RU2673959C2 - Система и способ регенерации энергии отходящего тепла - Google Patents

Система и способ регенерации энергии отходящего тепла Download PDF

Info

Publication number
RU2673959C2
RU2673959C2 RU2017111353A RU2017111353A RU2673959C2 RU 2673959 C2 RU2673959 C2 RU 2673959C2 RU 2017111353 A RU2017111353 A RU 2017111353A RU 2017111353 A RU2017111353 A RU 2017111353A RU 2673959 C2 RU2673959 C2 RU 2673959C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
heat
working fluid
heat engine
turbine
engine
Prior art date
Application number
RU2017111353A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2017111353A3 (ru
RU2017111353A (ru
Inventor
Иван Владимирович Николин
Вячеслав Всеволодович ЩУЧКИН
Original Assignee
Сименс Акциенгезелльшафт
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Сименс Акциенгезелльшафт filed Critical Сименс Акциенгезелльшафт
Publication of RU2017111353A3 publication Critical patent/RU2017111353A3/ru
Publication of RU2017111353A publication Critical patent/RU2017111353A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2673959C2 publication Critical patent/RU2673959C2/ru

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F01K23/04—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled condensation heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • F01K25/10—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether
    • F01K25/103—Carbon dioxide
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • F01K25/10—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether
    • F01K25/106—Ammonia
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B35/00—Control systems for steam boilers
    • F22B35/06—Control systems for steam boilers for steam boilers of forced-flow type
    • F22B35/08—Control systems for steam boilers for steam boilers of forced-flow type of forced-circulation type
    • F22B35/083—Control systems for steam boilers for steam boilers of forced-flow type of forced-circulation type without drum, i.e. without hot water storage in the boiler
    • F22B35/086—Control systems for steam boilers for steam boilers of forced-flow type of forced-circulation type without drum, i.e. without hot water storage in the boiler operating at critical or supercritical pressure

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Abstract

Изобретение относится к системе для регенерации или утилизации энергии отходящего тепла от источника отходящего тепла. Система содержит первый тепловой двигатель, имеющий первое рабочее тело, в частности, диоксид углерода (CO2), и определяющий первый контур для циркуляции первого рабочего тела. Первый тепловой двигатель сконфигурирован и расположен для передачи тепла от источника отходящего тепла к первому рабочему телу. Система также содержит второй тепловой двигатель, в частности тепловой двигатель органического цикла Ренкина (ORC), имеющий второе рабочее тело и определяющий второй контур для циркуляции второго рабочего тела. Второй тепловой двигатель сконфигурирован и расположен для передачи тепла от первого рабочего тела ко второму рабочему телу, в частности, для охлаждения первого рабочего тела после его расширения в турбине первого теплового двигателя. Изобретение также обеспечивает соответствующий способ регенерации отходящего тепла. Изобретение позволяет повысить эффективность регенерации или утилизации энергии отходящего тепла от источника отходящего тепла. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Настоящее изобретение относится к системе и способу для регенерации энергии отходящего тепла или утилизации энергии отходящего тепла.
Разработка эффективных концепций для регенерации или утилизации отходящего тепла является важной задачей современной промышленности не только с точки зрения сбережения соответствующих затрат, но и с точки зрения экологической выгоды. Понятно, что многие промышленные процессы, включая производство металла, производство стекла и химическую обработку, а также технологические процессы в компрессорах, двигателях внутреннего сгорания и т.д., используют большие количества тепла. В то время как многочисленные усилия и технологии были направлены на проблему регенерации или утилизации тепла, которое в противном случае терялось в виде отходов, до настоящего времени такие концепции эффективно используют лишь малую часть доступной энергии отходящего тепла. Средняя суммарная эффективность (кпд) существующих технологий утилизации отходящего тепла, как ожидается, не превышает значение около 10%. Таким образом, около 90% тепловой энергии до сих пор сбрасывается впустую в атмосферу.
Большая часть отходящего тепла содержится в дымовых или отработанных газах различных промышленных процессов и выхлопных газах различных приводов и двигателей, и значения результирующего кпд в обсуждении ниже основаны на утилизации отходящего тепла от дымовых/выхлопных газов. Здесь имеется отличие от утилизации отходящего тепла в твердых телах, таких как солнечные коллекторы или некоторые другие высокотемпературные твердые структуры, которые могут производить значительно более высокие значения результирующего кпд.
Отходящее тепло может быть использовано в системах турбогенератора, которые используют термодинамические методы, такие как цикл Ренкина, для преобразования теплоты в работу. Как правило, этот способ является основанным на паре, причем отходящее тепло используется для производства пара в котле для приведения в действие турбины. Однако ключевым недостатком основанного на паре цикла Ренкина являются его требование высокой температуры; то есть, он обычно требует относительно высокотемпературного потока отходящего тепла (например, 300°С или выше) или очень большого общего содержания тепла. Кроме того, сложность кипячения воды при множестве давлений/температур, чтобы захватывать тепловую энергию на множестве температурных уровней, когда поток источника тепла охлаждается, обуславливает высокие затраты. Кроме того, основанный на паре цикл Ренкина не является практичным вариантом для потоков с низкой скоростью потока и/или низкой температурой.
Органический цикл Ренкина (ORC) направлен на преодоление недостатков основанного на паре цикла Ренкина путем замены воды на текучее тело с более низкой температурой кипения, такой как легкий углеводород, например, пропан или бутан, или HCFC текучее тело (например, R245fa). Однако ограничения теплопередачи при кипении остаются, и возникают новые проблемы, такие как тепловая нестабильность, токсичность или воспламеняемость текучего тела. Соответственно, широко внедрение технологии органического цикла Ренкина (ORC) не допускает использование всего потенциала отходящего тепла из-за ограниченной тепловой стабильности органического текучего тела, что влияет на тепловой кпд систем ORC, когда температура источника отходящего тепла превышает 250°-300°С. В среднем, общий результирующий кпд существующих установок ORC не превышает величину около 10%, так что до 90% тепловой энергии продолжает впустую сбрасываться в атмосферу.
Технология утилизации отходящего тепла на сверхкритическом диоксид углероде (S-CO2) была использована для решения некоторых из этих вопросов. Сверхкритическое состояние СО2 обеспечивает улучшенную тепловую связь с несколькими источниками тепла и позволяет разрабатывать более эффективные (с результирующим кпд до 20%) и очень компактные блоки по сравнению с системами ORC для различных применений. Такие системы S-CO2 часто требуют очень сложных системных компоновок и уникального оборудования теплопередачи, что приводит, однако, к высоким капитальным затратам, а также к техническим трудностям. Примеры таких известных систем для регенерации и утилизации отходящего тепла описаны в патентных публикациях WO2011/119650A2, WO2012/074905A2, WO2012/074911A2 и WO2012/074940A2.
С учетом вышеизложенного, задачей настоящего изобретения является создание новой и усовершенствованной системы и способа утилизации и/или регенерации энергии отходящего тепла из источника отходящего тепла, такого как дымовые газы или выхлопные газы.
В соответствии с изобретением, предложены система для регенерации или утилизации энергии отходящего тепла согласно пункту 1 формулы изобретения и способ регенерации или утилизации энергии отходящего тепла согласно пункту 9 формулы изобретения. Преимущественные и/или предпочтительные признаки изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.
Согласно одному аспекту, следовательно, настоящее изобретение обеспечивает систему для регенерации и/или утилизации энергии отходящего тепла из источника отходящего тепла, содержащую:
первый тепловой двигатель, имеющий первое рабочее тело, такой как диоксид углерода (СО2), причем первый тепловой двигатель сконфигурирован и расположен так, чтобы передавать тепло от источника отходящего тепла к первому рабочему телу, и
второй тепловой двигатель, особенно тепловой двигатель органического цикла Ренкина (ORC), имеющий второе рабочее тело, причем второй тепловой двигатель сконфигурирован и расположен так, чтобы передавать тепло от первого рабочего тела к второму рабочему телу, особенно для охлаждения первого рабочего тела после его расширения в турбине первого теплового двигателя.
Таким образом, авторы настоящего изобретения разработали способ объединения преимуществ подходов как ORC, так и S-CО2, а именно: простоты системы ORC, которая обеспечивает возможность реализации обычного оборудования теплопередачи, и высокой эффективности технологии S-CО2. Таким образом, настоящее изобретение может обеспечить новую систему комбинированной регенерации или утилизации тепла на сверхкритическом диоксид углероде (S-CО2) (первый цикл) и ORC (второй цикл). Компоновка системы может включать в себя один теплообменник отходящего тепла и две турбины с соответствующими охладителями (радиаторами) и соответствующими насосами/компрессорами для первого цикла (S-CО2) и второго цикла (ORC). Таким образом, изобретение обеспечивает компоновку, которая позволяет получить высокий результирующий кпд (например, около 20%) утилизации отходящего тепла из дымовых газов с одним теплообменником отходящего тепла, избегая сложных известных компоновок систем S-CО2, которые требуют дорогостоящих рекуператоров для сверхкритического диоксида углерода.
Первый тепловой двигатель обычно определяет первый термодинамической контур для циркуляции первого рабочего тела. Первый тепловой двигатель включает в себя: первый теплообменник, расположенный в первом контуре и сконфигурированный, чтобы передавать тепло от источника отходящего тепла к первому рабочему телу, и второй теплообменник в первом контуре для охлаждения первого рабочего тела после его расширения в турбине первого теплового двигателя. Таким образом, после того, как турбина первого теплового двигателя преобразует тепловую энергию первого рабочего тела в работу посредством теплового расширения, второй теплообменник сконфигурирован и расположен, чтобы передавать остаточное тепло от первого рабочего тела ко второму рабочему телу во втором тепловом двигателе. Другими словами, в комбинированном цикле системы, только первый тепловой двигатель получает тепловую энергию непосредственно из теплообменника отходящего тепла. Тепловая энергия, передаваемая ко второму тепловому двигателю, является неиспользованным теплом из первого контура. Передача тепловой энергии между двумя тепловыми двигателями этой систем комбинированного цикла, таким образом, выполняется в устройстве ʺохладителя первого цикла/нагревателя второго циклаʺ, которое сопрягает или соединяет два контура комбинированного цикла. Совместный ʺохладитель первого цикла (S-CО2)/нагреватель второго цикла (ORC)ʺ способствует оптимизации затрат на оборудование теплопередачи. Рациональным образом, ʺохладитель первого цикла (S-CО2)/нагреватель второго цикла (ORC)ʺ может быть представлен цельным рекуператором в случае, когда второй цикла (ORC) работает при сверхкритических параметрах, или он может содержать две части (например, подогреватель и испаритель) для докритического второго цикла (ORC).
В предпочтительном варианте осуществления, второй тепловой двигатель включает в себя вторую турбину для расширения второго рабочего тела в положении во втором контуре после или ниже по потоку от второго теплообменника. Эта вторая турбина преобразует тепловую энергию второго рабочего тела в работу. Второй тепловой двигатель опционально включает в себя обходной канал или путь во втором контуре для обхода второй турбины. Предпочтительно, второй тепловой двигатель также включает в себя третий теплообменник для охлаждения второго рабочего тела после его расширения во второй турбине.
В особенно предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, второй тепловой двигатель включает в себя четвертый теплообменник, который сконфигурирован как рекуператор для рекуперации тепловой энергии из второго рабочего тела после его расширения во второй турбине. В этом отношении, четвертый теплообменник выполнен с возможностью передачи тепла ко второму рабочему телу в положении во втором контуре рядом и/или выше по потоку от второго теплообменника.
В предпочтительном варианте осуществления, первый тепловой двигатель включает в себя пятый теплообменник для дополнительного охлаждения первого рабочего тела после его расширения в первой турбине, причем пятый теплообменник расположен или находится после или ниже по потоку от второго теплообменника.
В конкретном варианте осуществления, таким образом, изобретение обеспечивает систему утилизации отходящего тепла, содержащую:
тепловой двигатель на сверхкритическом диоксиде углерода (S-CО2), имеющий диоксид углерода (CО2) в качестве рабочего тела, причем первый тепловой двигатель имеет первый теплообменник для передачи тепла от источника отходящего тепла к диоксиду углерода и второй теплообменник для охлаждения диоксида углерода после его расширения в первой турбине; и
тепловой двигатель органического цикла Ренкина (ORC), имеющий второе рабочее тело, причем второй теплообменник сконфигурирован и расположен так, чтобы передавать тепло от рабочего тела диоксида углерода (CО2) ко второму рабочему телу.
В соответствии с другим аспектом, настоящее изобретение обеспечивает способ регенерации и/или утилизации энергии отходящего тепла от источника отходящего тепла, содержащий:
обеспечение первого теплового двигателя, имеющего первое рабочее тело, особенно диоксид углерода, и определяющего контур для циркуляции первого рабочего тела,
обеспечение второго теплового двигателя, особенно теплового двигателя органического цикла Ренкина (ORC), имеющего второе рабочее тело и определяющего второй контур для циркуляции второго рабочего тела,
передачу тепла от источника отходящего тепла к первому рабочему телу в первом тепловом двигателе, и
передачу тепла от первого рабочего тела в первом тепловом двигателе ко второму рабочему телу во втором тепловом двигателе, особенно для охлаждения первого рабочего тела после его расширения в турбине первого теплового двигателя.
Как отмечено выше, этап передачи тепла от первого рабочего тела в первом тепловом двигателе ко второму рабочему телу во втором тепловом двигателе обычно будет содержать как охлаждение первого рабочего тела (т.е. после его термического расширения в турбине первого теплового двигателя), так и нагревание второго рабочего тела во втором тепловом двигателе. Способ может дополнительно содержать этап дополнительного охлаждения первого рабочего тела после этапа передачи тепла от первого рабочего тела ко второму рабочему телу.
В предпочтительном варианте осуществления, второй тепловой двигатель включает в себя вторую турбину для расширения второго рабочего тела в положении во втором контуре после или ниже по потоку от второго теплообменника. Способ согласно изобретению предпочтительно дополнительно включает в себя охлаждение второго рабочего тела во втором тепловом двигателе после его термического расширения во второй турбине. Опционально, способ может включать в себя направление второго рабочего тела в обход второй турбины второго теплового двигателя, например, через обходной канал или путь во втором контуре. Таким образом, вторичный цикл ORC может быть ʺвыключенʺ с помощью перепускного клапана турбины ORC. Таким образом, второй контур может работать в качестве простого охладителя первичного цикла S-CО2, тем самым обеспечивая гибкое управление мощностью для удовлетворения требований потребителей и реагирования на изменения в источнике отходящего тепла и параметрах окружающей среды.
В особенно предпочтительном варианте осуществления, способ дополнительно содержит рекуперацию тепла от второго рабочего тела после его расширения во второй турбине, в частности, путем передачи тепла ко второму рабочему телу в положении во втором контуре рядом и/или выше по потоку от второго теплообменника.
Для более полного понимания настоящего изобретения и его преимуществ, примерные варианты осуществления настоящего изобретения пояснены более подробно в последующем описании со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых одинаковые ссылочные символы обозначают одинаковые элементы, и на которых представлено следующее:
Фиг. 1 - схематичное изображение системы регенерации отходящего тепла согласно одному предпочтительному варианту осуществления;
Фиг. 2 - схематичное изображение системы регенерации отходящего тепла согласно другому предпочтительному варианту осуществления;
Фиг. 3 - блок-схема, которая схематично иллюстрирует способ согласно предпочтительному варианту осуществления.
Прилагаемые чертежи включены для обеспечения дальнейшего понимания настоящего изобретения и включены в настоящий документ и составляют часть данного описания. Чертежи иллюстрируют конкретные варианты осуществления настоящего изобретения и вместе с описанием служат для объяснения принципов настоящего изобретения. Другие варианты осуществления изобретения и многие из сопутствующих преимуществ изобретения можно легче понять на основе следующего подробного описания.
Следует иметь в виду, что общие и/или хорошо известные элементы, которые могут быть полезны или необходимы в коммерчески осуществимом варианте осуществления, не обязательно изображаются, чтобы способствовать более абстрактному представлению вариантов осуществления. Элементы на чертежах проиллюстрированы не обязательно в масштабе относительно друг друга. Следует также иметь в виду, что определенные действия и/или этапы в варианте осуществления способа могут быть описаны или изображены в определенном порядке появления, в то время как специалистам в данной области техники будет понятно, что такая специфика по отношению к последовательности в действительности может не потребоваться. Также должно быть понятно, что термины и выражения, используемые в настоящем описании, имеют обычное значение, согласующееся с такими терминами и выражениями в относящихся к ним соответствующих областях исследования и изучения, за исключением случаев, когда конкретные значения были изложены иначе в настоящем документе.
На фиг. 1 схематично показан один вариант осуществления системы 1 для регенерации и/или утилизации энергии отходящего тепла от источника S отходящего тепла в соответствии с настоящим изобретением. Источник S тепла может представлять собой поток отходящего тепла, такой как выхлоп газовой турбины, выхлоп технологического потока или другие выхлопные потоки продуктов сгорания, включая выхлопные потоки печей или котлов. Термодинамическая система 1 может быть сконфигурирован для преобразования отходящего тепла в электричество для целого ряда различных применений, включая, без ограничения указанным, нижнее циклирование в газовых турбинах, дизельные двигатели-генераторы, утилизацию промышленного отходящего тепла (например, на производственных предприятиях, нефтеперерабатывающих заводах, компрессорных станциях), а также гибридные альтернативы к двигателям внутреннего сгорания. В других примерных вариантах осуществления, источник S тепла может получать тепловую энергию из возобновляемых источников тепловой энергии, таких как, без ограничения указанным, солнечные термальные и геотермальные источники.
Система 1 содержит первый тепловой двигатель Н1 и второй тепловой двигатель H2, каждый из которых определяет соответствующие первый и второй термодинамический цикл или контур А, В для ассоциированного первого и второго рабочего тела F1, F2. Каждый из первого и второго тепловых двигателей H1, Н2 используется для преобразования тепловой энергии в работу через тепловое расширение соответствующего первого и второго рабочего тела F1, F2. В частности, термодинамическая система 1 содержит первый тепловой двигатель H1, имеющий контур А рабочего тела в тепловой коммуникации с источником S отходящего тепла через первый теплообменник E1. Хотя понятно, что любое количество устройств теплообменников может быть использовано в сочетании с одним или несколькими источниками отходящего тепла, в данном примерном варианте осуществления первый теплообменник Е1 представляет собой единственный теплообменник отходящего тепла. В других примерных вариантах осуществления, первый теплообменник Е1 может включать в себя несколько ступеней комбинированного теплообменника отходящего тепла. Хотя источник S отходящего тепла может представлять собой поток флюида самого высокотемпературного источника, в других примерных вариантах осуществления, источник S отходящего тепла может быть теплоносителем в контакте с высокотемпературным источником. Теплоноситель может, таким образом, доставлять тепловую энергию к теплообменнику Е1 отходящего тепла для передачи энергии к рабочему телу F1 в первом контуре А.
Как показано на чертеже, первый теплообменник или теплообменник Е1 отходящего тепла служит в качестве теплообменника тепла высокой температуры или относительно более высокой температуры, приспособленного для приема струи или потока источника S отходящего тепла. В примерных вариантах осуществления настоящего раскрытия, начальная температура источника S отходящего тепла, входящего в систему 1, может находиться в диапазоне примерно от 200°С до более чем примерно 700°С. В показанном конкретном варианте осуществления, поток источника S отходящего тепла может иметь температуру около 500°С или выше. В связи с этим, однако, рабочие температуры и давления и скорости потока приведены в качестве примера и никоим образом не должны рассматриваться как ограничивающие объем настоящего раскрытия.
Рабочее тело Fl, циркулирующее в первом контуре А первого теплового двигателя H1, представляет собой диоксид углерода (CO2). Диоксид углерода в качестве рабочего тела для циклов генерации мощности имеет много преимуществ. Это нейтральное рабочее тело, которое является нетоксичным, негорючим, дешевым, легкодоступным и не нуждается в утилизации. Отчасти из-за его относительно высокого рабочего давления, система CO2 может быть построена гораздо более компактной по сравнению с системами, использующими другие рабочие тела. Высокая плотность и объемная теплоемкость CO2 по отношению к другим рабочим телам делают его более ʺэнергетически плотнымʺ, что означает, что размеры всех компонентов системы могут быть значительно уменьшены без потери производительности. Следует отметить, что термин ʺдиоксид углеродаʺ, используемый здесь, не предназначен для ограничения до CO2 какого-либо конкретного типа, чистоты или класса. В примерном варианте осуществления, может быть использован, например, CO2 промышленного класса без отклонения от объема настоящего изобретения.
Диоксид углерода (CO2) в качестве первого рабочего тела F1, циркулирующего в первом контуре А первого теплового двигателя Н1, доставляется в состоянии под давлением к теплообменнику E1 отходящего тепла посредством первого насоса или компрессора P1, который расположен в первом контуре А. Как отмечено выше, CO2 в качестве первого рабочего тела F1 нагревается в теплообменнике E1 отходящего тепла за счет теплового контакта с источником S отходящего тепла. Сжатый и нагретый CO2 затем подвергается расширению в первой турбине T1, которая преобразует часть тепловой энергии в рабочем теле F1, извлекаемой из источника S отходящего тепла в механическую работу. Первый генератор G1, операционно связанный с первой турбиной T1, может затем преобразовывать эту механическую работу в электрическую энергию.
Ниже по потоку от первой турбины T1 в контуре А первого теплового двигателя Н1 предусмотрен второй теплообменник Е2 для охлаждения рабочего тела F1 CO2 после его расширения в турбине T1. И этот второй теплообменник Е2 обеспечивает средство сопряжения со вторым тепловым двигателем Н2. В этом отношении, второй тепловой двигатель Н2 определяет второй термодинамический цикл или контур В, в частности, органический цикл Ренкина (ORC), в котором циркулирует второе рабочее тело F2, такой как легкий углеводород (например, пропан или бутан, или HCFC тело). Таким образом, второй теплообменник Е2 эффективно расположен как в первом контуре А, так и во втором контуре В и приспособлен или сконфигурирован, чтобы передавать тепловую энергию, оставшуюся в рабочем теле F1 CO2, после его расширения в турбине Т1, к второму рабочему телу F2 второго теплового двигателя Н2. Хотя рабочее тело F1 CO2 может иметь только температуру в диапазоне от 70°C до 250°C и предпочтительно от 100°С до 200°С на входе во второй теплообменник Е2, относительно низкая температура кипения второго рабочего тела F2 в тепловом двигателе Н2 ORC еще позволяет весьма эффективно регенерировать тепловую энергию. После охлаждения во втором теплообменнике Е2, первое рабочее тело F1 завершает первый контур А путем возврата к первому насосу или компрессору P1, чтобы снова нагнетаться вниз по потоку от теплообменника E1 отходящего тепла.
Рабочее тело F2 ORC, циркулирующее во втором контуре В второго теплового двигателя Н2, доставляется в состоянии под давлением к второму теплообменнику Е2 посредством второго насоса или компрессора Р2, расположенного во втором контуре В. Как уже отмечено выше, второе рабочее тело F2 нагревается за счет теплового контакта с первым рабочим телом F1 во втором теплообменнике Е2. Сжатое и нагретое рабочее тело F2 ORC затем подвергается расширению во второй турбине Т2, которая преобразует часть тепловой энергии во втором рабочем теле F2 в работу. Как и в первом тепловом двигателе Н1, второй генератор G2, который операционно связан со второй турбиной Т2, может преобразовать эту работу в электрическую энергию. Наконец, третий теплообменник Е3 обеспечен в качестве охладителя во втором контуре B (ORC) для охлаждения рабочего тела F2 ORC. С этой целью третий теплообменник Е3 может быть соединен по текучей среде с радиатором S2, опционально включающим в себя устройство принудительной конвекцией (например, вентилятор) или устройство башенного охладителя. Таким образом, второе рабочее тело F2 охлаждается перед возвратом в контур B ORC, чтобы нагнетаться снова посредством второго насоса или компрессора Р2 вниз по потоку от второго теплообменника Е2.
Следует отметить, что второй контур В включает в себя обходной путь или канал BP с перепускным клапаном V, расположенный параллельно пути через вторую турбину Т2. Этот обходной путь ВР позволяет обходить турбину Т2 теплового двигателя H2 ORC и эффективно деактивировать ее посредством перепускного клапана V. Таким образом, второй контур В может работать в качестве простого контура охлаждения первичного контура А S-CO2, тем самым обеспечивая гибкое управление мощностью для удовлетворения требований потребителей и реагирования на изменения в источнике S отходящего тепла и/или параметрах окружающей среды.
Предпочтительный вариант осуществления, показанный на фиг. 1, таким образом, обеспечивает простую компоновку комбинированной системы 1 S-CO2 и ORC, которая обеспечивает возможность гибкого функционирования в процессе регенерации и утилизации отходящего тепла с высокой эффективностью. Компоновка тепловых двигателей в системе 1 согласно фиг. 1 имеет по меньшей мере два непрерывно расположенных нерегенеративных цикла A, B с одним теплообменником E1 отходящего тепла и внутренней передачей тепла во вторичный цикл ORC в охладителе первичного цикла S-CO2, имеющего высокий результирующий кпд комбинированной системы (например, до 20%), сопоставимой с гораздо более сложными системами S-CO2 предшествующего уровня техники. Внутренняя передача тепла к вторичному контуру В ORC в охладителе E2 первичного контура А S-CO2 и потоки одного флюида F1, F2, непрерывно протекающего через все элементы каждого контура А, В позволяют использовать меньше оборудования теплопередачи из-за отсутствия внутренних рекуператоров. Также можно видеть, что компоновка системы 1 исключает необходимость в каких-либо внутренних точках разделения потока и, тем самым, упрощает управление и контроль массового расхода.
На фиг. 2 схематично показан другой предпочтительный вариант осуществления системы 1 для регенерации и утилизации отходящего тепла в соответствии с настоящим изобретением. В этом альтернативном варианте осуществления, общая компоновка первого и второго тепловых двигателей H1, H2 в системе 1 остается по существу неизменной, но второй тепловой двигатель Н2 отличается от варианта осуществления согласно фиг. 1 тем, что он включает в себя четвертый теплообменник E4, который выполнен как рекуператор для рекуперации тепловой энергии из второго рабочего тела F2 после его расширения во второй турбине Т2. В связи с этим, четвертый теплообменник Е4 образует тепловое средство сопряжения во втором контуре B между вторым телом F2 на выходе из второй турбины Т2 и вторым телом F2 перед его входом во второй теплообменник Е2. Таким образом, данная компоновка использует остаточное тепло во втором теле F2 после его расширения в турбине для подогрева второго тела F2 в последующем или находящемся ниже по потоку положении во втором контуре B рядом со вторым теплообменником Е2. Таким образом, можно увеличить внутреннюю тепловую эффективность (кпд) второго теплового двигателя H2 ORC путем добавления рекуператора E4 к компоновке системы.
Следует также отметить, что вариант осуществления системы 1 согласно фиг. 2 отличается от фиг. 1 тем, что первый тепловой двигатель Н1 включает в себя еще один (пятый) теплообменник Е5, соединенный по текучей среде с радиатором S1 для дальнейшего охлаждения первого рабочего тела F1 после расширения в первой турбине T1. В этом случае, дополнительный теплообменник или охладитель Е5 желателен в первом контуре А (S-CO2), чтобы обеспечить требуемую температуру на входе первого насоса/компрессора P1, чтобы поддерживать рациональную величину работы сжатия. Хотя вариант осуществления системы 1 согласно фиг. 2 является более сложным, чем вариант осуществления согласно фиг. 1, и требует больше оборудования теплопередачи, он имеет более высокую общую эффективность, обеспечивает большую гибкость в управлении и может быть особенно подходящим для некоторых применений.
Наконец, на фиг. 3 показана блок-схема, которая схематично иллюстрирует этапы в способе регенерации и/или утилизации отходящего тепла в соответствии с предпочтительными вариантами осуществления настоящего изобретения, описанными выше со ссылками на фиг. 1 и 2. В частности, первый блок I на фиг. 3 представляет этап обеспечения первого теплового двигателя Н1 на сверхкритическом CО2, имеющего диоксид углерода (CО2) в качестве первого рабочего тела F1. Второй блок II затем представляет этап обеспечения второго теплового двигателя Н2 органического цикла Ренкина (ORC), имеющего легкий углеводород в качестве второго рабочего тела F2. Третий блок III представляет этап передачи тепла от источника S отходящего тепла к первому рабочему телу F1 (например, сверхкритическому CO2) в первом тепловом двигателе Н1. Затем завершающий блок IV на фиг. 3 представляет этап передачи тепла от первого рабочего тела F1 в первом тепловом двигателе Н1 к второму рабочему телу F2 во втором тепловом двигателе H2 для охлаждения рабочего тела F1 CO2 после расширения в турбине T1 первого теплового двигателя H1.
Хотя в данном документе были показаны и описаны некоторые конкретные варианты осуществления изобретения, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что существует множество альтернативных и/или эквивалентных реализаций. В связи с этим, например, следует отметить, что рабочее тело в первом контуре A и/или втором контуре В может быть двоичной, троичной или другой смесью рабочих тел. Смесь или комбинация рабочих тел может быть выбрана на основе уникальных признаков, которыми обладает комбинация тел в системе утилизации тепла, как описано в настоящем документе. В первом контуре A, например, одна такая комбинация тел содержит смесь жидкого абсорбента и CO2, позволяя перекачивать комбинированное тело в жидком состоянии до высокого давления с меньшим потреблением энергии, чем требуется для сжатия CO2. В другом примерном варианте осуществления, рабочее тело может быть комбинацией CO2 или сверхкритического диоксида углерода (S-CO2) и одного или более других смешиваемых тел или химических соединений. В других примерных вариантах осуществления, рабочее тлео может представлять собой комбинацию CO2 и пропана или CO2 и аммиака, без отклонения от объема настоящего раскрытия.
Использование термина ʺрабочее телоʺ не предназначено для ограничения состояния или фазы, в котором(ой) находится рабочее тело. Другими словами, рабочее тело может быть в жидкой фазе, в газовой фазе, в сверхкритической фазе, докритическом состоянии или любой(ом) другой(ом) фазе или состоянии в любой одной или нескольких точках в пределах цикла. Рабочее тело может находиться в сверхкритическом состоянии в некоторых частях контура или цикла (ʺстороны высокого давленияʺ) и в докритическом состоянии в других частях контура или цикла (ʺстороны низкого давленияʺ). В других примерных вариантах осуществления, весь контур или цикл может управляться и контролироваться таким образом, что рабочее тело находится в сверхкритическом состоянии или докритическом состоянии во время циркуляции во всем контуре.
Кроме того, следует понимать, что примерный вариант осуществления или примерные варианты осуществления, описанные и проиллюстрированные в данном описании, являются только примерами и не предназначены для ограничения объема, применимости или конфигурации каким-либо образом. Скорее всего, предшествующее краткое описание и подробное описание будут обеспечивать специалистам в данной области понятное объяснение или ориентиры для реализации по меньшей мере одного примерного варианта осуществления; при этом понятно, что различные изменения могут выполняться в функционировании и компоновке элементов, описанных в примерном варианте осуществления без отклонения от объема, как изложено в прилагаемой формуле изобретения и ее допустимых эквивалентах. В общем, подразумевается, что настоящая заявка охватывает любые такие адаптации или вариации конкретных вариантов осуществления, описанных здесь.
Следует также иметь в виду, что в данном документе подразумевается, что термины ʺсодержатьʺ, ʺсодержащийʺ, ʺвключать в себяʺ, ʺвключающий в себяʺ, ʺвмещатьʺ, ʺвмещающийʺ, ʺиметьʺ, ʺимеющийʺ, а также любые их варианты должны пониматься в инклюзивном (т.е. не исключительном) смысле, так что процесс, способ, устройство, аппарат или система, описанные в настоящем документе, не ограничиваются перечисленными признаками или частями или элементами или этапами, но могут включать в себя другие элементы, признаки, части или этапы, которые конкретно не перечислены, или которые присущи такому процессу, способу, изделию или устройству. Кроме того, формы единственного числа, используемые здесь, следует понимать как означающие одно или более, если явно не указано иное. Кроме того, термины ʺпервыйʺ, ʺвторойʺ, ʺтретийʺ и т.д. используются только в качестве обозначений, и не подразумевается, что они накладывают требования по численности или устанавливают определенное ранжирование важности их объектов.

Claims (25)

1. Система (1) для регенерации и/или утилизации энергии отходящего тепла от источника (S) отходящего тепла, содержащая:
первый тепловой двигатель (Н1), имеющий первое рабочее тело (F1) и определяющий первый контур (А) для циркуляции первого рабочего тела (F1), причем первый тепловой двигатель (H1) сконфигурирован и расположен для передачи тепла от источника (S) отходящего тепла к первому рабочему телу (F1), и
второй тепловой двигатель (Н2), имеющий второе рабочее тело (F2) и определяющий второй контур (В) для циркуляции второго рабочего тела (F2),
при этом второй тепловой двигатель (Н2) сконфигурирован и расположен для передачи тепла от первого рабочего тела (F1) ко второму рабочему телу (F2) для охлаждения первого рабочего тела (F1) после его расширения в турбине (T1) первого теплового двигателя (H1),
причем первый тепловой двигатель (Н1) содержит турбину (T1) и первый теплообменник (E1) в первом контуре (A) для передачи тепла от источника (S) отходящего тепла к первому рабочему телу (F1) и второй теплообменник (Е2) в первом контуре (A) для охлаждения первого рабочего тела (F1) после его расширения в турбине (Tl) первого теплового двигателя (H1), причем второй теплообменник (Е2) также находится во втором контуре (B) для передачи тепла от первого рабочего тела (F1) ко второму рабочему телу (F2) второго теплового двигателя (Н2),
причем второй тепловой двигатель (Н2) включает в себя вторую турбину (T2) для расширения второго рабочего тела (F2) в положении во втором контуре (В) ниже по потоку от второго теплообменника (Е2),
при этом второй тепловой двигатель (Н2) включает в себя обходной контур (BP) для обхода второй турбины (T2), причем обходной контур включает в себя клапан (V) для регулирования его работы.
2. Система (1) по п. 1, в которой второй тепловой двигатель (Н2) включает в себя третий теплообменник (E3) для охлаждения второго рабочего тела (F2) после его расширения во второй турбине (Т2).
3. Система (1) по п. 2, в которой второй тепловой двигатель (Н2) включает в себя четвертый теплообменник (E4), который образует рекуператор во втором контуре (B) для рекуперации тепла от второго рабочего тела (F2) после его расширения во второй турбине (Т2).
4. Система (1) по любому из пп. 1-3, в которой первый тепловой двигатель (H1) имеет пятый теплообменник (E5) для дополнительного охлаждения первого рабочего тела (F1) после его расширения в первой турбине (Т1), причем пятый теплообменник (Е5) расположен в первом контуре (А) после или ниже по потоку от второго теплообменника (Е2).
5. Система (1) по п. 1, в которой первое рабочее тело (F1) представляет собой диоксид углерода (CO2).
6. Система (1) по п. 1, в которой второй тепловой двигатель (Н2) представляет собой тепловой двигатель органического цикла Ренкина (ORC).
7. Способ регенерации отходящего тепла от источника (S) отходящего тепла, содержащий этапы:
обеспечение первого теплового двигателя (H1), имеющего первое рабочее тело (F1),
обеспечение второго теплового двигателя (H2), имеющего второе рабочее тело (F2);
передачу тепла от источника (S) отходящего тепла к первому рабочему телу (F1) в первом тепловом двигателе (Н1), и
передачу тепла от первого рабочего тела (F1) в первом тепловом двигателе (H1) ко второму рабочему телу (F2) во втором тепловом двигателе (H2) для охлаждения первого рабочего тела (F1) после его расширения в турбине (Т1) первого теплового двигателя (H1),
и дополнительно обход второй турбины (Т2) второго теплового двигателя (H2) через обходной контур.
8. Способ по п. 7, в котором этап передачи тепла от первого рабочего тела (F1) в первом тепловом двигателе (H1) ко второму рабочему телу (F2) во втором тепловом двигателе (Н2) содержит как охлаждение первого рабочего тела (F1) после его расширения в турбине (Т1) первого теплового двигателя (H1), так и нагревание второго рабочего тела (F2) во втором тепловом двигателе (Н2).
9. Способ по п. 7 или 8, в котором второй тепловой двигатель (Н2) включает в себя вторую турбину (T2) для расширения второго рабочего тела (F2) в положении ниже по потоку от второго теплообменника (Е2).
10. Способ по любому из пп. 7-9, дополнительно содержащий охлаждение второго рабочего тела (F2) во втором тепловом двигателе (Н2) после его расширения во второй турбине (Т2).
11. Способ по любому из пп. 7-9, дополнительно содержащий рекуперацию тепла от второго рабочего тела (F2) после его расширения во второй турбине (Т2), особенно путем передачи тепла ко второму рабочему телу (F2) в положении рядом и/или выше по потоку от второго теплообменника (Е2).
12. Способ по любому из пп. 7-11, содержащий дополнительное охлаждение первого рабочего тела (F1) после этапа передачи тепла от первого рабочего тела (F1) ко второму рабочему телу (F2).
13. Способ по п. 7, в котором первое рабочее тело (F1) представляет собой диоксид углерода (CO2).
14. Способ по п. 7, в котором второй тепловой двигатель (Н2) представляет собой тепловой двигатель органического цикла Ренкина (ORC).
RU2017111353A 2014-09-08 2014-09-08 Система и способ регенерации энергии отходящего тепла RU2673959C2 (ru)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2014/000666 WO2016039655A1 (en) 2014-09-08 2014-09-08 System and method for recovering waste heat energy

Publications (3)

Publication Number Publication Date
RU2017111353A3 RU2017111353A3 (ru) 2018-10-10
RU2017111353A RU2017111353A (ru) 2018-10-10
RU2673959C2 true RU2673959C2 (ru) 2018-12-03

Family

ID=52774512

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017111353A RU2673959C2 (ru) 2014-09-08 2014-09-08 Система и способ регенерации энергии отходящего тепла

Country Status (4)

Country Link
EP (1) EP3167166B1 (ru)
ES (1) ES2848307T3 (ru)
RU (1) RU2673959C2 (ru)
WO (1) WO2016039655A1 (ru)

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
IT201600078847A1 (it) * 2016-07-27 2018-01-27 Turboden Spa Ciclo a scambio diretto ottimizzato
JP6363313B1 (ja) * 2018-03-01 2018-07-25 隆逸 小林 作動媒体特性差発電システム及び該発電システムを用いた作動媒体特性差発電方法
US11047265B1 (en) 2019-12-31 2021-06-29 General Electric Company Systems and methods for operating a turbocharged gas turbine engine
US11592009B2 (en) 2021-04-02 2023-02-28 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods for generation of electrical power at a drilling rig
US11493029B2 (en) 2021-04-02 2022-11-08 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods for generation of electrical power at a drilling rig
US11421663B1 (en) 2021-04-02 2022-08-23 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods for generation of electrical power in an organic Rankine cycle operation
US11486370B2 (en) 2021-04-02 2022-11-01 Ice Thermal Harvesting, Llc Modular mobile heat generation unit for generation of geothermal power in organic Rankine cycle operations
US11326550B1 (en) 2021-04-02 2022-05-10 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods utilizing gas temperature as a power source
US11644015B2 (en) 2021-04-02 2023-05-09 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods for generation of electrical power at a drilling rig
US11480074B1 (en) 2021-04-02 2022-10-25 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods utilizing gas temperature as a power source
US11293414B1 (en) 2021-04-02 2022-04-05 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods for generation of electrical power in an organic rankine cycle operation
US11280322B1 (en) 2021-04-02 2022-03-22 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems for generating geothermal power in an organic Rankine cycle operation during hydrocarbon production based on wellhead fluid temperature

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2000449C1 (ru) * 1990-07-18 1993-09-07 Николай Яковлевич Бутаков Многоконтурна энергетическа установка
US6009711A (en) * 1997-08-14 2000-01-04 Ormat Industries Ltd. Apparatus and method for producing power using geothermal fluid
CA2780988A1 (en) * 2009-11-16 2011-05-19 General Electric Company Compound closed-loop heat cycle system for recovering waste heat and method thereof
WO2012074911A2 (en) * 2010-11-29 2012-06-07 Echogen Power Systems, Inc. Heat engine cycles for high ambient conditions
JP2013057305A (ja) * 2011-09-09 2013-03-28 Saga Univ 蒸気動力サイクルシステム
RU2011143401A (ru) * 2010-10-29 2013-05-10 Дженерал Электрик Компани Цикл ренкина, объединенный с абсорбционным холодильником

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4760705A (en) * 1983-05-31 1988-08-02 Ormat Turbines Ltd. Rankine cycle power plant with improved organic working fluid
WO1995024822A2 (en) * 1994-03-14 1995-09-21 Ramesh Chander Nayar Multi fluid, reversible regeneration heating, combined cycle
WO2011030285A1 (en) * 2009-09-09 2011-03-17 Andrew Ochse Method and apparatus for electrical power production
BR112012024146B1 (pt) 2010-03-23 2020-12-22 Echogen Power Systems, Inc. circuito de fluido de trabalho para recuperação de calor perdido e método de recuperação de calor perdido em um circuito de fluido de trabalho
BE1019372A3 (nl) * 2010-06-11 2012-06-05 Schutter Rotterdam B V Koelsysteem met laag energieverbruik.
WO2012074940A2 (en) 2010-11-29 2012-06-07 Echogen Power Systems, Inc. Heat engines with cascade cycles
US8616001B2 (en) 2010-11-29 2013-12-31 Echogen Power Systems, Llc Driven starter pump and start sequence
WO2013115668A1 (en) * 2012-02-02 2013-08-08 Siemens Aktiengesellschaft Heat engine and method for utilizing waste heat
US9145795B2 (en) * 2013-05-30 2015-09-29 General Electric Company System and method of waste heat recovery

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2000449C1 (ru) * 1990-07-18 1993-09-07 Николай Яковлевич Бутаков Многоконтурна энергетическа установка
US6009711A (en) * 1997-08-14 2000-01-04 Ormat Industries Ltd. Apparatus and method for producing power using geothermal fluid
CA2780988A1 (en) * 2009-11-16 2011-05-19 General Electric Company Compound closed-loop heat cycle system for recovering waste heat and method thereof
RU2011143401A (ru) * 2010-10-29 2013-05-10 Дженерал Электрик Компани Цикл ренкина, объединенный с абсорбционным холодильником
WO2012074911A2 (en) * 2010-11-29 2012-06-07 Echogen Power Systems, Inc. Heat engine cycles for high ambient conditions
JP2013057305A (ja) * 2011-09-09 2013-03-28 Saga Univ 蒸気動力サイクルシステム

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JP 2013057305 A, 28.03.2013, , фиг.9, фиг.10. *
реферат, фиг.9, фиг.10. *

Also Published As

Publication number Publication date
ES2848307T3 (es) 2021-08-06
RU2017111353A3 (ru) 2018-10-10
RU2017111353A (ru) 2018-10-10
EP3167166B1 (en) 2020-11-04
WO2016039655A1 (en) 2016-03-17
EP3167166A1 (en) 2017-05-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2673959C2 (ru) Система и способ регенерации энергии отходящего тепла
CN105102772B (zh) 具有超临界工作流体的热机系统及其处理方法
US10934895B2 (en) Heat engine systems with high net power supercritical carbon dioxide circuits
JP6039572B2 (ja) 並行循環熱機関
US8302399B1 (en) Organic rankine cycle systems using waste heat from charge air cooling
US9038391B2 (en) System and method for recovery of waste heat from dual heat sources
US9784248B2 (en) Cascaded power plant using low and medium temperature source fluid
US20140075937A1 (en) Cascaded power plant using low and medium temperature source fluid
US20150075164A1 (en) Cascaded power plant using low and medium temperature source fluid
JP2009221961A (ja) バイナリー発電システム
EP3008297B1 (en) Arrangement and method for the utilization of waste heat
EP3008298B1 (en) Arrangement and method for the utilization of waste heat
JP2016151191A (ja) 発電システム
US10526925B2 (en) Supercritical CO2 generation system for series recuperative type
KR101940436B1 (ko) 열 교환기, 에너지 회수 장치 및 선박