Orc система своими руками

Orc система своими руками

Что такое ОРЦ — Органический Цикл Ренкина.
Термодинамический цикл Ренкина преобразует тепло в работу. Тепло подается во внешне замкнутый цикл, который обычно использует воду в качестве рабочих жидкостей. Цикл Ренкина на водяной основе обеспечивает приблизительно 85% мирового производства электроэнергии. Атомные электростанции и ТЭЦ работают на цикле ОРЦ.

Кто придумал ОРЦ — Вильям Ренкин- William Rankine.
Цикл Ренкина носит имя Вильяма Джона Макуорна Ренкина (1820 — 1872), шотландского инженера и физика. Он был одним из основателей и внес огромный вклад в науку термодинамики. Ренкин разработал полную Теорию парового двигателя. Его учебниками по науке и технической практике, пользовались в течение многих десятилетий после их публикации в 1850 и 1860. Он опубликовал несколько сотен документов и записок по науке и технике. Ренкин был избран членом Королевского общества в 1853 году и стал профессором гражданского строительства и механики при университете Глазго в 1855 году. Его интересы были весьма разнообразны- в молодости это были ботаника, потом теория музыки и теория чисел, а позже самые основные отрасли науки — математики и инженерии.

Почему цикл именно «Органический»?
«Органичесикй»- это выражение, обычно используемое химиками для описания любых молекул, содержащих водород и углерод. В Органическом Цикле Ренкина используются химические испарения вместо пара, как оно используется в оригинале цикла, придуманном самим Вильямом Ренкиным. Химикаты или хладагенты, используемые в Органическом Цикле Ренкина включают фреон, бутан, пропан, аммиак, и новые, «экологически чистые», хладагенты. Для удобства они носят сокращенные названия – R123, R245.. Ниже видно какая разница существет между водой и хладагентами:
При атмосферном давлении вода кипит при 100С, фреон R123 при 27,8С, а фреон R245fa при 15,3С. (фреон R142b, который используем мы в своем опытном образце кипит при -8С, а при 80С имеет давление паров почти 13 бар)
Принцип Органического цикла Ренкина основывается на работе турбогенератора на основе паровой турбины для преобразования тепловой энергии в механическую и, наконец, в электрическую энергию с помощью электрического генератора. Вместо водяного пара в системе ORC испаряются органические жидкости, которые характеризуются более высокой, чем вода, молекулярной массой, что приводит к замедлению вращения турбины низкого давления и отсутствию разрушения металлических деталей и лопаток, что присуще паровым турбинам.

Демонстрация принципов ОЦР-системы смотрите в следующем видео:

Как это работает?
Три контура ОРЦГоворя простым языком, ОРЦ — это холодильник, который работает в обратном направлении. В оборудовании ОРЦ три контура. Рабочее тело одного контура несоприкасаеться с рабочим телом другово контура. Источник тепла в замкнутой цепи первого контура нагревает диатермическое масло до высокой температуры, как правило, около 300 ° C,
Извлечение тепла из масла произходит во втором закрытом контуре. В ORC тепло испаряется из рабочей жидкости в системе теплообменника (подогреватель и испаритель).
Органический пар, производя механическую энергию, расширяется в турбине и тем самым крутит ее лопасти. Турбина крутит генератор, в котором механическая энергия вращения преобразуется в электрическую энергию;
Пар затем охлаждается в третьем замкнутом контуре и конденсируется. Жидкая вода, прогретая до примерно 80 — 90 °С может используется для различных приложений, требующих тепла; Конденсированные органические жидкости закачивается обратно в регенератор, чтобы закрыть и перезапустить схему цикла.

Цикл ORC обладает высокой общей эффективностью использования энергии: 98% поступающего тепловой энергии в тепловом масле преобразуется в электрическую энергию (около 20%) и тепло (78%), с крайне ограниченными тепловыми утечками, только 2% в связи с тепловой изоляцией , и минимумом потерь в генераторе; Производители делают разное оборудование с разными показателями. Максимально возможно достижение около 24% электрической энергии.

Ниже приведены видеоролики конструкции и некоторых деталей нашего ORC-турбогенератора:

Предварительная сборка модуля ORC-системы:

В начале августа 2013г мы перевезли опытный образец ORC-системы на тестовую площадку, на которой имеется водогрейный твердотопливный котел подходящей мощности (100кВт), 3х фазная электрическая сеть на 380В, и станочный парк. Единственная проблема — отсутствие водопровода.
После сборки и монтажа трубопровода горячего водоснабжения ORC-системы столкнулись с проблемой воздушных пробок в корпусе котла, пришлось повозиться, что бы в итоге решить эту проблемы. Важность решения последней заключается в том, что при возникновении воздушной пробки работа циркуляционного насоса нарушается, и циркуляция теплоносителя останавливается.
Так как ORC-системе кроме подвода тепла нужно охлаждение, а централизованного водоснабжения нет, пришлось приобрести емкость 1м3 «еврокуб», и устроить циркуляцию охлаждающей воды через него.
Когда основные работы по установке и подключению системы были закончены, мы произвели первый запуск, который к сожалению закончился полной неудачей. Турбина даже не сдвинулась с места. Однако данный опыт сразу указал на несколько проблем.
В первую очередь возникла проблема с охлаждением, конденсатор просто не справлялся со своей непосредственной задачей, причиной чего стала недостаточная производительность циркуляционного насоса, причиной чего, в свою очередь оказалось недостаточное проходное сечение трубопроводов, вместо необходимых 2,5-3м3 в час, через систему охлаждения прокачивалось в лучшем случае 0,9-1м3 в час. В итоге был установлен и более мощный циркуляционный насос, и заменен трубопровод системы охлаждения, что в итоге дало требуемый результат.
Следующий запуск был более удачным, турбина закрутилась, хотя далеко не так, как хотелось бы. Видео этого испытания ниже:

На видео не совсем все хорошо видно, обороты турбины составили

1300 об/мин., напряжение на генераторе при этих оборотах составило

16В. Остальные параметры видны.
Данный запуск так же указал на несколько проблем. Охлаждающая вода достаточно быстро нагревается, поэтому придется делать что-то вроде градирни, иначе не получится обеспечить постоянную температуру воды на входе конденсатора в процессе работы ORC-системы.
Второй проблемой оказалась недостаточная производительность циркуляционного насоса испарителя. Циркуляционный насос на испарителе такой же, как и в системе охлаждения, и когда решили менять последний, то поменяли оба в итоге, на всякий случай. Поэтому проблема именно в сечении трубопровода. Это была моя ошибка еще на этапе проектирования. Сейчас буду менять трубопровод на подачу горячей воды, после чего будет произведен еще один запуск, который возможно позволит выявить еще какие-то неполадки и проблемы. Запуск будет производиться без дополнительного охлаждения охлаждающей воды.
И третьей проблемой оказался расходомер фреона. Из-за относительно большого диаметра трубы в месте измерения, и очень низкой скорости жидкого фреона в ней дифманометр ничего не показывает. Не зная массового расхода фреона невозможно посчитать КПД системы. Однако было принято решение заняться этой проблемой в последнюю очередь, сейчас нужно заставить систему выйти на расчетные обороты 10000-13000об/мин, и генерировать хотя бы 1,5-2кВт электрической мощности.

После нескольких испытаний были исправлены почти все грубые ошибки. Кроме вышеописанного оказалось, что тепловая мощность теплообменников была рассчитана некорректно, поэтому был полностью переделан испаритель и конденсатор, а так же все трубопроводы как для нагревающего теплоносителя, так и для охлаждающего. Металлическая труба была заменена на полипропиленовую трубу диаметром 40мм. На видео ниже показаны основные изменения:

На следующем видео продемонстрирована работа ORC-турбогенератора после вышеописанных изменений:

По этому видео нужно сделать несколько замечаний. Громкий звук возник из-за вибрации магнитной муфты, к сожалению, в процессе сборки полу-муфта, установленная на вал генератора немного деформировалась, из-за чего возник сильный дисбаланс. Это не большая проблема. В этом тесте холостые обороты доходили до 7000-8000 об. в мин, напряжение на генераторе составляло 85-94 вольта. Под нагрузкой обороты снижались почти в два раза, и составляли 3500-4000 об. в мин. К большому сожалению мне не удалось заснять все эти параметры, так как возникла очередная проблема с испарением тосола, которым заправлена система. Температура кипения тосола ниже, чем у воды, из-за чего и возникла данная проблема. В итоге тосол начал кипеть и испаряться через расширительный бак, что привело к сильному задымлению помещения. Однако этот опыт показал, что при обеспечении необходимых параметров нагрева и охлаждения система начинает выходить на свой рабочий (расчетный) режим работы. Хотя конкретно в этом тесте параметры хоть и были близки к расчетным, все же достаточно не дотягивали до них. Кроме прочего, на данный момент проблема с охлаждающей водой так и не решилась, поэтому в процессе работы температура охлаждающей воды постоянно растет. Так же пришлось полностью отказаться от использования расходомера для фреона. Однако понятно, что без знания расхода рабочего тела рассчитать КПД и другие параметры системы невозможно. Сейчас первоочередная задача заключается в обеспечении постоянных параметров подачи горячего и холодного теплоносителей, а так же обеспечение стабильной работы системы более менее продолжительное время. Только после этого станет вопрос о каких-либо расчетах. На следующем видео дан более полный обзор ORC-системы:

А так же несколько слов о перспективах развития данной модели ORC-турбогенератора:

Источник

Об ОЦР-технологииии

Что такое ОЦР или ORC технология? Если в энергетической установке в качестве рабочего тела используется не пар, как в традиционной паротурбинной технологии, а НРТ — низкокипящие рабочие тела, представляющие собой органические или синтетические вещества с низкой температурой кипения, то такая установка будет работать по органическому циклу Ренкина (Organic Rankine Cycle). ORC (или ОЦР) технология — это применение подобных систем для получения электроэнергии из различных источников тепла, таких как: горячие газы газотурбинных или газопоршневых двигателей, горячие газы технологичнских процессов, различные горячие жидкости, в том числе вода. Одним из распространённых НРТ является органическая жидкость пентан С₅Н₁₂ (отсюда второе название – «пентановая технология»). До температуры +36 ˚С (при атмосферном давлении) пентан находится в жидком состоянии, а после +36 ˚С переходит в газообразное состояние. Примерами других низкокипящих рабочих тел могут быть углеводороды (бутан, пропан), хладоны (R11, R123, R245fа), аммиак, толуол, дифенил, силиконовое масло, а также СО₂, при высоком давлении, или новое синтетическое вещество » Novec 649 «, разработка компании «3М», известной по брэнду «Скоч» и др. Последнее в отличие от пентана является негорючим, инертным, неэлектропроводным и экологичным.

Рассмотрим комплекс утилизации тепла выхлопных газов ГТУ на основе органического цикла Ренкина. Его схема представлена на рисунке. Основные её части – это термомасляный утилизационный котёл, турбодетандер с электрогенератором и различные теплообменные модули (испаритель, подогреватель, рекуператор и воздушный конденсатор). Выхлопные газы от ГТУ через переключающий шибер (дивертор) поступают в термомасляный котёл. Переключающий шибер, позволяет не останавливать работу газовой турбины в случае необходимости прекращения работы системы утилизации. В первичном контуре системы применяется термическое масло. Это вызвано тем, что большинство НРТ – горючие вещества, а температура выхлопных газов у современных ГТУ достигает 500 ˚С. Термомасло более устойчиво к высоким температурам. Температура термического масла на входе в утилизационный котёл в пределах 90÷130˚С, на выходе — 280÷315˚С. Нагретое масло передаёт тепло НРТ в подогревателе и испарителе. Здесь происходит процесс парообразования – из жидкого состояния органическая жидкость переходит в газообразное, и по трубопроводу направляется в турбодетандер. Расширяющийся газ в турбодетандере вращает генератор со скоростью 1500 об/мин, который вырабатывает электроэнергию. Отработавшее после турбины НРТ поступает в рекуператор и далее в воздушный конденсатор. После конденсатора оно насосами направляется в пароперегреватель, где подогревается до 220÷280˚С и затем снова направляется в турбину. В случае с использованием в основном контуре CO₂ на сверхкритических параметрах промежуточный термомасляный контур не требуется, CO₂ напрямую подаётся в котёл. По соображениям взрыво-пожаробезопасности обычно оборудование ORC установки размещается на открытом воздухе. Таким образом, в случае утечки рабочего вещества исключается образованиевзрывоопасной концентрации его паров.

На рисунках приведены харкатерные компоновки комплекса утилизации тепла выхлопных газов ГТУ на базе ОЦР технологии.

Сравнение ORC технологии с паротурбинной

Кроме основного оборудования, парового котла и паровой турбины в составе системы утилизации тепла на базе паротурбинной технологии много вспомогательного оборудования: охлаждающие устройства (градирни) для паровой турбины, деаэраторы, система водоподготовки, питательные, конденсатные и циркуляционные насосы. Всё это связано многочисленными трубопроводами: питательными, паропроводами, циркуляционными, конденсационными, химочищенной, сырой воды, технической воды. На всех этих трубопроводах установлено огромное количество регулирующей и запорной арматуры, как ручной, так и с электроприводом.

Чтобы подготовить к пуску основное оборудование, прогреть паропроводы требуется большое количество специалистов, т.к. все ручные задвижки, вентили, воздушники необходимо открыть, а после прогрева — закрыть. Подготовка к пуску занимает несколько часов. Всё это усложняет систему управления и обслуживание паротурбинной электростанции. Большую опасность для работы представляет погода с отрицательной температурой, особенно для градирен. Кроме того, для охлаждения конденсатора требуется большое количество технической воды.

ОЦР электростанция имеет следующие преимущества перед паротурбинной:

• — применение незамерзающих рабочих жидкостей (цикло-пентан, термическое масло) позволяет оборудованию надёжно работать на открытом воздухе при температуре до минус 50˚С;
• — не требуется многочисленный специально подготовленный оперативный персонал, достаточно штатного электрика и механика, так как ОЦР электростанция работает в автоматическом режиме;
• — отсутствует сложное паротурбинное оборудование (паровые котлы, турбины, ХВО, деаэраторы и т.д.);
• — нет химводоподготовки с лабораторией с персоналом, с химреагентами и их стоком в канализацию;
• — нет расхода воды на продувку котлов, на охлаждение турбины;
• — не требуется главный корпус, так как все оборудование может работать на открытом воздухе;

Источник