Organiczny Obieg Rankine’a

Odzysk ciepła odpadowego w postaci energii elektrycznej

(ang. Organic Rankine Cycle)

Idea CHP

• Równoczesna produkcja dwóch lub więcej typów energii użytkowej z pojedynczego źródła energii

• Wykorzystanie ciepła odpadowego z urządzeń wytwarzających energię elektryczną

Kogeneracja

CHP – Combined Heat and Power

Skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła pozwala na przetworzenie energii pierwotnej z bardzo wysoką sprawnością.

Energetyka rozproszona

Energetyka rozproszona

Skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła

Paliwo

100 jednostek Turbina, silnik itp.

Kociołodzyskowy

Spaliny wylotowe

15 jednostek

Generator

En. el.

Ciepło55 jednostek

30 jednostek

Zapotrze-bowanie

ciepła

Zapotrze-bowaniena en. el.

Ciepło + Spaliny70 jednostek

Sprawność odzysku ciepła (55/70) = 78,6%

Sprawność całkowita ((30+55)/100) = 85,0%

Skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła

a) rozdzielone wytwarzanie ciepła i energii elektrycznej w kotle grzewczym i w elektrowni kondensacyjnej

b) skojarzone wytwarzanie ciepła i prądu w bloku siłowniano-ciepłowniczym

Domowa Mikrosiłownia Kogeneracyjna

Obieg Clausiusa-Rankine’a

Obieg Rankine’a jest obiegiem porównawczym w przypadku klasycznej siłowni parowej.

Obieg Clausiusa-Rankine’a

Organic Rankine Cycle

• Organic Rankine Cycle – (ORC) są to układy pracujące w obiegu siłowni parowej, w których czynnikiem roboczym, zamiast pary wodnej, jest wybrany związek organiczny.• Pierwsza eksperymentalna elektrownia ORC powstała w 1967 r. w miejscowości Paratunka (Kamczatka, Rosja) i miała moc 680 kW, a zasilana była wodą geotermalną o temperaturze 81°C.• Po początkowej fascynacji technologią ORC prace nad jej rozwojem wstrzymano w końcu lat 80-tych. Powodem było stosowanie węglowodorów fluorochlorowych w roli czynników roboczych (zagrożenie dziurą ozonową). Obecnie, w związku z wejściem do użycia nowych czynników chłodniczych, zainteresowanie nią ponownie wzrosło.

• W układach ORC jako czynnik roboczy wykorzystuje się związki organiczne, umożliwiające (dzięki odpowiednim parametrom przemian fazowych) dokładne dostosowanie do temperatury źródeł ciepła. Lekkie węglowodory stosowane w układach ORC charakteryzują się ciepłem parowania stanowiącym ok. 17% ciepła parowania wody. Związki te spełniają w układzie taką samą rolę jak woda w układzie parowym, jednakże pracują w innym przedziale ciśnień.• Instalacje ORC charakteryzują się zwartą budową i niewielką ilością elementów składowych, dodatkowo małe jednostki mogą być uruchamiane i sterowane zdalnie, praktycznie bez udziału obsługi.

Organic Rankine Cycle

Schemat cieplny siłowni ORC

Schemat cieplny wraz z wykresem T-S

Wykres T-S dla różnych czynników

Schemat obiegu

Porównanie obiegu Clausiusa Rankine’a i obiegu ORC w układzie T-S

Obieg siłowni parowej w układzie T-S

Obieg siłowni ORC w układzie T-S

Schemat instalacji przykładowej elektrociepłowni

Podgrzewacz II

Skraplacz

Pompa cyrkulacyjna

Skraplacz/parowacz

~Generator

Turbina parowa

Pompa cyrkulacyjn

a

A

Podgrzewacz I

BC

2ns

3n

4n

1s 2s

5n

4w

3w

5w

5n1n

4n

nośnik ciepła odpadowego

woda/ para wodnaczynnik organiczny

1w

T

s

x=1

Tcr

3w

4w

5w

x=0

1worganic

fluid

T

s

Tcr

4n

1n

2sn

3n

5n

x=0 x=1

2n

Punkty charakterystyczne obiegu C-R z czynnikiem organicznym

Punkty charakterystyczne dla sieci wodno – parowej

Temperatura odparowania wody w kotle T1w (R236fa = 105°C, R236ea = 110°C, R245fa = 115°C, cykloheksan =120°C)

Kocioł typu SPD 2900, moc 2000kW

Punkty charakterystyczne na wykresie T-S

Sprawność termiczna elektrowni w funkcji temperatury pary wodnej wytwarzanej w kotle (i związanej z nią temperatury odparowania czynnika organicznego) dla wybranych substancji roboczych

14

15

16

17

18

19

20

21

22

103/105 108/110 113/115 118/120

T1n/T1w °C

Spr

awno

ść te

rmic

zna

elek

trow

ni %

R236fa

R236ea

R245fa

cykloheksan

woda

Wybrane organiczne czynniki robocze – sprawność termiczna w zależności od wyboru czynnika

200

300

400

500

600

700

103/105 108/110 113/115 118/120

T1n/T1w °C

Moc

ele

ktry

czna

kW

el R236fa

R236ea

R245fa

cykloheksan

woda

Moc elektryczna siłowni w funkcji temperatury pary wodnej wytwarzanej w kotle (i związanej z nią temperatury odparowania czynnika organicznego) dla wybranych substancji roboczych.

Wybrane organiczne czynniki robocze – moc elektryczna w zależności od wyboru czynnika

Strumień czynnika roboczego krążącego obiegu siłowni w funkcji temperatury pary wodnej wytwarzanej w kotle (i związanej z nią temperatury odparowania czynnika organicznego) dla wybranych substancji roboczych.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

103/105 108/110 113/115 118/120

T1n/T1w °C

Str

umie

ń cz

ynni

ka r

oboc

zego

w

obie

gu k

g/s

R236fa

R236ea

R245fa

cykloheksan

woda

Wybrane organiczne czynniki robocze – sprawność termiczna w zależności od wyboru czynnika

Wybrane organiczne czynniki robocze – strumień czynnika roboczego w zależności od wyboru czynnika

Strumień ciepła doprowadzanego z zewnątrz w podgrzewaczu P-II w funkcji temperatury pary wodnej wytwarzanej w kotle (i związanej z nią temperatury odparowania czynnika organicznego) dla wybranych substancji roboczych .

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

103/105 108/110 113/115 118/120

T1n/T1w °C

Str

umię

ń c

iep

ła d

op

row

ad

zan

eg

o z

ze

wn

ętr

zne

go ź

ródł

a c

iep

ła Q

P-I

I kW

R236fa

R236ea

R245fa

cykloheksan

woda

Wybrane organiczne czynniki robocze – strumień ciepła dopr. w zależności od wyboru czynnika

Układ oparty na ORC

Układ oparty na ORC

Układ oparty na ORC – skala wielkości

Układ oparty na ORC – skala wielkości

Zastosowania

Obieg Kalina

Jedną z odmian układów ORC jest tzw. układ Kalina. Różnica ogranicza się jedynie do czynnika roboczego:

w klasycznym układzie ORC jest to najczęściej izobutan lub izopentan, a w układzie Kalina mieszanina amoniaku z wodą. Stosunek amoniaku do wody zmieniany jest w zależności od procesu występującego w obiegu i nie jest stały podczas wszystkich przemian w nim zachodzących.

Układ Kalina jest obiegiem opartym o cykl Rankine’a z dodanymi członami: destylacyjnym i absorpcyjnym.

Podział obiegów siłowni parowych

Wykorzystanie cyklu Kalina

Przykładowe parametry w instalacji

Porównanie właściwości czynników roboczych poszczególnych obiegów

Temperatura punktu pęcherzyków w zależności od ciśnienia i stężenia amoniaku

Temperatura punktu rosy w zależności od ciśnienia i stężenia amoniaku

Moc w zależności od ciśnienia i stężenia amoniaku

Zależność mocy el. od temperatury czynnika przenoszącego ciepło ze źródła ciepła

Schemat ideowy układu gazowo-parowego

S - sprężarka KS1 - komora spalania T1- turbina części gazowejT2 - turbiny części parowej G1 - generator elektryczny części gazowejG2 - generator elektryczny części parowej S - skraplacz PW - pompa wodnaKO - kocioł odzyskowy

Układ Parowo-Gazowy

Układ Parowo - Gazowy (ang. Combined Cycle)

Mikroturbina

Mikroturbina

Mikrowymienniki

Sprawność - geneza

• Woda: małe molekuły (jak pociski) poruszają się z dużą prędkością

- problemy związane z korozją łopatek turbiny-wielostopniowe turbiny -> duże naprężenia mechaniczne

• Czynnik organiczny: duży strumień masy, duża średnica turbiny

- niewielkie straty- stosunkowo wolne obroty

Porównanie sprawności (ORC i cykl Kalina)

Porównanie sprawności (ORC i cykl Kalina)

Porównanie sprawności

Porównanie sprawności - biopaliwa

Zalety

możliwość wykorzystania niskotemperaturowych źródeł ciepła

niewielkie naprężenia mechaniczne na łopatkach turbiny

wolniejsze obroty pozwalają na bezpośrednie podłączenie do generatora, bez konieczności stosowania dużych przełożeń

brak erozji łopatek turbiny (za wyjątkiem instalacji z obiegiem Kalina)

wysoka sprawność cyklu i turbiny

możliwość podniesienia sprawności istniejących już instalacji poprzez odzysk ciepła odpadowego (odzysk w postaci energii elektrycznej !)

możliwość pracy nawet w przypadku obciążeń rzędu 10 %

stosunkowo prosty rozruch i zatrzymanie

niewielki poziom hałasu

długi czas życia urządzenia

niewielkie nakłady pracy związane z utrzymaniem ruchu (ok. 3-5 h/tydzień)

Wady

wysokie nakłady inwestycyjne

koszty czynnika obiegowego:- ORC: starzenie się czynnika i związane z tym

okresowe koszty jego wymiany

w przypadku obiegu Kalina zagrożenie erozją łopatek turbiny