Энергетические установки с низкокипящими рабочими телами

Энергетические установки с низкокипящими рабочими телами

РЕФЕРАТ

на тему:

«ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ С НИЗКОКИПЯЩИМИ РАБОЧИМИ ТЕЛАМИ»

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Общая характеристика электростанций на НРТ

Комбинированная энергетическая установка с бутановым контуром

Варианты тепловых схем энергетических установок с применением НРТ

Современные низкокипящие рабочие тела

Выводы

Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы все больший интерес проявляется к бинарным парогазовым установкам, где в качестве рабочего тела паросилового цикла используются низкокипящие рабочие тела (НРТ). Технологии, лежащие в их основе, позволяют утилизировать «бросовое» низкопотенциальное тепло теплоэнергетики, металлургии, химических и нефтеперерабатывающих производств. Это приведет нас к эффективному использованию энергоресурсов - энергосбережению. Именно это направление развития энергетики определено приоритетным в «Стратегии развития энергетики до 2020 г». [1]

Поэтому в России в различных областях энергетики увеличивается применение низкокипящих рабочих тел. Специалистами ВНИИАМ выполняются проработки схем и оборудования бинарной АЭС с использованием НРТ в нижней ступени паротурбинного цикла. Перспективными представляются разработки установок, утилизирующих тепло отработанных газов приводных двигателей газоперекачивающих агрегатов, а также использование тепла геотермальных вод на Камчатке и Северном Кавказе. [2].

В настоящее время все большее распространение получают электрические станции, использующие тепло с температурой 90...300 °C как источник энергии. Рабочими телами таких станций являются НРТ, которые имеют низкие температуры кипения при атмосферном давлении. Их особенности влияют на теплоэнергетические и массогабаритные характеристики оборудования станций[3].

В качестве НРТ применяют фреоны, водный раствор аммиака, пентан, изопентан, бутан, изобутан и др.

При выборе НРТ необходимо учитывать ряд, предъявляемых к ним требований:

• дешевизна;

• хорошие теплофизические свойства;

• нетоксичность;

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

• замерзание при достаточно низких отрицательных температурах, что важно для климатических условий северных регионов [4].

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ НА НРТ

Электрические станции на НРТ (т.е. станции, у которой в одном или нескольких контурах тепловой схемы работу совершает НРТ) могут быть простого типа (одноконтурные схемы) и комбинированного (бинарные, тринарные схемы).

Принцип действия одноконтурной электростанции заключается в следующем (рис. 1): греющая среда в теплообменном аппарате-испарителе 1 отдает тепло НРТ, находящемуся в замкнутом контуре. Низкокипящее рабочее тело превращается в пар (перегретый или сухой насыщенный), который расширяется в турбине 2, совершая работу. Отработавший в турбине пар НРТ конденсируется в конденсаторе 3, отдавая тепло конденсации циркулирующей среде. Перемещение рабочего тела по замкнутому контуру осуществляется питательным насосом 4.

Первый в мире опытный образец энергоблока на НРТ был введен в эксплуатацию в составе Паратунской ГеоТЭС в 1967 г. В качестве рабочего тела был использован фреон-12. Установленная электрическая мощность энергоблока составляла 750 кВт.

Для справки - в Японии первая ЭО мощностью 1 МВт, работающая на фреоне-114, была построена в 1975 г., а в США первая ЭС с НРТ (изобутаном) была запущена только в 1979 г. В Китае в 70-х годах делались попытки создания энергоблоков мощностью от 50 до 300 кВт, работающих на изобутане, фреоне-11; греющая среда имела начальную температуру 67 °C. Сводная информация по экспериментальным «пилотным» установкам представлена в табл. 1 [2].

Таблица 1. Сводная информация по «пилотным» установкам с НРТ в мире [2]

КОМБИНИРОВАННАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА С БУТАНОВЫМ КОНТУРОМ

Принцип действия и характеристики комбинированной энергетической установки с бутановым контуром таковы:

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 (рис. 2). Для уменьшения затрат электроэнергии на сжатие жидкого бутана применено многоступенчатое сжатие: в конденсатном насосе и в одном или двух струйных термонасосах (инжекторах).

Благодаря применению бутана в качестве рабочего тела позволяет турбина получается малогабаритной, так как объемный расход пара через последнюю ступень в случае применения бутана уменьшается на два порядка. Так при температуре конденсации 30 °C, 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. В результате в бутановом контуре отсутствует вакуумная система удаления воздуха из конденсатора со всеми её 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.

Производство пара НРТ происходит в парогенераторе. Он представляет собой кожухотрубный теплообменник, в котором греющий теплоноситель проходит внутри трубной системы, расположенной в объёме НРТ (рис.2). 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.

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

. 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 °C. В этом случае любая недогрузка противодавленческой турбины по тепловой мощности передаётся в дополнительный контур (рис.3).

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

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. [4]

. 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 котлов-утилизаторов, выпускаемых промышленностью. Далее нагретая вода подаётся в бутановый парогенератор, в котором происходит передача теплоты от воды в бутановый контур.

В итоге, независимо от параметров и тепловой мощности базового котла при совмещении его с контуром НРТ можно создать гарантированный источник дешевой электроэнергии. Эта установка может работать на любом виде местного топлива, и она независима от источника охлаждения.

Принципиальная схема установки с водогрейным котлом показана на рис. 4. [4]

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

Газотурбинные установки малой мощности (от 1,5 до 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.

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.5). КПД комбинированной установки такого типа повышается на 10 % по сравнению с режимом автономной работы ГТУ. [4]

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.6) [4].

Рис.6. Схема комбинированной энергетической установки, включающей ГПА, паровой котёл-утилизатор, противодавленческую турбину и бутановый контур [4]: БТ - бутановая турбина; ПТ - паровая турбина; ПКУ - паровой котел утилизатор; ПП - потребитель пара; Т - теплофикация; Г - генератор; ВК - воздушный конденсатор; ЦН - циркуляционный насос; И - инжектор; КНБ - конденсатный насос бутана; КНВ - конденсационный насос воды; ПБ - подогреватель бутана; ИБ(ВД) - испаритель бутана высокого давления; ИБ(НД) - испаритель бутана низкого давления.

СОВРЕМЕННЫЕ НИЗКОКИПЯЩИЕ РАБОЧИЕ ТЕЛА

В соответствии с Монреальским протоколом, подписанным странами ООН и Россией в том числе, запрещено производить опасные для озонового слоя Земли вещества. Таковыми являются хладоны, относящиеся к группе Хлор-Фтор-Углеродов (ХФУ). Например, R11 (CFCl3), R12 (CF2Cl2). Их заменяют новыми более безопасными для окружающей среды низкокипящими рабочими телами (НРТ). Данные об используемых в промышленности современных хладонах приведены в таблице 6 [5].

Таблица 6. Некоторые характеристики используемых в современной промышленности хладонов [5]

К настоящему времени существует несколько сотен хладонов, и всё их многообразие можно классифицировать по следующим признакам:

·        Происхождение НРТ

-   Природное;

-   Синтезированное.

·        Состав

-   «Чистое»;

-   Смесовое.

·        Воздействие на озоновый слой (ODR)

-   НРТ c высокой озоноразрушающей активностью;

-   НРТ c низкой озоноразрушающей активностью;

-   НРТ c нулевой озоноразрушающей активностью (не содержащие Cl).

·        Принадлежность к группе парниковых газов GWP;

·        Состав атомов в молекуле

-   HC;

-   HFC;

-   HCFC;

-   FC.

·        Параметры в критической точке. [2].

тепло электроэнергия газопоршневой контур

ВЫВОДЫ

Российскими инженерами наработано множество проектов электростанций, использующих низкокипящие рабочие тела. Уже проведено достаточное количество расчетов, позволяющих эффективно использовать низкопотенциальное тепло. Передовые в этой области компании, такие как ООО «Комтек-Энергосервис» [4], ОАО «Сумское НПО им. М.В. Фрунзе» [6], успешно внедряют данные технологии в российскую промышленность.

Энергетические установки, соответствующие показанным схемам, перспективно могут быть использованы для геотермальных электрических станций и в промышленном секторе (утилизация сбросного тепла промышленных предприятий). С экологической точки зрения наиболее перспективными являются НРТ, имеющие природное происхождение.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Основные положения энергетической стратегии России на период до 2020 года. М.: Минэнерго РФ, 2001.

2.Сапожников М.Б., Тимошенко Н.И. Электрические станции на низкокипящих рабочих телах // Теплоэнергетика. 2005. № 3. С. 73-74, 75-75.

3.Сапожников М.Б., Тимошенко Н.И. Предельная эффективность электрических станций на низкокипящих рабочих телах // Теплоэнергетика. 2005. № 4. С. 68.

4.Гринман М.И., Фомин В.А. Перспективы применения энергетических установок с низкокипящими рабочими телами // Всероссийская научно-практическая конференция «Реконструкция энергетики - 2009». С-Пб. 2009.

Маркон-Холод [Электронный ресурс] : Каталог. - Электрон. дан. - С-Пб. URL: <http://www.marcon-kholod.ru/Production> (дата обращения 03.05.2010).

1.Бухолдин Ю.С. и др. Низкотемпературная радиально-осевая турбина для утилизационной энергоустановки / Бухолдин Ю.С., Зинченко Ю., Левашов В.А., Сидоренко Д. // Газотурбинные технологии. 2008. №3. С. 14-18.