Применение ОЦР-технологии в системах утилизации бросового тепла
Опубликовано: 05 сентября 2016 г.
5842
О. Мохов, исполнительный директор ООО «Малая и Альтернативная Энергетика»
Если в термодинамическом цикле в качестве рабочего тела используется не водяной пар, как в традиционной паротурбинной технологии, а низкокипящие рабочие тела (НРТ), представляющие собой органические или синтетические вещества с низкой температурой кипения, то такая установка будет работать по органическому циклу Ренкина (ОЦР).
Органический цикл Ренкина (от англ. Organic Rankine Cycle) назван так в честь Вильяма Ренкина (1820–1872) – шотландского инженера и физика, внесшего огромный вклад в термодинамику. ORC- или ОЦР-технология – это применение подобных систем для получения электроэнергии из различных источников тепла.
Одним из распространенных НРТ является органическая жидкость пентан С5Н12 (отсюда и название – «пентановая технология», хотя оно условно). До температуры +36 ˚С (при атмосферном давлении) он находится в жидком состоянии, а после +36 ˚С переходит в газообразное состояние. Примерами других НРТ могут быть циклопентан, углеводороды (бутан, пропан), хладоны (R11, R12, R114, R123, R245+а), аммиак, толуол, дифенил, силиконовое масло, а также СО2 при высоком давлении или новое синтетическое вещество Novec 649 – разработка компании «3М», известной по брэнду «Скоч» и др. Последнее, в отличие от пентана, является негорючим, инертным, неэлектропроводным и экологичным.
Типовая схема электростанции (системы утилизации тепла для газотурбинной установки (ГТУ) на основе ОЦР представлена на рисунке. Основные ее части – термомасляный утилизационный котел, турбодетандер с электрогенератором и различные теплообменные блоки (испаритель, подогреватель, рекуператор и воздушный конденсатор).
Выхлопные газы от ГТУ через переключающий шибер (дивертор) поступают в термомасляный котел. Переключающий шибер позволяет не останавливать работу газовой турбины в случае необходимости прекращения работы системы утилизации. В первичном контуре системы применяется термическое масло. Это вызвано тем, что большинство НРТ – горючие вещества, а температура выхлопных газов у современных ГТУ достигает 500 ˚С. Термомасло более устойчиво к высоким температурам и позволяет передать тепло НРТ не выше заданной температуры. Температура термического масла на выходе из утилизационного котла находится в пределах 280–315 ˚С.
Нагретое масло передает тепло НРТ в подогревателе и испарителе. В последнем происходит процесс парообразования – из жидкого состояния органическая жидкость переходит в газообразное и по трубопроводу направляется в турбодетандер.
Расширяющийся газ в турбодетандере вращает генератор, который вырабатывает электроэнергию, со скоростью 1500 об/мин.
Отработавшее после турбины рабочее тело поступает в рекуператор и далее в воздушный конденсатор. После конденсатора оно насосами направляется в пароперегреватель, где подогревается до температуры 220–250 ˚С и затем снова направляется в турбину.
При использовании в основном контуре CO2 на сверхкритические параметры промежуточный термомасляный контур не требуется, CO2 напрямую подается в котел.
По соображениям взрывопожаробезопасности часто оборудование ОЦР-установки размещается на открытом воздухе. Таким образом, в случае утечки рабочего вещества исключается образование взрывоопасной концентрации его паров.
Кроме основного оборудования, парового котла и паровой турбины в составе системы утилизации тепла на базе паротурбинной технологии используется много вспомогательного оборудования: охлаждающие устройства (градирни) для паровой турбины, деаэраторы, система водоподготовки, питательные, конденсатные и циркуляционные насосы. Все оно связано многочисленными трубопроводами: питательными, паропроводами, циркуляционными, конденсационными, химочищенной, сырой, технической воды. На этих трубопроводах установлено огромное количество регулирующей и запорной арматуры, как ручной, так и с электроприводом.
Чтобы подготовить к пуску основное оборудование, прогреть паропроводы, требуется большое количество специалистов, так как все ручные задвижки, вентили, воздушники необходимо открыть, а после прогрева закрыть. Подготовка к пуску занимает несколько часов. Все это усложняет систему управления и обслуживание паротурбинной электростанции.
Также опасной для работы является погода с отрицательными показателями, особенно для градирен. Кроме того, для охлаждения конденсатора требуется большое количество технической воды.
Рис.1 Типовая схема электростанции (системы утилизации тепла для ГТУ) на основе ОЦР
ОЦР-электростанции имеют следующие преимущества:
– отсутствует сложное паротурбинное оборудование (паровые котлы, турбины, ХВО, деаэраторы и т. д.);
– все системы работают надежно до температуры наружного воздуха –50 ˚С;
– ОЦР-электростанция работает в автоматическом режиме без обслуживающего персонала, поскольку она намного проще и у нее отсутствует дренаж и воздушники ручного управления;
– высокая степень заводской готовности модулей – быстрый монтаж;
– вместо воды в технологическом цикле применяются незамерзающие жидкости – пентан, термическое масло;
– температура замерзания НРТ и загустевания термического масла – ниже -80–100 ˚С;
– отсутствует сложное водоподготовительное оборудование (химводоочистка, деаэраторы, вакуумные эжекторы, мокрые градирни, насосы и т.д.);
– отсутствуют проблемы коррозии в связи с использованием неагрессивных органических жидкостей;
– длительный срок службы оборудования за счет относительно низкой частоты вращения, а также низких значений давления и температуры, что также дополнительно обуславливает низкий уровень шума, срок службы ОЦР-установок – 25 лет.
Рис.2 Комплекс получения электроэнергии на биомассе 800 кВт
Благодаря вышеперечисленным преимуществам, ОЦР-установки нашли применение в различных системах утилизации бросового тепла, таких как геотермальные электростанции, комплексы утилизации тепла выхлопных газов газотурбинных и газопоршневых установок, системы, работающие на тепле горячих технологических газов (цементная, сталелитейная промышленность, производство кирпича и др.), комплексы получения электроэнергии, работающие на биомассе (отходы деревообработки и др.).
Стоит отметить один исторический факт – первая в мире геотермальная ОЦР-электростанция была создана в СССР на Камчатке (Паратунская ГеоТЭС) в 1967 г., затем была построена первая очередь Мутновской ГеоТЭС, которые работают и по настоящее время. В дальнейшем такие установки в России не производились, а за рубежом это направление активно развивалось.
Одной из лидирующих в этой отрасли является компания Ormat. Ее головной офис расположен в США, основное производство находится в Израиле. Специализация – геотермальные электростанции, комплексы за газотурбинными установками.
Рис.3 Цементный завод мощностью 2 МВт
Другая компания Turboden (Италия) является европейским лидером по производству ОЦР-установок. В 2015 г. она отметила свое 35-летие. Компания поставила более 300 установок по всему миру, из которых 240 находятся в эксплуатации. Компания Turboden первой внедрила в России относительно мощную – 1,8 МВт электрической и 10 МВт тепловой энергии – ОЦР-электростанцию на нефтеперерабатывающем заводе компании «Лукойл-Пермь». Станция работает на тепле от сжигания попутного нефтяного газа, который раньше утилизировали в факелах. Вырабатываемая тепловая энергия расходуется на технологические нужды производства. После вхождения в 2013 г. в состав концерна Mitsubishi Heavy Industries компания Turboden получила мощную поддержку и широкие возможности для внедрения своих ОЦР-установок в России. Она предлагает линейку установок мощностью от 0,3 до 10 МВт. Компания Turboden первой предложила одноконтурный (без термического масла) вариант ОЦР-установок – DirectExchange.
Известный концерн Siemens с недавнего времени также предлагает ОЦР-установки до 2 МВт.
Подразделение компании GE – NuovoPignoneS.p.A. (Италия) также занимается разработками систем утилизации тепла выхлопных газов на базе ОЦР-технологии под торговой маркой ORegenTM. В настоящее время у компании имеется один реализованный проект на газоперекачивающей станции компании Canada’sAlliancePipeline в канадской провинции Альберта. Электрическая мощность – 14 МВт.
Бывшее советское, а ныне украинское предприятие ПАО «Сумское НПО им. М.В. Фрунзе», г. Сумы, изготовило опытно-конструкторскую пентановую установку на своем предприятии. Она забирает тепло выхлопных газов от газовой турбины ГТД НК-16СТ и выдает 4 МВт электрической мощности. В настоящее время предприятие, кроме этой установки, других не изготавливает.
Компания Maxxtec (Германия) владеет почти 100 %-ным пакетом акций компании Adoratec GmbH и предлагает ORC-системы, ранее выпускаемые под маркой Adoratec, теперь – под своим именем. В арсенале компании более 20-ти реализованных проектов ОЦР-электростанций, в основном на биомассе, с максимальной мощностью 1700 кВт.
Компания Dresser-Rand (США) использовало в своих установках негорючее вещество –углекислый газ. Но для работы этого вещества по циклу Ренкина потребовалось высокое рабочее давление – 24 МПа. Температура – до 500 °С. Работа при таких высоких параметрах связана с определенными техническими трудностями. Компания выпустила установку на 300 кВт и собирается поставить установку на 8 МВт для газоперекачивающей станции в Канаде.
Российские компании проявляют интерес к этой технологии. Стоит отметить компанию «Комтэк-Энергосервис», которая предлагает комбинированный цикл – SORC (SteamORC). Водяной пар срабатывается в паровой противодавленческой турбине, а далее – в ОЦР-турбине на изобутане. Тем самым достигается высокий КПД.
В настоящее время ПАО «Газпром» начинает внедрение ОЦР-установки на компрессорной станции «Октябрьская» ООО «Газпром трансгаз Югорск». Комплекс будет использовать тепло выхлопных газов ГПА-Ц-16 и вырабатывать до 8 МВт электроэнергии на собственные нужды. Финансирование проекта будет осуществлено по схеме энергосервисного контракта.
К сожалению, опыта и референц-листа внедренных проектов сегодня у российских компаний нет, а это важно, так как параметры цикла Ренкина подбираются из опыта разработки и эксплуатации подобных систем. Можно, например, стремиться к увеличению КПД путем повышения давления, но при этом придется ликвидировать утечки рабочего вещества в уплотнениях подшипников турбины и насосов, а это не только повышенные эксплуатационные расходы, но и снижение безопасности, так как многие НРТ пожароопасны.
Статья из журнала "Промышленные и отопительные котельные и мини-ТЭЦ" №1/2016
