ТЕПЛОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ С КОНТУРОМ ORC-МОДУЛЯ И С ТЕПЛОВЫМ НАСОСОМ И СПОСОБ ЕЁ РАБОТЫ
THERMAL POWER STATION WITH ORC-MODULE CIRCUIT AND WITH HEAT PUMP AND METHOD OF ITS WORK

Изобретение относится к малой и средней энергетике, в особенности к децентрализованной энергетике, к комбинированным энергокомплексам, генерирующим электрическую и тепловую энергию, в частности, вырабатывающим электроэнергию по органическому циклу Ренкина (ORC-цикл) на низкокипящих энергоносителях, НКЭ [М.И. Гринман, В.А. Фомин. Перспективы применения энергетических установок с низкокипящими рабочими телами. «Новости теплоснабжения», №7, 2010 г.; А.Н. Блинов. «Повышение эффективности генерации тепла и электроэнергии с использованием бинарных энергетических установок с ORC-модулями». Презентация. НПО «Санкт-Петербургская электротехническая компания». 2014 г. На правах рукописи (аналоги устройства и способа)]. Изобретение относится также к установкам с тепловыми насосами для утилизации и получения тепла [Е.Г. Шадек, Б.И. Маршак и др., Глубокая утилизация тепла отходящих газов теплогенераторов. «Промышленные и отопительные котельные и мини-ТЭЦ». №2(23), 2014 г., с. 36-40 (аналог); Е.Г. Шадек, А.Н. Блинов и др. Тригенерационный энергокомплекс на низкокипящих теплоносителях. «Энергосбережение», №5, 2015, с. 40-45 (прототип)].
Задача изобретения - создание энергоэффективной, экономичной и экологически чистой теплоэлектростанции (мини-ТЭЦ) малой и средней мощности практически на любом виде топлива, в том числе местном (древесные отходы, биомасса и пр.), для децентрализованного автономного энергоснабжения объектов.
Изобретение включает признаки, содержащиеся в известных указанных решениях, где парогенератор выполнен в виде кожухотрубного теплообменника, содержащего корпус и трубную систему, причем греющий теплоноситель (ГТ) проходит внутри трубной системы, расположенной в объеме НКЭ [М.И. Гринман, В.А. Фомин]. Известны также установки глубокой утилизации (ГУ) тепла продуктов сгорания (ПС), например котлов, включающие абсорбционный бромисто-литиевый тепловой насос, АБТН, и конденсационный теплообменник-утилизатор (КТ) в газоходе за котлом, подключенный к испарителю АБТН, в котором уходящие газы охлаждаются ниже точки росы, содержащиеся в них водяные пары конденсируются [Е.Г. Шадек, Б.И. Маршак. Глубокая утилизация тепла отходящих газов теплогенераторов. «Промышленные и отопительные котельные и мини-ТЭЦ». №2(23), 2014 г., с. 36-40 (аналог)].
Наиболее близким к предлагаемому решению можно считать «Тригенерационный энергокомплекс на низкокипящих теплоносителях» [Е.Г. Шадек, А.Н. Блинов и др.]. Комплекс содержит термомасляный котел, ORC-модуль с комплектом штатного оборудования. Парогенератор модуля представляет трубчатый теплообменник, встроенный в хвостовую часть котла, и является, по существу, экономайзером - теплообменником на отходящих газах для нагрева и испарения НКЭ с подачей полученного пара НКЭ на турбину модуля. Комплекс дополнительно снабжен тепловым насосом, АБТН, генератор которого включен в замкнутый контур котла, испаритель АБТН - в контур конденсатора модуля, а в теплоотводящий контур АБТН включены теплообменники нагрева рабочих сред (подогрев НКЭ и др.).
Слабая сторона этого технического решения - снижение возможностей и качества регулирования тепловой работы котла и парогенератора в раздельности и системы в целом из-за компоновки того и другого в единой обмуровке, их взаимозависимости.
Парогенератор ORC-контура в известных установках размещается в комплекте оборудования модуля в едином корпусе либо его устанавливают отдельно в различных точках технологической схемы объекта.
Таким образом, по сравнению со сборным прототипом предлагаемая система содержит известные признаки (ограничительная часть):
- термомасляный котел;
- парогенератор, в межтрубном пространстве которого циркулирует рабочая среда – НКЭ, а греющий теплоноситель проходит по трубам трубной системы;
- ORC-модуль с комплектом оборудования;
- АБТН, генератор которого включен в замкнутый контур котла, испаритель - в контур конденсатора ORC-модуля; в теплоотводящий контур встроены теплообменники [прототип];
- конденсационный теплообменник (КТ) в газоходе за котлом, содержащий трубную систему с узлом сбора, отведения и обработки конденсата водяных паров, содержащихся в ПС.
Способ включает известный признак, состоящий в том, что в КТ продукты сгорания охлаждают до температуры на 10-20°С ниже точки росы, конденсат собирают и отводят.
Используются одноступенчатые абсорбционные бромисто-литиевые тепловые насосы (АБТН) ввиду их явных преимуществ перед компрессионными. АБТН в составе предлагаемой ТЭС служит генератором холода для конденсатора ORC-модуля и источником тепла в диапазоне температур коммунального теплоснабжения (отопление, ГВС) - 60/90°С; это тепло отводится в контур конденсатор-абсорбер (К-А) и передается потребителю.
Цели изобретения:
1) повышение тепловой экономичности и выработки электроэнергии модуля за счет максимального использования топлива - глубокой утилизации тепла отходящих ПС;
2) улучшение технико-экономических показателей (ТЭПов) процесса и оборудования, надежности и стабильности работы путем охлаждения конденсатора модуля в контуре испарителя АБТН вместо дорогостоящих и громоздких воздушных вентиляторных охладителей и обеспечения независимого от погодных условия экономичного отвода тепла;
3) обеспечение экологической чистоты процесса в результате снижения температуры и практически полного подавления воздействия токсичных окислов в присутствии водяных паров в ПС.
Эти цели достигаются благодаря отличительным признакам изобретения:
1) вход в трубную систему конденсационного теплообменника, КТ, соединен с конденсатором ORC-модуля, а выход - с входом в межтрубное пространство парогенератора модуля;
2) термомасляный котел ТЭС включен параллельно в два замкнутых контура, в которых циркулирует греющий теплоноситель - масло: первый контур котел - генератор АБТН и второй - котел - трубная система парогенератора ORC-модуля;
3) способ работы ТЭС, отличающийся тем, что конденсат из конденсатора ORC-модуля направляют в трубную систему КТ, откуда нагретый конденсат НКЭ подают на вход в межтрубное пространство парогенератора, а оттуда полученный пар НКЭ после сепарации направляют на турбину.
Устройство и работа ТЭС видны из чертежей, где изображено следующее.
Фиг. 1. Технологическая схема ТЭС. Котел, парогенератор, газовый тракт в продольном сечении.
Фиг. 2. Сечение А-А по фиг. 1.
Фиг. 3. Байпас узла глубокой утилизации.
Фиг. 4. Сечение Б-Б по фиг. 3.
На чертежах обозначены позиции:
1 - термомасляный котел. 2, 3 - прямой и обратный коллекторы греющего теплоносителя, ГТ. 4 - узел сжигания топлива. 5 - узел подачи топлива. 6 - главный газоход. 7 - байпас (байпасный канал). 8 - фильтр очистки дымовых газов. 9 - конденсационный теплообменник, КТ: узел глубокой утилизации (ГУ) тепла продуктов сгорания (ПС), 10 - корпус узла ГУ. 11 - крышка корпуса КТ. 12, 13 - входной и выходной патрубки НКЭ узла ГУ с органами регулирования. 14 - каплеуловитель. 15 - дымосос. 16 - поддон и резервуар водного конденсата. 17, 19 - баки загрязненного и запаса конденсата. 18, 20 - дренажный и конденсатный насосы водного конденсата. 21 - регулятор расхода. 22 - газовый тракт. 23 - дымовая труба. 24, 25 - шибера (дроссель-клапаны) в главном газоходе и байпасе. 26 - парогенератор контура ORC. 27, 28 - входной и выходной патрубки греющего теплоносителя, ГТ. 29, 46 - циркуляционные насосы в контурах ГТ. 30, 31 - входной и выходной патрубки НКЭ парогенератора. 32 - трубная система парогенератора. 33 - трубные доски. 34 - сепаратор. 35 - турбина контура ORC. 36 - электрогенератор. 37 - конденсатор модуля. 38 - бак конденсата НКЭ. 39 - конденсатный насос НКЭ. 40 - АБТН. 41 - циркуляционные насосы контуров АБТН. 42 - тепловыделяющий (греющий) контур АБТН. 43-45 - теплообменники в контуре 42 нагрева масла, сетевой воды, дутьевого воздуха соответственно. 47 - дутьевой вентилятор.
Греющий теплоноситель (ГТ) – масло - циркулирует от прямого коллектора 2 до обратного 3 по параллельным замкнутым контурам обогрева генератора АБТН (первый контур) и парогенератора 26 (второй). Температура нагрева масла в котле - до 300°С, по условиям работы с наиболее высокими рабочими температурами НКЭ, например терминола.
Корпус 10 КТ прямоугольного сечения, металлический, теплоизолированный, со съемной крышкой 11 (фиг. 1 и 4) для монтажа, ремонта, замены и пр. Узел глубокой утилизации 9 устанавливают на выходе из котла, на всасывающей стороне. Конструкция крепится на фланцевых соединениях торцевых поверхностей металлического газохода и корпуса 10 и по плоскости горизонтального разъема между корпусом 10 и крышкой 11. Стыки фланцев герметично изолируются термостойкими материалами (изоляция, герметики). Съемной может быть и боковая стенка, свободная от патрубков.
Поток ПС из котла 1 поступает в корпус 10 конденсационного теплообменника 9, проходит в межтрубном пространстве, через каплеуловитель 14 и далее под тягой дымососа 15 - по тракту 22 в дымовую трубу 23. Полностью «высадить» конденсат практически невозможно, оставшееся количество влаги задерживается в каплеуловителе 14 (решетки, жалюзи, сетки, самоочищающиеся элементы), но и при этом имеет место небольшой брызгоунос (до 5%) в газовый тракт. Газоход, газовый тракт, корпус, трубную систему выполняют из коррозионно-стойких материалов, покрытий, нержавеющих сталей, пластиков, для трубной системы применяют биметаллические трубы с накатанным алюминиевым оребрением, полимерные покрытия и пр., что обеспечивает достаточную надежность и долговечность службы, - это общепринятая практика.
На фиг. 1 в порядке примера показана трубная система 9 змеевикового типа. Тип, устройство, конструкция теплообменных поверхностей могут быть различными: например, компактные регенераторы типа РГ-10 НПЦ «Анод» с теплообменной поверхностью из змеевиков с малым радиусом гиба и др. В качестве теплообменных блоков для узла ГУ рекомендуются также секции калорифера, например, типа ВНВ123-412-50АТЗ Калориферного завода, г.Кострома. Выбор компоновки секций и подключения по воде и газам позволяют варьировать и обеспечивать скорости воды и газов в рекомендуемых пределах 1-4 м/с.
Р
Р
Р
Температура точки росы Т для ПС природного газа - около 50-55°С, примерно тот же диапазон Т и для ПС древесных отходов (ДО). В заявляемой схеме конденсатор 37 охлаждается в контуре испарителя АБТН с температурами охлаждающей воды, вход/выход, 30/25°С, температура конденсата НКЭ из конденсатора порядка 30-35°С. При подаче конденсата НКЭ с такой температурой (для бутана, изобутана, пентана и др.) в трубной системе 9 происходят глубокое, ниже температуры Т, охлаждение ПС и конденсация содержащихся в них водяных паров дутьевого воздуха и от сжигания углеводородов топлива, с выделением скрытой теплоты испарения, т.е. глубокая утилизация (ГУ). При этом вместе с физическим (40-45% всего теплосодержания ПС) утилизируется тепло парообразования (60-55%).
2
2
Р
Уровень температуры Т за узлом 9 однозначно определяется условием конденсации водяных паров в уходящих ПС, значение Т должно быть ниже температуры Т точки росы продуктов сгорания топлива на 10-20°С, т.е. около 40°С.
Все утилизируемое тепло передается в контур ORC, повышая электрическую мощность модуля и тепловую экономичность. Выделившийся из ПС конденсат оседает на трубных поверхностях 9, сливается в поддон и бак 16, оттуда самотеком - в бак 17 и насосом 18 откачивается в бак 19 запаса конденсата. Отсюда насосом 20 через регулятор 21 расхода водный конденсат подают на участок обработки.
После контакта с ПС природного газа конденсат сохраняет высокое качество и нуждается в простой и недорогой очистке - декарбонизации (и то не всегда) и дегазации. Если конденсат не используется, его сливают в канализацию.
В узле сбора и обработки конденсата - пп. 16-21 - применяют известное штатное оборудование систем глубокой утилизации [E.Г. Шадек, Б.И. Маршак и др.].
В системе вырабатывается большое количество избыточной воды, поэтому она не нуждается в подпитке. Этот фактор важен в районах с дефицитом воды.
УЕ
Схема предусматривает байпасирование узла ГУ 9, т.е. перепуск части или всего потока ПС из котла помимо узла 9 (фиг. 1, 3). Посредством байпасирования поддерживают температуру ПС за узлом 9 в нужном диапазоне, 60-80°С, с целью исключения конденсации в газовом тракте и особенно в дымовой трубе (обледенение, перекрытие ствола зимой). Степень байпасирования регулируется с помощью шиберов (дроссель-клапанов) на основном газоходе 24 и байпасе 25. Она составляет обычно от 15 до 25%. Байпасирование ухудшает все показатели процесса. Так, по расчетным данным, количество утилизируемого тепла Q снижается на 18-20%, поверхность нагрева увеличивается КТ на 10-15%. Оптимальный режим - работа с байпасированием в холодное время года, а летом, когда опасности конденсации нет, - без него.
Межтрубное пространство парогенератора 26 перегорожено трубными досками 33 на секции, по которым зигзагообразно циркулирует НКЭ от первой секции с входным патрубком 30 до последней с выходным патрубком 31. Последняя секция служит пароперегревателем и оборудована сепаратором пара 34 с сетчатым демистором.
Перегретый и отсепарированный в сепараторе пар через выпускной патрубок 31 подается на турбину 35.
Остальное оборудование (пп. 36-39) контура ORC аналогично таковому известных аналогов. В предлагаемой схеме отсутствует рекуператор, функции подогрева конденсата НКЭ выполняет узел 9. Однако в некоторых случаях (различные режимы, марки НКЭ и пр.) он может оказаться рациональным и включается в систему.
Патрубки оборудованы узлами регулирования (регулирующие органы - клапаны с приводом, в общем случае: стопорный, регулирующий, обратный, предохранительный и др., КИП и А.). Эти узлы интегрированы в единую систему автоматического управления (САУ) энергообъекта, которая работает по заданным программам, поддерживая оптимальные параметры процесса (давления, температуры, расходов и пр.). Схема включения АБТН в контур видна из Фиг. 1.
Т
Конденсатор 37 модуля включен в замкнутый холодильный контур И испарителя АБТН, в котором циркулирует вода с температурой 30/25°С (вход/выход). Конденсат НКЭ сливается в бак 38, и оттуда насосом 39 подается в узел ГУ 9. Генератор Г АБТН включен в замкнутый контуру котла с циркулирующим в нем теплоносителем – маслом. В теплоотводящем (а для внешнего потребителя - греющем) контуре 42 АБТН «конденсатор - абсорбер», К-А, циркулирует вода с температурой 60/90°С (вход/выход), в него включены теплообменники 43-45 подогрева масла, сетевой воды (теплоснабжение - отопление, ГВС, технологические нужды и пр.) и дутьевого воздуха (если это целесообразно). Подогреватель сетевой воды 44 обслуживает тепловую сеть и ГВС потребителя (например, поселка) с температурным графиком отопления 90/60°С. Для теплосети ограниченной протяженности этого вполне достаточно. Тепловую мощность Q АБТН т.е. контура К-А, рассчитывают по максимальной потребности в зимнее время. Летом остаются круглогодичные нагрузки ГВС, подогрева масла, воздуха и др., а излишки тепла сбрасывают в градирню, воздушный конденсатор и др. (не показано).
T
Г
T
Г
T
ХОЛ
Г
XOЛ
Т
Отношение вырабатываемого в АБТН, в контуре К-А, тепла Q к затраченному в генераторе Q Q/Q=1,65-1,75. Как источник среднетемпературного (до 90°С) тепла АБТН в 1,65-1,75 раза экономичнее обычного топливного водогрейного котла. Балансовое уравнение АБТН: Q=Q+Q, где Q - холодильная мощность машины; это чистый выигрыш в тепловом балансе системы, даровое тепло за счет отвода от конденсатора. Реальная эффективность применения АБТН в системе определяется возможностями и степенью использования тепла Q.
Техническое решение предоставляет возможность выбора котла и топлива. Котел может быть термомасляным с нагревом масла до 300°С (например, в случае использования терминола) или водогрейным с нагревом воды до 145-150°С (для бутана, изобутана, пентана и др.), по требованиям НКЭ и условиям обогрева АБТН. И те, и другие котлы выпускаются серийно - как отечественные, так и импортные. Система может работать, в принципе, с котлом на любом топливе: газ природный, сжиженный, генераторный, дизельное и другие виды топлива, включая древесные отходы и биомассу, при соблюдении определенных требований к чистоте (загрязненности, запыленности) продуктов сгорания, ПС, и с учетом воздействия на трубные поверхности. Как возможный вариант, на Фиг. 1 и 2 показана установка в газоходе фильтра 8 для очистки ПС от загрязнений - жалюзийные решетки, сетки, кассеты и др., сменные или самоочищающиеся. Для генераторного газа, полученного переработкой ДО, требуются очистка от смол и осушка.
Ниже в порядке примера показана расчетная модель заявляемого объекта - ТЭС на базе ORC-модуля фирмы Turboden 10 HR, Nerminol 66 [3] со следующими параметрами (исходными данными) температуры, °С: теплоносителя к испарителю и от него 290, 146; охлаждающей воды к конденсатору и от него 25, 38.
ГEH
XOЛ
Тепловые мощности (количество тепла), МВт: подводимое с теплоносителем, Q, 5,54/5,9; отдаваемое охлаждающей воде, Q, 4,4.
CH
Мощность механизмов на собственные нужды, N=46 кВт, отпускаемая электрическая мощность 1062 кВт; КПД по отпуску электроэнергии 19%.
ГEH
XOЛ
T
ГEH
XOЛ
CН
Для контура выбран тепловой насос АБТН-4000 В на горячей воде производства ООО «ОКБ ТЕПЛОСИБМАШ», Новосибирск, с показателями: Q=5,9, Q=4, тепловая мощность теплоотводящего контура машины Q=10,2 МВт (примерно равна сумме Q и Q), N=12,7 кВт. Как видно, АБТН (см. его характеристики выше) хорошо вписывается в ORC- контур.
K
К
2
K
2
УT
2
УТ
2
УT
2
УT
2
K
Общая потребная мощность котла Q=5,54+5,9=11,44 МВт. Штатный КПД термомасляного котла η=0,8. Принимаем (с занижением), что из 20% общей потери тепла на статью с уходящими газами q приходится 10%. Для предварительно выбранной теплопроизводительности котла Q=10 МВт величина q составит 0,1×10=0,1 МВт (0,86 Гкал/ч). На большом массиве опытных и расчетных данных установлено соотношение Y значений утилизируемого тепла Q и q, Q/q, в диапазоне Y=Q/q=1,2-1,47 для температур ПС в пределах 120-200°С, причем Y растет с понижением температуры. Для наиболее характерного соотношения Y=1,47 тепловой баланс ПС как раз составляет: 40% - физическое тепло, 60% - тепло конденсации (совпадает с литературными данными, см. выше). Принимая (с занижением) Y=1,4, получим Q=1,4×q×Q=1,4×0,1×10=1,4 МВт.
К
УТ
ХОЛ
Тогда потребная теплопроизводительность котла Q=10+1,4+11,4 МВт, т.е. практически равна заданной (11,44), где 1,4 МВт сэкономлено, т.е. внесено глубокой утилизацией тепла ПС в узле 9. Общее дополнительное, даровое тепло, вносимое в тепловой баланс станции за счет утилизации, составит сумму Q+С=1,4+4=5,4 МВт.
H
B
K
H
K
УX
2
P
0
3
3
P
3
3
Расчет горения ДО (Q=2440 ккал/кг, расход воздуха на горение V=2,8 м/кг, выход ПС w=3,73 м/кг [М.Б. Равич. Упрощенная методика теплотехнических расчетов. М., Изд-во АН СССР, 1958, с. 24]): расход топлива В=Q/Qη=8,6 Гкал/ч/2440×0,8=4406 кг/ч. Выход продуктов сгорания при коэффициенте расхода воздуха α=1,5 W=1,5×3,73×4406=24650 м/ч. Температура уходящих газов Т=q/C×W=0,86/0,34×24650=103°С, где С - теплоемкость ПС ДО, равная 0,34 ккал/м гр.
УХ
W
2
Условия теплообмена в узле ГУ (заданы и принимаются): температуры ПС на входе и выходе трубной системы 103 и 40°С, температуры НКЭ (диапазоны) 30-35 и 40-50 соответственно. Зная Т и задаваясь коэффициентом теплопередачи K (в среде ПС в условиях конденсации по литературным и расчетным данным) около 100 Вт/м гр., определяют средний температурный перепад Δt для расчета теплообмена и поверхность F нагрева теплообменника 9.
ЭК
При продолжительности работы станции 8000 часов в году, количество сэкономленного тепла составит Q=37144 Гкал/год, топлива - 19029 т/год, а его стоимость при цене ДО 800 руб./т - около 15 млн. руб./год (остальные исходные данные те же).
2
УT
ЭК
В результате получили диапазоны параметров (Δt=28,5-36°C, F=370-490 м) и оптимальные режимы - с минимальными значениями F и максимальными Q и Q.
Эффективность предлагаемого решения - в конкурентных преимуществах применяемых технологий: глубокой утилизации (ГУ) и теплового насоса (АБТН) в сочетании, что обеспечивает низкую себестоимость отпускаемой тепловой и электроэнергии и тем самым - конкурентоспособность и рентабельность проекта.
Уменьшение температуры газовых выбросов, а также присутствие в них водяных паров нейтрализует вредное воздействие оксидов азота, делает процесс экологически чистым.
Охлаждение конденсатора ORC-модуля в контуре испарителя АБТН вместо воздушных конденсаторов (охладителей, градирен) дает значительную экономию капитальных и эксплуатационных затрат, производственных площадей, расхода электроэнергии на собственные нужды, оно надежнее и стабильнее и не зависит от погодных условий, работа ТЭЦ в целом - эффективнее.
Применение ORC-модуля расширяет возможности и границы утилизации, позволяет утилизировать среднепотенциальное тепло продуктов сгорания.
Особенно перспективно использование ТЭС как надежного экономичного источника энергоснабжения на различном, в том числе местном топливе, в частности биотопливе, для удаленных труднодоступных объектов (предприятий, населенных пунктов, поселков и т.п.), что крайне актуально для России.