CZ417391A3 - Elektrárna s Rankinovým cyklem, využívající organickou tekutinu a způsob jejího provozování - Google Patents

Abstract

Hnací zařízení elektrárny pracuje na principu Rankinova cyklu. Pracovní tekutina je organická a je zpočátku ve formč kapaliny, obsahující více frakcí. Z těchto frakcí se alespoň jedna destiluje za vzniku destilované tekutiny. Tato destilovaná tekutina se zavádí do cyklu hnacího zařízení elektrárny a používá se dále jako pracovní tekutina.

Description

Elektrárna s Rankinovým cyklem, využívající organickou tekutinu, a způsob jejího provozování

Oblast technjk.y

Vynález se týká elektrárny, založené na Rankinově cyklu, v níž se používá organické tekutiny jako pracovní látky, a též způsobu jejího provozování.

Dosavadní stav techniky

Elektrárny, založené na Rankinově cyklu, jsou dobře známy. Organická tekutina se v nich vypařuje v odpařovacím členu /kotli/ pomocí tepla, získaného spalováním paliva, z geothermálního zdroje nebo z průmyslového procesu. Pára pracovní tekutiny expanduje v turbogenerátoru, kde se získává elektrická energie, a tepla zbavená pracovní tekutina, která vystupuje z turbogenerátoru, se chladí vzduchem nebo vodou v kondenzačním zařízení, čímž vzniká pracovní tekutina v kapalné formě, a ta se vrací pomocí čerpadla do odpařovacího členu.

Jako pracovní tekutina se volí látka, která má pro cyklus výhodné thermodynamické vlastnosti, jako měrné teplo, je stabilní při provozních teplotách a podobně, a nenarušuje kovy, používané v zařízení turbiny. Dále musí mít pracovní tekutina dobré mazací vlastnosti, nebot většinou je turbina spolu s generátorem uzavřena v hermetickém obalu, uvnitř kterého se jí užívá jako mazadla. Pro mazání se většinou přivádí zkapalněná pracovní tekutina, odcházející z kondenzačního zařízení.

Běžně se používá jako pracovní tekutiny uhlovodíku, například to může být pentan, hexan nebo jejich izomer, jako izopentan či izohexan. Jsou užívány četné další látky, avšak ve všech případech jde o obchodně dostupné čisté materiály, které mají dobře definované a známé vlastnosti, na základě kterých lze navrhnout zařízení elektrárny. V některých případech se užívá směsí uhlovodíků, které mají určité výhody, typické pro směsi, jako například. v._; patentu .US 3. 842 .593, .kde., jsou popsány „uhlo-. ..

v* vodíkové směsi, umožňující činnost elektrárny v podmínkách, které nedovolují použití čistých látek.

Vzhledem k tomu, že výrobce elektrárny musí garantovat určitý elektrický výkon na výstupu, dosažitelný při daném zdroji tepla za jednotku času, musí mít zvolená tekutina, nebo snes tekutin, dobře definované fyzikální vlastnosti. To lze sté tekutiny která odoovídá mezi· svuone ve V:

zajistit použitím obchodně národním normám. Ty jsou d jsou místa, kde čisté tekutiny, použitelné pro tento účel, jscu neúměrné drahé nebo jejich použití v elektrárenském zařízení naráží na problémy různých omezení, například motivovaných obavami o životní prostředí, vzhledem k tomu, že chybí precedens pro použití v jejich podmínkách.

Některé tekutiny, teoreticky použitelné v zařízení elektrárny, jsou méně drahé a snáze dostupné než látky obvykle používané, ale jsou to obvykle směsi, jejichž P-V-T charakteristiky jsou neznámé, nebo proměnlivé v místě a čase. Z toho plyne, že při návrhu zařízení elektrárny není jistota, že se budou chovat předem určeným způsobem, jako čisté látky. Tak například benzín, určený jako palivo pro motory, je jednou z nejběžnějších kapalin na světe. Je rozšířen jak ve vyspělých průmyslových zemích, tak v nejchudších zemích třetího světa. V některých zemích je benzín dostupnější než voda, je veřejností běžně přijímán a předpisy na jeho skladování a používání jsou dobře ujasněny ve srovnání s četnými tekutinami, používanými v elektrárnách s Rankinovým cyklem, které jsou v očích laiků exotické.

Nicméně použití benzínu nebo jiných uhlovodíkových směsí, sestávajících z množství frakcí, v elektrárnách s Rankinovým cyklem, není možné, vzhledem k proměnlivosti thermodynamických vlastností u jednotlivých várek, různých místech na světě a v různém čase. Konstruktér zařízení pro využití Rankínova cyklu nemůže napřed vědět, jaké thermodynamické vlastnosti bude mít ta která várka, do podniku dodaná, což je dále komplikováno tím, že vlastnosti pracovní kapaliny na začátku a po nějaké době nejsou stejné. Při návrhu elektrárny nelze počítat s tak .širokou, variabilitou · a-v důsledku Koho je benz-in-zcela-vyl ou-......

čen z řady tekutin použitelných pro elektrárny založené na

-)ríankinove cyklu.

Podstata vynálezu

Cílem vynálezu je nalezení způsobu a technických prostřed ků, které umožní používat znáqých, snadno dostupných, přijatel ných, obchodně snadno získatelných tekutin, jako je benzín, v elektrárnách s Rankinovým cyklem, a to bez ohledu na možné odchylky v thermodynamických vlastnostech v různém čase a místě.

Vynález se týká způsobu provozování elektrárny s Rankinovým cyklem, takového typu, který má odpařovací clen pro výrobu páry pracovní tekutiny pomocí vstupujícího tepla, turbogenerátor pro výrobu elektrické energie využitím této páry, z něhož odchází tepla zbavená pracovní tekutina, kondenzační člen, schopný tuto tepla zbavenou pracovní tekutinu zkapalnit, a zařízení pro navracení vzniklého kondenzátu do odpařovacího členu. Pracovní tekutina se v kapalné fázi sestává z mnoha v* frakcí. Podle vynálezu se alespoň jedna frakce z teto kapaliny destiluje za vzniku destilované tekutiny a touto destilovanou tekutinou se nahrazuje pracovní tekutina v cyklu elektrárny.

Destilovaná tekutina se jako kapalina zavede do elektrárny a zařízení se s touto tekutinou poté provozuje. Dále se alespoň jeden člen, bud odpařovací člen nebo kondenzační člen nebo oba, využívá k oddestilování frakce od uvedené tekutiny, čímž vzniká uvedená destilovaná tekutina. V tomto případe se zmíněná frakce odstraňuje a elektrárna se dále provozuje s destilovanou tekutinou. Výsledkem je, že v ustáleném stavu provozu je pracovní tekutinou hlavní frakce kapaliny, jejíž thermodynamické vlastnosti jsou dobře známé a reprodukovatelné.

Výhodně je kapalinou benzín, teplotou varu v odpařovacím členu

Odstraňování frakcí s nízkou a frakcí s vysokou teplotou varu kondenzačním členu vede k tekutině, jejíž vlastnosti jsou dobře známé. Alternativně lze odstraňovat frakce s vy4 sokou teplotou varu ve členu odpařovacím a frakce s nízkou teplotou varu v kondenzačním. Tudíž, přestože na začátku jsou vlastnosti kapaliny zcela nebo částečně neznámé, tak po destilaci, provedené pomocí odpařovacího a kondenzačního členu jako destilačních kolon, a po odstranění výševroucích a níževroucích v* frakcí, umožňuje zbylá pracovní tekutina dosáhnout patřičného v

výkonu, nebot se chová předvídatelným způsobem.

Jedno z možných provedení vynálezu je takové, při němž se sleduje teplota a tlak ve členech a množství uvedených frakcí v destilátu se nastavuje podle získaných údajů tak, že objemový průtok cyklem elektrárny se udržuje v podstatě konstantní.

Přehled obrázků na výkrese

Konkrétní provedení vynálezu je znázorněno prostřednictvím příkladů na přiložených výkresech, kde:

Obr. 1 je blokové schéma elektrárny s Pankinovým cyklem podle vynálezu, využívající organickou pracovní tekutinu.

Obr. 2 schematicky znázorňuje techniku, které lze použít podle vynálezu pro udržení jmenovitého výkonu elektrárny, znázorněné na obr. 1, která spočívá v regulaci hmotnostního průtoku pracovní tekutiny.

Obr. 3 schematicky znázorňuje jinou techniku podle předloženého vynálezu, při které se dosahuje udržení jmenovitého výkonu elektrárny, znázorněné na obr. 1, při které se nastavují výstupní úhly jednotlivých soustav dýz.

Příklady provedení vynálezu

Na obr. 1 je znázorněna elektrárna 10 s Pankinovým cyklem využívající organickou tekutinu podle vynálezu. Elektrárna 10 zahrnuje odpařovací člen 12 pro výrobu páry organické pracovní tekutiny 16 pomocí tepla produkovaného hořákem 14, přičemž výstup odpařovacího členu 12 je potrubím 18 ořeš uzel 19 připo- 3 jen na potrubí 20, které ústí do vstupu turbiny 21 turbogenerátoru 22. Pára pracovní tekutiny expanduje v turbině 21 v

a odcházející tepla zbavená pracovní tekutina se zkapalnuje v kondenzačním členu 24. Ten může být chlazen vzduchem nebo vodou. Kondenzát se odtud vrací čerpadlem 26 do odpařovacího členu 12, čímž se uzavírá cyklus, v němž obíhá organická tekutina. Tímto procesem je poháněn generátor 23, připojený k turbině 21, takže energie, odevzdaná při expanzi pracovní tekutiny v turbině 21 se využívá pro výrobu elektrické energie.

Shora popsaná části zařízení a probíhající procesy jsou známy s výjimkou složení pracovní tekutiny. Pracovní tekutinou mohla být podle známého stavu před vynálezem čistá organická látka, jako je pentan nebo izopentan, která musela mít dobře definované thermodynamické vlastnosti, které dovolovaly navrhnout elektrárnu na zvolený výkon podle daného příkonu tepla, kterému odpovídá určité množství páry, kterou lze vyrobit pro využití v turbině. Podle vynálezu pracovní tekutinou může být uhlovodík, tvořený množstvím frakcí, jako je například benzín, jehož vlastnosti a samozřejmě i složky, jsou proměnlivé v místě a čase, nebot závisejí na množství jednotlivých frakcí, přítomných v benzínu.

Aby bylo možno paužít takového uhlovodíku, jako je napřiklad benzín, je připojena doplňovací nádrž 32° Do této nádrže v

se doplňuje dostatečné množství kapalného uhlovodíku, které dovoluje naplnění pracovních prostorů v zahajovací fázi. V tét větvi je umístěn mezi doplňovací nádrž 30 a čerpadlo 2ó ventil V5. Tento ventil V5 je zpočátku, kdy jsou prostory pro pra covní tekutinu prázdné, otevřen a čerpadlem 26 se přečerpá do odpařovacího členu 12, který je chladný, dostatečné množství kapaliny, tvořící nápln zařízení elektrárny 10.

Poté se otevře ventil Vo, čímž se začne zahřívat odpařovací člen 12. Frakce s nízkou teplotou varu přítomné v kapalině v odpařovacím členu 12, se při varu této kapaliny vypařují jako první, přičemž se výhodně udržuje teplota v odpařovacím členu 12 na nižší hodnotě, než je teplota varu kapaliny, s kterou počítá projekt, a to tak dlouho, dokud prakticky všechny frakce s nižšími teplotami varu nejsou oddestilovány.

Po tuto dobu je ventil VI otevřen a většina níževroucíeh frakcí se odvádí do zásobní nádrže 32. Přídavný ventil (není znázorněn) může úplně zabránit vstupu těchto frakcí do turbiny.

V odpařovacím členu 12 mohou být umístěna teplotní a tlaková čidla 33 pro získání digitálního údaje, což umožňuje detekci a regulaci odpařování níževroucíeh frakcí. Jakmile se zvýší hodnoty tlaku a teploty, indikované čidly 33. znamená to, že níževroucí frakce jsou již z kapaliny v odpařovacím členu 12 odstraněny, a proto se ventil VI uzavře, takže vznikající pára je vedena do kondenzačního členu 24 otevřeným ventilem V7.

Pára, která vstupuje do kondenzačního členu 24, má tlak a teplotu téměř stejnou, jako pára v odpařovacím členu 12. Kondenzační člen 24 mění páru pracovní tekutiny na kapalinu.

První podíl kapaliny, který kondenzuje, představují frakce s vyšší teplotou varu. Tyto frakce se vedou do zásobní nádrže 34 pres otevřený ventil V3 ♦ Uzavření tohoto ventilu V3 se pak může provést na základě hodnot tlaku a teploty, získaných pomocí čidel 32, digitálně indikovaných. V tomto okamžiku lze zahájit provoz elektrárny. Při tom ventily VI, V2, V3, V4, V5 a V7 jsou uzavřeny a odpařovacím Členem 12, turbinou a kondenzačním členem 24 obíhá pracovní tekutina, tvořená středními frakcemi původního uhlovodíku, který je v doplňovací nádrži 30«

Aby elektrárna pracovala efektivně a s odpovídající účinností, je možno podle požadovaného hmotnostního průtoku nastavovat teploty a tlaky v jednotlivých členech. Tyto parametry jsou snímány čidly 33 a 35 a údaje jsou vedeny do řídící jednotky 36, přes kterou může řídit i ventily v celé soustavě počítač. Tekutiny ze zásobních nádrží 32 a 34 se připouštějí do cyklu v průběhu jeho činnosti, pokud je třeba upravit teploty a tlaky za účelem dosažení optimálního výkonu elektrárny. Toto opatření lze provést například v průběhu letních nebo zimních podmínek, kdy se může okolní teplota dosti podstatně měnit a teplota chladícího média, t.j. vody nebo vzduchu, se také změní. Provádí se to podobně-jako v UU -3 842 59(3-, -na jehož obsah tímto odkazujeme;

Tak například v létě, kdy okolní teplota vzrůstá, což způsobuje určité zvýšení teploty chladícího média, Je možno do soustavy napustit frakce s vyšší teplotou varu. Naopak v zimě, kdy οκοίní teplota klesá a tím dojde k poklesu teploty chladícího média v·chladiči, lze zavést do soustavy frakce s nižší teplotou varu.

Alternativně nebo navíc lze použít uspořádání, znázorněné na obrázku 2. V tomto případě je přiváděči část turbiny tvořena několika oddělenými soustavami 51, 52, 53. dýz, do nichž se pára z odpařovacího členu přivádí přes samostatné, individuálně uzavíratelné ventily Va, Vb, Vc. Tyto ventily jsou ovládány řídící jednotkou 35 tak, aby vstup páry do turbiny byl stále nastaven optimálně z hlediska výkonu.

Jiná alternativa, která může být použita, je znázorněna na obr. 3. Zde je první stupen 223 turbiny opatřen soustavou 513 dýz, do Které se přivádí pára vyrobená v odpařovacía členu 12. Jára odcházející z prvního stupně 223 se vede přes soustavu 513 dýz na další stupen 220 turbiny. Pára vystupující z tohoto stupně se vede do stupně 223 Dřeš soustavu 513 dýz. Výstupní úhly jednotlivých soustav 513, 510, 513 jsou nastavitelné pomocí regulátorů 363. 360, 353, což se využívá pro kompenzaci poklesu tlaku a v souvislosti s tía i průtoku v jednotlivých stupních.

Jako příklad je uveden zdroj tepla tvořený běžným hořákem, kde se se spaluje palivo, avšak elektrárna podle vynálezu může využívat jiné tepelné zdroje, jako geothermální a podobně.

Výhody a účinky, dosahované způsobem a zařízením podle vynálezu, vyplývají ze shora uvedeného popisu výhodného provedení. Různé obměny a modifikace způsobu i zařízení mohou být provedeny bez toho, aby se opustila základní myšlenka vynálezu a takováto změny neznamenají únik z rozsahu ochrany, jak je vyjádřena v následujících patentových nárocích.

Claims (8)

1. Způsob provozování elektrárny s Rankinovým cyklem, takového typu, který má odpařovací člen pro výrobu páry pracovní tekutiny pomocí vstupujícího tepla, turbogenerátor pro výrobu elektrické energie využitím této páry, z něhož odchází tepla zbavená pracovní tekutina, kondenzační člen, schopný tuto tepla zbavenou pracovní tekutinu zkapalnit, a zařízení pro navracení vzniklého kondenzátu do odpařovacího členu, vyznačující se tím, že zahrnuje tyto kroky:

a) vnesení kapaliny, která sestává z více fraxcí,

b) oddělení alespoň jedné frakce z uvedené kapaliny destilací za vzniku destilované tekutiny a

c) zavedení této destilované tekutiny jako pracovní tekutiny do cyklu elektrárny.

2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že zahrnuje:

a) provozování elektrárny s uvedenou kapalinou,

b) použití členu elektrárny pro oddestilování frakce z uvedené kapaliny za vzniku shora uvedené destilované tekutiny

c) odstranění alespoň jedné zmíněné frakce z cyklu elektrárny a následné provozování této elektrárny s uvedenou destilovanou tekutinou.

Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, se zahrnuje:

a) provozování elektrárny s uvedenou kapalinou,

b) použití členu elektrárny pro oddestilování frakcí s vyšší a nižší teplotou varu z uvedené kapaliny za vzniku shora uvedené destilované tekutin;/ a

c) odstranění zmíněných frakcí s vyšší a nižší teplotou varu z cyklu elektrárny a následné provozován: uvedenou destilovanou tekutinou.

elektrárny s

- 9 4. Způsob podle nároku 3, vyznačující tím, že uvedenou kapalinou je benzín.

5. Způsob podle nároku 3, vyznačující se tím, že se

a) monitoruje teplota a tlak ve členech a

b) mění množství jednotlivých frakcí v uvedené dešti* lované tekutině v závislosti na zjištěných teplotách a tlacích v těchto členech tak, aby objemový průtok cyklem elektrárny se udržoval v podstatě konstantní.

6. Způsob podle nároku 3, v němž má použitý turbogenerátor nastavitelné parametry pro řízení výkonu, v y z n a Č u jící se tím, že se

a) monitoruje teplota a tlak ve členech a

b) nastavují parametry turbogenerátoru v závislosti na zjištěných teplotách a tlacích v těchto členech tak, aby se objemový průtok cyklem elektrárny udržoval v podstatě konstantní .

7. Elektrárna s Rankinovým cyklem, vyznačující se tím, že zahrnuje:

a) odpařovací člen pro výrobu páry pracovní tekutiny pomocí vstupujícího tepla,

b) turbogenerátor pro výrobu elektrické energie pomocí této páry, zněhož odchází tepla zbavené pracovní tekutina,

c) kondenzační člen, schopný tuto tepla zbavenou pracovní tekutinu zkapalnit, z něhož odchází kondenzát,

d) prostředky pro navracení kondenzátu do odpařovacího členu,

e) doplňovací nádrž pro zásobení kapalinou, která má více frakcí,

SZ SZ '

f) prostředky pro doplňování kapaliny z doplňovací nádrže do cyklu elektrárny,

g) prostředky pro odstranění frakcí, jejichž teploty varu jsou větší než předem stanovená hodnota, přičemž uvedené prostředky jsou spojené s odpařovacím členem,

h) prostředky, spojené s kondenzačním členem, pro odstranění kapaliny, jejíž frakce mají teploty varu nižší než předem stanovená hodnota, a

i) skladovací prostředky pro uchování odstraněných frakcí v kapalné formě.

8. Zařízení podle nároku 7, vyznačující se tím, že dále sestává z

a) prostředků pro monitorování teplot a tlaků v členech a

b) ze zařízení pro selektivní výměnu kapalin mezi skladovacími prostředky a odpařovacím členem podle výsledků měření teploty za účelem udržení elektrického výkonu turbogenerátoru.

9. Zařízení podle nároku 8, vyznačující se tím, že pracovní tekutinou je uhlovodík.

10. Zařízení podle nároku 8, vyznačující se tím, že pracovní tekutinou je benzín.