Выбор основного источника питания: PCHE обеспечивает высокоэффективную модернизацию сверхкритических циклов Брайтона CO₂.

В условиях глобальных целей по достижению пика выбросов углерода и углеродной нейтральности технология генерации электроэнергии с использованием сверхкритического диоксида углерода (S-CO₂) на основе цикла Брайтона, благодаря высокой тепловой эффективности, компактной конструкции системы и низкому водопотреблению, стала центральным элементом энергетического перехода. Теплообменник с печатной платой (PCHE), как ключевой теплообменный компонент этого цикла, напрямую определяет производительность и коммерческую ценность системы. В данной статье анализируется технологический процесс цикла, объясняются ограничения традиционных теплообменников в данном применении и демонстрируются основные технические преимущества PCHE.

Основной технологический процесс генерации электроэнергии с использованием сверхкритического CO₂ в цикле Брайтона

Система использует сверхкритический CO₂ в качестве рабочего тела и обеспечивает эффективное преобразование тепла в электричество посредством замкнутого цикла без традиционного газожидкостного фазового перехода. Цикл включает шесть ключевых этапов: низкотемпературное рабочее тело низкого давления (33 °C, 8,1 МПа) сжимается компрессором до 20–23 МПа. Затем оно последовательно проходит через низкотемпературный и высокотемпературный рекуператоры для рекуперации отработанного тепла и повышения своей температуры. Далее оно нагревается нагревателем (с использованием источников тепла, таких как промышленное отработанное тепло или солнечная тепловая энергия) до 500–800 °C и поступает в турбогенераторную установку для выполнения работы и выработки электроэнергии. Наконец, оно охлаждается охладителем до исходного состояния, завершая цикл. Данные исследований показывают, что при температуре на входе в турбину выше 550 °C термический КПД цикла на 20–50% выше, чем у традиционного парового цикла Ранкина, а потребление воды снижается на 50%. Рекуператоры и охладитель берут на себя более 90% теплообмена, что делает их критически важными для эффективной работы системы.

Ограничения традиционных теплообменников

Для условий сверхкритического цикла CO₂ характерны высокое давление (8–23 МПа, достигающее в верхнем пределе более 30 МПа), высокая температура (500–800 °C), быстрое изменение свойств рабочей жидкости и небольшие перепады температур при теплообмене. Традиционные теплообменники с трудом справляются с этими условиями. Кожухотрубные теплообменники требуют значительного утолщения стенок при высоком давлении, а рекуператор такого типа мощностью 50 МВт может достигать объема в несколько сотен кубических метров, что более чем в пять раз превышает объем пластинчато-ребристого теплообменника, в результате чего он занимает очень большую площадь. Пластинчато-ребристые теплообменники имеют паяные швы, склонные к протечкам, и максимальное допустимое давление менее 15 МПа, что не соответствует требованиям систем среднего и высокого давления. Кроме того, традиционные теплообменники, как правило, имеют низкие коэффициенты теплопередачи и большие перепады давления, на которые приходится более 60% общих потерь давления в системе. По оценкам, это может привести к снижению чистой эффективности на 3–5 процентных пунктов для системы мощностью 10 МВт. Кроме того, при удельной площади поверхности менее 500 м²/м³ традиционные теплообменники не соответствуют требованиям компактной интеграции в систему.

Основные технические преимущества PCHE

Поликристаллические стеклоэлектронные теплообменники (PCHE) изготавливаются с использованием комбинации технологий химического травления и вакуумной диффузионной сварки, а их микроканальная конструкция (обычно 0,1–2 мм) делает их идеально подходящими для сложных условий эксплуатации систем со сверхкритическим CO₂. Основные технические преимущества включают:

Исключительная устойчивость к давлению и температуре
Термоэлектрические теплообменники с пористым теплообменником (PCHE) выдерживают давление до 100 МПа и температуру свыше 800 °C, обеспечивая стабильную и герметичную работу в условиях экстремально высокого давления и высокой температуры.

Сверхвысокая эффективность теплопередачи
Термоэлектрические теплообменники с пластинчатым теплообменником (PCHE) обеспечивают сверхвысокую эффективность теплопередачи, с коэффициентами теплопередачи от 2000 до 5000 Вт/(м²·К), что в 2–4 раза выше, чем у обычных теплообменников. Разница температур на входе может составлять всего 2–3 К. В системах мегаваттного масштаба рекуператоры на основе PCHE могут достигать эффективности до 95%, что приводит к повышению тепловой эффективности на 20–25%.

Низкое падение давления и повышенная энергоэффективность
Падение давления на теплообменниках с пластинчатым теплообменником составляет всего 1/3–1/2 от падения давления в традиционных теплообменниках. Для системы мощностью 10 МВт это приводит к снижению общих потерь давления в системе на 6–8% и увеличению чистой выходной мощности на 2–3 процентных пункта.

Очень компактная и легкая конструкция
Термоэлектрические теплообменники с пористым теплообменником обладают удельной поверхностью более 2500 м²/м³, что позволяет уменьшить их объем до 1/4–1/6 от объема аналогичных кожухотрубных теплообменников. Значительно меньший вес также упрощает интеграцию системы.

Отличная гибкость материалов
Термоэлектрические теплообменники с поршневым механизмом могут быть изготовлены на заказ с использованием нержавеющей стали, никелевых сплавов и других подходящих материалов. Это обеспечивает надежную работу при быстро меняющихся свойствах жидкости и совместимость с различными условиями эксплуатации.

На глубоководных плавучих установках для добычи, хранения и отгрузки нефти (FPSO) или буровых платформах пространство и полезная нагрузка являются крайне затратными ресурсами. Каждая дополнительная тонна веса, добавленная к платформе, значительно увеличивает стоимость ее плавучей конструкции.

Заключение

В настоящее время продукция компании Shanghai Plate Heat Exchange Equipment Co., Ltd. (SHPHE) в виде пластинчатых теплообменников с теплообменниками (PCHE) отвечает потребностям систем Брайтоновского цикла на сверхкритическом CO₂ в качестве основных теплообменных компонентов, включая высокотемпературный рекуператор, низкотемпературный рекуператор и предварительный охладитель. Эти установки способны адаптироваться к жестким условиям эксплуатации сверхкритического CO₂ в качестве рабочего тела, характеризующимся высоким давлением, высокой температурой и широким диапазоном характеристик, обеспечивая при этом превосходную теплопередачу, контролируемые потери давления и высокую адаптивность к изменяющимся условиям. Компания Shanghai Plate Heat Exchange Equipment Co., Ltd. (SHPHE) может предложить индивидуальные решения, которые помогут вашему проекту достичь более высокой тепловой эффективности, снизить энергопотребление и оптимизировать затраты. Выбор PCHE означает выбор эффективного, надежного и низкоуглеродного энергетического будущего.