Аналитическое исследование тепловых схем утилизационных паро- и газотурбинных установок, применяемых для достижения углеродной нейтральности

Выбросы парниковых газов представляют серьезную угрозу, вызывая глобальное потепление и загрязнение атмосферы. Существуют такие способы уменьшения воздействия на внешнюю среду, как компенсация выбросов парниковых газов и использование установок по утилизации теплоты. Рассмотрены паротурбинные установки по циклу Ренкина и по органическому циклу Ренкина, газотурбинная установка по циклу Брайтона со сверхкритическим диоксидом углерода. Последняя представляется наиболее эффективным и перспективным вариантом. По результатам исследований установлено, что цикл с рекомпрессией и промежуточным охлаждением обеспечивает наибольший коэффициент полезного действия установки. Отмечена важность экономического аспекта при выборе оптимального решения. Для принятия решения при выборе установки необходимо провести расчет экономической эффективности, стоимости внедрения и операционных расходов.
EDN: RYBCSM, https://elibrary/rybcsm

Литература

[1] Xu Y., Xue Y., Cai W. et al. Experimental study on performances of flat-plate pulsating heat pipes without and with thermoelectric generators for low-grade waste heat recovery. Appl. Therm. Eng., 2023, vol. 225, art. 120156, doi: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2023.120156

[2] Выбросы CO2 от сжигания топлива. energystats.enerdata.net: веб-сайт. URL: https://energystats.enerdata.net/co2/emissions-co2-data-from-fuel-combustion.html (дата обращения: 17.09.2023).

[3] Ravi R., Pachamuthu S., Kasinathan P. Computational and experimental investigation on effective utilization of waste heat from diesel engine exhaust using a fin protracted heat exchanger. Energy, 2020, vol. 200, art. 117489, doi: https://doi.org/10.1016/j.energy.2020.117489

[4] Что такое углеродная нейтральность? Мир может прийти к ней? sberegiplanetu.ru: веб-сайт. URL: https://sberegiplanetu.ru/publications/chto-takoe-uglerodnaia-neitralnost-mir-mozhet-priiti-k-nei (дата обращения: 17.09.2023).

[5] Меры по борьбе с изменением климата. un.org: веб-сайт. URL: https://www.un.org/ru/climatechange/paris-agreement (дата обращения: 06.11.2023).

[6] Jouhara H., Khordehgah N., Almahmoud S. et al. Waste heat recovery technologies and applications. Therm. Sci. Eng. Prog., 2018, vol. 6, pp. 268–289, doi: https://doi.org/10.1016/j.tsep.2018.04.017

[7] Inayat A. Current progress of process integration for waste heat recovery in steel and iron industries. Fuel, 2023, vol. 338, art. 127237, doi: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2022.127237

[8] Casi Á., Araiz M., Catalán L. et al. Thermoelectric heat recovery in a real industry: from laboratory optimization to reality. Appl. Therm. Eng., 2021, vol. 184, art. 116275, doi: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2020.116275

[9] Pashchenko D. Performance evaluation of a combined power generation system integrated with thermochemical exhaust heat recuperation based on steam methane reforming. Int. J. Hydrogen Energy, 2023, vol. 48, no. 15, pp. 5823–5835, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.11.186

[10] Macchi E. Theoretical basis of the Organic Rankine Cycle. In: Organic Rankine Cycle (ORC) power systems. Woodhead, 2017, pp. 3–24, doi: https://doi.org/10.1016/B978-0-08-100510-1.00001-6

[11] Dostal V., Hejzlar P., Driscoll M.J. High-performance supercritical carbon dioxide cycle for next-generation nuclear reactors. Nucl. Technol., 2006, vol. 154, no. 3, pp. 265–282, doi: https://doi.org/10.13182/NT154-265

[12] Feher E.G. The supercritical thermodynamic power cycle. Energy Convers., 1968, vol. 8, no. 2, pp. 85–90, doi: https://doi.org/10.1016/0013-7480(68)90105-8

[13] Li Y., Lin Y., He Y. et al. Part-load performance analysis of a dual-recuperated gas turbine combined cycle system. Energy, 2023, vol. 269, art. 126744, doi: https://doi.org/10.1016/j.energy.2023.126744

[14] Woudstra N., Woudstra T., Pirone A. et al. Thermodynamic evaluation of combined cycle plants. Energy Convers. Manag., 2010, vol. 51, no. 5, pp. 1099–1110, doi: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2009.12.016

[15] ORC solutions for industry. enertime.com: веб-сайт. URL: https://www.enertime.com/assets/documents/fiche-orc_ind_7-2023_en-1691435487.pdf (дата обращения: 17.09.2023).

[16] Cakici D.M., Erdogan A., Colpan C.O. Thermodynamic performance assessment of an integrated geothermal powered supercritical regenerative organic Rankine cycle and parabolic trough solar collectors. Energy, 2017, vol. 120, pp. 306–319, doi: https://doi.org/10.1016/j.energy.2016.11.083

[17] Bidkar R.A., Mann A., Singh R. et al. Conceptual designs of 50MWe and 450MWe supercritical CO2 turbomachinery trains for power generation from coal. Part 1. Cycle and turbine. Int. Symp. Supercritical CO2 Power Cycles, 2016, vol. 5, pp. 1–18.

[18] Schmitt J., Amos D., Custer C. et al. Study of a supercritical CO2 turbine with TIT of 1350 K for Brayton cycle with 100 MW class output: aerodynamic analysis of stage 1 vane. Int. Symp. Supercritical CO2 Power Cycles, 2014, vol. 4, paper GT2014-27214, doi: https://doi.org/10.1115/GT2014-27214

[19] Vitale Di Maio D., Boccitto A., Caruso G. Supercritical carbon dioxide applications for energy conversion systems. Energy Procedia, 2015, vol. 82, pp. 819–824, doi: https://doi.org/10.1016/j.egypro.2015.11.818

[20] Moisseytsev A., Sienicki J.J. Investigation of alternative layouts for the supercritical carbon dioxide Brayton cycle for a sodium-cooled fast reactor. Nucl. Eng. Des., 2009, vol. 239, no. 7, pp. 1362–1371, doi: https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2009.03.017

[21] Cho S.K., Kim M.S., Baik S. investigation of the bottoming cycle for high efficiency combined cycle gas turbine system with supercritical carbon dioxide power cycle. ASME Turbo Expo, 2015, art. 43077, doi: https://doi.org/10.1115/GT2015-43077

[22] Stepanek J., Syblik J., Entler S. Axial SCO2 high-performance turbines parametric design. Energy Convers. Manag., 2022, vol. 274, art. 116418, doi: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2022.116418

[23] Гун Б., Рассохин В.В., Барсков В.В. и др. Принципы создания турбоустановок малой и средней мощности, работающих на сверхкритическом диоксиде углерода. Газовая промышленность, 2023, № 11, с. 42–57.

[24] Ahn Y., Bae S.J., Kim M.S. et al. Cycle layout studies of S-CO2 cycle for the next generation nuclear system application. Transactions of the Korean Nuclear Society Autumn Meeting, 2014. 5 p.

[25] Marchionni M., Bianchi G., Tassou S.A. Techno-economic assessment of Joule-Brayton cycle architectures for heat to power conversion from high-grade heat sources using CO2 in the supercritical state. Energy, 2018, vol. 148, pp. 1140–1152, doi: https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.02.005

[26] Kim M.S., Ahn Y., Kim B. et al. Study on the supercritical CO2 power cycles for landfill gas firing gas turbine bottoming cycle. Energy, 2016, vol. 111, pp. 893–909, doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.energy.2016.06.014

[27] Pham H.S., Alpy N., Ferrasse J.H. et al. Mapping of the thermodynamic performance of the supercritical CO2 cycle and optimisation for a small modular reactor and a sodium-cooled fast reactor. Energy, 2015, vol. 87, pp. 412–424, doi: https://doi.org/10.1016/j.energy.2015.05.022

[28] Yun S., Zhang D., Li X. et al. Design, optimization and thermodynamic analysis of SCO2 Brayton cycle system for FHR. Prog. Nucl. Energy, 2023, vol. 157, art. 104593, doi: https://doi.org/10.1016/j.pnucene.2023.104593