PL210568B1 - Siłownia parowa z wieloźródłowym zasilaniem - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest siłownia parowa z wieloźródłowym zasilaniem umożliwiająca zagospodarowanie nisko i średniotemperaturowych źródeł oraz nośników ciepła, wykorzystująca czynnik organiczny, jako czynnik roboczy w celu poprawienia efektywności pracy siłowni.

Znane są z literatury i praktycznych zastosowań różne sposoby poprawiania efektywności pracy siłowni parowej na przykład stosowanie przegrzewacza pary, regeneracyjne podgrzewanie czynnika roboczego, stosowanie upustów pary w turbinie. Są to rozwiązania powszechnie stosowane od ponad 100 lat. Innym sposobem poprawy efektywności pracy siłowni parowej jest stosowanie innego niż woda czynnika roboczego najczęściej czynnika organicznego - tego typu rozwiązania też stosowane są w praktyce szczególnie wtedy, gdy źródło ciepła charakteryzuje się niską lub średnią entalpią. Znane są także rozwiązania elektrowni binarnych z dwoma czynnikami roboczymi w obiegach sprzężonych ze sobą cieplnie łączące w sobie zalety elektrowni klasycznej z elektrownią z czynnikiem organicznym oraz pozwalające na przetwarzanie na prąd elektryczny nośników ciepła o temperaturach nawet do 120°C - co w przypadku elektrowni konwencjonalnej jest mało skuteczne. Z polskiego zgłoszenia patentowego nr P 380947 znany jest układ zawierający dwa obiegi robocze, górny zbudowany z kotł a, przegrzewacza, podgrzewacza, turbiny, pompy i wymiennika typu parowacza/skraplacza, poprzez który obieg górny jest sprzężony z obiegiem dolnym zbudowanym z podgrzewacza, pompy, turbiny, skraplacza. Układ 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.

Siłownia parowa według wynalazku zawierająca dwa obiegi czynników roboczych, pierwszy, zbudowany z kotła, turbogebnaratora, wymiennika typu skraplacz/parowacz, pompy, drugi, składający się z wymiennika typu skraplacz/parowacz, podgrzewacza, pompy, turbogeneratora, charakteryzuje się tym, że ma trzeci obieg o najniższym zakresie temperatur pracy, sprzężony cieplnie z drugim obiegiem roboczym poprzez wymiennik skraplacz/parowacz lub w drugiej wersji skraplacz/parowaczpodgrzewacz. Trzeci obieg w pierwszej wersji zbudowany jest z podgrzewacza, wymiennika typu skraplacz/parowacz, turbogeneratora, skraplacza i pompy. W drugiej wersji trzeci obieg zbudowany jest z wymiennika typu skraplacz/parowacz, skraplacza, pompy a zamiast turbogeneratora jest zawór rozprężny. W wyniku zastosowania zaworu rozprężnego strumień pracy nie ulega zamianie na prąd elektryczny tylko ulega rozproszeniu do otoczenia, dlatego nie ma zasadności stosowania dodatkowego podgrzewacza, który podwyższałby sprawność i moc tego obiegu.

W wszystkich trzech obiegach czynniki robocze s ą tak dobrane, aby speł niał y one aktualne wymagania pod kątem ich właściwości ekologicznych, eksploatacyjnych i fizjologicznych. W pierwszym- górnym obiegu czynnik roboczy musi mieć wysoką temperaturę krytyczną, takim czynnikiem jest woda. Czynnik roboczy w drugim - środkowym obiegu musi charakteryzować się małą entalpią parowania, w stosunku do entalpii parowania wody, oraz odpowiednio dużą entalpią podgrzewania czynnika, w stosunku do entalpii parowania, co pozwala uzyskać duży strumień czynnika w obiegu środkowym. Czynnik w trzecim - dolnym obiegu charakteryzuje się odpowiednio dużą entalpią parowania przy niskich temperaturach w wyniku, czego uzyskuje się zmniejszenie strumienia czynnika krążącego w obiegu dolnym, a co za tym idzie zmniejszenie się strumienia odprowadzanego ciepła do otoczenia. Ważną cechą jest także stabilność termiczna w szerokim zakresie temperatur. Takie cechy posiadają substancje organiczne. W pierwszym - górnym obiegu ciepło wysokotemperaturowe jest efektywne przetwarzane na prąd elektryczny. Zadaniem drugiego - środkowego obiegu jest wysokosprawne przetwarzanie ciepła średniotemperaturowego na prąd elektryczny z możliwością zagospodarowania dużych ilości tego rodzaju nośnika ciepła. Zastosowanie trzeciego - dolnego obiegu pozwala znacznie zmniejszyć rozmiar skraplacza siłowni parowej poprzez zmniejszeniu strumienia odprowadzanego ciepła do otoczenia. W tym obiegu ewentualnie może być także produkowany prąd elektryczny, ale każdorazowo należy rozważyć opłacalność tego zabiegu. Obieg górny w całości zasilany jest energią pozyskaną ze spalania paliwa w kotle, natomiast obieg środkowy i dolny zasilany jest jednym lub wieloma strumieniami będącymi nośnikami ciepła geotermalnego i/lub odpadowego i/lub

PL 210 568 B1 parą z upustu w turbinie parowej wodnej lub innymi lub ostatecznie z możliwością dodatkowego zasilania energią z kotła.

W wyniku zastosowania siłowni trinarnej uzyskuje się znaczne zwiększenie mocy oraz wzrost sprawności siłowni w porównaniu do rozwiązań klasycznych. Zastosowanie trzeciego - dolnego obiegu pozwala znacznie zmniejszyć rozmiar skraplacza siłowni parowej poprzez zmniejszeniu strumienia odprowadzanego ciepła do otoczenia. Rozwiązanie według wynalazku wpływa na znaczny przyrost mocy oraz poprawę sprawności w porównaniu do mocy i sprawności siłowni parowej wodnej jednoczynnikowej.

Rozwiązanie według wynalazku opisane jest w przykładach wykonania i na rysunkach, na których fig. 1 przedstawia schemat blokowy siłowni parowej, w której trzeci - dolny obieg wyposażony jest w turbogenerator, fig. 2 przedstawia schemat blokowy sił owni parowej, w której trzeci - dolny obieg wyposażony jest w zawór rozprężny.

P r z y k ł a d 1

Siłownia składa się z trzech obiegów czynników roboczych: pierwszego - górnego obiegu 1, drugiego - środkowego obiegu 6, trzeciego - dolnego obiegu 9. Czynnik roboczy, w postaci wody, w obiegu górnym 1 po wypływie z turbogeneratora 2 jest skraplany w wymienniku skraplacz/parowacz 4, a następnie jest przetłaczany do odpowiednio wyższego ciśnienia w pompie 5. Podgrzewanie, odparowanie i przegrzewanie czynnika roboczego w obiegu górnym 1 odbywa się w kotle 6. Czynnik roboczy w obiegu środkowym 6 jest odparowywany w wymienniku typu skraplacz/parowacz 4 i kolejno kierowany jest na turbogenerator 7 następnie skraplacz 8 i kolejno pompę 11 i podgrzewacz czynnika 10. Obieg dolny 9 sprzężony jest cieplnie z obiegiem środkowym 6 poprzez wymiennik typu parowacz-skraplacz 8. Czynnik w obiegu dolnym 9 po odparowaniu w wymienniku 8 kierowany jest do turbogeneratora 12 i kolejno do skraplacza 13 chłodzonego czynnikiem chłodzącym- powietrzem 17. Czynnik roboczy po skropleniu kierowany jest do pompy obiegowej 15 a następnie do podgrzewacza 14. Obieg górny w całości zasilany jest energią pozyskaną ze spalania paliwa w kotle 3 natomiast obieg środkowy 6 i dolny 9 zasilany jest strumieniem będącym nośnikiem ciepła 16 i 18 geotermalnego.

W tabeli zestawiono wyniki obliczeń siłowni trinarnych przedstawionych w przykładzie 1 z różnymi zestawami czynników roboczych w obiegach górnym, środkowym i dolnym oraz z różnymi temperaturami skraplania/ parowania w wymiennikach 4 i 8 oraz 4 i 20. Wyniki te odniesiono do klasycznej elektrowni jednoczynnikowej wodnej o mocy 32,1 MW i sprawności 37,02%. Założono, że wszystkie elektrownie pracują w takich samych warunkach doprowadzania i odprowadzania ciepła.

T a b e l a

Lp	Czynnik w obiegu górnym (1)	Temperatura skraplania/ /parowania w wymienniku (4) [°C]	Czynnik w obiegu środkowym (6)	Temperatura skraplania/parowania w wymienniku (8) [°C]	Czynnik w obiegu dolnym (9)	Przyrost mocy	Sprawność termiczna elektrowni trinarnej %
MW	%
1	woda	132/130	heksan	65/63	benzen	2,42	7,54	34,52
2	woda	148/146	heksan	90/88	benzen	3,19	9,94	35,29
3	woda	148/146	R141b	90/88	izo butan	2,22	6,92	34,32
4	woda	132/130	R245ca	65/63	heksan	2,99	9,16	35,04
5	woda	132/130	R245ca	109/107	heksan	3,64	11,34	35,74
6	woda	148/146	R245ca	90/88	heksan	7,19	22,40	39,29
7	woda	148/146	cis buten	90/88	toluen	3,05	9,50	38,13

Z przedstawionej tabeli przykładowych obliczeń wynika, że na efektywność pracy elektrowni trinarnej poza doborem zastosowanych czynników organicznych siłowni środkowej i dolnej mają wpływ także przyjęte temperatury w wymiennikach typu skraplacz/parowacz, które każdorazowo powinny być dostosowywane do temperatur górnego i dolnego źródła ciepła oraz przyjętych czynników roboczych.

P r z y k ł a d 2

Siłownia jak w przykładzie pierwszym, z tym, że w trzecim - dolnym obiegu 9 zamiast turbogeneratora 12 stosuje się zawór rozprężny 19. W wyniku zastosowania zaworu rozprężnego 19 strumień

PL 210 568 B1 pracy nie ulega zamianie na prąd elektryczny tylko ulega rozproszeniu do otoczenia, dlatego nie ma zasadności stosowania dodatkowego podgrzewacza 14, który podwyższałby sprawność i moc tego obiegu. Rozwiązanie takie pozwala na znaczne zredukowanie powierzchni skraplacza 13. Obieg górny w całości zasilany jest energią pozyskaną ze spalania paliwa w kotle 3 natomiast obieg środkowy 6 zasilany jest strumieniem będącym nośnikiem ciepła odpadowego 16.

P r z y k ł a d 3

Siłownia jak w przykładzie 2, z tym, że obieg środkowy 6 zasilany jest strumieniem będącym nośnikiem ciepła parą z upustu z turbinie parowej 2 lub 7.

Claims (3)

1. Siłownia parowa z wieloźródłowym zasilaniem zawierająca dwa obiegi czynników roboczych, pierwszy, zbudowany z kotła, turbogeneratora, wymiennika typu skraplacz/parowacz, pompy, drugi, składający się z wymiennika typu skraplacz/parowacz podgrzewacza, pompy, turbogeneratora, wymiennika typu skraplacz/parowacz, znamienna tym, że ma trzeci obieg (9) o najniższym zakresie temperatur pracy, sprzężony cieplnie z drugim obiegiem (6) roboczym poprzez wymiennik skraplacz/parowacz (8), przy czym trzeci obieg (9) zbudowany jest z podgrzewacza (14), wymiennika typu skraplacz/parowacz (8), turbogeneratora (12) skraplacza (13), pompy (15), lub sprzężony cieplnie poprzez skraplacz/podgrzewaczparowacz (20), przy czym trzeci obieg (9) zbudowany jest z wymiennika typu skraplacz/podgrzewaczparowacz (20), zaworu rozprężnego (19), skraplacza (13), pompy (15).

2. Siłownia według zastrz. 1, znamienna tym, że w pierwszym obiegu (1) czynnik roboczy ma wysoką temperaturę krytyczną w drugim obiegu (6) czynnik roboczy ma małą entalpią parowania, w stosunku do entalpii parowania wody, oraz odpowiednio dużą entalpią podgrzewania czynnika, w stosunku do entalpii parowania, zaś w trzecim obiegu (9) czynnik roboczy ma odpowiednio dużą entalpią parowania przy niskich temperaturach.

3. Siłownia według zastrz. 1, znamienna tym, że czynnikiem roboczym w pierwszym obiegu (1) jest woda, zaś czynnikami roboczymi w drugim obiegu (6) i trzecim obiegu (9) są substancje organiczne.