Размещено на http://www.allbest.ru/

Перспективы применения энергетических установок с низкокипящими рабочими телами

1. Общие положения

В условиях быстрого роста цен на органическое топливо энергосбережение во всех отраслях промышленности является важнейшим фактором снижения себестоимости производства продукции и повышения её конкурентоспособности. Основные направления энергосбережения:

-утилизация низкопотенциальной энергии промышленных предприятий;

- создание простых и надёжных энергетических установок для производства тепловой и электрической энергии, работающих на местных видах топлива;

- повышение коэффициента использования теплоты топлива в энергетических установках, работающих на мини-ТЭЦ и магистральных газопроводах.

Решение перечисленных проблем сдерживается отсутствием на энергетическом рынке установок, позволяющих утилизировать тепловую энергию с низкими параметрами теплоносителей.

Для энергетических установок, утилизирующих низкопотенциальную энергию, применяют низкокипящие рабочие тела (НРТ), которые имеют достаточно высокие давления насыщенных паров при низких температурах. и поэтому давно привлекают внимание разработчиков в различных областях энергетики и, в частности, в геотермальной энергетике. В качестве НРТ применяют фреоны, водный раствор аммиака, пентан, изопентан, бутан, изобутан и др.

При выборе НРТ необходимо выполнять ряд требований:

* дешевизна рабочего тела;

* хорошие теплофизические свойства (максимум работы при минимальных параметрах);

* нетоксичность;

* отсутствие экологического воздействия на окружающую среду (озоновый слой, парниковый эффект);

* замерзание при достаточно низких отрицательных температурах, что важно для климатических условий северных регионов.

Область применения таких установок с НРТ достаточно широка.

В различных отраслях промышленности применяются сотни промышленных печей со сбросом горячих газов в атмосферу. В таких промышленных установках можно использовать теплоту уходящих газов в водогрейных или паровых котлах, из которых нагретую воду или пар подавать в контур с НРТ для выработки электроэнергии.

На магистральных газопроводах установлены сотни газотурбинных компрессорных станций со сбросом горячих газов в атмосферу. Такие ГТУ можно перевести в режим парогазовых установок (ПГУ) с применением контуров с НРТ. Такую же схему можно применить для энергетических ПГУ малой мощности.

Дешёвые местные виды топлива можно сжигать в водогрейных котлах, а горячую воду из них использовать в качестве греющего теплоносителя в контуре с НРТ.

В газопоршневых машинах контуры с НРТ можно использовать для утилизации теплоты выхлопных газов и теплоту системы охлаждения двигателя.

2. Комбинированная энергетическая установка

Для повышения тепловой экономичности энергетических установок и оптимизации режимных характеристик в ООО «Комтек-Энергосервис» разработана комбинированная энергетическая установка, состоящая из противодавленческой паровой турбины, к выхлопу которой параллельно подключены теплофикационная установка и контур с низкокипящим рабочим телом. В установке реализованы паровой и органический циклы Ренкина.

Выполненный авторами анализ показал, что для значений температур греющих теплоносителей в диапазоне 140-190 0С целесообразно применять в утилизационном контуре пентан, а в диапазоне 100-130 0С - бутан.

Преобразование низкопотенциальной тепловой энергии в механическую и далее в электрическую происходит в замкнутом бутановом контуре, который включает в свой состав парогенератор (испаритель) бутана, бутановую турбину с электрогенератором, конденсатор бутана, насосное и вспомогательное оборудование (рисунок 1). Для уменьшения затрат электроэнергии на сжатие жидкого бутана применено многоступенчатое сжатие: в конденсатном насосе и в одном или двух струйных термонасосах ( инжекторах).

Области применения предлагаемого бутанового контура в промышленном и коммунальном тепло- и электроснабжении многообразны и определяются источником низкопотенциальной теплоты, подводимой к парогенератору бутана.

3. Конструкция агрегатов бутанового контура

3.1 Конструкция бутановой турбины

Применение бутана в качестве рабочего тела позволяет создать компактную малогабаритную турбину, так как объемный расход пара через последнюю ступень в случае применения бутана уменьшается на два порядка. Так при температуре конденсации 30 0С, удельный объем водяного пара составляет 32,89 м3/кг при давлении 0,0425 бар, в то время как у бутана (R 600) - 0,141 м3/кг при давлении 2,81 бар.

Рис.1. Принципиальная тепловая схема бутанового контура .

Обозначения: ИБ - испаритель бутана; ЭкБ - экономайзер бутана; ТБ - турбина бутановая; Конд. - конденсатор; ВПБ - водяной подогреватель бутана; КНБ - конденсатный насос бутановый; ИВД - инжектор высокого давления (острого пара); ИНД - инжектор низкого давления.

В результате в бутановом контуре отсутствует вакуумная система удаления воздуха из конденсатора со всеми ее эксплуатационными проблемами. Это позволяет создавать конструкции минимальных габаритов из обычных материалов (низкий уровень температур, минимальные окружные скорости и напряжения). Турбинная часть установок на бутане или пентане представляет собой газовую турбину, работающую с низкими параметрами газа и поэтому достаточно надёжную. Аналогом таких турбин являются турбодетандеры, преобразующие энергию в процессе понижения давления природного газа при его подаче из магистрального газопровода к потребителю.

3.2 Конструкция теплообменного оборудования

Производство пара НРТ происходит в парогенераторе. Он представляет собой кожухотрубный теплообменник, в котором греющий теплоноситель проходит внутри трубной системы, расположенной в объёме НРТ (рис.1). Пар, полученный в процессе испарения, сепарируется и направляется в турбину.

Конденсация пара НРТ после турбины производится в конденсаторе. Если в районе расположения мини-ТЭЦ имеется достаточное количество воды, то можно применять конденсатор с водяным охлаждением, в противном случае - с воздушным охлаждением.

Потери НРТ в установке при нормальных эксплуатационных режимах практически отсутствуют, так как протечки через концевые уплотнения турбины невелики и составляют 2-3 л/мин. Эти протечки улавливаются системой сбора НРТ и возвращаются в контур. При ремонтах производится закрытый слив жидкого НРТ из контура в специальные ёмкости с последующей продувкой контура водяным паром. Потери НРТ в процессе эксплуатации восполняются из баллонов.

Агрегаты бутанового контура скомпонованы в герметичном контейнере. В соответствии с правилами обслуживания помещений с взрывоопасными газами кратность принудительной циркуляции воздуха в контейнере с оборудованием равна пяти.

Масса бутана в контуре составляет приблизительно 1500 кг. Бутан не токсичен и не является коррозионно - активным рабочим телом, поэтому турбина, трубопроводы, арматура и вспомогательное оборудование выполняются из углеродистых сталей.

4. Варианты тепловых схем энергетических установок с применением НРТ

4.1 Совмещение контура с НРТ с противодавленческими турбинами малой мощности

Выработка электроэнергии на тепловом потреблении наиболее эффективна, поэтому на многих промышленных и муниципальных паровых котельных устанавливают противодавленческне турбины, имеющие минимальные габариты, простые в эксплуатации, дешевые и не требующие сложного сервиса.

Основной недостаток варианта надстройки котельных паровыми противодавленческими турбинами состоит в том, что они могут работать только при наличии тепловой нагрузки.

Летом, когда тепловая нагрузка горячего водоснабжения составляет только 15% от номинальной, турбина не сможет работать, если не будет дополнительной нагрузки, связанной с потреблением пара низких параметров на технологические нужды.. В результате коэффициент использования установленной мощности в среднем за год может составлять 0,5 и ниже.

Наиболее эффективно подстраивать к выхлопу противодавленческих турбин контур, работающий на бутане, так как уровень температур греющего пара составляет 130-150 0С . В этом случае любая недогрузка противодавленческой турбины по тепловой мощности передаётся в дополнительный контур (рис.2).

Совместная работа парового и бутанового контуров может обеспечить коэффициент использования установленной мощности паровой турбины, равный 1, независимо от тепловой нагрузки.

Рис.2. Тепловая схема энергетической установки с противодавленческой турбиной и бутановым контуром

Обозначения: 1 - стопорный и регулирующий клапаны с пневмоприводом; 2 - бутановая турбина; 3 - «сухие» бутановые уплотнения; 4 - воздушный конденсатор; 5 - конденсатный насос; 6 - инжектор; 7 - испаритель бутана; 8 - паровая турбина типа Р-6-3,4/0,5; 9 - подогреватель бутана смешивающий струйного типа; 10 - БРОУ.

При создании комбинированной установки, состоящей из противодавленческой турбины и бутанового контура, годовая выработка электроэнергии удваивается. Это происходит за счёт того, что даже в периоды отсутствия тепловых нагрузок противодавленческая турбина работает на номинальной мощности, и, кроме того, в эти периоды электроэнергия дополнительно вырабатывается в бутановом контуре.

Параметры комбинированной установки представлены в таблице 1.

энергетический низкокипящий паровой турбина

Таблица 1

Параметры комбинированной установки для мини-ТЭЦ, состоящей из котлов ДКВр и ДЕ, противодавленческой турбины и бутанового контура

4.2 Создание автономных источников тепла и электроэнергии, работающих на местных видах топлива и на сбросном тепле промышленных предприятий

Еще одной важной особенностью применения пентанового или бутанового контуров является независимость их структуры от типа первичного источника тепла. Например, их можно интегрировать с водогрейными котлами, которые нашли массовое применение благодаря простоте эксплуатации и отсутствию проблем с водоподготовкой, необходимой для паровых котлов.

По аналогичной схеме контур с НРТ может быть совмещен с котлами для сжигания промышленных и бытовых отходов.

Применение контура с НРТ позволяет простыми техническими средствами утилизировать тепло технологических процессов даже в тех случаях, когда традиционные методы неэффективны или невозможны. Рабочие тела различных технологических процессов, сбрасываемые обычно в окружающую среду, имеют различный химический состав и температуру. Отвод теплоты от этих рабочих тел можно производить с помощью простых по конструкции водяных КУ, выпускаемых промышленностью. Далее нагретая вода подаётся в бутановый парогенератор, в котором происходит передача теплоты от воды в бутановый контур .

Итак, независимо от параметров и тепловой мощности базового котла при совмещении его с контуром НРТ можно создать гарантированный источник дешевой электроэнергии для покрытия нагрузки собственных нужд водогрейных котельных или просто компактный изолированный источник тепла и электроэнергии с любым видом местного топлива, независимо от источника охлаждения, в том числе для отдаленных районов.

Рис.3. Схема мини-ТЭЦ с водогрейным котлом и бутановым контуром

Обозначения: 1 - стопорный и регулирующий клапаны с пневмоприводом; 2 - бутановая турбина; 3 - «сухие» бутановые уплотнения; 4 - воздушный конденсатор; 5 - конденсатный насос; 6 - инжектор; 7 - сепаратор; 8 - сепаратный насос; 9 - подогреватель бутана; 10 - испаритель бутана с экономайзером; 11 - водогрейный котел КВТС-10; 12 - подогреватель бутана смешивающий струйного типа; 13 - БРОУ.

Таблица 2

Параметры энергетической установки с водогрейным котлом и бутановым контуром

4.3 Применение бутанового контура в составе парогазовых установок малой мощности и совместно с газопоршневыми агрегатами

Газотурбинные установки малой мощности (1,5….6,0 МВт) часто используются в режиме ГТУ-ТЭЦ или ПГУ-ТЭЦ, в которых теплота продуктов сгорания после газовой турбины используется для теплофикации. При этом применяют тепловые схемы с паровым или водогрейным котлом- утилизатором (КУ).

В первом варианте водяной пар из КУ поступает в противодавленческую турбину, после которой пар в течение отопительного периода поступает на теплофикацию. В период отсутствия тепловых нагрузок приходится отключать паровой КУ и переводить газотурбинную установку в режим автономной работы с низким КПД. Если подключить к противодавленческой турбине бутановый контур, то ГТУ может в течение всего года работать с КУ. Но при отсутствии теплового потребления пар из турбины подаётся в бутановый парогенератор, то есть его теплота используется для выработки электроэнергии в этом контуре (рис.3). КПД комбинированной установки такого типа повышается на 10 % по сравнению с режимом автономной работы ГТУ (таблица 3).

Рис.3. Схема комбинированной энергетической установки, включающей ПГУ с паровым котлом -утилизатором, противодавленческую турбину и бутановый (пентановый) контур.

Обозначения: К - компрессор; КС - камера сгорания; ГТ - газовая турбина; КУ - котел-утилизатор для водяного пара; ПП- пароперегреватель; И - испаритель; Эк - экономайзер; ГПК - газовый подогреватель конденсата; ПСВ - подогреватель сетевой воды; Д - деаэратор; Р -паровая турбина с противодавлением; ИБ - испаритель бутана; ПБ - подогреватель бутановый; Инж. - инжектор; Конд. - конденсатор; КНВ - конденсатный насос водяной; КНБ - конденсатный насос бутановый.

Таблица.3

Параметры комбинированной установки, состоящей из ПГУ с турбиной Р и бутанового контура ( на базе ГТУ типа ГТЭ-1.6, условия ISO)

Аналогичные тепловые схемы разработаны для установок с газопоршневыми агрегатами (ГПА). В этом варианте тепловой схемы в комбинированной установке используется не только теплота выхлопных газов, но и теплота системы охлаждения двигателя (рис.4). Параметры этой установки показаны в таблице 4.

Рис.4. Схема комбинированной энергетической установки, включающей ГПА, паровой котёл -утилизатор, противодавленческую турбину и бутановый контур.

Таблица 4

Энергетические характеристики комбинированной установки с тремя газопоршневыми машинами (ГПМ) типа 20V34SG фирмы Wartsila

4.4 Разработки ООО «Комтек-Энергосервис» по применению бутанового и пентанового контуров в составе энергетических установок

Нашей организацией выполнен значительный объём исследований параметров и характеристик комбинированной энергетической установки:

- разработаны варианты схем включения контуров с НКТ совместно с паровыми и водогрейными котлами, с противодавленческими турбинами, а также с установками для утилизации низкопотенциальной теплоты промышленных предприятий;

- разработаны варианты схем включения контуров с НКТ в состав парогазовых и газотурбинных установок, а также газопоршневых машин.

- разработаны тепловые схемы бутанового контура, в том числе с применением бутановых инжекторов;

- проведены расчёты параметров и технико-экономических показателей различных вариантов тепловых схем энергетических установок с применением бутанового (пентанового) контура;

- разработана схема управления высокогерметичными уплотнениями вала турбины, предотвращающими протечки бутана в окружающую среду;

- разработана схема автоматической системы управления энергетической установкой;

- разработаны технические проекты бутановых турбин мощностью от 1 до 3 МВт.

Технико-экономические расчёты показали, что срок окупаемости энергетических установок с применением бутанового (пентанового) контура составляет 3,5…5 лет.

Размещено на Allbest.ru