Защита от коррозии и загрязнений поверхностей нагрева котла-утилизатора, входящего в энергетический комплекс малой мощности на основе бинарного ORC-цикла Ренкина

УДК 697.326:621.311 © В.С. Пряткина, 2019

Защита от коррозии и загрязнений поверхностей нагрева котла-утилизатора, входящего в энергетический комплекс

малой мощности на основе бинарного ORC-цикла Ренкина

DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2019-2-49-52

ВВЕДЕНИЕ

Сегодня в малой распределенной энергетике преобладающими являются дизельные электростанции (ДЭС). Главными недостатками ДЭС являются высокая стоимость дизельного топлива и ограниченный срок службы. Энергетическая стратегия на период до 2030 г. предусматривает оптимизацию энергопотребления и реализацию комплексных мероприятий по экономии топливных ресурсов [1].

Выявлено, что выхлопной газ дизель-генераторов является потенциальным энергоресурсом с температурой около 400°С, который наиболее целесообразно использовать для производства дополнительной электроэнергии в органическом цикле Ренкина [2].

Было доказано, что интеграция органического цикла Ренкина в технологическую схему судовых дизелей позволяет обеспечивать экономию дизельного топлива на 10-15% [3].

Предлагается интегрировать в тракт отвода выхлопных газов дизель-генераторной установки дополнительный энергетический комплекс на основе органического цикла Ренкина и за счет этого добиться:

- снижения расхода дизельного топлива на 10-15%;

- повышения КПД дизель-генераторной установки.

Дополнительный энергетический комплекс состоит из

четырех основных узлов:

- парогенератор (котел-утилизатор выхлопных газов);

- паровая микротурбина;

- генератор;

- конденсатор.

Несмотря на многолетние исследования в данной области и большой объем рынка для коммерциализации и внедрения установок на органическом цикле Ренкина [4], остаются проблемы, требующие нового инновационного подхода к их решению. Большая часть исследований посвящена разработке конструкций и оптимизации турбины, работающей на органическом паре [5, 6, 7 и другие], но в то же время не менее важной проблемой является то, что одним из основных и наиболее подверженных износу и загрязнению элементов вспомогательного энергетического комплекса дизель-генераторных установок

ПРЯТКИНА Вера Сергеевна

Младший научный сотрудник

ФГБОУ ВО «Южно-Российский государственный

Политехнический университет

имени М.И. Платова»,

346400, г. Новочеркасск, Россия,

тел.: +7 (904) 341-55-08,

e-mail: vera_pryatkina@mail.ru

Предлагается интегрировать в тракт отвода выхлопных газов дизель-генераторной установки дополнительный энергетический комплекс на основе органического цикла Ренкина. Котел-утилизатор в технологической схеме бинарного ORC-цикла Ренкина является наиболее уязвимым элементом с точки зрения надежности. Представлены способы и рекомендации по защите котла-утилизатора от коррозии и загрязнения поверхностей нагрева в бинарном ORC-цикле Ренкина. Загрязнение внешних и внутренних поверхностей нагрева поведет за собой снижение номинальных показателей работы котла-утилизатора, снизит надежность и эффективность работы бинарного цикла в целом. Надежность работы котла-утилизатора в значительной степени обусловлена эффективной системой очистки. Для предотвращения коррозии металла поверхностей нагрева котла-утилизатора, контактирующих с рабочим телом, предлагается использовать вместо воды некоррозионно активные рабочие тела. Наиболее эффективным способом очистки котла-утилизатора от продуктов сгорания дизельного топлива является двухступенчатая система очистки, которая включает удаление масляной пленки и воздушную обдувку.

Ключевые слова: уголь, дизель-генераторные установки, продукты сгорания, котлы-утилизаторы, ORC-цикл Ренкина, энергосбережение.

на основе утилизационного бинарного ОГС-цикла является парогенератор (котел-утилизатор), в котором происходит процесс теплообмена между дымовыми газами и рабочим телом.

Загрязнение внешних и внутренних поверхностей нагрева поведет за собой снижение номинальных показателей работы котла-утилизатора, снизит надежность и эффективность работы бинарного цикла в целом. Надежность работы котла-утилизатора в значительной степени обусловлена эффективной системой очистки.

Задачей является: предусмотреть защиту от коррозии и загрязнения поверхностей нагрева котла-утилизатора в бинарном ОГС-цикле Ренкина, таким образом, чтобы простои по вине системы очистки были минимальными.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ

КОТЛА-УТИЛИЗАТОРА В БИНАРНОМ

ОРГАНИЧЕСКОМ ЦИКЛЕ

Основные ограничения на проектирование энергетического комплекса на основе бинарного органического цикла и его принципиальная технологическая схема приведены в работе [8].

Котел-утилизатор, входящий в состав энергетического комплекса мощностью 210 кВт на основе бинарного органического цикла Ренкина, должен обеспечивать:

- возможность использования в качестве рабочего тела пентафторпропана (R245fa);

- давление пара на входе в микротурбину должно быть не менее 1,5 МПа;

- паропроизводительность - не менее 9,8 кг/с.

Разрабатываемый котел-утилизатор - жаротрубный, так

как водотрубный барабанный котел с естественной циркуляцией рабочего тела не подходит для мобильного исполнения и имеет большие габаритные размеры.

Теплота Qг выхлопных газов от дизель-генераторной установки передается через поверхность нагрева рабочему телу и равна:

Qг = ВД - ^

где: Вг - расход выхлопных газов дизель-генераторной установки, кг/с; I,, 12 - энтальпии выхлопных газов на входе и выходе из котла утилизатора.

При этом греющая среда (выхлопной газ) течет внутри труб, а нагреваемая среда (рабочее тело) находится снаружи труб.

б

Загрязнение как внутренней, так и внешней поверхностей нагрева трубы приведет к снижению коэффициента теплопередачи:

1

* = (-

1 л л

а,

1

-), Вт / (м • К),

а,

Отложения на трубах котла-утилизатора: а - жаротрубный котел-утилизатор; б - водотрубный котел-утилизатор [9] Deposits on the waste-heat boiler tubes: a - fire-tube waste-heat boiler b - water-tube waste-heat boiler [9]

где: а,, а2 - коэффициенты теплоотдачи соответственно от выхлопных газов к стенке трубы и от стенки к рабочему телу, Вт/(м2-К); 5,, 52, 53 - толщина стенки трубы, толщина слоя накипи, толщина слоя зольных отложений соответственно, мм.

КОРРОЗИИ ПОВЕРХНОСТЕЙ НАГРЕВА КОТЛА

УТИЛИЗАТОРА В БИНАРНЫХ ЦИКЛАХ

Особенно интенсивно подвергаются электрохимической коррозии поверхности нагрева, которые контактирует с водой и паром:

3Ее + 4Н20 = Ее30А + 4Н2;

Ее + Н20 = Ее0 + Н2;

3Ее0 + Н20 = Ее ъ0;

Ее + 1/202 + Н20 = Ее(0Н)2.

Одним из наиболее распространенных видов повреждений элементов котлов-утилизаторов является износ трубной системы, приводящий к преждевременному утончению металла и внезапному разрушению (см. рисунок).

Для защиты металлических конструкций от коррозии в водных средах используются следующие приемы [10, 11]:

- применение устойчивых металлов и сплавов с повышенной термодинамической устойчивостью (обладающих положительным потенциалом), склонных к пассивированию, или покрывающихся защитными пленками вторичных, труднорастворимых продуктов коррозии. Применяют кислотостойкие металлы и сплавы, а также склонные к пассивированию в агрессивной среде;

- удаление из электролита деполяризатора-кислорода (деаэрация электролита, обескислороживание). Деаэрируют воду, использующуюся для охлаждения паровых котлов, турбин, систем охлаждения металлургических агрегатов, термических печей и т.д.;

- введение в электролит различных добавок, замедляющих течение коррозии. Причина торможения коррозионного процесса в этом случае - торможение анодного процесса за счет введения в электролит веществ-пассиваторов (К2Сг0А ,NaNО2 и других);

- создание на поверхности металлических материалов защитных покрытий: металлических, неметаллических.

Химическая коррозия может происходить за счет взаимодействия металла с газовой средой при отсутствии влаги, при помещении металлических материалов в атмосферу раскаленных газов или в жидкость, не являющуюся электролитом (нефть, бензин и т.д.). Продуктом коррозии являются оксиды металла.

Для предотвращения коррозии металла поверхностей нагрева котла-утилизатора, входящего в энергетический комплекс малой мощности на основе бинарного ОГС-цикла Ренкина, предлагается использовать вместо воды некоррози-онно активные рабочие тела.

а

Состав продуктов сгорания дизельного топлива

Компоненты выхлопного газа Содержание

Азот, % 74-78

Кислород, % 1-18

Пары воды, % 0,4-4

Диоксид углерода, % 1-10

Оксид углерода, % 0,01-5

Углеводороды, % 0,009-0,5

Сажа, г/м3 0,01-1,1

При использовании в качестве рабочих тел в бинарном ОГС-цикле Ренкина П1, П13, т 23, т 34а, (22, (Ш металл не будет подвергаться коррозии, так как данные вещества при соприкосновении практически со всеми металлами не вступают в реакцию.

ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ НАГРЕВА КОТЛА

УТИЛИЗАТОРА В БИНАРНОМ ORC-ЦИКЛЕ РЕНКИНА

В продуктах сгорания дизельного топлива присутствуют сажа и жидкие углеводороды, которые в котле-утилизаторе могут налипать на поверхность теплообмена и создавать пленку.

Состав продуктов сгорания дизельного топлива приведен в таблице.

К известным промышленным способам очистки поверхностей нагрева от загрязнений продуктами сгорания относятся [2]:

- дробеочистка. Принцип очистки заключается в использовании кинетической энергии дроби, движущейся под действием силы тяжести и многократно отражающейся от поверхностей нагрева;

- виброочистка. Принцип очистки заключается в отрыве отложений от поверхности нагрева вследствие сил инерции, приложенных к отложениям и возникающих в результате ускоренного движения труб;

- обдувка. Одним из наиболее распространенных средств очистки поверхностей нагрева от шлакозоловых отложений является обдувка, которая может быть применена для очистки практически всех поверхностей нагрева современных котлов. В качестве обдувочного агента широко используется пар или сжатый воздух, иногда применяется холодная или перегретая вода. Процесс очистки с помощью обдувочной струи характеризуется рядом факторов: динамическим, термическим и абразивным. Эффективность очистки обдувкой зависит от скорости струи и параметров обдувочного агента, слоя отложений, расстояния от сопла до поверхности нагрева и угла подачи струи к поверхности труб;

- водяная обмывка. Принцип очистки заключается в использовании воды, которая подается под давлением;

- газоимпульсная очистка. Принцип очистки действует по принципу периодического выброса продуктов сгорания. Энергия выброса (выхлопа) обеспечивает удаление отложений с поверхностей нагрева или из газоходов. Импульсная очистка является универсальной, так как ее можно использовать для очистки радиационных, конвективных поверхностей нагрева и газоходов, как горизонтальных, так и вертикальных. Для газоимпульсной очистки применяются газообразные виды топлив (природный, коксовый, сжиженный водород и другие газы).

В связи с тем, что, в продуктах сгорания дизельного топлива присутствуют сажа и жидкие углеводороды, не все из вышеперечисленных способов подойдут для очистки. Наиболее эффективным способом очистки котла-утилизатора, входящего в энергетический комплекс малой мощности на основе бинарного ORC-цикла Ренкина, является двухступенчатая система очистки:

- 1-я ступень - для удаления масляной пленки целесообразно применить водяную обмывку с использованием пожаробезопасных технических моющих средств (ТМС) на основе поверхностно активных веществ;

- 2-я ступень - для удаления влаги и остатков загрязнений целесообразно применить обдувку сжатым воздухом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Котел-утилизатор в технологической схеме бинарного ORC-цикла Ренкина является наиболее уязвимым элементом с точки зрения надежности. Необходимо предусмотреть доступ к поверхностям теплообмена для обеспечения:

- водяной обмывки и воздушной обдувки поверхностей нагрева;

- ремонтопригодности котла-утилизатора.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-38-00620\18.

Список литературы

1. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года. Утверждена Распоряжением Правительства Российской Федерации от 13 ноября 2009 г. № 1715-р. URL: http:// legalacts.ru/doc/rasporjazhenie-pravitelstva-rf-ot-13112009-n-1715-r/ (дата обращения: 15.01.2019).

2. Waste heat recovery technologies and applications / Hussam Jouhara, Navid Khordehgah, Sulaiman Almah-moud, Bertrand Delpech, Amisha Chauhan, Savvas A. Tas-sou // Thermal Science and Engineering Progress. 2018. N 6. Рр. 268-289. doi: 10.1016/j.tsep.2018.04.017.

3. A review of the use of organic Rankine cycle power systems for maritime applications / M.E. Mondejara, J.G. An-dreasena, L. Pierobona, U. Larsenc, M. Thernb, F. Haglinda // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2018. N 91. Рр. 126-151. doi: 10.1016/j.rser.2018.03.074.

4. Small Scale Organic Rankine Cycle (ORC): A Techno-Eco-nomic Review / Lorenzo Tocci, Tamas Pal, loannis Pesmazoglo, Benjamin Franchetti // Energies. 2017. N 10. 413. doi: 10.3390/ en10040413.

5. Modelling and optimization of organic Rankine cycle based on a small-scale radial inflow turbine / K. Rahbar, S. Mahmoud, R.K. Al-Dadah, N. Moazami // Energy Convers. Manag. 2015. N 91. Рр. 186-198.

6. Design and CFD analysis of a Ljungstrom turbine for an ORC cycle in a waste heat recovery application / C.F. Palumbo, V.F. Barnabei, E. Preziuso, U. Coronetta / In Proceedings of the 29th International Conferenceon Efficiency, Cost, Optimization, Simulation and Environmental Impact of Energy Systems. Portoroz, Slovenia, 19-23 June 2016.

7. Three dimensional optimization of small-scale axial turbine for low temperature heat source driven organic Rankine cycle / A. Al-Jubori, R.K. Al-Dadah, S. Mahmoud, A.B. Ennil, K. Rahbar // Energy Convers. Manag. 2017. N 133. Рр. 411-426.

8. Пряткина В.С. Интеграция бинарного ORC-цикла Ренкина мощностью 210 кВт в технологическую схему современных тепловозов // Известия вузов. Технические науки. 2018. № 4. С. 50-54.

9. Проблемы эксплуатации котлов-утилизаторов парогазовых установок / Международная научно-техническая конференция, 26-27 апреля 2018 г. М.: ОАО «ВТИ», 2018. 180 с.

10. Куценко С.А., Цымай Д.В. Химия рабочих тел: учебно-методическое пособие для вузов. Орел: ОрелГТУ, 2010. 114 с.

11. Улюкина Е.А. Методы борьбы с коррозией теплоэнергетического оборудования котельных и тепловых сетей в АПК // Вестник ФГОУ ВО МГАУ. 2018. № 5 (87). С. 45-49.

12. Курынцев А.А. Образование токсичных веществ и продуктов неполного сгорания / Сборник докладов АГТУ им. И.И. Ползунова. 2016. С. 20-21.

13. Щелоков Я.М., Аввакумов А.М., Сазыкин Ю.К. Очистка поверхностей нагрева котлов-утилизаторов: производственно-практическое издание. М.: Энергоато-миздат, 1984. 159 с.

RESOURCES

UDC 697.326:621.311 © V.S. Pryatkina, 2019

ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2019, № 2, pp. 49-52 Title

PROTECTION AGAINST CORROSION AND CONTAMINATION OF HEATING SURFACES OF THE WASTE-HEAT BOILER INCLUDED IN THE LOW-POWER ENERGY COMPLEx Based ON THE BINARY ORC

DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2019-2-49-52

Author

Pryatkina V.S.'

1 Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), 346400, Novocherkassk, Russian Federation

Authors' Information

Pryatkina V.S., Junior Researcher, tel.: +7 (904) 341-55-08, e-mail: vera_pryatkina@mail.ru

Abstract

It is proposed to integrate an additional energy complex based on the organic Rankine cycle into the exhaust gas duct of a diesel generator unit. The waste-heat boiler is the most vulnerable element in the binary ORC process flow in terms of reliability. The paper presents methods and recommendations for protecting the waste-heat boiler against corrosion and contamination of heating surfaces in the binary organic Rankine cycle. Contamination of the external and internal heating surfaces leads to lower nominal performance of the waste-heat boiler, reduces reliability and efficiency of the binary cycle in general. The waste-heat boiler reliability largely depends on cleaning system efficiency. To prevent metal corrosion of the waste-heat boiler heating surfaces contacting with the working medium, it is proposed to use non-corrosive working media instead of water. The most effective way to clean the waste-heat boiler from the diesel fuel combustion products is a two-stage cleaning system, which includes removal of oil film and air blasting. Figures:

Fig. Deposits on the waste-heat boiler tubes: a - fire-tube waste-heat boiler; b -water-tube waste-heat boiler [9]

Keywords

Coal, Diesel generator units, Combustion products, Waste-heat boilers, Organic Rankine Cycle, Energy efficiency.

References

1. Energeticheskaya strategiya Rossii na period do 2030 goda [Russia's energy strategy for the period up to 2030. Approved by the Order of the Government of the Russian Federation of November 13, 2009 No. 1715-r.] Available at: http://legalacts.ru/doc/rasporjazhenie-pravitelstva-rf-ot-13112009-n-1715-r/ (accessed 15.01.2019).

2. Hussam Jouhara, Navid Khordehgah, Sulaiman Almahmoud, Bertrand Delpech, Amisha Chauhan, Savvas A. Tassou Waste heat recovery technologies and applications. Thermal Science and Engineering Progress, 2018, No. 6, pp. 268-289. doi: 10.1016/j.tsep.2018.04.017

3. Mondejara M.E., Andreasena J.G., Pierobona L., Larsenc U., Thernb M., Haglinda F. A review of the use of organic Rankine cycle power systems for maritime applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2018, No. 91, pp. 126-151. doi: 10.1016/j.rser.2018.03.074 .

4. Lorenzo Tocci, Tamas Pal, loannis Pesmazoglo, Benjamin Franchetti Small Scale Organic Rankine Cycle (ORC). A Techno-Economic Review. Energies, 2017, No. 10, 413 p. doi: 10.3390/en10040413.

5. Rahbar K., Mahmoud S., Al-Dadah R.K., Moazami N. Modelling and optimization of organic Rankine cycle based on a small-scale radial inflow turbine. Energy Convers. Manag., 2015, No. 91, pp. 186-198.

6. Palumbo C.F., Barnabei V.F., Preziuso E., Coronetta U. Design and CFD analysis of a Ljungstrom turbine for an ORC cycle in a waste heat recovery application. In Proceedings of the the 29th International Conferenceon Efficiency, Cost, Optimization, Simulation and Environmental Impact of Energy Systems. Portoroz, Slovenia, 19-23 June 2016.

7. Al-Jubori A., Al-Dadah R.K., Mahmoud S., Ennil A.B., Rahbar K. Three dimensional optimization of small-scale axial turbine for low temperature heat source driven organic Rankine cycle. Energy Convers. Manag., 2017, No. 133, pp. 411-426.

8. Pryatkina V.S. Integratsiya binarnogo ORC-tsikla Renkina moshchnostyu 210 kVt v tekhnologicheskuyu skhemu sovremennyh teplovozov [Integration of a 210-kW binary Organic Rankine Cycle into the process flow of modern diesel locomotives]. Izvestiya vuzov. Tekhnicheskie nauki - University news. Technical sciences, 2018, No. 4, pp. 50-54.

9. Problemy ekspluatatsii kotlov-utilizatorov parogazovyh ustanovok [Problems of waste-heat boilers operation in steam and gas units]. International Scientific and Technical Conference, April 26-27, 2018. Moscow, "VTI" JSC, 2018, 180 p.

10. Kutsenko S.A. & Tsymay D.V. Himiya rabochih tel: uchebno-metodicheskoe posobiedlya vuzov [Chemistry of working media: teaching aid for universities]. Orel, OrelSTU Publ., 2010, 114 p.

11. Ulyukina E.A. Metody borby s korroziey teploenergeticheskogo oboru-dovaniya kotelnyh i teplovyh setey v APK [Methods of corrosion control for heat and power equipment of boiler houses and heat networks in the agricultural sector]. Vestnik FGOU VO MGAU - Bulletin of Moscow State Agricultural Engineering University, 2018, No. 5(87), pp. 45-49.

12. Kuryntsev A.A. Obrazovanie toksichnyh veshchestviproduktovnepolnogo sgoraniya [Formation of toxic substances and products of incomplete combustion]. Polzunov Altai State Technical University book of reports, 2016, pp. 20-21.

13. Shchelokov Ya.M., Avvakumov A.M. & Sazykin Yu.K. Ochistka poverhnostey nagreva kotlov-utilizatorovproizvodstvenno-prakticheskoe izdanie [Cleaning of heating surfaces of waste-heat boilers: production and practical edition]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1984, 159 p.