ORC инсталация за производство на ел. енергия 150 kWe

В настоящата публикация ще представим ORC инсталация за производство на ел. енергия 150 kWe, продукт на нашия нов партньор – италианската фирма Zuccato Energia.

ПРОИЗВОДСТВО НА ЕЛ. ЕНЕРГИЯ
В момента съществуват различни системи за генериране на електричество :
1. Традиционните генератори, които произвеждат само електрическа енергия;
2. Когенерационни системи, които произвеждат едновременно електрическа енергия и ниско температурна топлинна енергия;
3. Тригенерационна система, която произвежда също и хладилна мощност;
4. Четиригенерационни системи, при които същите димни газове се използват за различни цели, като напр. „обогатяване” на въздуха за парници, източници на СО2, и т.н.

Системата, която се предлага принадлежи на втората категория, и може да се разшири до третата, тя работи използвайки топлинна енергия.

Досегашните недостатъците, присъщи на традиционните парни турбини превръщат турбините в непрактични, когато се използват при 40 до 500 kWe системи за производство на електроенергия. С цел да се преодолее това, Zuccato Energia проектира ORC-LT турбогенератор (нискотемпературен органичен ранкин цикъл), който е в основата на стадия производство на електричество. Системата има за цел да се достигне нивото на производителност и на надеждност както при големите съоръжения за производство на ток, с цел вместване в пазара на оборудване за средни и малки заводи.

Zuccato Energia ORC-LT система (Снимка 1), позволява на малките потребители на топлина (повече от 300 kW) да се превърнат в производители на ел.енергия, удовлетворявайки по този начин екологичните и децентрализирани политики за производство на ел.енергия, търсени от много правителства, и използвайки, когато е възможно програмите за стимулиране, които преследват тази цел.

Снимка 1: Наскоро монтирана сдвоена турбогенераторна инсталация с производителност 300kWе

Принципно, ORC-LT е специален вид затворен термодинамичен цикъл и неговото практическо приложение е накратко описано в схемата по-долу (Схема 2).

Схема 2: Приложение на процеса на Zuccato Energia ORC-LT

Топлината, генерирана от какъвто и да е източник преминава през първичен топлообменник, отдавайки топлината към диатермичен флуид, обикновено студена вода, който достига температура 155°C (3) и след това отива в изпарителя (4), където топлината се предава на специален работен флуид , който е в основата на Zuccato Energia lT-ORC .

Използването на тази органична течност, 100% биоразградима и нетоксична, за производството на ел.енергия, е регистриран патент на Zuccato Energia. Освен това, когато се загрее, тя кипи при температура доста по-ниска от тази на водата (40-50 °C), а когато е изложена на температура от 150°C, типична за диатермична инсталация на прегрята вода, тя се изпарява, превръщайки се в газ с високо налягане, който се използва за завъртане на ротора на специално конструирана турбина. Генераторът – директно свързан с ротора на турбината – чрез завъртане, произвежда електричество, което може да се използва на място (собствена консумация) или да се подаде към разпределителната мрежа (наличието на специално конструиран изправител и инвертор гарантира коректната фаза и напрежение). Излизайки от турбината работният флуид , сега във формата на газ при температура от 95°C , се отвежда към регенератора (6), където отдава излишната топлина и кондензира, за да загрее предварително студения флуид. Сега флуидът е готов да бъде изпомпан обратно към вторичния топлообменник  (7-8) и най-накрая се събира в подходящ съд и форма, от където да влезе отново в инсталацията.

Рекуперираната топлина във фазата на кондензация може директно да се използва за други цели, като напр. подгряване на биомаса и изсушаване (така се намалява влажността и се увеличава топлината на изгаряне). Освен това, когато има нужда от охлаждане на помещение или от студ, заедно или като алтернатива на топлината, топлинната мощност на кондензатора може също така да се вкара в допълнителен абсорбционен цикъл, който може да превърне топлината в студ. В този случай стандартната когенерационна централа се превръща в тригенерационна система.

ИНОВАТИВНАТА ТЕХНОЛОГИЯ НА ZUCCATO ENERGIA ORC-LT ТУРБИНИ
Разработени и произведени, възползвайки се от най-съвременните технологии (анализ на крайните елементи и флуидодинамиката) ZE турбогенераторите са проектирани да работят вътре в нискотемпературния органичен цикъл на Ранкин, като те могат да използват специален работен флуид, което предлага по-добра производителност и множество предимства в сравнение с традиционните парни турбини:
– По-ниска работна температура, позволяваща използването на нискокачествени (от нисък клас) топлинни източници;
– Висока температура на кондензация (≈40°C), позволяваща използването на икономични въздухо-охладителни кондензатори (охладителни кули);
– Няма ерозия на турбинните лопатки поради изцяло сухия работен флуид (висока надеждност, по-малко контроли, ниски разходи за поддръжка);
– Относително ниско работно налягане (20 bar), което означава по-безопасна работа, по-малко проблеми по отношение на законодателството, по-ниски операционни разходи;
– Без газове в атмосферата (работи в затворен цикъл);
– Ниско ниво на шума при работа, така че не се изискват заглушители и няма проблеми с шума дори при централи в населени места.

Освен това, от екологична гледна точка работната течност не е вредна за озона, органична, нетоксична и 100% биоразградима.

ZE турбогенераторите са проектирани специално, с цел да се монтират в малки инсталации (<1 MWe). Приложени са многобройни инженерни решения за повишаване до максимум коефициента на полезно действие.

Като пример можем да посочим:
– Директно куплиране турбина-алтернатор, което премахва загубите от триене, присъщи на ограничителите на скорост;
– Използване на керамични лагери, осигурявайки по-слабо износване, по-дълъг живот на работа и по-високи приемливи ротационни режими;
– Използване на инвертори, специално проектирани за всеки размер турбина, като по този начин се постига максимална ефективност.

Всичко това допринася за по-висока топлинна ефективност на ZE турбогенераторите, които при номинални условия (T=145°C) предоставят ефективност на цялата система (произведена ел.енергия след инвертор, спрямо номинална мощност на топлинна енергия при главния топлообменник) до 18% – доста висока за система от този мащаб.

ДАННИ ЗА ПРОЦЕСА

ПОДГРЕВАТЕЛ + ИЗПАРИТЕЛ  стойност  U.M.
Обща топлинна мощност на входа на турбината  1100  [kWth]
Входна температура на прегрятата вода  = > 160  [°C]
Изходна температура на прегрятата вода  140  [°C]
Максимален дебит на прегрятата вода  13,14  [kg/s]
Мощност на турбината  150  [kWe]
КОНДЕНЗАТОР  стойност  U.M.
Топлинна мощност  940  [kWth]
Температура на водата на изхода  36  [°C]
Температура на водата на входа  26  [°C]
Дебит на кондензационния кръг  22,46  [kg/s]

ХАРАКТЕРИСТИКИ НА LT-ORC ТУРБИНИ ZUCCATO ENERGIA

Генератор Постоянно намагнитен, Синхронен генератор
с водно-охладителна камера с токоизправител
и синхронизатор за ел.мрежата
Мощност 160 kWe
Скорост 17.000 Rpm
Напрежение 650-850 VDC
Необходима водно охлаждане 15 kWth
Охлаждаща течност Вода/гликол
Температура на водата при входа < 40°C
Обемен дебит на водата 30 л/мин.
Допълнително охлаждане Опционално впръскване на работната течност
Херметичност на генератора 2,5 bar (газонепропускливо)
Инвертор IGBT- мрежово синхронизиран,
въздухоохладителен вкл. ел. прекъсвач
Мощност 150 kWe
Напрежение 400 V + 5% Tol.
Честота 50 Hz +0,5% Tol.
Температура на околната среда 40°C
Ел. прекъсвач 200 kJ
Турбина Радиална, фиксирана турбина директно
куплирана към генераторния вал
Температура на входа 145°C
Температура на изхода Около 100°C
Налягане PS 16 (налягане тествано до 24 bar)
Тяло на турбината Заварено стоманено
Ротор Алуминиеви сплави
Контрол на скоростта Обратен контур на генераторния изходен ток
Лабиринтно в задната част на ротора.
Уплътнение Екологично чисти уплътнения: статични, o-пръстени

 

РАБОТЕН ФЛУИД
Работният флуид е най-специалната част от този вид Zuccato Energia инсталации за топлинна рекуперация. Точно благодарение на откриването на този флуид, ZЕ можа да проучи и създаде предлаганото високотехнологично решение. Всъщност нашият работен флуид има следните отлични характеристики:
– Работен диапазон от 60 до 165°C, което позволява използването на топлинни източници, считани за неизползваеми досега ;
– Висока температура на кондензация (≈40°C), позволяваща използването на икономични/евтини въздухо-охладителни кондензатори ;
– Лопатките не ерозират, тъй като флуидът е напълно сух;
– Относително ниско работно налягане (20 bar), което означава по-безопасна работа, по-малко проблеми по отношение на законодателството, по-ниски операционни разходи;
– Напълно безопасен за озона, органичен, нетоксичен и 100% биоразградим. Като такъв, той опазва околната среда и всяко инцидентно разливане не е нито вредно, нито опасно;
– Изсква малка или никаква реинтеграция, тъй като работи в затворена верига (кръг);
– Неговата употреба означава никаква консумация на вода или пара, така че съоръжението има ниски разходи за управление, компактно е и е много лесно за работа.

В самата инсталация, флуидът преминава през обработка и няколко промени на състоянието: таблицата по-долу обобщава основните данни на процеса:

 Данни
 ORC работен флуид  n.d.
 Входна температура  145°C
 Входно налягане  16,08 bar
 Изисквана топлинна мощност  1100 kWth (145°C/40°C) с регенератор
 Кондензна температура  40°C
 Изходно налягане от кондензатора 1,17 bar
 Очакван масов дебит на парата  5,26 kg/s (145°C/40°C)

 

УСТРОЙСТВА, СЪСТАВЛЯВАЩИ ORC ВЕРИГАТА

Схема 3: Система за производство на ел.енергия

Система за производство на електричество, базирана на нискотемпературен органичен Ранкин цикъл, състояща се от:
Подгревател – загрява работния флуид като използва вода, идваща от диатермичния кръг, който захранва ORC;
Изпарител – използва топлината на водата от диатермичния кръг за изпарение на работния флуид (фазово превръщане с повишаване на налягането);
Високоскоростна турбина със свръхлеко работно колело, задвижвано от разширението на работния флуид ;
Синхронен електрически генератор, директно вързан към турбината;
Кондензатор, който да позволи газообразният работен флуид да се върне към своята течна форма;
Събирателен резервоар за течния работен флуид ;
Рециркулационна помпа за събрания течен работен флуид;
Работна течност (флуид), необходим да запълни веригата;
Инвертор за свързване алтернатора към националната разпределителна мрежа, включваща вериги за адаптиране на честотата, промяна и синхронизация на фазата на тока.

ОПИСАНИЕ И ТЕХНИЧЕСКИ СПЕЦИФИКАЦИИ НА КОМПОНЕНТИТЕ НА ORC МОДУЛА
По-долу са спецификациите за основните компоненти, които се използват за изграждането на носещата конструкция за модула ZE 150 ORC . Обращаме внимание, че всеки модул заема площ 5.5m х 3m, 2.5m височина, плюс 1 метър от всяка страна, за да може да се минава. Изпарителната кула заема площ от 3.6m x 2.4m, 3.6 m височина и изисква пространство от поне 1 метър в радиус (2 метра ако е до други кули), за да може въздухът да рециркулира.

ТОПЛООБМЕННИЦИ
Топлообменниците, използвани при модула ZE 150 ORC са тип „запоена пластина”. Те са най-компактното и икономично решение за различни приложения, където е необходим топлообменник. Структурирани са на базата на куплиране на няколко висококачествени стоманени пластини, обикновено гофрирани като рибена кост, всяка завъртяна на 180 градуса по отношение на съседната плоча. Тъй като пасажите на флуида са много малки, тези топлообменници са много компактни с оглед на техния топлообменен капацитет.

Устойчивост на налягане/температура: подходящи са за работно налягане от 30 bar (пробно налягане: 39 bar) в стандартно изпълнение, докато в изпълнение „високо налягане” са тествани при 55 bar и са подходящи за работно налягане от 45 bar. Взривното налягане може да достигне до 225 bar. Изключителната употреба на метални материали (AISI 316 стомана, 99,9% чист мед или никел) позволява работната температура да достигне 195°C за медно-запоените топлообменници и 300°C за никеловите;

Загуби на налягане: стойностите са в директна връзка с желаното ниво на ефективност. Приблизителната стойност за добра ефективност се движи от 1 до 5 mН2О;

Запушване и корозия: Особеността на този тип топлообменници е, че те винаги имат силен турбулентен поток и така се възползват от цялата налична повърхност. Това означава драстично намаление на утайките, дължащо се на материал, отложен във флуидите. Те се почистват лесно като се използват специфични за целта детергенти. Проблеми с корозията почти не се наблюдават поради специфичната устойчивост на материалите, използвани при тяхното изработване.

ПРЕДИМСТВА ПО ОТНОШЕНИЕ НА ТРАДИЦИОННИТЕ ТОПЛООБМЕННИЦИ
Компактен размер: топлообменниците от типа „запоена пластина” могат да заемат до 1/3 от площта, използвана от други видове топлообменници с подобни характеристики. Това е предимство при сглобяемите системи.
Нискотемпературни подходи: възможно е да работи с минимални температурни разлики между напр. охлаждаща вода и продукта, който трябва да се охлади. Това увеличава ефективността на системата;
Ниско тегло: Компактното изпълнение и намаления вътрешен обем правят така, че тези топлообменници да са по-леки от традиционните такива;
По-ниски загуби на налягане: в повечето случаи загубата на налягане при този тип топлообменници е по-малка от тази на коаксиалния топлообменник с подобно производителност/характеристики.

КОЛЕКТОРЕН СЪД ЗА КОНДЕНЗ
Това е резервоар за събиране на кондензиралия работен флуид. Изработен съгласно стандартите за високо налягане PED с PN25 конектори, има капацитет 200 литра, достатъчни за правилно буфериране благодарение на вътрешните сензори за ниво.

РЕЦИРКУЛАЦИОННА ПОМПА ЗА РАБОТНИЯ ФЛУИД
Това е многостепенна, не самозасмукваща вертикална центробежна помпа куплирана с нормализиран стандартен двигател. Хидравличните части са поддържат в позиция между горния капак и тялото на помпата чрез съединителни шпилки.

ДВИГАТЕЛ
– Късосъединен ротор, затворен тип, с външно охлаждане ;
– Фактор на ефективност в рамките на стойности, които обикновено са посочвани като ефективност 1
– Степен на защита IP55, която предпазва от прахови частици и водни капки;
– Клас F за изолация, което позволява достигането на максимална работна температура от 155°C;

EN 60034-1 Сертификат

КОНТРОЛНО ТАБЛО
Контролното табло събира всичката електроника, наблюдение, автоматизация и контролна верига на нашата инсталация. В него са разположени:

– Система за управление на процеса;
– Система за контрол на температурата;
– Система за контрол на налягането;
– Система за управление на предупредителните сигнали ;
– Контролен панел на мрежовите връзки;
– Инвертор за настройка на фазата на тока;
– Контролен панел, работещ паралелно с мрежата с BT защита.

ИЗПАРИТЕЛНА ОХЛАЖДАЩА КУЛА (ОПЦИЯ)
За кондензацията на работния флуид е избрана специален вид кула, заради нейните изключителни конструктивни характеристики и възможността да се гарантира постоянна температура на кондензация през цялата година (фундаментална характеристика за оптимални параметри).

Изпарителната кула се състои от единичен или двоен клетъчен елемент/възел с аксиални вентилатори. Тялото е направено от модулни стъклопакетни панели тип сандвич, свързани чрез стоманена структура – горещо поцинкована след обработка. Използваните болтове и гайки са направени изцяло от AISI 304 неръждаема стомана, а колекторният воден резервоар е направен от подсилена стъклопакетна полиестерна смола; батерията на топлообменника е от горещо поцинкована стомана, за да се получи високо-топлинна повърхност и да се опрости поддръжката и почистването. Тръбите и дюзите на системата за разпределение на вода PN10 са изцяло от PVC със специална анти-задръстваща геометрия. Защитните впръскващи панели са направени от екструдирана подсилена стъклопакетна полиестерна смола.

Използването на пластмасови материали и стъклопакет прави този продукт лек, така че е възможно той да бъде монтиран навсякъде.

За контакти и повече информация – www.bulgariatherm.com.

 

Може да харесате още...