Category: наука

Category was added automatically. Read all entries about "наука".

Добро пожаловать и немного о журнале

В этом журнале размещаются только (почти только) статьи, интервью и прочие материалы по теме малой энергетики, экологии, безопасности инфраструктуры, перспективным проблемам квалифицированного терроризма, изменениям климата и прочим вещам, далёким от нашей повседневной жизни, интересным и касающимся лишь специалистов.

Учитывая, что указанные тематики сродственны, в каждой отдельной статье затрагивается ряд из них. Например, что делать с проблемой выхода из строя газопроводов по причине непрерывного смещения границы вечной мерзлоты, как жить в Москве, если любители коротких штанов и помещающейся в кулак бороды начнут запускать дроны, рассеивающие в засуху пирофорные элементы над лесами и торфяниками, а зимой – замыкать Московское энергетическое кольцо?
Что делать, что бы в доме были свет и тепло, когда сила ураганного ветра в московском регионе достигает значений, на которые не рассчитаны опоры даже новых высоковольтных ЛЭП. И правда ли, что зима будет теплой, а на пальмах в Новосибирске начнут цвести ананасы т.к. идёт глобальное потепление, а не глобальная оттепель при очередном ледниковом периоде.
Почему plug-in hybrid, солнечные батареи на крыше и наличие колодца могут стать средством выживания читателя в грядущем. И можно ли будет жить в городе, где неустранимые уязвимости систем вентиляции и водоснабжения потребуют для кардинальной модернизации до 8-ми доходных частей бюджета России целиком.
Для чего в многоэтажном доме (МКД) может потребоваться буржуйка, подключённая к системе отопления всего дома, где можно будет сжигать мебель, паркет, ТБО и деревья с округи. И при каких обстоятельствах от наличия такого водогрейного котла на твёрдом топливе будет завесить жизнь обитателей дома. И почему, если такой водогрейный котёл будет вырабатывать немного электроэнергии, нужной для работы его автоматики и систем циркуляции теплоносителя, это позволит снизить смертность в МКД, оставшихся без света, тепла и газоснабжения в самую холодную пятидневку.
Что делать, когда блэкаут (каскадная авария в электросетях) произошёл холодным вечером, метро замерло, пробки из трамваев троллейбусов и личных машин засыпало снегом, до вокзала не доехать, а электрички на дачу встали. Да и скорая, полиция, службы охраны перестали реагировать на звонки. В сети ток напряжением 0 Вольт с частотой 0 Гц, надёжная дверь с электромагнитным замком открылась и в квартиру скребутся трудолюбивые гастарбайтеры в поисках хозяев той новой и дорогой Camry, у которых в баре стоят бутылки с харамом и точно есть чем поживиться на дозу.
Также затронем тематику реконструкции МКД, а не их сноса под видом реновации и как это связано с майнингом биткойнов и риском того, что будет подорвана продовольственная безопасность путём точечного заражения террористами, например, 0,001% посевов сильнодействующими ядам, когда остальные 99,999% сельхозпродукции будет хоть и безопасно но страшно есть.
И рассмотрим вопросы повышения энерогэффективности и экологичности, создания дружественной окружающей среды, устойчивого развития и решений в стиле win-win, что бы всё указанное выше реализовалось от слова никогда, благодаря работе эффективныйх менеджеров и мудрому руководству нашими невороватыми рабами с галер.

Все публикуемые материалы написаны только автором, его коллегами или являются их интервью, докладами и т.п.
Автор будет рад любой критике, замечаниям и т.п. Наиболее желательна критика с указанием замеченных ошибок и с приведением доводов. Всегда буду рад развернуто на неё ответить и учесть в работе, ежели критика конструктивна. Неконструктивной критике также рад – она повышает рейтинг и всякие там хирши с уDOIями :) Ещё можете похвалить, если материал понравился, но это не очень требуется.
Если у читателя возникнет продолжение по новому направлению, не затронутому в исследованиях, всегда буду рад обсудить тему, а равно рассмотреть возможность внедрения разработанных технических и организационных мероприятий по снижению риска потенциальной гибели населения в ЧС, защите производств от инфраструктурных рисков и прочих оскалов будущего, рассмотренных в материалах.

Заглянувшие сюда могут прочитать и фельетон биографии автора странички.

Желаете зафрендить милости прошу. В друзья взаимно добавляю. Если добавили, то лучше отпишитесь в этом посте, что бы не сложилась ситуация, что случайно пропустил сообщение о добавлении в друзья.

P.S. Некоторые более свежие материалы, не выложенные в ЖЖ, доступны на сайте "Academia.edu".

P.P.S. Все остальные темы могут обсуждаться в песочнице, например в Facebook, Twitter, Linkedin и в прочих сетях, куда теперь практически не заглядываю:

[Ссылки]
Зеркало журнала по адресу: http://lj.rossia.org/users/samo_de1kin/

В ответ на новую политику "ЖЖ" настоящим я объявляю, что все мои персональные данные, фотографии, рисунки, переписка и так далее, являются объектами моего авторского права (согласно Бернской Конвенции). ДЛЯ КОММЕРЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ всех вышеупомянутых объектов авторского права в каждом конкретном случае необходимо мое письменное разрешение. Если использование некоммерческое, то допустимо копирование материалов при наличии ссылки на источник или активной ссылки в электронном материале.

ОЧИСТКА ШАХТНОГО ВОЗДУХА ОТ МЕТАНА С ПРИМЕНЕНИЕМ ГАЗОГИДРАТНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, часть 1

Велицко В.В., советник, Фонд Байбакова.

Хавкин А.Я., доктор технических наук, до-цент, главный научный сотрудник Института проблем нефти и газа Российской академии наук, лауреат Медали ЮНЕСКО «За вклад в развитие нанонауки и нанотехнологий».


ОЧИСТКА ШАХТНОГО ВОЗДУХА ОТ МЕТАНА
С ПРИМЕНЕНИЕМ ГАЗОГИДРАТНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ


Статья опубликована в журнале Естественные и технические науки, 2012, №1, с. 149-161.

Резюме
Показано, что применение газогидратных технологий позволит очистить шахный воздух от метана, который затем можно использовать в качестве горючего, а также для энергоснабжения самоходных шахтных машин и шахтного оборудованиия. Выделенный метан также может использоваться в качестве горючего двигателей внутреннего сгорания (ДВС), а также в высокотемпературных твёрдооксидных топливных элементах (Solid-oxide fuel cell – SOFC). Очистка шахного воздуха от метана снизит аварийность при добыче угля шахным способом.

CLEARING OF MINE AIR FROM METANE
WITH APPLICATION GASHYDRATES TECHNOLOGIES


Summary
It is shown that application gashydrates technologies will allow to clear of mine air from methane which then can be used as fuel supply including for power supply of the self-propelled mining machines and the mine equpment. Extracted methane also may be used as a fuel in a internal combustion engines (ICEs) and in the high temperature solid oxide fuel cells (SOFC). Clearing of mine air from methane will lower breakdown susceptibility by a coal mining way.
[Читать далее:]
24 января 2012г. Председатель Правительства РФ В.В.Путин провел в шахтерском городе Кемерово совещание «Об итогах реструктуризации и перспективах развития угольной промышленности» и подписал «Долгосрочную программу развития угольной промышленности России до 2030 года». В.В.Путин поставил задачу увеличить добычу угля в РФ с нынешних 336 млн.т до 430 млн.т. в 2030г. При этом В.В.Путиным было отмечено, что уже принято решение вложить дополнительные средства в НИОКРы по безопасности: «В целом сформирован на сегодняшний день целый набор административных и экономических рычагов, обязывающих работодателя строго соблюдать требования безопасности, вкладывать инвестиции в охрану труда. Мы закрепили это на нормативном уровне. Кардинально изменены и принципы оплаты труда горняков, и здесь также акцент сделан именно на безопасность труда, чтобы жизнь и здоровье горняка не приносились в жертву объёмам добычи» [1].
Одним из важнейших аспектов соблюдения техники безопасности при шахтной добычи угля является очистка шахтной воздушной среды от метана, и не просто очистка, а превращение угольного метана в энергетический продукт. За счет использования энергоресурса метана планируется полностью обеспечить предприятия и население Кемеровской области метаном, и за счет метана – электрической энергией [2].
Шахтным способом в России добывается более 100 млн тонн угля в год [3]. Пыль и газообразные продукты в атмосфере горных выработок и на поверхности техногенного массива являются во многих случаях источниками профессиональных вредностей, а также опасности возгораний и взрывов. Заболевания органов дыхания рабочих являются самыми распространёнными (более 30%) при добычи угля, а взрывы газа и пыли в подземных выработках сопровождается наибольшим числом жертв, а пожары – максимальным экономическим ущербом. Разработка метаноносных пластов продолжает оставаться одним из основных факторов риска взрывов метано-пылевоздушных смесей с большими человеческими и экономическими потерями [4].
Динамика травматизма со смертельным исходом и аварийности при добычи угля на шахтах РФ показывает, что в шахтах угледобывающих бассейнов России гибнет ежегодно около 100 человек из-за взрывов метана, которые происходят во всех категориях шахт по газу, в целом 30-40 аварий в год [5]. Заболевания органов дыхания рабочих являются самыми распространёнными (более 30%) при добычи угля (предельно допустимая концентрация (ПДК) метана в воздухе составляет 7 г/м³ [6]).
И все это при постоянном улучшении применяемых способов вентиляции шахт, современных приборов газоанализа. Разбавление газа, поступающего из окружающего массива, до безопасных концентраций вентиляционной струей свежего воздуха в основных выработках добычного участка ещё не является гарантией безопасности ведения работ в конкретном штреке. Эпизодические «всплески» концентрации метана могут превышать допустимые пределы и вызывать его воспламенения, переходящие во взрывы [4].
Доказанные запасы угля в России составляют более 157 млрд. т [7]. Уголь, после метана, является вторым по распространённости в природе полезным ископаемым [7-11], которое может использоваться как в качестве энергоносителя, так и в качестве сырья для промышленного производства. Добыча угля в России осложняется тем, что в нашей стране средняя метаноносность угольных пластов превышает среднемировую метаноносность в 1,7 раза, составляя 8,3 кг метана на 1 т угля [12]. Указанные объёмы запасов угля, а также то, что с сохранением существующих темпов разработки, запасов угля в России хвати на 500 лет [7] ставят задачу по эффективному решению проблемы загазованности шахт угольным газом.
Угольный газ представляет собой смесь различных газов и его состав может варьироваться в широких пределах [13]. Наибольшую опасность при шахтной добыче угля представляют метан и иные углеводородные компоненты угольного газа, суммарная концентрация которых может составлять 99,5% (масс.) при массовом содержании метана 87,2% [14]. Поэтому в наиболее опасным компонентом является метан, хотя энергия активации реакции окисления метана в кислороде незначительно и выше, чем энергия активации аналогичных реакций для этана, пропана и бутанов [15].
Необходимость предварительной дегазации угольных пластов в России определена за-конодательно [16]. Применительно к задаче дегазации угольного пласта приходится сталкиваться с тем, что эффективное удаление метана из угольного пласта невозможно, пока в нём не будет проведена эффективная деструкция нанополостей, в которых располагается адсорбированный угольный метан, составляющий до 70% метана, содержащегося в угольном пласте. Сложность заключается в том, что относительно легко из угля может быть выделен свободный метан (примерно 30%), и еще частично может быть выделен адсорбированный метан. Однако максимальную сложность представляет извлечение метана, находящегося в виде твёрдого раствора в угле в порах размером 10 нм и менее [17-19]. Предварительная дегазация угольных пластов проводится различными способами, но нанопоры в угольном пласте делают этот процесс весьма затратным и низкоэффективным.
Существующие технологии удаления шахтного метана базируются на минимизации его просачивания во внутришахтное пространство [4, 5, 20, 21], а также на активной вентиляции шахт. Применение вентиляции шахт ограничено тем, что скорость потока воздуха в выработках и призабойном пространстве не должна превышать соответственно 6 м/с и 4 м/с [22], что налагает ограничения на использование приточно-вытяжной вентиляции при протяжённых горных выработках, а также увеличивает затраты на создание вентиляционных систем шахт с протяжёнными выработками.
Отсутствие современных эффективных решений по предварительной дегазации угольных пластов, защите внутришахтного пространства, исключению выбросов во внутришахтное пространство шахтного газа, а также ограниченная эффективность систем вентиляции, приводят к взрывам шахтного метана, как в России, так и во всём мире (рис. 1 [23]).
Ведущие промышленно-развитые угледобывающие страны не могут обеспечить исключение смертности от аварий на шахтах, что означает высокую смертность при каждом очередном миллионе тонн добытого угля (рис. 2 [24]).
Работа шахтёров также осложнена тем, что даже во взрывоопасных угольных шахтах используется дизельные шахтные машины – применяются погрузочно-транспортные машины с дизельными двигателями номинальной мощностью 42-298 кВт [25].
Использование шахтных машин с дизельными двигателями внутреннего сгорания (ДВС) обусловлено тем, что в протяжённых горных выработках зачастую невозможно или экономически неоправданно использование машин с иными типами приводов, например с использованием электрических, пневматических или гироскопических аккумуляторов, в связи с относительно низким пробегом на одной зарядке.

1

Рис. 1. Крупнейшие аварии в мире за период 1835-2010 гг. [23].

2

Рис. 2. Смертельный травматизм в при добыче угля за период 1991-2010 гг. [24].

Практика использования рудничных пневмовозов показала, что пробег на одной зарядке составляет в пределах 5-6 км. при перевозимом грузе в пределах 60-100 т [26, 27]. Также недостатком рудничных пневмовозов являются как высокая удельная масса баллонов для сжатого воздуха, так и предварительное дросселирование сжатого воздуха перед подачей в рабочий цилиндр, что делает пневмовоз наиболее дорогой в эксплуатации шахтной транспортной машиной [27]. В случае зарядки пневмоаккумуляторов пневмовозов от общешахтной пневмосети, их радиус действия ещё больше сокрашается, что позволяет их рассматривать исключительно как вспомогательный транспорт [28].
Неоспоримым преимуществом по экологичности и безопасности обладают рудничные электровозы с индукционной системой питания, однако недостатками данных машин является необходимость прокладки рельс, системы индукционного питания, а также негативное воздействие на персонал электромагнитных полей. В этой связи находят широкое применение шахтные машины именно с дизельным приводом, как более энерговооружённые, маневренные и не требующие прокладки рельсового пути [29].
В соответствии с требованиями [30], шахтные машины с приводом от ДВС должны обеспечивать минимальные выбросы продуктов неполного сгорания и оксидов азота. Минимизация уровня удельного топливопотребления шахтными машинами также регламентируется [31]. Требования по минимизации удельного топливопотребления снижению объёмов выбросов вредных веществ шахтным оборудованием обусловлены необходимостью поддержания в шахтном воздухе минимальной концентрации вредных веществ для обеспечения минимальных кратностей воздухоообмена с целью создания необходимых условий работы для шахтёров.
Использование дизельного привода шахтных машин налагает дополнительные требования на систему шахтной вентиляции, т.к. на 1 кВт установленной мощности двигателя требуется подача 30-60 л/с свежего воздуха, обеспечивающего разбавление образующегося углекислого газа, а также не полностью нейтрализованных системой очистки отходящих газов ДВС оксидов азота и продуктов неполного сгорания [32]. Также дополнительное количество свежего воздуха используется для разбавления шахтного воздуха, нагретого продуктами сгорания ДВС, с целью снижения температуры шахтного воздуха.
В случае сжигания стехиометрической смеси дизельного топлива с воздухом, например, в горелке двигателя наружного сгорания (ДНС), необходимый расход воздуха с целью разбавления образовавшегося углекислого газа и охлаждения продуктов сгорания сократится до 20 л/с на 1 кВт установленной мощности двигателя [32]. Ещё большее снижение потребного дополнительного расхода воздуха можно обеспечить заменой дизельного топлива с низким массовым соотношением водорода к углероду (H/C) равным 1,85 на топливо с высоким соотношением H/C, что позволит минимизировать выбросы углекислого газа, а следовательно – минимизировать удельный расход вентиляционного воздуха, приходящийся на киловатт установленной мощности ДВС шахтных машин.
Отметим, что традиционно используется неправильное название «дизельное топливо», вошедшее в привычный оборот и несоответствующее сути, т.к. «дизельное топливо», на самом деле, является дизельным горючим и превращается в дизельное топливо только после смешения с порцией воздуха в цилиндре ДВС, ибо химическим топливом является отдельное вещество – унитарное топливо, – или же смесь веществ, способных к разложению при создании соответствующих термобарических условий.
Идеальным моторным горючим, соответствующим критерию максимального увеличения соотношения H/C является водород, в результате сжигания которого полностью отсутствует образование диоксида углерода (CO2) из компонентов горючего. В настоящее время полностью отработаны технологии выработки, хранения водорода в сжатом, адсорбированном или ожиженном виде [33], технология заправки им автотранспорта, а также технологии конвертирования ДВС для работы на водороде [34, 35] или смешанном горючем, являющемся смесью водорода и жидкого моторного горючего (дизтопливо, бензин) [35]. Это, с технической точки зрения, позволяет переводить внутришахтный транспорт на использование в качестве горючего водорода или смешанного водородного горючего. Однако нерешённые проблемы с безопасным подземным хранением водорода, а также его относительная дороговизна и малодоступность не позволяют рассматривать водород в качестве широкомасштабной альтернативы дизтопливу ДВС шахтных машин.
В этой связи, ближайшим к водороду горючим, имеющим высокое соотношение H/C равное 4, является метан. Метан, являющийся основной причиной аварий в шахтах, может помочь улучшить условия труда шахтёров, т.к.при сохранении кратностей воздухообмена, объём выбросов диоксида углерода при переводе ДВС на метан, как будет показано далее, может существенно сократиться.
Дополнительным преимуществом использования метана вместо дизельного горючего является его более низкая молярная масса, равная 16,04 г/моль, чем у дизельного топлива, имеющего среднюю молярную массу 172,3 г/моль [36]. Использование метана обеспечит большую полноту сгорания горюче-воздушной смеси при реализации газодизельного цикла вместо полного перевода ДВС на газообразно топливо с реализацией цикла Отто [37].
Но существующие технологии хранения метана в сжатом или сжиженном виде по безопасности аналогичны технологиям хранения водорода, что делает их малопригодными с точки зрения безопасности, для использования в шахтах.
Задача безопасного хранения метана может быть решена совместно с задачей очистки шахтного воздуха от углеводородных газов, в том числе и метана. Предложенная технология очистки шахтного воздуха от метана путём превращения метана в газогидрат с последующим отделением образованного газогидрата от очищенного воздуха, позволяет, связывая метан в газогидратной форме, получать новый вид горючего – гидрат метана, не требующий при хранении особо низких температур и особо высоких давлений [38-40]. Установка по очистке шахтного воздуха от метана работает следующим образом: в установке наружный воздух при атмосферном давлении с температурой +(15-20)°С поступает во входной фильтр, где производится удаление механических примесей. После очистки от мехпримесей воздух поступает в рекуперативный теплообменник, где происходит предварительное охлаждение воздуха перед подачей в газогидратный агрегат. В компрессионной части газогидратного агрегата происходит сжатие воздуха, сопровождающееся повышением его температуры. Тепло от сжатого воздуха отводится в окружающую среду. Охлаждённый сжатый воздух из сухой градирни поступает в расширительную часть газогидратного агрегата, где происходит снижение его температуры до минус 30°С. Охлажденный воздух вместе с водой поступает непосредственно в модуль по образованию гидрата метана. На выходе из газогидратного агрегата будет безметановая воздушная среда. При этом указанные установки могут быть выполнены в виде линейки типового оборудования, в которую должны входить как индивидуальные установки для эксплуатации в забоях, так и стационарные, обеспечивающие их эксплуатацию в центральных штреках. При этом минимальная производительность установки предус-матривается в размере 1 м³ (при давлении 0,1 МПа) воздуха в минуту при массе самой установки около 70 кг, тогда как установка максимальной производительности будет осуществлять очистку 35 м³ воздуха в минуту при массе около 2 т [41].
Важной особенностью данной установки очистки шахтного воздуха от метана является возможность парирования суфлярных выбросов метана, т.к. установка простыми средствами может быть выполнена с существенным запасом по производительности, позволяющим выделять из воздуха до десятков процентов метана, в случае суфлярного выброса газа, произошедшего в зоне, обслуживаемой установкой очистки. Такая установка систем очистки шахтного воздуха от метана позволит безопасно наращивать добычу угля сверх проектной мощности шахты, в противоположность ограниченным допустимым кратностям традиционного воздухообмена. Предложенная система очистки, работая параллельно с системой шахтной вентиляции, будет обеспечивать поглощение дополнительных объёмов выделяемого шахтного метана, что позволит сохранить ДПК метана в шахтном воздухе при увеличении производительности шахты.
Гидрат метана остаётся стабильным при невысоком давлении и умеренных отрицательных температурах (рис. 3 [42]). Как видно из рис. 3, гидрат метана остаётся стабильным при температуре –5°C и давлении менее 1 МПа. Это позволяет безопасно хранить гидрат метана, при этом емкость для его гранения будет иметь на порядок низкое рабочее давление, чем рабочее давление баллонов для хранения компримированного метана, а также будет менее требовательна к необходимому слою теплоизоляции в сравнении с криогенными сосудами, предназна-ченными для хранения сжиженного метана.
Из шахтного газа, как видно из рис. 4 [9], могут выделяться и иные углеводородные газы, кроме метана: этан, пропан и изобутан.
В случае возможной разгерметизации ёмкости для хранения гидрата метана, гидрат метана начинает постепенно разлагаться на воду и метан при нормальных условиях. Разложение происходит плавно и в отличие от случая разгерметизации криогенной ёмкости со сжиженным метаном или баллона с компримированным метаном, не приводит к практически гарантированному мгновенному взрыву.
Пример горения гидрата метана на воздухе иллюстрирует рис. 5 [43]:

3
Рис. 3. Термобарические условия гидратообразования и зоны стабильности гидрата метана [42].
4
Рис. 4. Диаграмма равновесного состояния гидратов для гиратообразующих газов [9].

5

Рис. 5. Горение гидрата метана на воздухе [43].

Для использования гидрата метана в качестве горючего, термобарические условия должны быть изменены таким образом, что бы произошло разложение гидрата метана. Также допустимо использование специальных химических веществ, при добавлении которых гидрат может быть разрушен, например, без изменения термобарических условий. В результате разложения гидрата метана образуются вода и газообразный метан. Полученный метан может использоваться в качестве моторного горючего, тогда как вода может быть направлена в рецикл для образования следующей порции гидрата метана.
Выделенный из гидрата метан может направляться для работы в ДВС, например работающий по циклу Отто или Тринклера, в случае, если ДВС выполнен по газодизельному циклу. Отметим, что серийными газовыми или газодизельными, что менее предпочтительно, ДВС могут комплектоваться новые шахтные машины. Существующий парк шахтных машин также может быть переведён на газообразный метан, т.к. в настоящее время широко отработаны технологии конвертирования на газообразное горючее не только двигателей, работающих по циклу Отто, но и двигателей, работающих по циклу Дизеля и Тринклера, а также работающих по различным модификациям указанных циклов [44, 45].
На самоходной шахтной технике могут устанавливаться установки по очистке шахтного воздуха от метана. Аналогичными установками также могут комплектоваться стационарные потребители топлива, например основные или резервные электрогенераторы, или иное топливопотребляющее оборудование. При этом выделенный метан может направляться в качестве основного горючего для использования в ДВС установки, или же полученный из газогидрата метан, например, при низкой категорийности шахты по метану, может использоваться в качестве одного из горючих для многотопливного, например газодизельного, ДВС.
Рассмотренная выше ситуация с использованием метана в качестве моторного топлива целесообразна в том случае, если на метан переводятся двигатели существующего оборудования, что позволит при минимальных затратах на модернизацию парка шахтных машин осуществить снижение рисков взрывов метана, а также улучшить условия труда шахтных рабочих. Однако в случае создания нового оборудования или глубокой модернизации существующих типов самоходных шахтных машин, оптимальным будет использование в качестве потребителей метана не ДВС, а топливных элементов. Это связано с тем, что в настоящее время производятся мощные топливные элементы, использующие не только водород, в качестве горючего, но и углеводороды, например – метан [46]. Применение топливных элементов позволит практически полностью исключить выбросы продуктов неполного сгорания, оксидов азота, а также сажи и золы [47]. При этом на десятки процентов должно снизиться тепловое загрязнение шахты и выделение углекислого газа, что связано с тем, что топливные элементы обеспечивают электрический КПД более 50%, достигая КПД 70-80% [48], тогда как КПД дизельного двигателя грузового автомобиля при смешанном цикле составляет не более 30% [32]. Также, при частичных нагрузках увеличиваются выбросы вредных веществ дизельными ДВС [49]. Указанные значения КПД для дизельного ДВС и топливного элемента являются практически достижимыми при эксплуатации в шахтах, в связи с чем в данной статье не рассматриваются малооборотные двухтактные дизельные ДВС с КПД на валу до 55% [50, 51] и водородные топливные элементы с КПД 60-70% [52].
Выпускаемые в настоящее время топливные элементы могут использовать в качестве горючего не только водород или углеводородные соединения, легко разлагаемые при низких температурах на катализаторах на водород и монооксид углерода, но также и метан. Возможность использования метана в качестве горючего реализована в высокотемпературных твёрдооксидных топливных элементах (Solid-oxide fuel cell – SOFC), имеющих рабочие температуры в пределах 600-1000°С.
В частности, в серийном производстве находятся мощные, до 2,7 МВт топливные элементы с электрическим КПД равным 47% [47]. Следует отметить, что КПД топливных элементов существенно не изменяется при масштабировании в пределах от десятков до нескольких сотен киловатт, что обусловлено их конструкцией, в которой реализовано параллельно-последовательное соединение отдельных ячеек для достижения необходимого рабочего напряжения и силы тока. Это демонстрирует SOFC электрической мощностью 300 кВт с КПД также 47%, как и КПД более мощного SOFC того же производителя. При этом указанные топливные элементы используют в качестве горючего не чистый метан, а природный газ.
Современные топливные элементы имеют высокие удельные массогабаритные характеристики – так, в частности, изготавливаются SOFC объёмной мощностью более 15 кВт/л [52]. Технологически достижимый уровень SOFC стремится к 100 кВт/л (рис. 6).

6
Рис. 6. Значения объёмной мощности для различных конструктивных исполнений SOFC [52].

Топливные элементы для использования в авиации также демонстрируют приемлемые массовые характеристики, при удельной массе менее 5 кг/кВт [53], которая лежит в пределах удельной массы лучших высокофорсированных двухтактных высокооборотных дизелей (ВОД) с индикаторным КПД ниже 40%.
Оценим образование диоксида углерода при работе дизельного ДВС при КПД на уровне 40%, что, практически, является максимальным КПД для ДВС, используемых на наземных транспортных машинах, газопоршевого ДВС, с форкамерно-факельным зажиганием, работающего на обеднённом метановом топливе при КПД на уровне 38% и SOFC, работающего на метане при КПД не менее 50%. При этом примем, что окислителем горючего в каждом из рассматриваемых источников энергии является атмосферный воздух, обеспечивается 100% полнота сгорания топлива, при которой при сжигании дизельного топлива выделяется диоксид углерода в количестве 73 г/МДж, а при сжигании метана диоксид углерода выделяется в количестве 56 г/МДж [54]. Также в статье не рассматриваются выбросы вредных веществ, таких как монооксид углерода, оксиды азота, соединения серы и т.п. допуская, что каждый их рассматриваемых источников энергии технически может быть укомплектован системами очистки, полностью или до необходимого количества, снижающими выбросы с отходящими газами указанных вредных веществ. Сравнительные характеристики приведены в таблице:

7

Как следует из вышеприведенной таблицы, перевод ДВС шахтных машин на метан, выработанный из шахтного воздуха, позволяет на 19% снизить эмиссию диоксида углерода внутри шахты при несущественном увеличении тепловыделения от ДВС. Также это позволит исключить или снизить (при газодизельном цикле) временные и трудовые затраты связанные с заправкой шахтных машин дизтопливом. Применение в качестве источников энергии топливных элементов позволит практически двукратно снизить эмиссии диоксида углерода при 20% снижении тепловыделения в шахте, при этом также отпадает необходимость осуществления операции топливозаправки шахтных машин.
Помимо описанных выше преимуществ применения систем очистки шахтного воздуха от метана, в настоящее время существует и налоговый стимул по обеспечению дегазации угольных пластов [55]. При реализации указанного постановления Правительства РФ, а также при утилизации метана вентиляционных струй шахт, будет производиться снижение налога на метанообильность [56], что позволит ускорить внедрение технических решений, обеспечивающих более глубокое использование шахтного метана.
При внедрении комбинированных описанных систем будет необходимо адаптировать технологию выработки гидратов к шахтным условиям, а, учитывая сложный состав шахтного газа, будет оптимальным обеспечить перевод в газогидратную форму не только метана, но и иных углеводородных газов, входящих в состав шахтного газа. При конвертировании ДВС шахтных машин на использование в качестве горючего углеводородных газов, выделенных из шахтного воздуха, будет необходимо обеспечить сохранение или минимальное снижение мощности, что бы это негативно не сказалось на количестве перевозимого ими груза.
В перспективе, самоходные шахтные машины могут быть полностью переведены на электрический привод с питанием от топливных элементов. Для этого потребуется обеспечить изменение конструкции машин таким образом, что бы вместо существующих силовой установки, трансмиссии и системы топливоснабжения были установлены установка по очистке шахтного воздуха, топливный элемент и электроприводы движетелей (колёса, гусеницы). Существующие шахтные машины с электроприводом могут быть дополнены прицепами, в которых могут устанавливаться вышеуказанные компоненты, что позволит обеспечивать высокую степень автономности и мобильности электроприводных шахтных машин.
Помимо рассмотренных сфер применения, топливный элемент на метане или газовый ДВС в комбинации с установкой очистки шахтного воздуха от метана и иных углеводородных газов, могут использоваться в качестве основных или вспомогательных источников энергии, снабжающих энергией как сами установки очистки, так и, например, системы освещения, КИПиА, ручной инструмент и иных потребителей электроэнергии. Это позволяет рассматривать в качестве оптимальных мест для внедрения данного оборудования все шахты со степенями опасности по метану от I до VI степени. При этом положительный эффект будет тем больше, чем более протяжённые выработки имеются в шахте, и чем более высокая степень газообильности указанных выработок.
При реализации изложенного подхода будут достигнуты следующие результаты:
• снижение вероятности взрывов шахтного метана;
• оперативное поглощение метана при локальных выбросах шахтного газа при суфляр-ных выбросах;
• улучшение условий работы шахтёров за счёт снижения концентрации метана;
• улучшение условий работы шахтёров за счёт снижения вредных выбросов при пере-воде шахтных машин с дизельными ДВС на метан;
• исключение необходимости завоза моторного топлива на шахты и необходимости за-правки топливом шахтных машин;
• улучшение санитарных условий и пожаронй безопасности в шахтах за счёт отсут-ствия подземных хранилищ с дизельным топливом;
• снижение налоговых выплат в соответствии с действующим законодательством;
• производство дополнительной товарной продукции в виде гидрата метана, или мета-на с виде сжатого (КПГ), или сжиженного газа (СПГ).
Таким образом, описанные установки (например, для работы шахтера в индивидуальном штреке) мощностью 5 кВт обеспечит очистку 1 м3 (при нормальных условиях) воздушной среды в минуту и будет иметь вес 70-100 кг. Габариты установки 0,6 х 0,6 х 0,8 м. При концентрации метана 3% в воздушной среде такая установка утилизирует метана 5 м3 в час или 30 м3 за 6 часов.
Установка мощностью 120 кВт обеспечит при концентрации метана 3% в воздушной среде очистку 30 м3 воздушной среды в минуту и будет иметь вес 2,5 т. Габариты установки 2 х 2 х 3 м. При концентрации метана 3% в воздушной среде такая установка утилизирует метана 70 м3 в час или 1,7 тыс. м3 метана в сутки.
В случае суфлярных выбросов метана, увеличится мгновенная производительность указанных установок, что парирует эти мгновенные увеличения концентрации.
Обычный объем выделения метана в шахте – 150-170 тыс. м3 в сутки. Поэтому гидрата метана в 1 шахте будет производится 1 тыс. м3 метангидрата в сутки. Для его утилизации понадобится 10 установок мощностью 1,7 тыс. м3 метана в сутки.
При стоимости 1 тыс. м3 метана на внутрироссийском рынке примерно $100, имеем, что за сутки будет вырабатываться метана на $16 000, а за месяц – на $480 000 (или 14 млн. руб.).
При стоимости 1000 м3 метана на мировом рынке примерно $400, имеем, что за сутки будет вырабатываться метана на $64 000, а за месяц – на $2 000 000.
А за счет уменьшения вероятности взрывов метана будут уменьшены возможные потери из-за таких взрывов, и поэтому будут сэкономлены значительные средства от затрат на восстановление шахт после таких взрывов.

Применение регулируемых термодинамических циклов для утилизации низкопотенциального тепла

Применение регулируемых термодинамических циклов
для утилизации низкопотенциального тепла


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

Статья опубликована в сборнике материалов V Конференции "ТРИЗ. Практика применения методических инструментов в бизнесе", Москва, 22 - 23 ноября 2013 г.
Велицко_(1)_6

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.[Читать далее:]
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.

Велицко_(1)_1

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.

Велицко_(1)_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.

Велицко_(1)_3

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.

Велицко_(1)_4

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.

Велицко_(1)_5

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.

Велицко_(1)_6

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).

Велицко_(1)_7

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.