ORC thông minh kích cỡ nhỏ giúp thu hồi nhiệt ở nhiệt độ thấp

Một chương trình nghiên cứu và phát triển (R&D) gần đây do một chuyên gia về chu trình Rankine hữu cơ (ORC) thuộc Công ty Exergy (Italia) thực hiện đã tập trung vào phát triển các mođun ORC cỡ nhỏ và siêu nhỏ hiệu suất cao để khai thác nhiệt thải ở nhiệt độ thấp. Trong số các tính năng chính có việc sử dụng một phiên bản nhỏ gọn tốc độ cao của tuabin dòng ra hướng kính của Exergy, với các bộ giảm chấn màng nén (SFD) được triển khai để giảm độ rung.

Các mục tiêu đầy thách thức của Châu Âu trong việc khử cacbon ngành năng lượng và sự cấp thiết ngày càng tăng để đạt được sự độc lập lớn hơn về năng lượng đang thúc đẩy hoạt động nghiên cứu và phát triển theo hai hướng: Giảm tác động môi trường của các công nghệ dựa trên nhiên liệu hóa thạch; và thay thế các công nghệ này bằng các hệ thống phát điện không cacbon.

Trong các ngành công nghiệp sử dụng nhiều năng lượng nhất, việc sử dụng các công nghệ thay thế, chẳng hạn như thu hồi nhiệt thải mà nếu không sẽ thoát ra ngoài khí quyển, có thể vừa tiết kiệm về mặt kinh tế vừa giảm phát thải cacbon. Đây là lý do tại sao, đặc biệt là ở các nước công nghiệp hóa cao, ngày càng có nhiều mối quan tâm đến việc khai thác không chỉ các nguồn nhiệt “cao quý” nhất (xét về mặt nhiệt động lực học), tức là những nguồn được đặc trưng bởi hàm lượng năng lượng cao và nhiệt độ cao, mà còn cả các dòng chảy có nhiệt độ thấp hơn và hàm lượng entanpy thấp hơn, vốn dĩ sẽ có hiệu suất chuyển đổi thấp hơn. Những dòng chảy loại thứ hai này cần những công nghệ có thể bền vững về mặt kinh tế với mức đầu tư ban đầu thấp.

Một cách tiếp cận khả thi là sử dụng các hệ thống ORC (chu trình Rankine hữu cơ) dựa trên chu trình Rankine truyền thống, sử dụng một chất lưu (bao gồm các chất lỏng và các chất khí) hoặc hỗn hợp các chất lưu hữu cơ thuộc nhiều loại khác nhau trong chu trình này. Nhờ đặc thù này, việc lựa chọn chất lưu được sử dụng cho phép khai thác các nguồn nhiệt có một dải các đặc tính nhiệt động lực học.

Dự án R&D “ORC thông minh” của Exergy

Dự án của Exergy mang tên “ORC thông minh” và liên quan đến việc phát triển một dòng các hệ thống ORC dạng mođun “nhỏ” (dưới 1.000kW) và “siêu nhỏ” (dưới 100kW) với hiệu suất rất cao, được xây dựng trên các công nghệ độc quyền của công ty.

Nhờ có sự tham gia của Đại học Bách khoa Milano (Italia) và các công ty chế tạo tại địa phương trong việc thiết kế chi tiết và chế tạo các thành phần quan trọng nhất của máy, một hệ sinh thái để phát triển thêm các hệ thống ORC và máy móc tuabin (bao gồm cả tuabin và máy nén) hiệu suất cao đã được tạo ra.

Hình 2. Công nghệ SFD (bộ giảm chấn màng nén) do Exergy thiết kế cho dự án SMART ORC (Ảnh st)

Sản xuất điện bằng cách sử dụng công nghệ ORC có thể được coi là một dạng phát điện phân tán, và với khả năng đưa nhiệt thải vào chu trình cũng như đáp ứng mức tiêu thụ của chính địa điểm sản xuất, các hệ thống ORC có khả năng linh hoạt để có thể cung cấp năng lượng cho lưới điện, tự tiêu thụ hoặc tích trữ năng lượng sản xuất ra (trong các hệ thống tích trữ điện hoặc nhiệt).

Các hệ thống ORC nhỏ hiện nay sử dụng các tuabin thể tích, ví dụ các tuabin trục vít hoặc cánh quạt, hoặc các tuabin hướng kính hướng tâm nhỏ. Các loại tuabin này đều có đặc điểm là hiệu suất đẳng entropy thấp hơn so với hiệu suất được ghi nhận cho các nhà máy điện dựa trên ORC lớn hơn được trang bị tuabin dòng ra hướng kính.

Nếu các máy thể tích thường có hiệu suất đỉnh thấp hơn các máy tuabin, đạt giá trị khoảng 60-75% (tổng đẳng entropy đến tĩnh tại), thì các tuabin hướng kính hướng tâm lại có nhược điểm là gặp khó khăn trong việc thải bỏ toàn bộ bước nhảy entanpy trong một giai đoạn duy nhất và, do đó, hiệu suất bị giới hạn.

Việc áp dụng tuabin dòng ra hướng kính (ROT) của Exergy, một công nghệ được bảo hộ bởi một số bằng sáng chế, có nhiều lợi thế:

• Sự kết hợp đồng thời của sự giãn nở chất lưu và diện tích mặt cắt ngang tăng cao;
• Các thành phần cơ khí được thiết kế để có thể tháo rời dễ dàng mà không cần phải tháo hết bên trong hệ thống, nhờ đó giảm thời gian bảo trì;
• Tuổi thọ ổ trục cao do độ rung rất thấp;
• Rò rỉ và ma sát rôto ở mức thấp; và
• Tự do hơn trong việc lựa chọn mức áp suất và građient áp suất giai đoạn, hạn chế sự hình thành xoáy và giảm tổn thất động lực học chất lưu.

Nhìn chung, đây là một công nghệ tuabin hiệu suất cao hơn và đáng tin cậy hơn, có độ rung thấp và ít tiếng ồn hơn.

Dải kích cỡ của các mođun ORC tiêu chuẩn được khảo sát và phát triển trong quá trình thực hiện dự án Exergy Smart ORC đã được chọn để phù hợp với một dải rộng các nguồn nhiệt có sẵn trong thế giới công nghiệp: 80kWe; 160kWe; 210kWe; 450kWe; 600kWe; 850kWe (tổng công suất điện).

Chất làm lạnh R1233zd(E) được sử dụng làm chất lỏng công tác.

Hình 3. Tiến hành cân bằng rôto (Ảnh st)

Đối với các công suất này, công nghệ dạng mođun, nhỏ gọn và tiêu chuẩn hóa, một mặt cho phép lắp đặt, chế tạo nhanh hơn và giảm chi phí tổng thể của hệ thống, mặt khác, việc lựa chọn chất lưu công tác cụ thể hứa hẹn hiệu suất cao tuân thủ các yêu cầu cần thiết về an toàn, không cháy nổ và ít tác động đến môi trường.

Khối lượng và lưu lượng dòng chảy thể tích thấp đạt được, thấp hơn đáng kể so với các máy ORC kích cỡ trung bình và lớn, đòi hỏi một số điều chỉnh đối với tuabin ROT, thành phần có mức cao nhất về hàm lượng công nghệ.

Do đó, máy mới này đã được thu nhỏ xuống một kích cỡ nhỏ hơn, với tốc độ quay cao hơn so với tuabin ROT tham chiếu, để duy trì tính năng cao.

Yêu cầu tốc độ quay cao (lên tới khoảng 20.000 vòng/phút) đã dẫn đến sự phát triển các phương pháp luận cụ thể để mô hình hóa và thực hiện các tính toán cho các rôto “nhanh”, cũng như thiết kế và chế tạo các hệ thống giảm rung được gọi là các SFD (bộ giảm chấn kiểu màng nén), thường được sử dụng trong ngành hàng không trên các động cơ thương mại và quân sự, để ổn định các rôto hoạt động ở tốc độ quay cao. Tính hữu ích to lớn của các hệ thống SFD nằm ở tác dụng giảm chấn của chúng đối với máy.

Ngoài ra, buồng dầu điều áp được sử dụng trong máy mới và cơ cấu neo cố định của nó vào các ổ trục giúp giảm đáng kể độ rung, vốn bị làm trầm trọng thêm do tác động gây mất ổn định của các đường dẫn bịt kín của rôto, được thiết kế để chứa chất lỏng trong quá trình giãn nở của nó.

Ngoài các vấn đề về quay, cũng cần phải áp dụng một bộ giảm tốc để kết nối cơ học với máy phát điện. Mặc dù hiệu suất của máy tuabin là một hàm của tốc độ quay của cánh quạt, nhưng thông thường, máy phát điện có tốc độ quay được xác định bởi số cực mà nó có và tần số của lưới điện mà nó được kết nối. Máy phát điện “quay chậm” được ưa chuộng hơn so với máy phát điện “quay nhanh” do tổn thất hiệu suất trong chính máy và trong bộ biến tần (nghịch lưu) cần thiết ở tần số cao. Với mục đích hạn chế tổn thất truyền tải giữa tuabin và máy phát điện, một hộp bánh răng dạng hành tinh có hệ số dịch vụ thấp, răng thẳng, bảy vệ tinh, đã được lựa chọn, chế tạo và tích hợp hoàn toàn vào máy mới này.

Dòng các mođun ORC thông minh

Sau những kết quả đầy hứa hẹn nhận được trên bàn thử, thông qua dự án R&D được mô tả ở trên, Exergy đã nhận được những bí quyết cần thiết để đề xuất một dòng các mođun ORC thông minh cùng với việc phát triển liên quan của máy tuabin nhỏ và tiêu chuẩn hóa. Điều này mở rộng ứng dụng tuabin dòng ra hướng kính của Exergy sang các hệ thống ORC rất nhỏ (siêu nhỏ và nhỏ) để sản xuất điện từ các nguồn như các hệ thống xả động cơ diesel và nhiệt thải có sẵn trong nhiều quy trình công nghiệp khác nhau.

Dự kiến, việc ứng dụng R&D này cho đến nay ​​sẽ tăng hiệu suất của các hệ thống ORC nhỏ và siêu nhỏ lên khoảng 5 đến 15%.

Biên dịch: Bùi Thị Thu Hường

Theo ‘‘mps’’, tháng 8/2023