1.2 Органический цикл Ренкина
Термодинамический цикл Ренкина преобразует тепло в работу. Тепло подается во внешне замкнутый цикл, который обычно использует воду в качестве рабочих жидкостей. В Органическом Цикле Ренкина используются химические испарения вместо пара, который используется в оригинале цикла, придуманном самим Вильямом Ренкиным. Химикаты или хладагенты, используемые в Органическом Цикле Ренкина (ОЦР), включают фреон, бутан, пропан, аммиак, и новые, "экологически чистые", хладагенты.
Принцип Органического цикла Ренкина основывается на работе турбогенератора, паровая турбина преобразовывает тепловую энергию в механическую и, наконец, в электрическую энергию с помощью электрического генератора. Вместо водяного пара в системе ORC испаряются органические жидкости, которые характеризуются более высокой, чем вода, молекулярной массой, что приводит к замедлению вращения турбины низкого давления и отсутствию разрушения металлических деталей и лопаток, что присуще паровым турбинам [5].
Источниками тепла для ОЦР могут быть:
- тепло от сжигания природного газа, пропана, доменного газа, пиролизного газа, свалочного газа, сланцевого газа, попутного (факельного) газа, биомассы;
- отходящее тепло от: геотермальной энергии, отработанной горячей воды различных производств, пара паровых котлов или турбин, тепла выхлопа газовых турбин, отходящее тепло котельных установок;
- тепло солнечных термальных станций.
Для эффективного использования в системе на основе ОЦР оптимальная рабочая среда должна удовлетворять следующим требованиям:
- низкая температура замерзания (ниже самой низкой температуры цикла и ниже температуры окружающей среды);
- достаточно высокая температура стабильность (во избежание каких-либо деструктивных химических реакций и разложения);
- высокие теплота испарения и плотность для более эффективного поглощения энергии от источника тепла;
- удовлетворение требованиям экологии и безопасности;
- доступность на рынке и низкая стоимость.
В настоящее время цикл ОЦР имеет достаточно большое распространение в мире. Такие большие фирмы, как Turboden[6],ORMAT[7],Tri-o-Gen[8],Electratherm[9],GMK[10], используют органический цикл на ТЭЦ, в процессах рекуперации тепла промышленных отходов, в геотермальных процессах, в переработке биомассы и других процессах.
Простейшая паросиловая установка, в которой осуществляется цикл Ренкина, состоит из следующих элементов (рисунок 1.2): паровой котел, пароперегреватель, паровая турбина, конденсатор и насос[11].
Рисунок 1.2 – Паросиловая установка
Схема ОЦР относительно проще схемы с паровым циклом (рисунок 1.3). В ней отсутствует барабан водяного пара, соединенного с котлом. Один теплообменник может быть использован для выполнения трех фаз испарения: предварительного нагрева, испарения и перегрева. Варианты схем ОЦР также более ограничены: подогрев и отвод воды из турбины, как правило, не подходят для цикла ОЦР, но рекуператор может быть установлен как подогреватель жидкости между выходом насоса и выходом расширителя. Это позволяет уменьшить количество тепла, необходимое для испарения жидкости.
Рисунок 1.3 – Схема ОЦР
Органический цикл Ренкина похож на паровой цикл Ренкина тем, что он основан на испарении жидкости высокого давления, которая, в свою очередь расширяется до более низкого давления, таким образом, освобождая механическую работу. Цикл замыкается путем конденсации пара низкого давления и перекачкой обратно на высокое давление. Таким образом, органический цикл Ренкина включает те же компоненты, как обычная паровая электростанция (котел, устройства расширения, конденсатор и насос).
У органического цикла и парового существуют различия в T-Sдиаграммах.
На рисунке 1.4 приведен график изменения температуры и энтальпии в паровом цикле.
Рисунок 1.4 – Температурно-энтальпийная диаграмма парового цикла Ренкина
Цикл Ренкина состоит из следующих процессов:
4′-1 – процесс испарения водяного пара в котле при постоянном давлении;
1-2 – процесс адиабатного расширения пара в турбине;
2-3 – процесс конденсации влажного пара в конденсаторе с отводом теплоты с помощью охлаждающей воды;
3-4 – процесс адиабатного сжатия воды в насосе от давления p2до давленияp1;
4-4’ – процесс подвода теплоты к воде при давлении p1в паровом котле до соответствующей этому давлению температуры кипения.
На рисунке 1.5 приведен график изменения температуры и энтропии в ОЦР.
Рисунок 1.5 – Температурно-энтальпийная диаграмма цикла ОЦР
Он состоит из следующих процессов:
1-2 - насос передает рабочему телу энергию сжатия при неизмененной энтропии (адиабатическое сжатие);
2-3 - жидкое рабочее тело после сжатия сначала подогревается в регенераторе, затем в парогенераторе, пока не достигнет состояния насыщенной жидкости.
3-4 - рабочее тело находится в состоянии насыщенной жидкости. В испаритель добавляется тепло – тело начинает испаряться в виде влажного пара, постепенно достигая состояния насыщенного пара. Этот процесс происходит при постоянной температуре и давлении;
4-5 - при добавлении дополнительного тепла в подогреватель при постоянном давлении достигается состояние перегретого пара;
5-6 - рабочее тело поступает в экспандер (турбину), где путем адиабатического расширения приводит в действие генератор, который преобразует механическую работу в электрическую энергию;
6-7 - после экспандера рабочее тело проходит через регенератор – теплообменник, где тепловая энергия используется в виде пара для подогрева охлажденного рабочего тела в жидком состоянии. Этот процесс происходит при постоянном давлении;
7-1 - рабочее тело поступает в конденсатор, где проходит изобарический и изотермический отвод тепла. Влажность повышается, тело переходит из состояния влажного пара в насыщенную жидкость.
Поскольку турбогенератор, работающий на базе ОЦР, является тепловой машиной, ее эффективность определяется разностью температур теплого и холодного контуров. На теплой стороне температура зависит от входной температуры рабочего тела: таким образом, чем ниже температура на входе, тем меньше эффективность машины. На практике при низкой температуре на входе электрический КПД составляет 6-8 %. При более высоких температурах, в зависимости от размера машины, КПД может достигать 16 % и выше.
Основные различия между ОЦР и паровым циклом заключаются в следующем:
1) Как отмечалось ранее, органические жидкости обычно остаются перегретым в конце расширения. Таким образом, нет необходимости для перегрева в циклах ОЦР, в отличие от паровых циклов. Отсутствие конденсации также снижает риск коррозии на лопастях турбины, и продлевает срок службы до 30 лет, а для паровых турбин срок службы - 15-20 лет.
2) Низкая температура рекуперации тепла. В связи с более низкой точной кипения и благодаря правильно подобранным органическим рабочим жидкостям, высокая температура может быть восстановлена при гораздо более низких температурах. Например, за счет геотермальных источников. 3) Размер компонентов. В паровом цикле в части низкого давления плотность жидкости очень низкая. С падением давления увеличивает скорость жидкости, высокая объемная скорость потока требует увеличения гидравлического диаметра трубопровода и размеров теплообменников. Кроме того, размер турбины примерно пропорционален объемному расходу.
4) В циклах ОЦР имеется возможность использовать прямоточные котлы, что позволяет избегать паровых барабанов и рециркуляции. Это связано с относительно маленькой разницей в плотности между паром и жидкостью. Напротив, низкая плотность пара в паровых котлах может произвести совсем другую теплопередачу из-за характеристик перепада давления между жидкостью и паром.
5) Температура на входе в турбину. Чтобы избежать образования капель при расширении, в паровом цикле Ренкина, в связи с перегревом, на входе в турбину требуются температуры выше 450 К. Это приводит к более высоким термическим напряжениям в котле и на лопастях турбины, и повышает ее стоимость.
6) Расход насоса. Расход насоса пропорционален объемной скорости потока жидкости и перепаду давления между входом и выходом. Это может быть выражено отношением работы насоса к работе турбины BWR, которое определяется как расход насоса, отнесенный к мощности турбины. В паровом цикле Ренкина расход воды относительно низкий и BWR=0,4%. Для высокотемпературного ОЦР с использованием толуола BWR составляет 2-3%. Для низкотемпературного ОЦР с использованием тетрафторэтана (HFC-134a) значения превышают 10% [16]. Чем ниже критическая температура, тем выше BWR.
7) Высокое давление. В паровом цикле давления около 60-70 бар (6000-7000 кПа) и термические нагрузки усложняют и повышают стоимость парового котла. В ОЦР давление не превышает 30 бар (3000 кПа). Кроме того, рабочая жидкость испаряется непосредственно не за счет источника тепла (например, горелка биомассы), а через промежуточный контур теплообмена. Это упрощает рекуперацию тепла.
8) Давление конденсации. Чтобы избежать попадания воздуха в цикл, целесообразно, чтобы давление конденсации было выше, чем атмосферное давление. Низкая температура органических жидкостей, таких как тетрафторэтан (HFC-134a), пентанфторпропан (HFC-245fa) или 2,2-дихлор-1 ,1,1-трифторэтан (HCFC-123) отвечают этому требованию.
9) Характеристики жидкости. Вода является одной из наилучших рабочих жидкостей. Ее основными преимуществами являются низкая стоимость и высокая доступность, нетоксичность, негорючесть, экологически чистая (низкий потенциал глобального потепления и нулевая озоноразрушающая способность), химическая стабильность (нет ухудшения рабочей жидкости), также низкая вязкость, приводящая к снижению потерь на трение, и более высокий коэффициент теплообмена. Тем не менее, паровые циклы не очень герметичные: вода теряется в результате утечек, дренажа или продувки котла. Таким образом, система очистки воды должна быть объединена с электростанцией, чтобы обогатить цикл деионизированной водой высокой чистоты. Также должен быть включен дегазатор, чтобы избежать коррозии металлических частей из-за присутствия кислорода в цикле.
10) Строение турбины. В паровых циклах соотношения давления и снижения теплосодержания по турбине очень высоки. Как следствие, обычно используются турбины с несколькими этапами расширения. В циклах ОЦР снижение теплосодержания ниже и обычно используются одноэтапные или двухэтапные турбины, которые влекут за собой снижение стоимости. Дополнительные последствия более низкого снижения теплосодержания органических жидкостей включают более низкие скорости вращения. Более низкая скорость вращения позволяет использовать прямой привод электрического генератора без механизма сокращения (это особенно выгодно для заводов с низким диапазоном мощностей), в то время как низкая скорость уменьшает напряжение на турбинных лопастях и упрощает их конструкцию.
11) Эффективность текущих высоких температур цикла ОЦР не превышает 24%. Типичный паровой цикл имеет тепловой КПД более 30%, но с более сложным циклом проектирования (по числу компонентов или размеру) [17].
Цикл ОЦР имеет преимущества перед обычным паровым циклом, и он особенно применим к геотермическим электростанциям и восстановлению отбросного тепла, обеспечивая отличную стоимость и экологические преимущества[18].
ОЦР наибольше подходит для работы в низких и средних диапазонах мощностей (как правило, меньших, чем несколько МВт), т.к. мелкие электростанции не могут позволить себе локального оператора. Также у цикла сравнительно простое строение и он не требует сложных для производства компонентов. Следовательно, он более адаптирован к децентрализованному производству электроэнергии. Для высоких диапазонов мощностей больше подходит паровой цикл, за исключением низкотемпературных источников тепла.