Применение регулируемых термодинамических циклов для утилизации низкопотенциального тепла

Применение регулируемых термодинамических циклов

для утилизации низкопотенциального тепла

Велицко В.В., ООО «ОЦР Технологии», г. Москва

 

Аннотация

В материале обоснована необходимость создания адаптивных термодинамических циклов тепловых двигателей и энергоустановок на их базе, позволяющих утилизировать низкопотенциальное тепло со среднегодовым КПД, превышающим КПД нерегулируемых термодинамических циклов на уровне 7 – 10%. Указаны требования к аппаратной реализации энергоустановок с применением адаптивных термодинамических циклов и показана их реализуемость на существующем техническом уровне.

Введение

В настоящее время в мире основной объём производства электроэнергии приходится на тепловые электростанции (ТЭС), работающие на ископаемом, преимущественно углеводородном горючем. Можно предположить, что основной задачей увеличения доли возобновляемых источников энергии в глобальном масштабе является риск того, что закончится ископаемое горючее и человечество перейдёт на «голодный паёк» в части энергоснабжения как существующих основных мировых потребителей энергоресурсов – развитых стран, так и развивающихся стран, в настоящее время, опережающими темпами наращивающих энергопотребление.

Однако, на самом деле, проблема заключается совершенно в другом: углеводородные источники горючего, такие как уголь, битуминозные пески, тяжёлые нефти и иные каустобиолиты, а также природный газ, особенно в газогидратной форме, практически неисчерпаемы и, с высокой долей вероятности, не могут служить лимитирующим фактором в развитии энергопотребления человечества в долгосрочной перспективе. К этому добавляется ещё и возможность абиогенного синтеза углеводородов в земной коре, высказанная М. Бертло и развитая Д.И. Менделеевым. Проблема заключается в том, что при сжигании любого углеродсодержащего горючего необходим окислитель. Самым доступным окислителем является атмосферный кислород, в связи с чем, при использовании ископаемого углеводородсодержащего горючего мы производим замещение атмосферного кислорода на диоксид углерода. При этом производятся выбросы тяжёлых металлов, соединений серы и иных вредных веществ, добываемых совместно с ископаемым горючим.

В соответствии с теорией глобального потепления (sic!), являющейся только теорией, которой противоречит множество фактов, диоксид углерода является парниковым газом, интенсифицирующим глобальное потепление. Учитывая, что в настоящее время основные объёмы выбросов диоксида углерода приходятся на хозяйственную деятельность человечества, считается, что снижение объёмов антропогенной эмиссии диоксида углерода замедлит интенсивность глобального потепления. Учитывая, что автор статьи не является сторонником как теории глобального потепления, так и мнения о том, что существующая интенсивность антропогенного воздействия на атмосферу земли может в заметной мере ускорить потепление климата, автор согласится, что стабилизация, а в идеальном варианте – снижение объёмов выбросов диоксида углерода является необходимой мерой. Это связано с тем, что атмосферный диоксид углерода связывается в ходе фотосинтеза, что является чрезвычайно инерционным процессом в глобальном масштабе. Его инерционность, в случае выявления трендов действительно значительного негативного влияния антропогенных выбросов диоксида углерода в атмосферу не позволит быстро парировать рост выбросов, а также связать диоксид углерода уже накопленный  в атмосфере. Отметим, что в ходе существующих климатических изменений и хозяйственной деятельности человека площадь лесов непрерывно сокращается что ещё более ограничивает возможности биомассы в связывании диоксида углерода.

В этой связи входят в противоречие два процесса – увеличение потребления ископаемого углеводородного горючего приводит к росту уровня жизни населения т.н. «стран третьего мира», в ходе чего в хозяйственный оборот вводятся дополнительные площади земли, увеличиваются антропогенные выбросы иных парниковых газов и сокращаются площади лесов, обеспечивающих связывание диоксида углерода. При этом требуется увеличение площади лесов для связывания нарастающих объёмов выбросов диоксида углерода. Учитывая незначительное содержание диоксида углерода в атмосферном воздухе и его важнейшую биологическую роль имеются основания считать, что игнорирование вышеуказанного выявленного противоречия может напрямую привести к негативным последствиям как минимум в виде существенного изменения баланса в биосфере.

При этом следует отметить, что действительно эффективное долговременное связывание атмосферного диоксида углерода происходит только в случае захоронения биомассы под слоем земли, что имеет место исключительно в период глобальных катастроф, когда положительный эффект от такого захоронения уже не сможет быть по достоинству оценён цивилизацией, ранее допустившей перенасыщение атмосферы диоксидом углерода. В этой связи, вне зависимости от наличия проверенной и обоснованной теории негативного влияния увеличения содержания диоксида углерода в атмосфере, необходимо максимально ограничить его эмиссию, т.к. в настоящее время не существует технологий эффективного и дешёвого долговременного захоронения выработанного диоксида углерода.

Исходя из вышесказанного, необходимо увеличение выработки электроэнергии без роста объёмов сжигания ископаемых органических горючих. Это может быть достигнуто как использованием возобновляемых источников энергии (ВИЭ), так и увеличением коэффициента полезного действия (КПД) существующих ТЭС.

Тепловую энергию, которую можно получать от ВИЭ, таких как солнечные коллекторы, тепло, отводимое от фотоэлементов, освещаемых солнцем, геотермальная энергия, а также сбросное тепло ТЭС характеризуют незначительные тепловые потенциалы, а также нестабильное качество, зависящее, например, как от времени года или от времени суток, так и от режимов работы ТЭС. Это существенно ограничивает возможности низкопотенциальной теплоутилизации для производства электроэнергии и зачастую требует государственного субсидирования таких электростанций. В данной публикации показывается, что низкопотенциальное тепло может быть экономически эффективно переработано в электроэнергию, по качеству и себестоимости производства конкурентоспособную с электроэнергией, полученной от сжигания ископаемых горючих.

Применяемые решения

Для использования низкопотенциального тепла применяются тепловые двигатели, работающие оп различным циклам, таким как цикл Ренкина на низкокипящих рабочих телах, например на органических теплоносителях (ОЦР), цикл Калины или цикл Стирлинга. Указанные циклы объединяет применение герметичных контуров с рабочим телом, преимущественно находящимся, при нормальных условиях в парообразном или в сверхкритическом состоянии. Применение таких рабочих тел позволяет в использовать даже незначительные теплоперепады вплоть до нескольких десятков градусов Цельсия.

Недостатки применяемых решений

Рассмотрим пример работы энергоустановки, работающей по органическому циклу Ренкина (ОЦР), показанной на Рис. 1. ОЦР-установка по Рис. 1 состоит из подогревателя (котла-утилизатора) Е-100, рекуперативного теплообменника Е-101, нагнетателя (насоса) Р-100, детандера К-100 и градирни АС-100. Жидкое рабочее тело (РТ) поступает потоками 1 и 2, частично или полностью парообразное или газообразное РТ – потоками 3 – 6. Мощность, подводимая к нагнетателю отмечена N2, а мощность, выдаваемая детандером – N2. Внешнее тепло подводится и, соответственно отводится от подогревателя потоками теплоносителя 7 и 8. Блоки t1 и t2 задают перепады температур и не являются физическими потоками.

Рис. 1

Как видно из Рис. 1, тепловая энергия в подогревателе используется для испарения РТ, поступающего в детандер. РТ, отработавшее в детандере в виде мятого пара поступает в рекуперативный теплообменник, где частично охлаждается, отдавая тепло потоку жидкого рабочего тела. После рекуперативного теплообменника мятый пар поступает в градирню, где производится его охлаждение путём отдачи тепловой энергии во внешнюю среду или потребителю тепловой энергии. В результате охлаждения РТ оно конденсируется и поступает на всас нагнетателя.

Приведённая на Рис. 1 тепловая схема может варьироваться, например в ней могут отсутствовать рекуперативный теплообменник, могут присутствовать смесевые рабочие тела, РТ только в жидкой фазе или несколько тепловых контуров, расположенных каскадно и (или) в параллель, однако существует два ключевых аспекта, характеризующих эффективность энергоустановки – температуры подвода и отвода тепла. Если температура подвода тепла зачастую стабильна, то температура отвода тепла от РТ в холодильнике существенно зависит от условий внешней среды, что наиболее существенно сказывается при использовании сухих градирен. Например, температура окружающей среды зимой ниже чем летом, а ночью ниже, чем днём. Существующие энергоустановки рассчитываются таким образом, что бы в холодильнике происходила конденсация РТ в условиях эксплуатации энергоустановки. Например, круглогодично эксплуатируемая энергоустановка, зимой изредка работающая при – 40 °С, летом при + 40 °С в тени и находящаяся в климатической зоне со среднегодовой температурой 0 °С рассчитывается таким образом, что бы рабочее тело в холодильнике охлаждалось до необходимых параметров, например конденсировалось, при наружной температуре + 40 °С. При этом термодинамический цикл энергоустановки остаётся неизменным при суточных и сезонных колебаниях температуры окружающей среды.

Рассмотрим снижение КПД энергоустановки на примере установки, работающей по циклу Карно. Примем, что подвод тепловой энергии осуществляется при температуре + 370 °С (643 К), которую имеют отходящие газы от ряда двигателей внутреннего сгорания (ДВС), таких как поршневые двигатели мини-ТЭЦ или от газотурбинных установок (ГТУ). При этом отвод тепла от РТ в холодильнике будет производиться, соответственно, при + 40 °С (313 К) летом, - 40 °С (233 К) зимой и при условной среднегодовой температуре 0 °С (273 К).

Для указанных температур КПД цикла Карно составит соответственно: 51% летом, 64% зимой и 58% при расчётной среднегодовой температуре. Данная оценка показывает, что энергоустановки, создаваемые из расчёта минимального возможного теплоперепада, функционируют со значительным снижением КПД как относительно условий КПД зимой, так и относительно КПД при среднегодовой температуре.

Аналогично необходимости гарантированно сконденсировать РТ в холодильнике имеет место необходимость гарантированно испарить рабочее тело в подогревателе. Это приводит к тому, что рабочий цикл энергоустановки рассчитывается таким образом, что рост температуры в подогревателе не приводит к росту КПД установки, т.к. термобарические характеристики РТ на входе в подогреватель остаются фиксированными.

Выявление противоречия

Энергоустановка рассчитанная на максимальный располагаемый теплоперепад между подогревателем и холодильником будет иметь максимально высокий КПД и минимальное годовое время наработки, т.к. будет останавливаться как при снижении температуры в подогревателе – рабочее тело не будет испаряться, так и при повышении температуры в холодильнике – рабочее тело не будет конденсироваться, что является техническим противоречием (ТП) №1, см. Рис. 2.

Рис. 2

При этом отметим, что максимальный годовой объём выработки электроэнергии будет при максимально полном использовании располагаемого эксергетического потенциала, который, как показано выше, изменяется в зависимости от времени суток, сезона, а также в зависимости от режимов работы источника тепла.

Усилим ТП №1, в результате чего получим, что энергоустановка с максимальным КПД имеет минимальную годовую выработку электроэнергии. Приняв в качестве главной полезной функции (ГПФ) максимальную годовую выработку электроэнергии энергоустановкой заданной мощности, т.е. обеспечение максимального использования установленной мощности.

На основании выбранной ГПФ сформулируем ТП №2, см. Рис. 3. ТП №2 заключается в том, энергоустановка, предварительно настроенная на заданный ражим работы, т.е. параметры термодинамического цикла которой заранее строго заданы, не обеспечивает высокоэкономичную работу в широком диапазоне климатических условий.

Рис. 3

Усилив ТП №2 получим, что энергоустановка, настроенная на заданный ражим работы становится экономически малоэффективной при изменении климатических условий. Заменим ГПФ на высокоэкономичную (с высоким КПД) работу энергоустановки в широком диапазоне климатических условий.

Для реализации выбранной ГПФ мы должны обеспечить возможность работы энергоустановки в следующих режимах, зависящих от факторов колебания температуры в подогревателе (переменная температура источника утилизируемого тепла) и температуры в холодильнике (изменение температуры внешней среды). В этой связи возможны следующие комбинации событий:

  1. Температура в подогревателе: стабильна; понизилась; увеличилась.
  2. Температура в холодильнике: стабильна; понизилась; увеличилась.

Как видно из вышеприведённых возможностей изменений температур в подогревателе и конденсаторе, максимальный эксергетический потенциал будет в случае максимального увеличения температуры в подогревателе и максимального снижения температуры в холодильнике, а минимальный эксергетический потенциал – при максимальном снижении температуры в подогревателе и максимальном увеличении температуры в холодильнике. При этом, в первом случае, энергоустановка, настроенная на максимальный перепад температур, не будет работоспособна в иных условиях, тогда как энергоустановка, настроенная на минимальный теплоперепад не будет обеспечивать максимальную выработку электроэнергии при увеличении теплоперепада.

Постановка задачи: создать энергоустановку максимально эффективно использующую располагаемый теплоперепад, т.е. способную утилизировать тепловую энергию переменного качества в изменяющихся климатических условиях.

Подходы к решению

Как указано выше, при изменении в сторону понижения температуры в подогревателе, рабочее тело не будет вскипать. В этой связи необходимо изменение в сторону понижения давления РТ в подогревателе. При увеличении температуры нагрева РТ в подогревателе, для обеспечения максимальной полезной работы цикла необходимо увеличение давления (степени повышения давления) РТ на входе в подогреватель.

С определёнными ограничениями с данной задачей могут справиться нагнетатели объёмного действия, т.к. турбомашины здесь не всегда применимы по причине жёсткой зависимости степени повышения давления от расхода, где каждой степени повышения давления и расходу соответствует одна точка на характеристической кривой. В этой связи примем во внимание, что задача поддержания в подогревателе оптимальных термобарических условий имеет решение.

При изменении температуры РТ в конденсаторе, зависящей от температуры окружающей среды, куда отводится энергия от отработавшего РТ, каждой температуре РТ будет соответствовать определённое оптимальное давление, при котором возможна конденсация РТ. Это означает, что при росте температуры окружающей среды давление конденсации РТ будет расти, а при её понижении – уменьшаться.

Указанные требования к оптимальным термобарическим условиям конденсации РТ в холодильнике, даже при постоянном начальном давлении после подогревателя могут быть реализованы только при обеспечении переменной степени расширения РТ в детандере.

Существующие типы детандеров, такие как турбомашины или большинство объёмных машин, не позволяют осуществлять регулирование степени расширения, т.е. грубо говоря, являются «делителями» в фиксированное количество раз, начального давления. При этом регулирование давления РТ за детандером возможно предварительным дросселированием РТ перед детандером, что, можно сказать, сводит к нулю, по крайне мере рост КПД от регулирования давления конденсации РТ.

Не останавливаясь отдельно на анализе применимых конструктивных решений детандеров с регулируемой степенью расширения для использования их в энергоустановках, скажем, что данное решение найдено и представляет собой бесклапанный регулируемый детандер когтевого (кулачкового) типа, представленный на Рис. 4. На данном рисунке приведены безсмазочный регулируемый детандер и фотография рабочих органов его роторов.

Рис. 4

Решение

На базе сформулированных требований к рабочему циклу энергоустановки с замкнутым контуром РТ, которая может работать как по циклам Ренкина, Стирлинга или Калины, так и по другим термодинамическим циклам, опишем работу адаптивного термодинамического цикла на примере адаптивного цикла Ренкина:

  1. Нагнетатель, имеющий регулируемую степень повышения давления, повышает давление РТ таким образом, что бы давление РТ в подогревателе соответствовало температуре кипения РТ. Т.е., данное давление предпочтительно держать равным давлению, при котором будет образовываться влажный или несколько перегретый пар РТ. При этом, при необходимости, допустимо иметь иное давление, например превышающее указанное давление, например, в случае, если вскипание РТ будет происходить не в подогревателе, а, например, в аппарате мгновенного вскипания, расположенным за подогревателем или же если вскипание РТ будет происходить непосредственно в детандере.
  2. РТ, поступающее в детандер с регулируемой степенью расширения целесообразно срабатывать до такого конечного давления, при котором оно будет охлаждаться в холодильнике (конденсироваться в градирне), будучи охлаждённым до температуры, которую в применяемом конденсаторе может обеспечить внешняя среда. Давление в конденсаторе оптимально поддерживать с запасом на гидравлические потери контура РТ, включающего в себя участок от выхода детандера до всаса нагнетателя РТ.
  3. Наличие переменного давления в конденсаторе, а следовательно и на всасе нагнетателя требует от нагнетателя ещё большего диапазона степеней повышения давлений, чем только для обеспечения оптимальной степени повышения давления при изменении температуры РТ в подогревателе. Аналогично достаточно высокий диапазон регулирования степени расширения требуется и для детандера, т.к. на необходимую степень расширения будут влиять как давление РТ за подогревателем, так и необходимое оптимальное давление РТ в охладителе.

Реализация адаптивного термодинамического цикла

Реализацию адаптивного цикла рассмотрим на примере энергоустановки, работающей по ОЦР с двухступенчатым контуром, заполненным низкокипящими рабочими телами, такими как аммиак и изопентан, находящимися, соответственно, в первичном и во вторичном контурах. ОЦР-установка, представленная на Рис. 5, содержит в себе нагнетатель (насос) первичного контура Р-100, подогреватель Е-100, детандер первичного контура К-100, межступенчатый теплообменник Е-101, нагнетатель вторичного контура Р-101, детандер вторичного контура К-101 и холодильник (сухую градирню) АС-100. РТ первичного контура транспортируется потоками 1 – 4, Подвод и отвод теплоносителя в подогреватель осуществляется соответственно потоками 5 и 6, а циркуляция РТ вторичного контура осуществляется потоками 7 – 10. Потоки энергии к насосам – N1 и N3, а потоки энергии, вырабатываемой детандерами – N2 и N4.

Рис. 5

Данная энергоустановка предназначена для локального энергоснабжения удалённых индивидуальных потребителей, в связи с чем температура продуктов сгорания, поступающих в подогреватель Е-100 составляет +450 °С. Тепло отводится посредством сухой градирни при температуре наружного воздуха +25 °С. С учётом эффективного подбора рабочих тел, применения объёмных детандеров с высоким внутренним КПД, электрический КПД такой ОЦР-энергоустановки составит 32% в летний период.

При сохранении температуры подвода тепловой энергии зимой, при температуре наружного воздуха -25 °С, электрический КПД энергоустановки составит 39%. При этом среднегодовой КПД, в зависимости от климатической зоны будет лежать в пределах 35 – 36%. Обратим внимание, что данные КПД превышают КПД крупных ТЭС, работающих на квалифицированных ископаемых видах горючих, а тепловая энергия, отводимая от рассмотренных ОЦР-установок может использоваться непосредственно потребителями на месте эксплуатации для нужд отопления и горячего водоснабжения (ГВС). Теплообменник (теплообменники) для нужд энергоснабжения потребителей (на схеме, Рис. 5 не показаны) предпочтительно встраивать между детандером второго контура и градирней.

Для реализации данного термодинамического цикла потребуется широкая степень регулирования как нагнетателей, так и детандеров, например, степень повышения давления насосов для режимов работы лето / зима должна изменяться более, чем 1:3 и, соответственно, должна варьироваться степень расширения детандеров первичного и вторичного контуров.

Выводы

Разработанный адаптивный термодинамический цикл, созданный на основе циклов Ренкина, Стирлинга и т.п. путём их динамизации, позволяет создать на своей базе высокоэффективные энергоустановки для использования их как с целью утилизации низкопотенциального тепла, так и с целью локального энергоснабжения удалённых потребителей с использованием возобновляемых и низкосортных местных горючих, а также с использованием энергии Солнца и геотермальной эергии.

По оценкам автора, потенциал применения таких энергоустановок с целью теплоутилизации и использования низкопотенциального тепла, только в России составляет на порядка 40 ГВт установленной мощности. Это находится на уровне 15% установленных сетевых электрогенерирующих мощностей и позволит, не наращивая использования ископаемых видов топлив обеспечить значительное увеличение отпуска электроэнергии потребителям, что обеспечит как повышение топливной экономичности существующей системы электроснабжения потребителей, так и увеличит энергетическую безопасность России. На базе предложенного решения также будут созданы энергоустановки для локального энергоснабжения удалённых индивидуальных (коттеджи, фермерские хозяйства) и промышленных (добыча, транспорт и переработка сырья и т.п.) потребителей электроэнергии с использованием местных низкосортных горючих.

Примером реализации теплоутилизационных решений на базе адаптивного ОЦР, предназначенных для транспорта ископаемого природного газа по газопроводной инфраструктуре ОАО «Газпром» является блочный теплоутилизационный комплекс (БУТЭК), см. Рис. 6, дизайн которого разработан специалистами компании ООО «Малая и альтернативная Энергетика» (ООО «МАЭН») на базе решений, описанных в данном материале.

Рис. 6

Схема включения ОЦР-установки, разработанная совместно специалистами ООО «ОЦР Технологии» и ООО «МАЭН», представлена на Рис. 7. Данная схема показывает включение БУТЭК в структуру линейного газоперекачивающего агрегата (ГПА).

Рис. 7

Применение предложенных БУТЭК в составе существующей газотранспортной инфраструктуры позволит как увеличить объём прокачки ИПГ, так и повысить надёжность работы ГПА, исключив необходимость внешнего подвода электроэнергии по протяжённым электросетям, расположенным в малонаселённых регионах с суровым климатом.

 

Алфавитный указатель: 

Рубрики: 

Subscribe to Comments for "Применение регулируемых термодинамических циклов для утилизации низкопотенциального тепла"