Подробный анализ причин, по которым при производстве электроэнергии с использованием технологии ORC выбирают турбинные расширители вместо винтовых расширителей

Thread Content

Так называемая генерация электроэнергии с использованием ORC-цикла (органического Ранкина цикла) предполагает поглощение тепла органическим рабочим веществом из потока отходящего тепла через теплообменник; в результате этого образуется пар определенного давления и температуры. Этот пар поступает в расширительный аппарат, где расширяется и вырабатывает работу, которая затем используется для приведения в движение генератора с целью производства электроэнергии. Пар, выходящий из турбины, отдает тепло хладагенту в конденсаторе, превращается в жидкость и затем с помощью насоса возвращается обратно в теплообменник, таким образом создавая непрерывный цикл. Технология производства электроэнергии с использованием ORC была разработана в Европе и США довольно рано; благодаря дальнейшему развитию она приобрела масштабы и является важным инструментом в области производства электроэнергии при низких температурах и низкой температуре пара. В настоящее время в развитых странах Запада эффективность использования низких температур и низкой температуры тела достигает 60%, тогда как в нашей стране она составляет примерно 30–40%. Разница довольно значительная. На практике технология ORC для производства электроэнергии в нашей стране была внедрена довольно рано (в 1977 году в Янбадзине, Тибет, впервые была использована технология ORC для производства электроэнергии с мощностью 1 МВт), однако её развитие идет медленно. В стране существует лишь немного производителей, использующих эту технологию. Система генерации электроэнергии с использованием турбин ORC в настоящее время находит практическое применение в области использования отходящего тепла на промышленных предприятиях и в обработке метана, выделяющегося при добыче угля. Это один из немногих случаев в стране, когда технология турбин ORC реально применяется на практике. Технология производства электроэнергии с использованием ORC в основном применяется в областях с низкой температурой и низкой теплотой. За последние почти двадцать лет экономика нашей страны развивалась очень быстрыми темпами. С появлением энергетического кризиса и повышением требований к охране окружающей среды технология ORC стала получать все больше внимания. Технология генерации электроэнергии с использованием ORC может применяться во множестве сфер, включая промышленные отходящие газы, избыточное тепло, сжигание угольного метана, геотермальную энергию и солнечную энергию. Эксперты прогнозируют, что сфера фототермальной энергетики станет одним из важнейших направлений применения технологии ORC в производстве электроэнергии в будущем. Однако в документе «Некоторые меры по содействию здоровому развитию производства электроэнергии из возобновляемых источников, отличных от воды», опубликованном в этом году совместно тремя министерствами, предусмотрено, что новые проекты в области солнечной энергетики больше не будут включаться в перечень проектов, получающих централизованную финансовую поддержку. Перспективы использования солнечной тепловой энергии в будущем остаются неясными, поэтому автор считает, что промышленные отходные тепловые ресурсы по-прежнему будут важнейшей областью применения технологии ORC. Под так называемыми промышленными отходами тепла понимается довольно широкий спектр веществ: это высокотемпературные дымовые газы, выделяющиеся при работе различного оборудования, вода для охлаждения такого оборудования, а также различные высокотемпературные сточные воды и пары. В течение длительного времени эта энергия часто просто терялась из-за высоких затрат на её повторное использование и незрелости технологий, что приводило к значительной трате энергоресурсов. Позже на крупных тепловых электростанциях было достигнуто рациональное использование высокотемпературных дымовых газов с помощью таких технологий, как перегрев и двойной перегрев, что является эффективным способом повторного использования энергии. Однако для некоторых предприятий в таких отраслях, как химическая промышленность, сталелитейная промышленность и производство цемента, которые характеризуются высоким энергопотреблением и значительным уровнем загрязнения, такой способ обработки остается недостаточным. Появление технологии ORC открыло совершенно новые возможности для использования промышленных отходящих тепловых ресурсов. Благодаря высокой степени интеграции и эффективности использования отходящего тепла, эта технология стала одним из способов снижения энергопотребления во многих предприятиях. По мнению экспертов, как только рынок производства электроэнергии с использованием технологии ORC начнет развиваться, его размер может достигнуть триллионов долларов. Однако из-за небольшого количества текущих примеров применения технологии ORC в стране многие компании отказываются от нее. В данной статье на основе анализа современных технологий производства электроэнергии с использованием устройств ORC в Китае предлагаются некоторые идеи. Учитывая ограниченный уровень знаний автора и слабые навыки письма, при наличии вопросов можно оставить комментарий для получения разъяснений. Мы проводим комплексный анализ на основе принципов работы генераторов ORC, выбора расширительных машин, выбора рабочей субстанции и экономической эффективности. I. Принцип работы генераторов ORC. В предыдущих разделах было дано краткое описание этого процесса; здесь приводятся дополнительные сведения. Рабочим веществом в турбогенераторах, о которых мы говорим в повседневной жизни, является вода (Water); принцип их работы можно кратко обозначить как WRC. В качестве рабочей субстанции в ORC используются органические вещества; обычно выбираются материалы с низкой температурой кипения, высокой эффективностью теплообмена и низкой стоимостью. Органический рабочий вещество путем поглощения сточных вод, отработанных газов или другой теплоты (которую мы обозначаем как отходящее тепло) превращается в воду, пригодную для повторного использования. Эта вода используется для приведения в движение вращающихся элементов, что, в свою очередь, позволяет генератору производить электроэнергию. В целом, необходимое оборудование включает в себя генераторные установки типа ORC, испарители, конденсаторы, а также систему охлаждения и некоторые насосы и клапаны. Поскольку мощность генераторных установок типа ORC, как правило, невысока, оборудование, необходимое для их работы, также относительно простое, его установка удобна, а основное оборудование производится в стране. Самым важным оборудованием здесь является расширительный агрегат, используемый в генераторных установках типа ORC; инвестиции в такие установки составляют более 60% от общих инвестиций в всю систему. В целом в системе существует два основных технических вопроса: первый — выбор расширительного агрегата, второй — выбор рабочей субстанции. II. Выбор расширителя. Расширители в основном делятся на два типа: турбинные расширители (которые, в свою очередь, делятся на радиальные и осевые) и объемные расширители (в основном используются в виде винтовых расширителей; примеров других типов не существует; ниже речь пойдет в основном о винтовых расширителях). Так называемый турбоэкспандер, или турбинный экспандер, представляет собой устройство, в котором в камере находится вращающийся лопасть. Работа газа при расширении приводит в движение эту лопасть, что, в свою очередь, заставляет вращаться вал. Турбинный расширитель может в адиабатических условиях максимально преобразовать тепло, выделяющееся при расширении газа, в кинетическую энергию вала, благодаря чему обладает более высокой тепловой и энтропийной эффективностью. В настоящее время основным турбинным оборудованием в крупных тепловых электростанциях являются турбины, поэтому технологии их использования относительно зрелы. Шнековые экспандеры в настоящее время являются важным выбором для отечественных производителей устройств типа ORC. Поскольку на ранних этапах внедрения технологии ORC в стране уже существовал опыт использования шнековых устройств, это способствовало достижению определенных успехов в дальнейшем развитии этой технологии в нашей стране. Под обычно упоминаемым винтовым расширительным агрегатом подразумевается двухвинтовой расширительный агрегат, работа которого состоит из трех процессов: всасывания, расширения и выпуска газа. Благодаря конструкции с двумя винтами, при использовании закрытых валовых узлов смазка мест их соединения становится серьезной проблемой. В настоящее время основными типами ORC-расширительных агрегатов в стране являются турбины и двухвинтовые агрегаты. Преимущества турбинных расширителей заключаются в их зрелой технологии и возможности использования многоступенчатой конструкции, что позволяет применять их в установках мощностью более 200 кВт. Кроме того, турбины с экспансионным режимом обладают высокой энтропийной эффективностью, низким уровнем потерь, компактной конструкцией, а также хорошими характеристиками во время периодов эксплуатации и технического обслуживания. Его недостаток заключается в высокой скорости вращения, поэтому к системе управления предъявляются высокие требования, и он не подходит для установок мощностью до 200 кВт. Хотя в настоящее время отечественные производители массово выпускают роторно-поршневые экспандеры, их практические характеристики оставляют желать лучшего. Основная проблема заключается в высоких требованиях к смазке винта, о которых уже говорилось ранее; кроме того, стоимость его обработки и затраты на последующее обслуживание выше, чем у расширительных агрегатов. Что ещё важнее, поскольку у насосно-расширительных агрегатов отсутствует многоступенчатая конструкция, характерная для турбинно-расширительных агрегатов, для повышения мощности необходимо увеличивать объем камеры; поэтому такие агрегаты не подходят для установок с высокой мощностью. Винтовые экспандеры также находят применение за рубежом, и причина этого заключается в том, что технология генерации электроэнергии ORC широко используется за границей. Поскольку во многих регионах за рубежом жители проживают довольно разрозненно, использование технологии генерации электроэнергии ORC позволяет удовлетворить часть потребностей населения в электроэнергии. Хотя к насосам с винтовым расширением предъявляются высокие требования к материалам оборудования, требования к технологиям управления невысоки, поэтому они пользуются определенной популярностью. Условия применения внутри страны и за рубежом сильно отличаются. Наша технология ORC служит в основном дополнением к производству электроэнергии на промышленных предприятиях, а технологии управления ею уже полностью сформированы. Поскольку требования к сценариям использования предполагают высокую мощность, турбинный экспандер является более подходящим вариантом. III. Выбор рабочего вещества. Органические вещества, используемые в установках ORC для производства электроэнергии, также бывают разными, но в основном они относятся к нескольким категориям. Самыми распространенными являются R245fa и R123. При выборе рабочей субстанции учитываются в первую очередь эффективность теплообмена, потери тепла и соотношение цены и качества. Работающее вещество, стандартная температура кипения/°C, критическая температура/°C, критическое давление/МПа, потенциальная энергия испарения/Дж·г⁻¹, теплоемкость/Дж·г⁻¹·К⁻¹, относительная молярная масса: R245fa – 14,9; 154,1; 3,64; 196,69; 1,318; 134,0; R123 – 27,7; 183,8; 3,67; 170,19; 1,022; 152,9. Из приведенных данных видно, что основные параметры этих двух веществ сильно не отличаются. Однако у R245fa на единицу массы больше потенциальная энергия испарения и теплоемкость по сравнению с R123. Следовательно, он способен выделять больше тепла, что означает более высокую эффективность теплообмена. Поэтому с технической точки зрения более разумным является выбор R245fa. Кроме того, в настоящее время R245fa является более широко используемым в промышленности хладагентом, его поставки более обеспечены, тогда как R123 обычно используется только в качестве вспомогательного продукта. IV. Экономическая эффективность. С точки зрения первоначальных инвестиций, цена турбинных расширителей оказывается несколько выше; это в основном связано с недостаточной конкурентоспособностью на рынке ранее. По мере того как все больше производителей начинают активно развивать турбинные экспандеры, их цены снижаются. Кроме того, затраты на эксплуатацию турбинных расширителей и последующее обслуживание ниже, поэтому они являются важным вариантом для будущего применения технологии ORC. В целом, турбинные экспандеры обладают определенными преимуществами как с технической, так и с экономической точек зрения. Однако рынок ORC в нашей стране пока не развит, поэтому многие компании при выборе продукции ориентируются на примеры зарубежных решений. Однако ситуация внутри страны и за рубежом всё же немного отличается, и турбинные расширители по-прежнему обладают значительной конкурентоспособностью в будущем применении промышленных отходов тепла. Технология коксования