Подбор смесевого хладагента для установки выработки электроэнергии с использованием низкопотенциальных вторичных энергоресурсов

А.И. Лунин, к.т.н., доцент, Д.А.  Аксенов ,вед. спец., Р.О. Кондратенко, А.Э. Малышев, инженеры

Москва, НИУ «МЭИ», Красноказарменная улица, 14

E-mail: alunin49@mail.ru;ruslan1502@rambler.ru

Задача повышения энергетической эффективности промышленных и коммунальных предприятий  и их энергосбережения связана с максимальным использованием топливно-энергетических ресурсов (ТЭР), что без решения задачи утилизации вторичных энергоресурсов (ВЭР) достигнуть невозможно. Это связано с использованием излишков тепла, то есть ВЭР, которые в настоящее время выбрасываются в атмосферу, засоряя ее остатками горения и тепла, не принося никакой пользы. В последние 15…20 лет многое сделано для практического решения этой проблемы. Были выявлены основные направления, где могут применяться вторичные энергоресурсы, а так же методы их использования. В работах [1 – 6] показаны различные способы использования ВЭР для выработки электроэнергии.

Вторичные энергетические ресурсы (ВЭР) — это энергия различных видов, покидающая технологический процесс или установку, использование которой не является обязательным для осуществления основного технологического процесса. Экономически она представляет собой побочную продукцию, которая при соответствующем уровне развития техники может быть частично или полностью использована для нужд новой технологии или энергоснабжения других агрегатов (процессов) на самом предприятии или за его пределами.

В настоящее время особенно велики потери теплоты на электростанциях, в металлургической, химической, нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности, в сельском хозяйстве.

Особенно важно в настоящее время уделять внимание на использование низко потенциального тепла отходящих газов и технологических потоков с температурами от 170 °С и вплоть до 40…50 °С.

В работах [7 – 11] представлены результаты разработки и создания опытной установки использования вторичных энергоресурсов для выработки электроэнергии. Принципиальная схема этой установки показана на рис. 1.

Рис. 1. Принципиальная схема установки использования низко потенциальных вторичных энергоресурсов для выработки электроэнергии:

ТО – теплообменники; ГТ – газовая турбина; ЭГ – электрогенератор; Км.х. – компрессор холодильной машины; КДхм – конденсатор холодильной машины; Др – дроссель; НЖ – насос жидкостной.

Внешний вид установки представлен на рисунке 2.

Рис. 2. Внешний вид экспериментальной установки по использованию вторичных энергоресурсов для выработки электроэнергии.

Целью данной работы является подбор и испытание рабочего тела для установки, работающей на низко потенциальных вторичных энергоресурсах. В качестве имитатора вторичных энергоресурсов в установке используется нагревательный водяной котел.

Особенностью такой установки служит использование смесевых рабочих тел как в основном контуре, так и в контуре холодильной машины, которая нужна для того, чтобы рабочее тело перед жидкостным насосом находилось в состоянии охлажденной жидкости, что обеспечит работу жидкостного насоса без кавитации.

 Подбор смесевого рабочего тела основного контура и холодильной машины [12, 13] состоит в том, чтобы обеспечить условия:

• во-первых, состояния и перед и после расширительной машиной были перегретый пар (процесс 4-5 на рис. 3), что обеспечит ее надежную работу;
• во-вторых, состояние в точке 6 после воздушного конденсатора было насыщенной жидкостью;
• в-третьих, рабочее тело должно быть пажаровзрывобезопасным, в отличие от пентановых и бутановых установок;
• в-четвертых, давление рабочего тела перед расширительной машиной не должно превышать 20…25 атмосфер, что позволит отнести такие установки к установкам низкого давления.

Рис. 3. Диаграмма «температура – энтропия процесса в экспериментальной установке использования вторичных энергоресурсов для выработки электроэнергии.

В результате подобрано и испытано трехкомпонентное рабочее тело, используемое в данной установке. Оно является озонобезопасным и взрывопажаробезопасным. Давление перед расширительной машиной составило р₄ = 13,8 ата; температура перед расширительной машиной Т₄ = 125 °С.

Таким образом, разработана, создана и успешно испытана экспериментальная установка использования вторичных энергоресурсов для выработки электроэнергии. Созданы система электровозбуждения генератора и комплексная система автоматизации пуска и управления установкой.

Литература

1. Установка для выработки электрической и тепловой энергии. / М.И. Гринман, И.В.Сапаров, М.А. Готовский, О.П. Кректунов // Патент на полезную модель № 46046, 22.12.2004 г.
2. Гринман М.И., Казанцева С.Е., Кириллов А.И., Ходак Е.А., Рыхтер О.Л. Утилизация низкопотенциальной теплоты в бутановом цикле. Материалы V111 Всероссийсколй конференции по проблемам науки и высшей школы. 26-27 мая 2004 г., Санкт-Петербург.- СПб.: СпбГПУ, 2004. -394 с.
3. Гринман М.И. Применение турбин на низкопотенциальных теплоносителях в энергетике, промышленности и ЖКХ. Доклад на Х Белорусском энергетическом и экологическом конгрессе 5-6 октября 2005 г. Республика Беларусь, г . Минск
4. Энергоутилизационная установка с пентановым рабочим циклом. /Бухолдин Ю.С., Олефиренко В.М., Парафейник В.П. и др. // Газотурбинные технологии, янв.-февр., 2005, с. 10-12.
5. Утилизация сбросной теплоты ГПА в энергоустановках с низкокипящими рабочими телами. / Билека Б., Васильев Е., Избаш В. и др. // Газотурбинные технологии, сент.- окт. 2002, с. 6-10. 
6.  Аксенов Д.А. Поиск решений в области энергосбережения по применению тепловых машин для производства дополнительной электроэнергии из вторичных энергоресурсов / Институт проблем энергоэффективности.  (Рукописный отчет). – Москва, 2009.
7. Пономаренко И.С., Аксенов Д.А., Крупович Н.Н. и др. Новые технологии утилизации низкотемпературных вторичных энергоресурсов. // Промышленная энергетика. № 8, 2008 г. С. 6-10.
8. Кормилицын В.И., Аксенов Д.А., Пономаренко И.С. Повышение энергоэффективности при использовании вторичных топливно-энергетических ресурсов. // Энергосбережение и водоподготовка. № 1, 2011 г. С. 21 – 25.
9. Пономаренко И.С., Аксенов Д.А., А. Хасан, С. Шруф. Низкотемпературные системы для использования вторичных энергоресурсов для выработки электроэнергии. Материалы VI Междунар. науч.-технич. конф. «Вакуумная техника, материалы и технология» – «Копиринг», г. Москва, 2011 с.74 - 76.
10. Аксенов Д.А., Пономаренко И.С., Лунин А.И. Установка для выработки и использования электрической энергии. Патент РФ на полезную модель № 127819, 2013.
11. Кормилицын В.И., Аксенов Д.А., Пономаренко И.С., Лунин А.И. Комплексная энерготехнологическая линия по переработке бытовых, древесных, сельскохозяйственных и промышленных отходов. Патент РФ на полезную модель № 132866, 2013.
12.  Боярский М.Ю., Лунин А.И., Потапов Г.Г. Методика оптимизации дроссельных циклов на смесях для сложных тепловых нагрузок // Межотрасл. н.-технич. сб. “Высокотемпературная сверхпроводимость”, Вып. 3-4. ВИМИ, 1991.
13. Лунин А.И., Могорычный В.И., Коваленко В.Н. Применение многокомпонентных рабочих тел в низкотемпературной технике. Учебное пособие. – М.: Издательский дом МЭИ, 2009.