Vladislav Velitsko (samo_de1kin) wrote,
Vladislav Velitsko
samo_de1kin

Categories:

Автономные энергоустановки на местных видах горючих и возобновляемых источниках энергии...


Автономные энергоустановки на местных видах горючих и возобновляемых источниках энергии, базирующиеся на адаптивном термодинамическом цикле и системе безнагнетательной циркуляции рабочего тела

© Велицко В.В., Прохоров А.И.

ООО «ОЦР Технологии», г. Москва, Российская Инженерная академия, Москва.

Статья опубликована:
Новосибирск, Материалы II Всероссийской научной конференции с международным участием «Энерго– и ресурсоэффективность малоэтажных жилых зданий», Институт теплофизики СО РАН, 24–26.03.2015, с.271–279
Аннотация
В материале показана возможность создания автономных энергоустановок (мини-ТЭЦ), использующих местные виды топлив и возобновляемые источники энергии (ВИЭ), работающих по адаптивному термодинамическому циклу, позволяющему максимально полно использовать располагаемый переменный теплоперепад между источником тепла и внешней средой, зависящий как от условий подвода тепла, так и от переменных климатических условий. Указана возможность циркуляции рабочего тела (РТ) в конуре энергоустановки без использования классических насосов или компрессоров для обеспечения его циркуляции.

В настоящее время приоритетной задачей является обеспечение энергоснабжения жизнедеятельности с, по возможности, максимальным использованием ВИЭ, в том числе таких, как солнечная и геотермальная энергия. Вторым направлением развития мини-ТЭЦ является задействование для нужд энергоснабжения местных, в том числе возобновляемых видов горючих (топлив) [1, 2], что позволит как максимально сократить плечо транспортировки горючего к месту потребления, так и сократить дополнительную эмиссию диоксида углерода в атмосферу. Примером концепции такой комбинированной мини-ТЭЦ, использующей совместно ВИЭ и местные виды горючих является мини-ТЭЦ по технологии «Heat-El», базирующаяся на модифицированном цикле Ренкина с органическим РТ, разработанная ООО «ОЦР-Технологии» (Рис. 1)

01.png

Рис. 1. Комбинированная мини-ТЭЦ, использующая ископаемые горючие и ВИЭ.


Аналогично комбинированному использованию ВИЭ и органических, в том числе невозобновляемых горючих, в настоящее время рассматриваются и ОЦР-установки, использующие исключительно солнечную энергию для производства электроэнергии и тепла (см. Рис. 2).

02.png

Рис. 2. Теплофикационная ОЦР-установка [2].

Ключевым требованием при разработке ОЦР-установки по Рис. 1 являлась возможность выработки электроэнергии с использованием местных видов горючих и ВИЭ с себестоимостью не выше отпускной цены энергии, реализуемой потребителям посредством централизованных электрических сетей. Это должно позволить обеспечивать конкурентоспособное электроснабжение в районах с отсутствующими электрическими сетями или с дефицитом электрической мощности, а также обеспечить конкурентоспособное энергоснабжение потребителей в районах, куда осуществляется, периодически срываемый, северный завоз [3]. При этом в районах, с наличием централизованного электроснабжения, данная технология также может быть применима, т.к. в настоящее время на постсоветском пространстве и в частности – в России, наблюдается рост системных аварий в электрических сетях, вплоть до блэкаутов [4]. Это позволит экономически эффективно вырабатывая электроэнергию, используя внешние электрические сети в качестве резервного источника энергии на период проведения на ОЦР-установке планово-предупредительных ремонтов (ППР).
Ключевыми техническими аспектами, которые должны обеспечить высокую экономичность установки по технологии «Heat-El»являются:
·  применение адаптивного термодинамического цикла, обеспечивающего максимально полное использование располагаемого эксергетического потенциала, меняющегося в основном при изменении температуры окружающей среды;
·  использование бесклапанных регулируемых насоса и детандера, позволяющих варьировать степень повышения давления рабочего тела и степень его расширения;
·  использование в качестве РТ планово-деградирующего вещества или смеси веществ, например, сжиженного пропан-бутана технического (СПБТ), что позволяет при высокотемпературном подводе тепла обеспечивать высокий электрический коэффициент полезного действия (КПД) ОЦР-установки, планомерно замещая незначительную часть РТ подвергшуюся термолизу;
·  снижение энергозатрат на привод насоса путём применения технологии бескомпрессионного нагнетания рабочего тела, что особенно в ОЦР-установках, с низкой теплоёмкостью РТ, позволяет значительно повысить электрический КПД (КПДэ) и существенно снизить как допустимый утилизируемый температурный перепад, так и нижнюю границу экономически эффективно утилизируемого тепла.
Необходимость минимизации потерь на транспорт вырабатываемых энергоресурсов (электрическая, тепловая энергия, холод) налагают требование максимального приближения источника энергии к потребителю. Такие, зачастую взаимоисключающие требования, как: использование ВИЭ; использование местных видов горючих, зачастую имеющих переменное качество и являющихся неквалифицированными горючими; переменная нагрузка по времени суток и сезону, особенно в коммунальном секторе; сложность сжигания неквалифицированных горючих в топках малого объёма и с малым временем пребывания продуктов сгорания в котле; малая потребная единичная мощность мини-ТЭЦ, что особенно актуально для индивидуальной жилой застройки и т.п., налагают ряд взаимоисключающих требований к перспективным энергоустановкам.
Задача использования солнечной и геотермальной энергий, а также возможность сжигания местных видов горючих, таких как растительная биомасса, в том числе - древесные отходы, торф и т.п. может эффективно решаться с использованием мини-ТЭЦ с внешним подводом тепла работающих по циклам Ренкина, преимущественно по органическому циклу Ренкина (ОЦР), Стирлинга и Калины.
Не разбирая отдельно сильные и слабые стороны каждого из вышеуказанных термодинамических циклов следует отметить их общую слабую сторону – эти циклы обеспечивают максимальную экономичность только при фиксированном теплоперепаде между нагревателем и охладителем. Для примера возьмём ОЦР-установку, схема которой показана на Рис. 3.

03.png

Рис. 3. ОЦР-установка [5].

ОЦР-установка по Рис. 3 состоит из подогревателя (котла-утилизатора) Е-100, рекуперативного теплообменника Е-101, нагнетателя (насоса) Р-100, детандера К-100 и градирни АС-100. Жидкое РТ поступает потоками 1 и 2, частично или полностью парообразное или газообразное РТ – потоками 3 – 6. Мощность, подводимая к нагнетателю отмечена N1, 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 [5].
При изменении условий подвода тепла, например, при изменении калорийности топлива или меньшей интенсивности нагрева солнечного коллектора может снизиться температура нагрева РТ в подогревателе (Е-100). Однако для обеспечения получения максимальной работы в энергоустановке, РТ в подогреватель (Е-100) оптимально подавать с максимальным давлением, при котором ещё будет обеспечиваться его вскипание (естественно, рост механического КПД энергоустановки не линеен от степени приближения фактического давления в подогревателе к теоретически-обоснованному). В результате, при проектировании энергоустановок в качестве базового условия учитывается требование работы энергоустановки при минимальной допустимой температуре в подогревателе (Е-100). Это означает, что при использовании более качественных видов топлив и более интенсивной солнечной радиации в достаточной мере не используется увеличивающийся эксергетический потенциал между подогревателем и охладителем, т.к. РТ подаётся в подогреватель (Е-100) с давление меньшим, чем оптимальное давление при фактически достижимой температуре подогрева.
Аналогичная ситуация складывается и при снижении температуры окружающего воздуха. При отсутствии необходимости полного использования вырабатываемой тепловой энергии на нужды теплофикации, тепловая энергия полностью или частично отводится во внешнюю среду с использованием холодильника, например, градирни (АС-100). Ключевым требованием для энергоустановки, использующей РТ в жидкой фазе, является полная конденсация РТ в холодильнике. При отсутствии конденсации РТ в холодильнике, РТ будет поступать на всас нагнетателя (Р-100) в виде, как минимум двухфазной среды, что может привести к неработоспособности нагнетателя, а также приведёт к увеличению его потребляемой мощности, затрачиваемой на компримирование паровой или газовой фазы РТ.
В этой связи термобарические условия полной конденсации РТ в градирне (АС-100) определяются самым жарким периодом года. Учитывая что среднегодовая температура на 20 – 30 ºС и более ниже максимальной годовой температуры, существующие энергоустановки и здесь работают с заниженным КПДэ, что обусловлено не полным использованием располагаемого эксергетического потенциала между фактическими температурами подвода тепла к РТ в подогревателе и овода от него тепла в холодильнике.
Данная задача может быть успешно решена с использованием разработанного адаптивного термодинамического цикла, позволяющего в реальном времени отслеживать температуру подвода тепла к РТ в подогревателе и температуру отвода тепла от РТ в охладителе и в зависимости от них изменять степень повышения давления нагнетателя (Р-100) и степень расширения РТ в детандере (К-100). Это позволяет максимально полно использовать располагаемый эксергетический потенциал и увеличить среднегодовую выработку электроэнергии. Например, для двухконтурной ОЦР-установки (Рис. 4), первый контур которой заполнен аммиаком, а второй – изопентаном (оба рабочих тела являются рекомендованными к применению природными хладагентами), максимальный КПДэ составит 39%, среднегодовой, в зависимости от климатической зоны – 35 – 36%, тогда как без применения адаптивного цикла КПДэ составит 32% [5].

04.jpg

Рис. 4. Двухконтурная ОЦР-установка [5].

На основе созданного адаптивного ОЦР-цикла разработана проектная документация на ОЦР-установку для энергоснабжения коттеджей (Рис. 5).

05.jpg

Рис. 5. Двухконтурная ОЦР-установка «Heat-El Micro» электрической мощностью 10 кВт, тепловая мощность 15 кВт.

На базе ОЦР-установки по Рис. 5 ООО «ОЦР Технологии» совместно с ООО «МАЭН» разработана схема подключения ОЦР-установок, являющихся блочными теплоутилизационными энергетическими комплексами (БУТЭК), предназначенными для энергоснабжения промышленных потребителей, в частности – газоперекачивающих агрегатов (ГПА). БУТЭК и схема его  включения в состав ГПА представлены на Рис. 6.

06.png

Рис. 6. БУТЭК на базе ОЦР-установки, предназначенный для обеспечения собственных нужд (СН) линейного ГПА.

Одной из сфер применения ОЦР-установок, использующих в своей работе адаптивный цикл является работа в составе водогрейных котельных, центральных и индивидуальных тепловых пунктов (ЦТП и ИТП). Особенностью функционирования системы теплоснабжения в России является количественное и качественное регулирование отпуска тепла. Если количественное регулирование при фиксированной температуре теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах теплотрассы не представляет сложности для работы ОЦР-установки, то качественное регулирование определяется тепловым графиком, по которому существенно изменяется температура как минимум в подающем трубопроводе теплотрассы. При этом величина изменений температуры такова, что ОЦР-установка нерегулируемого типа, не всегда будет работоспособна. Пример встраивания ОЦР-установки в состав ЦТП показан на Рис. 7.

07.jpg

Рис. 7. Схема включение ОЦР-установки в состав ЦТП [7].

Применение данных решений позволит повысить надёжность фукционирования системы энергоснабжения России и повысить энергетическую безопасность, снизить выбросы вредных веществ при неэффективном производстве электроэнергии (только для г. Москвы снижение выбросов NOx составит не менее 250 тонн в год) и повысит инфраструктурную безопасность населённых пунктов, которая, в настоящее время, имеет крайне низкую степень защиты [6].
В основу ОЦР-установок положены бесклапанные объёмные детандеры и насосы, обеспечивающие возможность регулирования рабочих фаз (впуск, нагнетание или сжатие, расширение) [5, 8].
Важной ключевой технологией, позволяющей создавать высокоэффективные локальные энергоустановки, использующие неквалифицированные горючие и ВИЭ является технология применения планово-деградирующего, в процессе эксплуатации энергоустановки, РТ [7]. Это связано с необходимостью использовать максимально высокую начальную температуру подвода тепла, тогда как применение высокостабильных РТ зачастую ограничивается либо их высокой стоимостью, либо –опасностью, либо – сложностью применения, обусловленной их агрессивностью и/или высокими рабочими давлениями (аммиак, диоксид углерода и т.п.). Например, применяемые органических РТ в простом цикле при начальной температуре (НТ) до +300 °С обеспечивают КПДэ не более 29% (см. Рис. 8).

08.png

Рис. 8. Значения максимального КПДэ ОЦР с регенеративными ТО в зависимости от применяемого РТ [9].

Интенсивное разложение наблюдается у углеводородов, таких как С3 – С6, которые могли бы, исходя из своих теплофизических характеристик, применяться в качестве высокотемпературных РТ, т.к. дегидрирование алканов интенсифицируется, например, на хромсодержащих и никельсодержащих катализаторах, а это означает, что прекрасным катализатором для разложения РТ будет являться трубопроводный контур, выполненный из жаропрочных хромоникелевых сплавов.
Применение планово-деградирующего РТ позволяет обойти данное ограничение тем, что РТ вырабатывается непосредственно в энергоустановке из компонента горючего (например пропан или бутан, получаемые из СПБТ), дёшево, доступно и, после разложения, утилизируется в качестве компонента горючего при работе энергоустановки. Это позволяет существенно, как минимум до +500...550 °С поднять температуру подвода тепла к РТ в подогревателе, а при реализации дополнительных мероприятий ещё более поднять данную температуру. В результате реальная ОЦР-установка, в конденсационном режиме может обеспечивать КПДэ на уровне 45%, а в теплофикационном – на уровне 38...40%.
Значительную сложность при повышении КПДэ ОЦР-установок представляет из себя относительно низкая (в сравнении с водой) теплоёмкость используемых РТ (см. Рис. 9). Это приводит к тому, что, при аналогичных условиях подвода и отвода тепла для производства того же количества работы, как и в паросиловой установке, работающей по классическому циклу Ренкина, в ОЦР приходится прокачивать гораздо большее количество РТ. В результате, затраты энергии на работу нагнетателя в ОЦР-установке с единиц процентов (цикл Ренкина) возрастают до десятков процентов (ОЦР).

09.png

Рис. 9. T-S диаграмма для органического РТ и воды [10].

Эта задача может быть решена применением технологии безкомпрессионного нагнетания РТ, позволяющей на десятки процентов, вплоть до более, чем 50% снизить работу, потребную для привода нагнетателя РТ ОЦР-установки. Данное решение является компонентом разработанного нового термодинамического цикла [4, 11-14], в настоящее время являющегося ноу-нау разработчика, позволяющего экономически эффективно использовать как сверхмалые перепады температур (в десятки градусов Цельсия), так и уменьшить нижний порог утилизируемых температур менее +70 °С.

Выводы
С применение вышеописанного комплекса технологий имеется возможность создать высокоэффективные энергоустановки, работающие как с использованием ВИЭ, так и с использованием местных видов горючих, а также квалифицированных горючих (ископаемый природный газ, СПБТ, мазут и т.п.). Все вышеуказанные технологии могут реализовываться и по отдельности, однако совместно они позволяют получить синергетический эффект в виде технологии создания мини-ТЭЦ, работающих с использованием солнечной, геотермальной энергий, низкосортных местных топлив (сланцы, торф, биомасса и т.п.), обеспечивающей КПДэ на уровне не менее 50%.
Это позволит обеспечить создание комфортных условий жизни и работы населения в зонах современного северного завоза, Дальнего востока, а также в районах крайнего севера, обеспечив стабильное энергоснабжение не зависящее от условий навигации, а также осуществлять разработку, обогащение и переработку неиспользуемых минерально-сырьевых ресурсов, использование которых в настоящее время ограничивается сложностью логистики энергоносителей. В более широко смысле предлагаемая технология может являться одним из ключевых элементов ввода в активный оборот неиспользуемых территорий России, активизации на них хозяйственной деятельности, оживления сельского хозяйства в депрессивных регионах и обеспечение ввода под коттеджное строительство территорий не имеющих энергетической инфраструктуры.
Дополнительными эффектами будет являться создание новых рабочих мест в промышленности, т.к. потенциальный спрос на микро-ТЭЦ бюджетного уровня в ближайшие годы может составить десятки тысяч штук в год, а также, с использованием мультипликативного эффекта, создание новых рабочих мест в смежных хозяйственных отраслях.

Литература

1.     Кукушкин С.А., Велицко В.В., Краснов А.Г. Организация производства концентраторных солнечных электростанций, комбинированных с паросиловым циклом // Содействуя экономическому развитию России. Проекты международного общественного фонда «Фонд содействия экономическому развитию им. Байбакова Н.К.» за 1996-2011 гг., М., Нефть и газ, 2011, с.144-146.
2.     Navarro-Esbrí J., Peris1 B., Collado R., Molés F. Micro-generation and micro combined heat and power generation using «free» low temperature heat sources through Organic Rankine Cycles // International Conference on Renewable Energies and Power Quality (ICREPQ’13) Bilbao (Spain), 20-22.03.2013, Renewable Energy and Power Quality Journal (RE&PQJ), №11, 03.2013.
3.     Таюрский В. Улусы спасает тушенка. Якутские чиновники сорвали северный завоз // М., Российская газета, №6302 от 11.02.2014 г.
4.     Велицко В.В. Реконструкция котельных в мини-ТЭЦ и снижение потребления электроэнергии на транспорт тепла в водогрейных котельных // Содействуя экономическому развитию России. Проекты международного общественного фонда «Фонд содействия экономическому развитию им. Байбакова Н.К.» за 1996-2011 гг., М., Нефть и газ, 2011, с.124.
5.     Велицко В.В. Применение регулируемых термодинамических циклов для утилизации низкопотенциального тепла // Сборник материалов V Конференции "ТРИЗ. Практика применения методических инструментов в бизнесе", М., 22-23.11.2013 г.
6.     Велицко В.В. Выявление и нейтрализация угроз государственной безопасности с применением инструментария ТРИЗ на примере угроз инфраструктурного, технологического и юридического характера // Сборник докладов международной конференции «Инструменты создания инноваций для развития предпринимательства», М., 14-15.11.2014, с.102-107.
7.     Велицко В.В. Нестабильные рабочие тела в высокоэффективных циклах тепловых двигателей, применяемых для нужд децентрализованного электроснабжения // Интернет: http://www.metodolog.ru/node/1786
8.     Краснов А.Г., Велицко В.В. Системы накопления энергии как элемент инфраструктуры эко-полиса // Сборник материалов ХI Международной конференции «Государственное управление: Российская Федерация в современном мире» 30.05-01.06.2013, Секция «Урбанизация – «Экополис XXI века»: теория, практика, сценарии, модели», МГУ им. М.В. Ломоносова, Факультет государственного управления.
9.     Vankeirsbilck I, Vanslambrouck B., Gusev S, Michel De Paepe Energetical, Technical and Economical considerations by choosing between a Steam and an Organic Rankine Cycle for Small Scale Power Generation // ORC 2011, First International Seminar on ORC Power Systems In memory of Prof. G. Angelino, Delft, 23.09.2011, Интернет: http://www.readbag.com/orc2011-nl-uploads-file-presentations1-energetical-technical-and-economical-consideration-by-choosing-between-a-steam-and-orc-for-small-scale-power-generation
10.  Karellas S., Schuster A., Supercritical Fluid Parameters in Organic Rankine Cycle Applications // International Journal of Thermodynamics, Vol.11 (№3), 08.2008, pp.101-108.
11.  Велицко В.В. Тепловой двигатель с термодинамическим циклом без предварительного сжатия и КПД более 50% // Содействуя экономическому развитию России. Проекты международного общественного фонда «Фонд содействия экономическому развитию им. Байбакова Н.К.» за 1996-2011 гг., М., Нефть и газ, 2011, с.128-129.
12.  Велицко В.В. Реконструкция котельных в мини-ТЭЦ и снижение потребления электроэнергии на транспорт тепла в водогрейных котельных // Содействуя экономическому развитию России. Проекты международного общественного фонда «Фонд содействия экономическому развитию им. Байбакова Н.К.» за 1996-2011 гг., М., Нефть и газ, 2011, с.130.
13.  Велицко В.В. Высокоэкономичные мини-ТЭЦ для работы на местных топливах // Содействуя экономическому развитию России. Проекты международного общественного фонда «Фонд содействия экономическому развитию им. Байбакова Н.К.» за 1996-2011 гг., М., Нефть и газ, 2011, с.137.
14.  Велицко В.В. Бескомпрессионный трубопроводный транспорт природного газа, нефти и нефтепродуктов // Содействуя экономическому развитию России. Проекты международного общественного фонда «Фонд содействия экономическому развитию им. Байбакова Н.К.» за 1996-2011 гг., М., Нефть и газ, 2011, с.131-132.
Tags: orc, organic rankine cykle, Автономная энергетика, Адаптивный термодинамический цикл, Безопасность мегаполисов, Владислав Велицко, Гелиоэнергетика, ГеоТЭС, Геотермальная энергетика, Низкопотенциальное тепло, Низкосортные топлива, ОЦР, Органический цикл Ренкина, Регулируемый термодинамический цикл, Собственные статьи, Солнечные электростанции, Термодинамические циклы, Фотоэлементы, Экология, Энергетика, Энергобезопасность, Энергоснабжение
Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 3 comments