IT201800004005A1 - Hybrid combined cycle power plant - Google Patents
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Description
Descrizione dell’Invenzione Industriale avente per titolo: Description of the Industrial Invention entitled:
“CENTRALE DI ENERGIA A CICLO COMBINATO IBRIDO” "HYBRID COMBINED CYCLE POWER PLANT"
DESCRIZIONE DESCRIPTION
La presente invenzione si riferisce La presente invenzione si riferisce ad una centrale di energia a ciclo combinato ibrido. The present invention relates The present invention relates to a hybrid combined cycle power plant.
In generale, la presente invenzione si riferisce a layout generale o metodi generali di funzionamento di impianti completi, uso del calore solare, ad es. collettori di calore solari che impiegano mezzi di rilevamento, sistemi di riscaldamento solare, centrali fotovoltaiche; combinazioni di sistemi di energia FV con altri sistemi per la generazione di energia elettrica, sistemi di accumulo di calore, sistemi di scambio termico, conversione della potenza termica in potenza meccanica, ad es. Motori solari termici di Rankine, Stirling, montaggi o localizzazione, sistemi fotovoltaici con concentratori, centrali a ciclo combinato [CCPP], o turbina a gas a ciclo combinato [CCGT], uso di accumulatori e tipi specifici di motore; uso di vapore ritirato o di scarico per il riscaldamento dell'acqua di alimentazione, essendo i motori esclusivamente di tipo a turbina, impianti a turbina a gas aventi mezzi per immagazzinare energia, ad es. per soddisfare i picchi di carico, applicazione delle turbine a gas. In general, the present invention relates to general layout or general methods of operation of complete plants, use of solar heat, e.g. solar heat collectors using sensing means, solar heating systems, photovoltaic power plants; combinations of PV energy systems with other systems for generating electricity, heat storage systems, heat exchange systems, conversion of thermal power into mechanical power, e.g. Rankine, Stirling solar thermal engines, mounting or location, photovoltaic systems with concentrators, combined cycle power plants [CCPP], or combined cycle gas turbine [CCGT], use of accumulators and specific types of engine; use of withdrawn or exhaust steam for heating the feed water, being the engines exclusively of the turbine type, gas turbine systems having means for storing energy, e.g. to meet peak loads, gas turbine application.
In particolare, la presente invenzione si riferisce a impianti caratterizzati da più di un motore che fornisce potenza esterna all'impianto, motori azionati da diversi fluidi, i cicli del motore essendo termicamente accoppiati, il calore di combustione da un ciclo riscaldando il fluido in un altro ciclo, con il fluido di scarico di un ciclo che riscalda il fluido in un altro ciclo. In particular, the present invention relates to systems characterized by more than one engine providing external power to the system, engines driven by different fluids, the cycles of the engine being thermally coupled, the heat of combustion from one cycle by heating the fluid in a another cycle, with the waste fluid of one cycle heating the fluid in another cycle.
Inoltre, la presente invenzione si riferisce a dispositivi per produrre energia meccanica da energia solare avente un ciclo di Rankine usando un fluido intermedio per trasferimento di calore. Furthermore, the present invention relates to devices for producing mechanical energy from solar energy having a Rankine cycle using an intermediate heat transfer fluid.
Il ciclo di Rankine è un ciclo termodinamico endoreversibile composto da due trasformazioni adiabatiche e due isobare. Il suo scopo è quello di trasformare il calore in lavoro. È alla base del progetto dei motori a vapore di qualsiasi tipo. The Rankine cycle is an endoreversible thermodynamic cycle consisting of two adiabatic transformations and two isobars. Its purpose is to turn heat into work. It is the basis of the design of steam engines of any kind.
Questo ciclo è in genere adottato soprattutto nelle centrali termoelettriche per la produzione di energia elettrica ed utilizza come fluido motore l'acqua, sia in forma liquida che sotto forma di vapore o di gas, con la cosiddetta turbina a vapore. Per tale uso l'acqua è opportunamente demineralizzata e degasata. This cycle is generally adopted above all in thermoelectric power plants for the production of electricity and uses water as the driving fluid, both in liquid form and in the form of steam or gas, with the so-called steam turbine. For this use the water is suitably demineralized and degassed.
Il ciclo può essere: The cycle can be:
- aperto, cioè con scarico di vapore in atmosfera, come avveniva nelle vecchie locomotive a vapore, che dovevano trasportare, oltre al carbone, anche l'acqua; - open, that is, with the discharge of steam into the atmosphere, as was the case in old steam locomotives, which had to transport, in addition to coal, also water;
- chiuso, come nel caso delle centrali termoelettriche, anche a ciclo combinato. È possibile sfruttare il calore residuo della condensazione del vapore, cogenerazione, anche trasportandolo attraverso una rete di teleriscaldamento. - closed, as in the case of thermoelectric plants, including combined cycle. It is possible to exploit the residual heat of steam condensation, cogeneration, also by transporting it through a district heating network.
Nel secondo caso, il ciclo si compone di quattro organi: In the second case, the cycle consists of four organs:
- pompa: estrae il liquido saturo dal condensatore e lo inietta nella caldaia. Le variazioni di entalpia, entropia e temperatura (attorno ai 30-35 °C) sono minime, aumenta invece la pressione (a partire da un valore iniziale generalmente di 0,05 Pa) fino a diversi MPa; la potenza meccanica assorbita per il pompaggio del fluido è in genere trascurabile rispetto a quella erogata dalla turbina (indicativamente in rapporto 1/100); - pump: extracts the saturated liquid from the condenser and injects it into the boiler. The variations in enthalpy, entropy and temperature (around 30-35 ° C) are minimal, while the pressure increases (starting from an initial value generally of 0.05 Pa) up to several MPa; the mechanical power absorbed for pumping the fluid is generally negligible compared to that delivered by the turbine (indicatively in a 1/100 ratio);
- caldaia o generatore di vapore: è uno scambiatore di calore tra i fumi di combustione e il liquido saturo che aumenta di temperatura fino a trasformarsi in vapore saturo e successivamente surriscaldato, la trasformazione è isobara (avviene a pressione pressoché costante); - boiler or steam generator: it is a heat exchanger between the combustion fumes and the saturated liquid that increases in temperature until it turns into saturated steam and subsequently superheated, the transformation is isobaric (occurs at almost constant pressure);
- turbina: è l'organo in cui avviene la produzione di lavoro utile. Il vapore surriscaldato, ad elevata pressione ed entalpia, entra in una turbina alla massima temperatura del ciclo e si espande fino alla pressione minima del condensatore, con aumento del volume specifico e diminuzione della temperatura. Di solito fuoriesce come vapore saturo con titolo molto alto. La differenza tra la potenza di espansione e quella di compressione è la potenza meccanica netta ottenuta dalla conversione parziale del calore immesso dalla caldaia. Per evitare l'usura delle palette negli ultimi stadi e, soprattutto, mantenere elevato il rendimento di espansione in turbina, si cerca di avere un titolo del vapore saturo il più elevato possibile (approssimativamente il rendimento della turbina cala di una quantità pari alla percentuale di liquido saturo di fine espansione). Si è soliti, per aumentare il rendimento del ciclo, anche spillare una certa portata di vapore che può arrivare fino all'80% per preriscaldare l'acqua in ingresso alla caldaia, con un metodo noto come rigenerazione termica; - turbine: it is the organ in which the production of useful work takes place. The superheated steam, at high pressure and enthalpy, enters a turbine at the maximum temperature of the cycle and expands to the minimum pressure of the condenser, with an increase in the specific volume and a decrease in temperature. It usually comes out as saturated vapor with a very high titer. The difference between the expansion and compression power is the net mechanical power obtained from the partial conversion of the heat introduced by the boiler. To avoid the wear of the blades in the last stages and, above all, to keep the expansion efficiency in the turbine high, we try to have a saturated steam title as high as possible (approximately the turbine efficiency drops by an amount equal to the percentage of saturated liquid at the end of expansion). To increase the efficiency of the cycle, it is also customary to tap a certain flow of steam which can reach up to 80% to preheat the water entering the boiler, with a method known as thermal regeneration;
- condensatore: è uno scambiatore di calore che condensa il vapore saturo, in uscita dalla turbina, a pressione e temperatura costanti cedendo calore a un pozzo termico, che può essere un lago, un fiume o l'atmosfera stessa. - condenser: it is a heat exchanger that condenses the saturated steam, leaving the turbine, at constant pressure and temperature, transferring heat to a thermal well, which can be a lake, a river or the atmosphere itself.
Il vapore che esce dal condensatore come liquido saturo entra in seguito nella pompa per ripetere il ciclo. The vapor exiting the condenser as a saturated liquid then enters the pump to repeat the cycle.
Il ciclo di Rankine semplice prevede l'azione della pompa per elevare la pressione, quindi un riscaldamento isobaro fino ad ottenere vapore saturo secco quindi espanso in turbina e fatto poi condensare isotermobaricamente. Questo tipo di ciclo non può essere usato con espansione classica a turbina in quanto a fine espansione si ha un titolo di vapore troppo basso (inferiore al valore di 0,88, considerato limite): la presenza elevata di liquido va infatti a danneggiare le palettature degli stadi di bassa pressione della turbina; il ciclo veniva quindi utilizzato in applicazioni a bassa temperatura di vapore (circa 300 °C) oppure quando l'espansore era una macchina a pistoni (vecchie locomotive e navi). The simple Rankine cycle involves the action of the pump to raise the pressure, then an isobaric heating up to obtain dry saturated steam then expanded in the turbine and then made isothermobarically condensed. This type of cycle cannot be used with classic turbine expansion as at the end of the expansion there is a vapor content that is too low (lower than the value of 0.88, considered limit): the high presence of liquid in fact damages the blades. the low pressure stages of the turbine; the cycle was then used in applications at low steam temperatures (about 300 ° C) or when the expander was a piston machine (old locomotives and ships).
Per elevare il titolo del vapore in uscita dalla turbina si ricorre perciò al ciclo Rankine a vapore surriscaldato. To raise the title of the steam leaving the turbine, the Rankine superheated steam cycle is therefore used.
Lo stato dell’arte è rappresentato dal brevetto US 7,845,172 B2 riguardante un sistema di energia per generare elettricità da fonti di energia sia solare che non solare. La parte di generazione solare del sistema include la capacità di generare direttamente elettricità dall'insolazione o di immagazzinare l'energia solare in un mezzo tangibile, compreso il calore immagazzinato o il combustibile che genera energia solare. Il sistema di energia è configurato per generare elettricità simultaneamente da fonti sia solari che non solari, oltre che dall'irraggiamento solare immediato e dall'energia solare immagazzinata in un mezzo tangibile. Inoltre, la capacità di generazione solare può essere separata in modo da separare gli spettri di insolazione per catturare il calore per la generazione elettrica basata su turbine a vapore e per catturare l'energia della luce per la generazione elettrica basata sul fotovoltaico e coltivare la biomassa per generare un combustibile solare. The state of the art is represented by US patent 7,845,172 B2 concerning an energy system to generate electricity from both solar and non-solar energy sources. The solar generation portion of the system includes the ability to directly generate electricity from insolation or to store solar energy in a tangible medium, including stored heat or fuel that generates solar energy. The power system is configured to generate electricity simultaneously from both solar and non-solar sources, as well as from immediate solar radiation and solar energy stored in a tangible medium. In addition, the solar generating capacity can be separated to separate the insolation spectra to capture heat for steam turbine-based power generation and to capture light energy for photovoltaic-based power generation and to cultivate biomass. to generate a solar fuel.
Inoltre, lo stato dell’arte è rappresentato dal brevetto US 9,816,490 B2 riguardante una centrale elettrica ibrida solare comprendente un generatore di turbina a combustione, un sistema di alimentazione a vapore, un sistema solare termico e un sistema di accumulo di energia. Il calore proveniente dall'impianto solare termico, dal sistema di accumulo dell'energia o dall'impianto solare termico e dal sistema di accumulo dell'energia viene utilizzato per generare vapore nel sistema di alimentazione a vapore. Calore dal gas di scarico del generatore di turbina di combustione può essere utilizzato principalmente per il riscaldamento monofase di acqua o vapore nel sistema di alimentazione a vapore. In alternativa, il calore proveniente dal gas di scarico del generatore di turbina a combustione può essere utilizzato in parallelo con il sistema di accumulo di energia e/o il sistema solare termico per generare vapore e in aggiunta a vapore surriscaldato. Sia il generatore di turbina a combustione che il sistema di alimentazione a vapore possono generare elettricità. Furthermore, the state of the art is represented by US patent 9,816,490 B2 concerning a solar hybrid power plant comprising a combustion turbine generator, a steam power system, a solar thermal system and an energy storage system. The heat from the solar thermal system, the energy storage system or the solar thermal system and the energy storage system is used to generate steam in the steam supply system. Heat from the exhaust gas of the combustion turbine generator can mainly be used for single-phase heating of water or steam in the steam power system. Alternatively, the heat from the exhaust gas of the combustion turbine generator can be used in parallel with the energy storage system and / or the solar thermal system to generate steam and in addition to superheated steam. Both the combustion turbine generator and the steam power system can generate electricity.
Lo stato dell’arte sopra descritto offre uno spunto per migliorare una tecnologia basata sulla combinazione di energia solare per la generazione elettrica tramite turbine a vapore con energia della luce per la generazione elettrica tramite il fotovoltaico. The state of the art described above offers an opportunity to improve a technology based on the combination of solar energy for electricity generation via steam turbines with light energy for electricity generation via photovoltaics.
Scopo della presente invenzione è quello di risolvere i suddetti problemi della tecnica anteriore fornendo una centrale di energia a ciclo combinato ibrido in grado di distribuire energia solare e della luce a varie utenze. The object of the present invention is to solve the aforesaid problems of the prior art by providing a hybrid combined cycle power station capable of distributing solar and light energy to various users.
Un ulteriore scopo è quello di fornire una centrale di energia a ciclo combinato ibrido funzionante con diverse combinazioni di sorgenti di energia per permettere l’ottimizzazione della resa energetica. A further purpose is to provide a hybrid combined cycle power plant operating with different combinations of energy sources to allow the optimization of energy yield.
Un ulteriore scopo è quello di fornire una centrale di energia a ciclo combinato ibrido funzionante autonomamente e non necessariamente collegata alla rete di alimentazione elettrica. A further object is to provide an autonomously functioning hybrid combined cycle power station which is not necessarily connected to the electric power supply network.
Un ulteriore scopo è quello di poter usare biomassa per generare un combustibile solare per alimentare un generatore di vapore surriscaldato. I suddetti ed altri scopi e vantaggi dell’invenzione, quali risulteranno dal seguito della descrizione, vengono raggiunti con una centrale di energia a ciclo combinato ibrido come quella descritta nella rivendicazione 1. Forme di realizzazione preferite e varianti non banali della presente invenzione formano l’oggetto delle rivendicazioni dipendenti. A further object is that of being able to use biomass to generate a solar fuel to power a superheated steam generator. The above and other objects and advantages of the invention, as will emerge from the following description, are achieved with a hybrid combined cycle power plant such as that described in claim 1. Preferred embodiments and non-trivial variants of the present invention form the subject of dependent claims.
Resta inteso che tutte le rivendicazioni allegate formano parte integrante della presente descrizione. It is understood that all the attached claims form an integral part of the present description.
Risulterà immediatamente ovvio che si potranno apportare a quanto descritto innumerevoli varianti e modifiche (per esempio relative a forma, dimensioni, disposizioni e parti con funzionalità equivalenti) senza discostarsi dal campo di protezione dell'invenzione come appare dalle rivendicazioni allegate. It will be immediately obvious that innumerable variations and modifications (for example relating to shape, dimensions, arrangements and parts with equivalent functionality) can be made to what has been described without departing from the scope of the invention as appears from the attached claims.
La presente invenzione verrà meglio descritta da alcune forme preferite di realizzazione, fornite a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali: The present invention will be better described by some preferred embodiments, provided by way of non-limiting example, with reference to the attached drawings, in which:
la FIG. 1 mostra uno schema di una realizzazione della centrale di energia a ciclo combinato ibrido secondo la presente invenzione. FIG. 1 shows a diagram of an embodiment of the hybrid combined cycle power plant according to the present invention.
Facendo riferimento alla FIG. 1, è possibile notare che una centrale di energia a ciclo combinato ibrido comprende: Referring to FIG. 1, it is possible to note that a hybrid combined cycle power plant comprises:
- un sistema solare fotovoltaico 1 per generare e accumulare elettricità tramite un accumulatore di elettricità 10; - a photovoltaic solar system 1 for generating and storing electricity through an electricity accumulator 10;
- un generatore di vapore 2 per espandere il vapore surriscaldato attraverso una turbina a vapore 3 per generare e accumulare elettricità tramite l’accumulatore di elettricità 10; - a steam generator 2 to expand the superheated steam through a steam turbine 3 to generate and accumulate electricity through the electricity accumulator 10;
- un condensatore di vapore saturo 4, in uscita dalla turbina a vapore 3, a pressione e temperatura costanti, per ottenere liquido saturo; - a saturated steam condenser 4, at the outlet of the steam turbine 3, at constant pressure and temperature, to obtain saturated liquid;
- un surriscaldatore 5 per generare vapore riscaldando il liquido saturo in uscita dal condensatore di vapore saturo 4 tramite una pompa 6; - a superheater 5 for generating steam by heating the saturated liquid leaving the saturated steam condenser 4 by means of a pump 6;
- una utenza di teleriscaldamento 7 alimentata tramite acqua distillata, per sfruttare il calore residuo della condensazione del vapore saturo; e - a district heating user 7 fed by distilled water, to exploit the residual heat of the condensation of saturated steam; And
- un serbatoio di acqua distillata 8 collegato all’utenza di teleriscaldamento 7. - a distilled water tank 8 connected to the district heating user 7.
Vantaggiosamente, il sistema solare fotovoltaico 1, il generatore di vapore 2 ed il surriscaldatore 5 sono elettricamente collegati all’accumulatore di elettricità 10 per permettere di alimentare sia il generatore di vapore 2, sia il surriscaldatore 5. Advantageously, the photovoltaic solar system 1, the steam generator 2 and the superheater 5 are electrically connected to the electricity accumulator 10 to allow powering both the steam generator 2 and the superheater 5.
Inoltre, il vapore surriscaldato prodotto nel surriscaldatore 5 viene miscelato col vapore del generatore di vapore 2, per permettere di espandere vapore miscelato attraverso la turbina a vapore 3. Furthermore, the superheated steam produced in the superheater 5 is mixed with the steam of the steam generator 2, to allow the mixed steam to expand through the steam turbine 3.
Secondo una prima forma di attuazione dell’invenzione, un miscelatore di vapore surriscaldato 52 ed un mezzo di intercettazione di liquido saturo 652 permettono di controllare un funzionamento combinato del generatore di vapore 2 e del surriscaldatore 5. According to a first embodiment of the invention, a superheated steam mixer 52 and a saturated liquid interception means 652 allow to control a combined operation of the steam generator 2 and the superheater 5.
Inoltre, un surriscaldatore ulteriore 50 per riscaldare ulteriormente acqua distillata permette di controllare un funzionamento combinato del surriscaldatore ulteriore 50 e del condensatore di vapore saturo 4. Furthermore, a further superheater 50 for further heating distilled water allows to control a combined operation of the additional superheater 50 and the saturated steam condenser 4.
Si sono descritte alcune forme preferite di attuazione dell’invenzione, ma naturalmente esse sono suscettibili di ulteriori modifiche e varianti nell’ambito della medesima idea inventiva. In particolare, agli esperti nel ramo risulteranno immediatamente evidenti numerose varianti e modifiche, funzionalmente equivalenti alle precedenti, che ricadono nel campo di protezione dell'invenzione come evidenziato nelle rivendicazioni allegate nelle quali, eventuali segni di riferimento posti tra parentesi non possono essere interpretati nel senso di limitare le rivendicazioni stesse. Inoltre, la parola "comprendente" non esclude la presenza di elementi e/o fasi diversi da quelli elencati nelle rivendicazioni. L’articolo “un”, “uno” o “una” precedente un elemento non esclude la presenza di una pluralità di tali elementi. Il semplice fatto che alcune caratteristiche siano citate in rivendicazioni dipendenti diverse tra loro non indica che una combinazione di queste caratteristiche non possa essere vantaggiosamente utilizzata. Some preferred forms of implementation of the invention have been described, but of course they are susceptible to further modifications and variations within the same inventive idea. In particular, to those skilled in the art, numerous variants and modifications, functionally equivalent to the previous ones, will be immediately evident, which fall within the scope of the invention as highlighted in the attached claims in which any reference marks placed between brackets cannot be interpreted in the sense of to limit the claims themselves. Furthermore, the word "comprising" does not exclude the presence of elements and / or phases other than those listed in the claims. The article "a", "one" or "a" preceding an element does not exclude the presence of a plurality of such elements. The mere fact that some characteristics are mentioned in different dependent claims does not indicate that a combination of these characteristics cannot be advantageously used.
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