CC BY
134
УДК 621.165
А. Л. ШУБЕНКО, чл. - кор. Национальной Академии наук Украины
Н. Ю. БАБАК, канд. техн. наук
A. В. СЕНЕЦКИИ, ведущий инженер
Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (г. Харьков, E-mail: shuben@ipmach.kharkov.ua)
B. А. МАЛЯРЕНКО, д-р техн. наук, проф.
Харьковская национальная академия городского хозяйства (г. Харьков, E-mail: malyarenko@ksame.kharkov.ua)
УТИЛИЗАЦИЯ СБРОСНОЙ ТЕПЛОТЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРЕДПРИЯТИЯ С ЦЕЛЬЮ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
Исследуются вопросы утилизации сбрасываемой теплоты технологических процессов промышленных предприятий посредством установки турбин на низкокипящих рабочих телах. Выполнена оценка получаемой электрической мощности при реализации ORC контура на металлургическом предприятии с полным циклом. Для двух источников теплоты малого потенциала этого предприятия рассчитаны основные характеристики турбин с применением рабочих тел R-600 и R-134a для разных частот вращения ротора. Выбран рациональный вариант.
Досліджуються питанняутилізаціїскидноїтеплоти технологічних процесів промислових підприємств за допомогою встановлення турбін на низькокиплячих робочих тілах. Виконана оцінка електричної потужності реалізуємого ORC контура на металургійному підприємстві з повним циклом. Для двох джерел теплоти малого потенціалу цього підприємства розраховані основні характеристики турбін із використанням робочих тіл R-600 та R-134a для різних частот обертання ротора. Вибрано раціональний варіант.
Введение
Рост цен на органическое топливо, его транспортировку и, соответственно, объективное увеличение отпускных цен на электрическую и тепловую энергию принципиально изменяют отношение к использованию в Украине вторичных энергетических ресурсов (ВЭР) и сбросной теплоты промышленных предприятий, в частности. С этой целью, традиционно, если температура ВЭР выше 2GG - 25G °С применяется контур с включением котла-утилизатора и паровой турбины. В противном случае применение такого контура малоэффективно.
Последнее десятилетие активно развивается направление по утилизации промышленных ВЭР с выработкой электроэнергии на основе применения турбоустановок на низкокипящих рабочих телах (НРТ). В этих установках реализуется, так называемый, органический цикл Ренкина (ОЯС) и утилизируются ВЭР, имеющие температуру BG-6GG °С (охлаждающая вода, горячий воздух технологических процессов и др.) [1-8].
Имеется целый ряд публикаций, в которых анализируются достоинства и недостатки турбин на НРТ, способы их применения [1-7]. Авторами настоящей работы также рассматривались технико-экономические аспекты применения в Украине указанных турбин для утилизации ВЭР с температурой 8G-25G °С [В]. Тем не менее, не все вопросы применения турбин ОЯС цикла освещены в полной мере и следует считать актуальным продолжение исследований в этом направлении.
Общая характеристика процессов в турбоустановках с низкокипящими рабочими телами
В качестве рабочих тел в турбинах ОЯС цикла используют фреоны (по терминологии стран СНГ - хладоны), разрешенные к применению [5-7]. Принципиальная тепловая схема
контура турОоустановки на НРТ представлена на рис. 1, процесс в ^-диаграмме - на рис. 2.
Рис. 1. Принципиальная тепловая схема Рис. 2. Идеальный тепловой процесс, когенерационной установки с ORC протекающий в ORC цикле для пентана, контуром для утилизации ВЭР [8] в t,s-диаграмме
Преобразование тепловой энергии ВЭР (рис. 1) в ORC контуре в механическую и далее в электрическую энергию происходит в замкнутом контуре, который включает: турбину 1 с электрогенератором 2, конденсатор 3, ресивер 4, конденсатный насос 5, парогенератор на НРТ 6 с теплообменными зонами: а - подогрева, б - кипения, в - перегрева.
Если параметры утилизируемых ВЭР низкие (температура 80-200 °С), целесообразно применять НРТ с отрицательным наклоном правой ветви пограничной кривой в t,s-диаграмме (рис. 2). На этом рисунке ORC цикл включает: 1-2 - сжатие НРТ, 2-3-4-5 -подвод теплоты, 5-6 - процесс расширения НРТ в турбине, 6-7-1 - отвод теплоты с конденсацией. Процесс в турбине заканчивается в области перегретого пара (точка 6 на рис. 2), что исключает эрозию лопаток и не требует перегрева пара перед турбиной. Использование же водяного пара в качестве рабочего тела приводит в этом случае к ухудшению термодинамических показателей и к резкому увеличению габаритов паротурбинных установок, что существенно повышает их стоимость [8].
При выборе рабочих тел для турбин ORC цикла необходимо удовлетворить ряду требований, в частности:
- экологическим - озонобезопасность, низкий потенциал глобального потепления, негорючесть и нетоксичность;
- термодинамическим - низкая температура кипения при атмосферном давлении; невысокое давление конденсации; высокая теплопроводность; малые плотность и вязкость хладона, обеспечивающие сокращение гидравлических потерь на трение и местные сопротивления при его движении в системе;
- эксплуатационным - термохимическая стабильность, химическая совместимость с материалами, негорючесть, невзрывоопасность и т. д.;
- экономическим - наличие товарного производства, доступные (низкие) цены.
Фреоны, в полной мере отвечающие перечисленным требованиям, найти
затруднительно. Поэтому в каждом отдельном случае выбирают фреон с учетом условий работы машины. Предпочтение отдается НРТ, удовлетворяющему большинству перечисленных требований [6].
Получение электроэнергии путем утилизации сбросной теплоты технологических процессов
В металлургической, химической, цементной, строительных материалов и других отраслях промышленности Украины имеются источники сбросной тепловой энергии, утилизация которой позволит снизить энергозатраты, себестоимость основной продукции предприятия. В качестве примера рассмотрим возможности утилизации сбросной теплоты на
металлургическом предприятии посредством преобразования в электрическую энергию с использованием ОЯС цикла.
В монографии [9] приведена структура выработки и возможного использования ВЭР на металлургическом предприятии с полным циклом. Анализ этой структуры показывает, что на таком предприятии имеется ряд технологических процессов со сбросной теплотой, которую можно использовать для выработки электрической энергии, реализуя ОЯС цикл (табл. 1) [10, 11].
Таблица 1
Параметры источников сбросной теплоты на металлургическом предприятии
Наименование параметра Доменные печи Мартеновские печи и кислородные конвертеры Нагрева- тельные печи Коксовые батареи Обжиговые печи
Температура, °С 150 - 300 ~ 250 110 - 200 300 - 400 120 - 200
Средний объем уходящих газов, тыс. м3/ч 80 37 3 1000 35
В табл. 2 представлена единичная электрическая мощность выпускаемых турбин ORC цикла для ряда НРТ при утилизации ВЭР различного потенциала и объема.
Таблица 2
Возможная получаемая электрическая мощность турбин на НРТ
Низкокипящие рабочие тела Формула Объем уходящих газов, м3/с Температура, °С Расход рабочего тела, кг/с Электрическа я мощность выпущенных турбин, кВт
утилизируем ых уходящих газов рабочего тела на входе в турбину
R-134a CH2F CF3 8,8 - 25 100 - 140 65 - 100 10,5 - 21,5 200 - 800
Водоаммиачная смесь NH + H2O 6,8 - 120 130 - 260 90 - 220 7,3 - 62,7 200 - 7000
R-114 C2F4CI2 5,5 - 22 160 - 200 120 - 160 9,3 - 43,8 200 - 1000
R-600 C4H10 5,5 - 100 160 - 220 120 - 160 6,5 - 52,9 200 - 5000
Пентан C5H12 4,9 - 100 180 - 220 140 - 180 5,2 - 64,3 200 - 6000
Термическое масло - 15 - 61 290 - 360 250 - 315 6,5 - 58,3 1000 - 5000
Бензол CH6 85 - 120 340 - 370 300 - 325 65 - 96 6600 - 10000
Электрический КПД турбины ORC контура в зависимости от параметров ВЭР, соответственно, выбранного рабочего тела и мощности установки лежит в пределах 11 - 21 %. Выбранными НРТ (табл. 2) перечень не ограничивается.
При решении задач энергосбережения на каждом конкретном предприятии источник сбросной теплоты требует индивидуального подхода.
Пример расчета турбин ORC цикла В качестве примера были рассчитаны тепловые схемы утилизационных ORC контуров для двух источников теплоты малого потенциала с целью исследования влияния вида рабочего тела на рациональные значения характеристик турбин. Первый источник - доменная печь (температура уходящих газов 170 °С, в качестве рабочего тела ORC цикла выбран R-600), а
второй - нагревательная печь металлургического комбината (110 °С, R-134a). Выбор рабочего тела осуществлялся, исходя из параметров сбросной теплоты технологического процесса ( табл. 2). Расход НРТ на входе в каждую из турбин принимался равным 20 т/ч.
Представлен пример реализации турбин в трехступенчатом исполнении, что позволяет получить компактную турбину достаточно простого конструктивного исполнения.
Основные характеристики осевых турбин на НРТ, полученные с использованием одномерного расчета, представлены в табл. 3. Расчеты выполнялись для частот вращения ротора: 3000, 6000 и 9000 об/мин. Увеличение частоты вращения ротора n с 3000 до
9000 об/мин приводит к различному приросту мощности турбины: на ~ 500 кВт (~ 25 %) рис. 3, а; на ~ 13 кВт (~ 4 %) рис. 3, б.
Таким образом, расчетные исследования подтвердили, что рабочее тело выбирается в зависимости от объема утилизируемой теплоты и температурного потенциала источника.
Соответственно, рациональная конфигурация осевой турбины будет иметь различные геометрические и режимные характеристики. Продольные разрезы проточных частей исследуемых осевых турбин с НРТ R-134a и R-600 представлены на рис. 4. Особенностью реализации турбин на НРТ является возможность создания компактной малогабаритной турбины из обычных материалов (низкий уровень температур, минимальные окружные скорости и напряжения). Организация производства турбин данного типа на базе существующих турбостроительных фирм Украины позволит увеличить экономическую целесообразность их реализации для отечественных промышленных предприятий.
Таблица 3
Характеристики спроектированных осевых турбин на НРТ
Характеристики R-134a R-600
3000 об/мин 9000 об/мин
1 ступень 2 ступень 3 ступень 1 ступень 2 ступень 3 ступень
1 2 3 4 5 6 7
Расход органического пара на турбину, кг/с 20 20
Параметры НРТ на входе в турбину: - давление, МПа - температура, °С - плотность, кг/м3 1.7 70 61.7 2,65 130 43,5
Параметры НРТ на выходе из турбины: - давление, МПа - температура, °С - плотность, кг/м3 0,4 25 18,0 0 2
Скорость выхода потока из сопловой решетки, м/с 78,8 81,9 83,2 204,1 209,1 211
Эффективный угол выхода потока из сопловой решетки, град 13 11 11
Средний диаметр ступени, м 0,524 0,425
—
/
3000 6000 9000 об/мин
б)
Рис. 3. Изменение мощности турбины в зависимости от частоты вращения: а) рабочее тело Я-600; б) рабочее тело Я-134а
Продолжение таблицы 3
Окружная скорость на среднем диаметре, м/с 82,2 82,2 82,2 200 200 200
Скорость звука на выходе из сопловой решетки, м/с 332,4 347,5 347,0 359,9 366,6 359,5
Степень реактивности 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5
1 2 3 4 5 6 7
Число Маха для сопловой решетки 0,25 0,25 0,25 0,58 0,58 0,60
Относительная скорость 0,7 0,7 0,7 0,7 0,7 0,7
Скорость входа потока в рабочую решетку, м/с 18,5 15,7 15,9 39,0 40,2 40,9
Эффективный угол входа потока в рабочую решетку, град 73,3 83,4 88,0 89,4 82,5 80,0
Высота сопловой решетки, мм 15,4 19,0 32,0 13,4 23,9 53,8
Эффективный угол выхода потока из рабочей решетки, град 8,9 11,3 13,3 12,5 14,8 15,6
Высота рабочей решетки, мм 18,9 22,5 35,5 16,4 26,9 56,8
Скорость потока на выходе из рабочей решетки, м/с 12,7 16,1 18,9 43,8 51,6 56,2
Угол выхода потока, град 100,5 100,8 100,4 94,4 96,4 88,5
Удельные потери энергии: - в сопловой решетке - в рабочей решетке - с выходной скоростью 0,0488 0,0949 0,0467 0,0843 0,0372 0,0789 0,0248 0,0191 0,0924 0,0179 0,0992 0,0166 0,0983 0,0354
КПД ступени, % 73,52 83,58 83,26 79,33 85,51 89,79
Относительный внутренний КПД турбины, % 80,1 84,9
Суммарная внутренняя мощность установки, кВт 331,7 2332,8
б)
Рис. 4. Продольный разрез осевой турбины на НРТ:
а) рабочее тело Я-134а, частота вращения ротора 3000 об/мин;
б) рабочее тело Я-600, частота вращения ротора 9000 об/мин
Выводы
Выполненные оценки позволили установить, что утилизация ВЭР в промышленности Украины при применении турбин на НРТ позволит получить дополнительно ~ 2GG МВт электрической мощности.
Расчеты показали, что для рассматриваемого варианта конструктивного исполнения турбин при применении различных теплоносителей (их выбор зависит от потенциала ВЭР), экономически целесообразное число оборотов ротора турбины будет различное: например, для турбины на бутане (R-6GG) - 9GGG об/мин, а на фреоне ^-134а) - 3GGG об/мин.
Вопросам разработки, производства и внедрения турбин на НРТ в Украине, по нашему мнению, уделяется недостаточно внимания. Выпуск в стране турбин на фреонах для утилизации ВЭР, вероятно, позволит уменьшить их стоимость, тем самым повысить экономическую привлекательность соответствующих энергосберегающих проектов.
Список литературы
1. Утилизация сбросной теплоты ГПА в энергоустановках с низкокипящими рабочими телами / Б. Билека, Е. Васильев, В. Избаш и др. // Газотурбинные технологии. - 2GG2. - № 5. -
С. 6-1G.
2. Редько А. А. Термодинамические параметры геотермальной электрической станции с бинарным сверхкритическим циклом / А. А. Редько // Интегрированные технологии и энергосбережение. - 2GG9. - № 4. - С. 81-85.
3. Пятничко В. А. Утилизация низкопотенциального тепла для производства электроэнергии с использованием пентана в качестве рабочего тела / В. А. Пятничко, Т. К. Крушневич, А. И. Пятничко // Экотехнологии и ресурсосбережение. - 2GG3. - № 4. - С. З-б.
4. Утилизационные энергетические установки с органическими теплоносителями/ Г. Р. Шварц, С. В. Голубев, Б. П. Левыкин и др. // Газов. пром. - 2GGG. - № б. - С. 14.
5. Legmann H. Recovery of low grade heat by means of the ORC process in the cement industry / Hilel Legmann, David Citrin [Электронный ресурс]: официальный сайт производителя
- ORMAT International, Inc. [2G1G]: Режим доступа : http://www.ormat.com/media_center.php7d id=147&aid=818df634955635GfG9466946eb1c7b9b - Последнее обращение: G2.G2.2G12. - Загл. с экрана.
6. Базаев А. Р. Исследование термодинамических свойств смесей технически важных веществ как эффективных теплоносителей в энергетических установках / А. Р. Базаев // ФИЗИКА. - 2GG7. - CILD XIII, № 1-2. - С. 57-6G.
7. Гринман М. И. Перспективы применения энергетических установок малой мощности с низкокипящими рабочими телами /М. И. Гринман, В. А. Фомин// Энергомашиностроение. -2GG6. - № 1. - С. 63-69.
8. Экономическая эффективность утилизации низкопотенциальных вторичных энергетических ресурсов посредством установки турбины на низкокипящем рабочем теле / А. Л. Шубенко, Н. Ю. Бабак, М. И. Роговой и др.// Энергосбережение • Энергетика* Энергоаудит. -2G1G. - № б. - С. 18-26.
9. Никифоров Б. И. Энергосбережение на металлургических предприятиях: Монография / Б. И. Никифоров, Г. В. Заславец. - Магнитогорск: МГТУ, 2GGG. - 28G с.
1G. Казанцев Е. И. Промышленные печи: Справочное руководство для расчетов и проектирования / Е. И. Казанцев. - М.: Металлургия, 1975. - 368 c.
11. Г алузева програма енергоефективності та енергозбереження на період до 2G17 р. Наказ Міністра промислової політики України № 152 від 25.G2.2GG9 року. - 123 c. Режим доступа : http://195.78.68.71/industry/control/uk/archive/docview?typeId=73191 - Последнее обращение: G2.G2.2G12. - Загл. с экрана.
UTILIZATION OF WASTE WARMTH OF TECHNOLOGICAL PROCESSES OF THE INDUSTRIAL ENTERPRISE FOR THE PURPOSE OF ELECTRIC POWER DEVELOPMENT
A. L. SHUBENKO, Cor.Memb. NAS of Ukraine V A. MALYARENKO, Dr. Tech. Sciens, Prof.
N. U. BABAK, Cand. Tech. Sciens A. V. SENECKIY, leading engineer
Questions of utilization of dumped warmth of technological processes of the industrial enterprises by means of installation of turbines on low-boiling working bodies are investigated. The assessment of the received electric capacity is executed at realization of ORC of a contour at the metallurgical enterprise with a full cycle. For two sources of warmth of small capacity of this enterprise the main characteristics of turbines with application of working bodies R-600 and R-134a for different frequencies of rotation of a rotor are calculated. The rational option is chosen.
Поступила в редакцию 06.04 2012 г
