energyЭнергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГENERGETIKA. Proceedings of CIS higher education institutions and power engineering associations1029-74482414-0341BNTU10.21122/1029-7448-2022-65-3-263-275energy-2166Research ArticleТЕПЛОЭНЕРГЕТИКАНEAT POWER ENGINEERINGТригенерационные турбоустановки на основе низкокипящих рабочих телTrigeneration Turbine Units Based on Low Boiling Working FluidsОвсянникА. B.OvsyannikA. V.

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

Address for correspondence: Ovsyannik Anatolii V. –Sukhoi State Technical University of Gome,l 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 GomelBelarus202203062022653263275Copyright © 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/2166

Представлено описание разработанной программы, позволяющей моделировать, термодинамически оптимизировать и производить эксергетический анализ более чем ста различных схем тригенерационных турбоустановок на основе низкокипящих рабочих тел. С помощью программы произведен эксергетический анализ шести схем тригенерационных турбоустановок на органическом цикле Ренкина: на перегретом паре с парокомпрессионной холодильной установкой; с промежуточным перегревом рабочего тела и парокомпрессионной холодильной установкой; на перегретом паре с холодильной установкой с производством углекислоты; с промежуточным перегревом рабочего тела и холодильной установкой с производством углекислоты; на перегретом паре с холодильной установкой с производством углекислоты и охлаждением конденсатора турбоустановки жидкой углекислотой; с промежуточным перегревом рабочего тела, холодильной установкой с производством углекислоты и охлаждением конденсатора турбоустановки жидкой углекислотой. В качестве источника энергии для перечисленных схем использована газотурбинная установка. Изучена возможность применения получаемой жидкой углекислоты для охлаждения конденсатора турбоустановки на органическом цикле Ренкина. Проведен сравнительный анализ двух методов получения холода (при помощи парокомпрессионной холодильной установки и холодильной установки с производством углекислоты) для использования в схемах тригенерации. Исследования базировались на методе эксергетического анализа, результаты которого представлены в виде укрупненных диаграмм Грассмана – Шаргута. Проведен технико-экономический анализ применения промежуточного перегрева в органическом цикле Ренкина, в качестве рабочего тела использовался озонобезопасный фреон R245FA. Сформулированы рекомендации по применению исследованных схем тригенерации на органическом цикле Ренкина.  

A program that allows modeling, thermodynamically optimizing and performing exergetic analysis of more than a hundred different variations of the schemes of trigeneration turbine units based on low-boiling working fluids. With the aid of the program that had been developed, an exergetic analysis of six schemes of trigeneration turbine units on the organic Rankine cycle was performed, viz. on an overheated steam with a steam compression refrigeration unit; with an intermediate overheating of the working fluid and a steam compression refrigeration unit; on an overheated steam with a refrigeration unit with carbon dioxide production; with an intermediate overheating of the working fluid and a refrigeration unit with carbon dioxide production; on an overheated steam with a refrigeration unit with production carbon dioxide and cooling of the turbine condenser with liquid carbon dioxide; with intermediate overheating of the working fluid, a refrigeration unit with carbon dioxide production and cooling of the turbine unit condenser with liquid carbon dioxide. A gas turbine unit was used as an energy source for the above-mentioned schemes. The possibility of using the resulting liquid carbon dioxide to cool the condenser of a turbine unit on an organic Rankine cycle has been studied. A comparative analysis of two methods of obtaining cold (using a steam compression refrigeration unit and a refrigeration unit with carbon dioxide production) for use in trigeneration schemes has been carried out. The research was based on the method of exergetic analysis, the results of which are presented in the form of enlarged Grassmann – Shargut diagrams. A technical and economic analysis of the use of intermediate overheating in the organic Rankine cycle has been carried out, ozone-safe freon R245FA was used as the working fluid. Recommendations for the application of the studied trigeneration schemes on the organic Rankine cycle are formulated.  

органический цикл Ренкинанизкокипящее рабочее телопроизводство углекислотыэксергетический анализповышение эффективноститригенерацияхладагентохлаждение конденсатора углекислотойоптимизациясхема тригенерациидиаграмма Грассмана – Шаргутаorganic Rankine cyclelow-boiling working fluidcarbon dioxide productionexergetic analysisefficiency improvementtrigenerationrefrigerantcooling of the condenser with carbon dioxideoptimizationtrigeneration schemeGrassmann – Shargut diagramReferencesСхемы тригенерационных установок для централизованного энергоснабжения / А. В. Клименко [и др.] // Теплоэнергетика. 2016. № 6. С. 36–43. https://doi.org/10.1134/S0040363616060047Klimenko A. V., Agababov V. S., Il’ina I. P., Rozhnatovskii V. D., Burmakina A. V. (2016) Schemes of Trigeneration Units for Centralized Power Supply. Thermal Engineering, 63 (6), 414–421. https://doi.org/10.1134/s0040601516060045Генерация холода с применением детандер-генераторных агрегатов / А. В. Клименко [и др.] // Теплоэнергетика. 2016. № 5. С. 37–44. https://doi.org/10.1134/S0040363616050039Klimenko A. V., Agababov V., Koryagin A., Baidakova Yu. (2016) Refrigeration Using Expander-Generator Units. Thermal Engineering, 63 (5), 342–348. https://doi.org/10.1134/s0040601516050037Кокорин, О. Я. Преимущества автономных станций для совместной выработки электроэнергии, тепла и холода / О. Я. Кокорин // Холодильная техника. 2003. № 12. С. 3–6.Kokorin O. Ya. (2003) Advantages of Autonomous Stations for Joint Generation of Electricity, Heat and Cold. Kholodil'naya tekhnika = Refrigeration Technology, (12), 3–6 (in Russian).Системы кондиционирования воздуха, отопления и вентиляции с энергоснабжением от собственного источника / О. Я. Кокорин [и др.] // Холодильная техника. 2001. № 8. С. 11–12.Kokorin O. Ya., Komissarov V. V., Kronfeld Ya. G., Bazumatov S. V. (2001) Air Conditioning, Heating and Ventilation Systems with Energy Supply from its Own Source. Kholodil'naya tekhnika = Refrigeration Technology, (8), 11–12 (in Russian).Кокорин, О. Я. Энергетические и экономические преимущества объединения автономных источников теплоснабжения зданий с источниками холодоснабжения систем кондиционирования воздуха / О. Я. Кокорин // Холодильная техника. 2003. № 1. С. 6–9.Kokorin O. Ya., Levin I.E. (2003) Energy and Economic Advantages of Combining Autonomous Heat Sources of for Buildings with Sources of Cooling for Air Conditioning Systems. Kholodil'naya tekhnika = Refrigeration Technology, (1), 6–9 (in Russian).Роль искусственного охлаждения в мировой экономике / Д. Коломб [и др.] // Холодильная техника. 2016. №1. С. 4–11.Kolomb D. (2016) The Role of Artificial Cooling in the Global Economy. Kholodil'naya tekhnika = Refrigeration Technology, (1), 4–11 (in Russian).Кудрин, Б. И. Новые тенденции в тригенерационных технологиях [Электронный ресурс] / Б. И. Кудрин, В. С. Кожиченков // Энергосовет. 2011. № 4. Режим доступа: http://www.energosovet.ru/bul_stat.php?idd=200.Kudrin B. I., Kozhichenkov B. I. (2011) New Trends in Trigeneration Technologies. Energosovet, (4). Available at: http://www.energosovet.ru/bul_stat.php?idd=200 (in Russian).Овсянник, А. В. 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 Units. Vestnik Gomel’skogo Gosudarstvennogo Tekhnicheskogo Universiteta imeni P. O. Sukhogo [Bulletin of Sukhoi State Technical University of Gomel], (2), 41–51 (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 Unit. Vestnik Gomel’skogo Gosudarstvennogo Tekhnicheskogo Universiteta imeni P. O. Sukhogo [Bulletin of Sukhoi State Technical University of Gomel], (3–4), 108–115 (in Russian).Овсянник, А. В. Термодинамический анализ озонобезопасных низкокипящих рабочих тел для турбодетандерных установок / А. А. 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 Units. 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 (in Russian). https://doi.org/10.21122/1029-7448-2020-63-6-554-562Овсянник, 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 Unit Producing Liquid and Gaseous Carbon Dioxide. Enеrgеtika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 62 (1), 77–87 (in Russian). https://doi.org/10.21122/1029-7448-2019-62-1-77-87Садыков, Р. А. Применение 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/s0040363616030115Sadykov 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/S0040601516030113Optimal Performance Characteristics of Subcritical Simple Irreversible Organic Rankine Cycle / W. Chen [et al.] // Journal of Thermal Science. 2018. Vol. 27, N 6. P. 555–562. https://doi.org/10.1007/s11630-018-1049-5Chen W. J., Feng H. J., Chen L. G., Xia S. J. (2018) Optimal Performance Characteristics of Subcritical Simple Irreversible Organic Rankine Cycle. Journal of Thermal Science, 27 (6), 555–562. https://doi.org/10.1007/s11630-018-1049-5Trigeneration Units on Carbon Dioxide with Two-Time Overheating with Unit of Turbo Detainder and Recovery Boiler / A. V. Ovsyannik [et al.] // Journal of Physics: Conference Series. 2020. Vol. 1683. No 042010. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1683/4/042010Ovsyannik A. V., Kovalchuk P. A., Arshukov A. I., Klyuchinski V. P. (2020) Trigeneration Units on Carbon Dioxide with Two-Time Overheating with Unit of Turbo Detainder and Recovery Boiler. Journal of Physics: Conference Series, (1683), № 042010. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1683/4/042010Ovsyannik, 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. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1683/4/042005Ovsyannik A. V., Kliuchinski V. P. (2020) Thermodynamic Analysis and Optimization of Low-Boiling Fluid Parameters in a Turboexpander. Journal of Physics: Conference Series, 1683, 042005. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1683/4/042005Овсянник, 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/10.21122/1029-7448-2021-64-1-65-77Ovsyannik A. V., Kliuchinski V. P. (2021) 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 (in Russian). https://doi.org/10.21122/1029-7448-2021-64-1-65-77Гафуров, А. М. Перспективные области применения энергетических установок на низкокипящих рабочих телах / А. М. Гафуров // Вестник Казан. гос. энергет. ун-та. 2015. № 1. С. 93–98.Gafurov A. M. (2015) Promising Areas of Application of Power Units on Low-Boiling Working Bodies. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo energeticheskogo universiteta = Bulletin of the Kazan State Power Engineering University, (1), 93–98 (in Russian).Тарасов, С. А. Газотурбинная установка малой мощности с утилизацией теплоты в контуре с низкокипящим рабочим телом / С. А. Тарасов, В.А. Фомин // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2017. T. 23, № 1. С. 61–68.Tarasov S. A., Fomin V. A. (2017) Gas-Turbine Unit of Small Capacity with Heat Utilization in a low Boiling Fluid Circuit. Nauchno-tekhnicheskie vedomosti SPbGPU = St. Petersburg Polytechnic University Journal of Engineering Sciences and Technology, 23 (1), 61–68 (in Russian).Белов, Г. В. Органический цикл Ренкина и его применение в альтернативной энергетике / Г. В. Белов, М. А. Дорохова // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2014. № 2. С. 99–124.Belov G. V., Dorokhova M. A. (2014) Renkin's Organic Cycle and its Application in Alternative Power Engineering. Nauka i Obrazovanie. MGTU im. N.E. Baumana = Science and Education of the Bauman MSTU, (2), 99–124 (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., Fratsher V., Mikhalek K.; Ed. by V. M. Brodyanskii (1988) Exergetic Method and its Applications. Moscow, Energoatomizdat Publ. 288 (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).Сажин, Б. С. Эксергетический анализ работы промышленных установок / Б. С. Сажин, А. П. Булеков, В. Б. Сажин. М.: Моск. гос. текстильн. ун-т им. А. Н. Косыгина, 2000. 297 с.Sazhin B. S., Bulekov A. P., Sazhin V. B. (2000) Exergetic Analysis of the Work of Industrial Units. Moscow, A. N. Kosygin Moscow State Textile University. 297 (in Russian).Теоретичесие основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент / под общ. ред. В. А. Григорьева, В. М. Зорина. 2-е изд., перераб. М.: Энрегоатомиздат, 1988. 560 с.Grigorieva V. A., Zorina V. M. (1988) Theoretical Foundations of Heat Engineering. Thermal Engineering Experiment. Moscow, Energoatomizdat Publ. 560 (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).Organic Rankine Cycle Systems: A Techno-Economic Overview / V. Broek [et al.] // European Metallurgical Conference. 2013. P. 833–844.Broek V., Quoilin S., Declaye S., Lemort V. (2013) Organic Rankine Cycle Systems: A Techno-Economic Overview. Proceedings of European Metallurgical Conference, Weimar, 833–844.Самоявчев, И. С. Оценка экономических показателей проекта применения ОЦР-установок в окрасочных цехах автомобильного производства Горьковского автомобильного завода / И. С. Самоявчев // Интеллектуальная электротехника. 2018. № 4. С. 35–42.Samoyavchev I. S. (2018) Estimation of economic indicators of the project of application of CRO-units in the paint units of Gorky Automobile Unit. Intellektual'naya elektrotekhnika = Smart Electrical Engineering, (4), 35–42 (in Russian).

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