Турбодетандерные установки на низкокипящих рабочих телах

В статье изучена возможность повышения эффективности турбодетандерных циклов на низкокипящих рабочих телах (НКРТ) при помощи методов, применяемых для паровых турбин (повышение параметров рабочего тела перед турбодетандером и использование вторичного перегрева). Рассмотрены четыре схемы турбодетандерного цикла: без перегрева НКРТ, с однократным перегревом, с двукратным перегревом, с двукратным перегревом на сверхкритических параметрах. Все исследуемые циклы рассматривались с теплообменным аппаратом на выходе из турбодетандера, предназначенным для подогрева конденсата НКРТ, образовавшегося в конденсаторе турбодетандерной установки. Для изучаемых схем построены циклы в P–h-координатах. Разработана методика термодинамического анализа вышеуказанных циклов на основе эксергетического коэффициента полезного действия. Результаты исследований представлены в виде диаграмм Грассмана – Шаргута, на которых в масштабе изображены потери эксергии по элементам изучаемых циклов, а также показан положительный эффект от работы турбодетандерного цикла в виде электрической мощности. Анализ полученных результатов позволяет утверждать, что основные потери, оказывающие существенное влияние на эксергетический КПД, происходят в котле-утилизаторе. Повышение параметров НКРТ, а также использование промежуточного перегрева приводят к снижению потерь в котле-утилизаторе и, как следствие, к повышению эксергетического КПД турбодетандерного цикла. Наибольшим эксергетическим КПД из исследуемых схем обладает турбодетандерный цикл с двукратным перегревом на сверхкритических параметрах низкокипящего рабочего тела.

1. Схемы тригенерационных установок для централизованного энергоснабжения / А. В. Кли-менко [и др.] // Теплоэнергетика. 2016. № 6. C. 36–43.

2. Trigeneration Units on Carbon Dioxide With Two-Time Overheating with Installation of Turbo Detainder and Recovery Boiler / A. V. Ovsyannik [et al.] // Journal of Physics: Conference Series. 2020. Vol. 1683. № 042010. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1683/4/042010.

3. 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. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1683/4/042005.

4. Тригенерация энергии в турбодетандерных установках на диоксиде углерода / А. В. Овсянник [и др.] // Вестник ГГТУ им. П. О. Сухого. 2019. № 2. С. 41–51.

5. Овсянник, А. В. Турбодетандерная установка на диоксиде углерода с производством жидкой и газообразной углекислоты / А. А. Овсянник // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. 2019. Т. 62, № 1. С. 77–87. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2019-62-1-77-87.

6. 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.

7. Овсянник, А. В. Термодинамический анализ озонобезопасных низкокипящих рабочих тел для турбодетандерных установок // А. А. Овсянник, В. П. Ключинский // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. 2020. Т. 63, № 6. С. 554–562. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2020-63-6-554-562.

8. Heat exchange at the boiling of ozone-safe refrigerants and their oil-freon mixtures / A. V. Ovsyannik [et al.] // Journal of Physics: Conference Series. 2020. Vol. 1683. No 022012. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1683/2/022012.

9. 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, No 6. P. 4175–4189. https://doi.org/10.1016/j.rser.2012.03.022

10. Трухний, А. Д. Стационарные паровые турбины / А. Д. Трухний. М.: Энергоатомиздат, 1990. 640 с.

11. Бродянский, В. М. Эксергетический метод термодинамического анализа / В. М. Бродянский. М.: Энергия, 1973. 295 с.

12. 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.

13. Шаргут, Я. Эксергия / Я. Шаргут, Р. Петела. М.: Энергия, 1968. 280 с.