1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Теплоэнергетика
  4. № 12, 2023

Теплоэнергетика, 2023, № 12, стр. 126-137

Технико-экономическое сравнение простого и каскадного органического цикла Ренкина для распределенной энергетики

O. J. Eyenubo a, S. O. Otuagoma a, D. O. Ofotoku b, N. U. Enyinnaya c, K. Owebor d, *

a The Department of Electrical/Electronics Engineering, Delta State University
PMB 1, Abraka – Oleh Campus, Delta State, Nigeria

b The Department of Mechanical Engineering, Afe Babalola University
PMB 5454, Ado-ekiti, Ekiti, Nigeria

c The Department of Mechanical Engineering, University of Port Harcourt
PMB 5323, Choba, Port Harcourt, Rivers State, Nigeria

d The Department of Mechanical Engineering, Delta State University
PMB 1, Abraka – Oleh Campus, Delta State, Nigeria

* E-mail: kesiena_owebor@uniport.edu.ng

Поступила в редакцию 10.06.2022
После доработки 03.09.2022
Принята к публикации 12.09.2022

Аннотация

В работе предложены, смоделированы, проанализированы и сопоставлены с технической и экономической точек зрения две системы для распределенной энергетики: простая и каскадная, работающие по органическому циклу Ренкина (Organic Rankine Cycle – ORC). В качестве топлива предлагается использовать рисовую шелуху с типовой мельницы в Нигерии, в то время как рабочими жидкостями для исследуемых ORC-установок являются хладагенты толуол и R245fa. Моделирование энергетических установок проводилось с помощью фундаментальных технических и экономических подходов. Ключевыми техническими параметрами при исследовании служили выработка электроэнергии, энергетическая и эксергетическая эффективность, искомым экономическим параметром являлась удельная стоимость энергии. Установлено, что при использовании рисовой шелухи в качестве возобновляемого источника энергии ORC-электростанция может обеспечить 27–38 МВт ⋅ ч суточной потребности в электроэнергии самой рисовой фабрики и находящихся поблизости объектов. Представлены результаты анализа энергетической и эксергетической эффективности простой и каскадной ORC-электростанции, свидетельствующие о перспективности последней. Проанализированы рабочие/тепловые мощности элементов установок и потери эксергии в них. Определены направления повышения эффективности работы электростанции на рисовой шелухе, это прежде всего совершенствование высокотемпературных теплообменных аппаратов. Представлены результаты экономического анализа жизнеспособности проектов на основе простого и каскадного циклов Ренкина. У простой ORC-установки экономические показатели лучше: удельная стоимость энергии составляет 0.115 дол/(кВт ⋅ ч), тогда как у каскадной – 0.124 дол/(кВт ⋅ ч). Однако при комплексном исследовании технических, экономических, социальных и экологических показателей обоих циклов установлено, что необходимо разрабатывать каскадные ORC-установки. В работе приводятся также результаты анализа зависимости производительности установок от объемов образования рисовой шелухи в течение года, температуры уходящих газов на устье дымовой трубы и таможенных тарифов. Представлено технико-экономическое обоснование перспективности предлагаемого технического решения для слабо электрифицированных стран.

Ключевые слова: рисовая шелуха, биомасса, органический цикл Ренкина, распределенная энергетика, каскадная электростанция, толуол, R245fa, эксергия

Список литературы

  1. Power situation and renewable energy potentials in Nigeria: A case for integrated multi-generation technology / K. Owebor, E. O. Diemuodeke, T. A. Briggs, M. Imran // Renewable Energy. 2021. V. 177 (C). P. 773–796. https://doi.org/10.1016/j.renene.2021.06.017

  2. World Bank (2022). Access to electricity (% of population). https://data.worldbank.org/indicator/EG.ELC.ACCS. ZS?locations=NG

  3. Integration of perennial grass into energy mix as alternative to fuelwood in selected Niger Delta communities, Nigeria / M.U. Ajieh, K. Owebor, L.C. Edomwonyi-Otu, I.F. Okafor // Biomass Conv. Bioref. 2021. V. 13. P. 4149–4160. https://doi.org/10.1007/s13399-021-01570-2

  4. Potentials of small hydro power in Nigeria: The current status and investment opportunities / R. Kela, K.M. Usman, A. Usman, A. Tijjani // Int. J. Sci. Eng. Res. 2012. V. 3. No. 5. P. 1–5.

  5. Diemuodeke O. E., Mulugetta Y., Imran M. Techno-economic and environmental feasibility analysis of rice husks fired energy system for application in a cluster of rice mills // Renewable Sustainable Energy Rev. 2021. V. 149. P. 111365. https://doi.org/10.1016/j.rser.2021.111365

  6. Potentials of electricity generation from rice husk – a case study of rice mill / T.A. Memon, K. Harijan, M.I. Soomro, S. Meghwar, G.D. Valasai, H. Khoharo // Sindh Univ. Res. J. 2017. V. 49. No. 3. P. 495–498. https://doi.org/10.26692/surj/2017.09.05

  7. Electricity production potential and social benefits from rice husk, a case study in Pakistan / O. Mohiuddin, A. Mohiuddin, M. Obaidullah, H. Ahmed, S.A. Sarkodie // Cogent Eng. 2016. V. 15. No. 1. P. 1177156. https://doi.org/10.1080/23311916.2016.1177156

  8. Mujeebu M.A., Abdullah M.Z., Sas A. Husk-fueled steam turbine cogeneration for a rice mill with power export – A case study // Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, Environ. Effects. 2011. V. 33. No. 8. P. 724–734. https://doi.org/10.1080/15567030903226298

  9. Gasification and power generation characteristics of rice husk and rice husk pellet using a downdraft fixed-bed gasifier / S.J. Yoon, Y. Son, Y. Kim, J. Lee // Renewable Energy. 2012. V. 42. P. 163–167. https://doi.org/10.1016/j.renene.2011.08.028

  10. Tomarov G.V., Shipkov A.A. Modern geothermal power: Binary cycle geothermal power plants // Therm. Eng. 2017. V. 64. No. 4. P. 243–250. https://doi.org/10.1134/S0040601517040097

  11. Tomarov G.V., Shipkov A.A., Sorokina E.V. Choice of optimal working fluid for binary power plants at extremely low temperature brine // Therm. Eng. 2016. V. 63. No. 12. P. 887–895. https://doi.org/10.1134/S0040601516120065

  12. Improving geothermal power plants with a binary cycle / G.V. Tomarov, A.A. Shipkov, E.V. Sorokina, M. Ban // Therm. Eng. 2015. V. 62. No. 12. P. 878–885. https://doi.org/10.1134/S0040601515120101

  13. Low-grade heat conversion into power using organic Rankine cycles – A review of various applications / B.F. Tchanche, G. Lambrinos, A. Frangoudakis, G. Papadakis // Renewable Sustainable Energy Rev. 2011. V. 15. No. 8. P. 3963–3979. https://doi.org/10.1016/j.rser.2011.07.024

  14. Thermo-environmental and economic analysis of an integrated municipal waste-to-energy solid oxide fuel cell, gas-, steam-, organic fluid- and absorption refrigeration cycle thermal power plants / K. Owebor, C.O.C. Oko, E.O. Diemuodeke, O.J. Ogorure // Appl. Energy. 2019. V. 239 (C). P. 1385–1401. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2019.02.032

  15. Tomarov G.V., Shipkov A.A. Multistage geothermal ORC power units: Utilization of high temperature (180°C) geothermal fluid // Therm. Eng. 2022. V. 69. No. 4. P. 259–266. https://doi.org/10.1134/S0040601522030107

  16. Tomarov G.V., Shipkov A.A. Multistage organic Rankine cycles: utilization of medium temperature (120°C) geothermal fluid // Therm. Eng. 2022. V. 69. No. 5. P. 354–361. https://doi.org/10.1134/S0040601522050068

  17. Saha B.K., Chakraborty B., Pundeer P. Thermodynamic and thermo economic analysis of organic Rankine cycle with multi-objective optimization for working fluid selection with low-temperature waste sources in the Indian industry // Proc. of the 5th Intern. Seminar on ORC Power Systems. Athens, Greece, September 9–11, 2019. P. 5–12.

  18. Thermodynamic performance of a R245fa organic Rankine cycle (ORC) with different kinds of heat sources at evaporator / R. Kong, T. Deethayat, A. Asanakhan, N. Vorayos, T. Kiatsiriroat // Case Studies Therm. Eng. 2019. V. 13. P. 100385.

  19. Dincer I., Rosen M.A. Exergy – energy, environment and sustainable development. 2nd ed. Elsevier, 2013.

  20. Madhiyanon T., Sathittruangsak P., Soponronnarit S. Co-combustion of rice husk with coal in a cyclonic fluidized-bed combustor // Fuel. 2009. V. 88. P. 132–138.

  21. Roman M., Bobasu E., Selisteanu D. Modelling of biomass combustion process // Energy Procedia. 2011. V. 6. P. 432–440. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2011.05.050

  22. Chandrappa R., Das D.B. Waste quantities and characteristics waste // Solid waste management. Environmental Science and Engineering. Berlin; Heidelberg: Springer, 2012. P. 47–63. https://doi.org/10.1007/978-3-642-2868-0_2

  23. Andrew N.E., Gbabo A. The physical, proximate and ultimate analysis of rice husk briquettes produced from a vibratoryblock mold briquetting machine // Int. J. Innovative Sci., Eng. Technol. 2015. V. 2. No. 5. P. 818–820.

  24. Jack T.A., Oko C.O.C. Exergy and exergoeconomic analysis of a municipal waste-to-energy steam reheat power plant for Port Harcourt city // Int. J. Ambient Energy. 2017. V. 39. No. 4. P. 352–359. https://doi.org/10.1080/01430750.2017.1305447

  25. Owebor K., Diemuodeke E.O., Briggs T.A. Thermo-economic and environmental analysis of integrated power plant with carbon capture and storage technology // Energy. 2022. V. 240. P. 122748. https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.122748

  26. Energy, exergy, environmental and economic analysis of an agricultural waste-to-energy integrated multigeneration thermal power plant / O.J. Ogorure, C.O.C. Oko, E.O. Diemuodeke, K. Owebor // Energy Convers. Manage. 2018. V. 171. No. 6. P. 222–240. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2018.05.093

  27. Haseli Y., Dincer I., Naterer G.F. Thermodynamic analysis of a combined gas turbine power system with a solid xide fuel cell through exergy // Thermochimica Acta. 2008. V. 480. No. 1–2. P. 1–9. https://doi.org/10.1016/j.tca.2008.09.007

  28. NERC (2020). Licensing, Tariff and Market Rules. Nigerian Electricity Regulatory Commission. Retrieved from www.nerc.gov.ng

  29. Roche M.Y., Ude N., Donald-Ofoegbu I. Comparison of costs of electricity generation in Nigeria // The Nigerian Economic Summit Group and Heinrich BöllStiftung Nigeria, Abuja. June 2017. P. 20–34.

  30. Multi-criteria optimisation of integrated power systems for low-environmental impact / K. Owebor, O.E. Diemuodeke, T.A. Briggs, O.J. Eyenubo, O.J. Ogorure, M.O. Ukoba // Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, Environ. Effects. 2022. V. 44. No. 2. P. 3459–3476. https://doi.org/10.1080/15567036.2022.2064565

  31. 4E analysis and multi-objective optimization of an integrated MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) and ORC (organic Rankine cycle) system / A.H. Mamaghani, B. Najafi, A. Shirazi, F. Rinaldi // Energy. 2015. V. 82. P. 650–663. https://doi.org/10.1016/j.energy.2015.01.074

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Теплоэнергетика

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал