Издательский Центр Аква-Терм

Электроэнергия из низкотемпературного бросового тепла с применением ОЦР

Опубликовано: 13 апреля 2022 г.

4476

Р.Е. Ширяев, инженер ПТО ОАО «МПНУ Энерготехмонтаж»

Введение

В настоящее время во всем мире можно наблюдать один из трендов энергетики- уменьшение доли углеродных источников энергии. В частности, эти тренды неизбежны для России, поскольку все наши экономические партнеры движутся в этом направлении и предъявляют все более жесткие требования не только к энергетическому экспорту, но и к экспорту в целом (с точки зрения углеродного следа). 

            Евросоюз, наш основной торговый партнер, заявляет об амбициозных целях к 2030, 2050 г. Нынешний состав Еврокомиссии говорит о введении «зеленого» налога и о «зеленом» налогообложении всего импорта, включая энергетические товары. Если Парижское соглашение 2015 г. о переходе на «зеленые» источники энергии будет выполнено, угольные электростанции строить бессмысленно и другие ископаемые источники топлива находятся под риском того, что они не доработают свой срок инвестиций.

            Через 30 лет в чистом виде экспортировать наши углеводороды в ЕС уже не получится. Они либо должны быть декарбонизированы – зеленая нефть, зеленый газ (существуют технологии, как это можно сделать), либо поставлять уже декарбонизированные газы, тот же водород, либо зеленую электроэнергию.

            Все страны, которые пытаются разобраться с экономическими последствиями коронакризиса, ставят условием стимулирующих пакетов высокую энергоэффективность и использование зеленых технологий. То есть через пять-семь лет мы увидим технологический скачок, потому что страны вкладывают в новую энергетику. Мы же вкладываем в сохранение традиционной (модернизация энергетических объектов на высокоуглеродном топливе). Со временем разрыв будет увеличиваться, и наше историческое конкурентное преимущество (самая дешевая энергия) навряд ли сохранится при таком подходе в долгосрочной перспективе.

            Стоимость инвестиций для нефтяной отрасли постоянно растет. Более того, многие инвесторы вообще отказываются туда инвестировать, как это происходило и с угольной энергетикой. Всемирный банк уже заявил: нефтяные проекты больше не финансируем. И на протяжении последних двух лет практически каждую неделю кто-то из крупных инвестфондов, банков говорил: все, мы отказываемся от инвестиций в нефтяную отрасль.

В этой ситуации практически полностью исчезает ресурсная рента. Уже в прошлом году 50% российской нефти добывалось по разного рода налоговым исключениям, льготам. К 2030 г. это будет больше 80%. У государства фактически исчезает этот колоссальный ресурс, от 40 до 50% доходов российского федерального бюджета – это налоговые поступления от нефтянки.

Топливно-энергетический комплекс – очень инерционная структура, это дорогостоящие активы с очень длительным сроком службы. Если вы построили электростанцию, следующие 30 лет, как минимум, а то и 50–70, она будет функционировать. Но даже на построенной электростанции очень многое может быть изменено с точки зрения организации труда, модернизации всех технологий, «цифровизации» организаций, бизнес-моделей, как, кому и что она продает, дополнительных производств, какая численность персонала, ресурсоемкость, какой углеродный след, как она зеленым электричеством подторговывает. Энергетические организации, заинтересованные в своем дальнейшем развитии, должны следовать данному направлению по снижению влияния энергетических объектов на экологию путем приобретения соответствующих компетенций, технологий и опыта работы с использованием альтернативных источников энергии, что в долгосрочной перспективе позволит стать конкурентоспособными в международных масштабах, получать больше прибыль и шире диверсифицировать свои услуги и производства.

Одним из перспективных направлений, способных уменьшить влияние энергетической промышленности на экологию и увеличить ее эффективность, является применение технологии ОРЦ.

Описание технологии ОРЦ

Процессы в органическом цикле Ренкина подобны процессам в паровом двигателе, однако вместо воды используется рабочее вещество с существенно более низкой температурой кипения. Условно, можно рассматривать ОЦР как холодильный цикл, реализованный в обратную сторону, при этом тепловой поток в направлении от горячего источника к холодному генерирует электроэнергию.

Замена воды и пара рабочими веществами, кипящими при низкой температуре, позволяет в модифицированной версии традиционного цикла Ренкина использовать теплоту с температурой намного более низкой, чем требуется для производства электроэнергии с приводом от парового двигателя. Данные вещества состоят из органических молекул углеводородов, таких как пентан или гидрофторуглероды – искусственных хладагентов, отсюда название цикла – Органический.

ОЦР-электростанции имеют следующие преимущества:

– отсутствие сложного паротурбинного оборудования;

– надежная работа системы до температуры наружного воздуха –50°С;

– ОЦР-электростанция работает в автоматическом режиме без обслуживающего персонала;

– 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.

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.).

Области применения технологии ОРЦ

Система утилизации тепла для ГТУ

Типовая схема электростанции (системы утилизации тепла для газотурбинной установки (ГТУ) на основе ОЦР представлена на рисунке 1. 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.

Рис. 1. Типовая схема электростанции (системы утилизации тепла для ГТУ) на основе ОЦР

Геотермальная энергетика

В качестве источника тепла для ОРЦ на геотермальных электростанциях могут выступать геотермальные воды, которые скважинными насосами из недр земли подаются в ОЦР установку.

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.

ОЦР на биомассе

В последнее время в Европе развивается внедрение ТЭС, в которых поступление теплоты обыспечивается за счет сжигания биомассы. Например, в Фуссах (Австрия)  действует ТЭС на биомассе (щепа из отработанной древесины), теплота которой используется в ОРЦ установке. На сегодняшний день во всей Европе действуют около десятка подобных ТЭС.

ОРЦ в солнечной энергетике

Солнечная энергия все чаще используется для генерации электричества. Однако есть и другие возможности для преобразования энергии солнечного излучения в электричество. Данный метод заключается в концентрации солнечного света с использованием изогнутых зеркал. Использование солнечной энергии с применением ОРЦ установок для производства электроэнергии является самым перспективным решением на сегодняшний день. Солнечные электростанции, работающие на низкокипящем теле, имеют сравнительное преимущества с фотоэлектрическими установками, так как они оснащены более простыми солнечными концентраторами и системой для преобразования электрической энергии, которые подключены в цепь аккумуляторов и обеспечивают круглосуточную работу установки.

ОРЦ с котлом

Использование бутанового контура в котельной позволяет сделать когенерацию. В зависимости от потребителя мини-ТЭЦ может переключаться между режимами генерации как в направлении электричества, так и в направлении тепла, изменяя поток воды к испарителю бутана и подаче тепла.

Рис. 2. Схема мини-ТЭЦ с бутановым контуром

1 – стопорные и регулирующие клапаны с пневмоприводом; 2 – бутановая турбина; 3 – бутановые уплотнения; 4 – воздушный конденсатор; 5 – конденсатный насос; 6 –   инжектор; 7 – сепаратор; 8 – насос сепараторный; 9 – бутановый обогреватель; 10 –  испаритель бутана; 11 – водогрейный котел; 12 – смесительный бутановый нагреватель струйного типа; 13 – БРОУ.

Производители, использующие технологию ОРЦ

На сегодняшний день компания ElectraTherm является лидером в разработке и производстве небольших низкотемпературных агрегатов модульного типа для генерации электроэнергии из бросового тепла. Конструкция Power+Generator и соответствующая запатентованная технология с использованием высокоэффективного детандера BITZER HS.85 позволяют производить электроэнергию с использованием тепловых источников с температурой от 77 до 150 °C. Используя данную технологию, можно утилизировать бросовое тепло поршневых двигателей, производственных процессов, геотермальное и солнечное тепло, а также получаемое от сжигания биомассы, ПНГ, биогаза. Но основным вариантом остается использование Power+ со стационарными двигателями внутреннего сгорания. Обычно оборудование ElectraTherm устанавливается на объектах малой энергетики в отдаленных и труднодоступных регионах, на островах, на предприятиях развивающихся экономик, на генераторных установках, работающих на биогазе, включая газ сточных вод, свалочный газ и др.

В настоящее время ElectraTherm производит агрегаты производительностью до 75 кВт, хорошо сочетающиеся с двигателями мощностью >800 кВт (модель 4400В), и до 150 кВт (модель 6500В+).

Опыт эксплуатации оборудования ElectraTherm

Датч Харбор, Аляска

Три агрегата Power+ 4400 успешно работают с 2014 года, утилизируя бросовое тепло от трех дизель-генераторов на электростанции в Датч Харбор, на отдаленных Алеутских островах. Они забирают избыточное тепло от воды из рубашки охлаждения двух двигателей Wärtsilä W12V32 и одного Cаt C280-16 с температурой от 77°C и выше и генерируют около 75 кВт «чистой» электроэнергии нетто.

о. Уналашка

Три ОЦР установки для рационального использования избыточного тепла от действующей ДЭС, в расчете получить не менее $250 тыс. экономии на дизельном топливе при производстве электроэнергии. Кроме того, агрегаты Power+ в значительной степени заменили радиаторы генераторных установок, снизив тепловую нагрузку на них на 8 МВт, что увеличило экономию топлива. Снятие тепловой нагрузки с помощью ОЦР-установок – дополнительное преимущество к непосредственной генерации электроэнергии агрегатами Power+. Все три ОЦР установки имеют общий контур охлаждения морской водой с температурой на входе порядка 7°C. В итоге срок окупаемости оборудования составил менее двух лет и окончательный результат превзошел первоначальные ожидания заказчиков.

г. Левице, Словакия

Десять Power+ Generator 4400 установлены и успешно работают на ТЭЦ в г. Левице. Инжиниринговая компания из Чехии (партнер ElectraTherm) реализовала техническое решение по повышению эффективности используемого оборудования, внедрив ОЦР установки в систему централизованного районного отопления. Установка утилизирует избыточное тепло двух газовых турбин Rolls-Royce, работающих в комбинированном цикле. Выхлопные газы турбин поступают далее в рекуперативный парогенератор. Газы с пониженной температурой греют воду для теплофикации. Оставшееся неиспользованным тепло поступает с горячей водой в агрегаты Power+ для генерации 400 кВт электроэнергии, продаваемой по привлекательному «зеленому» тарифу.

В то время как газовые турбины комбинированного цикла широко применяются в Европе для генерации электроэнергии и тепла, данная установка стала первой с использованием оборудования ElectraTherm, позволяющего получать дополнительную мощность из низкопотенциального тепла.

г. Беппу, Япония

ElectraTherm успешно ввела в эксплуатацию геотермальную систему рекуперации тепла ORC, состоящую из одного генератора Power+ 4400, в местной системе централизованного теплоснабжения. Жители используют геотермальную энергию для обогрева близлежащих домов, нагрева воды и даже для приготовления пищи. Теперь, с добавлением системы ORC, жители также получат выгоду от производства чистой энергии.


Поделиться:

вернуться назад