Анализ состояния вопроса утилизации низкопотенциальных энергетических ресурсов на объектах малой энергетики

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. 

1. Дмитренко 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.

2. 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.

3. 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/10.30932/1992-3252-2020-18-6-108-117

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. Дунаевский Н. И. Технико-экономические основы теплофикаций. – М.–Л.: Госэнергоиздат, 1952. – 256 с.

15. Гришутин М. М., Севастьянов А. П., Селезнев Л. И., Федорович Е. Д. Паротурбинные установки с органическими рабочими телами. – Л.: Машиностроение, 1988. – 219 с.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.