Выбор, расчет и термодинамический анализ турбоустановок на органическом цикле Ренкина

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

1. 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/S0040363616030115.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. Генерация холода с применением детандер-генераторных агрегатов / А. В. Клименко [и др.] // Теплоэнергетика. 2016. № 5. C. 37–44. https://doi.org/10.1134/S0040363616050039.

7. Схемы тригенерационных установок для централизованного энергоснабжения / А. В. Клименко [и др.] // Теплоэнергетика. 2016. № 6. C. 36–43. https://doi.org/10.1134/S0040363616060047.

8. 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.

9. 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.

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

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент / под общ. ред. В. А. Григорьева, В. М. Зорина. 2-е изд., перераб. М.: Энергоатомиздат, 1988. 560 с.

17. 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.

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

19. 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.

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

21. 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.