KASKADOWE UKŁADY OBIEGÓW CIEPLNYCH W MIKROKOGENERACJI

Transkrypt

1 POZNAN UNIVE RSIY OF E CNOLOGY ACADE MIC JOURNALS No Electrical Engineering 0 Robert WRÓBLEWSKI* KASKADOWE UKŁADY OBIEGÓW CIEPLNYC W MIKROKOGENERACJI Obecnie w mikrogeneracji i małej generacji rozroszonej wykorzystuje się jednostki wytwórcze oarte o tłokowe silniki salinowe i turbiny gazowe, w których entalię fizyczną gorących gazów salinowych wykorzystuje się w wymiennikach zasilających system CO. Ponieważ gazy salinowe mają temeraturę znacznie wyższą od temeratury czynnika grzewczego w instalacjach CO, istnieje możliwość zbudowania kaskady urządzeń wytwórczych. W artykule rzedstawiono analizę energetyczną układów technologicznych wytwarzania energii elektrycznej i cieła złożonych z kaskadowo ołączonych obiegów cielnych. Zastosowanie układów kaskadowych owoduje zwiększenie srawności wytwarzania energii elektrycznej rzy ciągle wysokiej srawności energetycznej układu technologicznego.. WSĘP Rozwój cywilizacji jest związany ze stałym wzrostem zużycia energii, która jest niezbędna do rozwoju gosodarczego i sołecznego ludzkości. Przeważająca część zużywanej energii jest wytwarzana z aliw koalnych w konwencjonalnych elektrowniach arowych ze stosunkowo małą srawnością rocesu. Powoduje to wzrost koncentracji CO w atmosferze i rzez to wzrost efektu cielarnianego. Jednym z argumentów za jak najbardziej efektywnym wykorzystaniem aliw koalnych są ograniczone ich zasoby oraz wzrastające koszty wydobycia. Powoduje to ciągły wzrost cen aliw koalnych, a co za tym idzie również wzrost cen energii elektrycznej i cieła. Zwiększenie efektywności wykorzystania aliw może zostać osiągnięte orzez udoskonalanie technologii energetycznych, wykorzystujących aliwa koalne oraz coraz szersze wrowadzanie kogeneracji jako wysokosrawnego rocesu, rowadzące do wzrostu srawności wykorzystania energii chemicznej aliw ierwotnych. Wytwarzanie energii elektrycznej w dużych elektrowniach systemowych jest obarczone koniecznością rzesyłania energii elektrycznej na znaczne odległości co wiąże się z owstawaniem strat rzesyłu. Podobnie sytuacja wygląda w rzyadku wytwarzania cieła w dużych ciełowniach i elektrociełowniach gdzie rozległe sieci ciełociągów również generują straty. Rozwiązaniem nie osiadających * Politechnika Poznańska.

2 0 Robert Wróblewski wyżej wymienionych wad jest zastosowanie generacji rozroszonej, zwłaszcza mikro i małej generacji, gdzie wytworzona energia elektryczna jest zużywana lokalnie na miejscu lub rzesyłana na bardzo małe odległości co owoduje raktyczne wyeliminowanie strat rzesyłu. Układy mikro- i małej kogeneracji cechują się onadto wysoką srawnością wykorzystania energii chemicznej aliwa.. UKŁADY MIKRO I MAŁEJ KOGENERACJI Najczęściej stosowanymi urządzeniami kogeneracyjnymi w układach mikro i małej kogeneracji są układy z silnikami tłokowymi i turbinami gazowymi. [] W rzyadku układów z turbinami gazowymi wykorzystuje się gorące gazy salinowe do rodukcji cieła użytkowego w wymiennikach ciełowniczych. W układach z silnikami salinowymi źródłem cieła są gorące gazy salinowe, ciecz chłodząca łaszcz wodny silnika oraz wymiennik chłodzenia oleju smarnego. Układy te cechują się stosunkowo wysoką srawnością wykorzystania energii chemicznej aliwa niemniej rosnące z roku na rok ceny nośników energii owodują, że dąży się do uzyskania maksymalnie wysokiej srawności wytwarzania zarówno energii elektrycznej jak i cieła. W rzyadku turbin gazowych jak i silników tłokowych gazy salinowe maja znacznie wyższą temeraturę niż ta wymagana w instalacjach grzewczych. Daje to możliwość wykorzystania energii gorących gazów salinowych w jako górnego źródło obiegu z czynnikiem organicznym (ORC organic Rankine a cycle). Schemat obiegu ORC rzedstawiono na rysunku. Jest on dokładnie taki sam jak schemat układu z turbiną arową. Różnica olega na tym, że zamiast czynnika w ostaci ary wodnej i wody w obiegu wykorzystuje się czynnik organiczny. Istnieje wiele czynników, które ze względu na zakres ciśnień być otencjalnymi czynnikami roboczymi. Należy jednak odkreślić, że substancje te były oracowywane rzede wszystkim do zastosowań w obiegach lewobieżnych (chłodniczych). h Pressure [bar] emerature [ C] h Enthaly [kj/kg] Mass flow [kg/s] b Boiler efficiency [%] P Pow er [kw] Isentroic efficiency [%] Mechanical*Electrical eff. [%] eat outut [kw] Electrical Pow er [kw] Mechanical Pow er [kw] Low end tem. diff. [K] igh end tem. diff. [K] E,in Energy inut [kw] ransmitted heat flow [kw] b 00 % E,in. kw P -. kw 0 % l. % 0. kw % K.00 K. kw kw % kw P -. kw 0 % l % Rys.. Schemat technologiczny zamodelowanego obiegu ORC

3 Kaskadowe układy obiegów cielnych w mikrokogeneracji Rys.. Wykres temeratury w funkcji entroi dla obiegu ORC (czynnik roboczy toluen) [] h Pressure [bar] emerature [ C] h Enthaly [kj/kg] Mass flow [kg/s] b Boiler efficiency [%] P Pow er [kw] Isentroic efficiency [%] Mechanical*Electrical eff. [%] eat outut [kw] Electrical Pow er [kw] Mechanical Pow er [kw] Low end tem. diff. [K] igh end tem. diff. [K] E,in Energy inut [kw] ransmitted heat flow [kw] b 00 % E,in. kw kw kw % 0.00 K. K. kw.00 K.00 K. kw kw % P -. kw 0 % l. % P -. kw 0 % l. % Rys.. Schemat technologiczny zamodelowanego obiegu ORC z wymiennikiem regeneracyjnym Czynniki tyowo dedykowane do obiegów ORC są doiero oracowywane. Na rysunku rzedstawiono obieg termodynamiczny dla toluenu. Ze względu na to, że w obiegach ORC dla części czynników roces rozrężania kończy się w obszarze ary rzegrzanej (w rzyadku obiegów z czynnikiem w ostaci wody i ary wodnej roces rozrężania kończy się w obszarze ary mokrej) w celu orawy srawności obiegu stosuje się wymiennik regeneracyjny wykorzystujący cieło izobarycznego ochładzania czynnika do temeratury skralania. Schemat

4 Robert Wróblewski takiego układu rzedstawiono na rysunku (wymiennik regeneracyjny nr ). Na rysunku rzedstawiono wływ temeratury rzed turbiną dla czynnika w ostaci toluenu na srawność wytwarzania energii elektrycznej. Krzywe oznaczono Rys i Rys adekwatnie do schematów rzedstawionych na tych właśnie rysunkach. Z charakterystyki tej widać, że wymiennik regeneracyjny owoduje wzrost srawności wytwarzania energii elektrycznej, rzy czym rzyrost ten jest tym większy im większa jest temeratura czynnika roboczego. Rys.. Wływ temeratury czynnika (toluenu) rzed turbiną na srawność wytwarzania energii elektrycznej dla obiegu ORC rostego (Rys. ) i z wymiennikiem regeneracyjnym (Rys. ) Rys.. Wływ temeratury czynnika (toluenu) rzed turbiną na srawność wytwarzania cieła dla obiegu ORC rostego (Rys. ) i z wymiennikiem regeneracyjnym (Rys. ) Na rysunku rzedstawiono wływ temeratury czynnika (toluenu) rzed turbiną na srawność wytwarzania cieła dla rostego obiegu ORC i z wymiennikiem regeneracyjnym. Wzrostowi srawności wytwarzania energii elektrycznej towarzyszy obniżenie srawności wytwarzania cieła rzy jednocześnie wysokiej srawności energetycznej w całym badanym rzedziale.

5 Kaskadowe układy obiegów cielnych w mikrokogeneracji. MODELOWANIE UKŁADÓW KASKADOWYC W celach orównawczych zamodelowano mikroturbinę energetyczną firmy Castone C-0 racującą w układzie bloku siłowniano-ciełowniczego. Model tej turbiny rzedstawiono na rysunku. Układ składa się ze srężarki, () komory salania () i turbiny gazowej (). Srężarka i turbina są na wsólnym wale z generatorem. W układzie znajdują się też dwa wymienniki rekuerator wykorzystujący cieło salin do odgrzania owietrza rzed komora salania () oraz wymiennik ciełowniczy (). Model i obliczenia energetyczne wykonano rzy omocy rogramu Cycle-temo [] h Pressure [bar] emerature [ C] h Enthaly [kj/kg] Mass flow [kg/s] Electrical Pow er [kw]. reac.0 bar,reac -. kw Mechanical Pow er [kw] P Pow er [kw] Isentroic efficiency [%] Mechanical*Electrical eff. [%] Airfactor [-] reac Reaction ressure [bar],reac Reaction heat [kw] kw kw. % P -0. kw. % l % kw Rys.. Schemat obiegu cielnego turbiny gazowej z wymiennikiem ciełowniczym () Podobny model wykonano dla bloku kogeneracyjnego z silnikiem tłokowym (rysunek ). Układ wytwórczy składa się z turbiny gazowej będącej źródłem mocy mechanicznej w tym modelu oraz szeregu wymienników: układu chłodzenia oleju smarnego (), chłodzenia łaszcza wodnego (), wymiennik ciełowniczy saliny woda (0). Straty cieła do otoczenia uwzględniono modelując odowiedni układ z wymiennikiem. Zamodelowanie oszczególnych urządzeń ozwoliło na zbudowanie układów kaskadowych: turbina gazowa + obieg ORC oraz silnik tłokowy + obieg ORC. W rzyadku obu układów kaskadowych jako wariant zastosowano dodatkowy wymiennik ciełowniczy ekonomizer w którym wykorzystywano jeszcze cieło salin do rodukcji czynnika grzewczego. Określając arametry racy oszczególnych elementów układu, rogram korzystając z równań bilansowych wyznacza rzeływy w oszczególnych gałęziach. Jednym z efektów racy rogramu jakie otrzymujemy jest zestawienie wyników w ostaci tabeli zawierającej: srawności wytwarzania energii elektrycznej brutto i wytwarzania energii elektrycznej netto, srawność

6 Robert Wróblewski wytwarzania cieła oraz srawność całkowitą elektrociełowni, które można zaisać wzorami: srawność wytwarzania energii elektrycznej brutto: Pelbsc PelORC el () BQ srawność wytwarzania energii cielnej: srawność energetyczna układu: Oznaczenia: w Qc c BQ w () Pelbsc PelORC Qc en BQ w () Strumień aliwa [kg/s] moc elektryczna bloku siłowniano-ciełowniczego [kw] moc elektryczna turbiny ORC [kw] Moc cielna wymienników ciełowniczych [kw] Wartość oałowa aliwa [kj/kg] h Pressure [bar] emerature [ C] h Enthaly [kj/kg] Mass flow [kg/s] Electrical Pow er [kw] eat outut [kw] ransmitted heat flow [kw] kw 0.00 kw 0. kw.0 kw Rys.. Zastęczy model agregatu kogeneracyjnego z silnikiem tłokowym

7 Kaskadowe układy obiegów cielnych w mikrokogeneracji h Pressure [bar] emerature [ C] h Enthaly [kj/kg] Mass flow [kg/s] Electrical Pow er [kw] Airfactor [-] reac Reaction ressure [bar],reac Reaction heat [kw] eat outut [kw].0 kw reac.0 bar,reac -. kw P -0. kw. % l % kw 0.00 K. K. kw K. K.00 kw. kw % 0.00 K 0.0 K.0 kw 0.00 K.00 K. kw. kw % Rys.. Schemat układu kaskadowego złożonego z turbiny gazowej i obiegu ORC z dodatkowym wymiennikiem (ekonomizer ) 0.00 kw 0 h Pressure [bar] emerature [ C] h Enthaly [kj/kg] Mass f low [kg/s] Electrical Pow er [kw] Mechanical Pow er [kw] eat outut [kw] Low end tem. diff. [K] igh end tem. diff. [K] ransmitted heat flow [kw]. kw K. K.00 kw 0.00 K 0.0 K. kw kw 0. kw % 0.00 K.0 K. kw. kw %.00 K.00 K.0 kw 0.0 kw Rys.. Schemat układu kaskadowego złożonego z silnika tokowego ZI i obiegu ORC z dodatkowym wymiennikiem (ekonomizer )

8 Robert Wróblewski Wyniki efektywności energetycznej oszczególnych układów elektrociełowni rzedstawiono w tabeli. oraz na wykresie na rysunku 0. Na stwierdzić, że zastosowanie układów kaskadowych znacząco odnosi srawność wytwarzania energii elektrycznej, rzy ciągle wysokiej srawności energetycznej. abela.. Wyniki analizy energetycznej badanych układów kogeneracyjnych Urządzenia wytwórcze Srawność wytwarzania energii elektrycznej ( el) Srawność wytwarzania cieła ( c) Srawność energetyczna ( ec) [%] [%] [%] urbina gazowa (G) racująca w obiegu rostym,,, G +ORC,,, G+ORC+ekonomozer,,,0 Miniblok elektrociełowniczy z silnikiem tłokowym (BSC),, 0, BSC +ORC,0,, BSG+ORC+ekonomozer,0, 0, Rys. 0. Wyniki analizy energetycznej badanych układów kogeneracyjnych. WNIOSKI Instalacje stosowane w generacji rozroszonej osiągają obecnie orównywalne srawności wytwarzania energii elektrycznej z dużymi źródłami systemowymi. Wymagają jednak najczęściej zastosowania droższych aliw gazowych, lub ciekłych co częściowo rekomensowane jest orzez uniknięcie znacznych kosztów rzesyłu i dystrybucji.

9 Kaskadowe układy obiegów cielnych w mikrokogeneracji W artykule rzedstawiono koncecję modelownia układów kogeneracyjnych racujących w układzie kaskadowym z układem ORC. Zamodelowany układ elektrociełowni gazowej racującej w obiegu rostym charakteryzuje się srawnością wytwarzania energii elektrycznej na oziomie,%, srawnością wytwarzania cieła,% i srawnością całkowitą na oziomie,%. Wykorzystanie gazów salinowych z miktorurbiny do zasilania układu ORC owoduje wzrost srawności wytwarzania energii elektrycznej o.. Układ bez ekonomizera ma jednak niższą srawność energetyczną niż sama turbina gazowa. Zastosowanie dodatkowego wymiennika salin w takim układzie ozwala na wyrodukowanie dodatkowej ilości cieła i zwiększa wartość srawności wytwarzania cieła o ok.. (raktycznie do wartości srawności energetycznej bloku kogeneracyjnego z turbiną gazową. W rzyadku minibloku elektrociełownianego z silnikiem tłokowym uzyskano nastęujące srawności: srawność wytwarzania energii elektrycznej,%, srawność wytwarzania cieła,% i srawność całkowita na oziomie 0%. Zastosowanie w tym rzyadku układu kaskadowego z obiegiem ORC owoduje wzrost srawności wytwarzania energii elektrycznej o ok... Zastosowanie dodatkowego ekonomizera owoduje wzrost srawności wytwarzania cieła o niecałe.. Przerowadzona analiza energetyczna układów kaskadowych okazała, że stosowane układów kaskadowych z obiegiem ORC ozwala na znaczne zwiększenie srawności wytwarzania energii elektrycznej. LIERAURA [] Skorek Janusz, Kalina Jacek: Gazowe układy kogeneracyjne, WN, Warszawa 00. [] Cycle-emo.0 manual. U Delft. [] FluidPro rogram do obliczeń termodynamicznych właściwości czynników CASCADE EA FLOW IN MICRO-COGENERAION SYSEMS Currently in small distributed generation and microgeneration are used manufacturing units based on iston internal combustion engines and gas turbines, in which hysical enthaly of hot exhaust gases is used in exchangers sulying of co system. Because the exhaust gases have temerature much higher than the temerature of heating agent in the Central eating, it is ossible to build a cascade of manufacturing equiment. he article gives an energy analysis of the technological systems generating electricity and heat consisting of cascade connected thermal circuits. Alication of cascade systems increases the efficiency of electricity generation at the still high energy efficiency.