Турбогенераторы с циклом Ренкина: решения для утилизации отходящего тепла

Никола Розетти – компания «Турбоден С.р.л.» (ГК «Мицубиси Хэви Индастриз Лтд.»)
А. Д. Бисикало – представительство «Мицубиси Хэви Индастриз Лтд.», Москва

Сегодня особое значение для многих отраслей промышленности приобретает энергоэффективность, что на практике означает оптимизацию промышленных процессов, снижение негативного воздействия на окружающую среду и, в конечном итоге, более высокую конкурентоспособность.
Бесспорно, важнейшим направлением повышения энергоэффективности является утилизация отходящего тепла, а одно из наиболее перспективных решений в этой области на данный момент – использование технологии органического цикла Ренкина (ОЦР), превращающей остаточное, низкопотенциальное тепло в электроэнергию.
Утилизация тепла с помощью ОЦР-технологии находит применение, прежде всего, в энергоемких отраслях, таких как цементная и сталелитейная, производство стекла и лесопереработка. Эти отрасли промышленности, как правило, являются локомотивами роста всей экономики и потому имеют особое значение для повышения конкурентоспособности всех видов продукции.
Итальянская компания «Турбоден», принадлежащая группе компаний «Мицубиси Хэви Индастриз Лтд.», проектирует и производит турбогенераторы на базе ОЦР с 1980 года.
На текущий момент парк установок «Турбоден» превышает 300 электростанций по всему миру и имеет совокупную наработку более 6,5 млн часов и 7300 ГВт·ч произведенной электроэнергии. Модельный ряд установок варьируется от 200 кВт до 15 МВт, при этом возможна реализация проектов с несколькими разными турбинами в рамках одной системы.
Основным различием между ОЦР и циклом Ренкина–Клаузиуса (обычная паровая турбина) является рабочее тело. В классической паровой турбине в качестве рабочего тела используется водяной пар. В установке с применением ОЦР водяной пар заменяется органическими телами с более низкой температурой кипения и высокой молекулярной массой. Таким образом, термодинамические процессы также происходят при более низких температурах.
Технология ОЦР использует замкнутый контур, полностью защищенный от утечек. Рабочее тело, проходя через теплообменники системы, нагревается и достигает парообразного состояния в испарителе. Далее пар приводит в действие турбину, которая обычно напрямую соединена с электрогенератором, а после этого конденсируется за счет теплообмена с охлаждающей средой – воздухом в системах воздушного охлаждения или водой в системах водяного охлаждения.
Последнее особенно актуально при когенерации, когда существует потребность в горячей воде, например, для производственных процессов или жилищно-коммунальных нужд. Полученный конденсат затем закачивается с помощью насоса обратно в испаритель, завершая термодинамический цикл. Для повышения КПД системы применяется рекуператор за турбиной, который использует тепло парообразного рабочего тела после турбины для подогрева жидкого рабочего тела после насоса.
На текущий момент компания «Турбоден» в общей сумме реализовала 33 проекта электростанций для утилизации отходящего тепла: 13 проектов в энергоемких отраслях, 11 проектов для утилизации дымовых газов ГТУ и поршневых двигателей, 9 – для организации процессов мусоросжигания. Эти ОЦР-системы стали оптимальным решением для конечного заказчика за счет следующих ключевых преимуществ:
•    простота в эксплуатации: полностью автономная система без присутствия персонала на площадке;
•    минимальные требования к обслуживанию: в среднем 3–5 часов в неделю, в основном для контроля основных параметров работы;
•    практически полное отсутствие воздействия на основной процесс;
•    гибкость системы: возможность следовать за изменениями объема отходящего тепла, например, при циклических процессах производства;
•    надежность: коэффициент готовности оборудования более 98 %;
•    поддержка со стороны банков в части финансирования (особенно при использовании оборудования опытных поставщиков с большим количеством референций, каким является компания «Турбоден»);
•    высокая эффективность цикла.

Основные области применения турбогенераторов на базе ОЦР
Цементное производство
При использовании технологии ОЦР для утилизации тепла и превращения его в электроэнергию в цементной отрасли энергоэффективность в пересчете на тонну произведенного клинкера повышается до 5 %.
В данном секторе промышленности установки ОЦР «Турбоден» применяются на следующих объектах:
•    электростанция мощностью 2 МВт на заводе Italcementi в Айт Баха (Марокко) для утилизации тепла печных газов (в 2014 г. станция соединена с солнечным коллектором);
•    электростанции мощностью 4 и 5 МВт на заводах компании Holcim в г.г. Алешд (Румыния) и Рогожник (Словакия), использующие тепло печных газов и потоки горячего воздуха от клинкерного холодильника.
Кроме того, в 4-м квартале 2015 г. планируется к запуску электростанция мощностью 4 МВт для компании S.C. Carpatcement Holding S.A. (группа Heidelberg) в г. Фиэни (Румыния), также утилизирующая отходящее тепло печей и клинкерного холодильника.

Производство стали и других металлов
В сталелитейной промышленности, а также при производстве и обработке других металлов существуют различные источники отходящего тепла, где возможно применение ОЦР-технологии. Такие источники могут быть условно разделены на «чистые» (в основном на базе продуктов горения метана, с относительно низким содержанием примесей) и «грязные», использование которых затруднено в связи с необходимостью учитывать содержание различных включений.
Основными процессами, где можно установить турбогенераторы ОЦР, являются:
•    процессы с большими газовыми потоками средней и низкой температуры, с высокой степенью запыленности: агломерация, коксовые печи, доменные печи;
•    цикличные процессы, с большим изменением потока и температур, с высокой степенью запыленности: конвертер, электродуговая печь;
•    утилизация тепла подогревательных печей (относительно чистые газы умеренной температуры): горячий прокат, штамповка, отжиг, закалка и отделка полосы.
•    В данной области компанией «Турбоден» реализованы следующие проекты:
•    электростанция 0,6 МВт для компании NatSteel (группа Tata Steel) в Сингапуре, утилизирующая тепло подогревательных печей линии крупносортного заготовочного стана;
•    электростанция 2,7 МВт для завода ElbeStahlwerke Feralpi в г. Риза (Германия) и электростанция 2 МВт для компании ORI Martin в г. Брешиа (Италия), которые используют тепло электродуговых печей.

Производство стекла
В процессе производства стекла используется значительное количество энергии (в основном от сжигания углеводородного топлива) для плавки сырья – силикатов. Различают два основных типа стекольной продукции: термополированное, т.е. гладкое стекло, полученное флоат-процессом, и тарное стекло (бутылки и пр.), которые изготавливаются на разном оборудовании при разных температурах. Если флоат-процесс характеризуется относительно стабильными и длительными производственными операциями, высокой температурой и чистыми отходящими газами, тарное стекло имеет большую цикличность процессов и более низкую температуру газов.
Компания «Турбоден» поставила ОЦР-установку мощностью 1,3 МВт для завода в г. Кунео (Италия), утилизирующую тепло печи для флоат-процесса. Другая установка 0,5 МВт, использующая тепло двух кислородных печей для производства тарного стекла, успешно запущена в мае текущего года, на практике доказывая целесообразность таких проектов утилизации тепла при производстве стекла всех видов.

Нефтегазовый сектор
В нефтегазовой отрасли существует множество процессов, где характеристики бросового тепла подходят для применения утилизационных установок на базе ОЦР-технологии – более 3 МВт тепловой энергии с температурой более 100 °C.
Турбогенераторы ОЦР могут использовать различные источники для когенерации электроэнергии и низкотемпературного тепла: например, попутный нефтяной газ, дымовые газы ГТУ на компрессорных станциях природного газа, горячие потоки производственных процессов нефтеи газопереработки, охлаждающие и конденсационные потоки в процессах регазификации. Особенно актуально применение ОЦР-установок на удаленных объектах, где необходимо минимизировать присутствие эксплуатирующего персонала. Обычно такая установка способна выработать от 25 % до 35 % мощности ГТУ.
Так, в Канаде компания «Турбоден» построила электростанцию на базе ОЦР мощностью 1 МВт, утилизирующую тепло газовой турбины Solar мощностью 3,5 МВт. В другом проекте, реализованном в г. Пермь, система ОЦР применена для утилизации тепла при сжигании ПНГ (в объеме около 2000 м3/ч). Электрическая мощность когенерационной установки составляет 1,8 МВт, что позволяет снизить собственное потребление объекта, а горячая вода используется в процессах нефтепереработки, включая подогрев продуктов НПЗ перед насосной группой.

Заключение
Турбогенератор, работающий на основе органического цикла Ренкина, является оптимальным решением для утилизации отходящего тепла производственных процессов, а также газотурбинных или поршневых установок в открытом цикле. Технология ОЦР, еще недавно внедрявшаяся на уровне опытно-конструкторских разработок, сегодня превратилась в проверенное и технически зрелое перспективное направление развития мировой энергетики, по праву соперничающее с традиционным паровым циклом.
Отсутствие необходимости в водоподготовке, возможность следования за цикличными технологическими процессами, стабильная продолжительная работа при низких нагрузках и перегрузках, устойчивость системы к холодному или жаркому климату и другие технические особенности были оценены уже многими крупнейшими промышленными предприятиями.
Повышение энергоэффективности с помощью технологии ОЦР имеет также значительные экономические преимущества. Простота конструкции и обслуживания, низкие эксплуатационные расходы, надежность и долговечность установки ОЦР способствуют рациональному вложению средств в производство энергии.
Референции компании «Турбоден» на территории России и Белоруссии, включая уже запущенные установки и объекты в стадии строительства, сегодня составляют 10 установок ОЦР суммарной мощностью 28 МВт.
Российский промышленный сектор является крупнейшим потребителем электроэнергии: 25 % от общего потребления, или 109,5 млн тонн условного топлива [1]. Поэтому технология ОЦР является крайне перспективной для использования в России, где существует значительный потенциал повышения энергоэффективности, энергонезависимости и, в конечном итоге, конкурентоспособности промышленности. Турбины и Дизели

Использованные источники:
1.    Доклад Группы Всемирного банка «Energy Efficiency in Russia: Untapped Reserves».