Технические науки/5. Энергетика

Маг. Дроздов М.В., к.ф.н., доц. Меркулова Н.В.

Воронежский государственный технический университет, Россия

Некоторые аспекты выбора рабочего тела

для установок органического цикла Ренкина

Введение. В настоящее время ввиду острой нехватки энергоресурсов и глобального потепления уверенно растёт интерес к использованию низкопотенциального сбросного тепла. Значительная часть современных решений предлагает использовать низкопотенциальные источники тепла для выработки электроэнергии. Среди предлагаемых решений ОРЦ-установки являются наиболее широко используемыми. Эти установки включают некоторые компоненты традиционных ТЭЦ (парогенератор, детандерная установка, превращающая потенциальную энергию рабочего тела в механическую, а затем в электрическую, конденсатор и насос). Однако органические рабочие тела, применяемые в таких установках, характеризуются более низкой температурой вскипания.

Успех ОРЦ-технологий отчасти объясняется модульной компоновкой оборудования: типовые установки с небольшими модификациями могут быть использованы с разными источниками тепла. В мире существует практика широкого применения ОРЦ-установок для утилизации сбросного тепла промышленных теплотехнических установок, тепла выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, на геотермальных, солнечных и биогазовых электростанциях. Одним из ключевых моментов повышения эффективности электростанций, использующих органический цикл Ренкина, является оптимальный подбор рабочего тела, так как различные источники обладают различной температурой.

Критерии выбора рабочего тела. По данному вопросу в современных исследованиях зарубежных ученых [1] выделяется ряд основных параметров, которые влияют на оптимальный выбор рабочего тела:

1. Термодинамические характеристики: эффективность и/или выход энергии должен быть настолько высоким, насколько позволяет источник тепла и теплопроводность. Это, как правило, предполагает низкое потребление энергии насосом и высокую критическую точку.

2. Положительная или изотропная кривая насыщения пара:

- отрицательная кривая насыщения пара (мокрый пар) ведёт к прекращению расширения, поэтому пар должен быть перегретым на впуске во избежание повреждения турбины, что снижает производительность цикла [2];

- в случае положительной кривой насыщения пара (сухой пар) может быть использован рекуператор для повышения эффективности цикла.

3. Пар высокой плотности: этот параметр имеет ключевое значение, особенно это проявляется для рабочих тел с очень низким давлением конденсации (например, силиконовое масло). Низкая плотность ведёт к увеличению размера детандерного и конденсаторного оборудования.

4. Приемлемое давление: как и с водяным паром, высокое давление обычно ведёт к высоким капитальным затратам и конструктивному усложнению системы.

5. Высокая стабильность температуры: в отличие от воды, органические рабочие тела демонстрируют ухудшение химических свойств и подвергаются процессу разложения под воздействием высоких температур. Поэтому максимальная температура источника тепла ограничена химической стабильностью рабочих тел.

6. Низкая вероятность аварии и высокий уровень безопасности: это самый главный параметр при расчетах степени токсичности и пожарной безопасности.

7. Оптимальное сочетание: цена/качество.

Рабочие тела обычно выбираются путём сравнения температур испарения и конденсации (в зависимости от происхождения источника тепла и его теплоотдачи).

Заключение. Во многих странах (например, страны ЕС, США) развитию технологий, использующих возобновляемые источники энергии (ВИЭ) и вторичные энергоресурсы (ВЭР), способствуют государственные программы стимулирования. Это могут быть налоговые льготы, льготные кредиты на приобретение энергосберегающего оборудования и/или углеродный налог. Как правило, развитие технологий ВИЭ и ВЭР особенно актуально для стран, импортирующих большую часть энергоресурсов.

Наряду с этим, даже богатые нефтедобывающие страны проявляют большой интерес к технологиям, снижающим потребление ископаемого топлива: в Норвегии построена уникальная электростанция, работающая по принципу осмоса [3], в Объединённых Арабских Эмиратах строятся энергоэффективные города и др.

Основным препятствием для развития возобновляемой энергетики и использования ВЭР в России являются высокие стартовые затраты на единицу установленной мощности оборудования, что, в большинстве случаев, влечёт за собой большие сроки окупаемости оборудования. При этом природный газ и энергия, вырабатываемая на атомных станциях, относительно дёшевы. Так, киловатт, выработанный фотоэлектрической солнечной панелью, в среднем в 10 раз дороже выработанного на АЭС.

Тем не менее, на Камчатке действуют бинарные ГеоТЭС-электростанции, где отработавший в паровой турбине геотермальный пар идёт в теплообменник второго контура с ОРЦ-турбиной. Данная схема имеет ряд преимуществ:

- во-первых, позволяет повысить мощность электростанции почти вдвое при том же расходе геотермального теплоносителя по сравнению с одноконтурной схемой;

- во-вторых, геотермальный теплоноситель, насыщенный минералами, не попадает в турбину и не вызывает коррозии дорогостоящего оборудования, а проблема минеральных отложений актуальна только для одного контура теплообменника, что снижает затраты на чистку.

Также ОРЦ-установки можно встретить на некоторых предприятиях, имеющих источники низкопотенциального сбросного тепла (до 300^ОС). Имеются отечественные разработки ОРЦ-турбин. Мировые лидеры по производству данного оборудования всё больше проявляют интерес к продвижению на российский рынок, что подтверждает перспективы развития направления.

Литература:

1. Quoilin, S, Lemort, V., Technological and Economical Survey of Organic Rankine Cycle Systems. // интернет ресурс http://www.pacificchptap.org

2. Yamamoto, T., T. Furuhata, N. Arai and K. Mori. 2001. Design and testing of the Organic Rankine Cycle // Energy 26. - С. 239-251.

3. Есипов В. Зелёный переворот // GEO.- 2011.- №8.- С. 38-51.