Когенерация с цикъл на Ранкин с органична течност

Енергийна ефективностТехнически статииСп. Енерджи ревю - брой 4, 2011

Съгласно законите на термодинамиката, няма процес на производство на енергия или извършване на полезна работа, който да се характеризира със 100% ефективност. Например при изгарянето на гориво за производство на електроенергия, голяма част от произведената топлинна енергия се губи под формата на отпадна топлина. Енергийните ограничения и проблемите с климата са сред основните предпоставки за разработване на различни решения за оползотворяването на този ниско температурен ресурс при производството на електроенергия. Сред най-широко използваните решения в тази насока се явява цикълът на Ранкин с органична течност (Organic Rankine Cycle). Една от причините е, че основните елементи на системата са същите, както при конвенционалното производство на пара. Разликата е в работния флуид, който при използването на цикъл на Ранкин е органична течност, характеризираща се с по-ниска температура на кипене от водата и позволяваща да се намали температурата на изпарение. По мнение на специалисти, успехът на цикъла на Ранкин с органична течност (ОРЦ) може частично да се обясни с лесното приспособяване на системата, с леки изменения към различни източници на топлина. Този факт се подсилва и от високата технологичност на повечето компоненти, което се дължи предимно на тяхното широко приложение в хладилното оборудване. Освен това, за разлика от конвенционалните цикли за производство на енергия, тази технология е подходяща за локални и малки приложения.

Цикълът на Ранкин

е термодинамичен цикъл, използван за производство на електроенергия и на практика достига идеалния цикъл на Карно (Carnot cycle). Цикълът протича в четири етапа. Работният флуид (обикновено вода) се подава към котел, в които се загрява до получаването на прегрята пара. За подгряването на водата в котела се използва външен източник на топлина. Получената прегрята пара се подава към парна турбина, където топлинната енергия се превръща в механична. Турбината от своя страна задвижва генератор за превръщане на механичната енергия в електрическа. Преминалата през турбината пара, посредством процес на кондензация, се превръща отново в течност и се връща в помпата за повторно подаване към котела. Недостатъкът на използването на паро-водна смес е, че е необходимо използването на прегрятата пара, в противен случай съдържанието на влага след разширяването в турбината може да е твърде високо, а това може да доведе до ерозия на лопатките на турбината. Твърди се, че цикълът на Ранкин на основата на вода осигурява приблизително 85% от световното производство на електроенергия. Като работен флуид за протичането на цикъла може да се използва и органична течност. Основно предимство на тези флуиди е възможността те да бъдат използвани при температури по-ниски от 400 оС и че не е необходимо да бъдат прегрявани. Характеризират се с по-голяма молекулна маса от водата, което води до по-бавно въртене на турбината и по-ниско налягане и ерозия на металните части и перките. Използването на подобни флуиди е познато като цикъл на Ранкин с органична течност.

Органичният цикъл на Ранкин

е добре познат и широко разпространен метод за производство на енергия, в повечето случаи в приложения, използващи биомаса или геотермална енергия. В зависимост от използваната органичната течност, за протичане на цикъла и производство на електроенергия може да се използва отпадна топлина с температури от порядъка на 70 - 80 оС. При тези ниски температури парният цикъл би бил неефективен поради големите обеми пара с ниско налягане. Няколко органични течности се считат за подходящи за оползотворяване на отпадна топлина с температура в диапазона от около 70 до към 500 оС. Сред тях са фреонът, толуолът, амонякът и други. По-голямата молекулна маса на тези течности рефлектира в по-малки потоци и, съответно, в по-малки размери на системата. Също така дава възможност за достигане на висока ефективност от турбината от порядъка на 80%.

От оперативна гледна точка, ОРЦ изисква малка поддръжка и процесът може да бъде автоматизиран. Добре е да се има предвид обаче, че макар цикълът да протича в затворен контур, се препоръчва предвиждането на система за откриване на течове, тъй като някои органични течности са запалими.

Висока ефективност

ОРЦ има висока обща ефективност: 98% от входящата топлинна енергия на органичната течност се трансформира в електрическа (около 20%) и топлина (78%), с много ограничени топлинни загуби - само 2%, дължащи се на топлинната изолация, излъчването и загубите в генератора; електрическата ефективност, получена в некогенерационни приложения е по-висока (около 24% и повече).

За да се минимализират разходите и енергийните загуби, се препоръчва системите с ОРЦ да се позиционират близо до източника на топлина и да има голямо количество налична отпадна топлина при стандартни условия, за дълъг период от време. Съща така е необходимо наличието на охлаждаща среда, обикновено вода или въздух, което може да ограничи до известна степен възможните приложения.

Цикълът на Ранкин с органична течност се счита за подходящ, предимно за оползотворяване на ниско температурна отпадна топлина, повишаване ефективността на електроцентралите и рекуперация на геотермална или соларна топлина.

ОРЦ при производство на енергия от биомаса

Производството на електро- и топлоенергия от биомаса се счита за подходящо предимно за централи с мощност обикновено по-ниска от 1 MWe, което изключва използването на традиционни парни цикли, които се явяват икономически неизгодни при подобни мощности. В този случай ОРЦ предлага няколко предимства пред традиционния парен цикъл. Котелът работи при по-ниска температура и по-ниско налягане, тъй като той само загрява органичната течност до температура от порядъка на 300 °C и при ниско налягане, докато парният котел трябва да произведе прегрята пара с температура по-висока от 450 °C, за да се избегне образуването на капчици по време на разширяването. Налягане от около 60 до 70 бара и топлинните разширения увеличават значително сложността и разходите при използването на парен котел в сравнение с котела, загряващ органична течност. Друго предимство на ОРЦ е по-ниското работно налягане в сравнение със парния цикъл. Това намалява инсталационните разходи и улеснява управлението на инсталацията, съобразно изискванията за безопасност.

Ефективността на производството на енергия с ОРЦ обаче, е по-ниска от тази на традиционните парни цикли и намалява с увеличаване размера на централата. Вторият недостатък на ORC пред парния цикъл е по-високата температура на димните газове на изхода от котела: температурата на подаваната органична течност е около 300 °C, докато температурата на питателната вода на парния цикъл е около 100 °C. С горивните газове, напускащи котела с висока температура, ефективността на котела намалява. Това може да се компенсира с добавянето на допълнителен топлообменник за прегряване на работния флуид и на въздуха за горене.

Оползотворяване на геотермална и отпадна топлина

Геотермалните източници на топлина се характеризират с голямо разнообразие по отношение на температурата. За да може да се използва ОРЦ, е необходимо температурата на източника да е поне 100 оС. Някои геотермални централи работят и с температури по-високи от 200 °C. Високата температура, обикновено над 150 °C, на геотермалния източник на топлина дава възможност за комбинирано производство на топлинна и електрическа енергия (температурата на кондензация се установява на по-високо ниво например 60 °C), което позволява охлаждащата вода да се използва за местно отопление.

ОРЦ може да се използва и за оползотворяване на отпадна топлина от индустриални процеси или механично оборудване. Тази топлина може да бъде превърната в топлинен източник за други приложения или да се използва за местно отопление.

Използването на ОРЦ предлага много предимства като: висока ефективност на турбините и термодинамичния цикъл; ниски механични напрежения в турбината; отсъствие на влага по време на разширението на парите, отговорна за ерозията на перките; лесни стартови процедури; автоматична и продължителна работа; лесна поддръжка; не изисква постоянно обслужване; дълъг живот на централата (повече от 20 години), не е необходимо деминерализиране на водата. Благодарение на тези предимства, централите за производство на електроенергия с ОРЦ технологията бързо заемат все по-голям дял при производството на енергия.

Уилям Ранкин

Цикълът на Ранкин носи името на Уилям Джон Маккорн Ранкин (William John Macquorn Rankine). Уилям Ранкин е шотландски инженер и физик със значителен принос към термодинамиката. Той разработва цялостна теория на топлинните двигатели, а издадените от него инженерни ръководства се използват широко десетилетия след тяхното публикуване през 50-те и 60-те години на 19 век. По-рано той публикува и няколкостотин документа и бележки на научна и инженерна тематика.


Top