PL229566B1 - Sposób zasilania układu siłowni dwuobiegowej ORC i układ siłowni dwuobiegowej ORC - Google Patents

Abstract

Sposób zasilania układu siłowni dwuobiegowej ORC, polegający na zasilaniu układu z dwóch różnotemperaturowych źródeł ciepła, charakteryzuje się tym, że strumień pary po opuszczeniu parowacza (4) rozdziela się na dwa strumienie. Pierwszy kieruje się do obiegu na parę nasyconą suchą do pierwszego turbogeneratora (7), a drugi do obiegu na parę przegrzaną do przegrzewacza (3) i drugiego turbogeneratora (6). Oba strumienie łączy się po lub przed przejściem przez skraplacz (8) oraz pompę obiegową i dalej kieruje się połączony strumień do parowacza (4) i podgrzewacza (5). Do parowacza (4) i podgrzewacza (5) dostarcza się ciepło z pierwszego źródła ciepła (1), poprzez przegrzewacz (3), i z drugiego źródła ciepła (2). W sposobie stosuje się pierwsze źródło ciepła (1) o wyższej temperaturze niż drugie źródło ciepła (2). Układ hybrydowej siłowni ORC, zawiera obieg Clausiusa-Rankine'a i jest zasilany z dwóch różnotemperaturowych źródeł ciepła, charakteryzuje się tym, że ma dwa obiegi Clausiusa-Rankine'a, gdzie pierwszy obieg Clausiusa-Rankine'a jest obiegiem na parę nasycona suchą, a drugi obieg Clausiusa-Rankine'a jest obiegiem na parę przegrzaną. Pierwszy obieg zawiera kolejno połączone ze sobą podgrzewacz (5), parowacz (4), pierwszy turbogenerator (7). Drugi obieg zawiera kolejno połączone ze sobą podgrzewacz (5), parowacz (4), przegrzewacz (3), drugi turbogenerator (6). Oba turbogeneratory (7, 6) połączone są ze wspólnym skraplaczem i pompą obiegową, albo odpowiednio z pierwszym i drugim skraplaczem i pompą obiegową. Pierwsze źródło ciepła (1) połączone jest z przegrzewaczem (3), parowaczem (4) i podgrzewaczem (5). Drugie źródło ciepła (2) połączone jest z parowaczem (4) i podgrzewaczem (5). Obiegi nośnika ciepła obu różnotemperaturowych źródeł ciepła (1, 2) połączone są za przegrzewaczem (3) i rozdzielone za podgrzewaczem (5). Nośnik ciepła z pierwszego źródła ciepła (1) ma wyższą temperaturę niż nośnik z drugiego źródła ciepła (2).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób zasilania układu siłowni dwuobiegowej ORC i układ siłowni dwuobiegowej ORC. Układ zawiera obieg nośnika ciepła i zamknięte dwa obiegi czynnika roboczego.

Powszechnie znane są siłownie organiczne ORC z niskowrzącymi czynnikami obiegowymi oraz siłownie binarne z organicznym czynnikiem roboczym o dwóch obiegach - dolnym i górnym, jak również siłownie wieloobiegowe i hybrydowe. Z polskiego opisu patentowego PL 212830 znany jest sposób zwiększania mocy siłowni ORC z czynnikiem organicznym, którego istota polega na zastosowaniu zawracania strumienia nośnika ciepła z przewodu wylotowego bezpośrednio za parowaczem do przewodu dolotowego przed parowaczem, co skutkuje zwiększeniem wartości strumienia masowego czynnika roboczego krążącego w obiegu siłowni ORC. Z polskiego opisu patentowego PL 210568 B1 (pt. Siłownia parowa z wieloźródłowym zasilaniem) znamy jest sposób zwiększenia efektywności pracy siłowni i wykorzystania niskotemperaturowych źródeł energii polegający na zastosowaniu układu składającego się z trzech obiegów Claususa-Rankine’a, przy czym w obiegu pierwszym czynnikiem obiegowym jest woda, a w obiegach drugim i trzecim czynnikami obiegowymi są substancje organiczne. Z polskiego opisu patentowego PL 218166 B1 znana jest organiczna siłownia parowa zasilana z wielu źródeł, której cechą charakterystyczną jest to, że obieg czynnika roboczego zawiera połączone ze sobą równolegle, co najmniej dwa układy podgrzewacz-parowacz z wewnętrzną cyrkulacyjną pompą nośnika energii. Układy podgrzewacz-parowacz połączone są z jednym, wspólnym turbogeneratorem i skraplaczem. Układ ten pozwala na wykorzystanie wielu różnotemperaturowych źródeł ciepła poprzez równoległe włączenie wielu podgrzewaczy i parowaczy z wewnętrzną cyrkulacją nośnika ciepła do siłowni jednoobiegowej w efekcie, czego wytwarzana para nasycona sucha z wszystkich parowaczy zasila jedną turbinę parową napędzającą generator prądu elektrycznego. Z opisu patentowego PL 205383 znany jest sposób zagospodarowania nisko i średniotemperaturowych źródeł oraz nośników ciepła poprzez wykorzystanie ich energii 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 substancje organiczne, dla których przy danej temperaturze odparowania entalpia parowania ma małą wartość, natomiast entalpia podgrzewania ma stosunkowo dużą wartość. Do podgrzania, odparowania i przegrzania czynnika roboczego w obiegu górnym stosuje się wysokotemperaturowe źródło ciepła.

Sposób zasilania układu siłowni dwuobiegowej ORC, według wynalazku, polega na zasilaniu układu z dwóch różnotemperaturowych źródeł ciepła i charakteryzuje się tym, że strumień pary po opuszczeniu parowacza rozdziela się na dwa strumienie, z których pierwszy kieruje się do obiegu na parę nasyconą suchą, a drugi do obiegu na parę przegrzaną do przegrzewacza. W pierwszym obiegu strumień pary czynnika roboczego kieruje się do pierwszego turbogeneratora, skraplacza i pompy obiegowej. Drugi strumień pary kierowany jest do drugiego obiegu do przegrzewacza, drugiego turbogeneratora, skraplacza i pompy. Połączony strumień dalej kieruje się do podgrzewacza, a następnie do parowacza. Do parowacza i podgrzewacza dostarcza się ciepło z pierwszego źródła ciepła i drugiego źródła ciepła za pośrednictwem strumieni nośników ciepła (np. wody). Nośnik ciepła (ciepło) z pierwszego źródła ciepła przed skierowaniem do parowacza i podgrzewacza obiegu pierwszego, kieruje się do przegrzewacza obiegu drugiego, co zapewnia przegrzew pary. Stosuje się pierwsze źródło ciepła o wyższej temperaturze niż drugie źródło ciepła. Dwa strumienie czynnika roboczego, tj. strumień z pierwszego i drugiego obiegu ORC można połączyć za turbogeneratorami i wtedy kieruje się wspólny, połączony strumień do skraplacza i pompy, a następnie do podgrzewacza. W innym wariancie strumienie te po przejściu przez turbogeneratory kieruje się do odpowiednich skraplaczy i pomp obiegowych (po jednej parze na obieg), a następnie strumienie łączy się i taki połączony strumień kieruje się do podgrzewacza.

Układ dwuobiegowej siłowni ORC, według wynalazku, zawiera obieg Clausiusa-Rankine’a i jest zasilany z dwóch różnotemperaturowych źródeł ciepła. Układ ten charakteryzuje się tym, że ma dwa obiegi Clausiusa-Rankine’a, gdzie pierwszy obieg Clausiusa-Rankine’a jest obiegiem na parę nasyconą suchą a drugi obieg Clausiusa-Rankine’a jest obiegiem na parę przegrzaną. Obieg drugi, czyli na parę przegrzaną jest rozszerzeniem obiegu pierwszego. Pierwszy obieg składa się z kolejno połączonych ze sobą podgrzewacza, parowacza, pierwszego turbogeneratora, skraplacza i pompy obiegowej. Drugi obieg składa się z kolejno połączonych ze sobą podgrzewacza, parowacza, przegrzewacza, drugiego turbogeneratora, skraplacza i pompy obiegowej. Pierwsze źródło ciepła połączone jest z przegrzewa

PL 229 566 Β1 czem, parowaczem i podgrzewaczem. Drugie źródło ciepła połączone jest z parowaczem i podgrzewaczem. Obiegi nośnika ciepła obu różnotemperaturowych źródeł ciepła połączone są ze sobą za przegrzewaczem i rozdzielone za podgrzewaczem. W układzie ORC można stosować zarówno czynniki z grupy tzw. czynników suchych i czynników mokrych. W układzie ORC czynniki pierwszego i drugiego obiegu Clausiusa-Rankine’a łączą się, a następnie rozdzielają, dlatego też wskazane jest, aby w obu obiegach czynnikiem roboczym była ta sama substancja organiczna. Podobnie strumienie ciepła z pierwszego i drugiego źródła ciepła łączą się i rozdzielają i wskazane jest aby zastosowany był jeden nośnik ciepła. Nośnik ciepła z pierwszego źródła ciepła ma wyższą temperaturę niż nośnik z drugiego źródła ciepła. Oba strumienie można połączyć za turbogeneratorami i wtedy każdy z turbogeneratorów połączony jest ze wspólnym skraplaczem i pompą obiegową albo łączy się strumienie przed podgrzewaczem i wtedy każdy z turbogeneratorów połączony jest z odpowiednim, sobie tylko właściwym, skraplaczem i pompą.

Wytwarzana para nasycona sucha opuszczająca parowacz dzieli się na dwa strumienie masowe rhi i rh2, z których pierwszy rhj kierowany jest do obiegu pierwszego. W obiegu tym strumień pary nasyconej suchej rhi zostaje rozprężony w pierwszej turbinie, która napędza generator (agregat prądotwórczy). Następnie para opuszczająca pierwszą turbinę, rozprężona do ciśnienia panującego w pierwszym skraplaczu, ulega w pierwszej kolejności schłodzeniu do temperatury skraplania, a następnie skropleniu. Otrzymane skropliny czynnika roboczego przy pomocy pierwszej pompy cyrkulacyjnej kierowane są do podgrzewacza cieczy roboczej, a następnie do parowacza.

Drugi strumień masowy pary nasyconej suchej rh2 kierowany jest do odpowiednich urządzeń obiegu drugiego obejmujących przegrzewacz, turbinę parową napędzającą generator drugiego turbogeneratora, drugi skraplacz i drugą pompę cyrkulacyjną. Strumień pary nasyconej suchej rhz, wytworzonej w parowaczu obiegu pierwszego, kierowany jest do przegrzewacza obiegu drugiego. Uzyskana w ten sposób para przegrzana ekspanduje w drugiej turbinie do ciśnienia panującego w drugim skraplaczu.

Bezpośrednio z drugiej turbiny para kierowana jest do drugiego skraplacza, gdzie zostaje w pierwszej kolejności schłodzona, a następnie skroplona. Otrzymane skropliny czynnika roboczego przy pomocy drugiej pompy cyrkulacyjnej kierowane są wraz ze skroplinami z obiegu pierwszego do podgrzewacza cieczy roboczej obiegu pierwszego. Połączone strumienie masowe cieczy czynnika roboczego m- i fr>2 po podgrzaniu od temperatury skraplania do temperatury parowania ulegają odparowaniu w parowaczu, z którego para nasycona sucha ponownie kierowana jest odpowiednio do obiegu pierwszego i drugiego.

Oba strumienie pary czynnika roboczego obiegu pierwszego i drugiego można połączyć za turbogeneratorami i wtedy każdy z turbogeneratorów połączony jest ze wspólnym skraplaczem i pompą obiegową albo łączy się strumienie pary czynników roboczych obiegi pierwszego i drugiego przed podgrzewaczem i wtedy każdy z turbogeneratorów połączony jest z odpowiednim, sobie tylko właściwym, skraplaczem i pompą (tak jak opisano powyżej).

Drugi strumień wody (z drugiego źródła ciepła), jako nośnik energii o niższej temperaturze kierowany jest do parowacza, a następnie w całości do podgrzewacza cieczy czynnika roboczego.

Pierwszy strumień wody (z pierwszego źródła ciepła), jako nośnik energii o nieco wyższej temperaturze doprowadzany jest do przegrzewacza. W przegrzewaczu tym następuje przegrzanie strumienia pary rhz. Nośnik energii w przegrzewaczu, w którym następuje przekazywanie strumienia ciepła do przegrzewu pary obniża swoją temperaturę do temperatury drugiego strumienia wody dostarczanego z drugiego źródła ciepła. Następnie połączone dwa strumienie wody (nośników ciepła) kierowane są do wspólnego parowacza, a następnie do przegrzewacza. Za podgrzewaczem następuje rozdzielenie strumienia wody na dwa strumienie, które kierowane są odpowiednio od dwóch źródeł ciepła, w których woda podgrzewana jest odpowiednio do temperatur, jakie wymagane są przed parowaczem i przegrzewaczem.

Zaletą rozwiązania jest to, że moc układu dwuobiegowej siłowni jest znacznie wyższa od mocy siłowni jednoobiegowej pracującej przy analogicznym zakresie temperaturowym, według obiegu Clausiusa-Rankine’a na parę przegrzaną. Kolejną zaletą jest możliwość wykorzystywania różnotemperaturowych źródeł energii w znacznie bardziej efektywny sposób, niż w układzie klasycznym (siłowni jednoobiegowej na parę przegrzaną lub nasyconą).

Wynalazek jest bliżej przedstawiony w przykładach wykonania i na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia układ hybrydowej siłowni z jednym skraplaczem i pompą obiegową, fig. 2 przedstawia układ

PL 229 566 Β1 z osobnymi skraplaczami i pompami obiegowymi, a fig. 3 przedstawia cykl przemian termodynamicznych w układzie współrzędnych T-s (temperatura-entropia).

Przykład I

Układ dwuobiegowej siłowni ORC ma dwa obiegi Clausiusa-Rankine’a i zasilany jest z dwóch różnotemperaturowych źródeł pierwszego 1 i drugiego 2. Pierwsze źródło ciepła 1 połączone jest z przegrzewaczem 3, parowaczem 4 i podgrzewaczem 5. Drugie źródło ciepła 2 połączone jest z parowaczem 4 i podgrzewaczem 5. Obiegi nośnika ciepła obu różnotemperaturowych źródeł ciepła 1, 2 połączone są za przegrzewaczem 3 i rozdzielone za podgrzewaczem 5. Pierwszy obieg ClausiusaRankinea jest obiegiem na parę nasyconą suchą, a drugi obieg Clausiusa-Rankine’a jest obiegiem na parę przegrzaną.

Pierwszy obieg Clausiusa-Rankine’a składa się z kolejno połączonych ze sobą podgrzewacza 5, parowacza 4, pierwszego turbogeneratora 7, pierwszego skraplacza 8 i pierwszej pompy obiegowej 9. Drugi obieg Clausiusa-Rankine’a składa się z kolejno połączonych ze sobą podgrzewacza 5, parowacza 4, przegrzewacza 3, drugiego turbogeneratora 6, drugiego skraplacza 8’ i drugiej pompy obiegowej 9’. Nośnik ciepła z pierwszego źródła 1 ma wyższą temperaturę niż nośnik z drugiego źródła ciepła 2. Zastosowano czynnik roboczy z grupy czynników suchych R227ea.

Przyjęto następujące założenia: strumień masowy wody o temperaturze Ts2=110°C doprowadzany ze źródła drugiego wynosi m_S2 = 10 kg/s, strumień masowy wody o temperaturze T_si=113°C doprowadzany ze źródła pierwszego wynosi rh_sl = 5 kg/s, temperatura parowania czynnika R227ea Ti=T5=87°C, temperatura skraplania T3=30°C. Wykres obrazujący przemiany zachodzące w siłowni dwuobiegowej w układzie współrzędnych T-s przedstawiono na rys. 3 .

Dla przyjętych założeń wartości entalpii właściwej czynnika R227ea w poszczególnych charakterystycznych punktach obiegu zestawiono w poniższej tabeli. Wartości te zostały określone przy pomocy bazy czynników RefProp 9.0.

Tabela 1. Wartości entalpii właściwych i temperatur w charakterystycznych punktach obiegu

Punkt	1	lp	2s	2	2ps	3	4s	5
T[°C]	87,0	97,0	40,1	30,0	54,5	30,0	30,9	87,0
P [MPa]	2,16	2,16	0,52	0,52	0,52	0,52	2,16	2,16
h [kJ/kg]	369,62	384,49	352,61	343,35	365,65	234,64	235,82	311,38

Wyniki obliczeń dla siłowni hybrydowej wg rysunku 1:

Qprze grzania	14,87
Qparowania	58,24
Qpodgrz4inia	75,56
nki	5
ms2	10
m;	14,3
	32,3
tsS	33,7
Ner 1	244,2
Ncr2	609,0
Ner	853,2

Wyniki obliczeń dla siłowni jednoobiegowej (referencyjnej) z przegrzewam pary do temperatury 97°C przy tej samej temperaturze odparowania.

PL 229 566 Β1

mni	32,9
tS3	50,4
Ner	619,7

Z przedstawionych wyników obliczeń wyraźnie widać, że moc układu hybrydowego jest znacznie wyższa od mocy siłowni jednoobiegowej pracującej przy analogicznym zakresie temperaturowym. Dla siłowni proponowanej według wynalazku moc wynosi 853,2 kW a dla siłowni jednoobiegowej z przegrzewem moc wynosi 619,7 kW.

Przykład II

Układ siłowni wykonany analogicznie jak w przykładzie I, przy czym rozdzielone strumienie łączy się za turbogeneratorami 6 i 7 i kieruje się na wspólne skraplacz 8 i pompę obiegową 9.

Claims (4)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób zasilania układu siłowni dwuobiegowej ORC, polegający na zasilaniu układu z dwóch różnotemperaturowych źródeł ciepła, znamienny tym, że strumień pary po opuszczeniu parowacza (4) rozdziela się na dwa strumienie, z których pierwszy kieruje się do obiegu na parę nasyconą suchą do pierwszego turbogeneratora (7), a drugi do obiegu na parę przegrzaną do przegrzewacza (3) i drugiego turbogeneratora (6), oba strumienie łączy się po lub przed przejściem przez skraplacz (8) oraz pompę obiegową (10) i dalej kieruje się połączony strumień do podgrzewacza (5) i parowacza (4), przy czym do parowacza (4) i podgrzewacza (5) dostarcza się ciepło z pierwszego źródła ciepła (1), poprzez przegrzewacz (3), i z drugiego źródła ciepła (2), i stosuje się pierwsze źródło ciepła (1) o wyższej temperaturze niż drugie źródło ciepła (2).
2. 2. Sposób zasilania układu według zastrz. 1, znamienny tym, że strumienie po przejściu odpowiednio przez pierwszy turbogenerator (7) i drugi turbogenerator (6) kieruje się odpowiednio na pierwszy skraplacz (8) i pierwszą pompę obiegową (9) oraz na drugi skraplacz (8’) i drugą pompę obiegową (9’).
3. 3. Układ dwuobiegowej siłowni ORC, zawierający obieg Clausiusa-Rankine’a i zasilany z dwóch różnotemperaturowych źródeł ciepła, znamienny tym, że ma dwa obiegi Clausiusa-Rankine’a, gdzie pierwszy obieg Clausiusa-Rankine’a zawiera kolejno połączone ze sobą podgrzewacz (5), parowacz (4), pierwszy turbogenerator (7), a drugi obieg Clausiusa-Rankine’a zawiera kolejno połączone ze sobą podgrzewacz (5), parowacz (4), przegrzewacz (3), drugi turbogenerator (6), przy czym turbogeneratory pierwszy (7) i drugi (6) połączone są ze skraplaczem (8) i pompą obiegową (9), zaś pierwsze źródło ciepła (1) połączone jest z przegrzewaczem (3), parowaczem (4) i podgrzewaczem (5), a drugie źródło ciepła (2) połączone jest z parowaczem (4) i podgrzewaczem (5), przy czym obiegi nośnika ciepła obu różnotemperaturowych źródeł ciepła (1, 2) połączone są za przegrzewaczem (3) i rozdzielone za podgrzewaczem (5).
4. 4. Układ dwuobiegowej siłowni ORC według zastrz. 1, znamienny tym, że pierwszy turbogenerator (7) połączony jest z pierwszym skraplaczem (8) i pierwszą pompą (9), a drugi turbogenerator (6) połączony jest z drugim skraplaczem (8) i drugą pompą obiegową (9’).