Kotel na biomasu pro ORC mikrokogenerační jednotku

1. Projekt ENARETE, decentralizovaná mikrokogenerace

Projekt ENARETE (Efektivně a názorně – inovace studijních programů udržitelných transformací energií) je financován z Operačního programu Praha adaptabilita (OPPA). Hlavním posláním projektu je inovace výuky s cílem zvýšení kvality absolventů a splnění požadavků praxe na nové metody projekční a optimalizační práce. Jednou z klíčových aktivit projektu je konstrukční návrh, optimalizace, realizace a uvedení do provozu výukového energetického zařízení. Pro výukové zařízení byl vybrán koncept kotle pro spalování biomasy malého výkonu spojený se systémem ORC (Organický Rankinův Cyklus) jako kogenerační jednotka pro výrobu tepla a elektrické energie z obnovitelného zdroje. Tento perspektivní systém se jeví mimořádně vhodným pro aplikaci v decentralizované mikrokogeneraci. Jako decentralizovanou výrobu energií označujeme jejich lokální přípravu optimalizovanou s ohledem na spotřebu těchto energií [1]. Pod pojem µkogenerační zařazujeme jednotky pro kombinovanou výrobu elektřiny a tepla o elektrickém výkonu v rozmezí stovek W do 50 kW.

2. ORC cyklus, problematika volby pracovního média

Organický Rankinův cyklus patří mezi tepelné cykly s vnějším přívodem tepla, u kterých teplo přechází ze zdrojového média do pracovní látky přes teplosměnnou plochu či ještě prostřednictvím teplonositele. Zde je zásadní rozdíl oproti cyklům s vnitřním spalováním, mezi které patří kogenerační jednotky s plynovými spalovacími motory a mikroturbíny. Tento vnější přívod tepla totiž principiálně umožňuje kombinovat různá i méně kvalitní paliva s ohledem na aktuální ekonomickou situaci nebo mezi nimi volit. Podle našeho názoru je klíčem k ekonomické efektivnosti a jednou ze zásadních výhod µkogeneračních systémů právě jejich možná univerzálnost na straně primárních energetických zdrojů. Organický Rankinův cyklus se principiálně neliší od klasického elektrárenského cyklu. Rozdíly lze pozorovat ve finální podobě zařízení, která je daná použitým pracovním médiem. Zatímco klasický R-C oběh pracuje s vodou resp. vodní párou, v zařízeních ORC se používají kapaliny organického původu, např. OMTS - octamethyltrisiloxan, chladiva, atp. Těchto perspektivních pracovních látek je celá řada, jedním z klíčových rozhodnutí při návrhu nového zařízení je pečlivé určení teplot přívodu a odvodu tepla z cyklu. Na základě této informace je pak možné provést volbu pracovní látky, která bude nejlépe odpovídat požadovaným vlastnostem. Pro vybrané médium je ale často nutné vstupní charakteristické teploty cyklu vhodně přizpůsobit. Organická média mají obecně jiný průběh mezních křivek než voda. Významnou výhodou většiny organických médií související s polohou a tvarem mezních křivek je možnost efektivního zařazení tzv. regenerace tepla (vnitřní výměny tepla v cyklu), která pak vede ke zvýšení elektrické účinnosti cyklu.

Na pracovní média organických cyklů je kladena řada dalších požadavků. Médium musí být chemicky stabilní a snášenlivé ke konstrukčním materiálům zařízení. Dalšími důležitými parametry jsou bezpečnost při nakládání a, v případě úniků, nízká zdravotní a ekologická rizika. Je třeba posuzovat také jejich dostupnost na trhu a cenu [2]. Média pro zařízení ORC využívající jako palivo biomasu musí mít odpovídající kritické parametry, a dále zaručenou chemickou stabilitu při uvažovaných teplotách. Zde je třeba říci, že hranice chemické stability látek je zásadním kritériem pro volbu teploty přívodu tepla do cyklu a omezuje do jisté míry účinnost těchto cyklů. U většiny látek vhodných k využití u zařízení na biomasu lze tuto hranici pozorovat na úrovni 600 K. Za perspektivní látky pro využití v ORC na biomasu jsou považovány alkylbenzeny [2], pro projektované zařízení byl vybrán izopropylbenzen. Jistou komplikací při využití organických látek v tepelných cyklech je skutečnost, že je většinou nelze přímo ohřívat v teplosměnných plochách kotle otápěných spalinami, protože hrozí riziko jejich nebezpečného přehřátí. Je tedy třeba použít nepřímý ohřev pomocí termooleje či jiného vhodného teplonositele. Významnou koncepční výhodou nepřímého ohřevu je možnost provozu tlakového celku kotle při nízkých tlacích blízkých atmosférickému tlaku, nikoliv tedy na provozním tlaku pracovního média cyklu.

Zjednodušené schéma ORC jednotky je znázorněno na obr. 2.1. Zařízení se skládá ze dvou okruhů, termoolejového a pracovního. Termoolej je v kotli (1) ohříván a veden do parního generátoru (2). Odtud je ochlazený čerpán cirkulačním čerpadlem (3) zpět do kotle. Projektované zařízení je oproti průmyslovému vybaveno výměníkem nouzového chlazení primárního okruhu (8) připojeném paralelně k parogenerátoru, o kterém je pojednáno dále. Samotný pracovní okruh začíná v parním generátoru (2), kam je čerpáno organické médium. Médium se odpařuje a vzniklé páry konají práci v expanzním stroji (4). Mechanická práce je odvedena hřídelem do generátoru (9). Páry po expanzi mají značný obsah energie, kterou je možné efektivně využít k předehřevu média proudícího od napájecího čerpadla (7) do parního generátoru (2). Předehřev, respektive vnitřní výměna tepla v cyklu, se realizuje v regenerátoru (5). Médium je dále vedeno do kondezátoru (6), kde předá své kondenzační teplo teplé vodě, která se využije ve spotřebě tepla (10). Kondenzát je pak čerpán napájecím čerpadlem (7) přes regenerátor (5) do parního generátoru (2) a cyklus se uzavírá.

3. Definování parametrů kotle

Horní limitní teplotou cyklu je maximální teplota, kterou je možné zatížit teplonositele primárního okruhu. V našem případě byl využit termoolej s maximální provozní teplotou 300 °C. Rozmezí výstupní teploty termooleje z kotle bylo s jistou rezervou stanoveno na 280-290 °C. Volba teplotní diference v kotli má úzkou vazbu na parametry parogenerátoru (2) a na účinnost kotle. Po dílčí optimalizaci byla stanovena na ∆t = 20 °C. ORC s izopropylbenzenem pak bude pracovat s maximální teplotou na úrovni 260-265 °C. Cyklus bude při těchto parametrech podkritický a nehrozí ani chemická nestabilita média.

4. Kotel na dřevní pelety

Z předběžného návrhu ORC zařízení byl stanoven potřebný minimální tepelný výkon kotle na biomasu na 10 kWt. Ze sériově vyráběných kotlů na biomasu malého výkonu splňujícím požadovanou podmínku byl jako nejvhodnější pro navrhované ORC zařízení zvolen kotel Boink 16 od firmy OPOP, spol. s r. o. Jedná se o teplovodní kotel o jmenovitém výkonu 16 kWt spalujícím dřevní pelety. Je konstruován jako komplet, který se skládá z kotle Boink 16, nerezového hořáku o výkonu 16 kW, šnekového podavače pelet, elektronické řídící jednotky a násypky o objemu 220 kg. Tento kotel má plně automatizovaný provoz včetně zapalování paliva. Doplňující údaje o zvoleném kotli jsou uvedeny v tabulce 4.1.

Tento sériový kotel je navržen pro jiný druh a parametry média a proto bylo nutné ověřit jaký vliv by měla změna parametrů i samotného média na výsledný tepelný výkon a účinnost kotle. Proto byl v prvním kroku řešen přepočet horkovodního kotle pro nominální parametry, teplotní spád 70/90 a s palivem dřevními peletami definovanými v tabulce 4.2. Tento přepočet byl řešen pomocí programu vytvořeném v prostředí Excel.

Z dostupných dat o kotli a z nákresu uspořádání výměníkové části, viz obr. 4.1, nebylo možné získat potřebné informace o rozdělení průtoku ohřívaného média do jednotlivých částí výměníku, a proto při přepočtu výměníkové části kotle musely být uvažovány tyto zjednodušující předpoklady:

• teplosměnná plocha výměníku byla rozdělena na 6 samostatných myšlenkově oddělených výměníků tepla (S1,S2,S3,S4,S5,S6), viz obr. 4.1
• myšlenými hranicemi těchto výměníků tepla nedochází k předání hmoty ani tepla
• rozdělení tepelného toku mezi jednotlivé ovlivněné teplosměnné plochy se řídilo požadavkem na konstantní výstupní teplotu spalin z daného spalinového traktu, při zachování požadovaného ohřátí vody

Postup samotného výpočtu, tedy přepočtu kotle s danými teplosměnnými plochami, byl řešen dle postupu návrhu kotle v literatuře [4]. Vybrané výsledné hodnoty parametrů jsou uvedeny v tabulce 4.3, ve které jsou zároveň uvedeny tyto parametry udávané výrobcem pro jmenovitý stav kotle.

Z porovnání dat v tabulce 4.2 je patrné, že i při použití zjednodušujících předpokladů byl přepočet horkovodního kotle velmi přesný a bylo ho možné použít pro získání informací o vlivu změny parametrů a ohřívaného média na tepelný výkon a účinnost vybraného kotle. Dosazením nových parametrů (teplotní spád 260/280, tlak 2 bary) a vlastností termooleje do programu na přepočet navrhovaného horkovodního kotle byly získány potřebné informace o změnách tepelného výkonu a účinnosti kotle pracujícího se zvoleným médiem. Vybraná data z přepočteného tepelného výměníku kotle jsou uvedena v tabulce 4.4.

Z těchto dat bylo možné usoudit, že nový tepelný výkon kotle splňuje požadovanou podmínku na minimální tepelný výkon předaný do ORC cyklu. Velkým problémem je však významné snížení účinnosti kotle, což je způsobeno nedochlazením spalin. S ohledem na výslednou celkovou účinnost celého ORC zařízení (tedy včetně kotle na biomasu) bude nutné se zamyslet na využitím tohoto potenciálu tepla, buď k předehřevu spalovacího vzduchu anebo ohřevu externí vody.

Dále bylo nutné s ohledem na změnu pracovního média a zvýšení provozních teplot oproti standardnímu sériovému zařízení modifikovat samotnou konstrukci kotle na biomasu. Modifikace spočívala zejména v zesílení některých klíčových partií kotle a v úpravě izolace. Tlakový celek kotle byl podroben tlakové zkoušce za zvýšené teploty.

5. Nouzové chlazení kotle

Jedním z problémů, který bylo nutné v projektu experimentálního ORC řešit, byla ochrana kotle (1) proti jeho přehřátí při úplné ztrátě elektrického napájení cirkulačního čerpadla (3). Teplonosnou látkou v kotli a celém primárním okruhu je, jak bylo uvedeno výše, termoolej. Při výpadku cirkulačního čerpadla by se mohl kotel dostat do nebezpečného stavu přehřátí. Dalším příbuzným požadavkem byla možnost dochlazení primárního okruhu zařízení po náhlém odstavení, kdy není možné odvádět teplo standardním způsobem pomocí parogenerátoru (2).

U vybraného sériového kotle se toto řeší vložením vodní chladící smyčky aktivované termostatem do tlakového celku kotle nebo připojením chladicího ventilu, kterým se do tlakového celku přivádí studená voda. Tato řešení ani s příslušnými modifikacemi (např. využití chladného oleje) nepřicházela kvůli vysoké teplotě a problematické schopnosti plnit oba uvedené požadavky pro zařízení do úvahy.

Co se týká vstupních podmínek návrhu, ochrana proti přehřátí musí být zcela nezávislá na elektrické energii a tedy provozuschopná za všech okolností. Z tohoto důvodu byl navržen jednoduchý vzduchem chlazený výměník bez čerpadla a ventilátoru, fungující pouze díky přirozenému oběhu oleje i vzduchu. Podoba výměníku je zřejmá z obrázku 5.1.

Celý výměník o objemu cca 30 l je umístěn nad kotlem a bude během provozu zaplavený olejem o teplotě blízké teplotě okolí. V případě výpadku napájení cirkulačního čerpadla dojde samovolně k otevření zpětné klapky za výměníkem a k uvedení nouzové smyčky do činnosti. Z bezpečnostních důvodů je nutné alespoň přibližně modelovat, jak bude celý proces oběhu oleje a jeho chladnutí vypadat. Z tohoto důvodu byl sestaven výpočet, který tento děj v určitém přiblížení popisuje. Situace po vypadnutí cirkulačního čerpadla je následující. V kotli je 26 kg horkého oleje o teplotě kolem 280 °C, ve výměníku nad kotlem 26 kg studeného oleje s uvažovanou teplotou 30 °C. Horký olej v kotli, který má značně nižší hustotu, než olej ve výměníku, se během několika sekund dostane do studeného výměníku. Ihned potom proudění ustane. U výměníku nelze zanedbat velkou hmotnost materiálu a jeho schopnost akumulace, a tak se během prvních okamžiků začne velmi rychle zahřívat a olej velmi rychle chladit tím, že začne odevzdávat své teplo materiálu výměníku. Během 180 s se teploty oleje a výměníku vyrovnají přibližně na úrovni 175 °C. Mezitím se vzduch okolo výměníku ohřeje a vytvoří se tak přirozené proudění, které bude výměník dále ochlazovat. Pokles teplot bude již ale mnohem pomalejší, což je dáno už jen přestupem tepla do vzduchu.

Obdobná situace jako ve výměníku nastane v kotli, kam se však vlije studený olej. Vzhledem k tomu, že ani u kotle nelze zanedbat akumulaci tepla v materiálu, začne se studený olej od stěn kotle silně ohřívat a kotel naopak chladnout. Teploty oleje a kotle se vyrovnají asi po 360 s na úrovni 130 °C. Olej v kotli bude setrvávat na této teplotě, protože nebude docházet ke konvektivnímu odvodu tepla ani k jeho výměně s okolím. Asi po 45 minutách dojde k vyrovnání teplot oleje v kotli a ve výměníku a při dalším poklesu teploty ve výměníku se nastaví přirozené proudění oleje. To umožní další chladnutí oleje v celém jeho objemu. Díky poklesu povrchové teploty výměníku dochází ke snižování intenzity chladnutí. Teplota oleje se dostane pod 50 °C přibližně po 9,5 hodinách. Podíváme-li se na diagram chladnutí (obrázek 5.2) v závislosti na čase, vidíme, že v první fázi dochází k rychlému vyrovnání teplot kotle a do něj nateklého studeného oleje i výměníku a horkého oleje. Ve druhé fázi je teplota oleje v kotli konstantní a výměník pomalu chladne, olej necirkuluje. Jakmile se teplota oleje v kotli vyrovná s teplotou oleje ve výměníku, olej začíná cirkulovat a chladnutí se ještě více zpomalí, protože vzduchový výměník má nyní na starosti ochlazování celého systému.

6. Závěr

V příspěvku byly popsány některé klíčové problémy spojené s řešením výukového energetického mikrokogeneračního zařízení ORC. Pozornost byla věnována parametrům zařízení, které ovlivnily podobu zdroje energie, kterým je upravený sériový kotel na biomasu malého výkonu. Příspěvek popisuje změnu parametrů tohoto kotle při přechodu na nestandardní médium a řešení nouzového chlazení primární smyčky zařízení pomocí pasivního bezpečnostního prvku.

Poděkování

Příspěvek vznikl v rámci projektu Efektivně a názorně - inovace studijních programů udržitelných transformací energií (ENARETE), který je financován z Operačního programu Praha Adaptabilita. „Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti“.

Literatura

• [1] MAŠČUCH, J., HRDLIČKA, J. Perspektivy mikrokogenerace z biomasy v podmínkách ČR. In Technika ochrany prostredia TOP 2009. 15. ročník medzinárodnej konferencie. 2009. pp.337-342. ISBN 978-80-227-3096-9.
• [2] DRESCHER, U., BRÜGGEMANN, D. Fluid selection for the Organic Rankine Cycle (ORC) in biomass power and heat plants. Applied Thermal Engineering 27, 2007, pp. 223- 228.
• [3] DLOUHÝ, T., MAŠČUCH, J. Porovnání výroby elektřiny v parním a ORC zdroji na biomasu., In Technika ochrany prostredia TOP 2008. 14. ročník medzinárodnej konferencie. 2008. pp.79-83. ISBN 978-80-227-2896-6.
• [4] DLOUHÝ, T. Výpočty kotlů a spalinových výměníků. Praha: Nakladatelství ČVUT, 2007.

Článek byl zveřejněn ve sborníku konference Energetika a biomasa 2010.

Tweet

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky

Kam směřuje české odpadové hospodářství z pohledu prevence jejich vzniku?

Jak získat udržitelnou biomasu

Biometan se vyplatí a má budoucnost