства холода. В пере�ходный период, когда не требуется отоплениеили холод, тепло в любом случае остаетсянеиспользованным. Кроме того, не всегдасуществует потребность и техническая воз�можность использования холода.

Увеличение электрического КПД КГУПри приоритетной выработке электроэнер�

гии когенерационной установкой тепло можетиспользоваться для ее производства. Это воз�можно с применением классического циклаРенкина, или органического цикла Ренкина(далее ORC).

Прежде чем непосредственно рассматриватьвопрос использования ORC, отметим те аспек�ты, на которые необходимо обратить внимание.Сдерживающим фактором в применении ORCявляются двигатели внутреннего сгоранияв составе КГУ, температурные показателикоторых довольно ограничены. Существуеточень немного моделей двигателей, где рабочиетемпературы охлаждающей жидкости могутподниматься выше 100 °C.

Большинство производителей ограничиваюттемпературу охлаждающей жидкости двигателявнутреннего сгорания до 90… 96 °C, чтобы навходе в двигатель было 80…85 °C. Посколькуутилизация тепла от двигателя достигается засчет теплообменника, максимальное значениетемпературы на входе в КГУ составляет обычно70 °C. Можно достигать и более высоких темпе�ратур, но это требует применения более круп�ных и дорогих теплообменников (что повышаетстоимость самой КГУ). Температура на выходеиз КГУ с двигателем внутреннего сгоранияобычно составляет 90 °C.

Поскольку температура выхлопных газов дви�гателя находится на уровне 400…500 °C (в зави�симости от типа двигателя), тепло от КГУ можно

51www.turbine�diesel.ruмарт�апрель 2012/ Турбины и дизели

Рис. 1. Схема котельного

помещения с КГУ и ORC

разделить на тепло от двигателя и тепло отвыхлопных газов. Это позволяет применять вы�хлопные газы для производства тепловой энер�гии при более высоких значениях температурыили пара, но при этом надо учитывать, что коли�чество полезного тепла от них уменьшается с повышением температуры на выходе из КГУ.

Пример использования выхлопных газов дляобеспечения ORC или абсорбционного чиллератеплом (или для других технологических целей– обозначен как резерв 110 °C) представлен на рис. 1.

Котлы могут использоваться в контуре отоп�ления 70/90 °C, а также при необходимости –с более высокой температурой на выходе.

Органический цикл РенкинаОсновным различием между ORC и циклом

Ренкина�Клаузиуса (обычная паровая турбина)является рабочее тело. В классической паро�вой турбине в качестве рабочего тела использу�ется водяной пар. В установке с применениемORC водяной пар заменяется органическимителами с более низкой температурой кипения– таким образом, термодинамические процес�сы происходят при более низких температурах.Установка на основе ORC использует для выра�ботки электроэнергии не только избыточноетепло от КГУ, но может работать и на возобнов�ляемых источниках энергии, таких как био�масса и др., использовать геотермальную исолнечную энергию.

Образец цикла ORC показан на рис. 2, в ка�честве хладагента используется пентафлуоро�пропан (R245fa). Цифры в диаграмме T�s соот�ветствуют цифрам на рис. 3 (схема работыORC с рабочим телом), где показано состояниерабочего тела в данных точках.

Состояния:1�2: рабочее тело находится в состоянии на�

сыщенной жидкости. В испаритель добавляет�ся тепло – тело начинает испаряться в видевлажного пара, постепенно достигая состояниянасыщенного пара. Этот процесс происходитпри постоянной температуре и давлении;

2�3: при добавлении дополнительного теплав подогреватель при постоянном давлении до�стигается состояние перегретого пара;

3�4: рабочее тело поступает в экспандер(турбину), где путем адиабатического расши�рения приводит в действие генератор, которыйпреобразует механическую работу в электри�ческую энергию;

4�5: после экспандера рабочее тело прохо�дит через регенератор – теплообменник, гдетепловая энергия используется в виде пара дляподогрева охлажденного рабочего тела в жид�ком состоянии. Этот процесс происходит припостоянном давлении;

5�6: рабочее тело поступает в конденсатор,где проходит изобарический и изотермическийотвод тепла. Влажность повышается, тело пе�реходит из состояния влажного пара в насы�щенную жидкость;

Турбины и дизели /март�апрель 201252 www.turbine�diesel.ru

6�7: насос передает рабочему телу энергиюсжатия при неизмененной энтропии (адиабати�ческое сжатие);

7�1: жидкое рабочее тело после сжатиясначала подогревается в регенераторе, затемв парогенераторе, пока не достигнет состояниянасыщенной жидкости.

ORC может работать с указанным телом ужес уровня температуры отопительной воды при�мерно 88 °C, но не с температурой, ближайшейк критической точке (154 °C). Поэтому необхо�димо иметь достаточный резерв.

Поскольку турбогенератор, работающий набазе ORC, является тепловой машиной, ее эф�фективность определяется разностью темпера�тур теплого и холодного контуров. На теплойстороне температура зависит от входной тем�пературы рабочего тела: таким образом, чемниже температура на входе, тем меньше эф�фективность машины. На практике при низкойтемпературе на входе электрический КПД со�ставляет 6�8 %. При более высоких температу�рах, в зависимости от размера машины, КПД

может достигать 16 % и выше.

Вторым показателем, влияющим на эффек�тивность ORC, является температура холодногоконтура. Процесс ORC должен быть охлаждае�мым, чтобы конденсировались пары рабочеготела. В результате температура рабочего телапосле охлаждения является относительнонизкой, со слабой перспективой дальнейшегоиспользования этого тепла. Если учесть, чтотемпература конденсации рабочего тела около38 °C, а также учитывая свойства теплообмен�ника и его достаточный резерв, то при темпе�ратуре окружающей среды более 30 °C ужеработа ORC является проблематичной.

Конденсатор можно снова охлаждать, ис�пользуя для этого атмосферный воздух или водуиз подходящего источника. При этом идеаль�ная температура, при которой пары обратятсяв жидкость, составляет около 12 °C. Но когдарабочее тело уже в жидком состоянии, егодальнейшее переохлаждение нежелательно –для нагрева потребуется много энергии, и эф�фективность оборудования и эксплуатацион�ные параметры уже не улучшаются.

При низком температурном потенциале (95 °C) для производства электроэнергии можноиспользовать только часть тепла от выхлопныхгазов и охлаждения двигателя, так как разностьтемператур между КГУ (20 °C) и ORC (12 °C)необходимо компенсировать доохлаждениемили другим способом. Тепло от КГУ, котороеможно использовать для выработки электро�энергии в ORC, составляет 43–50 % из подводи�мой в установку энергии. При использованиинизкопотенциального тепла (от 88 °С до 96 °С)и затрате энергии на охлаждение конденсаторасуммарный вклад ORC к выработке электроэнер�гии КГУ составит 1,7–2,7 %. Это можно рассма�тривать как процент увеличения электрическогоКПД КГУ. И хотя эта величина относительнонебольшая, ею не стоит пренебрегать.

Учитывая, что тепло выхлопных газов двига�теля (в зависимости от температуры на выходетеплообменника) составляет 17–22 % подво�димой энергии, можно говорить о повышенииэлектрического КПД на 3,5 %. При этом мож�но использовать всю тепловую энергию, утили�зируемую различными системами охлаждениядвигателя для отопления и других целей.

Надо отметить, что при среднем электричес�ком КПД КГУ около 41 % увеличение энерго�эффективности с применением ORC примернона 3,5 % снижает расход топлива для произве�денной электроэнергии на 8,5 %.

Преимущества и недостатки ORCСравнение машин с применением ORC с дру�

гими тепловыми машинами не является абсо�лютно корректным. Поскольку при ORC может

Рис. 2. T�s диаграмма

R245fa с образцом цикла ORC

с регенерацией

�100

�50

0

50

100

150

200

1–2

0,60,5 0,90,80,7 1,21,11,0 1,61,5 1,81,7 2,01,9 2,2 2,32,11,41,3

1 23

456

7

2–33–44–55–66–77–1

Температура, °С

Энтропия, кДж/кг.°С

радиатор

насос

6

5

3

2

7

4

1

конденсатор

регенератор

экспандер

перегреватель

испаритель источниктепла

ЗарубежныйЗарубежныйопыт

Рис. 3.

Схема работы ORC

53www.turbine�diesel.ruмарт�апрель 2012/ Турбины и дизели

использоваться остаточное тепло, это являетсяпреимуществом во всех отношениях даже пристрогой экономической оценке. Важны также и эксплуатационные расходы, на которые осо�бенно влияет выбор турбины турбогенератора,работающего на основе ORC. В данном случаедля оценки эффективности выбран винтовойэкспандер.

Преимущества:

использование энергии с относительно низ�кой температурой;относительно высокий КПД экспандера причастичной нагрузке;низкая частота вращения, позволяющаяприменить прямой привод генератора; незначительный износ экспандера;более низкая механическая и температурнаянагрузка;простота обслуживания оборудования;длительный срок службы оборудования засчет относительно низкой частоты враще�ния, а также низких значений давления итемпературы;замкнутый цикл работы без какой�либо хи�мической обработки рабочего тела;относительно небольшая площадь для раз�мещения установки. Недостатки:

относительно низкая эффективность устрой�ства;снижение мощности при повышении темпе�ратуры охлаждения более 12 °C; дополнительные потери мощности при ис�пользовании воздушного конденсатора;ограниченное использование остаточноготепла (только для подогрева или как источ�ник низкопотенциального тепла для тепло�вых насосов);максимальная температура источника теплаограничена химической устойчивостьюрабочего тела (поскольку оно подвергаетсяхимическому разложению при высоких тем�пературах).

ВыводыТурбогенератор, работающий на основе

органического цикла Ренкина, в подключениик КГУ является оптимальным решением в техслучаях, когда приоритетом является выработ�ка электроэнергии и тепло от когенерациинедостаточно используется.

Повышение энергоэффективности имееттакже значительные экономические преиму�щества. Простота создания и обслуживания,низкие эксплуатационные расходы, надеж�ность и долговечность установки ORC способ�ствуют рациональному вложению финансовыхсредств в производство энергии.

Р Е К Л А М А