Konwersja energii w

układach działających w

oparciu o ORC i obieg

Kalina

Łukasz Niedźwiecki
117045
Energetyka
st. niestacjonarne

Idea CHP

• Równoczesna produkcja dwóch lub więcej typów

energii użytkowej z pojedynczego źródła energii

• Wykorzystanie ciepła odpadowego z urządzeń

wytwarzających energię elektryczną

Kogeneracja

CHP

– Combined Heat and Power

Skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła
pozwala na przetworzenie energii pierwotnej z bardzo
wysoką sprawnością.

Energetyka rozproszona

Straty:

• w trakcie konwersji z jednego rodzaju energii na

inny:

Np. w przypadku siłowni parowej energia chemiczna

zawarta w paliwie zamieniana jest na ciepło.
Następnie ciepło przy pomocy czynnika
obiegowego (para wodna) zamieniane jest na
energię mechaniczną, ta zaś na elektryczną.

• w trakcie transportu
Np.Straty przesyłowe energii elektrycznej, straty

ciepła w rurociągu ciepłowniczym

CHP w praktyce

Zwykle straty energii związane są z niepełnym jej
przetworzeniem.

W praktyce realizowanie idei kogeneracji polega na
wykorzystaniu tej energii, która byłaby
bezpowrotnie tracona – najczęściej jest to ciepło,
odebrane od czynnika po wykonaniu pracy
mechanicznej.

Skojarzone wytwarzanie
energii elektrycznej i ciepła

Paliwo

100 jednostek

Turbina, silnik itp.

Kocioł

odzyskowy

Spaliny wylotowe

15 jednostek

Generator

En. el.

Ciepło

55 jednostek

30 jednostek

Zapotrze-

bowanie

ciepła

Zapotrze-

bowanie

na en. el.

Ciepło + Spaliny

70 jednostek

Sprawność odzysku ciepła (55/70) = 78,6%

Sprawność całkowita ((30+55)/100) = 85,0%

Skojarzone wytwarzanie
energii elektrycznej i ciepła

a) rozdzielone

wytwarzanie ciepła
i energii
elektrycznej w kotle
grzewczym
i w elektrowni
kondensacyjnej

b) skojarzone

wytwarzanie ciepła
i prądu w bloku
siłowniano-
ciepłowniczym

Energetyka rozproszona

• Pozwala ograniczać straty przesyłowe poprzez
lokowanie miejsca wytwarzania energii
bezpośrednio u końcowego użytkownika.

• Pozwala uniknąć kosztów związanych z budową
sieci przesyłowej

Problemy

• Sprawność a efekt skali
Największą sprawność osiągają duże bloki na

parametry nadkrytyczne.

• Bezpieczeństwo
Zagrożenia związane z parametrami jakie może

osiągać para wodna

np. Na wyjściu z kotła BB-2400 (Rafako)
- Temperatura pary świeżej 540 °C
- Ciśnienie pary świeżej 26,1 MPa

Parametry nadkrytyczne – skala
wielkości obiektu

Obieg Clausiusa-Rankine’a

Obieg Rankine’a jest obiegiem porównawczym w
przypadku klasycznej siłowni parowej.

Obieg Clausiusa-Rankine’a

Organic Rankine Cycle

• Organic Rankine Cycle – (ORC) są to układy pracujące w
obiegu siłowni parowej, w których czynnikiem roboczym,
zamiast pary wodnej, jest wybrany związek organiczny.

• Pierwsza eksperymentalna elektrownia ORC powstała w 1967
r. w miejscowości Paratunka (Kamczatka, Rosja) i miała moc
680 kW, a zasilana była wodą geotermalną o temperaturze
81°C.

• Po początkowej fascynacji technologią ORC prace nad jej
rozwojem wstrzymano w końcu lat 80-tych. Powodem było
stosowanie węglowodorów fluorochlorowych w roli czynników
roboczych (zagrożenie dziurą ozonową). Obecnie, w związku z
wejściem do użycia nowych czynników chłodniczych,
zainteresowanie nią ponownie wzrosło.

• W układach ORC jako czynnik roboczy wykorzystuje się
związki organiczne, umożliwiające (dzięki odpowiednim
parametrom przemian fazowych) dokładne dostosowanie
do temperatury źródeł ciepła. Lekkie węglowodory
stosowane w układach ORC charakteryzują się ciepłem
parowania stanowiącym ok. 17% ciepła parowania wody.
Związki te spełniają w układzie taką samą rolę jak woda w
układzie parowym, jednakże pracują w innym przedziale
ciśnień.

• Instalacje ORC charakteryzują się zwartą budową i
niewielką ilością elementów składowych, dodatkowo małe
jednostki mogą być uruchamiane i sterowane zdalnie,
praktycznie bez udziału obsługi.

Organic Rankine Cycle

Schemat cieplny siłowni ORC

Schemat cieplny wraz z
wykresem T-S

Wykres T-S dla różnych
czynników

Porównanie obiegu Clausiusa
Rankine’a i obiegu ORC w
układzie T-S

Obieg siłowni parowej
w układzie T-S

Obieg siłowni ORC w układzie
T-S

Schemat instalacji
przykładowej elektrociepłowni

Podgrzewacz
II

Skraplacz

Pompa

cyrkulacyjn

a

Skraplacz/parowacz

~

Generator

Turbina

parowa

Pompa

cyrkulacyj

na

A

Podgrzewacz I

B

C

2ns

3n

4n

1s

2s

5n

4w

3w

5w

5n

1n

4n

nośnik ciepła

odpadowego

woda/ para
wodna

czynnik
organiczny

1w

T

s

x=1

T

cr

3w

4w

5w

x=0

1w

organic

fluid

T

s

T

cr

4n

1n

2sn

3n

5n

x=0

x=1

2n

Punkty charakterystyczne obiegu

C-R z czynnikiem organicznym

Punkty charakterystyczne
dla sieci wodno – parowej

Temperatura odparowania wody w kotle T

1w

(R236fa = 105°C,

R236ea = 110°C, R245fa = 115°C, cykloheksan =120°C)

Kocioł typu SPD 2900, moc 2000kW

Punkty charakterystyczne na
wykresie T-S

Sprawność termiczna elektrowni w funkcji temperatury pary
wodnej wytwarzanej w kotle (i związanej z nią temperatury
odparowania czynnika organicznego) dla wybranych
substancji roboczych

Wybrane organiczne czynniki robocze –
sprawność termiczna w zależności od wyboru
czynnika

Moc elektryczna siłowni w funkcji temperatury pary wodnej
wytwarzanej w kotle (i związanej z nią temperatury
odparowania czynnika organicznego) dla wybranych
substancji roboczych.

Wybrane organiczne czynniki robocze – moc
elektryczna w zależności od wyboru
czynnika

Strumień czynnika roboczego krążącego obiegu siłowni w
funkcji temperatury pary wodnej wytwarzanej w kotle (i
związanej z nią temperatury odparowania czynnika
organicznego) dla wybranych substancji roboczych.

Wybrane organiczne
czynniki robocze –
sprawność termiczna w
zależności od wyboru
czynnika

Wybrane organiczne czynniki robocze –
strumień czynnika roboczego w zależności od
wyboru czynnika

Strumień ciepła doprowadzanego z zewnątrz w podgrzewaczu
P-II w funkcji temperatury pary wodnej wytwarzanej w kotle (i
związanej z nią temperatury odparowania czynnika
organicznego) dla wybranych substancji roboczych .

Wybrane organiczne czynniki robocze –
strumień ciepła dopr. w zależności od wyboru
czynnika

Układ oparty na ORC

Układ oparty na ORC

Układ oparty na ORC – skala
wielkości

Układ oparty na ORC – skala
wielkości

Zastosowania

Obieg Kalina

Jedną z odmian układów ORC jest tzw. układ Kalina.
Różnica ogranicza się jedynie do czynnika roboczego:

w klasycznym układzie ORC jest to najczęściej
izobutan lub izopentan, a w układzie Kalina
mieszanina amoniaku z wodą. Stosunek amoniaku
do wody zmieniany jest w zależności od procesu
występującego w obiegu i nie jest stały podczas
wszystkich przemian w nim zachodzących.

Układ Kalina jest obiegiem opartym o cykl Rankine’a z

dodanymi członami: destylacyjnym i absorpcyjnym.

Podział obiegów siłowni
parowych

Wykorzystanie cyklu Kalina

Obieg Kalina na przykładzie
siłowni geotermalnej w Husavik
(Islandia)

Husavik (Islandia) – wnętrze
siłowni

Instalacje oparte na obiegu
Kalina- przykłady

T

e

m

p

e

ra

tu

ry

z

łó

ż

g

e

o

te

rm

a

ln

yc

h

n

a

n

iż

u

p

o

ls

k

im

n

a

g

łę

b

o

k

o

śc

i

3

0

0

0

m

.p

.p

.t

Porównanie właściwości
czynników roboczych
poszczególnych obiegów

Temperatura punktu pęcherzyków w
zależności od ciśnienia i stężenia
amoniaku

Temperatura punktu rosy w zależności
od ciśnienia i stężenia amoniaku

Moc w zależności od ciśnienia i stężenia
amoniaku

Zależność mocy el. od temperatury
czynnika przenoszącego ciepło ze źródła
ciepła

Schemat ideowy układu gazowo-
parowego

S - sprężarka
KS1 - komora spalania
T1- turbina części gazowej
T2 - turbiny części parowej
G1 - generator elektryczny
części gazowej
G2 - generator elektryczny
części parowej
S - skraplacz
PW - pompa wodna
KO - kocioł odzyskowy

Układ Parowo-Gazowy

Układ Parowo - Gazowy (ang. Combined Cycle)

MIKROTURBINA

Sprawność - geneza

• Woda: małe molekuły (jak pociski) poruszają się z dużą prędkością

- problemy związane z korozją łopatek turbiny

-wielostopniowe turbiny -> duże naprężenia mechaniczne

• Czynnik organiczny: duży strumień masy, duża średnica turbiny

- niewielkie straty

- stosunkowo wolne obroty

Porównanie sprawności

(ORC i cykl Kalina)

Porównanie sprawności

(ORC i cykl Kalina)

Przykładowe instalacje
geotermalne - wydajność

Bad-Blumau, Austria

Parametry

Wartość

temp. wody geotermalnej

110 °C

wydajność wody
geotermalnej

80 m^3/h

cykl pracy

ORC

czynnik roboczy

izopentan

Husavik, Islandia

Parametry

Wartość

temp. wody geotermalnej

121 °C

wydajność wody
geotermalnej

90 m^3/h

cykl pracy

Kalina

czynnik roboczy

amoniak/wod
a

Neustadt-Glewe, Niemcy

Parametry

Wartość

temp. wody geotermalnej

98 °C

wydajność wody
geotermalnej

110 m^3/h

cykl pracy

ORC

czynnik roboczy

n-pentan

Chena Hot Springs, USA

Parametry

Wartość

temp. wody geotermalnej

74 °C

wydajność wody
geotermalnej

32 m^3/h

cykl pracy

ORC

czynnik roboczy

R-134a

Porównanie sprawności

Porównanie sprawności -
biopaliwa

Zalety

 możliwość wykorzystania
niskotemperaturowych źródeł ciepła

 niewielkie naprężenia
mechaniczne na łopatkach turbiny

 wolniejsze obroty pozwalają na
bezpośrednie podłączenie do
generatora, bez konieczności
stosowania dużych przełożeń

 brak erozji łopatek turbiny (za
wyjątkiem instalacji z obiegiem
Kalina)



wysoka sprawność cyklu i turbiny

 możliwość podniesienia sprawności
istniejących już instalacji poprzez odzysk
ciepła odpadowego (odzysk w postaci
energii elektrycznej !)

możliwość pracy nawet w przypadku
obciążeń rzędu 10 %

 stosunkowo prosty rozruch i
zatrzymanie

 niewielki poziom hałasu

 długi czas życia urządzenia

 niewielkie nakłady pracy związane z
utrzymaniem ruchu (ok. 3-5 h/tydzień)

Wady

 wysokie nakłady inwestycyjne

 koszty czynnika obiegowego:

- ORC: starzenie się czynnika i związane z tym

okresowe

koszty jego wymiany

 w przypadku obiegu Kalina zagrożenie erozją łopatek
turbiny