ORC-системы: назначение, принцип действия, преимущества

ORC-системы: назначение,  принцип действия, преимущества

Содержание:

  1. Цикл Ренкина
  2. Особенности цикла Ренкина с использованием воды
  3. Особенности органического цикла Ренкина
  4. ORC в сравнении с традиционным циклом Ренкина

Будучи официальным представителем корпорации TICA Group — одного из ведущих мировых произво-дителей энергоустановок, преобразующих средне- и низкопотенциальную тепловую энергию в электри-ческую, компания «ТИКА ПРО» поставляет на рын-ки Российской Федерации и стран СНГ модульные и стационарные ORC-электростанции, утилизирую-щих тепло в соответствии с органическим циклом Ренкина (Organic Rankine Cycle). Чтобы понять, какие преимущества дает использование таких установок как для их владельца, так и для экономики страны в целом, а также для экологии в масштабах всей пла-неты, рассмотрим технические основы их работы.


Цикл Ренкина


Тепловой двигатель — это устройство, преобразую-щее тепло в механическую работу. В большинстве тепловых электростанций используются паротур- бинные двигатели. Схема их работы выглядит следующим образом. Получая тепло от внешних источников, вода нагревается и испаряется. В результате водяной пар с высоким давлением нагнетается в турбину, где расширяется, приобре- тает большую скорость и, воздействуя на лопат-ки ротора турбины, вращает его. В свою очередь ротор турбины вращает ротор генератора, при этом вырабатывается электрическая энергия.

После турбины водяной пар, имеющий низкие тем-пературу и давление, охлаждается. В результате пар конденсируется, и образовавшаяся вода с помощью насоса снова подается к источнику теплоты для нагрева. После этого цикл повторяется. Он получил название цикл Ренкина по имени шотландского инженера, физика и механика Уильяма Джона Ренкина (1820—1872), стоявшего у истоков создания техни-ческой термодинамики. Сегодня большая часть электроэнергии во всем мире вырабатывается с помощью цикла Ренкина. Вода, используемая в цикле, является рабочим телом цикла.

бизнес-центр.jpg

Особенности цикла Ренкина с использованием воды

  • КПД теплового двигателя

Согласно второму началу термодинамики, невозможно создать тепловой двигатель, в котором в циклическом процессе все тепло, полученное от нагревателя, будет преобразовано в механическую работу. Доля тепла, преобразуемого в работу, называется коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя. КПД цикла Ренкина существенно зависит от температур, при которых происходят кипение и конденсация жидкости. Для повышения КПД надо стремиться испарять воду при максимально возможной температуре, а конденсацию водяного пара проводить при минимально возможной температуре.
Рассмотрим наиболее распространенные варианты применения цикла Ренкина, в которых в качестве источника теплоты используются:

• горячая вода, забираемая из подземной скважины;

• вода или иной теплоноситель, нагретый либо солнечным излучением, либо за счет бросового тепла.

  • Температура кипения воды

Как известно, температура кипения жидкостей зависит от давления. Так, при атмосферном давлении вода закипает при 100 °C. Для того чтобы она кипела при температуре 200 °C, надо создать давление 15,5 атм, а при температуре 300 °C — 86 атм. Таким образом, изменяя давление, можно регулировать температуру кипения жидкости.


В цикле Ренкина вода сначала нагревается до температуры кипения, а затем кипит при постоянной температуре. Кипение продолжается до тех пор, пока вся жидкость не превратится в пар. Тепло для осуществления этих процессов отбирается у теплоносителя, который при этом охлаждается.
Особенностью воды является то, что на ее испарение затрачивается гораздо больше тепла, чем на нагрев. Как следствие, теплоноситель значительно охлаждается, прежде чем испарится вся жидкость. Поэтому приходится устанавливать температуру кипения воды значительно ниже начальной температуры теплоносителя.


Передача тепла от теплоносителя кипящей воде происходит при большой разности температур теплоносителя и воды. Теоретически для того или иного вида теплоносителя можно было бы использовать другой цикл с большей температурой кипения, и тогда увеличился бы КПД теплового двигателя. Большая разность температур теплоносителя и воды приводит к тому, что тепло используется менее эффективно, чем могло бы.

бизнес-центр.jpg
  • Температура конденсации

Казалось бы, температура конденсации пара должна определяться температурой окружающей среды. Однако, когда водяной пар конденсируется при комнатной температуре, его давление составляет всего 0,02 атм. Он сильно разрежен и занимает огромное пространство. Как следствие, теплообменник, в котором конденсируется такой пар, должен иметь очень большие размеры. В крупных устройствах, каким является турбогенератор, невозможно обеспечить полную герметичность. Из-за этого приходится бороться с неизбежным натеканием атмосферного воздуха. Для упрощения конструкции системы конденсацию водяного пара проводят при давлении около 0,1 атм и температуре 45—50 °C, что существенно выше температуры окружающей среды. В итоге повышение температуры конденсации приводит к снижению КПД теплового двигателя.

  • Необходимость большого количества ступеней турбины

На входе в турбину давление пара составляет десятки атмосфер, а на выходе оно становится в десять раз меньше атмосферного. В тоже время объем пара при прохождении турбины увеличивается в сотни раз. На каждой ступени этого агрегата он может расшириться лишь в несколько раз. Поэтому турбина двигателя, использующего водяной пар, включает большое количество ступеней.

  • Невозможность создания маломощной турбины для водяного пара

Для эффективной работы двигателя лопатки турбины должны двигаться со скоростью, сравнимой со скоростью звука. Водяной пар является легким газом, скорость звука в нем превышает 400 м/с. Если радиус ротора турбины невелик, то для достижения требуемой скорости лопаток он должен вращаться с высокой частотой. При этом на лопатки будет действовать огромная центробежная сила, которая может попросту разрушить турбину. Следовательно, диаметр рабочего колеса паровой турбины не может быть маленьким. Пар в турбине движется с высокой скоростью, сравнимой со скоростью звука. Поэтому даже через небольшое поперечное сечение турбины за секунду проходит значительная масса пара, которая совершает большую работу. Например, если поток пара температурой 200 °C, движущийся со скоростью звука, проходит через турбину, имеющую поперечное сечение всего 1 кв.см, то мощность турбины будет равна 100 кВт. При разумных допустимых габаритных размерах турбины частота ее вращения должна быть не менее 100000 об/мин. Ресурс такой турбины будет очень небольшим. На практике мощность паровой турбины должна быть не менее нескольких мегаватт.

  • Образование капель воды в паровой турбине

Термодинамические свойства воды таковы, что при расширении пара в турбине образуются водяные капли. Они движутся с огромной скоростью и, попадая на лопатки, со временем разрушают их поверхность. Чтобы предотвратить образование капель, применяются специальные устройства, которые увеличивают стоимость двигателя.


Особенности органического цикла Ренкина


  • Органический цикл Ренкина

Если в цикле Ренкина вместо воды используется органическое вещество, то такой цикл называется органическим циклом Ренкина (Organic Rankine Cycle). В ORC происходят те же процессы: нагрев жидкости, ее кипение при высоком давлении и температуре, образование пара, совершение работы расширяющимся паром, его охлаждение и конденсация.

В качестве рабочего тела используются хладагенты и углеводороды, температура кипения которых при атмосферном давлении ниже, чем воды. Данные вещества являются легкокипящими. Важной особенностью ORC является возможность подбора жидкости, термодинамические свойства которой позволяют наиболее эффективно использовать имеющийся источник теплоты.

Поскольку жидкости являются легкокипящими, пар под давлением, достаточным для работы турбины, может быть получен при температуре источника теплоты ниже 100 °C. Таким образом, для выработки электроэнергии ORC-установки могут использовать источники теплоты с низкими температурами.

Жидкости, используемые в органическом цикле Ренкина, обычно имеют крайне низкую температуру замерзания, поэтому в конденсаторах с воздушным охлаждением (теплообменниках, в которых происходит конденсация) не возникает проблем с замерзанием рабочего тела в холодное время года, в том числе при простое установки. С другой стороны, нельзя не отметить преимущества воды по сравнению с органическими веществами. К ним относятся низкая стоимость, отсутствие вредного воздействия на окружающую среду и пожарной опасности.

бизнес-центр.jpg
  • Температура кипения органической жидкости

Как и в цикле с водяным паром, в ORC жидкость сначала нагревается, а затем испаряется. При этом на испарение затрачивается гораздо меньше тепла, чем на нагрев. Из-за затрат тепла на испарение жидкости теплоноситель охлаждается значительно меньше, чем при использовании водяного пара. Начальная температура теплоносителя в меньшей степени отличается от температуры кипения органической жидкости, чем при использовании водяного пара. Таким образом, при одинаковых параметрах теплоносителя температура кипения органической жидкости будет выше, чем температура кипения воды, а значит, эффективность использования тепла в ORC выше.

  • Температура конденсации в ORC

Так как в ORC применяются легкокипящие жидкости, то давление, при котором происходит конденсация их паров, сравнимо с атмосферным даже при температурах ниже комнатной, поэтому принимать специальные меры для борьбы с натеканием воздуха не требуется и конденсацию паров можно проводить при температуре окружающей среды (если она не слишком низкая). При понижении температуры окружающей среды температура конденсации снижается, как следствие, КПД двигателя возрастает.

Поскольку пары жидкости в ORC конденсируются при более высоком давлении, чем в цикле Ренкина с водяным паром, конденсатор имеет более компактную конструкцию.

  • Малое число ступеней турбины

В случае использования ORC для преобразования тепла, полученного от источников с низкими температурами, давление пара перед турбиной составляет десятки атмосфер, а конденсация пара происходит при давлении, сравнимом с атмосферным. При этом объем пара во время прохождения турбины увеличивается в десятки раз, что гораздо меньше, чем при использовании водяного пара.

Турбина двигателя, использующего ORC, состоит из нескольких ступеней. Маломощные радиальные турбины могут состоять и вовсе из одной ступени. Как следствие, турбины ORC проще и компактнее, чем турбины, работающие на водяном паре.

  • Возможность создания маломощных турбин

Жидкости, применяемые в ORC, имеют большую по сравнению с водой молекулярную массу, поэтому скорость звука в их парах гораздо меньше, чем в водяном. Как следствие, для эффективной работы двигателя лопатки турбины должны двигаться с гораздо меньшей скоростью, чем в случае использования водяного пара. Чем ниже скорость вращения турбины, тем больше ее рабочий ресурс.

Пар в турбине, использующей ORC, должен двигаться со скоростью, превышающей скорость звука. Тем не менее по абсолютной величине скорость пара органической жидкости существенно ниже скорости водяного пара. Поток пара органической жидкости переносит меньшую энергию, чем водяной пар, проходящий через ту же площадь. Следовательно, можно создать эффективно работающие турбины гораздо меньшей мощности (например, 100 кВт), чем при использовании водяного пара.

  • Отсутствие капель воды в паровой турбине

В ORC используются органические вещества, пары которых расширяются в турбине без образования капель. Как следствие, не происходит эрозионное разрушение лопаток рабочего колеса и направляющего аппарата турбины. Благодаря ORC можно обеспечить надежную работу двигателя при частичной нагрузке и в переходных режимах. Это упрощает конструкцию двигателя и позволяет в широком диапазоне изменять параметры его работы.

  • Модульные ORC-электростанции

Модульные ORC-электростанции эксплуатируются на промышленных и гражданских объектах, на которых нет технических специалистов, способных справиться с поломками системы. Все процессы в данных установках протекают при низких давлениях и ограниченной скорости вращения турбины. В них используются нетоксичные органические жидкости. Все это позволяет создавать надежные системы, для обслуживания которых не требуются значительные вложения.

ORC в сравнении с традиционным циклом Ренкина

Преимущества:

  • Более высокий КПД;

  • возможность выбора рабочего тела, термодинамические свойства которого позволят использовать имеющийся источник теплоты с максимальной эффективностью;

  • для выработки электроэнергии ORC-установки могут использовать низкотемпературные источники теплоты;

  • возможность изготовления турбогенератора малой и средней установленной мощности;

  • небольшие габариты установки;

  • вращение роторов турбин с меньшей частотой, благодаря чему увеличивается их рабочий ресурс;

  • относительно простая конструкция;

  • ORC-энергоустановки могут быть изготовлены в виде легко масштабируемых модулей;

  • большая гибкость в выборе режима эксплуатации;

  • надежная и стабильная работа;

  • низкие затраты на техническое обслуживание;

  • отсутствие проблем при эксплуатации ORC-установки в холодное время года.

Недостатки:

  • Высокая стоимость органических жидкостей, используемых в качестве рабочего тела;

  • воздействие органических жидкостей на окружающую среду;

  • некоторые жидкости пожароопасны.

На диаграмме показаны области применения различных технологий в зависимости от мощности генератора и температуры источника тепла:


бизнес-центр.jpg

Независимо от температуры источника тепла, ORC, как правило, является наилучшим решением для турбогенераторов небольшой мощности. Простота и компактность энергоустановки, более высокие изоэнтропический КПД и КПД при использовании среднетемпературных источников тепла, оптимальное соответствие кривой тепловыделения и лучшая работа при частичных нагрузках обеспечивают большую эффективность системы и ее меньшую удельную стоимость по сравнению с обычными циклами Ренкина. В некоторых случаях ORC-системы становятся единственным решением, которое можно реализовать на практике.


С другой стороны, при высоких температурах источника тепла и большой установленной мощности традиционные циклы Ренкина с использованием паровых турбин являются более эффективными: в таких условиях ограниченное увеличение производительности источников тепла, доступных при температуре выше 350—400 °C для ORC, приводит к снижению эффективности преобразования тепла в электроэнергию.

Детальнее про сферы энергетики, в которых используются агрегаты, читайте в статье Сферы применения ORC-установок.