NO342098B1 - Fremgangsmåte og anordning for overføring av varme fra en varmekilde til en termodynamisk krets med et arbeidsmiddel med minst to stoff med ikke-isaterm fordampning og kondensering - Google Patents

Abstract

I et termodynamisk kretsløp (9) med et arbeidsmiddel med i det minste to stoffer med ikke-isotermisk fordampning og kondensering, kan arbeidsmidlet dekomponeres over en bestemt temperatur. For på enkel måte og med høy driftssikkerhet å kunne utnytte også varmen i varmekilder (AG) som har temperaturer over arbeidsmidlets dekomponeringstemperatur, foreslås det å overføre varmen i varmekilden (AG) i et første trinn til et hetvæskekretsløp (4) og i et andre trinn overføre varmen fra hetvæskekretsløpet (4) og til kretsløpet (9) med arbeidsmidlet med i det minste to stoffer med ikkeisotermisk fordampning og kondensering. Ved hjelp av det mellomkoblede hetvæskekretsløpet (4) kan den til kretsløpet (9) med arbeidsmidlet med minst to stoffer med ikke-isotermisk fordampning og kondensering tilførte varme reduseres i en slik grad at man unngår en dekomponering av arbeidsmidlet. I tillegg kan kretsløpet (9) med arbeidsmidlet med i det minste to stoffer med ikke-isotermisk fordampning og kondensering, utformes som en standardisert løsning for anvendelse i forbindelse med ulike varmekilder med ulike temperaturer, idet tilpassingen til varmekildens (AG) temperatur skjer ved hjelp av det mellomkoblede hetvæskekretsløp (4).

Description

Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte og en anordning for overføring av varme fra en varmekilde og til et termodynamisk kretsløp/syklus som har et arbeidsmiddel med minst to stoffer med ikke-isotermisk fordampning og kondensering.

Oppfinnelsen vedrører også en gassturbinanordning med en slik anordning for overføring av varme.

For varmekilder med temperaturer på fra 100-200<o>C, har det i de senere år vært utviklet ulike teknologier som muliggjør at varmen med god virkningsgrad kan omdannes til mekanisk eller elektrisk energi. Her utmerker seg fremfor alt termodynamiske kretsløp med et arbeidsmiddel med minst to stoffer med ikkeisotermisk fordampning og kondensasjon, så som eksempelvis Kalina-kretsløpet, med særlig gode virkningsgrader. Kalina-kretsløp, som eksempelvis beskrevet i EP 0 652 368 B1, bruker som arbeidsmiddel en blanding av ammoniakk og vann, idet blandingens ikke-isotermiske koking og kondensering utnyttes for øking av kretsløpets virkningsgrad, eksempelvis i forhold til det klassiske Rankinekretsløpet.

Da de anvendte arbeidsmidlene kan dekomponeres over en bestemt temperatur (dekomponeringstemperatur), er anvendelsen av slike kretsløp vanskelig når det dreier seg om varmekilder med temperaturer over dekomponeringstemperaturen. I et Kalina-kretsløp med en ammoniakk-vann-blanding som arbeidsmiddel, vil ammoniakk-vann-blandingen begynne å dekomponeres fra 250<o>C, dvs. at det skjer en kjemisk bryting av NH3-forbindelsen (2 NH3� N2 3H2), slik at hydrogen og nitrogen frigjøres. Ved temperaturer over 400<o>C vil således kretsløpet ikke lenger virke.

På den annen side vil i spesielle tilfeller anvendelsen av slike kretsløp være av interesse også for varmekilder med temperaturer over 400<o>C. Dette gjelder eksempelvis for tidligere bygde gassturbinanlegg uten dampfremstilling så vel som for GoD-anlegg. Som følge av det enorme kostnadstrykket vil særlig operatørene av gamle anlegg med lave virkningsgrader være tvunget til å øke anleggenes økonomi.

Fra EP-1 306 526 er det tidligere kjent en effektgenerator som anvender hydrogenabsorberende legeringer og varme med middels til lav temperatur.

Det er derfor en hensikt med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en fremgangsmåte og en anordning for overføring av varme fra en varmekilde og til et termodynamisk kretsløp som har et arbeidsmiddel med minst to stoffer med ikkeisotermisk fordampning og kondensering, hvilken fremgangsmåte og anordning skal muliggjøre, med lave kostnader og høy driftssikkerhet, at varmen fra varmekilder med temperaturer også over dekomponeringstemperaturen til arbeidsmidlet i kretsløpet, skal kunne utnyttes.

Denne hensikt oppnås ifølge oppfinnelsen med en fremgangsmåte som angitt i patentkrav 1. Fordelaktige utførelsesformer av fremgangsmåten er angitt i de uselvstendige patentkravene 2-8. Videre oppnås hensikten i forbindelse med anordningen med en anordning som angitt i patentkrav 9. Fordelaktige utførelsesformer av anordningen er angitt i de uselvstendige patentkravene 10-16. Et gassturbinanlegg med en slik anordning er angitt i patentkrav 17.

Ifølge fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen blir varmen i varmekilden i et første trinn overført til et hetvæskekretsløp og i et andre trinn overført fra hetvæskekretsløpet med arbeidsmidlet med minst to stoffer med ikke-isotermisk fordampning og kondensering. Som følge av mellomkoblingen av hetvæskekretsløpet, mellom varmekilden og kretsløpet med arbeidsmidlet med to stoffer med ikke-isotermisk fordampning og kondensering, kan temperaturen i varmekilden senkes i en slik grad at man på sikker måte kan hindre en overheting av arbeidsmidlet med de i det minste to stoffer med ikke-isotermisk fordampning og kondensering.

Med hetvæskekretsløp skal her forstås et kretsløp som har en het væske, så som eksempelvis et hetvannskretsløp.

Med det mellomkoblede hetvæskekretsløpet kan man videre på enkel måte oppnå en tilpassing av kretsløpet med arbeidsmidlet med to stoffer med ikke-isotermisk fordampning og kondensasjon, til varmekilder med ulike temperaturer. Derved blir det mulig å benytte en standardisert og således kostnadsgunstig løsning for kretsløpet med arbeidsmidlet med de i det minste to stoffer med ikke-isotermisk fordampning og kondensering, for flere anvendelser, dvs. for varmekilder med ulike temperaturer. Tilpassingen av denne standardiserte løsningen til de ulike varmekilder, skjer da bare ved hjelp av det mellomkoblede hetvæskekretsløp.

For kretsløpet med arbeidsmidlet med de i det minste to stoffer med ikke-termisk fordampning og kondensering, dreier det seg fortrinnsvis om et Kalina-kretsløp, hvor det som arbeidsmiddel benyttes en tostoffblanding av ammoniakk og vann.

Ifølge en fordelaktig videreutvikling av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen har temperaturen til væsken i hetvæskekretsløpet omtrent en størrelse svarende til fordampningstemperaturen til arbeidsmidlet med de i det minste to stoffer med ikke-isotermisk fordampning og kondensering. Med ”omtrentlig” skal her forstås at temperaturen har et maksimalt avvik på 5 % relativt fordampningstemperaturen.

Anordningen ifølge oppfinnelsen, for overføring av varme fra en varmekilde og til et termodynamisk kretsløp, som har et arbeidsmiddel med minst to stoffer med ikkeisotermisk fordampning og kondensering, innbefatter et hetvæskekretsløp med en første varmeveksler for overføring av varmekildens varme til hetvæskekretsløpet, og en andre varmeveksler for overføring av varmen til arbeidsmidlet i hetvæskekretsløpet til kretsløpet som innbefatter arbeidsmidlet med to stoffer med ikke-isotermisk fordampning og kondensering.

De med fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen nevnte fordeler oppnås også med anordningen ifølge oppfinnelsen.

En særlig fordelaktig anvendelse av fremgangsmåten og anordningen ifølge oppfinnelsen er i et gassturbinanlegg. Den i avgassene fra gassturbinen inneholdte restvarme kan utnytte ved overføring til et kretsløp med et arbeidsmiddel med i det minste to stoffer med ikke-isotermisk fordampning og kondensering, idet varmen kan tas direkte fra gassturbinens 400-650<o>C hete avgasser uten fare for en overheting av arbeidsmidlet. Dette gir nye muligheter for bedring av virkningsgraden til nye så vel som også eldre gassturbinanlegg og GoD-anlegg.

For bedring av virkningsgraden i bestående anlegg kreves det eksempelvis bare en anordning av et hetvannskretsløp og et Kalina-kretsløp. Åpne gassturbinanlegg kan uten videre etterforsynes med hetvannskretsløpet og Kalina-kretsløpet. I foreliggende GoD-anlegg kan dampkretsløpet erstattes av hetvannskretsløpet og Kalina-kretsløpet. Varmen i gassturbinens røkgasser kan således med høy virkningsgrad benyttes for strømfremstilling. Varmen i hetvannskretsløpet kan videre utnyttes i en fjernvarmeforsyning. Med like brenselmengder muliggjøres således en høyere elektrisk eller mekanisk ytelse og dermed en høyere virkningsgrad for gassturbinanlegget. Videre medfører dette en reduksjon av CO2-avgivelsen pr. fremstilt kW time elektrisk energi.

I gassturbinanlegg kan en øking av virkningsgraden skje uten inngrep i hovedanlegget, da hetvannskretsløpets varmeveksler bare behøves å bli anordnet på avgassiden, dvs. i gassturbinanleggets avgasstreng. En tilbygging av denne varmeveksleren, hetvannskretsløpet og Kalina-kretsløpet, vil derfor være mulig med små omkostninger innenfor rammen av en revisjon av hovedanlegget.

Temperaturen til hetvannet og således trykket i hetvannskretsløpet kan ved eksempelvis 200-220<o>C ligge i området fra 15-25 bar, dvs. i et område som er vesentlig lavere enn i forbindelse med de vanlige friskdampbetingelsene (eksempelvis 500<o>C og 100 bar). Kravene til de anvendte materialer blir derfor vesentlig lavere, hvilket er forbundet med betydelige kostnadsfordeler.

Oppfinnelsen så vel som ytterligere fordelaktige utførelsesformer av oppfinnelsen i samsvar med de uselvstendige patentkravene, skal nå beskrives nærmere under henvisning til tegningen, hvor

Fig. 1 viser en prinsippskisse av en anordning ifølge oppfinnelsen, hvor varmekilden er hete avgasser fra en gassturbin, og

Fig. 2 viser en forenklet kobling for belysning av en varmeoverføring fra avgassene fra en gassturbin og til et Kalina-kretsløp via et hetvannskretsløp.

Fig. 1 viser rent prinsipielt og forenklet et gassturbinanlegg 1 med en gassturbin 2 som drives i en åpen gassturbinprosess, og med en i en avgasstreng fra gassturbinen 2 anordnet, dvs. av hete avgasser AG fra gassturbinen 2 gjennomstrømmet første varmeveksler 3. Denne varmeveksleren 3 tjener til overføring av varmen i avgassene AG til vannet i et lukket hetvannskretsløp 4. Oppvarmingen av vannet i hetvannskretsløpet skjer ved hjelp av varmeoverføringen.

I hetevannskretsløpet 4 er det videre innkoblet en andre varmeveksler 5 for overføring av varme fra hetvannskretsløpet og et Kalina-kretsløp 9.

Istedenfor bare én eneste varmeveksler 3 kan det naturligvis, som i fig. 2, også benyttes flere varmevekslere for varmeoverføring fra hetvannskretsløpet 4 og til Kalina-kretsløpet 9. Kalina-kretsløpet har som arbeidsmiddel en tostoffblanding av vann og ammoniakk, idet vannet tjener som løsningsmiddel. Som følge av varmeoverføringen mellom hetvannskretsløpet 4 og Kalina-kretsløpet 9 blir arbeidsmidlet i Kalina-kretsløpet 9 i det minste delvis fordampet i varmeveksleren 5, slik det er beskrevet nærmere i forbindelse med fig. 2.

Det er således i det minste en del av varmen i avgassene AG fra gassturbinen 2 som i et første trinn via varmeveksleren 3 overføres til vannet i hetvannskretsløpet 4 og i et andre trinn overføres fra vannet i hetvannskretsløpet 4, via varmeveksleren 5 og til midlet i Kalina-kretsløpet 9, hvor varmen kan utnyttes idet den omdannes til mekanisk eller elektrisk energi.

Avgassene AG har en temperatur på fra 400-650<o>C og således en temperatur som er høyere enn dekomponeringstemperaturen til ammoniakk-vann-blandingen i Kalinakretsløpet 9, hvilken dekomponeringstemperatur utgjør ca. 250<o>C.

Vannet i hetvannskretsløpet har ved 15-25 bar en temperatur på 200-220<o>C, dvs. således omtrent fordampingstemperaturen til arbeidsmidlet i Kalina-kretsløpet.

Hetvannskretsløpet 4 kan være en del av et fjernvarmeforsyningsanlegg for fjernvarmeforsyning av private eller offentlige innretninger, hvormed gassturbinanleggets 1 virkningsgrad kan økes ytterligere.

Kalina-kretsløpet 9 kan være utformet som en standardisert løsning, dimensjonert etter en på forhånd definert temperatur i varmeveksleren 5. Tilpassingen av Kalinakretsløpet 9 til temperaturen i avgassene AG skjer ved hjelp av hetvannskretsløpet 4. Den ønskede på forhånd definerte temperatur i varmeveksleren 5 innstilles med dimensjoneringen av hetvannskretsløpet og/eller dettes driftsmåte, dvs. ved hjelp av trykket og vannvolumstrømmen.

Restvarme i avgassene AG kan utnyttes ved hjelp av et ytterligere Kalina-kretsløp 9’. I gassturbinanleggets 1 avluftsskorstein 6 anordnes det da en ytterligere varmeveksler 5’ for overføring av gjenblivende varme i avgassen AG til Kalinakretsløpet 9’. Da avgassene AG i avluftsskorsteinen 6 bare har en temperatur på fra 100-200<o>C, kan varmeoverføringen her skje uten mellomkobling av et hetvannskretsløp, dvs. direkte fra varmeveksleren 5’ og til Kalina-kretsløpet 9’. Derved kan restvarmen i avgassene utnyttes for tilveiebringelse av mekanisk eller elektrisk energi, med en senking av røkgasstemperaturen til 50-70<o>C.

Under henvisning til fig. 2 skal nå overføringen av varmen i gassturbinens 2 avgasser AG til Kalina-kretsløpet 9 og utnyttelsen for fremstilling av elektrisk energi i Kalina-kretsløpet 9 forklares nærmere.

Hetvannskretsløpet 4 har en hetvannspumpe 37, en som hetvannsfremstiller utformet varmeveksler 3 og to i hetvannskretsløpet 4 innkoblede varmevekslere HE4, HE5. Varmeveksleren 3 gjennomstrømmes av avgassene (røkgassene) AG fra en gassturbin og er forbundet med hetvannspumpen 37 så vel som med varmeveksleren HE5. Varmeveksleren HE5 er på primærsiden forbundet med varmeveksleren HE4, som er forbundet med hetvannspumpen 37 gjennom en forbindelsesledning 24.

Hetvannspumpen 37 driver vann gjennom varmeveksleren 3, hvor vannet varmes opp til 200-220<o>C ved 15-25 bar av de hete avgassene AG. Det hete vannet går som en hetvannsstrøm 21 henholdsvis 22 gjennom primærsidene i varmevekslerne HE5 og HE4, hvor vannet avkjøles og forlater varmeveksleren HE4 som avkjølt hetvannsstrøm 24 og derfra tilbake til hetvannspumpen 37.

Kalina-kretsløpet 9 innbefatter den allerede nevnte varmeveksleren HE5, som på primærsiden gjennomstrømmes av hetvannsstrømmen 21 i hetvannskretsløpet 4 og på sekundærsiden er forbundet med en turbin 32 via en blander 38 og en separator 8. Turbinen 32 er på utgangssiden forbundet med sekundærsiden til en varmeveksler HE2, hvilken sekundærside er forbundet med primærsiden til en varmeveksler HE1 (kondensator). Kondensatoren HE1 er ved sin primærsideutgang, eventuelt via en kondensatbeholder, forbundet med en deler 34 via en pumpe 33. Deleren 34 er forbundet med blanderen 38 via varmevekslerens HE2 primærside og varmevekslerens HE4 sekundærside.

I Kalina-kretsløpet 9 er arbeidsmidlet en tostoffblanding av vann og ammoniakk. Arbeidsmidlet vil etter kondensatoren HE1 foreligge i en flytende tilstand, som en flytende arbeidsmiddelstrøm 13. Ved hjelp av pumpen 33 blir den flytende arbeidsmiddelstrømmen 13 pumpet opp til et øket trykk hvorved det tilveiebringes en trykkpådratt, flytende arbeidsmiddelstrøm 14, som i deleren 34 deles i en første delstrøm 16 og en andre delstrøm 17.

Den første delstrømmen 16 går til varmeveksleren HE4 sekundærside og vil under anvendelse av den varme, som tilveiebringes med avkjølingen av det allerede i varmeveksleren HE5 kjølte hetvann 22 i hetvannskretsløpet 4, bli delvis fordampet, hvorved det tilveiebringes en delvis fordampet første delstrøm 16a. Den andre delstrømmen 17 går til varmevekslerens HE2 primærside og blir under anvendelse av varme, som tilveiebringes av den delvise kondenseringen av en på sekundærsiden opptatt og avspent arbeidsmiddelstrøm 11, delvis fordampet, hvorved det tilveiebringes en delvis fordampet andre delstrøm 17a. De delvis fordampede første og andre delstrømmer 16a, 17a forenes deretter i en blander 38 til en delvis fordampet arbeidsmiddelstrøm 18. Varmevekslerne HE2 og HE4 er fordelaktig dimensjonert slik at den første og den andre delvis fordampede delstrømmen 16a henholdsvis 17a vil ha omtrent samme temperatur og samme dampinnhold.

Den delvis fordampede arbeidsmiddelstrøm 18 går deretter til varmevekslerens HE5 sekundærside, fordampes ytterligere med samtidig avkjøling av hetvannet 21 på primærsiden, hvorved det tilveiebringes en i det minste delvis fordampet arbeidsmiddelstrøm 10. Den delvis fordampede arbeidsmiddelstrømmen 10 går til separatoren 8, hvor en dampformet fase 10a skilles fra en flytende fase 10b av den delvis fordampede arbeidsmiddelstrøm 10. Den dampformede fasen 10a avspennes i turbinen 2, dens energi omdannes til strøm i generatoren 7, og det tilveiebringes en avspent arbeidsmiddelstrøm 11. Denne avspente arbeidsmiddelstrømmen 11 blir delkondensert i varmeveksleren HE2 sammen med den via en blander 35 tilførte flytende fase 10b, hvorved det tilveiebringes en delkondensert, avspent arbeidsmiddelstrøm 12. Den delkondenserte, avspente arbeidsmiddelstrømmen 12 blir deretter kondensert i varmeveksleren (kondensatoren) HE1 ved hjelp av en med en kjølevannpumpe 36 tilført kjølevannsstrøm 25, hvorved det tilveiebringes en flytende arbeidsmiddelstrøm 13. Den som følge av kondenseringen til den avspente arbeidsmiddelstrømmen 12 til kjølevannsstrømmen 25 overførte varme bortføres med den utgående kjølevannsstrømmen 26.

Oppfinnelsen er foran beskrevet under henvisning til foretrukne utførelseseksempler, men den er ikke begrenset til slike utførelseseksempler. Det finnes et antall variasjonsmuligheter og modifikasjonsmuligheter av oppfinnelsen henholdsvis av utførelseseksemplene. Eksempelvis kan antall varmevekslere varieres i kretsløpene 4 og 9, og man kan naturligvis ha ekstra ventiler og separatorer i koblingen. Eksempelvis kan den gassformede arbeidsmiddelstrømmen 10 avspennes i mer enn ett trinn, dvs. i to etter hverandre koblede turbiner. Videre ligger det innenfor rammen av oppfinnelsen at varmeoverføringen fra varmekilden og til kretsløpet med arbeidsmidlet med i det minste to stoffer med ikke-isotermisk fordampning og kondensering, kan skje ikke bare ved hjelp av ett kretsløp men også ved hjelp av flere kretsløp.