Wstêpne wyniki badañ prototypowego uk³adu minisi³owni z ORC
zasilanej wod¹ o temperaturze 100°C
W³adys³aw Nowak
1, Aleksandra Borsukiewicz-Gozdur
1, Piotr Klonowicz
2,
Aleksander Stachel
1, Pawe³ Hanausek
2, Wojciech Klonowicz
3Small prototype of ORC power plant fuelled by water at 100oC: first experimental results. Prz. Geol., 58: 622–625.
A b s t r a c t. A general layout and principle of operation of the power plants based on the Organic Rankine Cycle (ORC) are presented together with an overall analysis of the effectiveness of such type of installations. This is followed by a more detailed description of the ORC research installation that has been originally designed, built and successfully put into operation. Substantial part of the paper is then devoted to design assumptions of that small ORC power plant that is fuelled with hot water at the temperature of 100oC, has nomi-nal output of 22 kW and is located at the Department of Heat Engineering, West Pomeranian University of Technology in Szczecin. The R227ea organic fluid with low boiling point is used as the cycle working medium. Finally, first experimental results of the power plant tests and conclusions are given.
Keywords: geothermal energy, prototype of ORC power plant
Energetyka polska nadal oparta jest g³ównie na spala-niu wêgla – ok. 75% energii uzyskuje siê ze spalania wêgla brunatnego i kamiennego. Udzia³ Ÿróde³ odnawialnych w produkcji energii w Polsce w 2007 r. wynosi³ tylko 3,5%, na rok 2010 zak³ada siê wzrost do 7,5% (Dz.U. z 1997 r. Nr 54, poz. 348; Dz.U. z 2003 r. Nr 153, poz. 1504 z póŸniej-szymi zmianami).
Polska dysponuje znacznym potencja³em geotermal-nym, stosunkowo równomiernie roz³o¿onym na terenie kraju. W pracach Neya (1987), Soko³owskiego (1997) i Góreckiego (1996, 2001 i 2006) przedstawiono rozk³ad zasobów wód geotermalnych w zale¿noœci od po³o¿enia i uwarunkowañ geologicznych. Szacuje siê, ¿e ca³kowita wielkoœæ tych zasobów, przypadaj¹cych na Ÿród³a o niskiej i œredniej entalpii i temperaturze w granicach 25–150oC, wynosi oko³o 6600 km3. Najdogodniejsze warunki geoter-malne wystêpuj¹ na Ni¿u Polskim, Podhalu i w Sudetach. Na rycinie 1 przedstawiono mapê temperatur na g³êbokoœci 3000 m na Ni¿u Polskim (Górecki, 2006), gdzie urucho-miono dotychczas cztery instalacje wykorzystuj¹ce ciep³o wody geotermalnej do ogrzewania.
Podstawowym problemem przy wykorzystywaniu wód geotermalnych do produkcji energii elektrycznej jest w Polsce brak w³asnych doœwiadczeñ w dziedzinie projek-towania, budowy i eksploatacji instalacji z organicznym obiegiem Rankine'a (ORC – Organic Rankine Cycle). Z dotychczasowego stanu wiedzy wynika, ¿e jest to
naj-prostsza metoda konwersji energii ciep³ej wody na pr¹d elektryczny (Borsukiewicz-Gozdur, 2008). Kluczow¹ kwesti¹ w tej technologii jest dobór odpowiedniego nisko-wrz¹cego czynnika obiegowego dla danej temperatury wo-dy grzewczej w celu uzyskania optymalnych parametrów pracy turbiny przy za³o¿onej wielkoœci si³owni.
Podstawy dzia³ania si³owni opartej na ORC
Zasada dzia³ania si³owni opartej na organicznym obie-gu Rankine’a (ORC) nie ró¿ni siê istotnie od zasady dzia-³ania tradycyjnej si³owni z obiegiem wodnym. Jedyna ró¿-nica polega na tym, ¿e w tradycyjnej si³owni do wytworze-nia pary wodnej zasilaj¹cej turbinê potrzebne jest wy-sokotemperaturowe Ÿród³o ciep³a (kocio³ opalany wêglem, gazem itp.), podczas gdy w si³owni z ORC zamiast wody stosowany jest czynnik niskowrz¹cy, najczêœciej organicz-ny, którego parê (do zasilania turbiny) mo¿na otrzymaæ przy u¿yciu niskotemperaturowego Ÿród³a ciep³a, np. wy-miennika gor¹ca woda-czynnik niskowrz¹cy. Zagadnienie optymalnego doboru czynnika organicznego wykracza po-za ramy niniejszego artyku³u, nale¿y jednak wspomnieæ tu o jednym z kryteriów – czyli o takiej po¿¹danej charaktery-styce czynnika niskowrz¹cego, by jego para nie musia³a byæ przegrzewana, a jednoczeœnie podczas rozprê¿ania w turbinie nie przechodzi³a w stan pary wilgotnej (co powo-duje wytr¹canie siê kropel cieczy i erozjê ³opatek turbiny). Czynnik o takiej charakterystyce nazywamy czynnikiem suchym – w jego przypadku nie ma potrzeby stosowania przegrzewacza pary czynnika roboczego (Borsukiewicz-Gozdur i in., 2007).
Typowa instalacja si³owni parowej pracuj¹cej z czynni-kiem suchym zosta³a przedstawiona na rycinie 2.
622
Przegl¹d Geologiczny, vol. 58, nr 7, 2010
1
Katedra Techniki Cieplnej, Wydzia³ In¿ynierii Mechanicznej i Mechatroniki, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny, al. Piastów 19, 70-310 Szczecin
2
Instytut Maszyn Przep³ywowych, Politechnika £ódzka, ul. Wólczañska 219/223, 93-005 £ódŸ
3
Turboservice Sp. z o.o., ul. Wróblewskiego 38A, 93-578 £ódŸ
W. Nowak A.
Borsukiewicz-Gozdur
623
Przegl¹d Geologiczny, vol. 58, nr 7, 2010
54 00°' 53 00°' 52 00°' 51 00°' 50 00°' 49 00°' 14 00° ' 15 00° ' 16 00° ' 17 00° ' 18 00° ' 19 00° ' 20 00° ' 21 00° ' 22 00° ' 23 00° ' 24 00° ' 15 00° ' 16 00° ' 17 00° ' 18 00° ' 19 00° ' 20 00° ' 21 00° ' 22 00° ' 23 00° ' 24 00° ' 54 00°' 53 00°' 52 00°' 51 00°' 50 00°' 49 00°' M or z e B a ³t y c k i e B al t i c S e a NIEMCY GERMANY R EP U BL I K A C ZE SK A C ZE C H R E P U B L I C S £ O W A C J A S L O V A K I A U K R A IN A UK RA IN E BIA£ORUŒ BELARUS L IT W A L IT H U A N IA R O S J A R U S S I A [ C]° 200 175 150 125 100 75 50 25 0 masyw œwiêtokr zyski Œwiêtokr zyski Massif
Ryc. 1. Mapa rozk³adu temperatur na g³êbokoœci 3000 m p.p.t. na obszarze Ni¿u Polskiego (Górecki, red., 2006) Fig. 1. Temperature distribution at the ground depth of 3000 m across the Polish Lowland (Górecki, ed., 2006)
PAROWACZ EVAPORATOR WYMIENNIK GEOTERMALNY HEAT EXCHANGER PODGRZEWACZ HEATER TURBINA TURBINE SKRAPLACZ CONDENSER POMPA PUMP Tn1 Tn2s Tp1 Tp2 Tn2 Tn3 Tn4 Tn5 Ts5 Ts1 Ts2 Ts4 Tg1 Tg2 ms1 ms1 ms1 ms1 mg mg mn mn mn mn mn
Ryc. 2. Schemat instalacji si³owni parowej z suchym czynnikiem organicznym Fig. 2. Schematic outlay of the power station cycle working with a dry organic fluid
Si³ownia obejmuje nastêpuj¹ce urz¹dzenia: wymien-nik geotermalny, turbinê z generatorem pr¹dotwórczym, skraplacz, pompê obiegow¹, podgrzewacz i parowacz. Para nasycona sucha kierowana jest do turbiny parowej, w której nastêpuje jej rozprê¿enie do ciœnienia panuj¹cego w skraplaczu. Nastêpnie para przep³ywa przez skraplacz, a skroplony czynnik organiczny kierowany jest do pod-grzewacza i parowacza.
Projekt i budowa doœwiadczalnej minisi³owni z ORC
Pod koniec 2008 r. na zamówienie Zachodniopomor-skiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie krajo-wa firma Turboservice Sp. z o.o. przy wsparciu Politech-niki £ódzkiej zaprojektowa³a i wykona³a stanowisko do-œwiadczalne symuluj¹ce dzia³anie elektrowni geotermalnej.
Uk³ad minisi³owni oparty by³ na organicznym obiegu Rankine'a zasilanym gor¹c¹ wod¹ z sieci ciep³owniczej, przy za³o¿eniu dostêpnoœci wody o temperaturze do 110oC. Skraplacz obiegu by³ ch³o-dzony wod¹, której temperatura obni¿ana by³a w ch³odni kominowej. Jako medium robocze zasto-sowano czynnik organiczny R227ea. Wybór czyn-nika zosta³ podyktowany wzglêdami termodyna-micznymi (wysok¹ sprawnoœci¹ konwersji energii – ryc. 3). Dodatkow¹ korzyœæ stanowi³ fakt, ¿e by³o to medium suche. Czynnik R227ea mia³ po-nadto niski indeks ODP (Ozone Depletion
Poten-tial), czyli uszczuplenia warstwy ozonowej oraz
umiarkowan¹ wartoœæ GWP (Global Warming
Potential), czyli wp³ywu na globalne ocieplenie
(Bonca i in., 2004). Niska wartoœæ tych wskaŸni-ków jest wymagana wobec mo¿liwoœci awarii i wycieków czynnika roboczego do otoczenia.
Na rycinie 4 przedstawiono obliczeniow¹ moc obiegu w funkcji temperatury pary nasyconej na wyjœciu z wymiennika (parowacza) dla czynnika R227ea. Jak widaæ, maksimum mocy odpowiada pracy obiegu przy temperaturze pary nasyconej o wartoœci 72oC. Przy maksymalnej dostêpnej iloœci wody grzewczej, wynosz¹cej tylko 6 m3/h tak wy-sokie parametry pary zasilaj¹cej turbinê prowa-dzi³yby do koniecznoœci zaprojektowania turbiny o nadzwyczaj ma³ych wymiarach i jednoczeœnie o bardzo wysokiej czêstoœci obrotów. Aby zwiêk-szyæ rozmiary turbiny, a tak¿e zredukowaæ jej prêdkoœæ obrotow¹, zdecydowano, ¿e nominalna temperatura pary czynnika na wlocie do turbiny bêdzie równa 63oC. Obliczenia mocy obiegu prze-prowadzono z u¿yciem termodynamicznej biblio-teki REFPROP 7.0 (Reference Fluid
Thermodyna-mic and Transport Properties Database: Ver-sion 7.0).
Bior¹c pod uwagê dostêpne œrodki finansowe, przyjêto nastêpuj¹c¹ koncepcjê turbiny:
wa³ jest ³o¿yskowany na ³o¿yskach tocznych; moc turbiny odbierana jest przez sprê¿arkê promieniow¹ z wirnikiem osadzonym na drugim koñcu wa³u turbiny;
uszczelnienie absolutne wa³u po stronie tur-biny (dla zabezpieczenia przed wyciekiem
czynni-ka obiegowego do otoczenia) jest zapewnione za pomoc¹ uszczelnienia labiryntowego i uk³adu blokady gazowej (powietrze pod ciœnieniem z zewnêtrznego zasilania).
Przyjêto nastêpuj¹ce nominalne parametry projekto-wanej turbiny:
strumieñ masy czynnika 2 kg/s, ciœnienie pary na wlocie 12,6 bar, temperatura pary na wlocie 63oC, ciœnienie pary na wylocie 3,9 bar, temperatura pary na wylocie 38oC,
prêdkoœæ obrotowa wirnika 28 000 obr./min. Obliczenia projektowe turbiny zosta³y przeprowadzo-ne na podstawie jednowymiarowej teorii przep³ywów, na-tomiast pe³ne trójwymiarowe obliczenia sprawdzaj¹ce prze-p³yw w turbinie wykonano za pomoc¹ oprogramowania
624
Przegl¹d Geologiczny, vol. 58, nr 7, 2010
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 80 90 100 110 120 moc N [kW] [kW C-R power N ] C-R
temperatura wody sieciowej TS1[ C]°
supply water temperature T [ C]S1° cykloheksan R600a R236fa RC318 R227ea propylen propan R134a R152a
Ryc. 3. Moc obiegu Clausiusa-Rankine’a w funkcji temperatury wody
sie-ciowej TS1dla wybranych czynników roboczych
Fig. 3. Power output of the Clausius-Rankine cycle as function of the supply
water temperature TS1for selected cycle working fluids
18 19 20 21 22 23 24 25 26 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 T [ C]° P [kW]
Ryc. 4. Wykres obliczeniowej mocy obiegu w funkcji temperatury pary
nasyconej opuszczaj¹cej wymiennik dla czynnika R227ea
Fig. 4. Calculated power output of the R227ea fluid based cycle as function
ANSYS CFX. Wyniki symulacji numerycznej da³y moc wewnêtrzn¹ turbiny o wartoœci 24,9 kW.
Na rycinie 5 przedstawiono widok kompletnego sta-nowiska zbudowanej si³owni doœwiadczalnej. Oprócz opi-sanej wy¿ej turbiny i odbieraj¹cej jej moc powietrznej sprê¿arki promieniowej w obiegu zastosowano odpowied-nio dobrane wymienniki p³ytowe (pe³ni¹ce funkcje paro-wacza i skraplacza) oraz hermetyczn¹ pompê skroplonej cieczy czynnika roboczego. Stanowisko wyposa¿ono w bogaty zestaw sond i przetworników ciœnienia, temperatu-ry i przep³ywu, umo¿liwiaj¹cych pomiar i rejestracjê wszystkich parametrów obiegu oraz wody zasilaj¹cej paro-wacz i ch³odz¹cej skraplacz. W celu uzyskania mo¿liwoœci
badania pe³nego zakresu charakterystyk si³owni zasto-sowano rêczn¹ regulacjê parametrów steruj¹cych si³owni, tj. temperatury i strumienia objêtoœci wody zasilaj¹cej pa-rowacz i ch³odz¹cej skraplacz oraz strumienia masy czyn-nika obiegowego.
Wyniki badañ
Temperatura wody zasilaj¹cej, pobieranej z sieci cen-tralnego ogrzewania, nie osi¹gnê³a podczas pierwszych ba-dañ zak³adanej wartoœci nominalnej i w zwi¹zku z tym nie uzyskano za³o¿onej mocy nominalnej. Jednak w zakresie przebadanej prêdkoœci obrotowej charakterystyka mocy turbiny, uzyskana z pomiarów mocy pobieranej przez sprê-¿arkê, wykaza³a oczekiwany przebieg (ryc. 6). Badania z wod¹ zasilaj¹c¹ o temperaturze do 110oC przewidziano na jesieñ 2010 r.
Wnioski
Badania przeprowadzone na stanowisku doœwiad-czalnym kompletnej minisi³owni z ORC, zaprojektowa-nej i zoptymalizowazaprojektowa-nej dla zadanego Ÿród³a wody gor¹-cej, potwierdzi³y poprawnoœæ przyjêtych za³o¿eñ projek-towych i zastosowanych metod obliczeniowych oraz – jednoczeœnie – mo¿liwoœci technologiczne wykonania tego typu instalacji w warunkach krajowych. Te pozy-tywne okolicznoœci winny byæ zatem brane pod uwagê przy planach wykorzystania wspomnianego wczeœniej du¿ego potencja³u wód geotermalnych w Polsce.
Przedstawiona praca zosta³a wykonana w ramach projektu badawczo-rozwojowego nr R06 015 01 finansowanego przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wy¿szego.
Literatura
BONCA Z., BUTRYMOWICZ D., TARGAÑSKI W. & HAJDUK T. 2004 – Nowe czynniki ch³odnicze i nosniki ciep³a. W³asnoœci cieplne, chemiczne i u¿ytkowe. IPPU Masta Sp. z o.o.
BORSUKIEWICZ-GOZDUR A. 2008 РEfektywnoϾ pracy elek-trowni geotermalnej z organicznym czynnikiem roboczym. Praca doktorska, Politechn. Szczec., Szczecin.
BORSUKIEWICZ-GOZDUR A. & NOWAK W. 2007 – Compara-tive Analysis of Natural and Synthetic Refrigerants in Application to Low Temperature Clausius-Rankine Cycle. Energy, 32: 344–352. GÓRECKI W. 1996 – Atlas zasobów energii geotermalnej na Ni¿u Polskim. Wyd. GEOS, Kraków.
GÓRECKI W. (red.) 2006 – Atlas zasobów geotermalnych na Ni¿u Pol-skim. Formacje Mezozoiku. AGH, Kraków.
GÓRECKI W., KUNIAK T. & KOZDRA T. 2001 – Zasoby wód i energii geotermalnej na Ni¿u Polskim oraz mo¿liwoœci ich przemys³owego wykorzystania. Miêdzynarodowa Konferencja „Odnawialne ród³a Energii”, 10–11.12.2001. Warszawa. NEY R. & SOKO£OWSKI J. 1987 – Wody geotermalne Polski i mo¿liwoœci ich wykorzystania. Nauka Polska, 6.
Obwieszczenie Marsza³ka Sejmu Rzeczypospolitej Polskiej z dnia 15 lipca 2003 r. w sprawie og³oszenia jednolitego tekstu ustawy – Prawo energetyczne. Dz.U. z 2003 r. Nr 153, poz. 1504 z póŸniejszymi zmianami.
Ustawa z dnia 10 kwietnia 1997 r. – Prawo energetyczne. Dz.U. z 1997 r. Nr 54, poz. 348.
SOKO£OWSKI J. 1997 – Metodyka oceny zasobów geotermalnych i warunki ich wystêpowania w Polsce. Materia³y Polskiej Szko³y Geotermalnej, III Kurs, Wyd. PGA i CPPGSMiE PAN, Kraków-Strêszecin.
Praca wp³ynê³a do redakcji 2.03.2010 r. Po recenzji akceptowano do druku 5.05.2010 r.
625
Przegl¹d Geologiczny, vol. 58, nr 7, 2010
Ryc. 5. Stanowisko doœwiadczalne minisi³owni z ORC w
Kate-drze Techniki Cieplnej na Zachodniopomorskim Uniwersytecie Technologicznym w Szczecinie
Fig. 5. Test rig of a small ORC power station located at the
Depart-ment of Heat Engineering, West Pomeranian University of Techno-logy in Szczecin 0 1 2 3 4 5 6 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 n [obr./min] n [rpm] P [kW]
Ryc. 6. Zmierzona moc mechaniczna turbiny w funkcji jej prêdkoœci
obrotowej
Fig. 6. Measured power output of the turbine as function of its
