energyЭнергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГENERGETIKA. Proceedings of CIS higher education institutions and power engineering associations1029-74482414-0341BNTU10.21122/1029-7448-2022-65-1-76-88energy-2134Research ArticleТЕПЛОЭНЕРГЕТИКАНEAT POWER ENGINEERINGВыбор, расчет и термодинамический анализ турбоустановок на органическом цикле РенкинаSelection, Calculation and Thermodynamic Analysis of Turbine Units Based on the Organic Rankine CycleОвсянникА. B.OvsyannikA. V.

Адрес для переписки:Овсянник Анатолий Васильевич – Гомельский государственный технический университет имени П. О. Сухого просп. Октября, 48,246746, г. Гомель, Республика БеларусьТел.: +375 232 40-20-36av.ovsyannik@mail.ru

Address for correspondence:Ovsyannik Anatolii V. –Sukhoi State Technical University of Gomel 48, October Ave., 246746, Gomel, Republic of Belarus Tel.: +375 232 40-20-36 av.ovsyannik@mail.ru

av.ovsyannik@mail.ruКлючинскийВ. П.KliuchinskiV. P.

г. Гомель

Gomel

Гомельский государственный технический университет имени П. О. СухогоБеларусьSukhoi State Technical University of GomelBelarus2022020220226517688Copyright © Овсянник А.B., Ключинский В.П., 20222022Овсянник А.B., Ключинский В.П.Ovsyannik A.V., Kliuchinski V.P.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://energy.bntu.by/jour/article/view/2134

Разработана программа для выбора, расчета и термодинамического анализа турбоустановок на органическом цикле Ренкина, позволяющая получить значения оптимальных параметров рабочего тела, а также выбрать рабочее тело с наибольшим эксергетическим коэффициентом полезного действия для циклов на перегретом паре и с промежуточным перегревом. Представлена структура разработанной математической модели для проведения термодинамического анализа. Исследования проводили при давлении до 20 МПа и температурах рабочего тела: перед турбиной до 250 °С, на выходе из конденсатора 25 °С, максимально допустимой на выходе из промежуточного перегревателя 250 °С. Анализ полученных результатов показывает, что промежуточный перегрев в органическом цикле Ренкина, как и в классическом паротурбинном, приводит к повышению эксергетической эффективности. В среднем прирост эксергетического коэффициента полезного действия при оптимальных параметрах составляет 4,28 %, а для некоторых рабочих тел значительно превосходит этот результат (например, 8,14 и 6,56 % для R717 и R32 соответственно), что обусловлено их теплофизическими свойствами. Погрешность для всех низкокипящих рабочих тел не превышает 2 % от полученного результата эксергетической эффективности. Для исследуемых схем на примере хладагента R245FA построены диаграммы Грассмана – Шаргута. Эксергетический анализ показывает, что промежуточный перегрев при термодинамически оптимальных параметрах рабочего тела перед частями высокого и низкого давления турбины приводит к снижению потерь эксергии в котле-утилизаторе, значительному увеличению регенерации в теплообменном аппарате, увеличению потерь эксергии в насосе и их перераспределению в турбоагрегате, теплообменном аппарате и конденсаторе

A program has been developed for the selection, calculation and thermodynamic analysis of turbine units based on the organic Rankine cycle, which makes it possible to determine the values of the optimal parameters of the working fluid, as well as to select the working fluid with the highest exergetic efficiency for cycles on superheated steam and with intermediate overheating. The structure of the developed mathematical model for thermodynamic analysis is presented. The studies were conducted at pressures up to 20 MPa and temperatures of the working fluid in front of the turbine up to 250 °C; the temperature of the working fluid at the outlet of the condenser was 25 °C, while the maximum temperature of the working fluid at the outlet of the intermediate superheater was 250 °C. The analysis of the results showed that the use of reheating in the organic Rankine cycle – as well as in the classical (i. e. steam turbine) one – led to higher exergic efficiency of the cycle. On average, for the studied working media, the increase in exergetic efficiency at optimal parameters of the working body was 4.28 %. However, some working media significantly exceeded this result (for example, 8.14 and 6.56 % for R717 and R32, respectively) due to their thermophysical properties. The error for all low-boiling working media did not exceed 2 % of the obtained result of exergetic efficiency. Grassmann – Shargut charts were made for the studied circuits using the example of the refrigerant R245FA. Exergetic analysis demonstrated that intermediate overheating at thermodynamically optimal parameters of the working media before the high and low pressure parts of the turbine causes a decrease in exergy losses in the heat recovery boiler, a significant increase in regeneration in the heat exchanger, an increase in exergy losses in the pump and their redistribution in the turbine unit, heat exchanger and condenser.

органический цикл Ренкинахладагенттермодинамическая эффективностьэксергетический анализдиаграммы Грассмана – Шаргутапромежуточный перегревпотенциал разрушения озонового слоянизкокипящее рабочее телотурбоагрегатнизкопотенциальная энергияorganic Rankine cyclerefrigerantthermodynamic efficiencyexergetic analysisGrassmann – Shargut chartsintermediate overheatingozone layer destruction potentiallowboiling working mediaturbine unitlow-potential energyReferencesПрименение турбодетандера в паросиловых установках для утилизации тепловой энергии в системах теплоснабжения / Р. А. Садыков [и др.] // Теплоэнергетика. 2016. № 5. С. 56–62. https://doi.org/10.1134/S0040363616030115.Sadykov R. A., Daminov A. Z., Solomin I. N., Futin V. A. (2016) Use of a Turboexpander in Steam Power Units for Heat Energy Recovery in Heat Supply Systems. Thermal Engineering, 63 (5), 360–366. https://doi.org/10.1134/S0040601516030113.Ключинский, В. П. Тригенерационные турбодетандерные установки на основе низкокипящих рабочих тел / В. П. Ключинский, А. В. Овсянник // Беларусь в современном мире: материалы XII Междунар. науч. конф. студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых, Гомель, 16–17 мая 2019 г. / под общ. ред. В. В. Кириенко. Гомель: ГГТУ им. П. О. Сухого, 2019. С. 329–331.Kliuchinski V. P., Ovsyannik A. V. (2019) Trigeneration Turbo-Expander Units Based on Low-Boiling Working Fluids. Belarus' v Sovremennom Mire: Materialy XII Mezhdunar. Nauch. Konf. Studentov, Magistrantov, Aspirantov i Molodykh Uchenykh, Gomel', 16–17 Maya 2019 g. [Belarus in the Modern World: Materials of the XII International Scientific Conference of Students, Undergraduates, Postgraduates and Young Scientists]. Gomel, Sukhoi State Technical University of Gomel, 329–331 (in Russian).Technical, Economical and Market Review of Organic Rankine Cycles for the Conversion of Low-Grade Heat for Power Generation / F. Velez [et al.] // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2012. Vol. 16, Iss. 6. P. 4175–4189. https://doi.org/10.1016/j.rser.2012.03.022.Velez F., Segovia J. J., Martín M. C., Antolín G., Chejne F., Quijano A. (2012) Technical, Economical and Market Review of Organic Rankine Cycles for the Conversion of Low-Grade Heat for Power Generation. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16 (6), 4175–4189. https://doi.org/10.1016/j.rser.2012.03.022.Белов, Г. В. Органический цикл Ренкина и его применение в альтернативной энергетике / Г. В. Белов, М. А. Дорохова // Наука и образование: науч. изд. МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2014. № 2. C. 99–124.Belov G. V., Dorokhova M. A. (2014) Renkin's Organic Cycle and its Application in Alternative Power Engineering. Nauka i Obrazovanie: Nauch. Izd. MGTU im. N. E. Baumana = Science & Education: Scientific Edition of Bauman MSTU, (2), 99–124 (in Russian).Techno-Economic Survey of Organic Rankine Cycle (ORC) Systems / S. Quoilin [et al.] // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2013. Vol. 22. P. 168–186. https://doi.org/10.1016/j.rser.2013.01.028.Quoilin S., Van den Broek M., Declaye S., Dewallef P., Lemort V. (2013) Techno-Economic Survey of Organic Rankine Cycle (ORC) Systems. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 22, 168–186. https://doi.org/10.1016/j.rser.2013.01.028Генерация холода с применением детандер-генераторных агрегатов / А. В. Клименко [и др.] // Теплоэнергетика. 2016. № 5. C. 37–44. https://doi.org/10.1134/S0040363616050039.Klimenko A. V., Agababov V. S., Koryagin A. V., Baidakova Yu. O. (2016) Refrigeration Generation Using Expander-Generator Units. Thermal Engineering, 63 (5), 342–348. https://doi.org/10.1134/S0040601516050037.Схемы тригенерационных установок для централизованного энергоснабжения / А. В. Клименко [и др.] // Теплоэнергетика. 2016. № 6. C. 36–43. https://doi.org/10.1134/S0040363616060047.Klimenko A. V., Agababov V. S., Il’ina I. P., Rozhnatovskii V. D., Burmakina A. V. (2016) Layouts of Trigeneration Plants for Centralized Power Supply. Thermal Engineering, 63 (6), 414–421. https://doi.org/10.1134/S0040601516060045.Особенности комбинированного производства электроэнергии, тепла и холода на базе парогазовой установки / А. В. Клименко [и др.] // Теплоэнергетика. 2015. № 3. C. 11–15. https://doi.org/10.1134/S0040363615030042.Klimenko A. V., Agababov V. S., Rogova A. A., Tideman P. A. (2015) Specific Features of Combined Generation of ElectricPower, Heat, and Cold by Combined-Cycle Plants. Thermal Engineering, 62 (3), 166–170. https://doi.org/10.1134/S0040601515030039.Овсянник, А. В. Тригенерация энергии в турбодетандерных установках на диоксиде углерода / А. В. Овсянник // Современные проблемы машиноведения: материалы XII Междунар. науч.-техн. конф., 22–23 нояб. 2018 г. Гомель: ГГТУ им. П. О. Сухого, 2018. С. 237–239.Ovsyannik A. V. (2018) Trigeneration of Energy in Turbo-Expander Installations on Carbon Dioxide. Sovremennye Problemy Mashinovedeniya: Materialy XII Mezhdunar. Nauch.-Tekhn. Konf., 22–23 Noyab. 2018 g. [Modern Problems of Theoretical Engineering: Materials of the XII International Scientific Conference, 22–23 November, 2018]. Gomel, Sukhoi State Technical University of Gomel, 237–239 (in Russian).Тригенерация энергии в турбодетандерных установках на диоксиде углерода / А. В. Овсянник [и др.] // Вестник ГГТУ им. П. О. Сухого. 2019. № 2. С. 41–51.Ovsyannik A. V., Valchenko N. A., Kovalchuk P. A., Arshukov A. I. (2019) Trigeneration of Energy in Carbon Dioxide Turbo-Expander Plants. Vestnik GGTU imeni P. O. Sukhogo = Bulletin of the Sukhoi State Technical University of Gomel, (2), 41–51 (in Russian).Овсянник, А. В. Турбодетандерная установка на диоксиде углерода с производством жидкой и газообразной углекислоты / А. В. Овсянник // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2019. Т. 62, № 1. С. 77–87. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2019-62-1-77-87.Ovsyannik A.V. (2019) Carbon Dioxide Turbine Expander Plant Producing Liquid and Gaseous Carbon Dioxide. Enеrgеtika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energetiche-skikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 62 (1), 77–87. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2019-62-1-77-87 (in Russian).Trigeneration Units on Carbon Dioxide with Two-Time Overheating with Installation of Turbo Detainderand Recovery Boiler / A. V. Ovsyannik [et al.] // Journal of Physics: Conference Series. 2020. Vol. 1683. No 042010.Ovsyannik A. V., Kovalchuk P. A., Arshukov A. I., Klyuchinski V. P. (2020) Trigeneration Units on Carbon Dioxide with Two-Time Overheating with Installation of Turbo Detainder and Recovery Boiler. Journal of Physics: Conference Series, 1683, No 042010.Щегляев, А. В. Теория теплового процесса и конструкции турбин: в 2 кн. Кн. 1 / 6-е изд., перераб. и подгот. к печати Б. М. Трояновским. М.: Энергоатомиздат, 1993. 384 с.Shcheglyaev A. V. (1993) Theory of Thermal Process and Turbine Design. Moscow, Energoatomizdat Publ. 384 (in Russian).Овсянник, А. В. Термодинамический анализ озонобезопасных низкокипящих рабочих тел для турбодетандерных установок / А. В. Овсянник, В. П. Ключинский // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2020. Т. 63, № 6. С. 554–562. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2020-63-6-554-562.Ovsyannik A. V., Kliuchinski V. P. (2020) Thermodynamic Analysis of Ozone-Safe Low Boiling Working Media for Turbo-Expander Plants. Enеrgеtika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 63 (6), 554–562. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2020-63-6-554-562 (in Russian).Ovsyannik, A. V. Thermodynamic Analysis and Optimization of Low-Boiling Fluid Parameters in a Turboexpander / A. V. Ovsyannik, V. P. Kliuchinski // Journal of Physics: Conference Series. 2020. Vol. 1683. No 042005.Ovsyannik, A. V., Kliuchinski V. P. (2020) Thermodynamic Analysis and Optimization of Low-Boiling Fluid Parameters in a Turboexpander. Journal of Physics: Conference Series, 1683, No 042005.Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент / под общ. ред. В. А. Григорьева, В. М. Зорина. 2-е изд., перераб. М.: Энергоатомиздат, 1988. 560 с.Grigoriev V. A., Zorin V. M. (1988) Theoretical Foundations of Heat Engineering. Heat Engineering Experiment. 2nd Ed. Moscow, Energoatomizdat Publ. 560 (in Russian).Овсянник, А. В. Разработка компьютерной программы для оптимизации параметров низкокипящего рабочего тела в турбодетандерной установке / А. В. Овсянник, В. П. Ключинский // Вестник ГГТУ им. П. О. Сухого. 2020. № 3–4. С. 108–115.Ovsyannik A. V., Kliuchinski V. P. (2020) Development of a Computer Program for Optimizing the Parameters of a Low-Boiling Working Fluid in a Turbo-Expander Installation. Vestnik GGTU imeni P. O. Sukhogo = Bulletin of the Sukhoi State Technical University of Gomel, (3–4), 108–115 (in Russian).Бродянский, В. М. Эксергетический метод термодинамического анализа / В. М. Бродянский. М.: Энергия, 1973. 295 с.Brodyanskii V. M. (1973) Exergetic Method of Thermodynamic Analysis. Moscow, Energiya Publ. 295 (in Russian).Бродянский, В. М. Эксергетический метод и его приложения / В. М. Бродянский, В. Фратшер, К. Михалек; под ред. В. М. Бродянского. М.: Энергоатомиздат, 1988. 288 с.Brodyanskii V. M. [et al.] (1988) Exergetic Method and its Applications. Moscow, Energoatomizdat Publ. 288 (in Russian).Шаргут, Я. Эксергия / Я. Шаргут, Р. Петела. М.: Энергия, 1968. 280 с.Szargut Y., Petela R. (1968) Exergy. Moscow, Energiya Publ. 280 (in Russian).Овсянник А. В. Турбодетандерные установки на низкокипящих рабочих телах / А. В. Овсянник, В. П. Ключинский // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2021. Т. 64, № 1. С. 65–77. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2021-64-1-65-77.Ovsyannik A. V., Kliuchinski V. P. (2020) Turbo-Expander Units on Low Boiling Working Fluids. Enеrgеtika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 64 (1), 65–77. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2021-64-1-65-77 (in Russian).

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