PL218166B1 - Organiczna siłownia parowa zasilana z wielu źródeł i sposób pracy organicznej siłowni parowej zasilanej z wielu źródeł - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest organiczna siłownia parowa zasilana z wielu źródeł i sposób pracy organicznej siłowni parowej zasilanej z wielu źródeł. Siłownia pracuje na organicznym czynniku roboczym.

Powszechnie znane są siłownie jednoobiegowe z organicznym czynnikiem roboczym oraz siłownie binarne z organicznym czynnikiem roboczym o dwóch obiegach - dolnym i górnym. Znany jest z polskiego zgłoszenia wynalazku P 393851 znany jest parowacz do siłowni z organicznym czynnikiem obiegowym, wyposażony w obudowę, wlot, wylot i kanały nośnika energii, wlot, wylot i kanały strumienia cieczy organicznej, który wyposażony jest w wewnętrzną cyrkulacyjną pompę nośnika energii. Z polskiego opisu wynalazku P 380175 znany jest sposób zwiększania mocy siłowni z czynnikiem organicznym polegający na zwiększaniu wartości strumienia czynnika roboczego, gdzie zawraca się strumień nośnika ciepła z przewodu wylotowego bezpośrednio za parowaczem do przewodu dolotowego przed parowaczem. Z opisu patentowego PL 205383 znany jest sposób zagospodarowania nisko i średniotemperaturowych źródeł oraz nośników ciepła poprzez wykorzystanie ich na sposób pracy, gdzie stosuje się je do podgrzania czynnika roboczego w obiegu dolnym elektrowni binarnej zawierającej dwa obiegi robocze sprzężone termicznie ze sobą co najmniej jednym wymiennikiem ciepła. Jako czynnik roboczy w obiegu dolnym stosuje się substancję o małej wartości entalpii parowania i stosunkowo dużej entalpii podgrzewania, korzystnie czynnik organiczny. Do podgrzania, odparowania i przegrzania czynnika roboczego w obiegu górnego stosuje się wysokotemperaturowe źródło ciepła. Natomiast układ, znany z tego samego opisu patentowego, zawiera dwa obiegi robocze, górny zbudowany z kotła, przegrzewacza, podgrzewacza, turbiny, pompy i wymiennika typu skraplacz//parowacz, poprzez który obieg górny jest sprzężony z obiegiem dolnym zbudowanym z podgrzewacza, pompy, turbiny, skraplacza, gdzie 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, zaś do kotła w obiegu górnym doprowadzone jest ciepło wysokotemperaturowe.

Organiczna siłownia parowa zasilana z wielu źródeł, według wynalazku, z obiegiem nośnika energii i zamkniętym obiegiem czynnika roboczego, zawierająca parowacz połączony z podgrzewaczem i turbogeneratorem, który połączony jest ze skraplaczem, zaś pomiędzy skraplaczem a podgrzewaczem znajduje się pompa czynnika roboczego. Istota wynalazku polega na tym, że obieg czynnika roboczego zawiera połączone ze sobą równolegle co najmniej dwa układy podgrzewaczparowacz z wewnętrzną cyrkulacyjną pompą nośnika energii. Układy podgrzewacz-parowacz połączone są z jednym, wspólnym turbogeneratorem i skraplaczem. Wynalazek polega na dodatkowym równoległym włączeniu kolejnych parowaczy i podgrzewaczy do siłowni jednoobiegowej. Ilość układów podgrzewacz-parowacz może być dowolna. W efekcie powstaje siłownia, w której wytwarzana para nasycona sucha z wszystkich parowaczy zasila jedną turbinę parową napędzającą generator prądu elektrycznego. Każdy z układów podgrzewacz-parowacz połączony jest ze źródłem ciepła. Ilość strumieni nośników energii jest równa ilości źródeł energii. W obiegu nośnika energii źródło ciepła połączone jest z parowaczem z wewnętrzną cyrkulacyjną pompą nośnika energii, który połączony jest z podgrzewaczem, połączonym z pompą, a następnie ze źródłem ciepła. Korzystnie parowacz połączony jest z odbiornikiem technologicznym.

Sposób pracy organicznej siłowni parowej zasilanej z wielu źródeł, według wynalazku, polegający na odbieraniu z nośnika energii ciepła w parowaczu przez organiczny czynnik roboczy, charakteryzuje się tym, że czynnik roboczy kieruje się równocześnie na co najmniej dwa układy podgrzewaczparowacz z wewnętrzną cyrkulacyjną pompą nośnika energii. Każdy z co najmniej dwóch parowaczy z wewnętrzną cyrkulacyjną pompą nośnika energii zasila się innym nośnikiem ciepła. Źródła ciepła zasilające siłownię mogą różnić się zarówno temperaturą nośnika energii, jak również samym rodzajem nośnika energii (woda, olej termalny, spaliny itp.). Dobiera się tak obroty każdej z wewnętrznych cyrkulacyjnych pomp nośnika energii aby wypływająca z każdego parowacza para organicznego czynnika roboczego miała identyczną temperaturę. Następnie czynnik roboczy o jednakowej temperaturze kieruje się na wspólny turbogenerator. Rozprężanie pary czynnika roboczego następuje na jednym turbogeneratorze. Siłownia pracuje prawidłowo jeżeli czynnik roboczy opuszczający każdy z parowaczy ma taką samą temperaturę, co uzyskuje się dzięki odpowiedniemu doborowi wartości współczynników cyrkulacji wewnętrznej, powiązanych z obrotami wewnętrznych pomp cyrkulacyjnych, jak

PL 218 166 B1 również poprzez zapewnienie odpowiednich spadków temperatur w parowaczach. Nośnik energii zawraca się przez podgrzewacz do źródła zasilania, z którego został dostarczony. Nośnik energii z parowacza kieruje się do odbiornika technologicznego.

Zaleta proponowanego rozwiązania jest możliwość dostosowywania temperatury nośnika powracającego do źródeł ciepła. Dodatkowo rozwiązanie pozwala na zasilanie siłowni z wielu źródeł ciepła, których nośniki ciepła charakteryzujące się różnymi temperaturami nie mogą się ze sobą mieszać, ponieważ poszczególne nośniki energii przesyłane są w osobnych obiegach, a następnie są zawracane do źródła ciepła.

Poprzez zastosowanie odpowiedniej charakterystyki pracy poszczególnych parowaczy uzyskuje się wymagane temperatury nośników energii przed i za poszczególnymi źródłami ciepła. Dzięki temu zabiegowi, po uzyskaniu jednakowych temperatur czynnika roboczego (pary nasyconej suchej), uzyskuje się różne wymagane temperatury strumieni nośników energii opuszczających parowacze i podgrzewacze.

Rozwiązanie jest bliżej przedstawione w poniższych przykładach wykonania i na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat organicznej siłowni zasilanej z trzech źródeł, fig. 2 przedstawia schemat organicznej siłowni zasilanej i-tą ilością źródeł ciepła.

P r z y k ł a d 1

Organiczna siłownia parowa zasilana z trzech źródeł, z obiegiem nośnika energii i zamkniętym obiegiem czynnika roboczego z czynnikiem R227ea. W obiegu czynnika roboczego podgrzewacz 31 połączony jest z parowaczem 11 z wewnętrzną cyrkulacyjną pompą 21 nośnika energii. Z drugiej strony parowacz 11 połączony jest z turbogeneratorem 4, który połączony jest ze skraplaczem 5. Pomiędzy skraplaczem 5 a podgrzewaczem 31 znajduje się pompa czynnika roboczego 61. W obiegu nośnika energii źródło ciepła 71 połączone jest z parowaczem 11, który połączony jest z podgrzewaczem 31. Pomiędzy podgrzewaczem 31 a źródłem ciepła 71 znajduje się pompa 81. Obieg nośnika energii powtórzony jest jeszcze dwukrotnie, czyli do siłowni jednoobiegowej dołączone są parowacze 12, 13 odpowiednio z pompą cyrkulacyjną 22, 23 oraz podgrzewacze 32, 33. Kolejne układy podgrzewacz 32, 33parowacz 12, 13 połączone są z podgrzewaczem 31 i parowaczem 11 siłowni jednoobiegowej równolegle. Dodatkowe obiegi zasilane są odpowiednio kolejnymi źródłami ciepła 72, 73. Nośnikami energii ze źródeł ciepła 71, 72, 73 są strumienie wody sieciowej, których temperatury przed i za źródłami ciepła są różne. Po ekspansji parę czynnika roboczego, opuszczająca turbinę parową turbogeneratora 4 kieruje się do skraplacza 5, w którym po schłodzeniu następuje jej skroplenie. Ciecz czynnika roboczego rozdziela się na trzy strumienie. Przy pomocy pompy 61 kieruje się ją do podgrzewacza 31, przy pomocy pompy 62 do podgrzewacza 32, przy pomocy pompy 63 do podgrzewacza 33. Następnie czynnik roboczy podawany jest do odpowiednich parowaczy 11, 12, 13, w których ponownie następuje odparowanie tego czynnika. Następnie czynnik roboczy o jednakowej temperaturze opuszcza poszczególne parowacze 11, 12, 13 i kieruje się do turbogeneratora 4. Pierwszy nośnik energii z pierwszego źródła ciepła 71 kieruje się do pierwszego parowacza 11, drugi nośnik energii z drugiego źródła ciepła 72 kieruje się do drugiego parowacza 12, a trzeci nośnik z trzeciego źródła 73 kieruje się do trzeciego parowacza 1₃. W każdym z parowaczy 1₁, 1₂, 1₃ współczynnik cyrkulacji φ·, φ₂, φ₃ a tym samym obroty pompy 21, 22, 23 dobiera się tak, aby cyrkulujące w nich nośniki energii podgrzały organiczny czynnik roboczy (strumień pary nasyconej) do jednakowej temperatury (ciśnienie również jest jednakowe). W poniższych tabelach podano wartości współczynników cyrkulacji φ, dla poszczególnych parowaczy. Współczynnik cyrkulacji zdefiniowano, jako stosunek strumienia zawracanego w parowaczu Am_sl do początkowej wartości strumienia nośnika ciepła msi Połączony strumień pary nasyconej suchej z wszystklch parowaczy (11) mt można określić za pomocą następującej zależności:

n m,=£mi i=t gdzie n oznacza ilość nośników energii zasilających siłownię, a ml oznacza strumień pary produkowany w l-tym parowaczu (1l). Po obniżeniu swojej temperatury w parowaczach 11, 12, 13 nośniki energii kieruje się na odpowiednie podgrzewacze 31, 32, 33, Opuszczające podgrzewacze 31, 32, 33 nośniki energii łączą się ze strumieniem tych nośników opuszczających odpowiednie parowacze 11,12,13 i za pośrednictwem odpowiednich pomp 81, 82, 83 zawraca się je do źródeł ciepła 71, 72, 73.

W tabeli podane zostały parametry charakteryzujące poszczególne źródła ciepła tj.: strumienie wody sleclowej oraz ich temperatury przez i za źródłami ciepła. Podano także wielkości opisujące charakterystykę pracy parowaczy, którą określają takie wielkości jak niżej podane różnice temperatur:

PL 218 166 B1

Δ^τ 1 ^Tsi ^{- T}par ΔΤ2 = T_s ^Cj² - Tpar

T a b e l a 1

Parowacz nr	Charakterystyka parowacza	Parametry układu
Tsi/TsC1	ΔΤ1/ΔΤ2	φι	Tpar	mi	Nc-r	Hc-r	Qdo	msi	msi	Tsi'
°C	K	-	°C	kg/s	kW	%	kW	kg/s	kg/s	°C
1i	105/83	13/3	1,2	80	1,35	20,13	11,18	180,00	0,42	0,58	61,91
12	110/87	17/7	1,3	80	1,42	21,17	11,18	189,38	0,44	0,56	64,90
13	115/90	20/10	1,5	80	1,54	22,96	11,18	205,39	0,48	0,52	65,90
	Siłownia ORC	4,31	64,26	11,18	574,77

P r z y k ł a d 2

Siłownia wykonany analogicznie jak w przykładzie 1, przy czym jako czynnik roboczy stosuje się czynnik R236fa. W poniższej tabeli przedstawiono parametry pracy układu siłowni.

T a b e l a 2

Parowacz nr	Charakterystyka parowacza	Parametry układu
Tsi/TsC1	ΔΤ1/ΔΤ2	φί	Tpar	mi	Nc-r	Hc-r	Qdo	msi	msi	Tsi'
°C	K	-	°C	kg/s	kW	%	kW	kg/s	kg/s	°C
11	105/83	13/3	1,2	80	0,87	17,76	11,73	151,35	0,28	0,72	68,84
12	110/87	17/7	1,3	80	0.91	18,58	11,73	158,31	0,29	0,71	72,33
13	115/90	20/10	1,5	80	0,99	20,21	11,73	172,23	0,32	0,68	73,81
	Siłownia ORC	2,77	5655	11,73	481,89

P r z y k ł a d 3

Siłownia wykonany analogicznie jak w przykładzie 1, przy czym jako czynnik roboczy stosuje się czynnik R142b. W poniższej tabeli przedstawiono parametry pracy układu siłowni.

T a b e l a 3

Parowacz nr	Charakterystyka parowacza	Parametry układu
Tsi/TsC1	ΔΤ1/ΔΤ2	φi	Tpar	mi	Nc-r	Hc-r	Qdo	msi	msi	Tsi'
°C	K	-	°C	kg/s	kW	%	kW	kg/s	kg/s	°C
11	105/83	13/3	1,2	80	0,59	16,49	12,37	133,30	0,20	0,80	72,9
12	110/87	17/7	1,3	80	0,62	17,33	12,37	141,10	0,20	0,80	76,9
13	115/90	20/10	1,5	80	0,67	18,73	12,37	151,38	0,22	0,78	78,9
	Siłownia ORC	1,88	52,55	12,37	425,78

P r z y k ł a d 4

Siłownia wykonana analogicznie jak w przykładzie 1, przy czym w obiegach nośników energii w liczbie i-tej dodano dodatkowo za parowaczami i podgrzewaczami, a przed źródłami ciepła, odbiorniki technologiczne. Nadwyżka nośnika energii opuszczającego parowacz 1i kieruje się do odbiornika technologicznego 9i lub bezpośrednio miesza się ze strumieniem opuszczającym podgrzewacz 3i. Strumienie nośników energii opuszczające odbiorniki technologiczne 9i łączą się ze strumieniami nośników ciepła opuszczających podgrzewacze 3i.

Claims (6)

1. Organiczna siłownia parowa zasilana z wielu źródeł, z obiegiem nośnika energii i zamkniętym obiegiem czynnika roboczego, zawierająca parowacz połączony z podgrzewaczem i turbogeneratorem, który połączony jest ze skraplaczem, zaś pomiędzy skraplaczem a podgrzewaczem znajduje się pompa czynnika roboczego, znamienna tym, że obieg czynnika roboczego zawiera połączone ze sobą równolegle co najmniej dwa układy podgrzewacz (3i) - parowacz (1i) z wewnętrzną cyrkulacyjną pompą (2i) nośnika energii i połączone ze wspólnym turbogeneratorem (4) i skraplaczem (5), przy czym każdy układ podgrzewacz (3i) - parowacz (1i) połączony jest ze źródłem ciepła (7i).

2. Organiczna siłownia parowa według zastrz. 1, znamienna tym, że w obiegu nośnika energii źródło ciepła (7i) połączone jest z parowaczem (1i) z wewnętrzną cyrkulacyjną pompą (2i) nośnika energii, który połączony jest z podgrzewaczem (3i), połączonym z pompą (8i) a następnie ze źródłem ciepła (7i).

3. Organiczna siłownia parowa według zastrz. 2, znamienna tym, że parowacz (1i) połączony jest z odbiornikiem technologicznym (9i).

4. Sposób pracy organicznej siłowni parowej zasilanej z wielu źródeł polegający na odbieraniu z nośnika energii ciepła w parowaczu przez organiczny czynnik roboczy, znamienny tym, że czynnik roboczy kieruje się równocześnie na co najmniej dwa układy podgrzewacz (3i) - parowacz (1i) z wewnętrzną cyrkulacyjną pompą (2i) nośnika energii, zaś każdy z co najmniej dwóch parowaczy (1i) z wewnętrzną cyrkulacyjną pompą (2i) nośnika energii zasila się innym nośnikiem ciepła, przy czym dobiera się tak obroty każdej z wewnętrznych cyrkulacyjnych pomp (2i) nośnika energii aby wypływający z każdego układu podgrzewacz (3i) - parowacz (1i) czynnik roboczy miał identyczną temperaturę, a następnie czynnik roboczy o jednakowej temperaturze kieruje się na wspólny turbogenerator (4).

5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że nośnik energii zawraca się przez podgrzewacz do źródła zasilania (7i).

6. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że nośnik energii z parowacza (1i) kieruje się do odbiornika technologicznego (9i).