mirtrМир транспортаWorld of Transport and Transportation1992-3252Russian University of Transport (RUT)10.30932/1992-3252-2021-19-2-14mirtr-2113Research ArticleБЕЗОПАСНОСТЬ, ЭКОЛОГИЯ, УСТОЙЧИВОЕ РАЗВИТИЕSAFETY, SUSTAINABILITY, ENVIRONMENTAL PROTECTIONАнализ состояния вопроса утилизации низкопотенциальных энергетических ресурсов на объектах малой энергетикиAnalysis of the Issue of Recovery of Low-Potential Energy at Small-Scale Energy FacilitiesДмитренкоА. В.DmitrenkoA. V.

доктор технических наук, профессор кафедры теплоэнергетики железнодорожного транспорта,

Москва

D.Sc. (Eng), Professor at the Department of Railway Heat Power Engineering,

Moscow

ammsv@yandex.ruКолпаковМ. И.KolpakovM. I.

инженер;

аспирант кафедры теплоэнергетики железнодорожного транспорта,

Москва

Engineer;

Ph.D. student at the Department of Railway Heat Power Engineering,

Moscow

fdiolit@mail.ruРоссийский университет транспортаРоссияRussian University of TransportRussian FederationМосгипротранс; Российский университет транспортаРоссияJSC Mosgiprotrans; Russian University of TransportRussian Federation202128042021192100106Copyright © Дмитренко А.В., Колпаков М.И., 20212021Дмитренко А.В., Колпаков М.И.Dmitrenko A.V., Kolpakov M.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://mirtr.elpub.ru/jour/article/view/2113

В статье рассмотрены вопросы утилизации низкопотенциальных энергетических ресурсов на объектах малой энергетики. Показана перспектива использования технологии органического цикла Ренкина (ОЦР) в качестве технологии утилизации или преобразования низкопотенциальной энергии.

Приведены разработки в области реализации и утилизации бросового тепла. Наиболее перспективные из них представлены в применении ОЦР, который широко используется на геотермальных источниках, в водогрейных котельных, газотурбинных установках. За счёт постоянного растущего сортамента рабочих тел ОЦР может применяться в широком температурном диапазоне, начиная от 100°С и заканчивая свыше 350°С. Также ведутся разработки в области проектирования ОЦР-генераторов с целью повышения надёжности отдельных узлов системы, таких как турбины и детандеры. Исходя из вышеперечисленных факторов, можно сделать вывод, что при более глубоком исследовании проблем внедрения ОЦР-технологий они могут стать весьма перспективным направлением в развитии теплоэнергетики.

Определено, что основным фактором, препятствующим широкому внедрению ОЦР-технологии, является высокая стоимость теплообменного оборудования из-за повышенных теплообменных поверхностей. Показано, что проектирование миниэлектростанций и энергокомплексов на основе использования низкопотенциальной энергии требует совершенствования методов математического моделирования для достоверного определения режимов работы и характеристик каждого из агрегатов. К востребованным следует отнести методы моделирования испарительных и конденсационных систем, в том числе турбин и детандеров, работающих на органических низкокипящих рабочих телах. Методики выбора рабочего тела для ОЦР-устройств также оказывают существенное влияние на характеристики установки, которые определяют диапазон эксплуатационных температур и давлений цикла. Решение вышеуказанных задач способно привести к удешевлению теплообменного оборудования, а, следовательно, снижению издержек на проектирование ОЦР-генераторов. 

Studying the issues of recovery of low-potential energy at smallscale energy facilities allowed to show the promising character of the organic Rankine cycle (ORC) technology as a technology for recovery or conversion of low-potential energy.

The most promising developments in the field of the use and recovery of waste heat are described regarding application of ORC, which is widely used in geothermal sources, hot water boilers, gas turbine plants. Due to the constantly growing diversity of working fluids, ORC can be used within a wide temperature range from 100°C to over 350°C. Also, developments are underway in the design of ORC generators to increase reliability of its individual system units, such as turbines and expanders. Based on the above factors, it can be concluded that with a deeper study of the problems of adopting ORC technologies, they can become a very promising direction in development of heat power engineering.

It has been determined that the main factor hindering the widespread adoption of the ORC technology is associated with high cost of heat exchange equipment due to increased heat exchange surfaces. It is shown that design of mini power plants and energy centres based on the use of low-potential energy requires improvement of mathematical modelling methods to reliably determine operating modes and characteristics of each of the units. Methods for modelling evaporation and condensation systems, including turbines and expanders using organic low-boiling working fluids, should be considered among the methods that are highly sought after. The methods for selecting a working fluid for ORC devices also have a significant impact on characteristics of the installation determining the range of cycle operating temperatures and pressures. The solution of the above problems can lead to a reduction in the cost of heat exchange equipment, and, consequently, to a decrease in costs for design of ORC generators. 

низкопотенциальные энергетические ресурсыорганический цикл Ренкинаминиэлектро- и энергокомплексыматематическое моделированиеlow-potential energy resourcesorganic Rankine cyclemini electric plantenergy centresmathematical modellingReferencesДмитренко А. В., Гайтров М. Ю. Модернизация тепловой системы железнодорожных станций // Мир транспорта. − 2017. − № 3 (70). − С. 94–103. [Электронный ресурс]: https://mirtr.elpub.ru/jour/article/view/1216/1492. Доступ 09.01.2021.Dmitrenko, A. V., Gaitrov, M. Yu. Modernization of Heat Supply System of Railway Stations. World of Transport and Transportation, 2017, Vol. 15, Iss. 3 (70), pp. 94–103. [Electronic resource]: https://mirtr.elpub.ru/jour/article/view/1216/1492. Last accessed 09.01.2021.Дмитренко А. В., Колосова М. А. Модернизация энергетических комплексов железнодорожных станций и возможности использования низкопотенциальной теплоты на основе органического цикла Ренкина // Наука и техника транспорта. − 2017. − № 3. − С. 39–45. [Электронный ресурс]: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=30607270&. Доступ 09.01.2021.Dmitrenko, A. V., Kolosova, M. A. Modernization of energy complexes of railway stations and the possibility of using low-grade heat based on the organic Rankine cycle [Modernizatsiya energeticheskikh kompleksov zheleznodorozhnykh stantsii i vozmozhnosti ispolzovaniya nizkopotentsialnoi teploty na osnove organicheskogo tsikla Renkina]. Nauka i tekhnika transporta, 2017, Iss. 3, pp. 39–45. [Electronic resource]: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=30607270&. Last accessed 09.01.2021.Дмитренко А. В., Колосова М. А. Особенности расчёта характеристик аппаратов энергетических комплексов, использующих низкопотенциальную энергию // Мир транспорта. – 2020. − № 6 (91). – С. 108−117. DOI: https://doi.org/10.30932/1992-3252-2020-18-6-108-117Dmitrenko, A. V., Kolosova, M. A. Features of Calculating the Characteristics of Energy Complexes Using Low-Grade Energy. World of Transport and Transportation, Vol. 18, 2020, Iss. 6 (91), pp. 108–117. DOI: https://doi.org/10.30932/1992-3252-2020-18-6-108-117.Dmitrenko, A. V., Kolosova, M. A. The possibility of using low-potential energy based on the organic Rankine cycle and determination of hydraulic characteristics of industrial units based on the theory of stochastic equations and equivalence of measures. JP Journal of Heat and Mass Transfer, 2020, Vol. 21, Iss. 1, pp. 125−132. DOI: 10.17654/HM021010125.Dmitrenko, A. V., Kolosova, M. A. The possibility of using low-potential energy based on the organic Rankine cycle and determination of hydraulic characteristics of industrial units based on the theory of stochastic equations and equivalence of measures. JP Journal of Heat and Mass Transfer, 2020, Vol. 21, Iss. 1, pp. 125−132. DOI: 10.17654/HM021010125.Карабарин Д. И., Михайленко С. А. Особенности проектирования установок органического цикла Ренкина // Журнал СФУ. Техника и технологии. – 2019. – № 6. – С. 733–745. [Электронный ресурс]: https://cyberleninka.ru/article/n/osobennosti-proektirovaniya-ustanovok-organicheskogo-tsikla-renkina/pdf. Доступ 09.01.2021.Karabarin, D. I., Mikhailenko, S. A. Features of design of units of the organic Rankine cycle [Osobennosti proektirovaniya ustanovok organicheskogo tsikla Renkina]. Journal of Siberian Federal University. Technics and technology, 2019, Iss. 6, pp. 733–745. [Electronic resource]: https://cyberleninka.ru/article/n/osobennostiproektirovaniya-ustanovok-organicheskogo-tsikla-renkina/pdf. Last accessed 09.01.2021.Дмитренко А. В., Колосова М. А. Определение гидравлических характеристик промышленных агрегатов на основе стохастической теории гидродинамики // XII Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики. – Уфа, 20–24 августа 2019. – Сб. трудов. – Т. 2. – С. 342–343. [Электронный ресурс]: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=41394385. Доступ 09.01.2021.Dmitrenko, A. V., Kolosova, M. A. Determination of hydraulic characteristics of industrial units based on the stochastic theory of hydrodynamics [Opredelenie gidravlicheskikh kharakteristik promyshlennykh agregatov na osnove stokhastickeskoi teorii gidrodinamiki]. 12th AllRussian Congress on Fundamental Problems of Theoretical and Applied Mechanics. Ufa, Collection of works, August 20–24, 2019, Vol. 2, pp. 342–343. [Electronic resource]: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=41394385. Last accessed 09.01.2021.Галашов Н. Н., Цибульский С. А. Параметрический анализ схемы парогазовой установки с комбинацией трёх циклов для повышения КПД при работе в северных газодобывающих районах // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2019. – № 5. – С. 44–55. [Электронный ресурс]: http://earchive.tpu.ru/handle/11683/53444. Доступ 09.01.2021.Galashov, N. N., Tsibulsky, S. A. Parametric analysis of the scheme of a combined-cycle steam gas unit with a combination of three cycles to improve efficiency when working in northern gas producing regions [Parametricheskiy analiz skhemy parogazovoi ustanovki s kombinatsiei trekh tsiklov dlya povysheniya KPD pri rabote v severnykh gazodobyvayushchikh raionakh]. Bulletin of Tomsk Polytechnic University. Engineering of georesources, 2019, Iss. 5, pp. 44–55. [Electronic resource]: http://earchive.tpu.ru/handle/11683/53444. Last accessed 09.01.2021.Gequn, Shu; Lina, Liu; Hua, Tian; Haiqiao, Wei; Xiaofei, Xu. Performance comparison and working fluid analysis of subcritical and transcritical dual-loop organic Rankine cycle (DORC) used in engine waste heat recovery. Energy Conversion and Management, October 2013, Vol. 74, pp. 35–43. DOI:10.1016/j.enconman.2013.04.037.Gequn, Shu; Lina, Liu; Hua, Tian; Haiqiao, Wei; Xiaofei, Xu. Performance comparison and working fluid analysis of subcritical and transcritical dual-loop organic Rankine cycle (DORC) used in engine waste heat recovery. Energy Conversion and Management, October 2013, Vol. 74, pp. 35–43. DOI:10.1016/j.enconman.2013.04.037.Engine. Enhanced Geothermal Innovative Network for Europe. Workshop 5. Electricity generation from Enhanced Geothermal Systems. 14–16 September 2006. Strasbourg, France. Workshop abstracts. [Электронный ресурс]: http://engine.brgm.fr/web-offlines/conferenceElectricity_generation_from_Enhanced_Geothermal_ Systems_-_Strasbourg,_France,_Workshop5/resource-9- 2-ENGINE_BOA_WS5_Strasbourg_14-16092006.pdf. Доступ 09.01.2021.Engine. Enhanced Geothermal Innovative Network for Europe. Workshop 5. Electricity generation from Enhanced Geothermal Systems. 14–16 September 2006. Strasbourg, France. Workshop abstracts. [Electronic resource]: http://engine.brgm.fr/web-offlines/conferenceElectricity_generation_from_Enhanced_Geothermal_Systems_-_Strasbourg,_France,_Workshop5/resource-9- 2-ENGINE_BOA_WS5_Strasbourg_14-16092006.pdf. Last accessed 09.01.2021.Gimelli, A., Luongo, A., Muccillo, M. Efficiency and cost optimization of a regenerative Organic Rankine Cycle power plant through the multi-objective approach. Applied Thermal Engineering, 2017, Vol. 114, рр. 601– 610. DOI: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2016.12.009.Gimelli, A., Luongo, A., Muccillo, M. Efficiency and cost optimization of a regenerative Organic Rankine Cycle power plant through the multi-objective approach. Applied Thermal Engineering, 2017, Vol. 114, рр. 601–610. DOI: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2016.12.009.Masoudeh, A. Heat transfer mechanisms in waterbased nanofluids. Doctoral Dissertation. University of Louisville, 2015. [Электронный ресурс]: https://ir.library.louisville.edu/etd/2311/. Доступ 09.01.2021.Masoudeh, A. Heat transfer mechanisms in waterbased nanofluids. Doctoral Dissertation. University of Louisville, 2015. [Electronic resource]: https://ir.library.louisville.edu/etd/2311/. Last accessed 09.01.2021.Kler, A. M., Zharkov, P. V., Epishkin, N. O. Parametric optimization of supercritical power plants using gradient methods. Energy, 2019, Vol. 189, 116230. DOI: 10.1016/j.energy.2019.116230.Kler, A. M., Zharkov, P. V., Epishkin, N. O. Parametric optimization of supercritical power plants using gradient methods. Energy, 2019, Vol. 189, P. 116230. DOI: 10.1016/j.energy.2019.116230.Lorenz, M. Biomasse – KWK mit einem Dampf – Schraubenmotor. Köhler & Ziegler Anlagentechnik GmbH, 2006. [Электронный ресурс]: https://docplayer.org/23822543- Biomasse-kwk-mit-einem-dampf-schraubenmotor.html/. Доступ 09.01.2021.Lorenz, M. Biomasse – KWK mit einem Dampf– Schraubenmotor. Köhler & Ziegler Anlagentechnik GmbH, 2006. [Electronic resource]: https://docplayer.org/23822543-Biomasse-kwk-mit-einem-dampfschraubenmotor.html/. Last accessed 09.01.2021.Дунаевский Н. И. Технико-экономические основы теплофикаций. – М.–Л.: Госэнергоиздат, 1952. – 256 с.Dunaevsky, N. I. Technical and economic foundations of heating systems [Tekhniko-ekonomicheskie osnovy teplofikatsii]. Moscow–Leningrad, Gosenergoizdat publ, 1952, 256 p.Гришутин М. М., Севастьянов А. П., Селезнев Л. И., Федорович Е. Д. Паротурбинные установки с органическими рабочими телами. – Л.: Машиностроение, 1988. – 219 с.Grishutin, M. M., Sevastyanov, A. P., Seleznev, L. I., Fedorovich, E. D. Steam-turbine units with organic working fluids [Paroturbinnie ustanovki s organicheskimi rabochimi telami]. Leningrad, Mashinostroenie publ., 1988, 219 p.Клер А. М., Маринченко А. Ю., Потанина Ю. М., Жарков П. В. Оптимизационные исследования энергогенерирующих установок на древесной биомассе, реализующих органический цикл Ренкина // Известия РАН. Энергетика. – 2019. – № 6. – С. 110–120. [Электронный ресурс]: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=41549138. DOI: 10.31857/S0002331019060062.Claire, A. M., Marinchenko, A. Yu., Potanina, Yu. M., Zharkov, P. V. Optimisation studies of power-generating plants on woody biomass, implementing the organic Rankine cycle [Optimizatsionnie issledovaniya energogeeriruyushchikh ustanovok na drevesnoi biomasse, realizuyushchikh organicheskiy tsikl Renkina]. Izvestiya RAN. Energy, 2019, Iss. 6, pp. 110–120. [Electronic resource]: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=41549138. Last accessed 09.01.2021. DOI: 10.31857/S0002331019060062.Öhman, H. Implementation and evaluation of a low temperature waste heat recovery power cycle using NH3 in an Organic Rankine Cycle. Energy, 2012, Vol. 2, рр. 74–80. DOI: https://doi.org/10.1016/j.energy.2012.02.074.Öhman, H. Implementation and evaluation of a low temperature waste heat recovery power cycle using NH3 in an Organic Rankine Cycle. Energy, 2012, Vol. 2, рр. 74–80. DOI: https://doi.org/10.1016/j.energy.2012.02.074.Schuster, A., Karellas, S., Kakaras, E., Spliethoff, H. Energetic and economic investigation of Organic Rankine Cycle applications. Applied Thermal Engineering, 2008, Vol. 29, рр. 1809–1817. [Электронный ресурс]: https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-00540531/document. Доступ 09.01.2021.Schuster, A., Karellas, S., Kakaras, E., Spliethoff, H. Energetic and economic investigation of Organic Rankine Cycle applications. Applied Thermal Engineering, 2008, Vol. 29, рр. 1809–1817. [Electronic resource]: https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-00540531/document. Last accessed 09.01.2021.Повышение эффективности поршневых двигателей с использованием технологии органического цикла Ренкина. [Электронный ресурс]: http://bitzer.ru/povishenie_ffektivnosti_porshnevih_dvigatelei_s_ispolzovaniem_tehnologii_organicheskogo_cikla_renkina. Доступ 09.01.2021.Improving the efficiency of piston engines using the technology of the organic Rankine cycle [Povyshenie effektivnosti porshnevykh dvigatelei s ispolzovaniem tekhnologii organicheskogo tsikla Renkina]. [Electronic resource]: http://bitzer.ru/povishenie_ffektivnosti_porshnevih_dvigatelei_s_ispolzovaniem_tehnologii_organicheskogo_cikla_renkina. Last accessed 09.01.2021.Генерация «чистой» электроэнергии из избыточного тепла. Органический цикл Ренкина с детандером BITZER HSE.85. [Электронный ресурс]: http://www.aerkom.ru/unitORC/. Доступ 09.01.2021.Generation of «pure» electricity from excess heat. Organic Rankine cycle with expander BITZER HSE.85 [Generatsiya «chistoi» elektroenergii iz izbytochnogo tepla. Organicheskiy tsikl Renkina s detanderom BITZER HSE.85]. [Electronic resource]: http://www.aerkom.ru/unitORC. Last accessed 09.01.2021.Кишалов А. Е., Зиннатуллин А. А. Математическое моделирование конденсации рабочего тела в системе отдачи тепла холодному источнику энергоустановки малой мощности // Вестник Иркутского государственного технического университета. – 2019. – № 5 (148). – С. 934–949. [Электронный ресурс]: https://cyberleninka.ru/article/n/matematicheskoemodelirovanie-kondensatsii-rabochego-tela-v-sistemeotdachi-tepla-holodnomu-istochniku-energoustanovkimaloy/pdf. Доступ 09.01.2021.Kishalov, A. E., Zinnatullin, A. A. Mathematical modelling of condensation of a working fluid in the system of heat transfer to a cold source of a low-capacity power plant [Matematicheskoe modelirovanie kondensatsii rabochego tela v sisteme otdachi tepla kholodnomu istochniku energoustanovki maloi moshchnosti]. Bulletin of Irkutsk State Technical University, 2019, Iss. 5 (148), pp. 934–949. [Electronic resource]: https://cyberleninka.ru/article/n/matematicheskoe-modelirovanie-kondensatsii-rabochegotela-v-sisteme-otdachi-tepla-holodnomu-istochnikuenergoustanovki-maloy/pdf. Last accessed 09.01.2021.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.