Способ утилизации тепловых вторичных энергоресурсов промышленных предприятий для выработки электроэнергии

УДК 62-176.2

СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОВЫХ ВТОРИЧНЫХ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ ДЛЯ ВЫРАБОТКИ

ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

А.М. ГАФУРОВ*, Б.М. ОСИПОВ*, Н.М. ГАФУРОВ**, Р.З. ГАТИНА*

Казанский государственный энергетический университет Казанский национальный исследовательский технологический университет

Рассмотрены возможности эффективного использования вторичных энергоресурсов, в том числе тепловых отходов с температурой ниже 80°С, в качестве источников теплоты для термодинамического цикла теплового двигателя по выработке электроэнергии. Предлагается в качестве рабочего тела в тепловом двигателе использовать сжиженный углекислый газ или пропан.

Ключевые слова: утилизация тепловых отходов, органический цикл Ренкина, низкокипящиерабочие тела.

Наиболее крупные проблемы теплового загрязнения связаны с промышленными предприятиями. Большая часть энергии топлива, которая не может быть превращена в полезную работу, теряется в виде тепловой энергии. Наиболее простым способом избавления от этой теплоты является выброс его в окружающую среду. Зачастую сброс тепловых отходов в водоемы может приводить к изменениям биотического компонента экосистемы. Поэтому возможность эффективного использования тепловых вторичных энергоресурсов промышленных предприятий является важной научно-технической задачей [1].

В настоящее время утилизация низко- и среднепотенциальной теплоты на уровне 80-160°С производится, в основном, в геотермальной энергетике, где в энергетических установках реализуется органический цикл Ренкина (ОЦР) с применением низкокипящих рабочих тел (НРТ), в качестве которых используются различные углеводороды. Идея применения фреона в качестве рабочего тела паросиловой установки для выработки электроэнергии впервые была реализована в 1967 году в СССР на Паратунской опытно-промышленной геотермальной электростанции. Однако возможная область применения таких установок с НРТ значительно шире [2].

В геотермальной энергетике принято считать, что нижняя температурная граница, при которой имеет смысл использовать тепловую энергию, составляет 80°С. При этом наибольшую долю сбросной теплоты составляют промышленные отходы с температурой ниже 80°С, что затрудняет ее использование. Кроме того, стоимость выброшенной энергии, в конечном счете, закладывается в себестоимость продукции.

В последнее время прилагаются большие усилия по утилизации тепловых отходов предприятий промышленности с возможностью генерации электроэнергии. Потенциал в 750 МВт оценивается для производства электроэнергии от теплоты промышленных отходов в США, 500 МВт - в Германии и 3000 МВт - в Европе.

В России внедрение экономически эффективных энергосберегающих технологий соответствует основным положениям Энергетической стратегии России до 2030 года (Распоряжение Правительства РФ №1715-р от 13.11.2009) и Стратегии развития топливно-энергетического комплекса Республики Татарстан на период до 2030 года (Закон РТ №41-РТ от 17.06.2015) [3].

© А.М Гафуров, Б.М .Осипов ,Н.М. Гафуров, Р.З. Гатина Проблемы энергетики, 2016, № 11-12

Для эффективного использования сбросной теплоты промышленных предприятий с температурой ниже 80°С в термодинамическом цикле теплового двигателя необходимо осуществить выбор оптимального НРТ. Оптимальное НРТ должно удовлетворять следующим термодинамическим показателям [4]:

1) критическая температура НРТ должна быть в пределах от 30 до 50°С, чтобы обеспечить его нагрев от источника сбросной теплоты до сверхкритической температуры;

2) критическое давление НРТ должно быть в пределах от 3 до 5 МПа, чтобы обеспечить приемлемые давления контура циркуляции и затраты на его сжатие;

3) температура тройной точки НРТ должна быть ниже минус 50°С, чтобы исключить замерзание во всем диапазоне рабочих температур в зимний период;

4) давление тройной точки НРТ должно быть не менее 0,1 МПа, чтобы исключить проблемы создания вакуума и обеспечения прочности и герметичности трубопроводов и арматуры.

Рассмотрим низкокипящие рабочие тела, которые могли бы в наибольшей степени соответствовать указанным термодинамическим показателям на примере сжиженного углекислого газа СО2 и пропана С3Н8 (табл. 1).

Таблица 1

Сравнение термодинамических показателей НРТ_

Показатель параметра, размерность СО2 C3H8 Преимущества

Критическая температура, °С 31 96,7 СО2

Критическое давление, МПа 7,3773 4,2512 C3H8

Температура тройной точки, °С -56,56 -187,6 C3H8

Давление тройной точки, МПа 0,518 1,7*10-10 СО2

Диоксид углерода CO2 (R744) не имеет цвета, запаха и тяжелее воздуха. Хладагент CO2 все шире используется в холодильных установках. Применение СО2 чрезвычайно перспективно не только из-за простоты его получения, но и потому, что использование этого газа в различных агрегатных состояниях (газ, жидкость, твердое вещество) позволяет решать различные технологические задачи. Обезвоженный диоксид углерода (как газообразный, так и жидкий) не коррозирует металлы [5].

Пропан C3H8 (R290) - насыщенный углеводород, при нормальных условиях представляет собой бесцветный горючий и взрывоопасный газ, не обладающий запахом. В промышленных холодильных установках пропан используют уже в течение многих лет. Хладагент С3Н8 характеризуется низкой стоимостью и малой растворимостью в воде. При использовании данного хладагента не возникает проблем с выбором конструкционных материалов деталей турбины, конденсатора и испарителя [6].

В реальности, при выборе НРТ наблюдается практика соблюдения разумного компромисса между противоречивыми характеристиками НРТ. Поэтому предлагается способ утилизации тепловых вторичных энергоресурсов промышленных предприятий с температурой ниже 80°С для выработки электроэнергии с помощью теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции на сжиженном газе СО2 или C3H8 (рис. 1). Работа теплового двигателя осуществляется по ОЦР, который может охлаждаться как водными ресурсами окружающий среды с температурой от 5 до 28°С, так и воздушными ресурсами окружающий среды с температурой вплоть до минус 55°С [7].

Рис. 1. Принципиальная схема теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции на СО2 или С3Н8 для утилизации тепловых отходов

Тепловой двигатель работает следующим образом: сжиженный газ СО2 (или С3Н8) сжимается в насосе, нагревается и испаряется в теплообменнике-испарителе за счет подводимой теплоты промышленных отходов с температурой ниже 80°С. Далее перегретый газ С3Н8 расширяется в турбодетандере, соединенном с электрогенератором. Затем расширенный газ направляется на охлаждение в теплообменник-конденсатор водяного или воздушного охлаждения, где, в процессе охлаждения газа СО2 (или С3Н8) ниже его температуры насыщения, происходит интенсивное сжижение. После этого сжиженный газ направляется в насос, и цикл повторяется [8].

Перспективным является комбинированная система водяного и воздушного охлаждения НРТ, которая может быть реализована в виде последовательной схемы охлаждения и сжижения НРТ. Рассмотрим последовательную схему водяного и воздушного охлаждения перегретого газа С3Н8 (рис. 2).

При последовательном охлаждении температуру перегретого газа С3Н8 снижают вначале в теплообменнике-охладителе (ТО) водяного охлаждения, а затем его охлаждают до температуры насыщения и сжижают в теплообменнике-конденсаторе воздушного охлаждения (АВО) в зимний период времени (рис. 2). Применение воздуха в качестве теплоотводящей среды конденсатора позволяет резко сократить расходы воды и улучшить экологический баланс естественных водоемов.

В летний период времени экономически целесообразно использование только водяного охлаждения, так как использование воздушного охлаждения приводит к существенным затратам мощности на электродвигатель вентилятора.

Рис. 2. Принципиальная схема теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции на C3H8 с последовательной схемой водяного и воздушного охлаждения в зимний период времени: ТО -теплообменник-охладитель водяного охлаждения; АВО - аппарат воздушного охлаждения

В тепловом контуре ОЦР происходят характерные изменения агрегатного состояния рабочего тела, где эффективность цикла может быть определена по температуре теплоты, подведенной от источника и отведенной из цикла.

Подобно тому, как тепловые отходы промышленных предприятий являются прямым источником низкопотенциальной теплоты с температурой ниже 80°С, окружающая среда - прямой источник холода с температурой до минус 55°С. Термодинамическая система теплового двигателя на сжиженном газе СО2 (или может производить работу только при отсутствии равновесия между ее термодинамической системой и окружающей средой. При этом фактическая работа теплового двигателя, отдаваемая потребителю, сопоставляется с максимальным количеством работы, которую можно получить от термодинамической системы за счет ее внутренней энергии и подведенной к ней первичной тепловой энергии. Поэтому минимально допустимый температурный перепад, обеспечивающий полезную выработку электроэнергии тепловым двигателем, может составлять 30°С при использовании в качестве источника холода водных ресурсов окружающей среды и 40°С при использовании в качестве источника холода воздушных ресурсов окружающей среды. В этом случае максимально возможная эксергетическая эффективность термодинамической системы данной установки может достигать 26%.

Отношение эксергии ^ Евых , отводимой из системы, к подведенной эксергии

^ Евх представляет собой эксергетический КПД, который характеризует степень

приближения системы к идеальной. Таким образом, эксергетический КПД установки определяется по формуле [9]

I Евы

Nп

л = -экс С"

I Ев

а

•100,

/тГ.нрт _ лж.нрг\_ гсред. / г.нрт _ ж.нрт ^ нрт • I "3 I Т охл. I дз Д1 ,

где NЭюл - полезная электрическая мощность установки, кВт; Снрт - массовый расход

низкокипящего рабочего тела, кг/с; "г'нрт, 5г нРт- энтальпия кДж/кг, и энтропия,

кДж/кгК, газообразного состояния НРТ на входе в турбодетандер; "жнрт, 5^ж нрт-энтальпия, кДж/кг, и энтропия, кДж/кгК, сжиженного состояния НРТ на выходе из теплообменника-конденсатора водяного или воздушного охлаждения;

температура охлаждающей среды, К.

К примеру, в табл. 2 приведены эксергетические КПД различных технических систем.

Таблица 2

Показатели эксергетического КПД для различных технических систем

Наименование Эксергетический КПД, %

Конденсационная электростанция 39-42

Парокомпрессионная холодильная установка 30-35

Абсорбционная водоаммиачная холодильная установка 12-15

Пароэжекторная холодильная установка 3-6

Парокомпрессионный тепловой насос 35-40

Исследуемый тепловой двигатель на сжиженном газе СО2 (или С3Н8) < 26

Существующие проблемы сохранения чистоты природных водоемов от загрязнений и стремление к снижению стоимости систем технического водоснабжения на тепловых электрических станциях диктуют необходимость поиска новых прогрессивных схем охлаждения. К ним следует отнести схемы с воздушным или испарительным охлаждением, применение на крупных электростанциях, использующих органическое и ядерное топливо, отдельных замкнутых контуров для охлаждения масла или заменяющих его огнестойких жидкостей. Наиболее перспективным можно считать возможность отвода теплоты в маслоохладителях паротурбинных установок с помощью тепловых двигателей с замкнутым контуром циркуляции на СО2, где температура нагретого масла не превышает 80°С [10].

При этом расчеты показывают, что для выработки 1 кВт полезной электрической мощности с помощью теплового двигателя на сжиженном газе СО2 необходимо утилизировать около 160 кВт тепловых отходов.

Выводы

1. В зимний период времени минимально допустимая температура охлаждающей воды составляет примерно 5°С, что ограничивает потенциал для использования теплоперепада в тепловом двигателе с замкнутым контуром циркуляции на СО2 или С3Н8. При этом происходит значительное уменьшение тепловых выбросов в окружающую среду, так как температура сбрасываемой воды незначительно отличается от температуры воды в водоеме, что не приводит к изменению биотического компонента экосистемы.

2. В зимний период времени минимально допустимая температура охлаждающего воздуха равна температуре окружающей среды, что не ограничивает потенциал для использования теплоперепада в тепловом двигателе с замкнутым контуром циркуляции на СО2 или C3H8. При этом возможна эксплуатация конденсаторов воздушного охлаждения в условиях холодного климата со средней температурой наружного воздуха в наиболее холодный период не ниже минус 55оС.

3. Температурный диапазон использования сжиженного газа СО2 в качестве низкокипящего рабочего тела в тепловом контуре органического цикла Ренкина ограничивается показателями критической температуры в 31°С и температурой в тройной точке минус 56,56°С. Поэтому использование сжиженного газа СО2 в температурном диапазоне от 60 до минус 55°С позволит обеспечить приемлемые давления контура циркуляции теплового двигателя и затраты на его сжатие.

4. Температурный диапазон использования сжиженного газа C3H8 в качестве низкокипящего рабочего тела в тепловом контуре органического цикла Ренкина ограничивается показателями критической температуры в 96,7°С и температурой насыщения при давлении не менее 0,1 МПа. Поэтому использование сжиженного газа C3H8 в температурном диапазоне от 100 до минус 42°С позволит исключить проблемы создания вакуума и обеспечения прочности и герметичности трубопроводов и арматуры.

Summary

The possibilities of effective use of secondary energy resources, including thermal waste with a temperature below 80°C, as warmth sources for a thermodynamic heat engine cycle by power generation are considered. It is proposed as the working fluid in a heat engine to use liquefied carbon dioxide gas or propane.

Keywords: utilization of thermal waste, organic Rankine cycle, low-boiling working mediums.

Литература

1. Гафуров А.М., Гафуров Н.М. Перспективы утилизации тепловых отходов на тепловых электрических станциях в зимний период // Инновационная наука. 2015. № 10-1. С. 53-55.

2. Гафуров А.М. Перспективные области применения энергетических установок на низкокипящих рабочих телах // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2015. №1 (25). С. 93-98.

3. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://minenergo.gov.ru/node/1026.

4. Гафуров А.М. Выбор оптимального низкокипящего рабочего тела для системы охлаждения конденсаторов паровых турбин по термодинамическим показателям // Инновационная наука. 2016. № 4-3. С. 41-43.

5. Гафуров А.М., Гафуров Н.М. Характерные особенности использования углекислого газа СО2 в качестве низкокипящего рабочего тела // Инновационная наука. 2016. № 1-2. С. 19-21.

6. Гафуров А.М., Гафуров Н.М. Характерные особенности использования пропана С 3Н8 в качестве низкокипящего рабочего тела // Инновационная наука. 2016. № 1-2. С. 21-23.

7. Гафуров А.М., Калимуллина Р.М. Сжиженный углекислый газ в качестве рабочего тела в тепловом контуре органического цикла Ренкина // Инновационная наука. 2015. № 12-2. С. 38-40.

8. Гафуров А.М. Способ преобразования сбросной низкопотенциальной теплоты ТЭС. // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2015. №4 (28). С. 28-32.

9. Гафуров А.М., Калимуллина Д.Д. Математическая модель низкотемпературного теплового двигателя в составе конденсационной ТЭС // Инновационная наука. 2015. № 12-2. С. 33-34.

10. Патент на изобретение №2560622 РФ. Способ утилизации низкопотенциальной теплоты системы маслоснабжения подшипников паровой турбины тепловой электрической станции / Гафуров А.М. 20.08.2015 г.

Поступила в редакцию 21 декабря 2016 г.

Гафуров Айрат Маратович - инженер кафедры «Энергетическое машиностроение» (ЭМ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). E-mail: progress150987@rambler.ru..

Осипов Борис Михайлович - к.т.н., профессор кафедры «Энергетическое машиностроение» (ЭМ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). E-mail: obm0099@yandex.ru.

Гафуров Наиль Маратович - студент 4 курса кафедры «Химия и технология высокомолекулярных соединений» Казанского национального исследовательского технологического университета (КНИТУ). E-mail: hankmpro@mail.ru.

Гатина Резеда Зуфаровна - студент 4 курса, кафедры «Химиия и технологиия высокомолекулярных соединений» Казанского национального исследовательского технологического университета (КНИТУ).