Systemy ORC oparte na biogazie

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Systemy ORC oparte na biogazie"

Wacława Murawska
8 lat temu
Przeglądów:

1 V BAŁTYCKIE FORUM BIOGAZU Systemy ORC oparte na biogazie P. Lampart, M. Szymaniak, S. Bykuć, P. Klonowicz Ł.Jędrzejewski, Ł. Witanowski, J. Surwiło, D. Stępniak, T. Suchocki Instytut Maszyn Przepływowych PAN Gdańsk, czerwca 2015

2 BIOGAZOWNIE Źródło: BV Host MOŻLIWOŚCI ZINTEGROWANE UKŁADY PRODUKCJI ENERGII ELEKTRYCZNEJ I CIEPLNEJ, KOGENERACJA W MIEJSCU ZAPOTRZEBOWANIA NA CIEPŁO, OCZYSZCZANIE BIOGAZU I ZATŁACZANIE DO SIECI BIOGAZOWEJ

3 KOGENERACJA W BIOGAZOWNI Zalety silnika: Schemat obiegu kogeneracyjnego tłokowego silnika spalinowego wysoka sprawność produkcji energii elektrycznej w szerokim mocy, w tym także podczas pracy w obszarze obciążeń częściowych, możliwość szybkiego uruchomienia i uzyskania obciążenia nominalnego, możliwość pracy w miejscach oddalonych od linii przesyłowych i w charakterze zasilania awaryjnego, duża różnorodność stosowanych paliw, stosunkowo niskie nakłady inwestycyjne.

KOGENERACJA W OPARCIU O SILNIKI SPALINOWE Zasilanie silnika ZI biogazem i syngazem - Opracowanie map zapłonu silnika ZI przy zasilaniu biogazem i syngazem - Badania sprawności energetycznej i

4 KOGENERACJA W OPARCIU O SILNIKI SPALINOWE Zasilanie silnika ZI biogazem i syngazem - Opracowanie map zapłonu silnika ZI przy zasilaniu biogazem i syngazem - Badania sprawności energetycznej i emisyjności przy zasilaniu biogazem i syngazem - Badania numeryczne procesów spalania Instalacja mieszania gazów technicznyc Zmienność stopnia otwarcia przepustnic w zależności od trybu pracy przy różnych rodzajach paliwa zasilającego Instalacja silników spalinowych

5 Kogeneracja w oparciu o mikroturbiny gazowe Zalety / wady układów z turbiną gazową: - długi czas eksploatacji, - nie wymagają częstych usług dla podtrzymania eksploatacji, - możliwość szybkiego uruchomienia do uzyskania obciążenia nominalnego, - sprawność o kilka punktów procentowych niższa niż dla silników spalinowych, - wysokie koszty inwestycyjne Źródło: Capstone

łączący kompresor z rekuperatorem, 5 kompresor, 6 turbina, 7

6 Stanowsko badawcze z mikroturbiną biogazową TURBEC T100 Schemat Turbec T100; 1- generator, 2 wlot powietrza, 3 komora spalania, 4 rurociąg łączący kompresor z rekuperatorem, 5 kompresor, 6 turbina, 7 rekuperator, 8 spaliny, 9 wymiennik ciepła spaliny/woda, 10 wylot spalin, 11 wylot wody

Stanowsko badawcze z mikroturbiną biogazową TURBEC T100 Turbina biogazowa Turbec T100 Kompresor biogazowy ADICOMP Schemat instalacji biogazowej zasilającej turbinę Turbec T100.

7 Stanowsko badawcze z mikroturbiną biogazową TURBEC T100 Turbina biogazowa Turbec T100 Kompresor biogazowy ADICOMP Schemat instalacji biogazowej zasilającej turbinę Turbec T linia gazowa GZ50 zasilająca inne instalacje, butle gazowe dwutlenek węgla, azot, 5-8,11,13-14,16,18,23,26,32-33,37 zawory reczne, ZSZ, elektrozawory, 9-10,15,19 filtry gazów, 20-21, zbiorniki buforowe, 22,24-25,31 przepływomierze gazu, 17 podgrzewacz gazu, 30 mieszalnik biogazowy, 27 stacja niskiego ciśnienia GZ50, 34- sprężarka biogazu ADICOMP, 35 zawór iglicowy, 36 Turbec T100.

8 Badania eksperymentalne Turbec T100 Zawart ość N 2 [%] Wartość opałowa [MJ/m 3 ] 0 36, , , , , , , , ,816 Wykres sprawności w funkcji mocy turbozespołu Wykres współczynnika nadmiaru powietrza w funkcji mocy turbozespołu gdzie: - sprawność elektryczna turbozespołu [%], - moc elektryczna turbozespołu [W], strumień masy paliwa [kg/s], - wartość opałowa paliwa [J/kg].

9 Badania eksperymentalne Turbec T100 CO ppm NO ppm Biogaz CH4- N2 Biogaz CH4- CO2

niskotemperaturowego Nadbudowa układu podstawowego;

10 ORC (ORGANIC RANKINE CYCLE) Schemat siłowni ORC Podstawowy układ generacji mocy; Wykorzystanie ciepła wysoko i niskotemperaturowego Nadbudowa układu podstawowego; Wykorzystanie ciepła odpadowego Podkrytyczny obieg ORC z czynnikiem suchym i mokrym

CZYNNIKI ROBOCZE UKŁADU ORC Czynnik powinien być tani, łatwo dostępny, łatwy w transporcie Nietoksyczny; wskazane, aby posiadał woń Czynnik powinien wykazywać stabilność chemiczną w pełnym zakresie

11 CZYNNIKI ROBOCZE UKŁADU ORC Czynnik powinien być tani, łatwo dostępny, łatwy w transporcie Nietoksyczny; wskazane, aby posiadał woń Czynnik powinien wykazywać stabilność chemiczną w pełnym zakresie temperatur pracy Niekorodujący i kompatybilny z elementami konstrukcyjnym Czynnik powinien mieć wysoką wartość współczynnika przejmowania ciepła Lepkość powinna być mała, aby nie powodować dodatkowych spadków ciśnienia w układzie Temperatura punktu potrójnego czynnika powinna być odpowiednio mniejsza do spodziewanej minimalnej temperatury w obiegu natomiast temperatura krytyczna powinna być odpowiednio wyższa do najwyższej temperatury czynnika w obiegu (przy założeniu, że rozważany jest obieg podkrytyczny) Jest wskazane, aby czynnik był pozbawiony wybuchowości, był niepalny, o zerowej wartości ODP i niskiej wartości GWP, zaś instalacja pracująca z tym czynnikiem powinna charakteryzować się jak najniższą wartością wskaźnika TEWI (czyli urządzenie pracujące z tym czynnikiem powinna cechować wysoka efektywność energetyczna) Sprawności i moc siłowni ORC z naturalnymi czynnikami suchymi i mokrymi (temperatura pary na wlocie do turbiny T 1 =90 C, Q=1 MW) A. Borsukiewicz-Gozdur

Nadbudowa układu podstawowego generacji energii elektrycznej w biogazowni układem ORC i wykorzystanie dostępnego ciepła odpadowego Podstawową jednostką jest silnik spalinowy gazowy.

12 Nadbudowa układu podstawowego generacji energii elektrycznej w biogazowni układem ORC i wykorzystanie dostępnego ciepła odpadowego Podstawową jednostką jest silnik spalinowy gazowy. Drugim układem generacyjnym jest układ parowy ORC. Poprzez termoolejowy kocioł odzysknicowy układ ORC wykorzystuje ciepło spalin z silnika. Z kolei ciepło z układu chłodzenia silnika wykorzystywane jest na potrzeby ciepłownicze. Czynnikiem pośrednim transportującym ciepło spalin do układu ORC jest olej termalny wysokotemperaturowy Veco 5HT. Czynnikiem roboczym w instalacji ORC jest SES36. Układ parowo/gazowy posiada wysoką sprawność produkcji energii elektrycznej na poziomie ok. 50% oraz wysoką sprawność kogeneracyjną na poziomie ok. 70%.

13 układ gazowo/parowy w IMPPAN wariant 1 Spaliny: temperatura wlot/wylot 480 o C/120 o C, maksymalna moc cieplna 300 kw, Obieg oleju termalnego: pętla temperaturowa 190ºC/110ºC (parametry maksymalne) Obieg czynnika roboczego (SES36): maksymalne ciśnienie, temperatura 16 bar, 150 ºC, ciśnienie i temperatura w kondensatorze 1.5 bar, 60ºC, przepływ maksymalny 1,16 kg/s, moc elektryczna maksymalna 40kW, moc cieplna w skraplaczu maksymalna 220kW.

14 układ gazowo/parowy w IMPPAN wariant 2 Zestawienie mocy dla analizowaych nwariantów Wriant I Wariant II Wariant III Moc elektryczna 698 kw 693 kw 688 kw Moc cieplna użytkowa 1175 kw 1184 kw 1188 kw Wskaźnik kogeneracji 0,594 0,585 0,579 Wskaźnik nadwyżki mocy elektrycznej 1,074 1,066 1,058 Sprawność układu ORC 17%

38 MWe, - układ oleju termalnego jako układ odbierający ciepło spalin, -

15 Układ kogeneracyjny gazowo/parowy ORC Główne elementy instalacji pilotażowej: - silnik spalinowy o mocy elektrycznej 0.38 MWe, - układ oleju termalnego jako układ odbierający ciepło spalin, - układ siłowni ORC o mocy elektrycznej 0.03 MWe), przyłączenie do sieci energetycznej i ciepłowniczej

16 Układ kogeneracyjny gazowo/parowy ORC Silnik spalinowy 400 kwe - silnik 12 cylindrowy na gazie ziemnym ma 400kW. - wymiennik spalin 110/70 - moc elektryczna max 420kW - moc cieplna ze spalin 288kW - moc cieplna z bloku silnika, z oleju - 236kW - Sprawność przy gazie ziemnym - 40% el, 49% term Wymiennik do odzysku ciepła spalin 250 kwc

17 Układ kogeneracyjny gazowo/parowy ORC ORC - Nominalne parametry pracy Moc elektryczna netto: 32 kwe Moc elektryczna brutto: 40 kwe Sprawność elektryczna netto: 13% Sprawność całkowita 95% Źródło ciepła Medium: olej termalny, Veco 5HT Moc cieplna: 315 kwc temperatury dolot/wylot: 170 C/110 C Źródło chłodu 40% glikol Moc chłodnicza wymagana: 265 kwc temperatury dolot/wylot: 35 C/55 C Innowacyjność Nadbudowa silnika instalacją ORC Wysoka sprawność produkcji energii elektrycznej Nowa konstrukcja turbiny promieniowo-osiowej ORC Wysoki potencjał rynkowy Układ ORC (SES36)

Turbina 40 kwe na czynnik roboczy SES36 wydatek masowy 1,162 kg/s, spadek ciśnienia z 14.64 do 2.20 bara, prędkość obrotowa 15000 obr/min.

18 Turbina 40 kwe na czynnik roboczy SES36 wydatek masowy 1,162 kg/s, spadek ciśnienia z do 2.20 bara, prędkość obrotowa obr/min. Geometria turbiny oraz wektory pola prędkości w kierownicy i wirniku w połowie szerokości kanału. Ekspander silnik pneumatyczny z wirującymi tłokami, w kapsule hermetycznej, obroty: 3000 rpm, łożyska: kulkowe z membraną ciśnieniową, smarowane wtryskiem oleju w obszarze czynnika roboczego.

20 PODSUMOWANIE Wysokosprawna kogeneracja energii elektrycznej i ciepła jest uwarunkowana realnym zapotrzebowaniem na ciepło. Nadbudowa układu podstawowego generacji energii elektrycznej w biogazowni układem ORC i wykorzystanie dostępnego ciepła odpadowego pozwala na podniesienie sprawności produkcji energii elektrycznej o kolejne 10%.

SIŁOWNIA ORC 100 kw w IMP PAN Kocioł podgrzewający olej termalny źródło ciepła układu ORC Fotografia układu strumienicowego produkcji chłodu Układ ORC na Hali A Obieg oleju termalnego Therminol66:

21 SIŁOWNIA ORC 100 kw w IMP PAN Kocioł podgrzewający olej termalny źródło ciepła układu ORC Fotografia układu strumienicowego produkcji chłodu Układ ORC na Hali A Obieg oleju termalnego Therminol66: -pętla wysokotemperaturowa 310 o C/250 o C Obieg czynnika roboczego MDM -turbina od 12 bar/285 o C do 0.17 bar/230 o C -rekuperator para czynnika 230/120 o C, ciecz 90/190 o C - parownik o C - kondensator - 90 o C - woda ciepła - 85 o C/65 o C,

22 Turbogeneratory ORC - 100KWe Innowacyjność turbogenerator klasyczny, hybrydowe łożyska smarowane olejem, turbina osiowa wielostopniowa, obr/min częściowe zasilanie turbogenerator hermetyczny, hybrydowe łożyska smarowane czynnikiem, magnetyczne łożysko oporowe turbina promieniowa obr/min turbina osiowa wielostopniowa turbina promieniowa jednostopniowa

Macha Obliczenia wytrzymałościowe stalowego wirnika

23 TURBINA PROMIENIOWA ORC 100 kw Turbogenerator hermetyczny Rozkład ciśnienia statycznego i liczby Macha Obliczenia wytrzymałościowe stalowego wirnika turbiny promieniowej z bandażowanymi i wolnonośnymi łopatkami

Tesli Model 3D mikroturbiny Tesli Sprawność

24 BADANIA WIELODYSKOWEJ MIKROTURBINY CIEPLNEJ TESLI Fragment obszaru obliczeniowego modelu turbiny Tesli Model 3D mikroturbiny Tesli Sprawność izentropowa modelu: 20-40% Linie prądu oraz kontury prędkości

Podobne dokumenty

UKŁAD GAZOWO/PAROWY ORC DLA BIOGAZOWNI ROLNICZEJ

Konferencja: IV Bałtyckie Forum Biogazu UKŁAD GAZOWO/PAROWY ORC DLA BIOGAZOWNI ROLNICZEJ Piotr Lampart, Sebastian Bykuć Instytut Maszyn Przepływowych PAN Gdańsk, 11-12 września 2014 Źródło: Centrum Elektroniki