ORC para Biomasa

Tecnología ORC para biomasa

Descripción de la tecnología ORC para la biomasa combinada de calor y las plantas de energía , así como otras posibilidades para la integración de procesos

La tecnología ORC se basa en un desarrollo a largo plazo con el fin de utilizar eficientemente la energía solar , energía geotérmica , así como la energía a partir de biomasa en las unidades descentralizadas . El principio de la generación de electricidad por medio de un proceso ORC se corresponde con el proceso de Rankine convencional. La diferencia sustancial es que se utiliza un medio orgánico de trabajo ( tales como hidrocarburos iso – pentano , iso-octano , tolueno o aceite de silicona) con propiedades termodinámicas favorables a temperaturas y presiones más bajas en lugar de agua – de ahí el nombre de ciclo de Rankine orgánico ( ORC ) . La elección correcta del medio de trabajo orgánico utilizado es muy importante para un funcionamiento optimizado del proceso ORC . Teniendo en cuenta el marco de condiciones dadas para la biomasa combinada de calor y aplicaciones de energía ( cogeneración ) , el aceite de silicio es el fluido de trabajo más adecuado.

Principio de funcionamiento y la ejecución de la planta de cogeneración de biomasa

Fig. 1

Fig. 1

La Figura 1 ilustra una posible implementación del proceso ORC basado en el ya realizado con éxito la UE demostración del proyecto “La biomasa CHP planta Lienz ” . La energía producida por la combustión de biomasa se ​​transfiere de una caldera de aceite térmico ( economizador aceite térmico incluido ) a través de un ciclo de aceite térmico para el proceso ORC . De aceite térmico se utiliza como un medio de transferencia de calor debido a que la temperatura requerida para el funcionamiento del proceso de ORC ( térmica temperatura de alimentación de aceite 300 ° C ) se puede lograr durante el funcionamiento de la caldera de aceite térmico prácticamente a presión atmosférica (por lo tanto , no es necesaria una supervisión constante de la caldera ) . El fluido de trabajo orgánico a presión se vaporiza y ligeramente sobrecalentado en el evaporador por la energía suministrada desde el ciclo de aceite térmico . El vapor se expande en una turbina axial que está directamente conectado a un generador asíncrono (sin caja de engranajes intermedia es necesario ) . Posteriormente , el aceite de silicona expandido pasa a través de un regenerador ( donde en el ciclo de recuperación de calor se lleva a cabo lo que aumenta la eficiencia eléctrica ) antes de que entra en el condensador . La condensación del medio de trabajo se lleva a cabo a un nivel de temperatura que permite que el calor recuperado para ser utilizado como calefacción de distrito o proceso ( temperatura de alimentación de agua caliente de aproximadamente 80 a 100 º C ) . El medio de trabajo líquido pasa entonces a las bombas de alimentación con el fin de recuperar el nivel de presión apropiado del extremo caliente del ciclo , pasa el regenerador y vuelve al evaporador .

El gas de combustión desde la salida de la caldera de aceite térmico ( respectivamente desde el economizador aceite térmico ) se enfría desde aproximadamente 280 º C a aproximadamente 160 ° C mediante un sistema de recuperación de calor eficiente ( por ejemplo aire de combustión pre – calentador y economizador de agua caliente ) . Posteriormente , el gas de combustión se limpia en un multi – ciclón ( precipitación de partículas de polvo más grandes ) seguido por una unidad de limpieza de gases de combustión respectiva ( en muchos casos se ha instalado un precipitador electrostático o una unidad de condensación de los gases de combustión ) . Después de la unidad de limpieza de gas de combustión entra en el gas de combustión – limpiado de acuerdo con las regulaciones locales – la pila .

El proceso ORC puede ser diseñado de tal manera que las temperaturas de alimentación de agua caliente entre 80 y 120 ° C, así como un diferencial de temperatura entre la alimentación y retorno en una gama de 15 a 50 ° C son posibles. Por lo tanto, las temperaturas de retorno varían entre 50 y 100 ° C. Sobre esta base, el nivel exacto de la temperatura de alimentación de agua caliente requerida se ajusta perfectamente a los requisitos de diseño de la calefacción o los consumidores de energía de refrigeración. Para la aplicación hidrónico de la unidad de ORC, el economizador de agua caliente se debe instalar después de que el proceso ORC (véase la Figura 1), con el fin de mantener el nivel de la temperatura de alimentación de agua caliente desde el ORC tan bajo como sea posible. Cuanto menor sea la temperatura de alimentación de agua caliente a la salida del condensador, mayor es la eficiencia eléctrica.

La figura 2 muestra algunos componentes seleccionados de la unidad ORC Lienz (nominal 1.000 kW de energía eléctrica) completamente montado y aislado. El diseño modular, así como la descripción de los principales componentes de la unidad de ORC se da en las Figuras 3 y 4. Es importante destacar, que el esquema dado en la Figura 4 es adecuado para un tamaño de módulo correspondiente a una potencia eléctrica nominal de 1.500 kW y que este concepto de diseño (configuración, el espacio necesario) es diferente a la que se da en la figura 3 . Las medidas del tamaño del proyecto y dibujos de concepción se puede descargar desde las páginas web de las empresas ORC-fabricación correspondientes.

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Fig. 2

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Fig. 3

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Fig. 4

Eficiencias y datos técnicos relevantes del proceso ORC

Fig. 5

Fig. 5

La aplicación del proceso de ORC en la planta en general siempre debe llevarse a cabo en consideración de una posiblemente alta producción de energía eléctrica a un suministro seguro de temperaturas al mismo tiempo de alimentación de agua caliente requeridas de los consumidores de calor .

En base a los requisitos de los consumidores de calor y el diseño de la planta elegida , las temperaturas de agua caliente resultantes en el condensador ORC se determinan para el punto nominal de diseño ( por ejemplo : temperatura de alimentación 80 º C; temperatura de retorno 60 ° C) y permitir que una red de la eficiencia eléctrica de alrededor de 15 % (basado en la entrada de energía primaria , la biomasa Hu ) . En la Figura 5 , se da el diagrama de flujo de energía de la unidad de ORC de la biomasa CHP Lienz planta en condiciones de carga nominales .

Fig. 6

Fig. 6

Desde descentralizada biomasa combinada de calor y las plantas de energía suelen ser operado en un modo controlado por el calor – para el desarrollo económico , así como las razones energéticas – el comportamiento de carga parcial y la eficiencia a carga parcial del proceso ORC es muy importante. Debido a la turbina axial de rotación lentamente instalado y debido a las propiedades termodinámicas del fluido de trabajo orgánico utilizado el comportamiento de la carga parcial del proceso ORC es excelente en 40 % de la energía eléctrica neta de la unidad de ORC , la eficiencia eléctrica neta todavía asciende a 85 % del valor nominal, que también fue confirmado por la evaluación de datos , ganó , entre otros, a partir de la biomasa de la planta CHP Lienz ( ver Figura 6 ) . Esta circunstancia es una ventaja sustancial del proceso ORC en comparación con las turbinas de vapor y también motores de vapor, que muestran una disminución de la eficiencia más fuerte a carga parcial .

La turbina axial , que se instala en el proceso ORC ( por ejemplo, véase la Figura 7 ) , está optimizado para las plantas de cogeneración a pequeña escala y trabaja con una velocidad circunferencial baja y la frecuencia de rotación , por lo tanto, una tensión mecánica inferior . La turbina también permite un accionamiento directo del generador sin una caja de engranajes intermedia , lo que aumenta la eficiencia eléctrica . Debido a la diferencia de entalpía específica más pequeña dentro de la turbina en comparación con los procesos de agua – vapor convencionales , una construcción básica y robusta de la turbina es posible . Los factores antes mencionados conducir a períodos del ciclo de vida mejorada de la turbina , así como una alta disponibilidad de la unidad de ORC .

Los aspectos de seguridad , control de procesos , recursos humanos necesarios

a505f14625Particularmente importante son los aspectos de seguridad elevados del proceso ORC . Existe la posibilidad de tener todos los cordones de soldadura de los recipientes a presión de la unidad de ORC de rayos X a prueba , así como probado en el nivel máximo de presión . De esta manera los períodos de tiempo entre inspecciones internas periódicas por parte de un organismo notificado puede ser extendido.

El control de proceso de la unidad de ORC está instalado sobre un controlador de lógica de almacenamiento – programable (PLC ) , que permite que el totalmente automatizado de puesta en marcha y parada, así como la sincronización a la red eléctrica pública de la compañía eléctrica local . Alternancias de carga de la unidad de ORC también están controlados totalmente automatizado encima de la temperatura de alimentación de agua caliente a la salida del condensador ORC . No es necesario que el personal de operación es en el sitio de forma permanente , debido a que también un procedimiento de apagado se lleva a cabo el sistema de control de proceso por sí solo . Lo mismo es cierto para los procedimientos de puesta en marcha . En una condición pre – calentado o todavía caliente de la unidad de ORC , el proceso ORC puede estar acoplado a la red eléctrica pública dentro de 15 minutos ( después de procesar las pruebas de seguridad continuas establecidas ) . Una operación continua de la unidad de ORC es posible entre 10 % y 100 % de la carga nominal .

Como ya se ha mencionado el proceso ORC está conectada con la caldera de aceite térmico ( inclusive el economizador aceite térmico ) a través de un ciclo de aceite térmico . El medio de transferencia de calor ( aceite térmico ) permite una operación de la caldera de aceite térmico prácticamente en las gamas de presión atmosférica a pesar de las altas temperaturas de operación requeridas . Por lo tanto , no es necesaria una supervisión constante de la caldera , lo que resulta en menores costes de personal en comparación con la operación convencional de caldera de vapor . Por otra parte , un tratamiento de agua no es necesario que una unidad de ORC , lo que sería el caso para el agua / vapor de agua como un medio de transferencia de calor . La operación del proceso ORC ( como se mencionó anteriormente ) no está bajo las regulaciones de la ley funcionamiento de la caldera de vapor.

Procesos ORC se caracterizan por una alta fiabilidad y un bajo número de averías, lo que se confirma a través de la experiencia adquirida con las aplicaciones en el ámbito de la producción de energía geotérmica. Dado que el proceso ORC es operado como un ciclo cerrado y por lo tanto las pérdidas marginales del fluido de trabajo se producen , los costos de operación son relativamente bajos . Sólo hay costos moderados para lubricantes , mantenimiento y personal . Debido al control del proceso totalmente automatizado , una operación prácticamente no tripulado del proceso ORC es posible . En cuanto a mantenimiento requerido , es práctica común tener una inspección una vez al año a partir de la empresa de fabricación , que dura de 1 a 2 días . Alarmas que se producen Eventualmente son fácilmente rastreable por el sistema de visualización del proceso y el sistema de adquisición de datos de operación a través de la interfaz de usuario del sistema de control de proceso ( estación de trabajo con monitor e impresora ) y pueden ser enviados en el tiempo para el personal operativo sobre un sistema GSM .

Un mayor desarrollo del proceso ORC

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Fig. 8

En los párrafos siguientes dan una breve reseña de la evolución continua del proceso ORC que se produjo en los últimos años y que todavía está en proceso: El enfoque del desarrollo se centra en mejorar la eficiencia eléctrica de la unidad de ORC . Para obtener información detallada sobre estos potenciales de mejora , por favor consulte la sección de descarga en la parte inferior de esta página.

A este respecto , el proceso ORC de nuevo diseño con un ciclo condensado ramificada ( también conocido como sistema de división ) es una interesante opción para el sistema convencional descrito anteriormente . Este nuevo enfoque permite tecnológica debido a una mejor interconexión del circuito de aceite térmico , así como el circuito de condensado del proceso ORC una utilización adicional de calor del gas de combustión en un segundo economizador de aceite térmico ( véase la Figura 8 ) . En comparación con el sistema convencional de una porción más alta de la energía de los gases de combustión puede ser transferida al proceso ORC que conduce a una mayor eficiencia eléctrica significativa del total de la instalación en comparación con los sistemas del estado de la técnica . Sin embargo , los intercambiadores de cabeza adicionales y componentes hidráulicos necesarios para el sistema de división conducen a mayores costos de inversión.

Una posibilidad adicional para mejorar la eficiencia de la planta eléctrica del proceso ORC está dado por un aumento en las temperaturas de aceite térmico . Una diferencia de temperatura superior entre alimentación y retorno en el sistema de aceite térmico conduce a una reducción de los costos operativos debido a los costes más bajos para una operación de reducción de las bombas de aceite térmico . Alimentación típica y temperaturas de retorno del sistema de aceite térmico son, por ejemplo 315/250 ° C en comparación con los 300/250 ° C en sistemas de estado – of-the -art . Como consecuencia de las temperaturas de operación más altas que tiene que ser señalado , que el período del ciclo de vida del aceite térmico usado disminuirá .

El aumento de las temperaturas de aceite térmico en combinación con la aplicación del sistema de división mencionada anteriormente permite una mejora en la eficiencia de la planta eléctrica de alrededor de 10 % en comparación con los sistemas de estado – of-the -art . La mejora en la eficiencia está en función de las condiciones reales, como el contenido de humedad del combustible de biomasa o el esfuerzo respectiva en el diseño de la planta y se puede calcular .

La producción de energía basada en el calor residual y otras posibilidades de utilización del proceso ORC

Fig. 9

Fig. 9

El proceso ORC es especialmente adecuado para la producción de energía basado en el calor de residuos industriales. Con el fin de producir calor residual electricidad se transfiere a un ciclo de aceite térmico y más adelante a la unidad de ORC por intercambiadores de calor. La unidad de ORC produce energía eléctrica que puede ser utilizado para cubrir la demanda de potencia auxiliar de la planta de fabricación o para la alimentación en a la red pública. Además, la unidad de ORC produce calor a baja temperatura. Dependiendo de las limitaciones del sitio de la planta de fabricación del calor de baja temperatura se puede utilizar en forma de calor proceso de baja temperatura (por ejemplo, secado), para el espacio de suministro de calor interno o los consumidores de calor externas (por ejemplo, a través de un sistema de calefacción urbana).
Una implementación proceso innovador está dada por la posibilidad de poner en práctica el proceso ORC en un proceso de lecho fluidizado-vapor-gasificación (véase la Figura 9). Esto parece ser significativo para las plantas de cogeneración en un rango de 2.5 MWel de un energético, así como el punto de vista económico. Mediante el acoplamiento de estas diferentes tecnologías de CHP, se puede esperar una mejora de la eficiencia de la planta eléctrica de alrededor de 20%.

Puntos fuertes de la tecnología ORC:

  • Excelente comportamiento de carga parcial
  • Capacidad de alternancias de carga rápida (en particular, una ventaja para la operación controlada de calor y el logro de altas tasas de utilización anual)
  • Tecnología madura y fiable
  • No hay peligro de erosión de las gotas en las hojas de la turbina (debido a las propiedades termodinámicas favorables a un menor del medio de trabajo utilizado)
  • No se necesita la supervisión constante de la caldera de vapor
  • Alto grado de automatización
  • Bajos costes de mantenimiento
  • La ejecución de las unidades de ORC en las instalaciones de combustión de biomasa existentes es relativamente fácil