PL205383B1

PL205383B1 - The manner of development of low- and medium-temperature sources and carriers of heat and the system for development of low- and medium-temperature sources and carriers of heat

Info

Publication number: PL205383B1
Application number: PL380947A
Authority: PL
Inventors: Władysław Nowak; Aleksandra Borsukiewicz-Gozdur; Aleksander Stachel
Original assignee: Zachodniopomorski Univ T W Szc
Priority date: 2006-10-30
Filing date: 2006-10-30
Publication date: 2010-04-30
Also published as: PL380947A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest sposób zagospodarowania nisko i średniotemperaturowych źródeł oraz nośników ciepła oraz układ do zagospodarowania nisko i średniotemperaturowych źródeł oraz nośników ciepła na sposób pracy poprzez wykorzystanie ich w elektrowni binarnej.The subject of the invention is a method of developing low and medium-temperature heat sources and carriers, and a system for managing low and medium-temperature sources and heat carriers for the way they work by using them in a binary power plant.

Znane są z literatury sposoby zagospodarowania nisko i średniotemperaturowych źródeł, na przykład wody geotermalnej oraz nośników ciepła takich jak olej, spaliny, woda odpadowa, na sposób ciepła lub pracy. Najczęściej te źródła i nośniki wykorzystywano na sposób ciepła do ogrzewania basenów, domów itp. Na sposób pracy wykorzystywane były w siłowniach parowych z czynnikiem niskowrzącym. Znany jest z publikacji .Bruhn M.: Hybrid geothermal-fossil electricity generation from low enthalpy geothermal resources: geothermal feedwater preheating in conventional power plants, Energy 2002; 27: 329-346. sposób wykorzystania wody geotermalnej jako źródła współzasilania podgrzewacza czynnika roboczego (wody) w konwencjonalnej elektrowni parowej wodnej.There are known from the literature methods of managing low and medium temperature sources, e.g. geothermal water and heat carriers such as oil, flue gas, waste water, in the way of heat or work. Most often, these sources and carriers were used in the form of heat to heat swimming pools, houses, etc. They were used in the way of operation in steam power plants with a low-boiling medium. He is known for his publication. Bruhn M .: Hybrid geothermal-fossil electricity generation from low enthalpy geothermal resources: geothermal feedwater preheating in conventional power plants, Energy 2002; 27: 329-346. the method of using geothermal water as a co-power source for the working medium (water) heater in a conventional steam power plant.

Znany jest z japońskiego opisu patentowego JP 1174801 sposób wykorzystania niskotemperaturowej energii odpadowej i przetwarzanie tej energii na prąd elektryczny i nośnik ciepła o temperaturze wyższej niż początkowa temperatura nośnika ciepła. Efekt taki uzyskano w wyniku zastosowania czynnika niskowrzącego, który krąży w obiegu zamkniętym. Energia strumienia czynnika będącego nośnikiem ciepła przekazywana jest w parowaczu do czynnika organicznego, który następnie ulega sprężaniu w celu podwyższenia jego temperatury. Za sprężarką strumień czynnika zostaje rozdzielony, przy czym jedna część strumienia podawana jest na turbinę, napędzającą generator prądu, obiegu siłowni natomiast pozostała część kierowana jest na wymiennik ciepła zasilający odbiorniki ciepła. W patencie tym sł owo binarna zostało uż yte w sensie „łącznego generowania prą du i ciepł a.It is known from the Japanese patent JP 1174801 how to use low-temperature waste energy and convert this energy into electric current and a heat carrier with a temperature higher than the initial temperature of the heat carrier. This effect was obtained as a result of the use of a low-boiling agent that circulates in a closed circuit. The energy of the heat transfer medium stream is transferred in the evaporator to the organic medium, which is then compressed in order to increase its temperature. Downstream of the compressor, the medium stream is divided, with one part of the stream being fed to the turbine driving the power generator, and the power plant circuit, while the remaining part is directed to the heat exchanger supplying heat receivers. In this patent, the word binary is used to mean "the combined generation of electricity and heat.

Znane jest z opisu patentowego GB2162583 rozwiązanie zagospodarowania źródeł ciepła o niskiej i średniej entalpii i przetwarzanie ciepła na energię elektryczną. Efekt ten uzyskano w wyniku zastosowania tak zwanej kaskady elektrowni, to znaczy, że nośnik ciepła zasila parowacz pierwszej elektrowni powodując odparowanie czynnika roboczego w obiegu pierwszym, następnie nośnik ciepła zasila parowacz drugiej elektrowni o niższych parametrach i kolejno trzeciej i dalszych. Po oddaniu ciepła we wszystkich parowaczach nośnik ciepła równolegle zasila podgrzewacze poszczególnych elektrowni. W opisie patentowym RU2140545 przedstawiono możliwość zagospodarowania źródeł ciepła geotermalnego o wysokich parametrach to znaczy pary geotermalnej. Elektrownia składa się z powtarzalnych moduł ów, z których każ dy stanowi zespół elektrowni binarnej woda geotermalna substancja organiczna. Jednak każdy moduł zasilany jest z jednego tego samego źródła ciepła. W rosyjskim opisie patentowym SU 1377420 przedstawiono elektrownię binarna z wodą w obiegu górnym i inną substancją w obiegu dolnym. W rozwiązaniu przewidziane jest także wykorzystanie drugiego źródła ciepła, na przykład słonecznego, jednak energia ta jest wykorzystywana do odparowania czynnika, a skojarzenie dwóch obiegów następuje w szeregu wymienników ciepła pełniących funkcję skraplaczy wody i przegrzewaczy czynnika organicznego. Wymienniki te także są częściowo zasilane parą z upustów w turbinie wysokoprężnej.It is known from GB2162583 a solution for the management of low and medium enthalpy heat sources and the conversion of heat into electricity. This effect was obtained as a result of the application of the so-called cascade of the power plant, that is, the heat carrier feeds the evaporator of the first power plant causing evaporation of the working medium in the first cycle, then the heat carrier feeds the evaporator of the second power plant with lower parameters, and subsequently the third and further ones. After the heat is released in all evaporators, the heat transfer fluid simultaneously supplies the heaters of individual power plants. The patent description RU2140545 presents the possibility of managing geothermal heat sources with high parameters, i.e. geothermal steam. The power plant consists of repetitive modules, each of which is a binary power plant complex water geothermal organic substance. However, each module is powered by the same heat source. The Russian patent specification SU 1377420 describes a binary power plant with water in the upper circuit and another substance in the lower circuit. The solution also provides for the use of a second heat source, e.g. solar, but this energy is used to evaporate the medium, and the pairing of the two circuits takes place in a series of heat exchangers acting as water condensers and organic medium superheaters. These heat exchangers are also partially fed with steam from the vents in the high-pressure turbine.

Znany jest z japońskiego opisu patentowego JP2000145408 układ do zagospodarowania ciepła wysokotempoeraturowego wydzielającego się w wyniku spalania odpadów. Przedstawia on zespół elektrowni binarnej, w której w obiegu górnym występuje woda jako czynnik roboczy i substancja organiczna w obiegu dolnym. Jednak w tym rozwiązaniu zasilanie całej elektrowni jest jednoźródłowe, podgrzewanie czynnika następuje w wyniku zastosowania regeneracyjnego podgrzewania parą z upustów w turbinie. Znany jest z literatury ukł ad elektrowni do zagospodarowania nisko i ś redniotemperaturowych źródeł lub nośników zawierający jednoczynnikowy obieg zamknięty z podgrzewaczem i parowaczem oraz turbinę. Sprawność takiej elektrowni jest bardzo niska, stąd nie znalazły one szerokiego zastosowania. Znany jest z publikacji Angelino G., Invernizzi C, Molteni G.: The potential role of bottoming Rankine cycles in steam power stations, Proc. Instn. Mech. Engrs. 1999; Vol 213, part A: 75-81 układ elektrowni z czynnikiem organicznym, w którym do zasilania parowacza i podgrzewacza obiegu organicznego dolnego wykorzystano parę z upustów turbiny parowej. Rozwiązanie to oparte jest na jednoźródłowym zasilaniu elektrowni. Znany jest z publikacji Bruhn M: Hybrid geothermal-fossil electricity generation from low enthalpy geothermal resources: geothermal feedwater preheating in conventional power plants, Energy 2002; 27: 329-346 układ konwencjonalnej elektrowni parowej wodnej z możliwością współzasilania podgrzewacza czynnika roboczego (wody) energią strumienia wody geotermalnej.A system for managing high-temperature heat generated as a result of waste incineration is known from the Japanese patent description JP2000145408. It shows a set of a binary power plant in which the upper cycle contains water as a working medium and organic matter in the lower cycle. However, in this solution, the entire power plant is powered by a single source, heating of the medium takes place as a result of regenerative heating with steam from the turbine vents. A power plant system for the development of low- and medium-temperature sources or carriers is known from the literature, containing a single-factor closed cycle with a heater and an evaporator, and a turbine. The efficiency of such a power plant is very low, therefore they have not found wide application. He is known from the publication of Angelino G., Invernizzi C, Molteni G .: The potential role of bottoming Rankine cycles in steam power stations, Proc. Instn. Down. Engrs. 1999; Vol 213, part A: 75-81 a power plant system with an organic agent, in which steam from the steam turbine bleeds was used to supply the evaporator and the lower organic circuit heater. This solution is based on a single-source power supply to the power plant. He is known for his publication Bruhn M: Hybrid geothermal-fossil electricity generation from low enthalpy geothermal resources: geothermal feedwater preheating in conventional power plants, Energy 2002; 27: 329-346 a conventional steam power plant system with the possibility of co-supplying the working medium (water) heater with the energy of a geothermal water stream.

PL 205 383 B1PL 205 383 B1

Sposób zagospodarowania nisko i średniotemperaturowych źródeł oraz nośników ciepła według wynalazku poprzez wykorzystanie ich na sposób pracy charakteryzuje się tym, że stosuje się je w elektrowniach binarnych zawierają cych dwa obiegi robocze sprzężone termicznie ze sobą co najmniej jednym wymiennikiem ciepła. Istotą sposobu jest to, że nisko i/lub średniotemperaturowe źródła lub nośniki ciepła wykorzystuje się do podgrzania czynnika roboczego w obiegu dolnym elektrowni, przy czym jako czynnik roboczy w obiegu dolnym stosuje się substancję o małej wartości entalpii parowania i stosunkowo dużej entalpii podgrzewania, korzystnie czynnik organiczny. Na przykład R245ca, R245fa, R227ea, izobutan, butan. Korzystnie dobiera się czynniki organiczne w obiegu dolnym o temperaturze krytycznej wyższej od temperatury zagospodarowywanego źródła lub nośnika ciepła, korzystnie o 15-20 K. Czynniki organiczne cechują się korzystnymi właściwościami termodynamicznymi. Czynniki organiczne, z reguły nie mogą zastąpić wody w obiegu siłowni parowej w całym zakresie temperatur. Spowodowane jest to niezbyt wysokimi wartościami parametrów krytycznych substancji organicznych oraz innymi właściwościami eksploatacyjnymi i chemicznymi, na przykład temperatura rozkładu termicznego. W obiegu górnym jako czynnik roboczy stosuje się wodę, która jest podgrzewana paliwem kopalnym lub innym wysokotemperaturowym źródłem ciepła, na przykład wydzielającym się w wyniku spalania biomasy, odpadów. Obieg górny i obieg dolny łączy się wspólnym wymiennikiem typu skraplacz/parowacz, w którym następuje skraplanie czynnika roboczego obiegu górnego i odparowanie czynnika roboczego obiegu dolnego.The method of managing low and medium-temperature heat sources and carriers according to the invention by using them in the way of operation is characterized by the fact that they are used in binary power plants with two working circuits thermally coupled with at least one heat exchanger. The essence of the method is that low and / or medium-temperature heat sources or carriers are used to heat the working medium in the lower circuit of the power plant, while the working medium in the lower circuit is a substance with a low vaporization enthalpy value and a relatively high heating enthalpy, preferably organic. For example, R245ca, R245fa, R227ea, isobutane, butane. Preferably, organic factors are selected in the bottom cycle with a critical temperature higher than the temperature of the heat source or carrier being used, preferably by 15-20 K. Organic factors are characterized by favorable thermodynamic properties. Organic agents, as a rule, cannot replace the water in the cycle of the steam power plant over the entire temperature range. It is caused by not very high values of critical parameters of organic substances and other operational and chemical properties, for example thermal decomposition temperature. In the upper circuit, water is used as a working medium, which is heated with a fossil fuel or other high-temperature heat source, for example, produced by burning biomass, waste. The upper circuit and the lower circuit are connected with a common condenser / evaporator type exchanger, in which the upper circuit working medium is condensed and the lower circuit working medium is evaporated.

Sposób według wynalazku pozwala uzyskać bardzo efektywne zagospodarowanie znacznych ilości nisko i/lub średniotemperaturowych źródeł i nośników ciepła, na przykład energii odpadowej, geotermalnej, słonecznej i innych, użytych do podgrzewania czynnika w obiegu dolnym wynikający ze stosunkowo dużej wartości entalpii podgrzewania. Wpływa to także na zwiększenie ilości czynnika w obiegu dolnym spowodowanym małą wartoś cią entalpii parowania czynnika w tym obiegu. Sposób według wynalazku wpływa na znaczny przyrost mocy siłowni w porównaniu do mocy siłowni parowej wodnej, jednoczynnikowej oraz o wyższej sprawności niż w innych instalacjach. Układ według wynalazku zawierający dwa obiegi robocze, górny zbudowany z kotła, przegrzewacza, podgrzewacza, turbiny, pompy i wymiennika typu parowacza/skraplacza, poprzez który obieg górny jest sprzężony z obiegiem dolnym zbudowanym z podgrzewacza, pompy, turbiny, skraplacza charakteryzuje się tym, że podgrzewacz obiegu dolnego połączony jest ze strumieniem nośnika lub źródła ciepła nisko i/lub średniotemperaturowego z jednego lub wielu źródeł. Czynnikiem roboczym, w obiegu dolnym jest substancja o małej wartości entalpii parowania i stosunkowo dużej entalpii podgrzewania, korzystnie czynnik organiczny. Do kotła w obiegu górnym doprowadzone jest ciepło wysokotemperaturowe, na przykład wydzielającym się w wyniku spalania paliwa kopalnego, biomasy, odpadów, który podgrzewa, odparowuje i przegrzewa czynnik roboczy w obiegu górnym.The method according to the invention allows to obtain a very effective use of significant amounts of low and / or medium-temperature heat sources and carriers, for example waste, geothermal, solar and other energy, used to heat the medium in the lower cycle, resulting from a relatively high heating enthalpy value. It also increases the amount of refrigerant in the lower circuit, caused by the low value of the enthalpy of evaporation of the refrigerant in this circuit. The method according to the invention results in a significant increase in the power of the power plant compared to the power of a single-factor steam power plant and with higher efficiency than in other installations. The system according to the invention, containing two working circuits, the upper one consisting of a boiler, superheater, heater, turbine, pump and an evaporator / condenser type exchanger, through which the upper circuit is coupled with the lower circuit consisting of a heater, pump, turbine, and condenser, and is characterized by the fact that the brine heater is connected to a medium or low temperature heat source stream from one or more sources. The working medium in the bottom cycle is a substance with a low evaporative enthalpy and a relatively high heating enthalpy, preferably an organic medium. High-temperature heat, for example from burning fossil fuel, biomass, waste, is fed to the boiler in the upper circuit, which heats, evaporates and overheats the working medium in the upper circuit.

Rozwiązanie według wynalazku opisane jest w przykładzie wykonania oraz na rysunku przedstawiającym schemat ideowy układu siłowni binarnej o zasilaniu wieloźródłowym.The solution according to the invention is described in the embodiment and in the drawing showing a schematic diagram of a multi-source binary power plant system.

Elektrownia składa się z obiegu górnego (1), w którym czynnikiem roboczym jest woda oraz obiegu dolnego (2) z czynnikiem roboczym R245ca o niższej niż woda entalpii parowania. Ponieważ woda jest czynnikiem tak zwanym mokrym, kierowana jest do przegrzewacza (7) przed skierowaniem jej na turbinę parową (3). Czynnik roboczy w obiegu górnym po wypływie z turbiny jest skraplany w wymienniku typu skraplacz/parowacz (4) a następnie jest przetłaczany do odpowiednio wyższego ciśnienia w pompie (5). Podgrzewanie i odparowanie czynnika roboczego w obiegu górnym odbywa się w kotle (6). Czynnik roboczy w obiegu dolnym jest odparowywany w wymienniku typu skraplacz/parowacz (4) i kolejno kierowany jest na turbinę (8) następnie skraplacz (9) i kolejno pompę (10) i podgrzewacz czynnika (11). Obieg górny w całości zasilany jest energią pozyskaną ze spalania paliwa w kotle, natomiast obieg dolny zasilany jest jednym lub wieloma strumieniami będącymi nośnikami ciepła (12) geotermalnego o temperaturze 100°C. W obiegu górnym krąży 1 kg/s wody czemu odpowiada 13,76 kg/s czynnika R245ca. Całkowita sprawność elektrowni binarnej dla tego przypadku wynosi 38,63% i jest zbliżona do sprawności elektrowni konwencjonalnej - przy takich samych założeniach pracy. Pozwala to na zagospodarowanie 5,22 kg/s strumienia wody geotermalnej. Zagospodarowanie wody o takiej samej temperaturze w siłowni parowej jednoczynnikowej z czynnikiem organicznym pozwoliłoby uzyskać moc 45 kWel, co stanowi tylko 8,85% przyrostu mocy w obiegu binarnym, ze znacznie niższą sprawnością termiczną wynoszącą 14,74%.The power plant consists of an upper circuit (1) in which the working medium is water, and a lower circuit (2) with a working medium R245ca with a vaporization enthalpy lower than water. Since water is a so-called wet medium, it is directed to the superheater (7) before it is directed to the steam turbine (3). After leaving the turbine, the working medium in the upper circuit is condensed in the condenser / evaporator (4) exchanger and then it is forced to a suitably higher pressure in the pump (5). Heating and evaporation of the working medium in the upper circuit takes place in the boiler (6). The working medium in the lower circuit is evaporated in the condenser / evaporator (4) exchanger and then directed to the turbine (8), then the condenser (9), then the pump (10) and the medium heater (11). The upper circuit is fully supplied with the energy obtained from fuel combustion in the boiler, while the lower circuit is supplied with one or more streams being geothermal heat carriers (12) at a temperature of 100 ° C. 1 kg / s of water circulates in the upper circuit, which corresponds to 13.76 kg / s of R245ca. The total efficiency of the binary power plant for this case is 38.63% and is close to the efficiency of a conventional power plant - with the same operating assumptions. This allows for the management of 5.22 kg / s of geothermal water stream. The use of water at the same temperature in a single-factor steam power plant with an organic factor would allow to obtain a power of 45 kWel, which is only 8.85% of the power increase in the binary cycle, with a much lower thermal efficiency of 14.74%.

Claims

1. The method of managing low and medium-temperature heat sources and carriers by using them in the way of operation, characterized in that they are used to heat the working medium in the lower circuit of a binary power plant containing two working circuits thermally coupled with each other at least one heat exchanger, where a substance with a low evaporation enthalpy and relatively high heating enthalpy is used as the working medium in the lower circuit, preferably an organic medium, and a high-temperature heat source is used to heat, evaporate and overheat the working medium in the upper circuit.

2. The method according to p. The method of claim 1, characterized in that in the lower cycle, an organic medium is selected with a critical temperature higher than the temperature of the heat source or carrier being used, preferably by 15-20 K.

3. The method according to p. A process as claimed in claim 1, characterized in that water is used as the working medium in the upper circuit.

4. A system for the development of low and medium-temperature heat sources and carriers according to the mode of operation, including two working circuits, the upper one consisting of a boiler, superheater, heater, turbine, pump and an evaporator / condenser type exchanger, through which the upper circuit is coupled with the lower circuit constructed from a heater, pump, turbine, condenser, characterized in that the heater (11) of the lower cycle (2) is connected with a low and / or medium-temperature medium or heat source (12) stream from one or more sources, the working medium in the lower circuit is a substance with a low evaporation enthalpy value and a relatively high heating enthalpy, preferably an organic medium, and high-temperature heat is supplied to the boiler (6) in the upper circuit.