CC BY
73
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 4
УДК 620.97+ 629.422.3 DOI: 10.17213/0321-2653-2018-4-51-55
ИНТЕГРАЦИЯ БИНАРНОГО ORC-ЦИКЛА РЕНКИНА МОЩНОСТЬЮ 210 кВт В ТЕХНОЛОГИЧЕСКУЮ СХЕМУ СОВРЕМЕННЫХ ТЕПЛОВОЗОВ*
© 2018 г. В.С. Пряткина
Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия
INTEGRATION OF BINARY ORC-RANKINE CYCLE (210 kw) IN THE TECHNOLOGICAL SCHEME OF MODERN LOCOMOTIVES
V.S. Pryatkina
Platov South Russian State Polytechnical University (NPI), Novocherkassk, Russia
Пряткина Вера Сергеевна - мл. науч. сотрудник, Южно- Pryatkina Vera Sergeevna - Junior Researcher, Platov South-
Российский государственный политехнический университет Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk,
(НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. Russia. E-mail: vera_pryatkina@mail.ru
E-mail: vera_pryatkina@mail.ru
Рассматриваются технологические ограничения на проектирование вспомогательного энергетического комплекса. Приведен расчет свойств продуктов сгорания дизельного топлива. Рассмотрена принципиальная схема интеграции бинарного ORC-цикла Ренкина в технологическую схему современных тепловозов. Рассчитаны параметры рабочего тела в точках цикла, теплоперепад в микротурбине и расход пара на турбину для обеспечения электрической мощности 210 кВт.
Ключевые слова: дизель-генераторные установки; ORC-цикл Ренкина; энергосбережение; утилизация тепла.
The article discusses the technological constraints on the design of power complex. The calculation of properties of combustion products of diesel fuel is made. Reviewed the concept of integration binary ORC-Rankine cycle in the technological scheme of modern locomotives. Calculated parameters of the working fluid at the points of the cycle. The heat transfer and steam consumption per turbine are calculated to provide electrical power of 210 kW.
Keywords: diesel generator set; binary ORC-Rankine cycle; energy efficiency; heat recovery.
Введение
Энергетическая стратегия на период до 2030 г. предусматривает оптимизацию энергопотребления и реализацию комплексных мероприятий по экономии топливных ресурсов [1].
В связи с этим представляется актуальным разработка технических и технологических решений по интеграции бинарного ОЛС-цикла Ренкина в технологическую схему современных тепловозов с целью получения электрической энергии для питания собственных потребителей тепловоза за счет утилизации низкопотенциальной энергии отработавших газов дизель-агрегата тепловоза.
Номинальная выходная мощность такого комплекса должна составлять не менее 420 кВт (по 210 кВт на каждую секцию локомотива).
Существуют следующие ресурсосберегающие технические решения, теоретически позволяющие получить дополнительную электрическую энергию при утилизации тепла выхлопных газов дизельных электростанций [2 - 10]:
- с использованием промежуточного теплоносителя - паровые (цикл Ренкина), газовые (цикл Брайтона);
- с внешним подводом теплоты (двигатели Стирлинга);
- с прямым преобразованием теплоты уходящих газов (термоэлектрогенератор (ТЭГ);
* Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-38-00620\18.
ISSN 0321-2653 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ РЕГИОН._ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2018. № 4
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 4
- турбогенератор в системе выпуска уходящих газов.
Недостатки существующих технических решений:
- низкий температурный диапазон рабочих тел (цикл Брайтона);
- необходимость большого перепада температур в горячей и холодной полости, потребность использования рабочего тела с низкой молекулярной массой и с высоким средним давлением, что приводит к сложности герметизации полостей и подвижных элементов. А для получения надежной конструкции необходимо применение дорогих технологических решений и конструкционных материалов, а высокая полная масса двигателя с внешним подводом теплоты также способна усложнить их использование (двигатель Стирлинга);
- высокая стоимость ТЭГ, которая определяется, в первую очередь, рабочими температурами его поверхностей. Для получения приемлемой мощности ТЭГ требуется большое количество модулей и развитая теплообменная часть, что приводит к значительному увеличению мас-согабаритных размеров. Также для эффективной работы ТЭГ необходимо обеспечивать стабильный перепад температур холодной и горячей сторон модуля, что вызывает сложности при реализации этого требования;
- к недостаткам турбогенератора можно отнести необходимость обеспечения надежности электрогенератора при высоких частотах вращения, сложности с разработкой или выбором подходящей электрической машины, обладающей необходимыми характеристиками, а также высокую стоимость устройства.
Исходные данные для проектирования
Основные характеристики дизель-генератора приведены в табл. 1.
Таблица 1 / Таблица 1 Основные характеристики дизель-генератора
/ Main characteristics of the diesel generator
Наименование параметров Значение
Температура отработанных газов при номинальной работе дизель-агрегата,°С 400
Диапазон расхода отработавших газов V, м3/ч при частоте вращения коленчатого вала 350 - 1000 об/мин 5900 - 23400
Расход отработавших газов и=1000 об/мин (максимальный), кг/с 5,24
Расход СО2 в дымовых газах, кг/с 0,37
Расход Н2О в дымовых газах, кг/с 0,16
Расход О2 в дымовых газах, кг/с 0,68
Расход N2 в дымовых газах, кг/с 4,03
Значительная часть тепловой энергии сгорания топлива (Л-0,5-62) отводится в атмосферу с отработавшими газами (около 35 %), рассеивается через систему охлаждения двигателя (около 30 %) и только около 30 % энергии топлива расходуется на совершение полезной работы. Максимальная температура отработавших газов 400 °С; температура охлаждающей воды 80 °С; объем отработавших газов 5900 - 30000 м3/кг; состав отработавших газов: СО - 50 г/кг топлива, N02 - 120 г/кг топлива, С - 3 г/кг топлива.
Перечень потребителей, питаемых вспомогательным энергетическим комплексом приведен в табл. 2.
Таблица 2 / Таблица 2
Перечень потребителей, питаемых вспомогательным энергетическим комплексом / The list of consumers fed by the energy complex
Потребители энергии Мощность, кВт Количество на секцию тепловоза
Мотор-вентиляторы холодильника 30 4
Электродвигатели вентиляторов тележек 45 2
Основные ограничения при интеграции бинарного ОЛС-цикла Ренкина в технологическую схему современных пассажирских магистральных тепловозов:
1) габаритные размеры дополнительного энергетического комплекса на основе ОЛС-цикла Ренкина должны вписываться в размеры вагона и не мешать работе другого оборудования;
2) дополнительный энергетический комплекс на основе ОЛС-цикла Ренкина должен соответствовать требованиям «Правил надзора за паровыми котлами и воздушными резервуарами подвижного состава дорог РФ» ЦТ-ЦВ-ЦП/581;
3) дополнительный энергетический комплекс на основе ОЛС-цикла Ренкина должен соответствовать по пожарной безопасности требованиям ГОСТ 12.1.004-91 и «Общим техническим требованиям к противопожарной защите к тяговому подвижному составу» № ЦТ-6 с изменениями и дополнениями от 25.05.98 г., 11.11.98 г., 30.03.99 г.;
4) дополнительный энергетический комплекс на основе ОЛС-цикла Ренкина не должен создавать причин для возникновения отказов других систем дизель-генераторных установок.
Энергетический комплекс должен соответствовать требованиям ГОСТ 23851, ГОСТ 12.1.019-2009, ГОСТ 12.2.003-91, ГОСТ 12.2.05686, ГОСТ 22602-91, ГОСТ 12.2.007.3-75, ГОСТ 12.1.012-2004.
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 4
Результаты расчета свойств продуктов сгорания дизельного топлива (выхлопных газов)
Массовая теплоемкость смеси выхлопных газов на входе и выходе из котла-утилизатора соответственно:
С,
т11см
_^Соа22,4 Ц
С,
т12см
222,4 Ц
где ц - молярная масса компонента смеси выхлопных газов, кг/моль; Соп - объемная теплоемкость компонента смеси при температуре ¿1, кДж/м3К; Сы2 - объемная теплоемкость компонента смеси при температуре ¿2, кДж/м3К.
Энтальпии смеси выхлопных газов на входе и выходе из котла утилизатора соответственно, кДж/кг:
h =Г t
"см! т11см 1 '
h
см2
-С t
~ Ст12см'2 •
Тепловая мощность котла утилизатора, кВт:
б = Сг (ксм1 - ксм2 ) ,
где Ог - массовый расход выхлопных газов, кг/с.
Результаты расчета свойств продуктов сгорания дизельного топлива (выхлопных газов) приведены в табл. 3.
Кроме того, в продуктах сгорания дизельного топлива присутствуют сажа и жидкие углеводороды, которые в котле-утилизаторе могут налипать на поверхность теплообмена и создавать пленку. Следовательно, необходимо предусмотреть надежную систему очистки поверхностей нагрева котла-утилизатора.
Принципиальная схема интеграции бинарного О^С-цикла Ренкина в технологическую схему современных пассажирских магистральных тепловозов
Принцип органического цикла Ренкина основывается на работе теплообменника (парогенератора), в котором рабочему телу передается тепло выхлопных газов, далее пар направляется в микротурбину, затем конденсируется и возвращается в парогенератор (рис. 1).
100 °С
Вместо водяного пара в системе ОЛС испаряются органические жидкости, которые характеризуются более высокой, чем вода, молекулярной массой, что приводит к замедлению вращения турбины низкого давления и отсутствию разрушения металлических деталей и лопаток, что присуще паровым турбинам.
Таблица 3 / Таблица 3
Результаты расчета свойств продуктов сгорания дизельного топлива (выхлопных газов) / The results of the calculation of the properties of products of combustion of diesel fuel
Величина СО2 Н2О О2 N2 £
Массовый расход компонента смеси выхлопных газов О,-, кг/с 0,37 0,16 0,68 4,03 5,24
Массовая доля компонента смеси выхлопных газов г, % 0,07 0,03 0,13 0,77 1,0
Температура выхлопных газов на входе в котел-утилизатор ¿1, °С 400
Температура выхлопных газов на выходе из котла-утилизатора ¿2, °С 100
Объемная теплоемкость компонента смеси выхлопных газов при ¿1, Со,1, кДж/м3К 1,9377 1,5654 1,3766 1,3205 -
Объемная теплоемкость компонента смеси выхлопных газов при ¿2, Со,2, кДж/м3К 1,7132 1,5056 1,3167 1,304 -
Молярная масса компонента смеси выхлопных газов, кг/моль 44 18 32 28 -
Массовая теплоемкость компонента смеси выхлопных газов при ¿1, Стл, кДж/кгК 0,07 0,06 0,13 0,81 1,24
Массовая теплоемкость компонента смеси выхлопных газов при ¿2, Ст,2, кДж/кгК 0,06 0,06 0,12 0,80 1,18
Энтальпия компонента смеси выхлопных газов при ¿1, кДж/кг 27,62 23,38 50,11 325,37 495,45
Энтальпия компонента смеси выхлопных газов при ¿2, кДж/кг 6,11 5,62 11,98 80,33 117,77
Тепловая мощность котла утилизатора Q, кВт 1979
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 4
Технологические особенности вспомогательного энергетического комплекса дизель-генераторных установок на основе утилизационного бинарного ORC-цикла Ренкина
Основными элементами вспомогательного энергетического комплекса дизель-генераторных установок на основе утилизационного бинарного ORC-цикла Ренкина являются парогенератор, паровая микротурбина и генератор.
Требуемая мощность вспомогательного энергетического комплекса должна составлять не менее 210 кВт:
N3 = ghНоПоэ ,
где Оп - расход пара на турбину, кг/с; Ho - располагаемый теплоперепад, кДж/кг; ^оэ - ориентировочное значение относительного электрического КПД турбоустановки, которое уточняется после детального теплового расчета турбины и корректируются электрическая мощность N кВт (при заданном расходе пара Оп) или расход пара Оп, кг/с (при заданной электрической мощности N).
Располагаемый теплоперепад:
H0 = hi — , кДж/кг.
Результаты расчета параметров рабочего тела в точках цикла и требуемого расхода пара для пентафторпропан (R245fa) приведены в табл. 4.
Таблица 4 / Таблица 4
Параметры рабочего тела в точках цикла / The parameters of the coolant at the points of the cycle
Параметр Значение
Рабочее тело R245fa
Давление пара перед турбиной р1, МПа 1,5
Температура пара перед турбиной Ь, °С 107,85
Энтальпия пара перед турбиной Н\, кДж/кг 478,62
Давление пара за турбиной р2, МПа 0,08
Температура пара за турбиной Ь., °С 24,3
Располагаемый теплоперепад Н0, кДж/кг 53,83
Относительный электрический КПД турбоустановки ^оэ 0,4
Требуемая мощность N3, кВт 210
Расход пара на турбину Сп, кг/с 9,8
При разработке конструкции парогенератора, учитываются теплофизические свойства продуктов сгорания дизельного топлива.
При определении площади конвективного испарительного пакета необходимо учитывать: коэффициент теплоотдачи от греющей среды к стенке, Вт/(м2К), тепловым сопротивлением с внутренней стороны труб можно пренебречь в предварительных расчетах; температурный
напор между греющей средой (выхлопными газами) и обогреваемой средой (органической жидкостью); количество тепла, переданное от дымовых газов к рабочему телу [11].
Особенностью постановки задачи на проектирование парогенератора, входящего в вспомогательный энергетический комплекс является то, что приоритетным показателем является не КПД котла, а минимально возможная металлоемкость и габаритные размеры.
Паровая микротурбина также должна обладать небольшими габаритными размерами. В качестве прототипа разрабатываемой микротурбины используется вертикальная паровая турбина малой мощности (рис. 2).
Рис. 2. Рабочее колесо влажно-паровой микротурбинной установки / Fig. 2. The impeller wet-steam microturbine installation
На выходе из парогенератора насыщенный пар должен иметь давление 1,5 МПа.
Интервал частоты вращения генератора должен составлять 60 000 об/мин; электрическая мощность генератора - до 210 кВт; напряжение на клеммах генератора - до 400 В.
Заключение
Интеграция бинарного ORC-цикла Ренкина в технологическую схему современных тепловозов возможна, но возникает ряд практических и технологических сложностей и ограничений. Также представляет сложность размещение основного и вспомогательного оборудования энергетического комплекса внутри вагона.
Переменные режимы работы дизель-генератора будут оказывать влияние на эффективность вспомогательного энергетического комплекса.
Рекомендуется котел-утилизатор выполнить жаротрубным, так как водотрубный барабанный котел с естественной циркуляцией рабочего тела не подходит для мобильного исполнения и имеет большие габаритные размеры. Особенностью постановки задачи на проектирование парогенератора, входящего в вспомогательный
1 Патент на полезную модель № 99541
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 4
энергетическии комплекс является то, что приоритетным показателем является не КПД котла, а минимально возможная металлоемкость и габаритные размеры.
При проектировании парогенератора одной из наиболее важных практических задач является защита от коррозии и загрязнений поверхностей нагрева парогенератора.
Для микротурбогенератора мощностью 210 кВт давлении пара на входе в микротурбину должно быть не менее 1,5 МПа. Низкий располагаемый теплоперепад в цикле можно компенсировать увеличением паропроизводительности Gn парогенератора (котла-утилизатора), кратностью циркуляции рабочего тела в замкнутом контуре либо увеличением начальных параметров пара.
Литература
1. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года. // Прил. к обществ.-дел. журн. «Энергетическая политика». М.: ГУ ИЭС, 2010. 184 с.
2. Фаринюк Ю.Т., Гамаюнов С.Н. Перспективные технологии распределенной энергетики в агробизнесе: монография. Тверь: ООО «Издательство «Триада»», 2011. 160 с.
3. Чертыковцева Н.В., Носырев Д.Я. Разработка системы прогрева тепловозного дизеля на основе вторичных энергоносителей // Вестн. Ростовского гос. ун-та путей сообщения. 2008. №. 2. С. 35 - 42.
4. Левцев А.П., Ениватов А.В. Автономный источник энергоснабжения на базе дизель-генератора // Тракторы и сельхозмашины. 2013. №. 9. С. 8 - 10.
5. Чертыковцева Н.В. Повышение эффективности прогрева маневрового тепловоза в зимнее время за счет использования вторичных энергоносителей. Самара: СамГУПС. 2009.
6. Коржуев М.А. О конфликте двигателей внутреннего сгорания и термоэлектрических генераторов при рекуперации тепловых потерь в автомобилях // Письма в ЖТФ. 2011. Т. 37. №. 4. С. 8 - 7.
7. Арбеков А.Н., Бурцев С.А. Исследование цикла замкнутой газотурбинной тригенерационной установки последовательной схемы // Наука и образование: научное издание МГТУ им. НЭ Баумана. 2012. №. 03.
8. Рыбалко А.И. Расчетно-экспериментальное исследование процессов в двигателе Стирлинга, предназначенном для утилизации бросовой теплоты: дис.... канд. техн. наук -Новосибирск, 2011. 192 с.
9. Кручек В.В. Повышение эффективности работы энергетических установок тепловозов // Изв. Петербургского ун-та путей сообщения. 2009. №. 4.
10. Фиалко Н.М. [и др.]. Эффективность систем утилизации теплоты отходящих газов энергетических установок различного типа // Промышленная теплотехника. 2008.
11. Кузнецов Н.В. Тепловой расчет котельных агрегатов (нормативный метод): 2-е изд., перераб. М.: Энергия, 1973. 296 с.
References
1. Energeticheskaya strategiya Rossii na period do 2030 goda [Energy strategy of Russia for the period up to 2030]. Moscow: GU IES, 2010, 184 p.
2. Farinyuk Yu. T., Gamayunov S.N. Perspektivnye tekhnologii raspredelennoi energetiki v agrobiznese [A promising technology for distributed power generation in agribusiness]. Tver': OOO "Izdatel'stvo "Triada", 2011, 160 p.
3. Chertykovtseva N.V., Nosyrev D.Ya. Razrabotka sistemy progreva teplovoznogo dizelya na osnove vtorichnykh energonositelei [Development of a diesel diesel engine heating system based on secondary energy carriers]. Vestnik Rostovskogo gosudarstven-nogo universitetaputei soobshcheniya, 2008, no. 2, pp. 35 - 42. (In Russ.)
4. Levtsev A.P., Enivatov A.V. Avtonomnyi istochnik energosnabzheniya na baze dizel'-generatora [Autonomous power supply source based on diesel generator]. Traktory i sel'khozmashiny, 2013, no. 9, pp. 8 - 10. (In Russ.)
5. Chertykovtseva N.V. Povyshenie effektivnosti progreva manevrovogo teplovoza v zimnee vremya za schet ispol'zovaniya vtorichnykh energonositelei [Increase of efficiency of heating of shunting locomotive in winter time due to the use of secondary energy carriers]. Samara: SamGUPS, 2009.
6. Korzhuev M.A. O konflikte dvigatelei vnutrennego sgoraniya i termoelektricheskikh generatorov pri rekuperatsii teplovykh poter' v avtomobilyakh [On the conflict between internal combustion engines and thermoelectric generators in heat loss recovery in cars]. Pis'ma v Zhurnal tekhnicheskoi fiziki, 2011, Vol. 37, no. 4, pp. 8 - 15. (In Russ.)
7. Arbekov A.N., Burtsev S.A. Issledovanie tsikla zamknutoi gazoturbinnoi trigeneratsionnoi ustanovki posledovatel'noi skhemy [Research of closed Brayton cycle gas turbine trigeneration plant consistent scheme]. Nauka i obrazovanie, 2012, no. 3. (In Russ.)
8. Rybalko A.I. Raschetno-eksperimental'noe issledovanie protsessov v dvigatele Stirlinga, prednaznachennom dlya utilizatsii brosovoi teploty. Diss. cand. techn. sci. [Computational and experimental study of processes in the Stirling engine designed for waste heat utilization. Cand. techn. sci. diss.]. Novosibirsk, 2011,192 p.
9. Kruchek V.V. Povyshenie effektivnosti raboty energeticheskikh ustanovok teplovozov [Improving the efficiency of diesel locomotive power plants]. Izvestiya Peterburgskogo universiteta putei soobshcheniya, 2009, no. 4, pp. 105 - 113. (In Russ.)
10. Fialko N.M. at el. Effektivnost' sistem utilizatsii teploty otkhodyashchikh gazov energeticheskikh ustanovok razlichnogo tipa //Promyshlennaya teplotekhnika. 2008.
11. Kuznetsov N.V. Teplovoi raschetkotel'nykh agregatov [Thermal calculation of boiler units]. Moscow: Energiya, 1973, 296 p.
Поступила в редакцию /Receive 16 октября 2018 г. / October 16, 2018
