MD4409C1 - Instalaţie criogenică cu gaz cu turbină cu circuit închis - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la domeniul termoenergetic, şi anume la tehnologiile de producere a energiei electrice cu utilizarea în calitate de agent de lucru a lichidelor cu punctul de fierbere scăzut, şi poate fi utilizată în calitate de staţie electrică modulară sau agregat de putere.Instalaţia criogenică cu gaz cu turbină cu circuit închis conţine o carcasă (14) ermetică demontabilă vidată cu un ecran de răcire (2), o pompă (1), un ventil de laminare (3) şi un separator (13) cu stropitoare (9). Instalaţia mai conţine un receiver supraîncălzitor (4), unit cu ecranul (2) printr-o supapă retur (7) şi cu o turbină (6). Receiverul (4) este executat în formă de cămaşă, amplasată în jurul unui generator electric (5), unit cu arborele turbinei (6), care este unită cu un condensator (8), în care sunt amplasate stropitoarea (9), duze (10) şi un recipient pentru condensat (12), unit cu pompa (1).

Description

Invenţia se referă la domeniul termoenergetic, şi anume la tehnologiile de producere a energiei electrice cu utilizarea în calitate de agent de lucru a lichidelor cu punctul de fierbere scăzut, şi poate fi utilizată în calitate de staţie electrică modulară sau agregat de putere.

Se cunoaşte o instalaţie termoenergetică, care funcţionează după o schemă închisă cu utilizarea în calitate de agent de lucru a lichidelor cu punctul de fierbere scăzut (agent frigorific) şi care conţine, unite în serie în circuit închis, o pompă, un schimbător de căldură, o turbină principală, un condensator şi un receiver, iar în circuitul de recuperare, un filtru de aer, un compresor şi o turbină auxiliară, totodată pompa, compresorul şi turbinele ambelor circuite sunt amplasate pe arborele unui motor-generator [1].

Dezavantajul acestei instalaţii constă în utilizarea unei părţi de putere de la turbina principală pentru acţionarea compresorului şi turbinei auxiliare în circuitul de recuperare, ceea ce reduce randamentul instalaţiei. În plus, la pornirea instalaţiei generatorul este utilizat în calitate de motor, ceea ce reduce fiabilitatea din cauza necesităţii utilizării unui puternic echipament suplimentar de comutare.

Se cunoaşte, de asemenea, o instalaţie criogenică cu gaz cu turbină cu circuit închis, care constă dintr-un generator electric, unit cinematic cu arborele unei turbine, montate la marginea carcasei unui condensator, executat în formă de vas cilindric vertical, în care sunt amplasate succesiv o stropitoare, duze şi un recipient pentru condensat, unit prin intermediul unei conducte cu intrarea unei pompe, ieşirea căreia, prin intermediul unui ecran de răcire, este unită cu intrarea unui receiver-supraîncălzitor, ieşirea căruia este unită cu intrarea turbinei [2].

Dezavantajul acestei soluţii constă în faptul că funcţionarea instalaţiei, şi anume puterea transmisă de la turbină la generatorul electric depinde numai de temperatura mediului ambiant, deoarece receiverul-supraîncălzitor primeşte căldura anume de la el. De asemenea, la schimbarea sarcinii generatorului electric nu se prevede corectarea parametrilor vaporilor furnizaţi la intrarea în turbină, de aceea funcţionarea instalaţiei nu este stabilă.

Problema tehnică pe care o rezolvă invenţia este reducerea dependenţei puterii instalaţiei de temperatura mediului ambiant şi creşterea stabilităţii funcţionării instalaţiei la sarcini variabile ale generatorului electric.

Instalaţia cu gaz cu turbină cu circuit închis, conform invenţiei, înlătură dezavantajele menţionate mai sus prin aceea că conţine o carcasă ermetică demontabilă vidată cu un ecran de răcire, executat în formă de cutie metalică, în care, uniform pe perimetrul ei, este executat un canal, intrarea căruia este unită cu linia de refulare a unei pompe, pe linia de refulare fiind instalat un ventil de laminare, care este unit cu un separator, ieşirea căruia este unită cu o stropitoare. Ieşirea canalului este unită, printr-o supapă retur, cu intrarea unui receiver-supraîncălzitor, executat în formă de cămaşă, amplasată în jurul unui generator electric, care este montat pe partea exterioară de sus a carcasei şi unit cu arborele unei turbine, intrarea căreia este unită cu ieşirea receiverului-supraîncălzitor, iar ieşirea ei este unită cu un condensator, executat în formă de vas cilindric vertical, în care sunt amplasate succesiv stropitoarea, duze şi un recipient pentru condensat, care este unit printr-o conductă cu intrarea pompei.

Executarea receiverului-supraîncălzitor în formă de cămaşă, amplasată în jurul generatorului electric, pe lângă utilizarea căldurii din mediul ambiant, asigură şi folosirea căldurii eliminate de generatorul electric încărcat. În plus, se creează efectul menţinerii automate a puterii optime a instalaţiei. Cu cât generatorul este mai încărcat, cu atât se elimină mai multă căldură, prin urmare, cu cât temperatura receiverului-supraîncălzitor este mai înaltă, respectiv, este mai înaltă şi presiunea vaporilor agentului de lucru la intrarea în turbină. Şi viceversa. Adică, presiunea vaporilor furnizaţi la intrarea în turbină depinde direct proporţional de sarcina generatorului. Aceste măsuri reduc dependenţa puterii create de instalaţie de temperatura mediului ambiant, de asemenea, ridică stabilitatea funcţionării ei la schimbarea sarcinii pe generatorul electric.

Invenţia se explică prin desenul din figură, în care este reprezentată schema instalaţiei criogenice cu gaz cu turbină cu circuit închis.

Instalaţia criogenică cu gaz cu turbină cu circuit închis conţine pompa 1, care prin intermediul conductelor de refulare este unită cu intrarea canalului din ecranul de răcire 2 şi cu ventilul de laminare 3. Ieşirea canalului din ecranul de răcire 2 este unită cu intrarea receiverului-supraîncălzitor 4, care este executat în formă de cămaşă, amplasată în jurul generatorului electric 5 şi care dispune de o suprafaţă exterioară absorbantă orientată spre mediul ambiant. Ieşirea receiverului-supraîncălzitor 4 este unită prin supapa retur 7 cu intrarea turbinei 6. Generatorul electric 5 este montat pe partea exterioară de sus a carcasei 14 ermetice demontabile şi este unit cu arborele turbinei 6, ieşirea căreia este unită cu condensatorul 8, executat în formă de vas cilindric vertical, în care sunt amplasate succesiv stropitoarea 9, duzele 10, conducta de evacuare 11 şi recipientul pentru condensat 12, care este unit prin intermediul conductei cu intrarea pompei 1. Ventilul 3 este unit cu separatorul 13, ieşirea căruia este unită prin conductă cu stropitoarea 9, iar conducta de evacuare 11 este introdusă în interiorul separatorului 13 şi prin serpentină este scoasă în partea de sus a lui. Toate ansamblurile, aparatele şi conductele instalaţiei sunt amplasate în carcasa 14, care este dotată cu supapa de vid 15.

Instalaţia criogenică cu gaz cu turbină cu circuit închis funcţionează în modul următor.

Funcţionarea instalaţiei se desfăşoară în două etape. Prima etapă este pregătitoare, şi constă în faptul că în volumul interior al carcasei 14 se creează vid prin intermediul supapei de vid 15, ansamblurile interne, aparatele şi conductele instalaţiei se răcesc cu gaz purificat, de exemplu, cu azot (N2), până la temperatura de lucru, mai joasă decât cea critică şi se umple cu acest gaz în stare saturată (vapori-lichid) volumul interior al ansamblurilor, aparatelor şi conductelor la presiunea şi temperatura minimă de lucru, cărora le corespunde cantitatea necesară de fază lichidă a agentului de lucru în volumul de lucru.

A doua etapă este cea de lucru a instalaţiei. Pentru pornirea instalaţiei este necesară asigurarea circulaţiei agentului de lucru. Pentru aceasta pompa 1 se acţionează de la o sursă exterioară de energie electrică, de exemplu, de la acumulator, care absoarbe din recipientul 12 faza lichefiată şi o refulează în două fluxuri. Partea mai mică se expediază prin una din conducte la ventilul 3, unde agentul de lucru se extinde fără o acţiune din exterior de la presiunea iniţială până la cea finală în volumul separatorului 13, şi prin conductă ajunge la dispersare în condensatorul 8. Partea mai mare a fluxului agentului de lucru se expediază la turbina 6, ce trece prin canalul ecranului de răcire 2, care funcţionează la reducerea fluxurilor de energie termică radiantă spre aparatele instalaţiei, supapa retur 7 şi receiverul-supraîncălzitor 4. Ecranul de răcire 2, recepţionând căldura de la pereţii carcasei 14 cu temperatura mediului ambiant, exercită funcţia de încălzitor prealabil al masei lichefiate a agentului de lucru. La ieşirea din ecranul de răcire 2 temperatura fazei lichefiate a agentului de lucru nu trebuie s-o depăşească pe cea critică. Încălzirea ulterioară a agentului de lucru se produce în receiverul-supraîncălzitor 4, unde are loc trecerea agentului de lucru din stare lichidă în stare gazoasă datorită căldurii, care pătrunde din mediul ambiant prin suprafaţa absorbantă a receiverului-supraîncălzitor 4. Căldura suplimentară parvine şi de la carcasa generatorului electric 5, care la pornirea instalaţiei are temperatura egală cu temperatura mediului ambiant. Odată cu evaporarea agentului de lucru în receiverul-supraîncălzitor 4 creşte presiunea, şi în momentul când aceasta depăşeşte presiunea la ieşirea din ecranul de răcire 2, supapa retur 7 se închide, iar gazul uscat supraîncălzit cu temperatura calculată ajunge în turbina 6, forţând roata de lucru să se rotească, iar gazul să se dilate cu reducerea temperaturii. Roata de lucru, în acest caz, efectuează un lucru exterior, care este preluat de generatorul electric 5 de pe arborele turbinei 6. Pe măsura consumului agentului de lucru, aflat în receiverul-supraîncălzitor 4, presiunea în el se micşorează şi supapa retur 7 se deschide din nou pentru alimentarea cu o porţie nouă de agent de lucru din ecranul de răcire 2. Deoarece ieşirea turbinei 6 este instalată în partea superioară a condensatorului 8, gazul dilatat (folosit) cu presiunea şi temperatura finală din domeniul din apropierea curbei limită de vaporizare, în stare de abur saturat, pătrunde în interiorul condensatorului 8 şi se presează în jos spre duzele 10. Aici, în urma schimbului de căldură între aburul supraîncălzit din turbina 6 şi faza lichefiată a fluxului laminat, dispersat din stropitoarea 9, entalpia lor (conţinutul de căldură) obţine o valoare medie până la starea de echilibru vapori-lichid. Întrucât valoarea finală a entalpiei amestecului depinde de raportul dintre cantitatea fluxurilor amestecate, în cazul dat starea de echilibru a amestecului vapori-lichid în condensatorul 8 se menţine, ajustând cantitatea de fază lichefiată a fluxului laminat, care pătrunde prin stropitoarea 9. În starea de echilibru faza lichefiată a agentului de lucru, constituind partea minimă de volum, trece prin duzele 10 în jos în recipientul 12. Concomitent, gazul nelichefiat în stare de vapori saturaţi, sub influenţa presiunii vaporilor saturaţi supraîncălziţi debitaţi de la ieşirea turbinei 6, se presează în jos în duzele 10. Aici sunt condiţii favorabile pentru condensare, atât datorită schimbului de căldură prin contact direct cu faza lichefiată, cât şi răcirii cu duzele 10. Entalpia vaporilor saturaţi răciţi este aproape de entalpia lichidului, de aceea, contactând cu faza lichefiată a agentului de lucru, vaporii saturaţi răciţi se condensează integral. Pentru îmbunătăţirea procesului de condensare o parte a fluxului de gaz din separatorul 13 trece prin conducta 11 şi se dispersează în regiunea oglinzii de lichid condensat. Faza lichefiată a agentului de lucru se acumulează în recipientul 12, de unde se refulează permanent în ciclul continuu cu ajutorul pompei 1, care, asigurând circulaţia agentului de lucru în instalaţie, menţine presiunea minimă calculată în condensatorul 8. În continuare ciclul de lucru al instalaţiei se repetă.

Particularitatea distinctivă a instalaţiei propuse constă în faptul că în timpul lucrului generatorului electric 5 la încărcare (pentru consumator) bobinajul lui se încălzeşte. Şi cu cât sarcina este mai mare, cu atât este mai mare temperatura bobinajului. În instalaţia propusă această temperatură se recuperează datorită construcţiei receiverului-supraîncălzitor 4, care asigură contactul direct şi, prin urmare, schimbul de căldură între carcasa generatorului electric 5 şi agentul de lucru al circuitului producător de energie. Datorită acestui fapt se schimbă presiunea în receiverul-supraîncălzitor 4 proporţional cu încărcarea generatorului electric 5, care depinde de puterea turbinei 6. În aşa mod are loc corectarea automată a parametrilor gazului debitat la intrarea turbinei 6 în funcţie de încărcarea generatorului electric 5. Prezenţa supapei retur 7 la intrarea în receiverul-supraîncălzitor 4 exclude refluxul de agent de lucru în circuitul instalaţiei, majorând stabilitatea funcţionării acesteia.

1. SU 1460554 A1 1989.02.23

2. RU 2131045 C1 1999.05.27

Claims (1)

1. Instalaţie criogenică cu gaz cu turbină cu circuit închis, care conţine o carcasă ermetică demontabilă vidată cu un ecran de răcire, executat în formă de cutie metalică, în care, uniform pe perimetrul ei, este executat un canal, intrarea căruia este unită cu linia de refulare a unei pompe, pe linia de refulare fiind instalat un ventil de laminare, care este unit cu un separator, ieşirea căruia este unită cu o stropitoare, totodată ieşirea canalului este unită, printr-o supapă retur, cu intrarea unui receiver-supraîncălzitor, executat în formă de cămaşă, amplasată în jurul unui generator electric, care este montat pe partea exterioară de sus a carcasei şi unit cu arborele unei turbine, intrarea căreia este unită cu ieşirea receiverului-supraîncălzitor, iar ieşirea ei este unită cu un condensator, executat în formă de vas cilindric vertical, în care sunt amplasate succesiv stropitoarea, duze şi un recipient pentru condensat, care este unit printr-o conductă cu intrarea pompei.