На паровых электростанциях важной проблемой является существенная потеря тепла при охлаждении и конденсации пара в конденсаторе. Органический цикл Ренкина (ОЦР) — это цикл в термодинамике, использующий органическую жидкость с низкой температурой кипения и низкой вязкостью. Органический цикл Ренкина принципиально близок к классической схеме парового цикла, но работает в меньшем диапазоне температур. Благодаря этому турбина работает на низких оборотах, что уменьшает износ её лопастей. В этой статье мы покажем органический цикл Ренкина и выделим его главные особенности.
Работа парового цикла Ренкина
Для начала рассмотрим классический Паровой цикл Ренкина на простейшей паросиловой установке на схеме ниже:
Схема состоит из:
- Парового котла, в котором происходит подогрев, испарение воды и перегрев пара. Поэтому котёл состоит из:
- Экономайзер ЭК – для подогрева воды;
- Парогенератор ПГ – для испарения воды;
- Пароперегреватель ПП – для перегрева пара выше температуры насыщения;
- Турбины Т, преобразующей энергию пара в механическую.
- Электрогенератор ЭГ, преобразующий механическую энергию в электрическую.
- Конденсатор К в котором происходит охлаждение пара и его превращение в воду.
- Питательный насос ПН повышает давление воды, что многократно легче сжатия пара для получения нужного давления.
Процессы в паровом цикле Ренкина
Паровой цикл Ренкина состоит из следующих процессов:
- a-b Нагрев питательной воды в экономайзере ЭК
- b-c Изотермическое испарение воды в трубах парогенератора ПГ
- c-e Перегрев пара выше температуры насыщения при постоянном давлении в пароперегревателе ПГ
- e-f Адиабатный процесс расширения пара в паровой турбине T (идеальный процесс, без теплообмена с окружающей средой)
- f-a’ Изотермическая конденсация пара в конденсаторе K
- a’-a Адиабатное сжатие воды в питательном насосе ПН; тратится работа Lн.
Работа Органического цикла Ренкина
Главный принцип ОЦР — использование рабочего тела с низкой температурой кипения что сильно снижает потери тепла при конденсации. Принципиальная схема ОЦР:
- Избыточное тепло доводит рабочее тело до кипения в испарителе.
- Пар попадает в турбину который вращает генератор.
- Тепло пара используют для подогрева рабочего тела. (В контурах с регенерацией)
- Пар в конденсаторе переходит в жидкое состояние.
- Рабочее тело под давлением с помощью насоса перекачивается в начало цикла.
Процессы в органическом цикле Ренкина
График изменения температуры и энтропии (цикл) в ОЦР
Он состоит из процессов:
- 1-2 Насос адиабатно сжимает рабочее тело.
- 2-3 Жидкое рабочее тело подогревается в регенераторе и парогенераторе до состояния насыщенной жидкости.
- 3-4 При постоянной температуре и давлении при добавлении тепла насыщенная жидкость в испарителе переходит до состояния насыщенного пара.
- 4-5 При добавлении тепла достигается состояние перегретого пара.
- 5-6 Пар, попадая в турбину, вращает её расширяясь адиабатно
- 6-7 Пар проходит через регенератор где подогревает жидкое рабочее тело.
- 7-1 Пар в конденсаторе переходит в состояние насыщенной жидкости.
Преимущества и недостатки Органического цикла перед паровым
Плюсы
- Нет необходимости в перегреве.
- Не конденсируется на лопастях турбины.
- Имеется возможность использовать прямоточные котлы без паровых барабанов и рециркуляции.
- Низкая температура пара снижает нагрузку на турбину.
- Рабочая жидкость может испаряться не от нагревательного элемента с высокой температурой, а от контура теплообмена температурой 70-80 градусов.
- Отсутствует необходимость подключения ротора к приводу электрогенератора.
- Низкое давление в цикле снижает нагрузку на оборудование
- Не нужна водоподготовительная установка.
- Низкий гидравлический диаметр трубопровода и размер теплообменников.
- Использует турбины низкого давления.
- Простая структура ОЦР при КПД ОЦР-24% ПЦР-30%.
- Экологичен и сочетается с геотермальными станциями.
- Прост и дёшев в производстве.
- Не требует локального оператора для круглосуточной регулировки вырабатываемой станцией мощности.
- Подходит под децентрализованное строительства.
Минусы
- Повышенный расход насосов
- Дорогой и труднодоступный теплоноситель.
- Может быть токсичен.
- Плохо подходит для станций высокой мощности.
Сравнение рабочих тел циклов Ренкина
В паровом цикле используется очищенная, деаэрированная вода. В органическом — выбор рабочего тела зависит от его эффективности в конкретном случае, но есть основные критерии, которым должно соответствовать рабочее тело:
- Теплота испарения рабочего тела должна быть как можно больше.
- Низкая вязкость для снижения потерь на трение.
- Высокая теплопроводность
- Давление насыщенного пара должно быть в заданном диапазоне.
- Химическая стабильность под действием высоких температур.
- Не должно замерзать на всём диапазоне рабочих температур.
- Не должно быть токсичным и легковоспламеняющимся.
- Дешевизна и доступность.
Вода как тело отвечает большинству критериев, но требуется нагреватель высокой температуры; Пар имеет высокое давление; При низких мощностях теряет эффективность.
Выбор рабочего тела для ОЦР является сложным многокритериальным выбором. Самые популярные:
- HFC-134a
- HFC-245fa
- OMTS (октаметилтрисилоксан)
- толуол
- Solkatherm (азеотропный раствор)
График зависимости удельной температуры рабочих жидкостей в зависимости от энтропии — T,s-диаграммы различных рабочих тел применяемых в органическом цикле Ренкина.
Также все рабочие жидкости делятся на влажные (a), изоэнтропные (b) и сухие (c). Они имеют различные диаграммы температуры к удельной энтропии. Графики температуры и удельной энтропии влажных, изоэнтропных и сухих жидкостей представлены ниже.
Установлено, что наиболее важными являются тангенс угла наклона, показанный на графиках пунктирной линией и критическая температура. Исследования утверждают, что данный свойства рабочего тела значительно влияют на КПД цикла.
Применение установок с ОЦР
Из-за низкой температуры нагревателя и простоты установки, ОЦР можно эффективно применять в:
- Геотермальных станциях
- Локальных станциях низкой мощности
- Использовать тепло выхлопных газов ДВС для повышения эффективности
- Использование выхлопных газов на производствах
- Использование отработанной горячей воды нефтяных скважин
ОЦР можно использовать в любом процессе имеющим высокие теплопотери в процессе производства, что позволяет рассмотреть целесообразность его использования для большого количества отраслей.
В качестве примера использования цикла стоит привести детандеры HSE 85 от компании ElectraTherm которые активно используются на Аляске в городе Датч Харбор с 2014 года работая от остаточного тепла дизельной электростанции. При закупке трёх установок власти планировали сэкономить 250 000 долларов. Установки окупили себя через 2 года и результат превзошёл все ожидания властей.
На территории России находится 342 теплоэлектростанции, треть которых расположена в дальних регионах. Использование ОЦР на части самых маломощных станций повысит их КПД и увеличит выработку электроэнергии в отдалённых и слаборазвитых регионах.
Особенно остро в данный момент стоит проблема развития дальневосточных регионов. При этом геотермальные электростанции имеют крайне высокий энергетический потенциал в данном регионе. Повышение эффективности данный станций с помощью органического цикла Ренкина в перспективе позволит получить мощную, безотходную станцию с сопоставимым КПД относительно других станций.
Потенциальные возможности ОЦР
В данный момент установки ОЦР относительно просты, а рабочие тела — не идеальны. Доработка, развитие, нахождение новых методик использования цикла, разработка более совершенного рабочего тела в будущем позволит повысить эффективность установок данного цикла. При высоком уровне эффективности данные установки могли бы стать частью решения проблемы локальной электрификации регионов с сложными природными и логистическими условиями. К примеру, с 2000 х годов за 20 лет при активном развитии, эффективность ветряных, солнечных и волновых станций возросла в несколько раз, также увеличился и их КПД. Предположительно при определённом усовершенствовании данной технологии, она может стать незаменимой в некоторых ситуациях.
