PL229331B1 - Układ skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i podgrzewania wody, zasilany z odnawialnych źródeł energii - Google Patents

Abstract

Układ zawiera niskotemperaturowe ujęcie wody geotermalnej (A), połączone z wymiennikami ciepła (2, 20), blok podgrzewania wody (B) z zespołem kilku sprężarkowych pomp ciepła (5), których szeregowo połączone parowniki (4) zasilane są ciepłem wody geotermalnej, a szeregowo połączone skraplacze (6) z instalacją centralnego ogrzewania (C). Kierunki przepływów czynnika roboczego przez parowniki (4) i wody przez skraplacze (6) są przeciwnie skierowane. Ponadto w instalację elektryczną układu włączone są generatory energii elektrycznej napędzane z innych odnawialnych źródeł energii (8, 9). Istota wynalazku polega na tym, że ujęcie wody geotermalnej (A) połączone jest z pierwszym dzielnikiem strumienia (19), który jedną gałęzią zasila wymiennik ciepła włączony w funkcji parownika (2) w blok absorpcyjnej, dwuczynnikowej elektrowni binarnej (DORC), bazującej na obiegu porównawczym Clausiusa - Rankinéa, a drugą gałęzią przez wymiennik ciepła (20) zasila parowniki (4) zespołu sprężarkowych pomp ciepła (5) bloku podgrzewania wody (B). Na gałęzi między wymiennikiem ciepła (20) i parownikami (4) zabudowany jest drugi dzielnik strumienia (19a), połączony z wylotem czynnika roboczego ze skraplacza (3) elektrowni binarnej (DORC). Blok elektrowni binarnej (DORC) ma układ urządzeń (2, 3, 16, 17), realizujących cykl organicznego obiegu Rankinéa ORC albo obiegu Kalina.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i podgrzewania wody, zasilany z odnawialnych źródeł energii, przeznaczony dla zaspakajania potrzeb energetycznych obiektów komunalnych i użyteczności publicznej w rejonie występowania kilku źródeł odnawialnej energii, zwłaszcza wody geotermalnej o niskiej i średniej entalpii i temperaturach w zakresie od 20 do 180°C.

Znany z polskiego opisu patentowego nr PL 186 747 układ podgrzewania wody geotermalnej dla instalacji centralnego ogrzewania posiada zestaw kilku sprężarkowych pomp ciepła, których szeregowo połączone parowniki czynnika roboczego zasilane są przez wymiennik ciepłem wody geotermalnej, a szeregowo połączone skraplacze tych pomp z instalacją centralnego ogrzewania. Kierunki przepływów czynnika roboczego przez parowniki i wody przez skraplacze są przeciwnie skierowane. Rozwiązanie z tak połączonym zespołem pomp ciepła optymalizuje warunki przejmowania ciepła, z korzystnym - dla ogólnej sprawności transformacji - niewielkim zróżnicowaniem temperatur cieczy roboczej w każdej pompie, co pozwala na optymalny dobór parametrów pracy każdej pompy. Ponadto, układ zawierać może generatory energii elektrycznej napędzane z innych odnawialnych źródeł, przykładowo energii wiatru, promieniowania słonecznego, spadku wody, włączone w instalację elektryczną zasilania odbiorników układu i w państwową sieć elektroenergetyczną. W korzystnych warunkach układ pozwala uzyskać samowystarczalność zapotrzebowania na energię elektryczną przy wymaganym ogrzewaniu pomieszczeń w niskich temperaturach otoczenia.

Znane są również rozwiązania elektrowni geotermalnych bazujących na absorpcyjnym, dwuczynnikowym obiegu porównawczym Clausiusa-Rankinea, realizowanym zarówno w układzie organicznego cyklu Rankinea ORC, jak i jego modyfikacji według cyklu Kalina. Woda geotermalna oddaje ciepło w parowniku organicznej cieczy niskowrzącej o znacznie niższej od wody temperaturze wrzenia, przykładowo są to oleje syntetyczne, freony, alkany: izobutan i izopentan. Pary cieczy niskowrzącej skierowane zostają do turbiny parowej połączonej z generatorem prądu elektrycznego, gdzie następuje zamiana energii strumienia par cieczy niskowrzącej na energię mechaniczną ruchu obrotowego wirnika. Obieg Rankinea ORC składa się z procesów izentropowego rozprężania pary w turbinie parowej, izobarycznego skraplania rozprężonej pary w skraplaczu, izentropowego pompowania kondensatu oraz przegrzania w parowniku - gdzie ponownie rozpoczyna się cykl o układzie zamkniętym. W obiegu Kaliny cieczą niskowrzącą jest mieszanina amoniaku z wodą, przy której występujący wzrost temperatury podczas wrzenia stanowi o wyższej sprawności tego obiegu, W układzie Kalina występują dodatkowe człony: destylacyjny przegrzewasz fazy ciekłej i absorpcyjny separator fazy gazowej. Elektrownia geotermalna wykorzystująca obieg Rankinea ORC przedstawiona jest między innymi w opisie nr WO 2011 073 469, a elektrownie pracujące według cyklu Kalina w opisach nr US 5 029 444, nr JP 2000 199 408, nr CN 102 338 047 i nr CN 203 348 019 U. Układy elektrowni geotermalnych często wspomagane są pracą innych odnawialnych źródeł energii elektrycznej: promieniowania słonecznego, wiatru, hydroelektrowni, biopaliw i ciepła odpadowego.

Zadaniem niniejszego wynalazku jest opracowanie układu energetycznego zasilanego głównie energią geotermalną, pozwalającego na optymalne dostosowanie do aktualnie występujących zapotrzebowań na energię ciepłej wody i elektryczną oraz którego bilans energetyczny wykazuje sprawność zapewniającą co najmniej samowystarczalność procesu przetwarzania energii.

Podobnie jak w powyżej opisanych rozwiązaniach, układ według wynalazku zawiera nisko- lub średniotemperaturowe ujęcie wody geotermalnej połączone z wymiennikami ciepła, blok podgrzewania wody z zespołem kilku sprężarkowych pomp ciepła, których szeregowo połączone parowniki czynnika roboczego zasilane są ciepłem wody geotermalnej, a szeregowo połączone skraplacze z instalacją centralnego ogrzewania, przy czym kierunki przepływów czynnika roboczego przez parowniki i wody przez skraplacze są przeciwnie skierowane. Ponadto, układ zawiera generatory energii elektrycznej napędzane z innych odnawialnych źródeł energii, włączone w instalację elektryczną zasilania odbiorników w blokach układu i połączoną z państwową siecią elektroenergetyczną.

Istota wynalazku polega na tym, że ujęcie wody geotermalnej połączone jest z pierwszym regulowanym trójdrogowym dzielnikiem strumienia, który jedną gałęzią zasila wymiennik ciepła włączony w funkcji parownika w blok absorpcyjnej, dwu czynnikowej elektrowni binarnej bazującej na obiegu porównawczym Clausiusa-Rankinea, a drugą gałęzią przez wymiennik ciepła zasila parowniki zespołu sprężarkowych pomp ciepła bloku podgrzewania wody, przy czym na gałęzi między tym wymiennikiem

PL 229 331 Β1 ciepła i parownikami zabudowany jest drugi regulowany trójdrogowy dzielnik strumienia połączony z wylotem czynnika roboczego ze skraplacza elektrowni binarnej.

Korzystnie, blok elektrowni binarnej ma układ urządzeń realizujących cykl organicznego obiegu Rankinea ORC albo obiegu Kalina.

Korzystnym jest wykonanie, w którym między przewód zasilający który łączy skraplacze sprężarkowych pomp ciepła z instalacją centralnego ogrzewania i przewód spływowy wody z instalacji centralnego ogrzewania - włączony jest równolegle kocioł grzewczy (13) zasilany biopaliwem.

Korzystnym jest również, gdy na przewodzie zasilającym za przyłączem kotła grzewczego zabudowany jest sterowany zawór „LUB”, połączony z instalacją centralnego ogrzewania i z warnikiem absorpcyjnej chłodziarki wody lodowej dla instalacji klimatyzacyjnej.

W warunkach szczególnie dużego zapotrzebowania energii korzystnym jest gdy w instalację elektryczną układu włączone są równolegle odnawialne źródła energii elektrycznej: elektrownie wiatrowe i baterie fotowoltaiczne oraz hydroelektrownia zabudowana na gałęzi spływowej wody geotermalnej z parownika absorpcyjnego bloku elektrowni binarnej.

Rozwiązanie według wynalazku przedstawione jest opisem przykładowego wykonania układu przedstawionego na rysunku schematem połączeń poszczególnych urządzeń. Figura 1 pokazuje schemat całego układu wytwarzania energii elektrycznej i podgrzewania wody, z blokiem elektrowni binarnej zrealizowanym w obiegu ORC, natomiast fig. 2 przedstawia blok elektrowni binarnej obiegu Kalina, który przy takich samych pozostałych połączeniach układu wbudowany jest zamiast obiegu ORC w drugim przykładowym wykonaniu układu. Na schemacie połączenia w poszczególnych blokach i instalacjach oznaczone są liniami:

grubą ciągłą - woda geotermalna, jednopunktową cienką - czynnik roboczy pomp ciepła, dwupunktową cienką - ciecz niskowrząca elektrowni binarnej, grubą kreskową - woda podgrzana, cienką kreskową - przewody elektryczne, natomiast zestawy urządzeń stanowiących bloki i instalacje wyznaczone są przez objęcie prostokątami linii jednopunktowych cienkich.

Podstawowym źródłem przetwarzanej w układzie energii jest niskotemperaturowe ujęcie wody geotermalnej A o parametrach: T = 80 [°C], V = 500 [m³/h], p = 0,3 [MPa], M = 3-150 [mg/dm³], temperatura powrotu do złoża T_P = 10 [°C]. Ujęcie wody geotermalnej A połączone jest przez pierwszy regulowany trójdrogowy dzielnik strumienia 19 z blokiem absorpcyjnej, dwuczynnikowej elektrowni binarnej Dorc oraz z blokiem podgrzewania wody B. Strumień wody geotermalnej zostaje w pierwszym dzielniku 19 rozdzielony według sygnału z nieuwidocznionego na schemacie układu sterowania - odpowiednio do aktualnych potrzeb grzewczych i energii elektrycznej, z pierwszeństwem realizacji zapotrzebowania bloku podgrzewania wody. Przeznaczeniem zaworu 19 jest regulacja wolnozmienna, zgodnie z krzywą średniorocznego zapotrzebowania mocy systemu. Strumień skierowany na blok elektrowni binarnej Dorc doprowadzony jest do wymiennika ciepła włączonego w funkcji parownika układu ORC 2 cieczy niskowrzącej, podlegającej termodynamicznym przemianom fazowym w obiegu zamkniętym. Z parownika układu ORC 2 pary cieczy niskowrzącej skierowane zostają do turbiny parowej układu ORC 16 połączonej z generatorem prądu elektrycznego układu ORC 17 o mocy N = 6-10 [MW_e], gdzie następuje zamiana energii strumienia pary na energię mechaniczną ruchu obrotowego wirnika. Rozprężona w turbinie układu ORC 16 para przepływa do skraplacza układu ORC 3, a uzyskany kondensat przepompowywany jest zwrotnie do parownika układu ORC 2 - gdzie ponownie rozpoczyna się cykl przemian.

Wydzielony w pierwszym dzielniku 19 i przeznaczony dla bloku podgrzewania wody B drugi strumień wody geotermalnej, skierowany jest do wymiennika ciepła 20, gdzie przekazuje ciepło do czynnika roboczego sprężarkowych pomp ciepła 5 bloku podgrzewania wody B. Na przewodzie z wymiennika ciepła 20 zasilającym parowniki 4 pomp ciepła 5 zabudowany jest drugi regulowany trójdrogowy dzielnik strumienia 19a, włączony drugą gałęzią w wylot czynnika roboczego chłodzącego ciecz niskowrzącą w skraplaczu cieczy niskowrzącej układu ORC 3. Przeznaczeniem dzielnika strumienia 19a jest regulacja szybkozmienna, zgodnie z chwilowym zapotrzebowaniem na energię. Parowniki 4 oraz skraplacze 6 poszczególnych pomp ciepła 5 bloku podgrzewania wody B połączone są szeregowo, przy czym kierunki przepływów czynnika roboczego przez parowniki 4 i wody przez skraplacze 6 są przeciwnie skierowane. Czynnik roboczy na wejściu do parownika 4 pierwszej pompy ciepła 5 ma temperaturę około 25°C, a na wyjściu z parownika 4 pompy ostatniej 7°C. Podgrzana w skraplaczach 6 zespołu sprężarkowych pomp ciepła 5 woda do temperatury w zakresie 55 do 90°C doprowadzona jest przewodem 7

PL 229 331 Β1 do sterowanego zaworu „LUB” 23, który jedną gałęzią połączony jest z wymiennikami 18 instalacji centralnego ogrzewania C, a drugą z warnikiem 24 absorpcyjnej chłodziarki 25 wody lodowej dla instalacji klimatyzacyjnej E. Przy ekstremalnych temperaturach otoczenia układ może być wspomagany pracą kotła grzewczego 13 zasilanego biopaliwem, którego obieg wodny włączony jest równolegle między przewód zasilający 7 łączący skraplacz 6 pierwszej ze sprężarkowych pomp ciepła 5 z instalacją centralnego ogrzewania C i w przewód spływowy wody z instalacji centralnego ogrzewania (C) połączony ze skraplaczem 6 ostatniej pompy ciepła 5 bloku podgrzewania wody B.

Pobrana z otworu eksploatacyjnego 1 woda geotermalna po oddaniu ciepła w wymiennikach 2 i 20 - gdzie zostaje schłodzona do temperatur około 8 do 12°C - kierowana jest zwrotnie do otworu zatłaczającego 15, a częściowo również do instalacji wodociągowej 10 i obiektów rekreacyjnych 11 po uprzednim uzdatnieniu.

Generowaną w układzie przez turbinę parową 18 moc elektryczną wspomagają dodatkowo równolegle włączone generatory energii elektrycznej napędzane z innych odnawialnych źródeł energii, zasilające włączone w instalację elektryczną odbiorniki, zwłaszcza pompy oraz połączone z państwową siecią elektroenergetyczną 12. Są to elektrownie wiatrowe i baterie fotowoltaiczne 8 oraz hydroelektrownia 9 zabudowana na gałęzi spływowej wody geotermalnej z wymienników ciepła 2 i 20.

Drugie przykładowe wykonanie układu według wynalazku różni się od powyżej opisanego pierwszego wykonania z blokiem elektrowni binarnej pracującym według układu ORC Dorc tylko tym, że w jego miejsce zastosowany został blok elektrowni binarnej pracującej według układu Kalina Dk. Czynnikiem napędowym podlegającym przemianom fazowym w układzie Kalina jest niskowrząca mieszanina amoniaku i wody, o odpowiednio dobranym składzie. Blok elektrowni Kalina przejmuje ciepło od wody geotermalnej w parowniku Kalina 2k, który połączony jest poprzez separator fazy gazowej Kalina 21 k z turbiną parową Kalina 16k, mechanicznie sprzężoną z generatorem elektrycznym Kalina 17k. Rozprężone w turbinie pary amoniaku po kondensacji w skraplaczu Kalina 3k przetłaczane są pompą przez przegrzewacz fazy ciekłej Kalina 22k do parownika Kalina 2k - zamykając obwód przemian fazowych. Przegrzewacz fazy ciekłej Kalina 22k zasilany jest ciepłem cieczy wydzielonej w separatorze fazy gazowej Kalina 21 k, a następnie kierowanej do przewodu łączącego turbinę Kalina ze skraplaczem Kalina 3k. Sprawność obiegu elektrowni geotermalnej Kalina jest wyższa od obiegu ORC, co w przykładowych warunkach eksploatacyjnych stanowiło o uzyskaniu wyższej mocy elektrycznej, odpowiednio Nk = 0,5 [MW] i Norc = 0,4 [MW],

Stosowanie układu grzewczego według wynalazku w konfiguracji przedstawionej na figurze 1 pozwala na sterowanie systemem grzewczym przez nastawę pierwszego dzielnika strumienia 19 - według krzywej zapotrzebowania rocznego, a przez nastawę drugiego dzielnika 19a, 19k - według bieżącego zapotrzebowania energetycznego.

Claims (6)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Układ skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i podgrzewania wody, zasilany z odnawialnych źródeł energii, zawierający niskotemperaturowe ujęcie wody geotermalnej (A) połączone z wymiennikami ciepła, blok podgrzewania wody (B) z zespołem kilku sprężarkowych pomp ciepła (5), których szeregowo połączone parowniki (4) czynnika roboczego zasilane są ciepłem wody geotermalnej a szeregowo połączone skraplacze (6) z instalacją centralnego ogrzewania (C), przy czym kierunki przepływów czynnika roboczego przez parowniki (4) i wody przez skraplacze (6) są przeciwnie skierowane, ponadto zawierający generatory energii elektrycznej napędzane z innych odnawialnych źródeł energii (8), włączone w instalację elektryczną zasilania odbiorników układu i połączoną z państwową siecią elektroenergetyczną (12), znamienny tym, że ujęcie wody geotermalnej (A) połączone jest z pierwszym regulowanym trójdrogowym dzielnikiem strumienia (19), który jedną gałęzią zasila wymiennik ciepła włączony w funkcji parownika (2, 2k) w blok absorpcyjnej, dwuczynnikowej elektrowni binarnej (Dorc, Dk), bazującej na obiegu porównawczym Clausiusa-Rankinea, a drugą gałęzią przez wymiennik ciepła (20) zasila parowniki (4) zespołu sprężarkowych pomp ciepła (5) bloku podgrzewania wody (B), przy czym na gałęzi między tym wymiennikiem ciepła (20) i parownikami (4) zabudowany jest drugi regulowany trójdrogowy dzielnik strumienia (19a, 19k) połączony z wylotem czynnika roboczego ze skraplacza (3, 3k) elektrowni binarnej (Dorc, Dk).

   PL 229 331 Β1
2. 2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że blok elektrowni binarnej (Dore) ma układ urządzeń (2, 3, 16, 17) realizujących cykl organicznego obiegu Rankinea ORC.
3. 3. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że blok elektrowni binarnej (Dk) ma układ urządzeń (2k, 3k, 16k, 17k, 21 k, 22k) realizujących cykl organicznego obiegu Kalina.
4. 4. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że między przewód zasilający (7), który łączy skraplacze (6) sprężarkowych pomp ciepła (5) z instalacją centralnego ogrzewania (C) i przewód spływowy wody z instalacji centralnego ogrzewania (C) - włączony jest równolegle kocioł grzewczy (13) zasilany biopaliwem.
5. 5. Układ według zastrz. 4, znamienny tym, że na przewodzie zasilającym (7), za przyłączem kotła grzewczego (13) zabudowany jest sterowany zawór „LUB” (23), połączony z instalacją centralnego ogrzewania (C) i z warnikiem (24) absorpcyjnej chłodziarki (25) wody lodowej dla instalacji klimatyzacyjnej (E).
6. 6. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że w instalację elektryczną układu włączone są równolegle odnawialne źródła energii elektrycznej: elektrownie wiatrowe i baterie fotowoltaiczne (8) oraz hydroelektrownia (9) zabudowana na gałęzi spływowej wody geotermalnej z parownika (2, 2K) absorpcyjnego bloku elektrowni binarnej (D).