ITMI20090039A1 - PROCEDURE AND SYSTEM FOR THE GENERATION OF USING ENERGY LIQUID AND OR GASEOUS HEAT SOURCES ON BOARD OF NAVAL UNITS - Google Patents
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Description
PROCEDIMENTO E SISTEMA PER LA GENERAZIONE DI ENERGIA UTILIZZANTE SORGENTI DI CALORE LIQUIDE E/O GASSOSE A BORDO DI UNITÀ NAVALI. PROCEDURE AND SYSTEM FOR THE GENERATION OF ENERGY USING LIQUID AND / OR GASEOUS HEAT SOURCES ON BOARD NAVAL UNITS.
DESCRIZIONE DESCRIPTION
La presente invenzione riguarda un procedimento ed un sistema per la generazione di energia utilizzante sorgenti di calore liquide e/o gassose a bordo di unità navali. The present invention relates to a process and a system for the generation of energy using liquid and / or gaseous heat sources on board naval units.
Per quanto riguarda le applicazioni navali, nel periodo compreso tra gli anni 1970-1980, la marina degli Stati Uniti ha studiato l'applicazione di cicli Rankine accoppiandoli direttamente al sistema propulsivo per aumentarne la potenza. Il sistema non fu interamente applicato a causa di difficoltà dovute principalmente all'impiego di circuiti ad alta pressione in unità navali. Nella prospettiva di aumentare l'autonomia dei unità navali risulta conveniente utilizzare cicli ORC (Organic Rankine Cycle) impieganti fluidi organici i guali non presentano il rischio di condensazione in turbina. Nel brevetto "METHGD AND APPARATUS FOR DECREASING MARINE VESSEL POWER PLANT EXHAUST TEMPERATURE" ~ US7121906B2 (Oct. 17, 2006) e nella domanda di brevetto "RANKINE CYCLE DEVICE HAVING MULTIPLE TURBO-GENERATORS" -US 2006/0112692 Al (Jun. 1, 2006) si descrivono metodi ed apparati per riduzione del profilo termico emesso dai fumi di unità navali e la produzione di energia elettrica a bordo. I metodi descritti in tali brevetti utilizzano fluidi refrigeranti organici all'interno di un ciclo Rankine per la produzione di energia elettrica impiegando il calore sensibile contenuto nei fumi del mezzo navale, rivendicando l'evaporazione del refrigerante in evaporatori a contatto diretto con gli esausti di combustione. La soluzione reclamata è limitata dalla mancanza di sistemi atti a prevenire il possibile trascinamento di fasi condensate dall'evaporatore alle palette del turboespansore, con possibile erosione di quest'ultime, o di vapore dal condensatore al circuito di pompaggio, con possibile disinnesco e/o danneggiamento delle pompe. Sorprendentemente, nella presente invenzione sì fornisce un sistema atto alla generazione di energia meccanica e/o elettrica per mezzo dì circuiti ORC sia per la propulsione dei unità navali che per il suo utilizzo a bordo. Il procedimento inventivo risponde alla crescente richiesta in campo navale di disporre di soluzioni tecniche che permettano migliore autonomia, flessibilità, riduzione dell'impatto ambientale, manutenzione meno onerosa, integrandosi pienamente con gli ausiliari e con i sistemi propulsivi di bordo sia elettrici che meccanici. Il ritrovato consente, di sfruttare vantaggiosamente i cascami termici di bordo con temperature tra i 50 e gli 800°C e più preferibilmente tra 70 3 570°C. Il calore necessario per l'evaporazione del fluido organico di lavoro all'interno dei sistemi ORC è dislocato dalle sorgenti calde a quelle fredde, e da tali sistemi ORC all'ambiente esterno, grazie a sistemi di trasporto diretti o indiretti che utilizzano fluidi termovettori organici o inorganici. La soluzione presenta il vantaggio di non essere limitata all'uso di refrigeranti ma può impiegare a seconda dei casi, integralmente o in uno stadio del sistema, anche altri fluidi organici purché aventi stabilità termica e termochimica alla condizioni di lavoro. As for naval applications, in the period between the years 1970-1980, the United States Navy studied the application of Rankine cycles by coupling them directly to the propulsion system to increase its power. The system was not fully applied due to difficulties mainly due to the use of high pressure circuits in naval units. With a view to increasing the autonomy of naval units, it is convenient to use ORC (Organic Rankine Cycle) cycles using organic fluids which do not present the risk of condensation in the turbine. In the patent "METHGD AND APPARATUS FOR DECREASING MARINE VESSEL POWER PLANT EXHAUST TEMPERATURE" ~ US7121906B2 (Oct. 17, 2006) and in the patent application "RANKINE CYCLE DEVICE HAVING MULTIPLE TURBO-GENERATORS" -US 2006/0112692 Al (Jun. 1, 2006) describes methods and equipment for reducing the thermal profile emitted by the fumes of naval units and the production of electricity on board. The methods described in these patents use organic refrigerant fluids within a Rankine cycle for the production of electricity by using the sensible heat contained in the fumes of the ship, claiming the evaporation of the refrigerant in evaporators in direct contact with the combustion exhausts. . The claimed solution is limited by the lack of systems to prevent the possible entrainment of condensed phases from the evaporator to the turbocharger blades, with possible erosion of the latter, or of steam from the condenser to the pumping circuit, with possible disengagement and / or damage to the pumps. Surprisingly, the present invention provides a system suitable for the generation of mechanical and / or electrical energy by means of ORC circuits both for the propulsion of naval units and for its use on board. The inventive process responds to the growing demand in the naval field to have technical solutions that allow better autonomy, flexibility, reduction of the environmental impact, less expensive maintenance, fully integrating with the auxiliaries and with both electrical and mechanical on-board propulsion systems. The invention allows to advantageously exploit the thermal waste on board with temperatures between 50 and 800 ° C and more preferably between 70 3 570 ° C. The heat necessary for the evaporation of the organic working fluid inside the ORC systems is displaced from the hot sources to the cold ones, and from these ORC systems to the external environment, thanks to direct or indirect transport systems that use organic heat transfer fluids or inorganic. The solution has the advantage of not being limited to the use of refrigerants but can use, as appropriate, integrally or in a stage of the system, also other organic fluids as long as they have thermal and thermochemical stability at the working conditions.
Il procedimento, rivendicato nella presente domanda, per la generazione di energia a bordo di unità navali utilizza sorgenti di calore liquide e/o gassose provenienti dall'apparato motore e/o dagli stessi ausiliari di bordo e comprende i seguenti stadi: a) scambio termico indiretto tra dette sorgenti di calore gassose, e/o scambio diretto o indiretto con dette sorgenti liquide per mezzo di fluidi termovettori organici o inorganici (ad es acqua, Sali fusi, metalli fusi a basso punto di fusione o loro leghe), e uno o più sottosistemi atti a generare energia tramite cicli termodinamici ove circolano fluidi organici Rankine (ORC); b) conseguente vaporizzazione in uno o più vaporizzatori del fluido organico in detti sottosistemi ORC, sua espansione in un almeno un turboespansore; c) scambio termico, in almeno un ricuperatore, tra detto vapore organico espanso e il medesimo fluido organico precedentemente liquefatto in almeno un condensatore posto a valle nel ciclo. e) rilancio del condensato organico uscente da detti condensatori alla pressione prescelta tramite uno o più sottosistemi di pompaggio e chiusura del ciclo termodinamico; d) dissipazione del calore di condensazione del fluido organico circolante in detti sistemi ORC tramite sorgenti fredde poste entrobordo e/o fuoribordo; f) conversione dell'energia meccanica prodotta dai turboespansori dei sistemi ORC in energia elettrica per mezzo i generatori elettrici. The process, claimed in the present application, for the generation of energy on board naval units uses liquid and / or gaseous heat sources coming from the engine apparatus and / or from the on-board auxiliaries themselves and comprises the following stages: a) heat exchange indirectly between said gaseous heat sources, and / or direct or indirect exchange with said liquid sources by means of organic or inorganic heat transfer fluids (e.g. water, molten salts, low-melting molten metals or their alloys), and one or more subsystems able to generate energy through thermodynamic cycles where organic Rankine fluids (ORC) circulate; b) consequent vaporization in one or more vaporizers of the organic fluid in said ORC subsystems, its expansion in at least one turboexpander; c) heat exchange, in at least one recuperator, between said expanded organic vapor and the same organic fluid previously liquefied in at least one condenser placed downstream in the cycle. e) relaunching the organic condensate leaving said condensers at the preselected pressure by means of one or more pumping subsystems and closing the thermodynamic cycle; d) dissipation of the condensation heat of the organic fluid circulating in said ORC systems by means of cold sources placed inboard and / or outboard; f) conversion of the mechanical energy produced by the turboexpanders of the ORC systems into electrical energy by means of electrical generators.
Oltre al procedimento si rivendica anche un sistema per la generazione di energia a bordo di unità navali utilizzante sorgenti di calore liquide e/o gassose tra temperature comprese tra 50 e 800°C e più preferibilmente tra 70 e 570°C provenienti dall'apparato motore e/o dagli ausiliari di bordo comprendente; In addition to the process, a system for the generation of energy on board naval units is also claimed, using liquid and / or gaseous heat sources between temperatures between 50 and 800 ° C and more preferably between 70 and 570 ° C coming from the engine system. and / or by on-board auxiliaries including;
uno o più apparati di trasporto calore al sottosistema/i ORC da sorgenti calde poste entrobordo; - uno o più sottosìstemì ove circolano fluidi organici atti a generare energia tramite cicli termodinamici Rankine (ORC), one or more equipment for transporting heat to the ORC subsystem (s) from inboard hot springs; - one or more subsystems where organic fluids circulate capable of generating energy through Rankine thermodynamic cycles (ORC),
uno o piu apparati di trasporto calore dal sottosistema/i ORC a sorgenti fredde poste entrobordo e/o fuoribordo; one or more heat transfer equipment from the ORC subsystem (s) to cold sources placed inboard and / or outboard;
uno o più apparati atti all'inibizione del trascinamento di fasi liquide alle palette dei turboespansori e/o al1 'inibizione di fasi vapore ai dispositivi di pompaggio del circuito del fluido organico nei sottosistemi ORC; one or more apparatuses suitable for inhibiting the entrainment of liquid phases to the blades of the turboexpanders and / or for inhibiting vapor phases to the pumping devices of the organic fluid circuit in the ORC subsystems;
-una o più dispositivi per monitoraggio/regolazione dei parametri operativi delle sezioni ORC, delle sezioni di trasporto del calore dalle sorgenti calde al ciclo organico e da quest'ultimo a sorgenti fredde interne e/o esterne all'unità navale - one or more devices for monitoring / regulation of the operating parameters of the ORC sections, of the heat transport sections from the hot sources to the organic cycle and from the latter to cold sources internal and / or external to the naval unit
uno o più generatori elettrici dotati dispositivi accoppiamento con i turboespansori ORC; one or more electric generators equipped with devices for coupling with the ORC turboexpanders;
- uno o più apparati di interconnessione, trasformazione, regolazione e/o rifasazione dell'energia elettrica prodotta dal sistema; - one or more devices for interconnection, transformation, regulation and / or power factor correction of the electricity produced by the system;
- una o più sezioni di controllo per la ripartizione dell'energia elettrica prodotta tra i carichi elettrici dell'unità navale. - one or more control sections for the distribution of the electricity produced between the electrical loads of the naval unit.
Gli apparati che si rivendicano nel sistema inventivo possono comprendere, vantaggiosamente per la sezione ORC, l'utilizzo di sistemi atti all' inibizione del trascinamento di fasi liquide alle palette del turboespansore o di fasi gassose al circuito di pompaggio del sistema ORC tramite trappole per il vapore e/o sistemi di abbattimento del liquido all'interno o all'esterno dell'evaporatore del fluido organico, quali ad esempio setti, reti o apparati ad effetto centrifugo. Il sistema contempla la possibilità di impiego di almeno un generatore elettrico, includente almeno un sottosistema di allacciamento alla rete elettrica del mezzo navale. Al fine di minimizzare la manutenzione e ed eliminare l'usura il turbogeneratore può essere a cuscinetti magnetici attivi, e può, ad esempio, essere costituito da un unico corpo, comprendente una girante a sbalzo ed un generatore ad alta frequenza posto tra le strutture dei due cuscinetti magnetici, ciascuno composto da un sistema assiale/radiale. L'albero rotore del generatore é tenuto sospeso in levitazione dai cuscinetti senza avere superfici di contatto. Nel sistema possono essere compresi oltre agli apparati di rìfasazione, trasformatori dì tensione anche una centrale il controllo dei sistemi ORC per le fasi di avviamento, marcia e spegnimento, che una centrale di distribuzione dell'energia elettrica generata dal sistema ORC ripartendola tra motori elettrici di propulsione che tra i più svariati carichi elettrici. Nel caso di utilizzo di motori elettrici per la propulsione, essi sono dotati di sistemi di raffreddamento e di dispositivi statici o dinamici atti alla regolazione del numero di giri che ne consentano una regolazione accurata nell'intera gamma di velocità, sia in marcia avanti che addietro. E' inoltre possibile prevedere sistemi di accoppiamento/disaccoppiamento tra motori elettrici e gli assi dell'apparato propulsivo. The apparatuses claimed in the inventive system can comprise, advantageously for the ORC section, the use of systems suitable for inhibiting the entrainment of liquid phases to the blades of the turboexpander or of gaseous phases to the pumping circuit of the ORC system by means of traps for the steam and / or liquid abatement systems inside or outside the evaporator of the organic fluid, such as for example septa, networks or apparatus with centrifugal effect. The system contemplates the possibility of using at least one electrical generator, including at least one subsystem for connection to the electrical network of the vessel. In order to minimize maintenance and eliminate wear, the turbogenerator can be with active magnetic bearings, and can, for example, consist of a single body, comprising a cantilevered impeller and a high frequency generator placed between the structures of the two magnetic bearings, each consisting of an axial / radial system. The rotor shaft of the generator is held suspended in levitation by the bearings without having contact surfaces. In addition to the power supply transformers, the system can also include a control unit for the ORC systems for the start-up, running and shutdown phases, which a distribution unit for the electrical energy generated by the ORC system dividing it between electric motors of propulsion that among the most varied electrical loads. In the case of using electric motors for propulsion, they are equipped with cooling systems and static or dynamic devices for regulating the number of revolutions that allow accurate regulation throughout the entire speed range, both forward and reverse. . It is also possible to provide coupling / decoupling systems between electric motors and the axles of the propulsion system.
Breve descrizione delle figure Brief description of the figures
A continuazione di quanto è stato precedentemente descritto sono riportati due possibili schemi esemplificativi e non limitativi illustranti ulteriori aspetti e modalità dell'invenzione. Appare evidente che ulteriori variazioni, modificazioni e differenti modalità applicative del presente sistema possano essere implementate da persone esperte dello stato dell'arte senza uscire dallo spirito del sistema inventivo o dalle rivendicazioni in merito. La figura 1 illustra uno schema a blocchi concettuale in cui sono evidenziate le principali fasi e sezioni presenti nel sistema inventivo. La figura 2 mostra uno schema tipico e semplificato del sistema . In continuation of what has been previously described, two possible exemplary and non-limiting schemes are reported illustrating further aspects and methods of the invention. It is evident that further variations, modifications and different application methods of the present system can be implemented by persons skilled in the state of the art without departing from the spirit of the inventive system or from the claims thereon. Figure 1 illustrates a conceptual block diagram in which the main phases and sections present in the inventive system are highlighted. Figure 2 shows a typical and simplified scheme of the system.
Descrizione dettagliata del sistema inventivo Detailed description of the inventive system
Nello schema a blocchi di figura 1 è riportata la sezione relativa all'apparato motore e agli ausiliari di bordo generanti calore [1]. Tale sezione può comprendere, ad esempio, uno più motori a combustione interna e/o una o più turbine a gas connesse agli assi di propulsione del mezzo navale [3] grazie ad appropriati sistemi di accoppiamento/disaccoppiamento [2], Alternativamente a quanto illustrato, i predetti motori ad endocombustione e/o le turbine a gas possono fornire esclusivamente energia meccanica ad alternatori col fine di produrre energia per la propulsione tramite motori elettrici. La sezione dell'apparato motore e degli ausiliari può includere una o più caldaie e/o motori diesel ausiliari necessari per il funzionamento mezzo navale o per il riscaldamento di fluidi e merci o infine una combinazione qualunque di apparati di bordo generanti energia termica e/o meccanica. La sopraccitata sezione include quindi, sia sorgenti aventi capacità energetica e livello termico più elevato, sia sorgenti di calore aventi un livello termico più basso ma ugualmente sfruttabili per mezzo del presente sistema inventivo. I cascami termici sono forniti per via indiretta alla sezione di generazione di energia [5], utilizzando un appropriato mezzo termovettore organico o inorganico fluente in uno o più circuiti di trasporto primario [4]. La sezione di generazione di energia può contenere uno o più cicli dotati dì uno o più fluidi di lavoro. Il fluido, dopo aver ceduto calore alla sorgente fredda del generatore, è ricircolato alla sorgente calda. Può risultare conveniente disporre di uno o più circuiti di trasporto calore secondario indicati genericamente nel blocco [6] nel caso di simultaneo prelievo da fonti a livello termico elevato insieme a prelievo da sorgenti a temperatura più bassa. Tra le possibili sorgenti livello entalpico inferiore si possono riportare i sopramenzionati circuiti di lubrificazione e di raffreddamento dei motori a combustione interna o delle turbine a gas, i quali possono cedere, in toto o in parte, l'energìa termica al fluido di lavoro del ciclo Rankine, grazie a scambiatori di calore predisposti in serie o parallelo in tali circuiti. In questo caso il sistema di trasporto calore secondario dalle sorgenti calde a quelle fredde del ciclo di organico può non necessitare di un circuito indipendente ma essere integrato con i predetti sistemi di lubrificazione e raffreddamento motori. La sezione [7] include gli apparati dì refrigerazione di bordo e comunica direttamente con 1'ambiente esterno, da cui preleva il fluido di raffreddamento atto a dissipare il calore di reiezione. A tale sezione sono interconnesse le sezioni dell'apparato motore e ausiliari, il blocco per generazione ORC, le unità di trasporto calore. Il turboespansore , presente nella sezione operante il ciclo organico, può essere collegato ad un generatore elettrico [8J. L'energia elettrica eventualmente prodotta dal ciclo, previamente trasformata [9] alla tensione opportuna ed eventualmente rifasata, è inviata per mezzo della centrale elettrica di interconnessione e controllo [10] del sistema di generazione alla rete elettrica della nave. Dalla rete è prelevata'energia elettrica immessa, in toto o in parte, con il fine di azionare uno o più motori elettrici [11] accoppiati all'asse di propulsione. Alternativamente l'energia generata può essere collegata direttamente, previa trasformazione alla tensione appropriata, al sistema di propulsione elettrico. In entrambi i casi è comunque sempre presente un sistema di regolazione del numero di giri del motore elettrico [12]. Alternativamente a quanto descritto nello schema a blocchi indicato, l'energia meccanica prodotta dal turbogeneratore del ciclo Rankìne può essere utilizzata senza la trasformazione in energia elettrica, connettendo l'albero della turbina di espansione per mezzo di sistemi servomeccanici per 1'accoppiamento/disaccoppiamento con l'asse di propulsione ed altresì alla regolazione del numero dì giri. In particolari applicazioni del sistema lo schema precedentemente indicato può essere limitato solo al circuito di trasporto calore primario, senza includere il circuito secondario di prelievo da sorgenti a temperatura più bassa, oppure utilizzare esclusivamente sorgenti a livello termico più basso senza adottare un circuito di estrazione da sorgenti con livello di temperatura maggiore. The block diagram of figure 1 shows the section relating to the engine and on-board auxiliaries generating heat [1]. This section may include, for example, one or more internal combustion engines and / or one or more gas turbines connected to the propulsion axes of the vessel [3] thanks to appropriate coupling / decoupling systems [2], Alternatively to what is illustrated , the aforementioned internal combustion engines and / or gas turbines can only supply mechanical energy to alternators in order to produce energy for propulsion by means of electric motors. The section of the engine and auxiliary equipment may include one or more boilers and / or auxiliary diesel engines necessary for the operation of the vessel or for the heating of fluids and goods or finally any combination of on-board equipment generating thermal energy and / or mechanics. The aforementioned section therefore includes both sources having a higher energy capacity and thermal level, and heat sources having a lower thermal level but equally usable by means of the present inventive system. The thermal waste is supplied indirectly to the energy generation section [5], using an appropriate organic or inorganic heat transfer medium flowing in one or more primary transport circuits [4]. The power generation section can contain one or more cycles equipped with one or more working fluids. The fluid, after having transferred heat to the cold source of the generator, is recirculated to the hot source. It may be convenient to have one or more secondary heat transport circuits indicated generically in block [6] in the case of simultaneous withdrawal from sources with a high thermal level together with withdrawal from sources at a lower temperature. The possible lower enthalpy level sources include the aforementioned lubrication and cooling circuits of internal combustion engines or gas turbines, which can transfer, in whole or in part, the thermal energy to the working fluid of the cycle. Rankine, thanks to heat exchangers arranged in series or parallel in these circuits. In this case the secondary heat transport system from the hot to the cold sources of the organic cycle may not need an independent circuit but be integrated with the aforementioned engine lubrication and cooling systems. Section [7] includes the on-board refrigeration equipment and communicates directly with the external environment, from which it takes the cooling fluid suitable for dissipating the rejection heat. The sections of the motor and auxiliary equipment, the block for ORC generation, the heat transport units are interconnected to this section. The turboexpander, present in the section operating the organic cycle, can be connected to an electric generator [8J. Any electricity produced by the cycle, previously transformed [9] to the appropriate voltage and possibly re-phased, is sent by means of the electrical interconnection and control power station [10] of the generation system to the ship's electrical network. The electrical energy injected, in whole or in part, is taken from the grid in order to drive one or more electric motors [11] coupled to the propulsion axis. Alternatively, the generated energy can be directly connected, after transformation to the appropriate voltage, to the electric propulsion system. In both cases, however, there is always a system for regulating the number of revolutions of the electric motor [12]. Alternatively to what is described in the block diagram indicated, the mechanical energy produced by the turbogenerator of the Rankìne cycle can be used without being transformed into electrical energy, by connecting the shaft of the expansion turbine by means of servomechanical systems for coupling / decoupling with the propulsion axis and also to the regulation of the number of revolutions. In particular applications of the system, the previously indicated diagram can be limited only to the primary heat transport circuit, without including the secondary withdrawal circuit from sources at a lower temperature, or use only sources with a lower thermal level without adopting an extraction circuit from sources with higher temperature level.
Lo schema semplificato di figura 2 illustra una generica possibile applicazione del sistema inventivo. La corrente di combustibile [1] e l^aria comburente [2] alimentano il sistema di propulsione [3], il quale può includere, o meno, ulteriori apparati ausiliari generanti energia. Dal sistema di propulsione/ausiliari escono una corrente, o più correnti, di fumi esausti ad alta temperatura. Gli esausti cedono calore sensibile, alla corrente del circuito di trasporto calore, per mezzo di uno o più scambiatori/calderine [4]. La calderina può essere composta, ad esempio, da singoli tubi a spirale, oppure da fascio tubiero estraibile con piastra flottante, al fine di compensare la dilatazione dei tubi rispetto al mantello dello scambiatore. L'estraibilità del fascio consente un'agevole scovolatura del lato mantello e dei tubi. All' interno dei tubi deve essere assicurata una velocità del fluido termovettore relativamente alta (superiore 0,6 m/s e preferìbilmente maggiore di 1 m/s}, in modo da evitare il ristagno dello stesso, e surriscaldamenti localizzati, 1 quali nel caso di utilizzo di fluido organico potrebbero alterarne le proprietà, causandone la riduzione del periodo di vita. La temperatura dei fumi di combustione può, qualora necessario, essere controllata per mezzo di turbosoffianti/turboaspiranti atte a miscelare la corrente ad elevata temperatura con aria o esausti o loro miscele a temperatura inferiore. 11 sistema primario dì trasporto calore è composto preferibilmente da almeno due pompe [5], di cui almeno una in stand-by, mentre la seconda garantisce la circolazione del fluido e provvede al trasferimento di calore dalla sorgente al circuito del turbogeneratore ORC. Il circuito è dotato dì vaso di espansione [6] per il fluido termovettore e di uno o più serbatoi di alimentazione [1] del fluido. In una possibile variante dello schema il circuito del fluido termovettore può essere conveniente integrato con una o più caldaie ausiliarie, allo scopo di migliorare la flessibilità e l'efficienza del sistema. Sul circuito di trasporto calore può essere utilmente installata una valvola a tre vie [8] per deviare il fluido termovettore ad un circuito di smaltimento calore [9] nelle fasi di messa in marcia, spegnimento del sistema dì generazione e/o dell'apparato motore e degli ausiliari di bordo. Durante tali operazioni la corrente precedentemente raffreddata è immessa nel circuito primario dì trasporto calore, by-passando il sistema OCR. Una volta terminate tali operazioni, la predetta valvola a tre vie è ricommutata in modo da alimentare lo scambiatore di calore [10] del circuito operante il ciclo Rankine. Il sistema di smaltimento dì calore precedentemente menzionato è preferibilmente integrato con il sistema di raffreddamento del mezzo navale, ed utilizza fluidi refrigeranti provenienti dall'ambiente esterno quali l'acqua o l'aria [11], i quali una volta riscaldati vengono rilasciati al di fuori del mezzo navale [12].Il fluido termovettore circolante dalle sorgenti a più elevata temperatura cede calore sensibile al fluido di lavoro del ciclo organico, con il fine di vaporizzarlo. Il fluido di lavoro è alimentato al turboespansore durante la normale marcia di impianto per mezzo della linea [13] quando la linea di by-pass [14] è intercettata. La linea di by-pass può essere aperta, totalmente o parzialmente nelle operazioni di messa in marcia o di arresto del sistema. A monte dell'apparato di turbo espansione è preferibilmente presente un dispositivo atto all'inibizione del trascinamento di fasi liquide alle palette dell'espansore. Il vapore del fluido organico mette in funzione il turboespansore [15], il quale può essere accoppiato direttamente al generatore elettrico [16] attraverso un giunto elastico generando energia elettrica, oppure essere collegato all'asse di propulsione del mezzo navale tramite un conveniente sistema di accopp lamento /disaccoppiamento . Il vapore scaricato dal tuboespansore scorre attraverso il rigeneratore [17], dove preriscalda il fluido organico cedendo calore sensibile e migliorando in tal modo l'efficienza del ciclo. L'utilizzo di un rigeneratore permette sia una diminuzione del calore ceduto nella condensazione, sia una diminuzione del calore introdotto nel ciclo durante la fase di riscaldamento del liquido, dal momento che tale fluido di lavoro è fatto evaporare a partire da una temperatura più alta rispetto a quella di uscita dal condensatore . 11 vapore è poi avviato nel condensatore [18] ove è raffreddato e liquefatto dal passaggio del fluido di refrigerazione proveniente dal circuito smaltimento calore. Il fluido organico liquefatto è poi alimentato, tramite un sistema di pompaggio [19], al rigeneratore e di seguito all'evaporatore, chiudendo così il ciclo. A monte del sistema di pompaggio è preferibilmente presente un apparato atto ad impedire il passaggio di vapore alle pompe . In una variante del sistema inventivo, il condensatore del fluido organico non è raffreddato direttamente dal sistema di refrigerazione del mezzo navale, ma cede calore ad un secondo ciclo organico, il quale genera una quota ulteriore di energia e cede calore al sistema di smaltimento calore collegato con l'ambiente esterno. Gli esausti dì combustione, dopo aver ceduto calore al sistema di trasporto calore primario sono avviati allo scarico [20], utilizzando, se necessario, un'idonea turbosoffiante/turboaspirante. In una variante del sistema, gli esausti possono scambiare ulteriormente calore rispetto a quanto ceduto al sistema ORC, in uno o più scambiatori/economizzatori , al fine di riscaldare opportune correnti aumentando l'efficienza energetica. Nel caso sì raggiungano temperature dei gas tali da consentire la formazione dì condense acide è necessario l'utilizzo di materiali pregiati nelle condotte discarico e nei calderine di recupero. Il generatore elettrico è connesso ad un trasformatore [21], il quale è a sua volta allacciato alla rete elettrica del mezzo navale e alla centrale di connessione e controllo degli apparati elettrici [22] di bordo. Il motore elettrico [25] di propulsione è quindi collegato alla rete elettrica per mezzo di un trasformatore [23] e include un sistema di regolazione del numero di giri [24]. Infine il motore elettrico è abbinato all'asse propulsivo grazie ad un appropriato dispositivo di accoppiamento/disaccoppiamento [26]. The simplified diagram of Figure 2 illustrates a generic possible application of the inventive system. The fuel stream [1] and the combustion air [2] feed the propulsion system [3], which may or may not include additional auxiliary energy generating equipment. A stream, or several streams, of high temperature exhaust fumes come out of the propulsion / auxiliary system. The exhausted ones release sensible heat, to the current of the heat transport circuit, by means of one or more exchangers / boilers [4]. The boiler can be composed, for example, of single spiral tubes, or of a removable tube bundle with a floating plate, in order to compensate for the expansion of the tubes with respect to the shell of the exchanger. The extractability of the bundle allows easy cleaning of the shell side and of the pipes. Inside the pipes a relatively high velocity of the heat transfer fluid must be ensured (higher than 0.6 m / s and preferably higher than 1 m / s}, in order to avoid stagnation of the same, and localized overheating, 1 such as in the case of use of organic fluid could alter its properties, causing a reduction in the life span. The temperature of the combustion fumes can, if necessary, be controlled by means of turbo-blowers / turbo-aspirators designed to mix the current at high temperature with air or exhaust or their mixtures at a lower temperature. The primary heat transport system is preferably composed of at least two pumps [5], of which at least one is in stand-by, while the second ensures the circulation of the fluid and provides for the transfer of heat from the source to the circuit of the ORC turbogenerator The circuit is equipped with an expansion tank [6] for the heat transfer fluid and one or more supply tanks [1] for the fluid. In a possible variant of the scheme, the heat transfer fluid circuit can be conveniently integrated with one or more auxiliary boilers, in order to improve the flexibility and efficiency of the system. A three-way valve [8] can be usefully installed on the heat transport circuit to divert the heat transfer fluid to a heat dissipation circuit [9] during the start-up and shutdown phases of the generation system and / or the engine system and auxiliaries on board. During these operations, the previously cooled current is introduced into the primary heat transport circuit, by-passing the OCR system. Once these operations have been completed, the aforementioned three-way valve is re-switched so as to feed the heat exchanger [10] of the circuit operating the Rankine cycle. The previously mentioned heat dissipation system is preferably integrated with the cooling system of the vessel, and uses refrigerating fluids from the external environment such as water or air [11], which, once heated, are released beyond outside the vessel [12]. The heat transfer fluid circulating from the sources at higher temperatures releases sensible heat to the working fluid of the organic cycle, with the aim of vaporising it. The working fluid is fed to the turboexpander during normal plant operation by means of the line [13] when the by-pass line [14] is intercepted. The by-pass line can be opened, totally or partially during the start or stop operations of the system. Upstream of the turbo-expansion apparatus there is preferably a device suitable for inhibiting the entrainment of liquid phases to the blades of the expander. The vapor of the organic fluid activates the turboexpander [15], which can be directly coupled to the electric generator [16] through an elastic joint generating electrical energy, or be connected to the propulsion axis of the vessel through a convenient system of coupling / uncoupling. The steam discharged from the expander flows through the regenerator [17], where it preheats the organic fluid, releasing sensible heat and thus improving the efficiency of the cycle. The use of a regenerator allows both a decrease in the heat released in the condensation and a decrease in the heat introduced into the cycle during the heating phase of the liquid, since this working fluid is evaporated starting from a higher temperature than to the output from the capacitor. The steam is then sent into the condenser [18] where it is cooled and liquefied by the passage of the refrigeration fluid coming from the heat dissipation circuit. The liquefied organic fluid is then fed, through a pumping system [19], to the regenerator and then to the evaporator, thus closing the cycle. Upstream of the pumping system there is preferably an apparatus suitable for preventing the passage of steam to the pumps. In a variant of the inventive system, the condenser of the organic fluid is not cooled directly by the refrigeration system of the vessel, but transfers heat to a second organic cycle, which generates a further amount of energy and transfers heat to the connected heat dissipation system. with the external environment. The exhausted combustion products, after having transferred heat to the primary heat transport system, are sent to the exhaust [20], using, if necessary, a suitable turbo-blower / turbo-aspirator. In a variant of the system, the exhausted ones can further exchange heat with respect to that transferred to the ORC system, in one or more exchangers / economizers, in order to heat suitable currents, increasing energy efficiency. If gas temperatures are reached such as to allow the formation of acid condensates, it is necessary to use high-quality materials in the discharge pipes and in the recovery boilers. The electric generator is connected to a transformer [21], which is in turn connected to the electrical network of the vessel and to the connection and control center of the electrical equipment [22] on board. The propulsion electric motor [25] is then connected to the mains by means of a transformer [23] and includes a speed control system [24]. Finally, the electric motor is combined with the propulsive axis thanks to an appropriate coupling / decoupling device [26].
Esempio 1: Example 1:
Un apparato propulsivo navale comprende una turbina a gas caratterizzava, in condizioni normalizzate ISO (temperatura bulbo secco pari 15<a>C, 60% umidità relativa, pressione 1013 mbar), dai seguenti parametri: A naval propulsion system includes a gas turbine characterized, under standardized ISO conditions (dry bulb temperature equal to 15 <a> C, 60% relative humidity, pressure 1013 mbar), by the following parameters:
Portata fumi [kg/s] 67,8 Temperatura gas scarico [°C] 530 Portata gas naturale [kg/h] 5000 Potere calorif. Infer. gas naturale [kj/kg] 44196 Potenza termica ingresso [kW] 61432,4 Potenza elettrica [kW] 22080 Efficienza elettrica [%] 36 I fumi allo scarico di tale unità entrano una caldierina ove cedono 17.7 MW termici ad un fluido termovettore raffreddandosi fino a circa 300°C. Il fluido (1370 t/h} acquista calore sensibile riscaldandosi da 250°C a 270°C ed è avviato ad uno scambiatore, ove cede calore ad una corrente liquida di isopentano a 150°C in pressione, elevandone la temperatura fino a 240°C e facendolo vaporizzare per essere utilizzato in un sistema di produzione di energia utilizzante un ciclo organico Rankine. Il fluido termovettore raffreddatosi fino a circa 250°C è rilanciato, tramite sisterna di pompaggio, alla calderina dei fumi. I vapori di isopentano prodotti (147 t/h) sono espansi (rapporto di espansione circa 10,6} in una turbina ad elevat efficienza isoentropica (83%), producendo circa 4100 kW all'albero. Il vapore espanso entra a 186°C in uno scambiatore-rigeneratore, ove preriscalda la corrente lìquido del fluido di lavoro fino a 150°C, raffreddandosi fino 85°C. La corrente di vapore entra in un condensatore, ove cede calore latente al circuito di refrigerazione del mezzo navale, condensandosi e raffreddandosi fino a 40°C. Al fine di innalzare l'efficienza del ciclo il fluido organico passa in uno scambiatore ove riceve una quota ulteriore calore (3,4 MW} a bassa entalpia (86°C) proveniente dal sistema di raffreddamento del mezzo navale, dalle camicie e dalla lubrificazione dei diesel alternatori di bordo e aumentando la sua temperatura fino a 70°C, mentre il fluido di refrigerazione si raffredda fino a 80°C. Il ciclo Rankine si chiude grazie al rilancio del fluido organico, tramite il sistema di pompaggio, allo scambiatore-rigeneratore precedentemente menzionato. L'albero della turbina di espansione fluido organico è accoppiato ad un generatore elettrico attraverso un giunto elastico. L'aì laceramento al quadro di media tensione del mezzo navale, avviene previa trasformazione a 6,6 kV. Sono prodotti 3990 kWe (efficienza dell'alternatore pari a 0.974, avendo trascurato perdite di calore per irraggiamento dal sistema). Una quota della potenza elettrica disponibile è utilizzata per i carichi elettrici del ciclo Ranking e del circuito di trasporto calore dai fumi della turbina a gas {280 kWe circa). La rimanente quota è disponibile per i servizi di bordo o la propulsione navale nel caso di sistemi CODLAG (COmbined Diesel-eLectric And Gas) o CODAG utilizzanti trasformatori elettrici di propulsione e motori elettrici sincroni dotati di azionatori statici a frequenza variabile per la regolazione del numero di giri. Infine i fumi del turbogas a 300°, prima di essere inviati alla turboaspirante della condotta di scarico, possono cedere un'ulteriore quota dì calore (8.5 MW) a fluidi di servizio, raffreddandosi fino a 180°C, al fine di innalzare ulteriormente l'efficienza termica del mezzo navale. Flue gas flow [kg / s] 67.8 Exhaust gas temperature [° C] 530 Natural gas flow [kg / h] 5000 Heating power. Infer. natural gas [kj / kg] 44196 Inlet thermal power [kW] 61432.4 Electric power [kW] 22080 Electric efficiency [%] 36 The fumes at the exhaust of this unit enter a boiler where they release 17.7 MW of heat to a heat transfer fluid cooling down to at about 300 ° C. The fluid (1370 t / h} acquires sensible heat by heating from 250 ° C to 270 ° C and is sent to an exchanger, where it transfers heat to a liquid stream of isopentane at 150 ° C under pressure, raising its temperature up to 240 ° C and making it vaporize to be used in an energy production system using an organic Rankine cycle. The heat transfer fluid which has cooled down to about 250 ° C is re-launched, by means of a pumping system, to the fumes cauldron. The isopentane vapors produced (147 t / h) are expanded (expansion ratio about 10.6} in a turbine with high isentropic efficiency (83%), producing about 4100 kW at the shaft. The expanded steam enters an exchanger-regenerator at 186 ° C, where it preheats the liquid stream of the working fluid up to 150 ° C, cooling down to 85 ° C. The steam stream enters a condenser, where it transfers latent heat to the refrigeration circuit of the vessel, condensing and cooling down to 40 ° C. In order to inn to raise the efficiency of the cycle the organic fluid passes into an exchanger where it receives a further amount of heat (3.4 MW} at low enthalpy (86 ° C) coming from the cooling system of the vessel, from the jackets and from the lubrication of the diesel alternators on board and increasing its temperature up to 70 ° C, while the refrigeration fluid cools down to 80 ° C. The Rankine cycle closes thanks to the relaunch of the organic fluid, through the pumping system, to the previously mentioned exchanger-regenerator. The shaft of the organic fluid expansion turbine is coupled to an electrical generator through an elastic coupling. The tearing of the medium voltage switchboard of the vessel takes place after transformation to 6.6 kV. 3990 kWe are produced (alternator efficiency equal to 0.974, having neglected heat losses by radiation from the system). A portion of the available electrical power is used for the electrical loads of the Ranking cycle and the heat transport circuit from the gas turbine fumes {280 kWe approximately). The remainder is available for on-board services or marine propulsion in the case of CODLAG (COmbined Diesel-eLectric And Gas) or CODAG systems using electric propulsion transformers and synchronous electric motors equipped with variable frequency static actuators for regulating the number of turns. Finally, the fumes from the turbogas at 300 °, before being sent to the turbo-aspirator of the exhaust pipe, can transfer a further amount of heat (8.5 MW) to service fluids, cooling down to 180 ° C, in order to further raise the thermal efficiency of the vessel.
Esempio 2: Example 2:
Gli esausti di combustione 400°C (45,4 kg/s) passano in una caldierina ove cedono 7,1 MW termici ad un fluido termovettore raffreddandosi fino a circa 26Q°C. Il fluido circolante (231 t/h) passa da 200°C 250°C ed è immesso in uno scambiatore evaporatore appartenente ad un ciclo Rankine, ove cede calore ad una corrente liquida in pressione di octametilciclotetrasilossano a 132°C, facendolo vaporizzare ed elevandone la temperatura fino a 240 °C. Il fluido termovettore, raffreddatosi fino a circa 200 °C, è rilanciato tramite sistema di pompaggio, alla calderina dei furai. I vapori del fluido organico prodotti (131 t/h) sono espansi da 20 atm fino a 0.6 atm in un turboespansore a cuscinetti magnetici con efficienza isoentropica pari a 80%, producendo circa 1220 kW all'albero. Il vapore espanso entra a 148°C in uno scambiatore-rigeneratore, ove preriscalda la corrente liquida del fluido di lavoro fino a 132°C, raffreddandosi fino 100°C. La corrente dì vapore entra in uno scambiatore ove si condensa e raffreddandosi fino a 89°C, Il calore di transizione di fase (6 MW ca) è ceduto nel condensatore ad un circuito di refrigerazione ad acqua, la quale sì riscalda 40 °C fino ad 80°C e può essere utilizzata per i servizi di bordo. Il ciclo Rankine si chiude grazie al rilancio del fluido organico, tramite il sistema di pompaggio, allo scambiatore-rigeneratore precedentemente menzionato. Una quota dell'energia prodotta è utilizzata per i carichi elettrici del ciclo Ranking e del circuito di trasporto calore dai fumi della turbina a gas {130 kWe}. La rimanente quota è disponibile per i servizi di bordo o la propulsione navale tramite motori elettrici sincroni con azionamento LCI (Load commutaded inverter) , The exhausted combustion products 400 ° C (45.4 kg / s) pass into a boiler where they release 7.1 thermal MW to a heat transfer fluid, cooling down to about 26Q ° C. The circulating fluid (231 t / h) passes from 200 ° C to 250 ° C and is placed in an evaporator exchanger belonging to a Rankine cycle, where it transfers heat to a pressurized liquid stream of octamethylcyclotetrasiloxane at 132 ° C, causing it to vaporize and raise it the temperature up to 240 ° C. The heat transfer fluid, which has cooled down to about 200 ° C, is re-launched by means of a pumping system, to the furai calderina. The vapors of the organic fluid produced (131 t / h) are expanded from 20 atm up to 0.6 atm in a turboexpander with magnetic bearings with isentropic efficiency equal to 80%, producing about 1220 kW at the shaft. The expanded vapor enters an exchanger-regenerator at 148 ° C, where it preheats the liquid stream of the working fluid up to 132 ° C, cooling down to 100 ° C. The steam current enters an exchanger where it condenses and cools down to 89 ° C, The phase transition heat (6 MW ca) is transferred in the condenser to a water cooling circuit, which heats up to 40 ° C up to at 80 ° C and can be used for on-board services. The Rankine cycle closes thanks to the relaunch of the organic fluid, through the pumping system, to the previously mentioned exchanger-regenerator. A portion of the energy produced is used for the electrical loads of the Ranking cycle and the heat transport circuit from the fumes of the gas turbine {130 kWe}. The remainder is available for on-board services or ship propulsion by means of synchronous electric motors with LCI (Load commutaded inverter) drive,
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