Томас Кларк, Главный инженер проекта, ElectraTherm.

 Юрий Терпеньянц, Региональный директор по развитию бизнеса

   

Введение

  

Работа поршневого двигателя хорошо изучена, и его эффективность легко определить, однако найти способы ее повышения достаточно непросто, и решение такой задачи может потребовать существенного усложнения конструкции, значительных затрат, и повлечь за собой усложнение технического обслуживания для конечного пользователя. В связи с этим полезно произвести оценку количества тепла, выделяемого двигателем, которое в большинстве случаев сегодня просто выбрасывается в атмосферу через радиатор и с выхлопными газами, на предмет его возможного полезного использования.

Технология органического цикла Ренкина (ORC) не нова, но только в последнее время, с развитием производства агрегатов небольшой производительности, стало возможным ее использование в коммерческих целях, применительно к новым и уже эксплуатируемым поршневым двигателям для утилизации бросового тепла с целью дополнительной выработки электроэнергии. С коммерциализацией низкотемпературных ORC систем вода из рубашки охлаждения и выхлопные газы стали хорошими источниками энергии, конвертируемой в экономию топлива. ORC использует бывшее раннее бросовым тепло для дополнительной выработки электроэнергии без топлива и вредных выбросов. ORC система может утилизировать либо высокопотенциальное (выхлопные газы), либо низкопотенциальное (охлаждающая вода) тепло, а также их комбинацию, обеспечивая повышение эффективности использования топлива до 12%.

Охлаждающая функция ORC также позволяет ему выступать в качестве замены радиатора двигателя, что дает экономию капитальных затрат до 30% от стоимости агрегата ORC. Вместо покупки радиатора для охлаждения двигателя можно использовать ORC, как радиатор с самоокупаемостью. Для систем, работающих на дизельном топливе, достижим срок окупаемости менее 2-3 лет.

В данной статье демонстрируется потенциал низкотемпературной технологии ORC в применении её с поршневыми двигателями в различных отраслях промышленности. Здесь также рассматриваются принципы работы ORC машин, включая отличительные особенности технологии ElectraTherm, практический опыт эксплуатации в Европе и Северной Америке, вопросы надежности конструкции, и прочие аспекты, принимаемые во внимание при выборе ORС для работы с двигателями. Приводятся критерии выбора объектов для применения технологии ORC, и сценарии анализа окупаемости при комплексной оценке проекта.

     

Как работает органический цикл Ренкина

  

Процессы в органическом цикле Ренкина подобны процессам в паровом двигателе с той принципиальной разницей, что вместо воды используется рабочее вещество с существенно более низкой температурой кипения. Можно условно рассматривать органический цикл Ренкина, как холодильный цикл, реализованный в обратную сторону, при этом тепловой поток в направлении от горячего источника к холодному генерирует электроэнергию. На Рисунке 1 показана принципиальная схема органического цикла Ренкина:

Рисунок 1. Принципиальная схема органического цикла Ренкина

Основные процессы цикла:

1. Избыточное тепло обеспечивает кипение рабочего вещества в испарителе.
2. Горячие пары рабочего вещества под давлением поступают в двухвинтовой детандер и приводят во вращение роторную пару и вал генератора.
3. После детандера пар охлаждается и конденсируется в конденсаторе.
4. Жидкое рабочее вещество нагнетается насосом на сторону высокого давления и возвращается в испаритель для цикличного повторения описанных процессов.

Замена воды и пара на рабочие вещества, кипящие при низкой температуре, позволяет в модифицированной версии традиционного цикла Ренкина успешно использовать теплоту с температурой намного более низкой, чем требуется для производства электроэнергии с приводом от парового двигателя.  Такие вещества состоят из органических молекул углеводородов, таких как пентан или гидрофторуглеродов – искусственных хладагентов, таким образов определяя название цикла, как Органического цикла Ренкина. ORC агрегаты ElectraTherm для утилизации тепла с генерацией электроэнергии, имеющие название Power+Generators™, используют гидрофторуглеродное соединение с обозначением R245fa (1,1,1,3,3 – пентафторпропан) – негорючую, нетоксичную жидкость с точкой кипения чуть ниже комнатной температуры - около 15°C.

 

Отличительные особенности технологии ElectraTherm

  

Главной отличительной особенностью агрегатов ElectraTherm Power+Generators™ является применение двухвинтового полугерметичного детандера BITZER HSE.85.

Рисунок 2. Полугерметичный двухвинтовой детандер HSE.85

Конструкция ElectraTherm - радикальный шаг в развитии ORC технологии с отказом от применения турбин, экономичное и устойчивое техническое решение без сальникового уплотнения на валу детандера/генератора, гарантирующее чрезвычайно высокую надежность.  Компания BITZER, Германия является крупнейшим независимым производителем холодильных компрессоров. Сотни тысяч винтовых компрессоров BITZER надежно и эффективно работают во всем мире в сложных условиях эксплуатации холодильных систем промышленных предприятий и в индустрии кондиционирования воздуха.

Благодаря внедрению ряда запатентованных решений в конструкцию винтового компрессора HS.85, на его базе удалось создать уникальный детандер HSE.85, в котором, в частности, организация масляной системы позволяет обходиться без маслоотделителя, маслоохладителя и масляного насоса, повышая эффективность и надежность работы, а также технологичность производства агрегатов Power+. В результате интеграции компании ElectraTherm в группу компаний BITZER успешно использован научно-технический и производственный потенциал BITZER и ElectraTherm для создания самого совершенного продукта – агрегатов Power+ серий 4400В(+) с производительностью до 75 кВт и 6500В(+) с производительностью до 125 кВт, и для начала их серийного производства на предприятии BITZER ElectraTherm в Атланте, США.

Низкие обороты вала детандера и интегрированного в единый с ним корпус асинхронного индукционного генератора, отсутствие сальниковых уплотнений, запатентованная простая и эффективная конструкция масляной системы позволяют агрегатам Power+ устойчиво работать для преобразования в электроэнергию бросового тепла в широком диапазоне изменения значений теплового потока на входе в агрегат. В отличие от высокоскоростных турбин, двухвинтовые детандеры HSE.85 способны к работе даже в условиях «влажного хода», когда переменные параметры (температура, расход) теплоносителя обусловливают попадание в детандер смести жидкого и газообразного рабочего вещества. В конструкции также использованы более дешевые и компактные теплообменники, воспринимающие переменные нагрузки в широком диапазоне значений. Отмеченные особенности делают агрегаты Power+Generators™ оптимально пригодными и быстро окупаемыми при утилизации низкопотенциального избыточного тепла, выделяющегося в относительно небольших количествах в различных вариантах применений, и в частности при трансформации в электроэнергию бросового тепла поршневых двигателей внутреннего сгорания.

На Рисунке 3 показано, что существенная часть бросового тепла, выделяемого поршневым двигателем, имеет низкий потенциал, и она может меняться в широких пределах в зависимости от нагрузки двигателя.

Рисунок 3. Тепловой баланс поршневого двигателя

Такая картина теплового баланса в целом характерна для дизельных двигателей, а также для двигателей, работающих на натуральном или био- газе. Выхлопные газы от любых процессов горения (печи отопления и обжига, инсинераторы, тепловые окислители, промышленные котлы) содержат существенную долю энергии сжигаемого топлива. Когда это тепло частично преобразуется в электроэнергию, заметно повышается эффективность установки в целом.

Кроме избыточного тепла, выделяемого в промышленности, тепло доступно и в процессах, лежащих в основе альтернативной энергетики, таких как утилизация геотермального и солнечного тепла, сжигание биогазов, включая свалочный газ и другие, биомассы и прочее. 

Традиционно такое низкопотенциальное тепло фактически игнорировалось по ряду причин: 

1. Низкопотенциальное тепло не способно обеспечить привод обычных тепловых двигателей, таких как системы, реализующие цикл Ренкина с водой (паротурбинные электростанции). Для генерации электроэнергии требовался метод утилизации тепла с низкой температурой.
2. Хотя общее количество избыточного тепла чрезвычайно велико, оно образуется в географическом смысле в самых разных местах. На некоторых предприятиях часто бывает недостаточно избыточного тепла для его утилизации в больших масштабах, например, до нескольких мегаватт. Рассредоточенность источников и вариативность доступной для утилизации тепловой энергии требуют технологий меньшего масштаба, модульного типа, ранее не доступных на рынке. 
3. Обычно в промышленности тепло образуется как побочный продукт основной производственной деятельности предприятия, и потому не рассматривается в качестве источника дополнительной энергии, который может составить интегральную часть основных процессов производства. Часто на предприятиях нет персонала, способного или желающего изыскивать возможности для собственной генерации электроэнергии, проектировать оборудование для улавливания бросового тепла и внедрять ORC установки, или эксплуатировать и обслуживать электрогенерирующее оборудование. Жизнеспособное решение должно быть простым в монтаже, эксплуатации и обслуживании.
4. Наконец, относительно невысокая стоимость электроэнергии, а также исторически рассматриваемый как нематериальный характер выгоды от экологических преимуществ, делали период окупаемости малых установок для утилизации бросового тепла с выработкой электроэнергии слишком долгим. Однако, растущая стоимость электроэнергии, с учетом еще и цены наносимого природе ущерба при использовании ископаемых топлив, в сочетании с возможностями новой технологии существенно сократили срок окупаемости инвестиций в оборудование для полезной утилизации низкопотенциального избыточного тепла.

Низкотемпературная тепловая энергия может быть отобрана от выхлопных газов, от воды из рубашки охлаждения или от обоих источников, и конвертирована в полезную форму энергии, такую как электрическая энергия. ORC технология подчиняется тем же законам термодинамики, которые применимы и к тепловым двигателям – тепло должно подводиться и отводиться. На Рисунке 4 показана схема переноса тепла от высокотемпературного источника [T_H] через рабочее вещество органического цикла Ренкина к низкотемпературному источнику [T_C], - совокупность процессов, заставляющих рабочее вещество совершать механическую работу, в нашем случае приводить во вращение генератор.

В идеале доля энергии, которая теоретически может быть преобразована в работу в тепловом двигателе, ограничена уравнением для коэффициента полезного действия цикла Карно:

1 - (T_C/T_H)

Когда значения температур выражаются по абсолютной шкале в градусах Кельвина (или Ренкина), легко убедиться, что только около трети теоретического максимума может быть с пользой конвертировано в электроэнергию в низкотемпературном органическом цикле Ренкина, обеспечивая кпд цикла на уровне 6-12%. Хотя эти цифры могут показаться невысокими, надо помнить, что при этом мы используем абсолютно бесплатный источник топлива, а именно бросовую тепловую энергию.

Рисунок 4. Схема цикла теплового двигателя

Иными словами, с пользой утилизируется тепло, которое было предназначено к рассеиванию в окружающую среду, причем в большинстве случаев для удаления этого избыточного тепла требовалось еще затратить средства и энергию.

Тепло, отводимое из цикла ORC, тоже может быть с рационально использовано для различных целей. Благодаря особенностями конструкции детандера HSE.85, возможна реализация цикла с высокой температурой конденсации, и температура охлаждающей воды может достигать 85°C, что делает ее пригодной для направления в системы отопления или горячего водоснабжения зданий, в теплицы, для целей выращивания аквакультур, обогрева бассейнов, поддержания температуры анаэробного сбраживания и т.д. То есть агрегаты Power+Generators™ способны эффективно работать в режиме когенерации.

 

ORC генераторы – самые эффективные системы охлаждения

  

Интеграция ORC агрегата с генераторной установкой с поршневым двигателем в качестве самого эффективного устройства охлаждения способна принести существенную выгоду владельцу предприятия. На Рисунке 5 представлена схема такого применения ORC агрегата в качестве единственного охлаждающего устройства, заменяющего стандартный радиатор генераторной установки. Выгода вполне очевидна: мы получаем дополнительную электрическую мощность в процессе трансформации бросового тепла в энергию без затрат топлива и без вредных выбросов в окружающую среду.

Рисунок 5.

Агрегат Power+Generator™ в качестве окупаемого охлаждающего устройства поршневого двигателя

Второе, менее очевидное преимущество такого решения состоит в том, что при этом сокращается или исключается паразитное потребление энергии вентиляторами радиатора. В качестве радиатора выступает Power+Generator™, а приводимые от двигателя вентиляторы штатного радиатора отключаются или вовсе не заказываются при покупке нового оборудования (так же, как и сам радиатор). Без паразитной нагрузки от радиатора производительность генераторной установки повышается. Дополнительная выработка электроэнергии агрегатом Power+ в сочетании со снижением паразитной нагрузки на двигатель суммарно может быть эквивалентна 12% повышения эффективности использования топлива в зависимости от размера двигателя, конфигурации и температуры окружающей среды на объекте.

Для различных двигателей возможна дальнейшая оптимизация системы ORC с целью наиболее полного использования доступного к утилизации тепла. Например, если тепло выхлопных газов использовать нельзя из-за установленных устройств снижения эмиссии, или потому что оно уже используется для других целей, система ORC может быть усовершенствована для максимальной утилизации тепла воды из рубашки охлаждения двигателя, как это показано на Рисунке 6.

Рисунок 6. Двигатель с ORC с использованием только охлаждающей воды

Другой вариант, когда тепло выхлопных газов также доступно, заключается в том, чтобы разделить потоки горячей воды, поступающей в цикл ORC. Вода из рубашки охлаждения с более низкой температурой используется для предварительного нагрева жидкого рабочего вещества в цикле ORC, а вода, нагретая до более высокой температуры выхлопными газами, подается в испаритель и обеспечивает кипение в нем рабочего вещества. На Рисунке 7 показан этот метод «двойного теплового потока». Такая конфигурация имеет то преимущество, что температура воды на входе в испаритель максимально повышается, что приводит к увеличению разности температур на горячей и на холодной сторонах цикла. А чем выше разность температур в цикле, тем выше производительность ORC агрегата. Это особенно ценно в местах с жарким климатом, где охлаждение цикла может быть организовано только на достаточно высоком температурном уровне.

 Рисунок 7. Двигатель с ORC в конфигурации с двойным тепловым потоком

 

О компании ElectraTherm  

  

В прошлом на рынке не существовало продуктов, способных с доказанной эффективностью преобразовывать избыточную тепловую энергию поршневых двигателей в полезную электроэнергию, поэтому у операторов генераторных установок на было другого выхода, как смириться с потерями энергии при рассеивании ее в атмосферу. Сегодня ElectraTherm разместила более 80 агрегатов Power+ в десяти странах мира с суммарным количеством часов наработки, приближающимся к 1,5 млн. часов - более 160 лет при 96% полезного использования. ElectraTherm является лидером в разработке и производстве небольших низкотемпературных агрегатов модульного типа для генерации электроэнергии из бросового тепла. Конструкция Power+Generator™ и соответствующая запатентованная технология позволяют вырабатывать электроэнергию с использованием тепловых источников с температурой от 77 до 150°C.

Технология ElectraTherm может утилизировать теплоту различного происхождения, включая бросовое тепло поршневых двигателей, геотермальное и солнечное тепло, тепло от сжигания биомассы, попутного нефтяного и всех видов био- газов, тепло производственных процессов. Но основным применением остается использование Power+ со стационарными двигателями внутреннего сгорания. Типичными объектами установки оборудования ElectraTherm являются места распределенной генерации электроэнергии в отдаленных и труднодоступных регионах, на островах и на предприятиях развивающихся экономик, генераторные установки, работающие на биогазе, включая свалочный газ и газ, образующийся в очистных сооружениях сточных вод, и др.

ElectraTherm ORC собираются в виде модульных агрегатов на прочной конструкционной раме с доступом для работы погрузчика. Изделия сертифицированы по стандартам ASME и CE и производятся с различными сочетаниями напряжения и частоты генерации, что делает их совместимыми с стандартами большинства стран мира. Агрегаты также доступны в комплектации систем «под ключ». Такие системы могут включать интегрированные компоненты с опциями водяного и воздушного охлаждения, обычно являющиеся элементами оборудования, поставляемыми по выбору конечного заказчика.

В настоящее время ElectraTherm производит агрегаты производительностью до 75 кВт, хорошо сочетающиеся с двигателями >800 кВт (модель 4400В(+)), и до 125 кВт (модель 6500В(+)) для двигателей 1,5 – 2 МВт.

Опыт применения агрегатов ElectraTherm с автономными генераторами очень успешен. При этом, как в случаях одиночных генераторов, так и для нескольких генераторов сразу утилизируется либо только тепло из рубашки охлаждения, либо тепло охлаждающей жидкости вместе с теплом уходящих выхлопных газов. ElectraTherm ORC также может работать в конфигурации с двойным тепловым потоком, и с заменой стандартного радиатора генераторной установки, являясь единственным и наиболее эффективным устройством охлаждения двигателя. На действующих объектах установки агрегатов ElectraTherm встречаются сочетания Power+ с такими двигателями, как, например, Jenbacher, Deutz и MWM в Европе, а также Cummins, CAT и Waukesha в Северной Америке.

 

Практический опыт эксплуатации оборудования ElectraTherm

 

Датч Харбор, Аляска

Три агрегата ElectraTherm ORC Power+ 4400 установлены и успешно работают с 2014 года, утилизирую бросовое тепло от трех дизельных генераторов на электростанции в Датч Харбор, на отдаленных Алеутских островах Аляски. Они забирают избыточное тепло от воды из рубашки охлаждения двух двигателей Wärtsilä  W12V32 и одного CAT C280-16 с температурой от 77°C и выше, и генерируют около 75 кВт «чистой» электроэнергии нетто. Эта дополнительная электроэнергия отдается в сеть по цене, одной из самых высоких в Северной Америке, составляющей 45 американских центов за 1 кВтч.

Рисунок 8. Город Уналашка, Аляска, США

Власти небольшого городка на острове Уналашка (Рисунок 8), открытом в 1741 году российским мореплавателем Витусом Берингом, и Энергетический департамент Аляски приобрели три ORC агрегата для рационального использования избыточного тепла, образующегося на действующей дизельной электростанции, в расчете получить не менее 250000 долларов США экономии на дизельном топливе при производстве электроэнергии. Вдобавок агрегаты Power+ в значительной степени заменили радиаторы генераторных установок, снизив тепловую нагрузку на них на 8 МВт, что увеличило экономию топлива. Снятие тепловой нагрузки с помощью ORC установок – дополнительное преимущество к непосредственной генерации электроэнергии агрегатами Power+. Все три агрегата ORC имеют общий контур охлаждения морской водой с температурой на входе порядка 7°C. В итоге срок окупаемости оборудования составил менее двух лет, и окончательный результат превзошел первоначальные ожидания заказчиков.

 

Работа ElectraTherm ORC в установке Министерства обороны США

Непрерывно работающие автономные генераторы обеспечивают мощностью разнообразные объекты в различных частях света. Однако, высокие затраты на топливо и необходимость технического обслуживания двигателей являются болевыми точками для владельцев и эксплуатирующего персонала этих критически важных объектов. Поиск способа существенного сокращения потребления топлива с минимальными требованиями к техническому обслуживанию оборудования, позволяющего к тому же сократить количество вредных выбросов в атмосферу, привел Министерство обороны США к заключению о целесообразности использования оборудования ElectraTherm в сочетании, в частности, с генераторной установкой Cummins KTA-50, мощностью 1,1 МВт. Министерство обороны намеревалось исследовать технический и экономический эффект с тем, чтобы применить такое техническое решение к имеющимся в ведомстве другим дизельным электрогенераторным установкам. Проект, как и другие работающие объекты такого рода, продемонстрировал простоту монтажа, высокую мобильность установки и практическое отсутствие затрат на её обслуживание. Кроме того, была создана модель, в которой агрегат Power+ становился полной заменой радиатора генератора, фактически выполняя функцию радиатора с самоокупаемостью. Срок окупаемости оборудования ElectraTherm в проекте оказался около двух лет, и таким он обычно является для подобных применений Power+ с генераторами, работающими на дизельном или другом тяжелом топливе. На Рисунках 9 и 10 представлены проектная проработка и фактическая реализация изделия с интегрированным с дизельным генератором «радиатором с самоокупаемостью» Power+.

Рисунок 9. Проект установки ORC для Министерства обороны США 

Рисунок 10. Компоновка генератора с агрегатом Power+, готовая к отгрузке с ElectraTherm 

Левице, Словакия

Десять Power+ Generator 4400s установлены и успешно работают в городе Левице, Словакия. Инжиниринговая компания из Чехии – партнер ElectraTherm реализовала проект внедрения ORC агрегатов в систему централизованного районного отопления в качестве технического решения по повышению эффективности используемого оборудования и выработки экологически «чистой» электроэнергии. Установка, показанная на Рисунке 11, утилизирует избыточное тепло двух газовых турбин Rolls Royce, работающих в комбинированном цикле. 

Рисунок 11. 10 агрегатов Power+ на районной ТЭЦ в Словакии

Выхлопные газы турбин поступают далее в рекуперативный парогенератор. Газы с пониженной температурой греют воду для районного горячего водоснабжения. Оставшееся неиспользованным тепло поступает с горячей водой в агрегаты Power+ для генерации порядка 400 кВт электроэнергии, продаваемой по привлекательному «зеленому» тарифу. Тогда как газовые турбины с комбинированным циклом широко распространены в Европе для генерации электроэнергии и тепла для районного отопления, данная установка стала первой с использованием оборудования ElectraTherm, позволяющего производить дополнительную мощность из низкопотенциального неиспользуемого тепла. Power+ Generator’ы сделали возможным достижение максимальной эффективности в использовании ресурсов, утилизируя тепло, которое обычно считалось бросовым.

  

Заключение  

 

Критерии оценки возможной эффективности и расчет окупаемости

Ключом к успеху любого энергетического проекта является ясное понимание задачи и проведение детального анализа исходных данных проекта. Расходы теплоносителей, температуры, тепловые потоки, стоимость электроэнергии и условия окружающей среды должны быть достоверно определены, чтобы убедиться, что система будет иметь привлекательный срок окупаемости. Командой инженерной и технической поддержки ElectraTherm разработано программное обеспечение «Smarter Tool», с помощью которого можно рассчитать производительность и подобрать агрегат Power+ для утилизации тепла от любых источников при различных температурах окружающей среды, Рисунок 12. Данные могут быть рассчитаны, исходя из непрерывной работы в течение полного года с учетом даже дневных колебаний температур. На основании расчетов специалисты ElectraTherm выберут оптимальную модель агрегата для условий эксплуатации на конкретном объекте для данного вида применения. Понятно, что работа в режиме 24/7/365, более высокая температура горячего источника тепла (кипения рабочего вещества ORC) и более низкая температура холодного источника тепла (конденсации), стоимость электроэнергии от 12 американских центов за 1 кВтч всегда обеспечивают более короткий срок окупаемости.

Рисунок 12. Скриншот окна программы Smarter Tool с примером расчета теплового баланса агрегата 6500В

Программа «Payback Estimator» для расчета срока окупаемости проекта и показателей его экономической эффективности, таких как NPV, IRR, PI, поможет собственнику объекта принять экономически обоснованное решение о закупке и установке оборудования ElectraTherm. Но не только перечисленные факторы должны или могут быть оптимальными для успешной реализации проекта, - другие обстоятельства также необходимо принимать во внимание. Часто ORC приносит и прочие важные выгоды заказчику, помимо выигрыша за счет стоимости произведенной электроэнергии. Это может быть организация более эффективной системы охлаждения, например, на компрессорных станциях магистральных газопроводов, обеспечивающей постоянную высокую производительность перекачивающего оборудования; или исключение факельного сжигания попутного нефтяного газа с выработкой полезной электроэнергии и с сокращением выбросов вредных веществ в атмосферу – примеры, характерные для условий Российской Федерации. Другими получаемыми преимуществами могут быть сокращение потребления воды или получение низкотемпературного тепла для отопления и водоснабжения в режиме когенерации. Наконец, в ряде стран действуют меры стимулирования выработки электроэнергии в возобновляемых источниках, и так называемые «зеленые» тарифы на электроэнергию и доступные гранты на финансирование экологически безопасных проектов ВИЭ могут оказаться решающими факторами для принятия решения о применении технологии ORC от ElectraTherm.

Успешное решение задачи повышения эффективности поршневых двигателей с использованием органического цикла Ренкина, подробно рассмотренное в данной статье, и являющееся одним из наиболее распространенных применений агрегатов Power+Generators™, наглядно демонстрирует возможности полезной утилизации бросового низкопотенциального тепла, ставшие доступными, благодаря запатентованной технологии компании ElectraTherm by BITZER Group, и дает методологическую основу для выбора технологии ORC в разнообразных вариантах новых применений.