Small-scale power plants based on Organic Rankine Cycle (ORC) using low-boiling fluorocarbon working fluids when operating at high initial cycle conditions

Abstract

The purpose of the work is to develop and analyze the operation of a thermal circuit based on the organic Rankine cycle (ORC) using low-boiling working substances of the fluorocarbon class when operating at high initial cycle parameters. This goal is achieved by energy analysis of single- and multistage thermal circuits of power plants with a turbine circuit operating on low-boiling fluorocarbon working substances, such as octafluoropropane C3F8 and decafluorobutane C4F10. It is proposed to integrate the ORC thermal circuit as an extension to a small-capacity gas turbine power plant (GTU), operating on synthesis gas after a biomass gasifier. The most important results of the work are the possibility of implementing a cycle with a low condensation temperature of the medium, which allows, when using low-boiling working fluids, to significantly reduce the temperature of the heat removal process and, consequently, increase the efficiency of the cycle. The possibility of using the listed working substances in power plants with a turbine circuit, which until now have been used mainly as refrigerants for refrigeration and heat pump systems, has been shown. The significance of the results of the work lies in the fact that, based on the analysis of the energy complex, a circuit solution has been proposed and justified that can increase the energy efficiency of the power supply complex, increasing the volume of generated electrical power and providing a number of technological and environmental advantages.

Scopul lucrării este de a elabora și analiza funcționarea unui circuit termic bazat pe ciclul organic Rankine (ORC) folosind substanțe de lucru cu punct de fierbere scăzut din clasa fluorocarbonilor atunci când funcționează la parametri inițiali de ciclu mari. Acest obiectiv este atins prin analiza energetică a circuitelor termice cu o singură treaptă și mai multe etape ale centralelor electrice cu un circuit de turbină care funcționează pe substanțe de lucru fluorocarbon cu punct de fierbere scăzut, cum ar fi octafluoroprop-pane C3F8 și decafluorobutan C4F10. Se propune integrarea circuitului termic ORC ca extensie la o centrală electrică cu turbină cu gaz de mică capacitate (GTU), care funcționează pe gaz de sinteză după un gazeificator de biomasă. Cele mai importante rezultate ale lucrării sunt posibilitatea implementării unui ciclu cu o temperatură scăzută de condensare a mediului, care permite, la utilizarea fluidelor de lucru cu punct de fierbere scăzut, reducerea semnificativă a temperaturii procesului de îndepărtare a căldurii și, în consecință, creșterea eficienta ciclului. S-a arătat posibilitatea utilizării substanțelor de lucru enumerate în centralele electrice cu circuit de turbină, care până în prezent au fost utilizate în principal ca agenți frigorifici pentru sistemele de refrigerare și pompe de căldură. Semnificația rezultatelor lucrării constă în faptul că, pe baza analizei complexului energetic, a fost propusă și justificată o soluție de circuit care poate crește eficiența energetică a complexului de alimentare cu energie, crescând volumul de energie electrică generată și oferind o serie de avantaje tehnologice și de mediu.

Целью работы является разработка и анализ работы тепловой схемы на базе органического цикла Ренкина (ОЦР) с использованием низкокипящих рабочих веществ фторуглеродного класса при работе на высоких начальных параметрах цикла. Поставленная цель достигается путем решения задачи энергетического анализа одно- и многокаскадных тепловых схем энергетических установок с турбинным контуром, работающим на низкокипящих рабочих веществах фторуглеродного состава, таких как октафторпропан C3F8 и декафторбутан C4F10. Предлагается интеграция тепловой схемы ОЦР в качестве пристройки к газотурбинной энергетической установке (ГТУ) небольшой мощности, работающей на синтез-газе после газификатора биомассы. Наиболее важным результатом работы является доказательство возможности реализации цикла с низкой температурой конденсации среды, что позволяет при использовании низкокипящих рабочих тел существенно снизить температуру процесса отвода теплоты и, следовательно, повысить КПД цикла. Проанализирована эффективность подобных комплексов и в летние периоды, когда температура достигает максимальных значений (30°С и более градусов). Показана возможность применение перечисленных рабочих веществ в энергетических установках с турбинным контуром, которые до настоящего времени использовались в основном в качестве хладагентов холодильных и теплонасосных установок. Результаты и новизна работы были достигнуты благодаря тому, что комплекс экспериментальных и расчетных работ, проведенных авторами за последние годы, позволил пополнить базы теплофизических свойства рабочих веществ в области средних и высоких температур, получить уравнения состояния и построить расчетные модели, необходимые для анализа циклов и процессов, именно, энергетических установок. Значимость результатов работы заключается в том, что на основании произведенного анализа энергетического комплекса, предложено и обосновано схемное решение, способное повысить энергетическую эффективность комплекса электроснабжения, увеличив объем вырабатываемой электрической мощности и обеспечив ряд технологических и экологических преимуществ.