BG63784B1

BG63784B1 - Метод на действие на инсталация, работеща по силов цикъл с надкритично налягане

Info

Publication number: BG63784B1
Application number: BG103453A
Authority: BG
Inventors: Иван ИВАНОВ
Original assignee: Иван ИВАНОВ
Priority date: 1999-06-01
Filing date: 1999-06-01
Publication date: 2002-12-29
Also published as: BG103453A

Abstract

Инсталацията намира приложение в енергетиката. Чрез нея се повишава кпд на електроцентралите, тъй като се повишава степента на регенерация на отпадъчна топлина. Инсталацията се състои от нагревателноустройство (1), турбина (2), регенеративен топлообменник (3), хладилник (4), сборник за втечнен газ(5), помпа (6), хладилна установка и междинен топлинен резервоар (8). Като работно тяло в инсталацията могат да се използват всички видове газове, които имат критична температура, по-ниска от 350К. Термодинамичният силов цикъл се провежда изцяло принадкритично налягане на работното тяло и голям температурен диапазон между топлия и студения резервоар. Между правия и обратния поток на газа се осъществява регенеративен топлообмен, благодарение на който се постига висока степен на регенерация на отпадъчната топлина. Нерегенерираната топлина се извежда от студения резервоар с помощта на хладилна установка и се предава в трети междинен топлинен резервоар с температура, по-висока от температурата на студения резервоар.

Description

Изобретението се отнася до метод на действие на инсталация, работеща по силов цикъл с надкритично налягане и ще намери приложение при производството на електроенергия в атомните и топлоелектроцентралите.

Предшестващо състояние на техниката

Съвременните атомни и топлоелектроцентрали работят по термодинамичния силов цикъл на Ренкин-Клаузиус при налягане на работния флуид по-ниско от критичното налягане. Кпд на тези централи не надвишава 33-35% /1/.

Известни са метод и устройство, при които силовият термодинамичен цикъл се провежда при надкритично налягане на работния флуид, два топлинни резервоара и регенеративен топлообмен между правия и обратния поток /2, 3, 4/. Отпадната нерегенерирана топлина се извежда от студения резервоар с помощта на хладилна инсталация и отново се връща в топлия резервоар. Това е съпроводено с разход на голямо количество външна работа, поради значителната разлика между температурите на двата топлинни резервоара. По тази причина устройството работи при много нисък кпд.

Техническа същност на изобретението

Проблемът, който трябва да бъде решен, е да се създаде метод, при който топлината на изход от турбината на работния флуид - газ с критична температура, близка или по-ниска от температурата на околната среда, по-пълно се регенерира, т.е. силов цикъл - с повишен кпд.

Методът на действие на инсталацията, работеща по силов цикъл с надкритично налягане, включва следните последователни етапи на въздействие върху работния газ с критична температура, близка или по-ниска от температурата на околната среда:

- нагряване на газа в нагревателно устройство;

- разширяване на газа в газова турбина;

- охлаждане чрез регенеративен топлообмен с обратния поток на газа;

- допълнително охлаждане в хладилник-кондензатор до температура, по-ниска от критичната температура на газа;

- повишаване на налягането на втечнения газ до първоначалното налягане;

- подгряване чрез регенеративен топлообмен с правия поток на газа на изход от турбината и връщане на газа отново в нагревателното устройство;

- прехвърляне на отнетата от газа в хладилник-кондензатора нерегенерирана топлина в междинен топлинен резервоар.

Ролята на междинен топлинен резервоар най-често ще изпълнява околната среда, но е възможно да се работи и с междинен резервоар, с температура по-висока от температурата на околната среда. В този случай топлината от междинния резервоар може да се използва за топлофикационни цели.

Инсталацията за осъществяване на метода включва нагревателно устройство, газова турбина, регенеративен топлообменник, хладилник-кондензатор, сборник за втечнен газ, помпа, хладилна инсталация, междинен топлинен резервоар и генератор.

Цикълът се провежда по следния начин. Работното тяло се подгрява в нагревателното устройство до желаната температура Т, при подбраното начално налягане Р_н. Пропуска се през едно- или многостепенна газова турбина и с крайно налягане Р_к на изход от турбината се подлага на охлаждане първоначално в регенеративен топлообменник, при което температурата на газа се намалява за сметка на студа на обратния поток. Допълнителното охлаждане на газа до температурата на студения резервоар Т₂ става в хладилник-кондензатор с помощта на хладилна инсталация. Тази температура трябва да бъде по-ниска от критичната температура на газа. При това охлаждане става фазов преход от втори род и газът преминава в течно състояние. Следва повишаване на налягането на втечнения газ с помпа до първоначалната стойност Р_н. След помпата газът се насочва в регенеративния топлообменник, нагрява се за сметка на топлината на правия поток и постъпва отново в нагревателното устройство, където температурата му се повишава до Т_г

Нерегенерираната отпадна топлина от хладилник-кондензатора се прехвърля в междинния топлинен резервоар с температура Т_м, която е по-ниска от Т, и по-висока от Т₂.

При метода съгласно изобретението се намалява разходът на външна работа за извеждане на нерегенерираната топлина от студения резервоар чрез междинен топлинен резервоар, който е с температура, равна или по-висока от температурата на околната среда. Във втория случай топлината на междинния резервоар може да се използва за топлофикационни цели.

Пояснение на приложените фигури

Изобретението се пояснява по-добре с помощта на приложените фигури, от които:

фигура 1 показва примерна схема на инсталация за надкритичен силов цикъл с междинен топлинен резервоар;

фигура 2 - схема на хода на процеса в Т-3 диаграма.

Примери за изпълнение на изобретението

Схемата, показана на фиг. 1, включва нагревателно устройство 1, газова турбина 2, регенеративен топлообменник 3, хладилник-кондензатор 4, сборник за втечнен газ 5, помпа 6, генератор 10. Свързаната с основната схема хладилна инсталация включва компресор 7, междинен топлинен резервоар 8 и дросел вентил 9. Това е принципна схема на амонячно-хладилна инсталация. Може да се използва и всеки друг тип хладилна инсталация.

Процесът протича по следния начин. В нагревателното устройство 1 газът се подгрява до температура Т, и с начални параметри Р_н и Т, постъпва в газовата турбина 2, където се разширява до подбраното крайно налягане Р_к, а получената при това полезна работа се трансформира в електроенергия в генератор 10. След турбината газът постъпва в регенеративен топлообмен< ник 3, където се охлажда за сметка на студа на обратния поток. Окончателното охлаждане на газа до температурата на студения резервоар Т₂ се извършва в хладилник-кондензатор 4 с помощта на хладилна инсталация. Стойността на Т₂ се подбира така, че газът да бъде в течно състояние. Втечненият газ постъпва в сборник 5, засмуква се оттам с помпа бис повишено до първоначалната стойност налягане Р_н се подава в регенеративния топлообменник 3, където се нагрява за сметка на топлината на правия поток на газа след турбината 2. Нагряването на газа до първоначалната температура Т, става в нагревателно устройство 1. Когато се използва многостепенна турбина задължително се осъществява междинно нагряване на газа преди постъпването му в следващата степен.

Хладилният агент от хладилник-кондензатор 4 се засмуква от компресор 7 и с повишено налягане и повишена температура се подава за охлаждане и кондензация в междинен резервоар 8. Ако ролята на междинен резервоар изпълнява околната среда, охлаждането и кондензацията на хладилния агент се постига с вода или въздух при температурата на околната среда Τζ.. Ако междинният резервоар е с температура, по-висока от Т^., охлаждането може да става с вода или друг охлаждащ агент, който след това да се използва като топлоносител в различни нагревателни устройства. Течният хладилен агент от резервоар 8 се подава отново в хладилник-кондензатора 4 при намалено налягане чрез дросел-вентил 9.

Ходът на процеса в Т-5 диаграма, представен на фиг. 2, е следният.

Между точки 1-2, 3-4 и 5-6 става адиабатно разширяване на работното тяло в трите последователни степени на турбината от началното налягане Р_н до крайното налягане Р_к. След последната степен на турбината температурата на газа се намалява до една стойност, съответстваща на т.6. Между всеки две степени на турбината става междинно нагряване на газа между точки 2-3 и 3-4. От т.6 до т.7 става охлаждане на газа в регенеративния топлообменник. От т.7 до т.8 охлаждането на газа се извършва с помощта на хладилен агент. Точка 8 се подбира така, че да лежи в областта на течната фаза на работното тяло. Освен това, без да е задължително, е желателно при адиабатното повишаване на налягането на течния газ от

т.8 до т.9, адиабатата да не пресича критичната изотерма, т.е. по възможност т.9 също да лежи в течната фаза. Така се осигурява минимален разход на работа при адиабатното повишаване на налягането на течния газ от Р_к до Р_н. От т.9 до т.10 става подгряване на газа в регенеративния топлообменник за сметка на топлината на правия поток. От т.10 до т.1 температурата на газа се повишава до изходната стойност Т, в нагревателното устройство 1 с целево изгаряно гориво. Възможно е при наличие на нископотенциална отпадна топлина предварително газът да се подгрее до по-ниска температура от Т, и едва след това до Т, чрез изгаряне на гориво. Местата на т.7 и т.10 се подбират така, че да се осигури необходимата температурна разлика между правия и обратния поток на газа, за да бъде възможен топлообмена между двата потока.

На фиг. 2 е представен е ходът на термодинамичния цикъл на хладилния агент. Той се състои от две адиабати 12-13 и 14-11 и две изотерми 11-12 и 13-14 и протича изцяло в двуфазната област, между температурата на студения резервоар Т₂ и температурата на междинния резервоар Т_м.

Изобретението се пояснява със следните конкретни примери, при които работният флуид е с надкритично налягане.

Пример 1. Работният флуид е въглероден двуокис.

Работни параметри:

Начално налягане Р_н 400 Ьаг

Крайно налягане Р_к 80 Ьаг

Температура на топлия резервоар Т, 773К

Температура на студения резервоар Т₂ 281К

Температура на междинния резервоар Т_м 300К

Използва се тристепенна газова турбина.

Газът постъпва на вход в I степен на турбината с начални параметри 400 Ьаг и температура 773К. След първата степен налягането на газа пада до 250 Ьаг, а температурата до 713К. Следва подгряване на газа в междинния подгревател между I и II степен до 773К. След втората степен на турбината параметрите на газа са 160 Ьаг и 713К. Следва ново нагряване на газа до 773К. На изхода от третата степен на турбината газът е с налягане 80 Ьаг и температура 633К. В регенеративния топлообменник температурата на СО₂ се намалява до 321К. По-нататъшното охлаждане на газа до 281К става с помощта на хладилен агент. При адиабатното повишаване на налягането на газа от 80 до 400 Ьаг температурата му се повишава до 301К. В регенеративния топлообменник газът се подгрява до 663К, след което постъпва в нагревателя и температурата му се повишава до началната стойност 773К.

Пример 2. Работният флуид е етилен.

Работни параметри:

Начално налягане Р_н 500 Ьаг

Крайно налягане Р_к 60 Ьаг

Температура на топлия резервоар Т, 623 К

Температура на студения резервоар Т₂ 273К

Температура на междинния резервоар Т_м 300К

Използва се четиристепенна газова турбина.

Газът постъпва в първа степен на турбината с налягане 500 Ьаг и температура 623К. След I степен налягането на етилена е 300 Ьаг, а температурата пада до 583К. В междинния нагревател етиленът се подгрява отново до 613К и постъпва във втора степен на турбината. На изход от II степен налягането е 180 Ьаг, а температурата 573К. Следва ново подгряване на етилена до 607К и разширение в трета степен на турбината до 100 Ьаг, при което температурата пада до 556К. След ново подгряване до 599К етиленът постъпва в последната степен на турбината. На изход от тази степен налягането на газа е 60 Ьаг, а температурата 560К. В регенеративния топлообменник етиленът се охлажда до 334К. Следва допълнително охлаждане до 27 ЗК с помощта на хладилен агент. При повишаване на налягането на етилена до първоначалната стойност 500 Ьаг температурата му се повишава до 314К. След това етиленът се подгрява последователно в регенеративния топлообменник до 540К и в нагревател до 623 К. С тези параметри газът отново постъпва в турбината.

Claims

1. Метод на действие на инсталация, работеща по силов цикъл с надкритично налягане, който включва следните последователни етапи на въздействие върху газове с критична температура, близка или по-ниска от температурата на околната среда: нагряване в нагревателно устройство, разширяване в газова турбина, охлаждане чрез регенеративен топлообмен, допълнително охлаждане в хладилник-кондензатор, повишаване на налягането на втечнения газ до първоначалното, подгряване чрез регенеративен топлообмен и подаване отново в нагревателното устройство, характеризиращ се с това, че нерегенерираната топлина, отнета от газовете в хладилник-кондензатора се прехвърля в междинен топлинен резервоар (8), с температура, по-ниска от температурата на подгряване.

2. Метод на действие на инсталация, работеща по силов цикъл с надкритично налягане съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че температурата на междинния топлинен резервоар (8) е равна на температурата на околната среда.

5 3. Метод на действие на инсталация, работеща по силов цикъл с надкритично налягане съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че температурата на междинния топлинен резервоар (8) е по-висока от тем10 пературата на околната среда.

Приложение: 2 фигури