Pobierz Poprawa sprawności układów ORC i systemów ... i więcej Egzaminy w PDF z Transport tylko na Docsity! 794 NAFTA-GAZ wrzesień 2010 ROK LXVI Witold M. Lewandowski, Michał Ryms, Radosław Kołoła, Piotr Kubski, Ewa Klugmann-Radziemska, Piotr Ostrowski Politechnika Gdańska, Wydział Chemiczny, Gdańsk Poprawa sprawności układów ORC i systemów trigeneracyjnych poprzez zastosowanie różnych termodynamicznych wariantów ich działania Zagospodarowanie energii może polegać tylko na jej bezpośrednim wykorzystaniu; w tej samej postaci lub w postaci przetworzonej. Jednocześnie podczas konwersji (procesu przetwarzania) może ona zostać przeniesiona bez zmiany swojej postaci na inny poziom energetyczny (np. niskotemperaturowy strumień ciepła w obiegu pompy ciepła w strumień wysokotemperaturowy) lub zmienić swoją postać w inną. Przykładem może być konwersja energii słonecznej w energię chemiczną biomasy lub energii chemicznej paliw w energię cieplną lub elektryczną. Przeanalizowane i zbada- ne możliwości bezpośredniego zagospodarowania cieplnej energii odpadowej w procesach technologicznych już dawno zostały wprowadzone w życie przez przedsiębiorstwa. Wy- czerpane zostały również możliwości wykorzystania jej na potrzeby socjalne załogi, np.: do ogrzewania pomieszczeń (c.o.) czy przygotowania ciepłej wody użytkowej (c.w.u.). Możliwości wprowadzenia na teren zakładu innych technologii, charakteryzujących się dużym zapotrzebowa- niem na nisko- i średniotemperaturową energię cieplną, raczej nie należy jednak brać pod uwagę. Trudno bowiem wyobrazić sobie na terenie rafinerii lub w jej bliskim są- siedztwie, kooperujący z nią wielki kombinat warzywniczy z hektarami szklarni lub tuneli foliowych, bądź znajdujące się w niewielkiej odległości od niej duże osiedle miesz- kaniowe. Ze względu na kosztowny transport energii cieplnej, w odniesieniu do nisko- i średniotemperaturowej energii cieplnej, jedynym racjonalnym rozwiązaniem wydaje się jej zagospodarowanie – poprzez konwersję – w energię wysokotemperaturową bądź elektryczną. Odpadowa wysokotemperaturowa energia cieplna jest znacznie łatwiejsza w zagospodarowaniu, dając szereg możliwości wykorzystania jej zarówno w sposób bezpo- średni (wymiennik ciepła, wytwornica pary technologicz- nej, regenerator), jak i pośrednio (turbogenerator, ORC). Wybór optymalnego rozwiązania zależy bowiem od konkretnego strumienia ciepła, gdy nie tylko jego wielkość i entalpia, ale zwłaszcza masowy strumień czynnika oraz jego skład są brane pod uwagę. Jako że zastosowania konwencjonalnych rozwiązań są już dobrze znane, w pracy skupiono się jedynie na przedstawieniu możliwości konwersji energii cieplnej w elektryczną jaką daje wykorzystanie obiegu Clausiusa- Rankina, zwanego układem ORC (Organic Rankine Cycle). Wprowadzenie Analiza układów ORC Dogodny dla rozważań termodynamicznych oraz oce- ny obiegów gazowych obieg Carnota okazuje się mało skutecznym narzędziem porównawczym podczas analizy obiegu siłowni parowych (rysunek 1). Istnieją dwie tego przyczyny. Pierwsza, natury technicznej, wynika z koniecz- ności odprowadzenia ciepła skraplania od pary nasyconej, a następnie podniesienia ciśnienia powstałej pary mokrej o znacznym stopniu zawilżenia. Sprężanie takie należało- artykuły 795nr 9/2010 by prowadzić stosunkowo powoli, w odpowiednio dużej maszynie, aby umożliwić stałe wyrównanie temperatury między cieczą i nasyconą parą suchą. Drugą przyczyną niskiej skuteczności obiegu Carnota przy analizie siłowni parowych jest prawdopodobieństwo uderzenia wodnego podczas sprężania pary mokrej w maszynie tłokowej lub intensywna erozja łopatek maszyny wirnikowej. W tym przypadku, trudności konstrukcyjne uniemożliwiają reali- zację techniczną sprężania pary mokrej nasyconej. Tym- czasem podczas skraplania pary nasyconej – do osiągnięcia stanu cieczy nasyconej – jej sprężanie w temperaturze, przy której następuje kolejne doprowadzenie ciepła, wymaga osiągnięcia bardzo wysokich ciśnień (w przypadku H2O nawet rzędu kilku tysięcy MPa). Stąd rezygnacja z adia- batycznego sprężania cieczy w całym zakresie zmienno- ści temperatury między jej dolnym i górnym poziomem. Uzyskaną podczas skraplania ciecz spręża się za pomocą pompy jedynie do ciśnienia równego ciśnieniu nasycenia na górnej izotermie. • 4–1 – izobaryczne doprowadzanie ciepła – odparowanie cieczy i ewentualne przegrzanie powstałej pary. A zatem kierując się stanem termodynamicznym czyn- nika przed ekspansją, obieg ten może realizować zarówno para nasycona, jak i przegrzana. Obieg Clausiusa-Rankine’a różni się więc od obiegu Carnota jedynie przemianą doprowadzania ciepła. W miej- sce izotermicznego doprowadzania ciepła – jak w obiegu Carnota – zastosowano izobaryczne doprowadzanie ciepła do czynnika, przy czym w pewnym zakresie – podczas zmiany fazowej (parowania) tego czynnika – ma miejsce proces izotermiczny. Obieg C-R uznawany jest zatem za obieg idealny, porównawczy. W rzeczywistej siłowni rozprężanie adia- batyczne przebiega nieodwracalnie (nieizentropowo), zaś podczas przepływu przez wymienniki ciepła następuje strata ciśnienia. Obieg C-R stosowany jest zarówno przy ocenie kon- wencjonalnej siłowni parowej (na parę wodną) zasilanej paliwem organicznym, jak i siłowni jądrowej zasilanej paliwem jądrowym. Może on także służyć ocenie siłowni na inne czynniki parowe (poza parą wodną), którymi mogą Rys. 1. Układ siłowni parowej WP – wytwornica pary, T – turbina parowa, G – generator energii elektrycznej, S – skraplacz, P – pompa Rys. 2. Układ siłowni parowej na parę przegrzaną, w układzie współrzędnych termodynamicznych Belpaire’a (bezwzg. temp. – entropia właściwa) Rys. 3. Układ siłowni parowej w układzie Moliera (entalpia właściwa – entropia właściwa) Świadomość występowania owych trudności wymusiła przy ocenie siłowni parowych zastąpienie obiegu Carnota obiegiem Clausiusa-Rankine’a (obieg C-R) zwanego w li- teraturze anglosaskiej, obiegiem Rankine’a (rysunki 2 i 3). Obieg ten tworzą następujące przemiany: • 1–2 – izentropowe rozprężanie pary nasyconej lub prze- grzanej (rozprężanie czynnika jak w obiegu Carnota), • 2–3 – izobaryczne odprowadzanie ciepła – skraplanie pary (izobaryczno-izotermiczne odprowadzanie ciepła jak w obiegu Carnota), • 3–4 – izentropowe sprężanie powstałej cieczy (sprę- żanie czynnika jak w obiegu Carnota), NAFTA-GAZ 798 nr 9/2010 mniejszy niż w przypadku zastosowania w obiegu RWC. Ogólnie należy zwrócić uwagę, że dla górnej temperatury obiegu, znajdującej się w niskim zakresie, zastosowanie PM nie prowadzi do uzyskania wyższych sprawności w porów- naniu do RWC, jednak dysponując wyższym potencjałem temperatury można oczekiwać, że ηPM > ηRWC. Układy absorpcyjne Możliwa jest współpraca układów absorpcyjnych z sys- temami ORC, w celu realizacji konwersji energii w syste- mach trigeneracji do produkcji energii cieplnej użytkowej, energii elektrycznej i chłodu, bowiem układy absorpcyjne [2, 3] umożliwiają wykorzystanie szerokiego wachlarza temperatur. Wartości współczynnika COP (Coefficient of Performance) w zależności od dysponowanej temperatury zaprezentowano w tablicy 3. w złożu to około 64oC. Poziom zwierciadła wody w otworach czerpalnych stabilizuje się na głębokości 34 m. W zależności od zapotrzebowania na ciepło, natężenie z jednego otworu czerpalnego wynosi 90–170 m3/h. Układ absorpcyjny wykorzystany jest jako pompa ciepła; zwiększając parametry strumienia wody sieciowej o temp. 40oC, której część kierowana jest do absorbera i skraplacza, gdzie zostaje podgrzana do temperatury 78oC. Następnie miesza się ona z wodą sieciową podgrzaną w wymienniku geotermalnym I stopnia. Finalnie, w wy- niku połączenia kilku strumieni – pochodzących z pompy cieplnej z wymiennika I-go stopnia i ekonomizerów – otrzymujemy wodę sieciową o temperaturze ok. 75oC. W zależności od potrzeb można ją skierować „do miasta” lub dalej podgrzewać do temperatury 95oC (w wysokotem- peraturowym wymienniku płaszczowo-rurowym) oraz do temperatury 100oC (w szczytowych kotłach przepływowych gazowych (niskotemperaturowych) wyposażonych w eko- nomizery). Obieg wysokotemperaturowy zbudowany jest z przepływowych wysokotemperaturowych kotłów gazo- wych, wymiennika płaszczowo-rurowego oraz urządzenia absorpcyjnego, pracującego jako pompa ciepła. Podstawowym zadaniem obiegu jest wykorzystanie wody pochodzącej z chłodzenia kotłów gazowych wy- sokotemperaturowych, o temperaturze 160oC, do napędu procesu desorpcji zachodzącego w warniku urządzenia absorpcyjnego. W ten sposób rozwiązany został problem napędu urządzenia absorpcyjnego LiBr-H2O. Rys. 6. Schemat elektrociepłowni geotermalnej w Pyrzycach [4] Tablica 3. Wartość współczynnika COP oraz zakresy temperatur dla układów LiBr-H2O [1] Typ urządzenia COP Zakres temperatur [oC] System „półefektowy” 0,35 80–100 System „jednoefektowy” 0,70 100–120 System „dwuefektowy” 1,1 150–170 System „trójefektowy” > 1,6 170–200 Trafnym przykładem wykorzystania układu absorpcyj- nego w polskich warunkach jest system elektrociepłowni geotermalnej w Pyrzycach, na który składają się trzy obiegi: obieg wody geotermalnej, obieg wody sieciowej i obieg wody wysokotemperaturowej. Głównym elementem ciepłowni geotermalnej jest instala- cja obiegu wody geotermalnej, zbudowana z dwóch otworów czerpalnych GT1 i GT3 oraz dwóch otworów chłonnych GT2 i GT4 (rysunek 6). Głębokość otworów geotermalnych wynosi około 1620 m, natomiast średnia temperatura wody artykuły 799nr 9/2010 W niniejszej pracy wskazano różne warianty zastoso- wania w praktyce układów ORC oraz układów absorpcyj- nych. Przegląd czynników termodynamicznych, a także Literatura [1] CII-Gren Busines Centre: Energy Bulletin on Vapour Ab- sorption Heat Pump. Bulletin 1, September, 2001. [2] http://www.inet.com.pl/geotermia/index.htm [3] Kołoła R., Badur J.: Symulacja pracy chłodniczego układu absorpcyjnego LiBr-H2O z uwzględnieniem wpływu własno- ści roztworu na parametry układu. XIII Sympozjum Wy- miany Ciepła i Masy, Darłówko-Koszalin, 03-06.09.2007. Podsumowanie numeryczna analiza układów skojarzonych, pozwoliły autorom na znacznie bardziej efektywne wykorzystanie tych instalacji. Artykuł nadesłano do Redakcji 18.02.2010 r. Przyjęto do druku 23.06.2010 r. Recenzent: doc. dr inż. Andrzej Froński Praca współfinansowana przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego. Projekt systemowy Województwa Pomorskiego pn.: „InnoDoktorant – stypendia dla doktorantów, II edycja”. This research work was supported by the European Union in the framework of the European Social Fund. The system project of the Pomorskie Voivodeship „InnoDoktorant – Scholarships for PhD students, II edition”. Prof. Witold M. Lewandowski – ukończył Wy- dział Chemiczny i B.M. Politechniki Gdańskiej. Przewodniczący Rady Programowej Fundacji Poszanowania Energii w Gdańsku, członek Sek- cji Termodynamiki Komitetu Termodyn. i Spa- lania PAN i Polskiego Towarzystwa Pomp Cie- pła. Autor: 8 książek, 73 publikacji, 20 patentów, 111 referatów i 115 opracowań przemysłowych. Mgr inż. Michał RyMS – ukończył studia na Wy- dziale Fizyki Techn. i Matem. Stosow. Politechniki Gdańskiej. Obecnie doktorant na Wydz. Chemicz- nym Politechniki Gdańskiej. Stypendysta programu InnoDoktorant – II edycja. Autor: 3 rozdz. w książ- kach, 20 publik. i referatów, 2 prac badawczych zleconych i 1 zgłoszenia patentowego. Zaintereso- wania – głównie alternatywne źródła energii. [4] Kołoła R.: Numeryczna analiza pracy i porównanie nowo- czesnych układów skojarzonych, pracujących w oparciu o chłodziarkę absorpcyjną LiBr-H20. Chłodnictwo i Kli- matyzacja, 7, 2007. Dr inż. Radosław KOłOłA – absolwent Politech- niki Koszalińskiej. Obecnie pracownik naukowy Wydz. Chemicznego Politechniki Gdańskiej. Dwu- krotny stypendysta „Systemu stypendiów doktoranc- kich wspierających rozwiązania innowacyjne gospo- darki regionu”. Autor artykułów dotyczących wyk. i konwersji energii. Obszar jego zainteresowań obej- muje zagadnienia numerycznej termomechaniki. Dr inż. Piotr KUBSKI – długoletni nauczyciel akademicki Katedry Techniki Cieplnej Politechniki Gdańskiej. Autor licznych publikacji z zakresu kon- wersji energii (na ciepło i/lub energię elektryczną) z zasobów konwencjonalnych i niekonwencjonal- nych, w tym energii odpadowej i odnawialnej, ze szczególnym dorobkiem (także praktycznym) w za- kresie geoenergetyki i stosowania pomp ciepła. Dr hab. Ewa KLUGMANN-RADZIEMSKA – prof. nadzw. Politechniki Gdańskiej; autor/współautor 137 prac naukowych (8 monografii, 2 patentów i 3 zgłoszeń pat.). Prodziekan do spraw Rozwoju Wydz. Chem. Polit. Gdańskiej. Kierownik Katedry Aparatury i Maszynoznawstwa Chemicznego. Pro- wadzi badania dotyczące odnawialnych źródeł energii, recyklingu materiałowego i wymiany ciepła. Mgr inż. Piotr OSTROWSKI – doktorant na Wy- dziale Chemicznym Politechniki Gdańskiej. Autor lub współautor: 2 publikacji z Listy Filadelfijskiej, 12 publikacji z listy MNiSW, 14 referatów konfe- rencyjnych, rozdziału w monografii oraz zgłoszenia patentowego. Stypendysta prestiżowego projektu InnoDoktorant – I edycja. Zainteresowania: eko- energetyka, OZE, fotowoltaika.