Авторизация
Наша группа Вконтакте
Наши партнеры
КРЫМ. СТРОЙИНДУСТРИЯ. ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ВЕСНА — 2016
23 авг 22:29Технологии

Мини-ТЭЦ на местных видах топлива и ВИЭ

В настоящее время приоритетной задачей является обеспечение энергоснабжения жизнедеятельности с, по возможности, максимальным использованием ВИЭ, в том числе таких, как солнечная и геотермальная энергия. Вторым направлением развития мини-ТЭЦ является задействование для нужд энергоснабжения местных, в том числе возобновляемых видов горючих (топлив), что позволит как максимально сократить плечо транспортировки горючего к месту потребления, так и сократить дополнительную эмиссию диоксида углерода в атмосферу. Примером концепции такой комбинированной мини-ТЭЦ, использующей совместно ВИЭ и местные виды горючих является мини-ТЭЦ по технологии «Heat-El», базирующаяся на модифицированном цикле Ренкина с органическим РТ, разработанная ООО «ОЦР-Технологии»

Мини-ТЭЦ на местных видах топлива и ВИЭ
Комбинированная мини-ТЭЦ, использующая ископаемые горючие и ВИЭ.

Аналогично комбинированному использованию ВИЭ и органических, в том числе невозобновляемых горючих, в настоящее время рассматриваются и ОЦР-установки, использующие исключительно солнечную энергию для производства электроэнергии и тепла.

Мини-ТЭЦ на местных видах топлива и ВИЭ
Теплофикационная ОЦР-установка.

Ключевым требованием при разработке ОЦР-установки являлась возможность выработки электроэнергии с использованием местных видов горючих и ВИЭ с себестоимостью не выше отпускной цены энергии, реализуемой потребителям посредством централизованных электрических сетей. Это должно позволить обеспечивать конкурентоспособное электроснабжение в районах с отсутствующими электрическими сетями или с дефицитом электрической мощности, а также обеспечить конкурентоспособное энергоснабжение потребителей в районах, куда осуществляется, периодически срываемый, северный завоз. При этом в районах, с наличием централизованного электроснабжения, данная технология также может быть применима, т.к. в настоящее время на постсоветском пространстве и в частности – в России, наблюдается рост системных аварий в электрических сетях, вплоть до блэкаутов. Это позволит экономически эффективно вырабатывать электроэнергию, используя внешние электрические сети в качестве резервного источника энергии на период проведения на ОЦР-установке планово-предупредительных ремонтов (ППР).

Ключевыми техническими аспектами, которые должны обеспечить высокую экономичность установки по технологии «Heat-El» являются:

- применение адаптивного термодинамического цикла, обеспечивающего максимально полное использование располагаемого эксергетического потенциала, меняющегося в основном при изменении температуры окружающей среды;

- использование бесклапанных регулируемых насоса и детандера, позволяющих варьировать степень повышения давления рабочего тела и степень его расширения;

- использование в качестве РТ планово-деградирующего вещества или смеси веществ, например, сжиженного пропан-бутана технического (СПБТ), что позволяет при высокотемпературном подводе тепла обеспечивать высокий электрический коэффициент полезного действия (КПД) ОЦР-установки, планомерно замещая незначительную часть РТ подвергшуюся термолизу;

- снижение энергозатрат на привод насоса путем применения технологии бескомпрессионного нагнетания рабочего тела, что особенно в ОЦР-установках, с низкой теплоемкостью РТ, позволяет значительно повысить электрический КПД (КПДэ) и существенно снизить как допустимый утилизируемый температурный перепад, так и нижнюю границу экономически эффективно утилизируемого тепла.

Необходимость минимизации потерь на транспорт вырабатываемых энергоресурсов (электрическая, тепловая энергия, холод) налагают требование максимального приближения источника энергии к потребителю. Такие, зачастую взаимоисключающие требования, как: использование ВИЭ; использование местных видов горючих, зачастую имеющих переменное качество и являющихся неквалифицированными горючими; переменная нагрузка по времени суток и сезону, особенно в коммунальном секторе; сложность сжигания неквалифицированных горючих в топках малого объема и с малым временем пребывания продуктов сгорания в котле; малая потребная единичная мощность мини-ТЭЦ, что особенно актуально для индивидуальной жилой застройки и т.п., налагают ряд взаимоисключающих требований к перспективным энергоустановкам.

Задача использования солнечной и геотермальной энергий, а также возможность сжигания местных видов горючих, таких как растительная биомасса, в том числе - древесные отходы, торф и т.п. может эффективно решаться с использованием мини-ТЭЦ с внешним подводом тепла работающих по циклам Ренкина, преимущественно по органическому циклу Ренкина (ОЦР), Стирлинга и Калины.

Не разбирая отдельно сильные и слабые стороны каждого из вышеуказанных термодинамических циклов следует отметить их общую слабую сторону – эти циклы обеспечивают максимальную экономичность только при фиксированном теплоперепаде между нагревателем и охладителем. Для примера рассмотрим схему ОЦР-установки.

Мини-ТЭЦ на местных видах топлива и ВИЭ
ОЦР-установка.

ОЦР-установка состоит из подогревателя (котла-утилизатора) Е-100, рекуперативного теплообменника Е-101, нагнетателя (насоса) Р-100, детандера К-100 и градирни АС-100. Жидкое РТ поступает потоками 1 и 2, частично или полностью парообразное или газообразное РТ – потоками 3–6. Мощность, подводимая к нагнетателю отмечена N1, а мощность, выдаваемая детандером, – N2. Внешнее тепло подводится и, соответственно отводится от подогревателя потоками теплоносителя 7 и 8. Блоки t1 и t2 задают перепады температур и не являются физическими потоками.

При изменении условий подвода тепла, например, при изменении калорийности топлива или меньшей интенсивности нагрева солнечного коллектора может снизиться температура нагрева РТ в подогревателе (Е-100). Однако для обеспечения получения максимальной работы в энергоустановке, РТ в подогреватель (Е-100) оптимально подавать с максимальным давлением, при котором еще будет обеспечиваться его вскипание (естественно, рост механического КПД энергоустановки не линеен от степени приближения фактического давления в подогревателе к теоретически-обоснованному). В результате, при проектировании энергоустановок в качестве базового условия учитывается требование работы энергоустановки при минимальной допустимой температуре в подогревателе (Е-100). Это означает, что при использовании более качественных видов топлив и более интенсивной солнечной радиации в достаточной мере не используется увеличивающийся эксергетический потенциал между подогревателем и охладителем, т.к. РТ подается в подогреватель (Е-100) с давлением меньшим, чем оптимальное давление при фактически достижимой температуре подогрева.

Аналогичная ситуация складывается и при снижении температуры окружающего воздуха. При отсутствии необходимости полного использования вырабатываемой тепловой энергии на нужды теплофикации, тепловая энергия полностью или частично отводится во внешнюю среду с использованием холодильника, например, градирни (АС-100). Ключевым требованием для энергоустановки, использующей РТ в жидкой фазе, является полная конденсация РТ в холодильнике. При отсутствии конденсации РТ в холодильнике, РТ будет поступать на всас нагнетателя (Р-100) в виде, как минимум двухфазной среды, что может привести к неработоспособности нагнетателя, а также приведет к увеличению его потребляемой мощности, затрачиваемой на компримирование паровой или газовой фазы РТ.

В этой связи термобарические условия полной конденсации РТ в градирне (АС-100) определяются самым жарким периодом года. Учитывая что среднегодовая температура на 20–30 и более градусов ниже максимальной годовой температуры, существующие энергоустановки и здесь работают с заниженным КПД, что обусловлено не полным использованием располагаемого эксергетического потенциала между фактическими температурами подвода тепла к РТ в подогревателе и овода от него тепла в холодильнике.

Данная задача может быть успешно решена с использованием разработанного адаптивного термодинамического цикла, позволяющего в реальном времени отслеживать температуру подвода тепла к РТ в подогревателе и температуру отвода тепла от РТ в охладителе и в зависимости от них изменять степень повышения давления нагнетателя (Р-100) и степень расширения РТ в детандере (К-100). Это позволяет максимально полно использовать располагаемый эксергетический потенциал и увеличить среднегодовую выработку электроэнергии. Например, для двухконтурной ОЦР-установки, первый контур которой заполнен аммиаком, а второй – изопентаном (оба рабочих тела являются рекомендованными к применению природными хладагентами), максимальный КПД составит 39%, среднегодовой, в зависимости от климатической зоны, – 35–36%, тогда как без применения адаптивного цикла КПД составит 32%.

Мини-ТЭЦ на местных видах топлива и ВИЭ
Двухконтурная ОЦР-установка.

На основе созданного адаптивного ОЦР-цикла разработана проектная документация на ОЦР-установку для энергоснабжения коттеджей.

Мини-ТЭЦ на местных видах топлива и ВИЭ
Двухконтурная ОЦР-установка «Heat-El Micro» электрической мощностью 10 кВт, тепловая мощность 15 кВт.

На базе ОЦР-установки ООО «ОЦР Технологии» совместно с ООО «МАЭН» разработана схема подключения ОЦР-установок, являющихся блочными теплоутилизационными энергетическими комплексами (БУТЭК), предназначенными для энергоснабжения промышленных потребителей, в частности – газоперекачивающих агрегатов (ГПА).

Мини-ТЭЦ на местных видах топлива и ВИЭ
БУТЭК на базе ОЦР-установки, предназначенный для обеспечения собственных нужд (СН) линейного ГПА.

Одной из сфер применения ОЦР-установок, использующих в своей работе адаптивный цикл является работа в составе водогрейных котельных, центральных и индивидуальных тепловых пунктов (ЦТП и ИТП). Особенностью функционирования системы теплоснабжения в России является количественное и качественное регулирование отпуска тепла. Если количественное регулирование при фиксированной температуре теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах теплотрассы не представляет сложности для работы ОЦР-установки, то качественное регулирование определяется тепловым графиком, по которому существенно изменяется температура как минимум в подающем трубопроводе теплотрассы. При этом величина изменений температуры такова, что ОЦР-установка нерегулируемого типа, не всегда будет работоспособна.

Мини-ТЭЦ на местных видах топлива и ВИЭ
Схема включения ОЦР-установки в состав ЦТП.

Применение данных решений позволит повысить надежность фукционирования системы энергоснабжения России и повысить энергетическую безопасность, снизить выбросы вредных веществ при неэффективном производстве электроэнергии (только для г. Москвы снижение выбросов NOx составит не менее 250 тонн в год) и повысит инфраструктурную безопасность населенных пунктов, которая, в настоящее время, имеет крайне низкую степень защиты.

В основу ОЦР-установок положены бесклапанные объемные детандеры и насосы, обеспечивающие возможность регулирования рабочих фаз (впуск, нагнетание или сжатие, расширение).

Важной ключевой технологией, позволяющей создавать высокоэффективные локальные энергоустановки, использующие неквалифицированные горючие и ВИЭ является технология применения планово-деградирующего, в процессе эксплуатации энергоустановки, РТ. Это связано с необходимостью использовать максимально высокую начальную температуру подвода тепла, тогда как применение высокостабильных РТ зачастую ограничивается либо их высокой стоимостью, либо – опасностью, либо – сложностью применения, обусловленной их агрессивностью и/или высокими рабочими давлениями (аммиак, диоксид углерода и т.п.). Например, применяемые органических РТ в простом цикле при начальной температуре (НТ) до +300 °С обеспечивают КПД не более 29%.

Мини-ТЭЦ на местных видах топлива и ВИЭ
Значения максимального КПДэ ОЦР с регенеративными ТО в зависимости от применяемого РТ.

Интенсивное разложение наблюдается у углеводородов, таких как С3 – С6, которые могли бы, исходя из своих теплофизических характеристик, применяться в качестве высокотемпературных РТ, т.к. дегидрирование алканов интенсифицируется, например, на хромсодержащих и никельсодержащих катализаторах, а это означает, что прекрасным катализатором для разложения РТ будет являться трубопроводный контур, выполненный из жаропрочных хромоникелевых сплавов.

Применение планово-деградирующего РТ позволяет обойти данное ограничение тем, что РТ вырабатывается непосредственно в энергоустановке из компонента горючего (например, пропан или бутан, получаемые из СПБТ), дешево, доступно и, после разложения, утилизируется в качестве компонента горючего при работе энергоустановки. Это позволяет существенно, как минимум до +500...550 °С поднять температуру подвода тепла к РТ в подогревателе, а при реализации дополнительных мероприятий еще более поднять данную температуру. В результате реальная ОЦР-установка, в конденсационном режиме может обеспечивать КПДэ на уровне 45%, а в теплофикационном – на уровне 38...40%.

Значительную сложность при повышении КПДэ ОЦР-установок представляет из себя относительно низкая (в сравнении с водой) теплоемкость используемых РТ. Это приводит к тому, что, при аналогичных условиях подвода и отвода тепла для производства того же количества работы, как и в паросиловой установке, работающей по классическому циклу Ренкина, в ОЦР приходится прокачивать гораздо большее количество РТ. В результате, затраты энергии на работу нагнетателя в ОЦР-установке с единиц процентов (цикл Ренкина) возрастают до десятков процентов (ОЦР).

Мини-ТЭЦ на местных видах топлива и ВИЭ
T-S диаграмма для органического РТ и воды.

Эта задача может быть решена применением технологии безкомпрессионного нагнетания РТ, позволяющей на десятки процентов, вплоть до более, чем 50% снизить работу, потребную для привода нагнетателя РТ ОЦР-установки. Данное решение является компонентом разработанного нового термодинамического цикла, в настоящее время являющегося ноу-хау разработчика, позволяющего экономически эффективно использовать как сверхмалые перепады температур (в десятки градусов Цельсия), так и уменьшить нижний порог утилизируемых температур менее +70 °С.

Выводы


С применением вышеописанного комплекса технологий имеется возможность создать высокоэффективные энергоустановки, работающие как с использованием ВИЭ, так и с использованием местных видов горючих, а также квалифицированных горючих (ископаемый природный газ, СПБТ, мазут и т.п.). Все вышеуказанные технологии могут реализовываться и по отдельности, однако совместно они позволяют получить синергетический эффект в виде технологии создания мини-ТЭЦ, работающих с использованием солнечной, геотермальной энергий, низкосортных местных топлив (сланцы, торф, биомасса и т.п.), обеспечивающей КПДэ на уровне не менее 50%.

Этот подход позволит обеспечить создание комфортных условий жизни и работы населения в зонах современного северного завоза, Дальнего востока, а также в районах крайнего севера, обеспечив стабильное энергоснабжение не зависящее от условий навигации, а также осуществлять разработку, обогащение и переработку неиспользуемых минерально-сырьевых ресурсов, использование которых в настоящее время ограничивается сложностью логистики энергоносителей. В более широком смысле предлагаемая технология может являться одним из ключевых элементов ввода в активный оборот неиспользуемых территорий России, активизации на них хозяйственной деятельности, оживления сельского хозяйства в депрессивных регионах и обеспечение ввода под коттеджное строительство территорий, не имеющих энергетической инфраструктуры.

Дополнительным эффектом будет являться создание новых рабочих мест в промышленности, т.к. потенциальный спрос на микро-ТЭЦ бюджетного уровня в ближайшие годы может составить десятки тысяч штук в год, а также, с использованием мультипликативного эффекта, создание новых рабочих мест в смежных хозяйственных отраслях.

Велицко В.В., Прохоров А.И.
Рейтинг:
1
  1. Николай Ясаков
    7 марта 2018 18:36
    Затронута очень важная и актуальнейшая тема. Однако, как подчеркнуто в Интернет-статье "К разумной энергетике", для широкого освоения нетрадиционных энергоресурсов необходимы новые нетрадиционные технические решения, одним из которых является мини-ТЭЦ, работающая на ВИЭ (патент РФ № 2643877, 2018 г.), рассчитанная на применение практически во всех регионах.

Добавить комментарий
Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
  • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
    heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
    winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
    worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
    expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
    disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
    joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
    sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
    neutral_faceno_mouthinnocent
Вопрос:
От чего дают энергию солнечные батареи?
Ответ:*
Важно ваше мнение
Какая на Ваш взгляд самая перспективная технология в энергетике?