Коллеги, все причастные - с днем энергетика. Пусть энергии хватает всегда и на все!
Много лет назад, в 2014 году занимался я проектированием системы электроснабжения одного деревообрабатывающего завода. И там технологией предусматривалась экзотика — турбина, работающая по циклу Ренкена с органическим рабочим телом (ОРЦ). Ну как экзотика — в европейских далях это все аж с 80-х годов активно развивалось и продвигалось в рамках развития малой (частной) энергетики и поиска новых экологических видов топлива. С другой стороны — а какая у нас малая частная энергетика? Тут одна знакомая котельная теплогенерирующая компания решила поставить себе несколько турбин для увеличения прибыли диверсификации, так уже несколько лет не может решить проблемы их подключения к сетям и продажи честно попутно сгенерированной электроэнергии.
О чем речь
Чего я вообще об этом случае вспомнил-то? Так начали у нас такие штуки активно предлагать на рынке, как панацею от низкого КПД. Рекламируют, как не в себя. И так она умеет, и этак. В общем, ведут себя как те важные итальянцы, что оборудование свое тогда в проект и запихали. Погуглил я про недостатки технологии, да нашел очень скромную информацию. Термомасло дорогое, а иногда вредное для окружающей среды. Заявленная эффективность падает при перепадах давления в теплообменниках, да большой разнице температур между рабочей жидкостью и источником (а также потребителем) тепла. Причем так падает, что при большой установленной мощности потребителей (ну, где нужна большая энергия) и высокой температуре источника тепла (например, дымовых газов), традиционные решения на базе паровых турбин более эффективны. Действительно, все работающие установки, которые предъявляются будущим «счастливым» покупателям, малой мощности.
Если долго смотреть на схему из презентационных материалов к проекту, то можно увидеть, как схема глядит на тебя еще одну штуку, но это если приглядываться и предварительно ознакомиться с физикой процесса.
Итак, у вас есть котел, в котором греется термическое масло. Такой котел обычно называется ТМУ (термомасляная установка). Термическое масло нагревает и испаряет органическую рабочую жидкость в испарителе ОРЦ-модуля. Можно использовать классический водогрейный котел, что будет выполнять роль источника тепла, но это, ясен пень, менее эффективно.
Испаренная рабочая жидкость вращает турбину специальной конструкции с электрогенератором. С выхода турбины она поступает в регенератор, нагревая рабочую жидкость перед испарителем, затем в конденсаторе конденсируется в жидкое состояние. Через конденсатор проходит сетевая вода, если у нас эта самая когенерация, которая после нагрева уходит к потребителям тепла. Иначе, вода нам нужна уже охлаждающая, циркулирующая в замкнутом контуре через систему охладителей (например, сухих или мокрых градирен). С конденсатора рабочая жидкость с помощью насоса поступает через регенератор в испаритель, замыкая этот длинный цикл.
В общем, на представленной схеме электрическая энергия утекает в сеть, что иллюстрирует цельная опора электропередач. А сеть по определению — совокупность источников и потребителей электрической энергии. Многих источников и потребителей. Запомним это.
Зачем такое придумали? Ну если отбросить мишуру про экологичность (вроде замкнутый цикл как бы намекает, но сама рабочая жидкость может быть той еще гадостью), то смысл в том, что мы можем при использовании низкопотенциального тепла (низкие давление и температура источника) получать электроэнергию с относительно высоким КПД за счет термодинамических свойств органической жидкости и низких потерь в процессе цикла. ОРЦ-модули вон даже на геотермальные источники прикрутили (источник тепла — геотермальная жидкость) и к солнечным установкам (концентраторы используются в качестве источника тепла). Оборудование в целом получается не то, чтобы простым (хотя такое и декларируется), однако работает в щадящих режимах: низкие скорости вращения вала турбины, отсутствие эрозии металла и т. д. Это обеспечивает большой ресурс установки и уменьшает эксплуатационные затраты. Ну теоретически.
С чем столкнулся
Еще ничего не подозревая, стал знакомиться с технологическим проектом. Знакомиться, это, конечно, я сильно написал. Информацию приходилось выбивать по крупицам. Вот дошли до генерации, под которую требуется выполнить генераторное распределительное устройство, а для этого надо сначала понять, как там все устроено.
Пишу запросы, а в ответ тишина. Подключаю конечного заказчика — присылают какую-то общую хрень, из которой ничего непонятно. Снова пишу — сужая поле запроса. Ну, когда плавно переходишь от «пришлите ваше решение в электрической части», до «срочно вышлете данные генератора и паспорта на вспомогательное комплектное оборудование».
Ура, есть спецификация, где генератор 4,5 МВт числится… та-дам… асинхронным. Для неспециалистов поясню: это такой генератор, который работает только параллельно с внешней сетью. Он ею как бы подхватывается, она же обеспечивает ему реактивную мощность для возбуждения. Причем полная мощность внешней сети должна быть сильно значительнее, иначе фиг его к ней подключишь, так как точно синхронизировать такую машину с сетью не получится в связи с отсутствием рабочих органов для этого. Асинхронный генератор относительно прост, дешев, но получить от него требуемого качества электроэнергию в автономном режиме нельзя. А зачем нам некачественная электроэнергия, от которой кони дохнут легко выходит из строя дорогущее технологическое оборудование?
Так случилось, что еще больше лет назад я занимался автоматикой паровинтовых машин (ПВМ), на которые ставили небольшие асинхронные генераторы 500-1500кВт —такое себе приключение, но хотя бы технические решения прорабатывались, некоторое время изделие даже работало. Пришлось тогда изучить вопрос.
В условиях же удаленности предприятия от цивилизации с внешней сетью (да, той самой, где много диких источников и потребителей, в которой крутятся ГВт энергии, где асинхронная машина как слону дробинка) были небольшие неприятности. В технических условиях от местной сетевой компании же, где с барской руки выделили несколько МВт, генерация допускалась только в островном режиме.
Короче, после скандала, когда улеглись страсти и безумные предложения, типа «пусть заказчик поставит много-много дизель-генераторов для создания своей собственной внешней сети» (я не шучу), началось конструктивное обсуждение. И свелось оно к тому, что надо ставить синхронный генератор.
Причем, так как деньги за генератор иностранцы уже пропили освоили, то лучше, этим вопросом заниматься совместно, чтобы разделить потери, вину и ответственность в случае чего.
Когда стал я подбирать отечественный генератор, то поехал на соответствующий завод. Где меня реально загрузили. Это ведь мы привыкли блоком покупать, где турбина и генератор счастливы вместе. А тут пришлось работать передастом коммутатором технической информации между разными заводами, один из которых делает вид, что не понимает русского технического английского. Столько нового и интересного узнал в процессе... Тут и выяснилось пренеприятнейшие для конечного заказчика известие. Прикрутить синхронный генератор к ОРЦ турбине, конечно, можно. Но работать в автономном режиме, да еще в связке с твердотопливной ТМУ (да и котельной) данный набор не будет.
ОРЦ-турбина, которая не предназначена для автономной генерации электроэнергии промышленным потребителям
Все дело в том, что электрическая нагрузка у промышленного предприятия резкопеременная. Цельная технологическая линия в один момент может работать, а в другой — нет. Скачки туда-сюда довольны значительные. А в турбину, напомню, заливают хоть и испаренную, но жидкость (молекулы там другого размера). И быстро отреагировать на изменение нагрузки регулирующая арматура не успевает. Даже больше скажу — там вообще с регулированием туго.
Другие иностранцы, которые как бы все это замутили, изучили вопрос. Причем, так как от решения зависело, получат ли они презренный метал, то делали это не формально. Короче, там на входе в турбину идет труба около 400 мм и стоит регулирующий поворотный дисковый затвор, приводимый в движение пневмоприводом. Есть еще предохранительный и байпасный, но эти не по этой части.
Время открытия/закрытия регулирующей арматуры 13-16 секунд (без учета скорости реакции системы управления на сброс/наброс нагрузки), что очень долго. Но и это еще не все. Если открыть клапан на 20% работа оборудования становится нестабильной и может накрыть все к чертям. Открытие клапана на 10% и менее не допускается. А фишка в том, что зависимость генерируемой мощности от степени открытия арматуры нелинейная.
Рассмотрели даже вариант замены типа клапана, установку пневмоусилителя — можно открывать/закрывать его быстрее на пару секунд, что общей погоды не делает. А еще твердотопливная топка, которая не может в одно мгновение прекратить генерировать тепловую энергию. В общем засада.
Ну после длительного совместного поиска выхода из тупика, его, конечно, мы придумали. С физической точки зрения система заработала. Если есть специалисты, они могут угадать предложить решение. Однако, проблема в том, что вся эффективность системы ушла коту под хвост. В убыток не уйдет только за счет дармового биотоплива, которое для предприятия отходы и бесплатно. Но окупаться такая генерация будет очень долго. Любое классическое решение было бы лучше.
Такая история.
Источники, дополнительная информация:
1. Презентационные материалы одной итальянской компании
2. «ORC-системы: назначение, принцип действия, преимущества»: https://tica.ru/articles/orc-sistemy-naznachenie-printsip-deystviya-preimushchestva/
3. Любомир Янчошек, Петер Кунц – Engul, s.r.o. Martin и др. Органический цикл Ренкина: использование в когенераци: http://www.turbine-diesel.ru/node/4078
Ознакомиться с содержанием журнала.
Уважаемые коллеги, желаю хорошего дня. Подписывайтесь, чтобы иметь возможность обсудить со мной вашу задачу в комментариях. Буду рад лайку, альтернативному мнению или истории по теме статьи.
ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ №1: Оценки, суждения и предложения по рассматриваемым вопросам являются личным мнением автора.
ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ №2: Техническая информация, представленная на сайте, не является официальной и предоставлена только в целях ознакомления. Владелец сайта не несет никакой ответственности за риски, связанные с использованием информации, полученной из данного источника.
Все изображения, если не указано иное, либо выполнены автором, либо взяты из открытых источников.