Органический цикл Ренкина: использование в когенерации

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

Когенерационная установка (КГУ) применяется для одновременной выработки электрической и тепловой энергии. При этом полученное тепло может использоваться для производства горячей 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 учитывать, какая энергия будет приоритетной и какая – вторичной. С учетом специфики российского рынка (и не только российского), в большинстве случаев приоритетным является производство электрической энергии. Для надежного снабжения электроэнергией желательно использовать несколько установок, чтобы в случае выхода из строя одной из них, другие оставались в эксплуатации. Этот же принцип актуален и в случае приоритетного производства тепловой энергии.
Ресурс работы когенерационной установки должен составлять не менее 8000 часов в год. Пиковые нагрузки, как правило, покрываются обычными котлами в сочетании с КГУ, которые можно включать поочередно в соответствии с потреблением тепла.
При использовании КГУ для производства тепловой энергии желательно иметь накопитель тепла в виде бака горячей воды с различными значениями температур, который действует почти как гидравлический разделителъ контуров производства тепла и его использования, но гораздо большего объема. Применение такого бака имеет ряд преимуществ:
•    мгновенный резерв тепловой мощности;
•    возможность снимать или передавать тепло с различными значениями температуры, если при проектировании накопительного бака предусмотрены впускные и выпускные отверстия;
•    исключаются частые включения/ выключения КГУ.
При приоритетной выработке электроэнергии 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 используется нерационально, что влияет на экономичность КГУ. Чем больше тепла теряется, тем это более экономически невыгодно, не говоря уже об экологических аспектах.
Таким образом, встает вопрос: что делать с неиспользованным теплом от КГУ? В летние месяцы оно может использоваться в абсорбционных чиллерах для производства холода. В переходный период, когда не требуется отопление или холод, тепло в любом случае остается неиспользованным. Кроме того, не всегда существует потребность и техническая возможность использования холода.

Увеличение электрического КПД КГУ
При приоритетной выработке электроэнергии когенерационной установкой тепло может использоваться для ее производства. Это возможно с применением классического цикла Ренкина, или органического цикла Ренкина (далее ORC).
Прежде чем непосредственно рассматривать вопрос использования ORC, отметим те аспекты, на которые необходимо обратить внимание. Сдерживающим фактором в применении ORC являются двигатели внутреннего сгорания в составе КГУ, температурные показатели которых довольно ограничены. Существует очень немного моделей двигателей, где рабочие температуры охлаждающей жидкости могут подниматься выше 100 °C.
Большинство производителей ограничивают температуру охлаждающей жидкости двигателя внутреннего сгорания до 90…96 °C, чтобы на входе в двигатель было 80…85 °C. Поскольку утилизация тепла от двигателя достигается за счет теплообменника, максимальное значение температуры на входе в КГУ составляет обычно 70 °C. Можно достигать и более высоких температур, но это требует применения более крупных и дорогих теплообменников (что повышает стоимость самой КГУ). Температура на выходе из КГУ с двигателем внутреннего сгорания обычно составляет 90 °C.
Поскольку температура выхлопных газов двигателя находится на уровне 400…500 °C (в зависимости от типа двигателя), тепло от КГУ можно разделить на тепло от двигателя и тепло от выхлопных газов. Это позволяет применять выхлопные газы для производства тепловой энергии при более высоких значениях температуры или пара, но при этом надо учитывать, что количество полезного тепла от них уменьшается с повышением температуры на выходе из КГУ.
Пример использования выхлопных газов для обеспечения ORC или абсорбционного чиллера теплом (или для других технологических целей – обозначен как резерв 110 °C) представлен на рис. 1.
Котлы могут использоваться в контуре отопления 70/90 °C, а также при необходимости – с более высокой температурой на выходе.

Органический цикл Ренкина
Основным различием между ORC и циклом Ренкина-Клаузиуса (обычная паровая турбина) является рабочее тело. В классической паровой турбине в качестве рабочего тела используется водяной пар. В установке с применением ORC водяной пар заменяется органическими телами с более низкой температурой кипения – таким образом, термодинамические процессы происходят при более низких температурах. Установка на основе ORC использует для выработки электроэнергии не только избыточное тепло от КГУ, но может работать и на возобновляемых источниках энергии, таких как биомасса и др., использовать геотермальную и солнечную энергию.
Образец цикла ORC показан на рис. 2, в качестве хладагента используется пентафлуоропропан (R245fa). Цифры в диаграмме T-s соответствуют цифрам на рис. 3 (схема работы ORC с рабочим телом), где показано состояние рабочего тела в данных точках.
Состояния:
1-2: рабочее тело находится в состоянии насыщенной жидкости. В испаритель добавляется тепло – тело начинает испаряться в виде влажного пара, постепенно достигая состояния насыщенного пара. Этот процесс происходит при постоянной температуре и давлении;
2-3: при добавлении дополнительного тепла в подогреватель при постоянном давлении достигается состояние перегретого пара;
3-4: рабочее тело поступает в экспандер (турбину), где путем адиабатического расширения приводит в действие генератор, который преобразует механическую работу в электрическую энергию;
4-5: после экспандера рабочее тело проходит через регенератор – теплообменник, где тепловая энергия используется в виде пара для подогрева охлажденного рабочего тела в жидком состоянии. Этот процесс происходит при постоянном давлении;
5-6: рабочее тело поступает в конденсатор, где проходит изобарический и изотермический отвод тепла. Влажность повышается, тело переходит из состояния влажного пара в насыщенную жидкость;
6-7: насос передает рабочему телу энергию сжатия при неизмененной энтропии (адиабатическое сжатие);
7-1: жидкое рабочее тело после сжатия сначала подогревается в регенераторе, затем в парогенераторе, пока не достигнет состояния насыщенной жидкости.
ORC может работать с указанным телом уже с уровня температуры отопительной воды примерно 88 °C, но не с температурой, ближайшей к критической точке (154 °C). Поэтому необходимо иметь достаточный резерв.
Поскольку турбогенератор, работающий на базе ORC, является тепловой машиной, ее эффективность определяется разностью температур теплого и холодного контуров. На теплой стороне температура зависит от входной температуры рабочего тела: таким образом, чем ниже температура на входе, тем меньше эффективность машины. На практике при низкой температуре на входе электрический КПД составляет 6…8 %. При более высоких температурах, в зависимости от размера машины, КПД может достигать 16 % и выше.
Вторым показателем, влияющим на эффективность ORC, является температура холодного контура. Процесс ORC должен быть охлаждаемым, чтобы конденсировались пары рабочего тела. В результате температура рабочего тела после охлаждения является относительно низкой, со слабой перспективой дальнейшего использования этого тепла. Если учесть, что температура конденсации рабочего тела около 38 °C, а также учитывая свойства теплообменника и его достаточный резерв, то при температуре окружающей среды более 30 °C уже работа ORC является проблематичной.
Конденсатор можно снова охлаждать, используя для этого атмосферный воздух или воду из подходящего источника. При этом идеальная температура, при которой пары обратятся в жидкость, составляет около 12 °C. Но когда рабочее тело уже в жидком состоянии, его дальнейшее переохлаждение нежелательно – для нагрева потребуется много энергии, и эффективность оборудования и эксплуатационные параметры уже не улучшаются.
При низком температурном потенциале (95 °C) для производства электроэнергии можно использовать только часть тепла от выхлопных газов и охлаждения двигателя, так как разность температур между КГУ (20 °C) и ORC (12 °C) необходимо компенсировать доохлаждением или другим способом. Тепло от КГУ, которое можно использовать для выработки электроэнергии в ORC, составляет 43…50 % из подводимой в установку энергии. При использовании низкопотенциального тепла (от 88 °С до 96 °С) и затрате энергии на охлаждение конденсатора суммарный вклад ORC к выработке электроэнергии КГУ составит 1,7…2,7 %. Это можно рассматривать как процент увеличения электрического КПД КГУ. И хотя эта величина относительно небольшая, ею не стоит пренебрегать.
Учитывая, что тепло выхлопных газов двигателя (в зависимости от температуры на выходе теплообменника) составляет 17…22 % подводимой энергии, можно говорить о повышении электрического КПД на 3,5 %. При этом можно использовать всю тепловую энергию, утилизируемую различными системами охлаждения двигателя для отопления и других целей.
Надо отметить, что при среднем электрическом КПД КГУ около 41 % увеличение энергоэффективности с применением ORC примерно на 3,5 % снижает расход топлива для произведенной электроэнергии на 8,5 %.

Преимущества и недостатки ORC
Сравнение машин с применением ORC с другими тепловыми машинами не является абсолютно корректным. Поскольку при ORC может использоваться остаточное тепло, это является преимуществом во всех отношениях даже при строгой экономической оценке. Важны также и эксплуатационные расходы, на которые особенно влияет выбор турбины турбогенератора, работающего на основе ORC. В данном случае для оценки эффективности выбран винтовой экспандер.
Преимущества:
•    использование энергии с относительно низкой температурой;
•    относительно высокий КПД экспандера при частичной нагрузке;
•    низкая частота вращения, позволяющая применить прямой привод генератора;
•    незначительный износ экспандера;
•    более низкая механическая и температурная нагрузка;
•    простота обслуживания оборудования;
•    длительный срок службы оборудования за счет относительно низкой частоты вращения, а также низких значений давления и температуры;
•    замкнутый цикл работы без какой-либо химической обработки рабочего тела;
•    относительно небольшая площадь для размещения установки.
Недостатки:
•    относительно низкая эффективность устройства;
•    снижение мощности при повышении температуры охлаждения более 12 °C;
•    дополнительные потери мощности при использовании воздушного конденсатора;
•    ограниченное использование остаточного тепла (только для подогрева или как источник низкопотенциального тепла для тепловых насосов);
•    максимальная температура источника тепла ограничена химической устойчивостью рабочего тела (поскольку оно подвергается химическому разложению при высоких температурах).

Выводы
Турбогенератор, работающий на основе органического цикла Ренкина, в подключении к КГУ является оптимальным решением в тех случаях, когда приоритетом является выработка электроэнергии и тепло от когенерации недостаточно используется.
Повышение энергоэффективности имеет также значительные экономические преимущества. Простота создания и обслуживания, низкие эксплуатационные расходы, надежность и долговечность установки ORC способствуют рациональному вложению финансовых средств в производство энергии. Турбины и Дизели