Реферат: Энергетические установки с низкокипящими рабочими телами
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Общая характеристика электростанций на НРТ
Комбинированная энергетическая установка с бутановым контуром
Варианты тепловых схем энергетических установок с применением НРТ
Современные низкокипящие рабочие тела
Выводы
Список литературы
Дата добавления на сайт: 10 июня 2025
РЕФЕРАТ
на тему:
«ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ С НИЗКОКИПЯЩИМИ РАБОЧИМИ ТЕЛАМИ»
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Общая характеристика электростанций на НРТ
Комбинированная энергетическая установка с бутановым контуром
Варианты тепловых схем энергетических установок с применением НРТ
Современные низкокипящие рабочие тела
Выводы
Список литературы
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы все больший интерес проявляется к бинарным парогазовым установкам, где в качестве рабочего тела паросилового цикла используются низкокипящие рабочие тела (НРТ). Технологии, лежащие в их основе, позволяют утилизировать «бросовое» низкопотенциальное тепло теплоэнергетики, металлургии, химических и нефтеперерабатывающих производств. Это приведет нас к эффективному использованию энергоресурсов - энергосбережению. Именно это направление развития энергетики определено приоритетным в «Стратегии развития энергетики до 2020 г». [1]
Поэтому в России в различных областях энергетики увеличивается применение низкокипящих рабочих тел. Специалистами ВНИИАМ выполняются проработки схем и оборудования бинарной АЭС с использованием НРТ в нижней ступени паротурбинного цикла. Перспективными представляются разработки установок, утилизирующих тепло отработанных газов приводных двигателей газоперекачивающих агрегатов, а также использование тепла геотермальных вод на Камчатке и Северном Кавказе. [2].
В настоящее время все большее распространение получают электрические станции, использующие тепло с температурой 90...300 °C как источник энергии. Рабочими телами таких станций являются НРТ, которые имеют низкие температуры кипения при атмосферном давлении. Их особенности влияют на теплоэнергетические и массогабаритные характеристики оборудования станций[3].
В качестве НРТ применяют фреоны, водный раствор аммиака, пентан, изопентан, бутан, изобутан и др.
При выборе НРТ необходимо учитывать ряд, предъявляемых к ним требований:
• дешевизна;
• хорошие теплофизические свойства;
• нетоксичность;
• отсутствие экологического воздействия на окружающую среду (озоновый слой, парниковый эффект);
• замерзание при достаточно низких отрицательных температурах, что важно для климатических условий северных регионов [4].
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ НА НРТ
Электрические станции на НРТ (т.е. станции, у которой в одном или нескольких контурах тепловой схемы работу совершает НРТ) могут быть простого типа (одноконтурные схемы) и комбинированного (бинарные, тринарные схемы).
Принцип действия одноконтурной электростанции заключается в следующем (рис. 1): греющая среда в теплообменном аппарате-испарителе 1 отдает тепло НРТ, находящемуся в замкнутом контуре. Низкокипящее рабочее тело превращается в пар (перегретый или сухой насыщенный), который расширяется в турбине 2, совершая работу. Отработавший в турбине пар НРТ конденсируется в конденсаторе 3, отдавая тепло конденсации циркулирующей среде. Перемещение рабочего тела по замкнутому контуру осуществляется питательным насосом 4.
Первый в мире опытный образец энергоблока на НРТ был введен в эксплуатацию в составе Паратунской ГеоТЭС в 1967 г. В качестве рабочего тела был использован фреон-12. Установленная электрическая мощность энергоблока составляла 750 кВт.
Для справки - в Японии первая ЭО мощностью 1 МВт, работающая на фреоне-114, была построена в 1975 г., а в США первая ЭС с НРТ (изобутаном) была запущена только в 1979 г. В Китае в 70-х годах делались попытки создания энергоблоков мощностью от 50 до 300 кВт, работающих на изобутане, фреоне-11; греющая среда имела начальную температуру 67 °C. Сводная информация по экспериментальным «пилотным» установкам представлена в табл. 1 [2].
Таблица 1. Сводная информация по «пилотным» установкам с НРТ в мире [2]
| Страна, название электростанции | Год создания | Мощность, МВт |
| СССР: Паратунская ГеоТЭС | 1965-1967 | 0,750 |
| Китай | 1970 | 0,935 |
| Япония: | ||
| Otake | 1975-1979 | 1,000 |
| Nigorikawa | 1975 | 1,000 |
| Takigami | 1997 | 0,490 |
| США: | ||
| Мс Cabe | 1979 | 1,000 |
| Lakeview | 1981 | 0,900 |
| Raft river | 1982 | 4,200 |
| Румыния: Экспериментальные установки университета Oradea | 1984-1988 | 0,100 + 0,500 + 1,000 |
КОМБИНИРОВАННАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА С БУТАНОВЫМ КОНТУРОМ
Принцип действия и характеристики комбинированной энергетической установки с бутановым контуром таковы:
Преобразование низкопотенциальной тепловой энергии в механическую и далее в электрическую происходит в замкнутом бутановом контуре, который включает в свой состав парогенератор (испаритель) бутана, бутановую турбину с электрогенератором, конденсатор бутана, насосное и вспомогательное оборудование (рис. 2). Для уменьшения затрат электроэнергии на сжатие жидкого бутана применено многоступенчатое сжатие: в конденсатном насосе и в одном или двух струйных термонасосах (инжекторах).
Благодаря применению бутана в качестве рабочего тела позволяет турбина получается малогабаритной, так как объемный расход пара через последнюю ступень в случае применения бутана уменьшается на два порядка. Так при температуре конденсации 30 °C, удельный объем водяного пара составляет 32,89 м3/кг при давлении 0,0425 бар, в то время как у бутана (R 600) - 0,141 м3/кг при давлении 2,81 бар. В результате в бутановом контуре отсутствует вакуумная система удаления воздуха из конденсатора со всеми её эксплуатационными проблемами. Это позволяет создавать конструкции минимальных габаритов из обычных материалов (низкий уровень температур, минимальные окружные скорости и напряжения). Турбинная часть установок на бутане или пентане представляет собой газовую турбину, работающую с низкими параметрами газа и поэтому достаточно надёжную. Аналогом таких турбин являются турбодетандеры, преобразующие энергию в процессе понижения давления природного газа при его подаче из магистрального газопровода к потребителю.
Производство пара НРТ происходит в парогенераторе. Он представляет собой кожухотрубный теплообменник, в котором греющий теплоноситель проходит внутри трубной системы, расположенной в объёме НРТ (рис.2). Пар, полученный в процессе испарения, сепарируется и направляется в турбину.
Конденсация пара НРТ после турбины производится в конденсаторе. Если в районе расположения мини-ТЭЦ имеется достаточное количество воды, то можно применять конденсатор с водяным охлаждением, в противном случае - с воздушным охлаждением.
Потери НРТ в установке при нормальных эксплуатационных режимах практически отсутствуют, так как протечки через концевые уплотнения турбины невелики и составляют 2-3 л/мин. Эти протечки улавливаются системой сбора НРТ и возвращаются в контур. При ремонтах производится закрытый слив жидкого НРТ из контура в специальные ёмкости с последующей продувкой контура водяным паром. Потери НРТ в процессе эксплуатации восполняются из баллонов.
Агрегаты бутанового контура скомпонованы в герметичном контейнере. В соответствии с правилами обслуживания помещений с взрывоопасными газами кратность принудительной циркуляции воздуха в контейнере с оборудованием равна пяти.
Масса бутана в контуре составляет приблизительно 1500 кг. Бутан не токсичен и не является коррозионно-активным рабочим телом, поэтому турбина, трубопроводы, арматура и вспомогательное оборудование выполняются из углеродистых сталей. [4]
ВАРИАНТЫ ТЕПЛОВЫХ СХЕМ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК С ПРИМЕНЕНИЕМ НРТ
. Совмещение контура с НРТ с противодавленческими турбинами малой мощности
Выработка электроэнергии на тепловом потреблении наиболее эффективна, поэтому на многих промышленных и муниципальных паровых котельных устанавливают противодавленческне турбины, имеющие минимальные габариты, простые в эксплуатации, дешевые и не требующие сложного сервиса.
Основной недостаток варианта надстройки котельных паровыми противодавленческими турбинами состоит в том, что они могут работать только при наличии тепловой нагрузки.
Летом, когда тепловая нагрузка горячего водоснабжения составляет только 15% от номинальной, турбина не сможет работать, если не будет дополнительной нагрузки, связанной с потреблением пара низких параметров на технологические нужды. В результате коэффициент использования установленной мощности в среднем за год может составлять 0,5 и ниже.
Наиболее эффективно подстраивать к выхлопу противодавленческих турбин контур, работающий на бутане, так как уровень температур греющего пара составляет 130-150 °C. В этом случае любая недогрузка противодавленческой турбины по тепловой мощности передаётся в дополнительный контур (рис.3).
Совместная работа парового и бутанового контуров может обеспечить коэффициент использования установленной мощности паровой турбины, равный 1, независимо от тепловой нагрузки.
При создании комбинированной установки, состоящей из противодавленческой турбины и бутанового контура, годовая выработка электроэнергии удваивается. Это происходит за счёт того, что даже в периоды отсутствия тепловых нагрузок противодавленческая турбина работает на номинальной мощности, и, кроме того, в эти периоды электроэнергия дополнительно вырабатывается в бутановом контуре. [4]
. Создание автономных источников тепла и электроэнергии, работающих на местных видах топлива и на сбросном тепле промышленных предприятий
Еще одной важной особенностью применения пентанового или бутанового контуров является независимость их структуры от типа первичного источника тепла. Например, их можно интегрировать с водогрейными котлами, которые нашли массовое применение благодаря простоте эксплуатации и отсутствию проблем с водоподготовкой, необходимой для паровых котлов.
По аналогичной схеме контур с НРТ может быть совмещен с котлами для сжигания промышленных и бытовых отходов.
Применение контура с НРТ позволяет простыми техническими средствами утилизировать тепло технологических процессов даже в тех случаях, когда традиционные методы неэффективны или невозможны. Рабочие тела различных технологических процессов, сбрасываемые обычно в окружающую среду, имеют различный химический состав и температуру. Отвод теплоты от этих рабочих тел можно производить с помощью простых по конструкции водяных котлов-утилизаторов, выпускаемых промышленностью. Далее нагретая вода подаётся в бутановый парогенератор, в котором происходит передача теплоты от воды в бутановый контур.
В итоге, независимо от параметров и тепловой мощности базового котла при совмещении его с контуром НРТ можно создать гарантированный источник дешевой электроэнергии. Эта установка может работать на любом виде местного топлива, и она независима от источника охлаждения.
Принципиальная схема установки с водогрейным котлом показана на рис. 4. [4]
. Применение бутанового контура в составе парогазовых установок малой мощности и совместно с газопоршневыми агрегатами
Газотурбинные установки малой мощности (от 1,5 до 6,0 МВт) часто используются в режиме ГТУ-ТЭЦ или ПГУ-ТЭЦ, в которых теплота продуктов сгорания после газовой турбины используется для теплофикации. При этом применяют тепловые схемы с паровым или водогрейным котлом-утилизатором.
В первом варианте водяной пар из КУ поступает в противодавленческую турбину, после которой пар в течение отопительного периода поступает на теплофикацию. В период отсутствия тепловых нагрузок приходится отключать паровой КУ и переводить газотурбинную установку в режим автономной работы с низким КПД. Если подключить к противодавленческой турбине бутановый контур, то ГТУ может в течение всего года работать с КУ. Но при отсутствии теплового потребления пар из турбины подаётся в бутановый парогенератор, то есть его теплота используется для выработки электроэнергии в этом контуре (рис.5). КПД комбинированной установки такого типа повышается на 10 % по сравнению с режимом автономной работы ГТУ. [4]
Аналогичные тепловые схемы разработаны для установок с газопоршневыми агрегатами (ГПА). В этом варианте тепловой схемы в комбинированной установке используется не только теплота выхлопных газов, но и теплота системы охлаждения двигателя (рис.6) [4].
Рис.6. Схема комбинированной энергетической установки, включающей ГПА, паровой котёл-утилизатор, противодавленческую турбину и бутановый контур [4]: БТ - бутановая турбина; ПТ - паровая турбина; ПКУ - паровой котел утилизатор; ПП - потребитель пара; Т - теплофикация; Г - генератор; ВК - воздушный конденсатор; ЦН - циркуляционный насос; И - инжектор; КНБ - конденсатный насос бутана; КНВ - конденсационный насос воды; ПБ - подогреватель бутана; ИБ(ВД) - испаритель бутана высокого давления; ИБ(НД) - испаритель бутана низкого давления.
СОВРЕМЕННЫЕ НИЗКОКИПЯЩИЕ РАБОЧИЕ ТЕЛА
В соответствии с Монреальским протоколом, подписанным странами ООН и Россией в том числе, запрещено производить опасные для озонового слоя Земли вещества. Таковыми являются хладоны, относящиеся к группе Хлор-Фтор-Углеродов (ХФУ). Например, R11 (CFCl3), R12 (CF2Cl2). Их заменяют новыми более безопасными для окружающей среды низкокипящими рабочими телами (НРТ). Данные об используемых в промышленности современных хладонах приведены в таблице 6 [5].
Таблица 6. Некоторые характеристики используемых в современной промышленности хладонов [5]
| Вещество | Химическая формула | Температура кипения, °C | Параметры в критической точке, °C / МПа |
| Метан (R-1) | CH4 | -161.6 | -82.30 / 4.60 |
| R-14 | CF4 | -127.8 | -45.65 / 3.74 |
| Этилен | С2H4 | -103.7 | 9.20 / 5.04 |
| R-125 | CHF2CF3 | -48.1 | 67.70 / 3.39 |
| Пропилен | СН2=СН-СН3 | -47.6 | 92.00 / 4.60 |
| Пропан (R-290a) | C3H8 | -42.09 | 96.84 / 4.24 |
| R-22 | CHF2Cl | -40.85 | 96.13 / 4.98 |
| Аммиак (R-717) | NH3 | -33.34 | 132.25 / 11.43 |
| R-134a | CF3CFH2 | -26.1 | 101.10 / 4.07 |
| R-227еа | CF3CFHCF | -18.0 | 103.50 / 2.95 |
| Изобутан (R-600a) | (СН3)3СН | -11.7 | 135.00 / 3.65 |
| R-318 | C4F8 | -6.0 | 115.22 / 2.78 |
| R-123 | CHCl2CF3 | 27.8 | 183.70 / 3.56 |
| R-141b | CH3CFCl2 | 32.05 | 210.20 / 4.64 |
| R-114b2 | CF2BrCF2Br | 47.3 | 214.15 / 3.36 |
| R-10 | CCl4 | 76.75 | 283.20 / 4.5 |
К настоящему времени существует несколько сотен хладонов, и всё их многообразие можно классифицировать по следующим признакам:
·Происхождение НРТ
-Природное;
-Синтезированное.
·Состав
-«Чистое»;
-Смесовое.
·Воздействие на озоновый слой (ODR)
-НРТ c высокой озоноразрушающей активностью;
-НРТ c низкой озоноразрушающей активностью;
-НРТ c нулевой озоноразрушающей активностью (не содержащие Cl).
·Принадлежность к группе парниковых газов GWP;
·Состав атомов в молекуле
-HC;
-HFC;
-HCFC;
-FC.
·Параметры в критической точке. [2].
тепло электроэнергия газопоршневой контур
ВЫВОДЫ
Российскими инженерами наработано множество проектов электростанций, использующих низкокипящие рабочие тела. Уже проведено достаточное количество расчетов, позволяющих эффективно использовать низкопотенциальное тепло. Передовые в этой области компании, такие как ООО «Комтек-Энергосервис» [4], ОАО «Сумское НПО им. М.В. Фрунзе» [6], успешно внедряют данные технологии в российскую промышленность.
Энергетические установки, соответствующие показанным схемам, перспективно могут быть использованы для геотермальных электрических станций и в промышленном секторе (утилизация сбросного тепла промышленных предприятий). С экологической точки зрения наиболее перспективными являются НРТ, имеющие природное происхождение.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Основные положения энергетической стратегии России на период до 2020 года. М.: Минэнерго РФ, 2001.
Сапожников М.Б., Тимошенко Н.И. Электрические станции на низкокипящих рабочих телах // Теплоэнергетика. 2005. № 3. С. 73-74, 75-75.
Сапожников М.Б., Тимошенко Н.И. Предельная эффективность электрических станций на низкокипящих рабочих телах // Теплоэнергетика. 2005. № 4. С. 68.
Гринман М.И., Фомин В.А. Перспективы применения энергетических установок с низкокипящими рабочими телами // Всероссийская научно-практическая конференция «Реконструкция энергетики - 2009». С-Пб. 2009.
Маркон-Холод [Электронный ресурс] : Каталог. - Электрон. дан. - С-Пб. URL: (дата обращения 03.05.2010).
Бухолдин Ю.С. и др. Низкотемпературная радиально-осевая турбина для утилизационной энергоустановки / Бухолдин Ю.С., Зинченко Ю., Левашов В.А., Сидоренко Д. // Газотурбинные технологии. 2008. №3. С. 14-18.