Некоммерческое
партнерство
инженеров
Инженеры по отоплению, вентиляции, кондиционированию воздуха, теплоснабжению и строительной теплофизике
(495) 984-99-72 НП "АВОК"

(495) 621-80-48 Секретарь (тел./факс) ООО ИИП "АВОК-ПРЕСС"
(495) 107-91-50

АВОК ассоциированный
член
Summary:

Тригенерационный энергокомплекс на низкокипящих теплоносителях

Описание:

Важнейшим направлением развития энергоснабжения коммунального хозяйства и промышленного производства России является энергосбережение, предполагающее как внедрение новых, менее энергоемких технологических процессов, так и использование низкопотенциальной энергии, которая в большинстве случаев неконтролируемо сбрасывается, вызывая тепловое загрязнение окружающей среды. Перспективным решением проблемы утилизации сбросного тепла является применение энергетических установок на низкокипящих теплоносителях (НКТ), работающих по органическому циклу Ренкина (ОРЦ-модулей).

Тригенерационный энергокомплекс на низкокипящих теплоносителях

Важнейшим направлением развития энергоснабжения коммунального хозяйства и промышленного производства России является энергосбережение, предполагающее как внедрение новых, менее энергоемких технологических процессов, так и использование низкопотенциальной энергии, которая в большинстве случаев неконтролируемо сбрасывается, вызывая тепловое загрязнение окружающей среды. Перспективным решением проблемы утилизации сбросного тепла является применение энергетических установок на низкокипящих теплоносителях (НКТ), работающих по органическому циклу Ренкина (ОРЦ-модулей).

Тригенерационный энергокомплекс на низкокипящих теплоносителях

Исключительные достоинства технологии с ОРЦ-циклом, возможность получения электро­энергии на низкопотенциальном сбросном тепле, экологичность и др. определили ее высокую конкурентоспособность и востребованность [1–4]. Однако сегодня ни одна из российских фирм не производит серийные ОРЦ-модули.

Несмотря на многочисленные разработки, выполненные за последние годы, сегодня, насколько известно, кроме энергоустановки с ОРЦ-циклом на Паратунской ГеоЭС (см. справку) и находящейся в стадии наладки одной энергоустановки на Менделеевской ГеоТЭЦ на Курилах, ни одного реализованного проекта ОРЦ-системы в России нет. Тем не менее налицо все признаки (многочисленные запросы, обращения и пр.) того, что в ближайшее время дело сдвинется с мертвой точки.

Выбор низкокипящих теплоносителей (НКТ)

Cхемы ОРЦ нередко позиционируют как утилизационные, они могут быть экономически эффективны при температуре низкопотенциального источника тепла от 80 °C и выше. Оптимальный выбор НКТ, как и параметров цикла ОРЦ, зависит от потенциала источника тепла.

В ряде работ рекомендуется при ТИот 140 до 190 °C использовать в качестве НКТ углеводородные соединения: пентан (C5H12), бутан (C4H10) или изобутан CH(CH3)3, а в диапазоне 100–130 °C – фреоновые соединения [2]. В указанных температурных интервалах КПД установки ОРЦ варьируется от 13 до 15 %. В интервале ТИ 300–350 °C КПД достигает 18–20 %.

Применяют также фреоны, водный раствор аммиака, пентан, бутан, изобутан, составы R 134a, R 245f, R 22, Terminol и др.

Из четырнадцати представленных в [2] разработок только в шести случаях утилизируется тепло уходящих газов (УГ). Собственно утилизация тепла УГ эффективна1, когда их температура (ТУХ) около или больше 200 °C.

СПРАВКА

Распределение энергоресурсов

Еще в 1965 году советские ученые С. С. Кутателадзе и А. М. Розенфельд получили патент на получение электроэнергии из горячей воды с температурой более 80 °C [1]. Уже в 1967 году на Камчатке построена и пущена в опытно-промышленную эксплуатацию первая в мире ГеоЭС с ОРЦ-циклом – Паратунская ГеоЭС мощностью 600 кВт [2]. В ходе испытаний доказана техническая возможность получения электроэнергии посредством использования низкотемпературного источника тепла в традиционном цикле Ренкина на низкокипящем рабочем теле за счет тепла воды с температурой более 70 °C. Однако сооружение таких станций не получило должного развития из-за низкой стоимости в СССР органического топлива и высоких инвестиционных вложений на старте в ОРЦ-модули.

Экономическая эффективность

Удельные капитальные затраты сильно зависят от установленной мощности. Как правило, утилизация тепла уходящих газов требует дополнительных затрат на использование дополнительного контура и котла-утилизатора, с помощью которого тепло передается в ОРЦ-модуль, что удорожает весь проект (табл. 1).

Возможность реконструкции ГТУ

В проекте надстройки газовой турбины ГТ 6–750 утилизационной установкой по циклу SORC на изобутане в схему встраивается противодавленческая паровая турбина, отработавший пар которой служит энергоносителем для ОРЦ-модуля [4]. Температура выхлопных газов ГТУ до и после котла-утилизатора соответственно 415 и 120 °C. Ожидаемые технико-экономические показатели после реконструкции ГТУ:

  • увеличение электрической мощности с 6,00 до 9,45 МВт (ПГУ),
  • рост КПД с 23 до 34,8 % (блока),
  • снижение температуры уходящих газов со 120 до 100 °C (ПГУ) при давлении и температуре изобутана в контуре 22,12 бар и 105 °C, а в агрегате воздушного охлаждения (АВО) – 3,04 бар и 20 °C, мощность изобутановой турбины 1,645 МВт.

Наиболее продвинутая разработка в данной области – схема «паровая турбина противодавления (типа Р) – ОРЦ-модуль» [2–4]. Поскольку КПД ОРЦ-цикла в диапазоне температур 250–270 °C выше КПД цикла на водяном паре примерно на 5 %, с убыванием разницы по мере роста температуры, то в указанном температурном интервале эффективнее направлять пар в парогенератор контура ОРЦ, чем срабатывать его в паровой турбине.

Таблица 1

Сводка данных о разработках* систем на базе ОРЦ-модулей

Контур ОРЦ

Основные элементы контура ОРЦ: турбина на паре НКТ, парогенератор (испаритель), рекуператор, конденсатор и насосы – компонуются в одном блоке (модуле) в едином корпусе для перевозки в контейнере. Помимо этих узлов установка содержит в общем случае водяные подогреватели НКТ (один или несколько), экономайзер, инжекторы низкого (НД) и высокого (ВД) давления, подогреватель смешивающего струйного типа, БРОУ, размещаемые вне корпуса, в схеме установки.

Энергоустановки с ОРЦ на НКТ с включением в контур абсорбционного холодильного оборудования

Рассмотрим вопрос о возможностях, условиях и эффективности применения в энергоустановках ОРЦ на НКТ абсорбционного холодильного оборудования, причем за базу системы примем абсорбционный бромисто-литиевый трансформатор тепла (АБТТ), который может эксплуатироваться и как АБХМ, и как тепловой насос (АБТН).

Одноступенчатые абсорбционные бромисто-литиевые тепловые насосы используются ввиду их явных преимуществ перед компрессионными [5]. Интерес к АБТТ вызван тем, что указанное оборудование служит и генератором холода для конденсатора контура ОРЦ-модуля, и источником тепла2 в диапазоне температур коммунального теплоснабжения (отопление, ГВС)3. Таким образом, система генерации (электроэнергии) преобразуется в систему тригенерации с получением дешевой электрической и тепловой энергии, а также холода. Решение содержит ноу-хау.

Для примера представляем данные (табл. 2) для АБХМ 4000 В и АБТН 4000 В (ООО «ОКБ «ТЕПЛОСИБМАШ»), которые могут быть использованы в предлагаемой системе. Краткая справка о холодильных машинах и их эффективности, а также рекомендации даются в [5].

Как генератор среднетемпературного (до 90 °C) тепла АБТН в 1,65–1,75 раза экономичнее обычного топливного котла и имеет коэффициент использования топлива соответственно 165–175 %. Пределы регулирования машин 0,3–1,2, настройки температур ± 3–5 °C.

Особенность АБТТ – большое количество отводимого тепла в контуре К А, в нашем примере 10,2 МВт (табл. 2). Эффективность применения АБТН определяется возможностями и степенью утилизации этого тепла.

Таблица 2

Параметры АБХМ-4000В и АБТН-4000В и режимы работы

ОРЦ-модуль для мини-ТЭЦ на щепе

В качестве расчетной модели для системы принят разработанный в [1] проект мини-ТЭЦ на щепе для поселка в Красноярском крае, который можно считать типичным для множества аналогичных объектов Севера и Северо-Востока России, где используется местное топливо (чаще всего – биотопливо). Оттуда взяты некоторые исходные данные.

В предлагаемой системе (рис.) ОРЦ-модуль содержит стандартный комплект: турбина 1 на НКТ с электрогенератором 2, парогенератор 16, нагревательные поверхности которого встроены в термомасляный котел 14 на щепе, рекуператор 3 и конденсатор 4. Возможно применение и водогрейного котла с нагревом до 150 °C (например, отечественные котлы ПТВМ). Конденсатор 4 включен в замкнутый холодильный контур 9 АБТТ, в котором циркулирует вода с температурой 30/25 °C (вход/выход, табл. 2). Из рекуператора 3 конденсат поступает в парогенератор 16 либо, как вариант, на дальнейший нагрев горячей водой греющего контура 10 АБТН в теплообменник 6, вне корпуса ОРЦ-модуля.

Генератор 15 АБТТ подключен к замкнутому контуру 20 котла 14 с циркулирующим в нем теплоносителем (маслом либо водой).

Внешний теплоотводящий контур АБТТ «конденсатор – абсорбер» состоит из двух контуров: малого 10 и большого 11. В малом контуре циркулирует вода с температурой 60/90 °C (вход/выход, табл. 2), в него включены теплообменники 7 нагрева сетевой воды (теплоснабжение – отопление, ГВС, технологические нужды и пр.) и 6. Возможно подключение и третьего 19, например для нагрева дутьевого воздуха. Теплообменник 7 – подогреватель сетевой воды (ПСВ) – обслуживает тепловую сеть и ГВС поселка с температурным графиком работы (отопления) 90/60 °C. Для теплосети ограниченной протяженности этого вполне достаточно. Большой контур 11 замыкается на теплообменник-холодильник с водяным или воздушным охлаждением (градирню) 12.

С наступлением отопительного сезона АБТТ настраивают на работу в режиме теплового насоса. Включают малый контур 10, теплообменники 6 и 7 и отключают большой 11. В теплый период года, в отсутствие тепловой нагрузки, АБТТ переключают на режим АБХМ: включают большой теплоотводящий контур 11 с теплообменником-холодильником 12. Используется имеющаяся на объекте (станции) градирня (при наличии таковой). При работе АБХМ утилизация тепла контура К А невозможна ввиду низких температур, и оно отводится в атмосферу. Отметим, что у АБТН более высокие требования к энергоносителю (табл. 2).

Если количество сбросного тепла АБТН превышает потребности внешнего потребителя, излишки сбрасывают в градирню.

На практике же, если ГВС функционирует постоянно, то система круглогодично эксплуатируется в режиме теплового насоса, под управлением единой САР4 по оптимальной программе, т. е. работает АБТН, включены оба контура: 10 с теплообменниками и 11 с градирней.

Далее (порядок выбора может быть любым) необходимо выбрать сам ОРЦ-модуль, обеспечивающий согласованную работу системы АБТТ 4000 В – контур ОРЦ в общей технологической схеме.

Рисунок

Принципиальная схема энергокомплекса: блок-модуль OРЦ–АБТТ

Экономика проекта

Рассчитанные по общепринятой методике с определением стандартных критериев технико-экономические и финансово-коммерческие показатели свидетельствуют о состоятельности идеи, конкурентоспособности проекта, эффективности решения.

Исходные данные:

  • теплопроизводительность термомасляных котлов (3 шт.) 12,12 Гкал/ч;
  • тепловая мощность АБТТ-4000Т (тепловыделяющего контура) 10 МВт / 8,6 Гкал/ч;
  • электрическая мощность ОРЦ-модуля (на отпуск электроэнергии) 1 060 кВт;
  • КПД термомасляного котла 80 %;
  • удельная теплотворная способность щепы 2 150 ккал/кг;
  • стоимость: термомасляных котлов около 42 млн руб., АБТТ-4000Т 25 млн руб., модуля ОРЦ 83 млн руб., щепы 500 руб./т;
  • тариф (для конкретных условий): на тепловую энергию 2 200 руб./Гкал, на электроэнергию 5,5 руб./кВт•ч;
  • коэффициенты использования: тепловой мощности 0,6; электрической мощности 0,3.

Результаты расчета эффективности проекта ТЭС:

  • капитальные вложения в ТЭС 230,756 млн руб.;
  • затраты: на амортизацию 10,133 млн руб., на оплату персонала 5,66 млн руб.;
  • производственные издержки (без амортизации) 26,13 млн руб.;
  • выработка электроэнергии 2,709 млн кВт•ч;
  • отпуск тепла 32,52 тыс. Гкал/год;
  • количество тепла, выделяемое щепой в топке котла, 56,317 Гкал/год;
  • потребление щепы 26 194 т/год;
  • годовые затраты: на приобретение щепы 13,092 млн руб., эксплуатационные 9,75 млн руб.;
  • себестоимость: электроэнергии 2,8 руб./кВт•ч, тепловой энергии 417,7 руб./Гкал;
  • чистый дисконтированный доход (NPV) 407 089 тыс. руб.;
  • внутренняя норма доходности (IRR) 42,6 %;
  • индекс доходности (PI) 6,4;
  • срок окупаемости (PP) и дисконтированный срок окупаемости (DPP) составляют по 4 года.

Итак, при общей стоимости строительства ТЭС с нуля 231 млн руб. себестоимость электрической и тепловой энергии составила 2,3 руб./кВт•ч и 418 руб./Гкал соответственно, а срок окупаемости 4 года. Для сравнения: в проекте, взятом за прототип, при том же тарифе на топливо эти показатели для аналогичного объекта равны соответственно 2,9 руб./кВт•ч, 690 руб./Гкал и 4,24 года.

Принятые в расчете коэффициенты использования мощности для производства электроэнергии 0,3 и тепла 0,6 (для климатических условий места) гарантируют от завышения показателей эффективности проекта.

В заключение можно сделать вывод, что ОРЦ-технология – перспективное, хоть пока и несколько экзотичное, направление в малой и средней энергетике, решающее вопросы энергосбережения и повышения энергоэффективности как для промышленности, так и для сферы ЖКХ.

Литература

  1. Блинов А. Н., Передерий С. Энергоэффективность использования ORC-модулей в децентрализованной энергетике РФ // Леспром. 2014. № 8 (106).
  2. Блинов А. Н. Повышение эффективности генерации тепла и электроэнергии с использованием бинарных энергетических установок с ORC-модулями : Презентация. СПб : НПО «Санкт-Петербургская электротехническая компания», 2014. На правах рукописи.
  3. Гринман М. И., Фомин В. А. Перспективы применения энергетических установок с низкокипящими рабочими телами // Новости теплоснабжения. 2010. № 7.
  4. Гринман М. И. Увеличение мощности и КПД ГТ 6–750 в 1,5 раза. ГТ 6–750+SORC : Презентация. СПб : ООО «Комтек-Энергосервис», 2015. На правах рукописи.
  5. Шадек Е., Маршак Б., Анохин А., Горшков В. Глубокая утилизация тепла отходящих газов теплогенераторов // Промышленные и отопительные котельные и мини-ТЭЦ. 2014. № 2 (23).
  6. Шадек Е. Г., Маршак Б. И. Технологии и оборудование глубокой утилизации тепла продуктов сгорания газовых котлов : Доклад на международной конференции «POWER-GEN Russia». Направление «Энергоэффективные технологии», раздел «Инновационные проекты. «Обновление, модернизация, техническое перевооружение». penwell.websds.net/2015/russia, пользователь PGRHV15, пароль Russia2015. М., 2015 г.
  7. Шадек Е. Г. Тригенерация как технология экономии энергоресурсов // Энергоснабжение. 2015. № 2.

 

1 Например, дымовые газы от коксовых батарей, охлаждающий воздух линейных охладителей агломерационных машин, выхлопные газы газопоршневых, газотурбинных и других тепловых двигателей, а также невостребованные отборы пара паровых турбин и технологических процессов, как в [4].

2 Причем тепла практически дарового, полученного за счет утилизации теплоты конденсации паров НКТ в конденсаторе контура ОРЦ

3 Применение АБТТ в промышленных условиях для систем глубокой утилизации тепла продуктов сгорания показано в [5, 6], для станционной энергетики в [7].

4 Система автоматического регулирования всего комплекса «энергообъект – внешний потребитель тепла».

купить online журнал подписаться на журнал
Поделиться статьей в социальных сетях:

Статья опубликована в журнале “Энергосбережение” за №5'2015

распечатать статью распечатать статью PDF pdf версия


Реклама
Реклама на нашем сайте
Rambler's Top100 Rambler's Top100 Яндекс цитирования



Кондиционирование, отопление, вентиляция

Подписка на журналы

АВОК
АВОК
Энергосбережение
Энергосбережение
Сантехника
Сантехника
Онлайн-словарь АВОК!


Реклама на нашем сайте