RU2772306C1 - Installation for generating mechanical energy using a combined energy cycle - Google Patents
Installation for generating mechanical energy using a combined energy cycle Download PDFInfo
- Publication number
- RU2772306C1 RU2772306C1 RU2021103940A RU2021103940A RU2772306C1 RU 2772306 C1 RU2772306 C1 RU 2772306C1 RU 2021103940 A RU2021103940 A RU 2021103940A RU 2021103940 A RU2021103940 A RU 2021103940A RU 2772306 C1 RU2772306 C1 RU 2772306C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- heat
- cycle
- ammonia
- steam
- energy
- Prior art date
Links
- 238000009434 installation Methods 0.000 title claims abstract description 48
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 160
- 230000001172 regenerating Effects 0.000 claims abstract description 14
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 226
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 claims description 113
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 claims description 103
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 81
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims description 58
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims description 58
- 239000000470 constituent Substances 0.000 claims description 51
- 238000011084 recovery Methods 0.000 claims description 49
- 238000009833 condensation Methods 0.000 claims description 48
- 230000005494 condensation Effects 0.000 claims description 48
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 44
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 41
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N oxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 41
- 238000011069 regeneration method Methods 0.000 claims description 41
- 230000008929 regeneration Effects 0.000 claims description 39
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 35
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 34
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 28
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 25
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 21
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 20
- VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N ammonium hydroxide Chemical compound [NH4+].[OH-] VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- 235000011114 ammonium hydroxide Nutrition 0.000 claims description 18
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- 238000010248 power generation Methods 0.000 claims description 18
- NLXLAEXVIDQMFP-UHFFFAOYSA-N Ammonium chloride Substances [NH4+].[Cl-] NLXLAEXVIDQMFP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 14
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 claims description 10
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 claims description 8
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 6
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 5
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000000284 extract Substances 0.000 claims description 5
- 230000003134 recirculating Effects 0.000 claims description 5
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 4
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 3
- 239000008346 aqueous phase Substances 0.000 claims description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims description 2
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 claims description 2
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 16
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 4
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 94
- 238000000034 method Methods 0.000 description 39
- 238000003795 desorption Methods 0.000 description 23
- 229920003258 poly(methylsilmethylene) Polymers 0.000 description 17
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 10
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 9
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 7
- 239000006200 vaporizer Substances 0.000 description 7
- 229960004424 Carbon Dioxide Drugs 0.000 description 6
- 235000011089 carbon dioxide Nutrition 0.000 description 6
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 6
- 238000006011 modification reaction Methods 0.000 description 6
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 5
- 239000000567 combustion gas Substances 0.000 description 4
- 239000005431 greenhouse gas Substances 0.000 description 4
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 description 4
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 3
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 3
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 3
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 description 3
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 3
- 238000011068 load Methods 0.000 description 3
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 description 3
- 230000031068 symbiosis, encompassing mutualism through parasitism Effects 0.000 description 3
- 229910002089 NOx Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 2
- 230000001419 dependent Effects 0.000 description 2
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000000051 modifying Effects 0.000 description 2
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000002441 reversible Effects 0.000 description 2
- 230000032258 transport Effects 0.000 description 2
- 239000002918 waste heat Substances 0.000 description 2
- 239000004606 Fillers/Extenders Substances 0.000 description 1
- HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M Silver chloride Chemical compound [Cl-].[Ag+] HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 1
- 150000001298 alcohols Chemical class 0.000 description 1
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-O ammonium Chemical compound [NH4+] QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-O 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000295 complement Effects 0.000 description 1
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 230000000593 degrading Effects 0.000 description 1
- 230000001627 detrimental Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- OTMSDBZUPAUEDD-UHFFFAOYSA-N ethane Chemical compound CC OTMSDBZUPAUEDD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- -1 for example Chemical compound 0.000 description 1
- 239000010795 gaseous waste Substances 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 230000002427 irreversible Effects 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005191 phase separation Methods 0.000 description 1
- 230000001737 promoting Effects 0.000 description 1
- ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N propane Chemical compound CCC ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000001294 propane Substances 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 238000004064 recycling Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 1
- 230000001052 transient Effects 0.000 description 1
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 1
- 230000035899 viability Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY
Область применения настоящего изобретения относится к области техники, связанной с генерированием механической энергии для применения и преобразования в другие типы энергии.The scope of the present invention relates to the field of technology related to the generation of mechanical energy for use and conversion into other types of energy.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND OF THE INVENTION
В настоящее время так называемые «комбинированные циклы» являются одной из наиболее эффективных и экологически чистых существующих технологий для генерирования энергии. Комбинированный цикл представляет собой способ генерирования энергии посредством соединения двух связанных термодинамических циклов для улучшения производительности.Currently, the so-called "combined cycles" are one of the most efficient and environmentally friendly technologies available for power generation. The combined cycle is a method of generating energy by combining two related thermodynamic cycles to improve performance.
На известном уровне техники комбинированных циклов для генерирования механической энергии и ее возможного преобразования в другие типы энергии существует потребность в повышении эффективности и сокращении выброса парниковых газов в атмосферу.In the prior art of combined cycles for generating mechanical energy and its possible conversion into other types of energy, there is a need to improve efficiency and reduce greenhouse gas emissions to the atmosphere.
Одной установкой для реализации комбинированного цикла является газовая турбина, работающая в открытом цикле Брайтона, в котором горячие выхлопные газы проходят через котел-утилизатор, где генерируется поток, который применяют к турбине, выполняющей дополнительную механическую работу после независимого цикла Рэнкина.One combined cycle plant is a gas turbine operating in an open Brayton cycle in which hot exhaust gases pass through a waste heat boiler where a flow is generated that is applied to the turbine performing additional mechanical work after an independent Rankine cycle.
Наиболее распространенные энергетические установки с комбинированным циклом работают с газовыми турбинами, забирающими внешний воздух, который после повышения давления на компрессоре проходит в камеру сгорания, где сжигается топливо. Выхлопные газы от этого выходят из камеры сгорания при высокой температуре с избыточным воздухом, являющимся теплопередающей средой открытого цикла Брайтона, который расширяется в газовой турбине, генерируя механическую работу. Наконец, газы турбины покидают котел и выбрасываются в атмосферу через дымоход.The most common combined cycle power plants operate with gas turbines that take in outside air, which, after pressurizing the compressor, passes into the combustion chamber where the fuel is burned. The exhaust gases from this exit the combustion chamber at high temperature with excess air being the Brayton open cycle heat transfer medium which expands in the gas turbine, generating mechanical work. Finally, the turbine gases leave the boiler and are released into the atmosphere through the chimney.
Тот факт, что компрессор забирает воздух внешней среды, а газообразные продукты сгорания в итоге выбрасываются в атмосферу без возврата в цикл, означает, что это открытые циклы Брайтона, поскольку имеется взаимный обмен веществом с атмосферой.The fact that the compressor draws in air from the outside and the combustion gases are eventually vented to the atmosphere without being recycled means that these are open Brayton cycles, since there is a mutual exchange of matter with the atmosphere.
Поэтому, и несмотря на их простоту, эти открытые циклы имеют недостаток в том, что они подразумевают эмиссию загрязняющих газов, когда продукты сгорания в итоге выбрасываются в атмосферу. Эти загрязняющие газы представляют собой в основном CO2 и NOx (всегда при условии, что в состав топлива не входит сера). Пропорция CO2, выбрасываемого во время сгорания, зависит непосредственно от типа сжигаемого топлива. В настоящее время природный газ является наиболее широко используемым топливом в отрасли газовых турбин, поскольку, среди прочего, метан, содержащийся в этом топливе, является углеводородом, который дает наименьшее количество CO2 на единицу производимой работы.Therefore, and despite their simplicity, these open cycles have the disadvantage that they involve the emission of pollutant gases when the combustion products are eventually released into the atmosphere. These pollutant gases are mainly CO2 and NOx (always provided the fuel is sulfur-free). The proportion of CO2 emitted during combustion depends directly on the type of fuel being burned. Natural gas is currently the most widely used fuel in the gas turbine industry because, among other things, the methane contained in this fuel is the hydrocarbon that produces the least amount of CO2 per unit of work produced.
Кроме того, производство NOx значительно увеличивается с увеличением температуры сгорания. Очевидно, это создает конфликт интересов с наличием компромисса между эффективностью и воздействием на окружающую среду, поскольку согласно принципам термодинамики увеличение температуры сгорания повышает производительность, но с другой стороны это приводит к увеличению выбросов NOx.In addition, NOx production increases significantly with increasing combustion temperature. Obviously, this creates a conflict of interest with a trade-off between efficiency and environmental impact, because according to the principles of thermodynamics, an increase in combustion temperature increases productivity, but on the other hand it leads to an increase in NO x emissions.
Конечной целью, которая бы преодолела недостатки, свойственные известному уровню техники, состоит в разработке цикла, который в основном производит механическую энергию, который не приводит к эмиссии никаких парниковых газов в атмосферу и который дает лучшую производительность, чем получаемая в настоящее время в других традиционных комбинированных циклах.The ultimate goal, which would overcome the shortcomings of the prior art, is to develop a cycle that mainly produces mechanical energy, which does not result in the emission of any greenhouse gases into the atmosphere, and which gives better performance than currently obtained in other traditional combined cycles.
Настоящее изобретение относится к установке для выполнения процесса комбинированного цикла для генерирования механической энергии, в котором в качестве теплопередающей среды используется вода и который специально разработан для работы в замкнутом цикле, или для выполнения процесса, основанного на внутреннем кислородном горении, в котором имеется по меньшей мере один цикл Рэнкина, который работает интегрированно с вариантом цикла Брайтона, который восстанавливают с использованием теплового насоса, который производит обмен этой тепловой энергией (между циклом Брайтона и тепловым насосом взаимный обмен веществом отсутствует), и так, что путем комбинирования двух указанных составляющих циклов механическую энергию генерируют без необходимости выбрасывать парниковые газы в атмосферу.The present invention relates to a plant for performing a combined cycle process for generating mechanical power, which uses water as a heat transfer medium, and which is specially designed to operate in a closed cycle, or to perform a process based on internal oxygen combustion, which has at least one Rankine cycle, which works in an integrated manner with a variant of the Brayton cycle, which is restored using a heat pump, which exchanges this thermal energy (there is no mutual exchange of matter between the Brayton cycle and the heat pump), and so that by combining the two indicated components of the cycles, mechanical energy generate without the need to emit greenhouse gases into the atmosphere.
Одна альтернатива для устранения эмиссии загрязняющих газов в атмосферу состоит в использовании комбинированных циклов, которые работают как замкнутые циклы. Другими словами, в этих циклах теплопередающая среда рециркулирует и не требует восполнения, и при этом не входит в контакт с атмосферой. Тем не менее, везде, где источником тепла цикла является энергия от внутреннего сгорания, определенные химические реагенты (топливо и вещество для поддержки горения) необходимо добавлять постоянно, при этом необходимо устранять из цикла продукты, генерируемые реакцией химического горения. Это создает важные экономические, технические и экологические проблемы, особенно относительно непрерывного отделения продуктов горения в газовой фазе, которая действует как теплопередающая среда. Другой недостаток состоит в том, что поскольку в качестве вещества для поддержки горения воздух не используется, замкнутые циклы для выполнения процесса горения требуют чистый кислород и поэтому зависят от некоторого вспомогательного процесса, который обеспечивает его.One alternative to eliminate the emission of polluting gases into the atmosphere is to use combined cycles, which operate as closed cycles. In other words, in these cycles, the heat transfer medium is recirculated and does not need to be replenished, nor does it come into contact with the atmosphere. However, wherever the heat source of the cycle is energy from internal combustion, certain chemicals (fuel and combustion aid) must be constantly added, while products generated by the chemical combustion reaction must be removed from the cycle. This creates important economic, technical and environmental problems, especially with regard to the continuous separation of combustion products in the gas phase, which acts as a heat transfer medium. Another disadvantage is that since air is not used as a combustion support medium, closed circuits require pure oxygen to carry out the combustion process and therefore depend on some auxiliary process to provide it.
Эффективным способом повышения эффективности цикла Брайтона является «регенерация», посредством которой часть нагрева цикла выполняют с использованием источника тепла, являющегося внутренним относительно самого цикла.An effective way to increase the efficiency of the Brayton cycle is "regeneration", whereby part of the heating of the cycle is performed using a heat source that is internal to the cycle itself.
Благодаря «регенерации» добиваются улучшенной производительности для цикла, поскольку количество внешнего тепла, которое необходимо подавать в цикл, уменьшается, и при этом сокращается количество отходящего тепла, высвобождаемого циклом во внешнюю среду.Through "regeneration", improved performance for the cycle is achieved, since the amount of external heat that must be supplied to the cycle is reduced, and thus the amount of waste heat released by the cycle to the external environment is reduced.
Термин «регенеративный цикл Брайтона» относится к циклу Брайтона, в котором восстанавливают часть тепла, выделяемого горячими газами за турбиной, и передают его, с использованием теплообменника, сжатым газам перед их вхождением в камеру сгорания. Тем не менее, этот метод регенерации не является единственным, поскольку также является возможным «регенерировать» цикл Брайтона с использованием любого другого способа, который может возвращать тепло из некоторой части цикла для введения его обратно в процесс.The term "Brighton regenerative cycle" refers to a Brayton cycle in which part of the heat generated by the hot gases behind the turbine is recovered and transferred, using a heat exchanger, to the compressed gases before they enter the combustion chamber. However, this regeneration method is not the only one, since it is also possible to "regenerate" the Brayton cycle using any other method that can recover heat from some part of the cycle to be introduced back into the process.
Одним из инновационных аспектов этого изобретения является то, что оно содержит средства, необходимые для реализации регенерированного цикла Брайтона с использованием «теплового насоса», подключенного к одному или более циклам Рэнкина, что порождает установку комбинированного цикла с необычными характеристиками.One of the innovative aspects of this invention is that it contains the means necessary to implement a regenerated Brayton cycle using a "heat pump" connected to one or more Rankine cycles, which gives rise to a combined cycle plant with unusual characteristics.
В термодинамике «тепловой насос» определяют как любую холодильную машину, которая забирает тепловую энергию у одного тела и переносит ее на другое, имеющее более высокую температуру, благодаря некоторому количеству энергии, подаваемому извне (обычно в виде механической работы от сжатия). Для всех целей можно полагать, что холодильная машина является тем же, что и тепловой насос, и эти два термина применяются без различения или с учетом подразумеваемого приложения.In thermodynamics, a "heat pump" is defined as any refrigeration machine that takes thermal energy from one body and transfers it to another, which has a higher temperature, due to some amount of energy supplied from the outside (usually in the form of mechanical work from compression). For all purposes, a chiller may be considered to be the same as a heat pump, and the two terms are used without distinction or with regard to the intended application.
На промышленном уровне существует два типа холодильных машин или тепловых насосов, в зависимости от типа применяемой ими технологии: компрессионные холодильные машины и абсорбционные холодильные машины. Машины этих двух типов (компрессионные или абсорбционные) имеют общее в том, что все они имеют конденсатор (высокотемпературный источник) и испаритель (низкотемпературный источник), разделенные расширительным устройством. Однако они отличаются способом и типом энергии, используемой для того, чтобы заставить низкотемпературный и высокотемпературный источники работать при разных давлениях.At the industrial level, there are two types of chillers or heat pumps, depending on the type of technology they use: compression chillers and absorption chillers. These two types of machines (compression or absorption) have in common that they all have a condenser (high temperature source) and an evaporator (low temperature source) separated by an expansion device. However, they differ in the way and type of energy used to make the low temperature and high temperature sources operate at different pressures.
В компрессионных холодильных машинах используют газовый компрессор, который потребляет механическую работу, забираемую извне, тогда как в абсорбционных машинах для работы требуется, по существу, просто снабжение из внешнего источника тепла, и эти машины основаны на физико-химическом принципе абсорбции/десорбции газа в жидкости.Compression refrigeration machines use a gas compressor that consumes mechanical work taken from outside, while absorption machines require essentially just a supply from an external heat source to operate, and these machines are based on the physico-chemical principle of absorption / desorption of gas in a liquid. .
Традиционные «абсорбционные» машины могут обходиться без компрессора, поскольку система «абсорбер/генератор», без необходимости в механических средствах, отвечает за генерирование требуемой разности давлений, делая так, что абсорбер и испаритель работают при более низком давлении, чем генератор и конденсатор.Traditional "absorption" machines can do without a compressor because the "absorber/generator" system, without the need for mechanical means, is responsible for generating the required pressure difference, making the absorber and evaporator operate at a lower pressure than the generator and condenser.
Вместо потребности в работе сжатия компрессора, чтобы работать, абсорбционным машинам требуется дополнительное количество тепла для выполнения операции «десорбции» (испарения растворенного газа). В конечном итоге это дополнительное количество тепла устраняется, когда происходит обратный процесс «абсорбции». Эта дополнительная потеря тепла является причиной, по которой, говоря сравнительно, абсорбционные машины теряют и требуют больше энергии для работы, чем компрессионные машины, так что их энергоэффективность всегда оказывается относительно низкой. Тем не менее, абсорбционные машины все же имеют преимущество в том, что, не считая насоса для раствора, им для функционирования практически не нужна механическая работа.Instead of requiring compressor compression work to operate, absorption machines require additional heat to perform the "desorption" (evaporation of dissolved gas) operation. Ultimately, this additional amount of heat is removed when the reverse "absorption" process occurs. This additional heat loss is the reason why, comparatively speaking, absorption machines lose and require more energy to operate than compression machines, so that their energy efficiency is always relatively low. However, absorption machines still have the advantage that, apart from the solution pump, they require little or no mechanical work to operate.
Применимость «теплового насоса», чтобы помогать регенерации в комбинированном цикле системы, крайне ограничена, с одной стороны, рядом неминуемых термодинамических ограничений, а с другой - конкретными требованиями, необходимыми для его функционирования. Другими словами, цикл Брайтона не может быть регенерирован с использованием просто некоторого произвольного теплового насоса.The applicability of a "heat pump" to assist regeneration in a combined cycle system is extremely limited, on the one hand, by a number of inevitable thermodynamic limitations, and on the other hand, by the specific requirements necessary for its operation. In other words, the Brayton cycle cannot be regenerated using just some arbitrary heat pump.
Для того, чтобы определенный тепловой насос был полезным для «регенерирования» цикла Брайтона, как предлагается в данном документе, он должен удовлетворять следующим требованиям:In order for a particular heat pump to be useful for the "regeneration" of the Brayton cycle, as proposed in this document, it must meet the following requirements:
- «низкотемпературный источник» теплового насоса должен работать при температурах, близких к температурам конденсации водяного пара при атмосферном давлении;- the "low temperature source" of the heat pump must operate at temperatures close to the condensing temperatures of water vapor at atmospheric pressure;
- разность температур между низкотемпературным и высокотемпературным источниками должна быть значительной (несколько десятков градусов Цельсия), чтобы регенерировать пар при давлении, существенно большем, чем давление, при котором он был ранее сконденсирован;- the temperature difference between the low-temperature and high-temperature sources must be significant (several tens of degrees Celsius) in order to regenerate steam at a pressure significantly higher than the pressure at which it was previously condensed;
- энергия механического сжатия также должна забираться из цикла Брайтона, который регенерируют, и возвращаться в него;- the energy of mechanical compression must also be taken from the Brayton cycle, which is being regenerated, and returned to it;
- производительность холодильного цикла должна быть существенно высокой, чтобы такой способ регенерирующей части комбинированного цикла был целесообразным.- the productivity of the refrigeration cycle must be substantially high in order for such a method of the regenerating part of the combined cycle to be appropriate.
Установка, работающая согласно комбинированному циклу, который является предметом этого изобретения, предлагает, с одной стороны, большую эффективность, чем у традиционных комбинированных циклов, а с другой стороны - естественный захват CO2 (двуокиси углерода), когда любой из источников тепла, поставляющих тепло в комбинированный цикл, состоит из камеры сгорания. Установка согласно настоящему изобретению и способ, выполняемый с ее помощью, косвенно предоставляют систему отделения и захвата диоксида углерода.The combined cycle plant that is the subject of this invention offers, on the one hand, greater efficiency than traditional combined cycles and, on the other hand, a natural capture of CO 2 (carbon dioxide) when any of the heat sources supplying heat in the combined cycle, consists of a combustion chamber. The installation according to the present invention and the method performed with it, indirectly provide a system for separating and capturing carbon dioxide.
Подразумевают, что комбинированный цикл «естественно захватывает CO2», когда этот газ от сгорания получают в единственной точке цикла, концентрируют и изолируют (в жидкой или газообразной форме) без необходимости в каком-либо дополнительном процессе, отличном от нормального функционирования самого цикла для генерирования полезной энергии. Когда в качестве источника энергии используют разновидности топлива, само функционирование установки отделяет и изолирует загрязняющие газы и предотвращает их вхождение в контакт с атмосферой. С другой стороны, когда в качестве продукта сгорания генерируется вода, она, с другой стороны, удаляется из комбинированного цикла в жидкой фазе и при давлении окружающей среды.The combined cycle is meant to “naturally capture CO 2 ” when this combustion gas is obtained at a single point in the cycle, concentrated and sequestered (in liquid or gaseous form) without the need for any additional process other than the normal operation of the cycle itself to generate useful energy. When fuels are used as an energy source, the very operation of the plant separates and isolates pollutant gases and prevents them from coming into contact with the atmosphere. On the other hand, when water is generated as a combustion product, it is, on the other hand, removed from the combined cycle in liquid phase and at ambient pressure.
В традиционных комбинированных циклах в каждом составляющем цикле (Брайтона и Рэнкина) используют отдельную теплопередающую среду и, более конкретно, их цикл Брайтона осуществляет обмен веществом и энергией с атмосферой.Traditional combined cycles use a separate heat transfer medium in each constituent cycle (Brighton and Rankine) and, more specifically, their Brayton cycle exchanges matter and energy with the atmosphere.
С другой стороны, составляющий цикл Брайтона и составляющий главный цикл Рэнкина, которые включают этот комбинированный цикл, работают связанно, производя обмен веществом (при том, что оба используют воду как общую теплопередающую среду) и энергией, так, чтобы составлять единый по своей сути цикл для генерирования механической энергии и с особыми признаками.On the other hand, the constituent Brayton cycle and the constituent main Rankine cycle, which include this combined cycle, work in conjunction, producing an exchange of matter (while both use water as a common heat transfer medium) and energy, so as to constitute an inherently single cycle for generating mechanical energy and with special features.
Одним признаком этого комбинированного цикла является то, что за исключением неизбежных «прямых потерь», тепло отводят во внешнюю среду только через единственный теплоотвод, и, следовательно, получают лучшую производительность, чем в других традиционных комбинированных циклах.One feature of this combined cycle is that, except for the inevitable "direct losses", heat is removed to the external environment only through a single heat sink, and therefore better performance is obtained than in other traditional combined cycles.
Учитывая, что составляющие циклы Брайтона и Рэнкина, образующие комбинированный цикл этого изобретения, обладают конкретными признаками, которые выделяют их из этих термодинамических циклов в определенных существенных аспектах, термины «цикл Брайтона» и «цикл Рэнкина», при ссылке на участки, которые включают комбинированный цикл в целом, не являются строго верными, поскольку они отличаются от этих циклов в определенных фундаментальных аспектах (например, циклы Брайтона, по определению, не работают с конденсирующейся жидкостью). Тем не менее, верно то, что комбинированный цикл этого изобретения состоит из вариантов или модификаций двух циклов, Брайтона и Рэнкина, и они на самом деле работают взаимосвязанно. Именно поэтому в этом документе к этим модифицированным циклам Брайтона и Рэнкина обращение производится всегда в сопровождении слова «составляющий», чтобы предотвратить путаницу и облегчить восприятие и идентификацию компонентов, на которые производится ссылка.Given that the component Brayton and Rankine cycles that form the combined cycle of this invention have specific features that distinguish them from these thermodynamic cycles in certain significant aspects, the terms "Brighton cycle" and "Rankine cycle", when referring to sections that include a combined cycle as a whole are not strictly true because they differ from these cycles in certain fundamental respects (for example, Brayton cycles, by definition, do not work with a condensable liquid). However, it is true that the combined cycle of this invention consists of variations or modifications of the two cycles, Brighton and Rankin, and they actually work in conjunction. That is why in this document, these modified Brayton and Rankin cycles are always referred to with the word "constituent" in order to prevent confusion and facilitate the perception and identification of the components to which reference is made.
ОПРЕДЕЛЕНИЯDEFINITIONS
UAX: Блок абсорбера для теплообмена. Это система, которая выполняет функции «теплового насоса», способствуя регенерации этого комбинированного энергетического цикла. UAX, как независимый рабочий блок, идентифицируется номером (200). Он применяется для регенерации составляющего цикла Брайтона. UAX (200), хотя и не производит взаимного обмена веществом с комбинированным энергетическим циклом, работает в «симбиозе» с ним и представляет собой обязательную систему для работы комбинированного цикла для генерирования механической энергии. UAX является основным компонентом установки настоящего изобретения, которое работает с аммиаком и водой.UAX: Absorber block for heat exchange. It is a system that acts as a "heat pump" to help regenerate this combined energy cycle. UAX, as an independent working unit, is identified by a number (200). It is used to regenerate the constituent Brayton cycle. UAX (200), although it does not reciprocate with the combined energy cycle, works in "symbiosis" with it and is a mandatory system for combined cycle operation to generate mechanical energy. UAX is the main component of the installation of the present invention, which works with ammonia and water.
Концентрированный раствор: это раствор аммиака в воде, который выходит из абсорбера.Concentrated Solution: This is a solution of ammonia in water that comes out of the absorber.
Разбавленный раствор: это раствор аммиака в воде, который выходит из генератора (201).Diluted Solution: This is the ammonia/water solution that comes out of the generator (201).
Раствор промежуточной концентрации: это раствор аммиака в воде, который выходит из генератора (202) и который входит в генератор (201).Intermediate Solution: This is the solution of ammonia in water that exits the generator (202) and that enters the generator (201).
Комбинированный цикл: Если не указано иначе, термин «Комбинированный цикл» относится к циклу, который является предметом этого изобретения, целью которого является получение механической энергии из тепловой энергии. В этом описании термины «Комбинированный цикл», «Энергетический цикл» и «Комбинированный энергетический цикл» используются без различия. Термин «традиционный комбинированный цикл» применяется в данном документе для обозначения любого возможного комбинированного цикла из известного уровня данной области техники.Combined cycle: Unless otherwise indicated, the term "Combined cycle" refers to the cycle that is the subject of this invention, the purpose of which is to obtain mechanical energy from thermal energy. In this description, the terms "Combined Cycle", "Power Cycle" and "Combined Power Cycle" are used without distinction. The term "conventional combined cycle" is used herein to refer to any possible combined cycle known from the prior art.
Регенеративный цикл: Это цикл с системой теплообменников для его «регенерации», в том смысле, что некоторое нагревание цикла выполняется с использованием источника тепла, внутреннего относительно самого цикла.Regenerative cycle: This is a cycle with a system of heat exchangers to "regenerate" it, in the sense that some heating of the cycle is done using a heat source internal to the cycle itself.
Составляющий цикл Брайтона: Это часть энергетического цикла этого изобретения, которая регенерируется тепловым насосом UAX (200). Функционирование этой части энергетического цикла основано на модификации цикла Брайтона, которая в этом изобретении обладает такими конкретными особыми признаками как использование конденсирующейся текучей среды (воды), работа взаимосвязанно с циклом Рэнкина и регенерирование посредством теплового насоса UAX (200).Brayton constituent cycle: This is the part of the energy cycle of this invention, which is regenerated by the heat pump UAX (200). The functioning of this part of the energy cycle is based on a modification of the Brayton cycle, which in this invention has such specific special features as the use of condensable fluid (water), operation in conjunction with the Rankine cycle and regeneration by means of a heat pump UAX (200).
Составляющий главный цикл Рэнкина: Это часть энергетического цикла этого изобретения, которая приводится в действие питательным насосом (119) и турбиной ТВД (122). Функционирование этой части энергетического цикла основано на цикле Рэнкина, хотя в этом изобретении «главный цикл Рэнкина» обладает такими конкретными особыми признаками, как взаимосвязанная работа с «составляющим циклом Брайтона» так, что они имеют определенные общие элементы. Составляющий главный цикл Рэнкина является основной частью энергетического цикла.Constituent Main Rankine Cycle: This is the part of the power cycle of this invention that is driven by the feed pump (119) and the HPT turbine (122). The functioning of this part of the energy cycle is based on the Rankin cycle, although in this invention the "major Rankin cycle" has such specific special features as interlocking with the "constituent Brayton cycle" so that they have certain common elements. The constituent main Rankine cycle is the main part of the energy cycle.
Вторичный цикл Рэнкина: Это вспомогательный цикл Рэнкина: другими словами, он не является основной системой энергетического цикла. В конфигурациях комбинированного цикла, которые имеют «Вторичный цикл Рэнкина», его конденсатор (128) всегда выполняет основную функцию «теплоотвода». «Вторичный цикл Рэнкина» характеризуется наличием своей собственной турбины ТНД (127) и тем, что всегда работает при более низком давлении, чем составляющий главный цикл Рэнкина.Secondary Rankine Cycle: This is a subsidiary Rankine cycle: in other words, it is not the main system of the energy cycle. In combined cycle configurations that have a "Secondary Rankine Cycle", its capacitor (128) always performs the primary "heat sink" function. The "secondary Rankine cycle" is characterized by having its own LPT turbine (127) and always operating at a lower pressure than the constituent main Rankine cycle.
Открытый цикл: Это цикл, в котором теплопередающая среда не рециркулирует, а должна постоянно обновляться. В открытых циклах существует по меньшей мере одна точка, в которой текучая среда поступает извне, и другая, в которой текучая среда выходит из цикла во внешнюю среду.Open cycle: This is a cycle in which the heat transfer medium is not recycled, but must be constantly renewed. In open loops, there is at least one point where fluid enters from the outside and another where fluid exits the loop into the outside.
Замкнутый цикл: Цикл, в который теплопередающая среда не поступает и из которого не выходит, в котором подача внешнего тепла всегда происходит через теплообменники, поэтому нет взаимного обмена материалом текучей среды в цикле с внешней средой. Комбинированный энергетический цикл является замкнутым, когда не содержит камеры сгорания, которая обеспечивает его энергией.Closed loop: A loop in which no heat transfer medium enters or exits, in which the supply of external heat always occurs through heat exchangers, so there is no mutual exchange of fluid material in the loop with the external environment. A combined energy cycle is closed when it does not contain a combustion chamber that provides it with energy.
Цикл внешнего сгорания: Это замкнутый цикл, где источником подачи тепла является процесс сгорания, происходящий вне цикла.External Combustion Cycle: This is a closed cycle where the source of heat supply is the combustion process occurring outside the cycle.
Цикл внутреннего сгорания: Это замкнутый цикл, где источником подачи тепла является процесс сгорания, в котором продукты химической реакции образуют или формируют часть теплопередающей среды.Internal combustion cycle: This is a closed cycle where the source of heat supply is a combustion process in which the products of a chemical reaction form or form part of the heat transfer medium.
Сжигание в кислороде: Это процесс сжигания, в котором в качестве вещества для поддержки горения используют не воздух, а чистый кислород, разведенный в самой теплопередающей среде (в этом изобретении - в водяном паре).Oxygen combustion: This is a combustion process that uses not air but pure oxygen diluted in the heat transfer medium itself (steam in this invention) as the combustion support medium.
Полузамкнутый цикл: В этом изобретении этот термин используется для цикла, который одновременно обеспечивает внутреннее сгорание и сжигание в кислороде и в котором, кроме того, теплопередающая среда рециркулирует, когда продукты сгорания были удалены из него.Semi-closed cycle: In this invention, this term is used for a cycle that simultaneously provides internal combustion and combustion in oxygen and in which, in addition, the heat transfer medium is recycled when the products of combustion have been removed from it.
КПД: КПД (Коэффициент полезного действия) «теплового насоса» определяют как отношение или частное, получаемое делением передаваемой полезной тепловой энергии на энергию, добавляемую для достижения этого. Другими словами, КПД представляет собой коэффициент, определяющий производительность любой холодильной машины. Понятие КПД изменяется в зависимости от того, является ли машина компрессорной (в которой добавляемая энергия является механической работой, потребляемой компрессором) или абсорбционной (в которой добавляемая энергия является в основном теплом, подаваемым на генератор).Efficiency: The Efficiency (Coefficient of Performance) of a "heat pump" is defined as the ratio or quotient obtained by dividing the usable thermal energy transferred by the energy added to achieve it. In other words, efficiency is a factor that determines the performance of any chiller. The concept of efficiency varies depending on whether the machine is compressor (in which the added energy is the mechanical work consumed by the compressor) or absorption (in which the added energy is mainly heat supplied to the generator).
Установка: Устройство генератора механической энергии, состоящее из комбинированного энергетического цикла и теплового насоса UAX (200).Installation: Mechanical energy generator device consisting of a combined energy cycle and a heat pump UAX (200).
Элемент теплообмена: Любая из сторон, образующая теплообменник, независимо от того, принимают ли она тепло или отдает. Любой теплообменник состоит из по меньшей мере двух элементов. В этом изобретении термин «элемент», сопровождаемый номером, который явно его идентифицирует, используется для краткости. В этом изобретении любой теплообменник идентифицируется путем указания номеров двух или более составляющих его «элементов».Heat Exchange Element: Any of the sides forming a heat exchanger, regardless of whether it receives heat or gives it away. Any heat exchanger consists of at least two elements. In this invention, the term "element" followed by a number that explicitly identifies it is used for brevity. In this invention, any heat exchanger is identified by indicating the numbers of two or more of its constituent "elements".
Змеевик: Элемент теплообмена, состоящий из комплекта труб в конфигурации любого типа. В этом изобретении этот термин используется для обозначения элемента обменника, который работает при более высоком давлении. Функционирование ни при каких условиях не может быть связано с формой элемента теплообменника, который так называют.Coil: A heat exchange element consisting of a set of pipes in any type of configuration. In this invention, this term is used to refer to an exchanger element that operates at a higher pressure. Functioning under no circumstances can be associated with the shape of the heat exchanger element, which is so called.
Корпусная сторона теплообменника: Этот термин применяется в данном документе для обозначения элемента обменника, который работает при более низком давлении и который содержит внутри себя элемент теплообмена, работающий при более высоком давлении.Heat Exchanger Body Side: This term is used in this document to refer to an exchanger element which operates at a lower pressure and which contains within it a heat exchange element operating at a higher pressure.
Конденсационный обменник: Это теплообменник, в котором происходит конденсация (частичная или полная) водяного пара, циркулирующего через элемент «корпусной стороны». Эта теплота конденсации передается на один или более змеевиков или элементов обменника для поднятия температуры текучей среды, циркулирующей через них.Condensation exchanger: This is a heat exchanger in which the condensation (partial or complete) of the water vapor circulating through the "body side" element takes place. This heat of condensation is transferred to one or more coils or exchanger elements to raise the temperature of the fluid circulating through them.
Теплоотвод: В этом изобретении термин «теплоотвод» используется для обозначения элемента теплообменника, через который комбинированный цикл выделяет неиспользованное тепло за пределы цикла. В комбинированном энергетическом цикле «теплоотвод» всегда состоит из элемента (128), который производит конденсацию пара в конечной части или после рекуперационного канала РКК (103). Когда вторичный цикл Рэнкина применяется в этом положении для выполнения этой функции, этот вспомогательный цикл всегда будет иметь оконечный элемент конденсации, обозначенный (128), чтобы ясно указывать, что он является единственным элементом, через который тепло передается за пределы цикла.Heat sink: In this invention, the term "heat sink" is used to refer to the heat exchanger element through which the combined cycle releases unused heat outside the cycle. In a combined energy cycle, the "heat sink" always consists of an element (128) that condenses the steam in the final part or after the recovery channel of the RKK (103). When a secondary Rankine cycle is applied in this position to perform this function, this auxiliary cycle will always have a condensation end element, designated (128), to clearly indicate that it is the only element through which heat is transferred outside the cycle.
Прямые потери: Этот термин относится к неизбежным необратимым явлениям и потерям тепла вследствие теплопереноса, конвекции и излучения в любом компоненте, вызванным тем простым фактом, что он имеет более высокую температуру, чем окружающая его среда. С учетом того, что прямые потери являются неизбежными в любом реальном цикле, даже когда они явно не упоминаются в этом описании, они считаются очевидными.Direct Loss: This term refers to the inevitable irreversible phenomena and heat loss due to heat transfer, convection and radiation in any component caused by the simple fact that it is at a higher temperature than its surroundings. Given that direct losses are inevitable in any real cycle, even when they are not explicitly mentioned in this description, they are considered obvious.
В этом описании, хотя такое действие не было бы принято как верное в термодинамике, скрытая теплота, содержащаяся в продуктах сгорания, полученных в комбинированном цикле, также считается «прямыми потерями», поскольку в действительности они появляются при такой низкой температуре - жидкая вода с одной стороны и CO2 из элемента (107) - что она является несущественной или ее можно считать ничтожно малой для практических целей.In this description, although such an action would not be accepted as true in thermodynamics, the latent heat contained in the combustion products produced in the combined cycle is also considered "direct losses", since in reality they appear at such a low temperature - liquid water with one side and CO 2 from element (107) - that it is insignificant or can be considered negligible for practical purposes.
Теплопередающая среда: Это текучая среда, которая содержит, циркулирует и переносит энергию, передаваемую в разных элементах, которые образуют термодинамический цикл.Heat transfer medium: This is a fluid medium that contains, circulates and transports energy transferred in different elements that form a thermodynamic cycle.
Когенерация: В этом описании под когенерацией понимают необязательную процедуру, посредством которой в дополнение к механической энергии получают дополнительное количество тепловой энергии, которая оказывается полезной для процесса любого типа за пределами самого энергетического цикла. В этом описании для всех целей полагают, что тепло, высвобождаемое комбинированным циклом во внешнюю среду в результате «когенерации», всегда является полезным теплом и никогда не представляет собой потерю энергии из цикла, поскольку считается, что установка спроектирована так, чтобы учитывать это извлечение тепловой энергии из энергетического цикла: это выполняют в соответствии с конкретными требованиями и с учетом температурных условий, накладываемых внешней системой потребления, для которой предназначается тепло.Cogeneration: In this description, cogeneration is understood to mean an optional procedure by which, in addition to mechanical energy, an additional amount of thermal energy is obtained, which is useful for any type of process outside the energy cycle itself. In this description, it is assumed for all purposes that the heat released by a combined cycle to the external environment as a result of "cogeneration" is always useful heat and never represents energy loss from the cycle, since the plant is considered to be designed to account for this heat recovery. energy from the energy cycle: this is carried out in accordance with specific requirements and taking into account the temperature conditions imposed by the external consumption system for which the heat is intended.
Полезная энергия: Под этим термином понимают сумму тепла для использования за пределами цикла, как «когенерации», и полезной механической работы, производимой энергетическим циклом.Useful energy: This term refers to the sum of the heat to be used outside of the cycle, as "cogeneration", and the useful mechanical work produced by the energy cycle.
Передаточный вал: передаточный вал (130) состоит из сборки механических элементов, с помощью которых машины энергетического цикла и тепловой насос UAX получают или отдают механическую энергию.Transfer shaft: The transfer shaft (130) consists of an assembly of mechanical elements with which the energy cycle machines and the UAX heat pump receive or release mechanical energy.
Физически передаточный вал не обязательно должен состоять из обычного механического вала, к которому присоединены все турбомашины цикла, поскольку также существует осуществимый вариант присоединения каждого компрессора к независимому мотору, когда каждая турбина присоединена к своему соответствующему электрогенератору. Тем не менее, использование этого понимания передаточного вала облегчает восприятие, поскольку считается, что полезную механическую работу комбинированного цикла получают с передаточного вала (130) в результате суммирования всей механической работы всех машин, которые его составляют (с учетом их знаков).Physically, the transfer shaft does not need to consist of a conventional mechanical shaft to which all the cycle's turbomachines are connected, since it is also feasible to connect each compressor to an independent motor, with each turbine connected to its respective electrical generator. However, using this understanding of the transfer shaft makes it easier to understand, since it is considered that the useful mechanical work of the combined cycle is obtained from the transfer shaft (130) as a result of the summation of all the mechanical work of all the machines that compose it (taking into account their signs).
Промышленный чистый кислород: Термин «промышленный чистый кислород» в этом описании используется для обозначения этого газа, когда, согласно его состоянию поставки, он соответствует международным стандартам как «чистый кислород промышленного качества». Считается очевидным, что, хотя они и являются нежелательными, следы примесей всегда будут сопровождать кислород, используемый как вещество для поддержки горения для промышленного применения.Industrial Pure Oxygen: The term "industrial pure oxygen" in this specification is used to refer to this gas when, according to its state of supply, it meets international standards as "industrial grade pure oxygen". It is considered obvious that, although undesirable, traces of impurities will always accompany oxygen used as a combustion support agent for industrial applications.
Сверхкритические давление и температура: Это условия давления и температуры, которые выше критической точки для заданного вещества. Критической является точка, в которой плотности пара и жидкости являются одинаковыми.Supercritical pressure and temperature: These are pressure and temperature conditions that are above the critical point for a given substance. The critical point is the point at which the vapor and liquid densities are the same.
Давление окружающей среды: Термин «давление окружающей среды» используется в данном документе для обозначения диапазона давления, соответствующего давлению насыщения водяного пара между 80°C и 120°C. То есть, давление окружающей среды полагают находящимся в диапазоне давлений от 0,5 бара до 2,0 бар, приблизительно.Ambient pressure: The term "ambient pressure" is used in this document to refer to the pressure range corresponding to the saturation pressure of water vapor between 80°C and 120°C. That is, the ambient pressure is considered to be in the pressure range of 0.5 bar to 2.0 bar, approximately.
Бар: бар абсолютного давленияBar: absolute pressure bar
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙDESCRIPTION OF THE DRAWINGS
В этом описании содержится пять фигур. Первые четыре представляют собой схематические представления разных конфигураций или проектных версий представленного комбинированного энергетического цикла. Наконец, пятая фигура представляет собой схематическое представление конфигурации «Блока абсорбера для теплообмена» (UAX), который выполняет основную функцию содействия энергетическому циклу в качестве «теплового насоса».This description contains five figures. The first four are schematic representations of different configurations or design versions of the presented combined energy cycle. Finally, the fifth figure is a schematic representation of the configuration of the "Heat Exchange Absorber Unit" (UAX), which performs the main function of assisting the energy cycle as a "heat pump".
На фиг. 1 показана концептуальная проектная версия «Существенного комбинированного цикла» согласно конфигурации 1, которая имеет элементы, незаменимые для того, чтобы комбинированный цикл мог функционировать с применением теплового насоса (UAX), согласно этому изобретению. Какова бы ни была проектная конфигурация энергетического цикла, он содержит все основные элементы, представленные на этой фиг. 1, на основании чего эти компоненты называют «основными».In FIG. 1 shows a conceptual design version of the "Essential Combined Cycle" according to configuration 1, which has the elements indispensable for the combined cycle to be able to operate using a heat pump (UAX) according to this invention. Whatever the design configuration of the energy cycle, it contains all the main elements presented in this fig. 1, on the basis of which these components are called "basic".
На фиг. 2 схематически показана проектная версия установки для реализации комбинированного цикла для генерирования механической энергии согласно конфигурации 2 настоящего изобретения, которая в дополнение к основному оборудованию цикла (показанному на фиг. 1) содержит элементы, которые обеспечивают повышенную эффективность для комбинированного цикла, с тем характерным признаком, что она работает при давлении выше атмосферного давления во всем рекуперационном канале (РКК) (103). На оконечном участке РКК (103) пар генерируется во вторичном цикле Рэнкина, который использует свою собственную теплопередающую среду, независимую от остальной части энергетического цикла. Эта конфигурация предполагает, что в РКК (103) существует оконечный участок канала, где происходит частичная конденсация водяного пара, циркулирующего в нем, для генерирования пара во вторичном цикле Рэнкина.In FIG. 2 schematically shows a design version of a combined cycle plant for generating mechanical power according to configuration 2 of the present invention, which, in addition to the main cycle equipment (shown in Fig. 1), contains elements that provide increased efficiency for the combined cycle, with the characteristic feature, that it operates at a pressure above atmospheric pressure in the entire recovery channel (RCC) (103). At the end section of the RKK (103), steam is generated in a secondary Rankine cycle, which uses its own heat transfer medium, independent of the rest of the power cycle. This configuration assumes that there is a terminal section of the channel in the RSC (103) where the water vapor circulating in it is partially condensed to generate steam in the secondary Rankine cycle.
На фиг. 3 схематически показана проектная версия установки для реализации комбинированного цикла для генерирования механической энергии согласно конфигурации 3 настоящего изобретения, которая в дополнение к основному оборудованию цикла (показанному на фиг. 1) содержит элементы, которые обеспечивают повышенную эффективность для комбинированного цикла, с тем характерным признаком, что в этой конфигурации комбинированного цикла отсутствует конденсация в рекуперационном канале (РКК) (103), а вместо этого существует отдельный канал (105), где происходит частичная конденсация водяного пара, циркулирующего через него. Между этими двумя каналами (103) и (105), соответственно, существует вентилятор (104), который всасывает газы и выпускаемый пар из РКК (103) и поднимает давление на участке канала (105), который вмещает по меньшей мере одну часть испарителя (125) для вторичного цикла Рэнкина, который использует свою собственную теплопередающую среду независимую от остальной части энергетического цикла.In FIG. 3 schematically shows a design version of a combined cycle plant for generating mechanical power according to configuration 3 of the present invention, which, in addition to the main cycle equipment (shown in Fig. 1), contains elements that provide increased efficiency for the combined cycle, with the characteristic feature, that in this combined cycle configuration there is no condensation in the recovery duct (RCC) (103), but instead there is a separate duct (105) where the water vapor circulating through it is partially condensed. Between these two channels (103) and (105), respectively, there is a fan (104), which draws in gases and exhaust steam from the RAC (103) and raises the pressure in the section of the channel (105), which accommodates at least one part of the evaporator ( 125) for the secondary Rankine cycle, which uses its own heat transfer medium independent of the rest of the power cycle.
На фиг. 4 схематически показана проектная версия установки для реализации комбинированного цикла для генерирования механической энергии согласно конфигурации 4 настоящего изобретения с применением UAX (200), которая в дополнение к основному оборудованию цикла (показанному на фиг. 1) включает элементы, которые обеспечивают повышенную эффективность комбинированному циклу, которая благодаря своей простоте является более подходящей, когда установка предназначена для работы в замкнутом цикле или когда в качестве топлива используется только водород. То есть, когда отсутствует CO2 в энергетическом цикле.In FIG. 4 schematically shows a design version of a combined cycle plant for generating mechanical power according to configuration 4 of the present invention using UAX (200), which, in addition to the main cycle equipment (shown in Fig. 1), includes elements that provide increased efficiency to the combined cycle, which due to its simplicity is more suitable when the plant is designed to operate in a closed cycle or when only hydrogen is used as fuel. That is, when there is no CO 2 in the energy cycle.
Эта конфигурация комбинированного цикла имеет характерный признак, состоящий в том, что она использует часть течения водяного пара, циркулирующего через РКК (103), для отправки прямо на турбину (127) вторичного цикла Рэнкина, который использует ту же теплопередающую среду, что и остальная часть энергетического цикла. Кроме того, конденсированная вода, полученная из конденсатора (128), также используется непосредственно как питательная вода для остальной части комбинированного цикла. Это означает, что в этой версии энергетического цикла вторичный цикл Рэнкина не образует независимый цикл, а интегрирован в него, образуя единый цикл.This combined cycle configuration has the characteristic that it uses part of the water vapor flow circulating through the RAC (103) to be sent directly to the turbine (127) of the secondary Rankine cycle, which uses the same heat transfer medium as the rest of the energy cycle. In addition, the condensed water obtained from the condenser (128) is also used directly as feed water for the rest of the combined cycle. This means that in this version of the energy cycle, the secondary Rankine cycle does not form an independent cycle, but is integrated into it, forming a single cycle.
На фиг. 5 показано схематическое представление конфигурации «Блока абсорбера для теплообмена» (UAX), который выполняет функцию «теплового насоса», обязательного для работы комбинированного цикла этого изобретения.In FIG. 5 shows a schematic representation of the configuration of a "Heat Exchange Absorber Unit" (UAX) which performs the "heat pump" function required for the operation of the combined cycle of this invention.
На фиг. 6 схематически показана проектная версия установки для реализации комбинированного цикла для генерирования механической энергии согласно конфигурации 5 настоящего изобретения с использованием UAX (200), которая включает все оборудование цикла в любой из его конфигураций. Она обеспечивает работу или в замкнутом цикле, или в полузамкнутом цикле с использованием топлива любого типа из тех, которые могут применяться в остальных конфигурациях.In FIG. 6 schematically shows a design version of a combined cycle plant for generating mechanical power according to configuration 5 of the present invention using UAX (200), which includes all cycle equipment in any of its configurations. It provides either closed-loop or semi-closed-loop operation using any type of fuel that can be used in other configurations.
Конфигурация 5 имеет те же элементы, что и конфигурация 3, плюс перегреватель (136) и турбина (137). Конфигурация 5 отличается от конфигурации 3 тем, что один элемент (112) имеет два дополнительных выходных потока (один с паром и другой с предварительной нагретой питательной водой). Другое отличие состоит в том, что в конфигурации 5 один компрессор (115) имеет дополнительную стадию сжатия в сравнении с конфигурацией 3.Configuration 5 has the same elements as configuration 3 plus superheater (136) and turbine (137). Configuration 5 differs from configuration 3 in that one element (112) has two additional outlet streams (one with steam and the other with preheated feed water). Another difference is that in configuration 5 one compressor (115) has an additional compression stage compared to configuration 3.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDESCRIPTION OF THE INVENTION
Это изобретение относится к установке по пункту 1 формулы изобретения, а также к способу генерирования энергии согласно предмету изобретения, связанному со способом. Конкретные варианты осуществления установки и способа описаны в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения.This invention relates to the installation according to claim 1 of the claims, as well as to a method for generating energy according to the subject matter of the invention associated with the method. Specific plant and method embodiments are described in the respective dependent claims.
Это изобретение относится к установке для генерирования энергии с использованием комбинированного энергетического цикла, которая содержит по меньшей мере:This invention relates to a plant for generating power using a combined energy cycle, which contains at least:
- средства для реализации замкнутого или полузамкнутого регенеративного составляющего цикла Брайтона, в котором в качестве теплопередающей среды используется вода,- means for realizing a closed or semi-closed regenerative component of the Brayton cycle, in which water is used as a heat transfer medium,
- средства для реализации по меньшей мере одного цикла Рэнкина, составляющего основного цикла Рэнкина, взаимосвязанного с регенеративным составляющим циклом Брайтона, и- means for realizing at least one Rankine cycle constituting the main Rankine cycle interconnected with the regenerative constituent Brayton cycle, and
- тепловой насос (UAX), который образует замкнутый контур, который регенерирует составляющий цикл Брайтона.- a heat pump (UAX) that forms a closed circuit that regenerates the constituent Brayton cycle.
Установка для генерирования энергии также содержит основной источник (101) тепла, выбранный из:The power generation plant also contains a main heat source (101) selected from:
- теплообменника и- heat exchanger and
- камеры сгорания со сжиганием в кислороде,- combustion chambers with combustion in oxygen,
такой, что в указанном основном источнике (101) тепла потоки из двух циклов, составляющего Брайтона и составляющего основного Рэнкина, сходятся вместе.such that in said main heat source (101) the fluxes from two cycles constituting the Brayton and constituting the main Rankine converge together.
Согласно конкретным дополнительным вариантам осуществления настоящего изобретения, когда комбинированный энергетический цикл является полузамкнутым, со сжиганием в кислороде и захватом CO2, он содержит по меньшей мере одну камеру внутреннего сгорания, посредством которой он получает энергию извне.According to specific additional embodiments of the present invention, when the combined energy cycle is semi-closed, with combustion in oxygen and capture of CO 2 , it contains at least one internal combustion chamber, through which it receives energy from the outside.
Согласно конкретным дополнительным вариантам осуществления настоящего изобретения, когда комбинированный энергетический цикл является замкнутым, он не имеет никаких камер сгорания и содержит по меньшей мере один теплообменник, посредством которого он получает энергию извне, и не имеет камеры внутреннего сгорания.According to specific additional embodiments of the present invention, when the combined energy cycle is closed, it does not have any combustion chambers and contains at least one heat exchanger, through which it receives energy from the outside, and does not have an internal combustion chamber.
Для любого из вышеупомянутых вариантов осуществления установка также содержит:For any of the above embodiments, the installation also comprises:
- элемент (107), который может представлять собой:- element (107), which may be:
- регенерационный конденсатор (107), посредством которого установка передает энергию в низкотемпературный источник (201) теплового насоса UAX, который выполняет конденсирование в один простой этап, или- a regeneration condenser (107), through which the unit transfers energy to the low temperature source (201) of the UAX heat pump, which condenses in one simple step, or
- ожижительная установка CO2, которая получает работу с передаточного вала (130) и конденсирует газы в несколько этапов и только передает тепло, выделяемое на последовательных этапах сжатия этой ожижительной установки CO2, в низкотемпературный источник (201) UAX,- a CO 2 liquefier, which receives work from the transfer shaft (130) and condenses the gases in several stages and only transfers the heat generated in the successive compression stages of this CO 2 liquefier to the low temperature source (201) UAX,
- ребойлер (113), с помощью которого тепло возвращается в энергетический цикл из высокотемпературного источника (210) теплового насоса UAX,- a reboiler (113) with which heat is returned to the energy cycle from a high-temperature source (210) of the heat pump UAX,
- насос (111) конденсата регенерации, который приводит в движение конденсат, полученный в нижней части элемента (107), и заставляет его течь к ребойлеру (113),- a pump (111) of the regeneration condensate, which drives the condensate obtained in the lower part of the element (107) and makes it flow to the reboiler (113),
- рекуперационный канал (РКК) (103), в котором генерируется водяной пар,- recovery channel (RCC) (103), in which water vapor is generated,
- по меньшей мере две турбины, одна из которых представляет собой турбину (122) высокого давления (ТВД), которая направляет пар в основной источник (101) тепла, а другая турбина (102) является высокотемпературной (ВТТ), которая направляет пар в рекуперационный канал РКК (103),- at least two turbines, one of which is a turbine (122) high pressure (HPT), which directs steam to the main source (101) of heat, and the other turbine (102) is a high temperature (HTT), which directs steam to the recovery RKK channel (103),
- по меньшей мере один общий передаточный вал (130), от которого получают полезную механическую энергию цикла,- at least one common transmission shaft (130), from which the useful mechanical energy of the cycle is obtained,
- систему, которая выполняет функцию теплоотвода посредством конденсации пара в нижней части РКК (103) или после него,- a system that performs the function of heat removal by means of steam condensation in the lower part of the RKK (103) or after it,
- насос (109) обратной подачи конденсата,- condensate return pump (109),
- питательный насос (119) для составляющего главного цикла Рэнкина,- feed pump (119) for the constituent main Rankine cycle,
- парогенератор для составляющего главного цикла Рэнкина, состоящий из:- steam generator for the constituent main Rankine cycle, consisting of:
- экономайзерных змеевиков (120),- economizer coils (120),
- испарителей и перегревателей для водяного пара (121), расположенных внутри РКК (103),- evaporators and superheaters for steam (121) located inside the RKK (103),
- один конденсационный элемент (106) теплообмена перед входом пара и газов в элемент (107), который отдает тепло в подогреватель (110) обратной подачи конденсата,- one condensing element (106) for heat exchange before the inlet of steam and gases into the element (107), which gives off heat to the condensate return heater (110),
- один конденсационный элемент (114) теплообмена, предусмотренный на выходе ребойлера (113), который отдает тепло в- one condensing element (114) heat exchange, provided at the outlet of the reboiler (113), which gives off heat to
- обходная линия, которая соединяет составляющий цикл Брайтона с составляющим главным циклом Рэнкина, расположенная на элементе (112), выбранном из:- a bypass line that connects the constituent Brayton cycle to the constituent main Rankine cycle, located on the element (112) selected from:
- подогревателя (112) для подачи воды в сам ребойлер (113),- a heater (112) for supplying water to the reboiler itself (113),
- и рекуперационного обменника (112), который в дополнение к предварительному нагреву подаваемой воды для самого ребойлера (113) может нагревать питательную воду для насоса (119) и генерировать пар, который может направляться в компрессор (115) и/или турбинный нагреватель (137) после повышения его температуры в перегревателе (136)- and a recovery exchanger (112) which, in addition to preheating the feed water for the reboiler (113) itself, can heat the feed water for the pump (119) and generate steam that can be sent to the compressor (115) and/or turbine heater (137 ) after increasing its temperature in the superheater (136)
между нагнетательным каналом насоса (111) для конденсата регенерации и втягивающим каналом питательного насоса (119).between the discharge port of the regeneration condensate pump (111) and the suction port of the feed pump (119).
В случае, когда составляющий цикл Брайтона является полузамкнутым, использует сжигание в кислороде, и в случае использования разновидностей топлива с углеродом установка содержит:In the case where the component Brayton cycle is semi-closed, uses oxygen combustion, and in the case of carbon fuels, the plant contains:
- выпускное отверстие для CO2, производимого при сгорании, расположенного в регенерационном конденсаторе (107) в газообразном или жидком состоянии, если регенерационный конденсатор (107) представляет собой ожижительную установку, и- an outlet for CO 2 produced by combustion, located in the regeneration condenser (107) in a gaseous or liquid state, if the regeneration condenser (107) is a liquefaction plant, and
- выпускное отверстие для жидкой воды, производимой посредством сгорания, в линии обратной подачи конденсата.- outlet for liquid water produced by combustion in the condensate return line.
В случае, когда в установке для генерирования энергии цикл Брайтона является замкнутым, или в случае, когда в качестве топлива в нем используется только водород, теплоотвод может состоять из вторичного цикла Рэнкина, в котором используется та же текучая среда, что и в остальной части энергетического цикла, и который взаимосвязан с установкой посредством РКК (103) и насоса (109) обратной подачи конденсата.In the case where the power generation plant is a closed Brayton cycle, or in the case where it uses only hydrogen as fuel, the heat removal may consist of a secondary Rankine cycle that uses the same fluid as the rest of the power plant. cycle, and which is interconnected with the installation by means of the RKK (103) and the condensate return pump (109).
В любом из предыдущих вариантов осуществления установка для генерирования энергии может содержать, кроме основного источника (101) тепла, другой вспомогательный источник (132) тепла, который предоставляет дополнительное тепло в энергетический цикл извне (это может быть обменник или камера сгорания под давлением), расположенный между оконечным перегревателем (121) и турбиной ТВД (122).In any of the previous embodiments, the installation for generating energy may contain, in addition to the main source (101) of heat, another auxiliary source (132) of heat, which provides additional heat to the energy cycle from the outside (this may be an exchanger or a pressurized combustion chamber), located between the terminal superheater (121) and the HPT turbine (122).
В любом из предыдущих вариантов осуществления установка для генерирования энергии может дополнительно содержать один компрессор (115) или несколько паровых компрессоров (117), соединенных последовательно, которые расположены на выпускном отверстии для пара элемента (114) обменника и перед впускным отверстием для пара основного источника (101) тепла.In any of the previous embodiments, the power generation plant may further comprise one compressor (115) or several steam compressors (117) connected in series, which are located at the steam outlet of the exchanger element (114) and before the steam inlet of the main source ( 101) heat.
В любом из предыдущих вариантов осуществления установка для генерирования энергии может дополнительно содержать охлаждающий обменник (116/118) для пара между последовательно соединенными компрессорами (115) и (117).In any of the previous embodiments, the power generation plant may further comprise a refrigeration exchanger (116/118) for steam between the serially connected compressors (115) and (117).
В любом из предыдущих вариантов осуществления установка для генерирования энергии может дополнительно содержать в линии для конденсата, выходящей из нижней части элемента (114) конденсационного обменника, линию обратной подачи в ребойлер (113).In any of the previous embodiments, the power generation plant may further comprise, in the condensate line exiting the bottom of the condensate exchanger element (114), a return line to the reboiler (113).
В любом из предыдущих вариантов осуществления установка для генерирования энергии может дополнительно содержать дополнительный обменник, предоставленный на впускном отверстии для пара рекуперационного канала (103), чтобы генерировать тепло, которое можно использовать за пределами установки, применимое, среди прочего, для приложений когенерации, с использованием змеевика (133) теплообменника.In any of the previous embodiments, the power generation plant may further comprise an additional exchanger provided at the steam inlet of the recovery duct (103) to generate heat that can be used outside of the plant, applicable for, among other things, cogeneration applications using coil (133) heat exchanger.
В любом из предыдущих вариантов осуществления установка для генерирования энергии может дополнительно содержать элемент (133) теплообменника для когенерации, предоставленный внутри рекуперационного канала (103), из которого он извлекает полезную тепловую энергию, которая может быть предназначена для внешнего использования в промышленном применении любого типа.In any of the previous embodiments, the power generation plant may further comprise a cogeneration heat exchanger element (133) provided within the recovery duct (103) from which it extracts useful thermal energy that can be destined for external use in any type of industrial application.
В любом из предыдущих вариантов осуществления установка для генерирования энергии может дополнительно содержать:In any of the previous embodiments, the power generation plant may further comprise:
- вентилятор (104), который берет выходные пары из рекуперационного канала РКК (103) и сжимает их для отправки в элемент (105) конденсационного обменника, в котором находится по меньшей мере один составной участок испарителя (125) независимого вторичного цикла Рэнкина.- a fan (104), which takes the outlet vapors from the recovery channel of the RKK (103) and compresses them to be sent to the element (105) of the condensation exchanger, which contains at least one component section of the evaporator (125) of an independent secondary Rankine cycle.
В варианте осуществления, упомянутом в предыдущем параграфе, установка для генерирования энергии может дополнительно содержать:In the embodiment mentioned in the previous paragraph, the power generation plant may further comprise:
- теплообменник (108/124), в котором на корпусной стороне (108) охлаждается конденсат из канала (105) и внутри которого размещается экономайзер (124) независимого вторичного цикла Рэнкина.- a heat exchanger (108/124), in which the condensate from the channel (105) is cooled on the housing side (108) and inside which the economizer (124) of the independent secondary Rankine cycle is located.
В любом из предыдущих вариантов осуществления тепловой насос UAX (200) установки содержит:In any of the previous embodiments, the installation heat pump UAX (200) contains:
- главный генератор (201) газообразного аммиака, действующий как низкотемпературный источник, который производит обмен теплом только с элементом (107),- the main generator (201) of gaseous ammonia, acting as a low-temperature source, which exchanges heat only with the element (107),
- вторичный генератор (202), который получает аммиачный раствор из абсорбера (210) и отправляет пар аммиака в некоторые компрессоры (203), при этом остающийся аммиачный раствор отправляется в главный генератор (201),- a secondary generator (202) which receives the ammonia solution from the absorber (210) and sends the ammonia vapor to some compressors (203), while the remaining ammonia solution is sent to the main generator (201),
- по меньшей мере два аммиачных компрессора (203), соединенных последовательно, с промежуточным охлаждением, которые получают аммиак из главного (201) и вторичного генераторов (202),- at least two ammonia compressors (203), connected in series, with intermediate cooling, which receive ammonia from the main (201) and secondary generators (202),
- конденсатор (207) сжатого аммиака, который получает аммиак, сжатый и охлажденный в испарителе (209) сверхкритического аммиака, и передает тепло во вторичный генератор (202),- a compressed ammonia condenser (207) which receives the ammonia compressed and cooled in the supercritical ammonia evaporator (209) and transfers heat to the secondary generator (202),
- испаритель (209) сверхкритического аммиака,- evaporator (209) of supercritical ammonia,
- насос (208) для аммиачного конденсата из конденсатора (207) сжатого аммиака, который нагнетает его в испаритель (209) аммиака, где пар аммиака производится при сверхкритическом давлении,- a pump (208) for ammonia condensate from the compressed ammonia condenser (207), which pumps it into the ammonia evaporator (209), where ammonia vapor is produced at supercritical pressure,
- аммиачный абсорбер (210), который получает пар из испарителя (209) для сверхкритического аммиака и растворяет его в водной фазе, и- an ammonia absorber (210) which receives steam from the evaporator (209) for supercritical ammonia and dissolves it in the aqueous phase, and
- перекачивающий насос (215), который перекачивает разбавленный аммиачный раствор из главного генератора (201) в абсорбер (210).- a transfer pump (215) which pumps the diluted ammonia solution from the main generator (201) to the absorber (210).
Тепловой насос UAX (200) может дополнительно содержать:Heat pump UAX (200) may additionally contain:
- теплообменник (213/214) между разбавленным аммиачным раствором из главного генератора (201) и концентрированным аммиачным раствором из абсорбера (210),- a heat exchanger (213/214) between the diluted ammonia solution from the main generator (201) and the concentrated ammonia solution from the absorber (210),
- змеевик (211), размещенный внутри испарителя (209) аммиака, который использует тепло, содержащееся в концентрированном аммиачном растворе из абсорбера (210), для получения сверхкритического аммиака,- a coil (211) placed inside the ammonia evaporator (209), which uses the heat contained in the concentrated ammonia solution from the absorber (210) to produce supercritical ammonia,
- охлаждающий змеевик (206) для сжатого аммиака из компрессоров (203), который предоставляет тепло в испаритель (209) сверхкритического аммиака.- a cooling coil (206) for the compressed ammonia from the compressors (203) which provides heat to the supercritical ammonia evaporator (209).
Это изобретение также относится к способу генерирования энергии на основе комбинированного цикла, реализованного с использованием установки, определенной ранее.This invention also relates to a combined cycle power generation method implemented using the plant defined above.
Определяемый способ включает:The defined method includes:
- реализацию составляющего цикла Брайтона, замкнутого или на основе сжигания в кислороде, регенерируемого посредством теплового насоса (UAX), в котором в качестве теплопередающей среды используется вода и который производит механическую энергию в высокотемпературной турбине ВТТ (102),- the implementation of a component Brayton cycle, closed or based on combustion in oxygen, regenerated by a heat pump (UAX), which uses water as a heat transfer medium and which produces mechanical energy in a high-temperature turbine BTT (102),
- реализацию составляющего цикла Рэнкина, взаимосвязанного с вышеуказанным циклом Брайтона, который производит с ним обмен веществом и энергией, и в которых обоих вода используется как общая теплопередающая среда, и производит механическую энергию на турбине ТВД (122),- the implementation of the component Rankine cycle, interconnected with the above Brayton cycle, which exchanges matter and energy with it, and in which both water is used as a common heat transfer medium, and produces mechanical energy on the HPT turbine (122),
- использование теплового насоса UAX (200), который производит обмен энергией с составляющим циклом Брайтона, чтобы регенерировать его и потреблять механическую энергию в определенных компрессорах (203).- the use of a UAX heat pump (200) which exchanges energy with the constituent Brayton cycle in order to regenerate it and consume mechanical energy in certain compressors (203).
В способе настоящего изобретения весь водяной пар цикла может быть полностью сконденсирован в элементе (107), где CO2 высвобождается в газовой фазе в случае, когда в цикле используются разновидности топлива, отличающиеся от водорода.In the process of the present invention, all the water vapor of the cycle can be completely condensed in the element (107) where CO 2 is released into the gas phase when fuels other than hydrogen are used in the cycle.
Согласно конкретным вариантам осуществления способа водяной пар, который циркулирует через элемент (107), полностью конденсируется благодаря теплу, которое предается в низкотемпературный источник UAX (200), оставляя как остаток только жидкий или газообразный CO2, как надлежит, в случае, если в цикле используются разновидности топлива, отличающиеся от водорода.According to specific embodiments of the method, the water vapor that circulates through the element (107) is completely condensed due to the heat that is transferred to the low temperature source UAX (200), leaving only liquid or gaseous CO 2 as a residue, as appropriate, in case the cycle fuels other than hydrogen are used.
В способе согласно настоящему изобретению регенерация составляющего цикла Брайтона может быть осуществлена посредством действия теплового насоса UAX (200), рециркулирующего тепло конденсации пара при температуре низкотемпературного источника, чтобы затем возвращать его в цикл через высокотемпературный источник, чтобы регенерировать водяной пар при более высоких давлении и температуре, чем те, при которых он был ранее сконденсирован.In the method according to the present invention, the regeneration of the Brayton component cycle can be carried out by the action of the UAX (200) heat pump recirculating the condensation heat of the steam at the temperature of the low temperature source, to then return it to the cycle through the high temperature source to regenerate water vapor at higher pressure and temperature. than those at which it was previously condensed.
Согласно конкретным вариантам осуществления способ включает:According to specific embodiments, the method includes:
- конденсирование водяного пара при давлении окружающей среды в элементе (107), отдающем полученное тепло в низкотемпературный источник (201) теплового насоса UAX (200)- condensation of water vapor at ambient pressure in the element (107), which transfers the received heat to the low-temperature source (201) of the heat pump UAX (200)
- регенерирование водяного пара в ребойлере (113) при более высоком давлении, чем то, при котором он был сконденсирован в элементе (107), с использованием тепла, предоставляемого высокотемпературным источником (210) теплового насоса UAX (200).- recovery of water vapor in the reboiler (113) at a higher pressure than that at which it was condensed in the element (107), using the heat provided by the high temperature source (210) of the heat pump UAX (200).
Согласно конкретным дополнительным вариантам осуществления способ включает применение вспомогательного источника (132) тепла, который предоставляет дополнительное тепло в энергетический цикл извне, расположенного между перегревателем (121) и турбиной ТВД (122).According to specific additional embodiments, the method includes the use of an auxiliary heat source (132), which provides additional heat to the power cycle from the outside, located between the superheater (121) and the HPT turbine (122).
Согласно конкретным дополнительным вариантам осуществления способ включает применение единственного теплоотвода, через который цикл высвобождает неиспользованное тепло наружу. Функцию этого теплоотвода может выполнять независимый вторичный цикл Рэнкина.According to specific additional embodiments, the method includes the use of a single heat sink through which the cycle releases unused heat to the outside. The function of this heat sink can be performed by an independent secondary Rankine cycle.
Согласно конкретным дополнительным вариантам осуществления способ включает применение рекуперационного канала РКК (103), который использует остающееся тепло из выхода турбины ВТТ (102), чтобы генерировать перегретый пар составляющего главного цикла Рэнкина.According to specific additional embodiments, the method includes the use of a recovery channel RKK (103), which uses the remaining heat from the outlet of the turbine WTT (102) to generate superheated steam component of the main Rankine cycle.
Согласно конкретным дополнительным вариантам осуществления способ включает реализацию комбинированного цикла со сжиганием в кислороде и применение жидких или газообразных разновидностей топлива с общей формулой CxHyOz в чистой или смешанной форме, где x, y и z принимают значения, соответствующие реальным химическим соединениям, которые могут сгорать в присутствии кислорода. Предпочтительными разновидностями топлива являются углеводороды, которые являются газообразными или имеют низкую точку кипения, такие как, например, метан, этан, пропан или их смеси, такие как очищенный природный газ. Применимыми разновидностями топлива также являются простые спирты, такие как метанол или этанол. CO (угарный газ) является единственным веществом, не содержащим водорода, которое является применимым в качестве топлива в камерах сгорания комбинированного энергетического цикла.According to specific additional embodiments, the method includes the implementation of a combined cycle with combustion in oxygen and the use of liquid or gaseous fuels with the general formula C x H y O z in pure or mixed form, where x, y and z take values corresponding to real chemical compounds, which can burn in the presence of oxygen. Preferred fuels are hydrocarbons that are gaseous or have a low boiling point, such as, for example, methane, ethane, propane, or mixtures thereof, such as purified natural gas. Useful fuels are also simple alcohols such as methanol or ethanol. CO (carbon monoxide) is the only non-hydrogen-containing substance that is usable as a fuel in combined energy cycle combustion chambers.
Согласно конкретным дополнительным вариантам осуществления способ включает конденсирование части водяного пара из рекуперационного канала (103) с использованием теплоотвода и конденсационного обменника (106/110) до того, как элемент (107) окончательно конденсирует весь водяной пар, который находится под давлением окружающей среды.According to specific additional embodiments, the method includes condensing part of the water vapor from the recovery channel (103) using a heat sink and a condensation exchanger (106/110) before the element (107) finally condenses all the water vapor that is under ambient pressure.
Другую часть тепла конденсации элемента (114) теплообменника можно использовать для предварительного нагрева топлива и вещества для поддержки горения по отдельности с использованием змеевика (131) теплообменника. Это применение предварительно нагрева топлива и вещества для поддержки горения комбинированного цикла с использованием тепла, полученного в змеевике (131), не исключает никакого другого типа дополнительного использования, для которого может быть применено это тепло, даже если эти применения находятся за пределами энергетического цикла. Когда цикл содержит элемент (131) теплообменника для предварительного нагрева топлива и вещества для поддержки горения комбинированного цикла, он может, без всякого различия, быть расположен внутри элемента (114) или в конце канала (103) или (105), перед входом паров и газов в элемент (106).The other part of the condensation heat of the heat exchanger element (114) can be used to preheat the fuel and the combustion support material separately using the heat exchanger coil (131). This application of preheating the combined cycle fuel and combustion support material using the heat obtained in the coil (131) does not exclude any other type of additional use for which this heat can be applied, even if these applications are outside the energy cycle. When the cycle contains a heat exchanger element (131) for preheating the fuel and the combustion support substance of the combined cycle, it can, without any distinction, be located inside the element (114) or at the end of the channel (103) or (105), before the entry of vapors and gases into element (106).
Согласно конкретным дополнительным вариантам осуществления способ включает повышение давления пара, предоставляемого элементом (112), и давления пара ребойлера (113) и выходящего из элемента (114) конденсационного обменника, с использованием дополнительных механических компрессоров (115) и (117), соединенных последовательно и выполненных с возможностью обеспечения давления, достаточного для отправки этого пара в основной источник (101) тепла.According to specific additional embodiments, the method includes increasing the vapor pressure provided by the element (112) and the vapor pressure of the reboiler (113) and the condensate exchanger exiting the element (114), using additional mechanical compressors (115) and (117) connected in series and configured to provide sufficient pressure to send this steam to the main heat source (101).
Одна часть конденсата, генерируемого в элементе (114), применяется для охлаждения между этапами сжатия пара, циркулирующего через охлаждающий змеевик (118), тогда как остальная часть конденсата возвращается прямо в ребойлер (113).One part of the condensate generated in the element (114) is used for cooling between the compression stages of the steam circulating through the cooling coil (118), while the rest of the condensate is returned directly to the reboiler (113).
Согласно конкретным дополнительным вариантам осуществления способ включает обход, который соединяет составляющий цикл Брайтона с составляющим главным циклом Рэнкина, с помощью которого производят обмен воды, этот обход расположен между нагнетательной линией насоса (111) для конденсата регенерации и втягивающим каналом питательного насоса (119).According to specific additional embodiments, the method includes a bypass that connects the component Brayton cycle to the component main Rankine cycle, through which water is exchanged, this bypass is located between the discharge line of the regeneration condensate pump (111) and the inlet of the feed pump (119).
Согласно конкретным дополнительным вариантам осуществления способ также включает применение тепла частичной конденсации пара, поступающего из ребойлера (113), для других приложений, в частности подходящих для его применения в независимом приложении, внешнем относительно установки, в которой применяется змеевик (131).According to specific additional embodiments, the method also includes the use of the partial condensation heat of the steam coming from the reboiler (113) for other applications, in particular suitable for its use in an independent application, external to the installation in which the coil (131) is used.
Согласно конкретным дополнительным вариантам осуществления способ включает повышение давления пара, предоставляемого ребойлером (113), с использованием дополнительных механических компрессоров (115) и (117), соединенных каскадом, с охлаждением между ними и выполненных с возможностью обеспечения давления, достаточного для отправки этого пара в основной источник (101) тепла.According to specific additional embodiments, the method includes increasing the pressure of the steam provided by the reboiler (113) using additional mechanical compressors (115) and (117) connected in cascade, with cooling in between and configured to provide sufficient pressure to send this steam to the main source (101) of heat.
Согласно конкретным дополнительным вариантам осуществления он включает:According to specific additional embodiments, it includes:
- в случае, когда комбинированный энергетический цикл реализован как замкнутый или сжигает только водород, пар отправляют прямо из рекуперационного канала РКК (103) в турбину ТНД (127) вторичного цикла Рэнкина, которая работает в условиях вакуума, обеспечиваемых конденсатором (128), откуда конденсат возвращают как питательную воду в составляющий главный цикл Рэнкина. При этом способе во вторичном цикле Рэнкина используют ту же теплопередающую среду, что и в остальной части энергетического цикла.- in the case when the combined energy cycle is implemented as a closed one or burns only hydrogen, the steam is sent directly from the recovery channel of the RKK (103) to the turbine TND (127) of the secondary Rankine cycle, which operates under vacuum conditions provided by the condenser (128), from where the condensate returned as feed water to the constituent main Rankine cycle. With this method, the same heat transfer medium is used in the secondary Rankine cycle as in the rest of the power cycle.
Согласно способу настоящего изобретения отходящие газы из рекуперационного канала РКК (103) могут быть сжаты с использованием вентилятора (104), который отправляет их в элемент (105) конденсационного обменника, в котором генерируют пар в испарителе (125) независимого вторичного цикла Рэнкина.According to the method of the present invention, exhaust gases from the recovery channel of the RKK (103) can be compressed using a fan (104), which sends them to the element (105) of the condensation exchanger, in which steam is generated in the evaporator (125) of an independent secondary Rankine cycle.
Согласно способу настоящего изобретения:According to the method of the present invention:
- тепловой насос UAX (200) представляет собой холодильную машину, которая функционирует посредством сочетания операций сжатия и абсорбции, с использованием NH3 как теплопередающей среды и воды как растворителя,- the heat pump UAX (200) is a refrigeration machine that operates through a combination of compression and absorption operations, using NH 3 as the heat transfer medium and water as the solvent,
- главный генератор (201) теплового насоса UAX (200) действует как низкотемпературный источник, поглощая тепло только из элемента (107),- the main generator (201) of the heat pump UAX (200) acts as a low temperature source, absorbing heat only from the element (107),
- единственный низкотемпературный источник теплового насоса UAX (200) работает при температурах между 80°C и 120°C,- the only low temperature heat pump source UAX (200) operates at temperatures between 80°C and 120°C,
- аммиачный абсорбер (210) теплового насоса UAX (200) действует как высокотемпературный источник, перенося тепло только в ребойлер (113),- the ammonia absorber (210) of the UAX heat pump (200) acts as a high temperature source, transferring heat only to the reboiler (113),
- в тепловом насосе UAX (200) происходит сжатие пара NH3, на последовательных этапах с промежуточным охлаждением,- in the heat pump UAX (200) NH 3 vapor is compressed, in successive stages with intermediate cooling,
- конденсатор (207) пара сжатого аммиака теплового насоса UAX (200) отдает все тепло, высвобождаемое вторичным генератором (202), и- the compressed ammonia vapor condenser (207) of the heat pump UAX (200) releases all the heat released by the secondary generator (202), and
- испаритель (209) аммиака теплового насоса UAX (200) генерирует NH3 в сверхкритическом состоянии с использованием тепла,- the ammonia evaporator (209) of the heat pump UAX (200) generates supercritical NH 3 using heat,
- поставляемого ему охлаждающими змеевиками между этапами сжатия (204 и 206), и- supplied to it by the cooling coils between the compression stages (204 and 206), and
- части скрытой теплоты, содержащейся в концентрированном растворе, который горячим поступает из абсорбера (210).- part of the latent heat contained in the concentrated solution, which comes hot from the absorber (210).
Основной частью настоящего изобретения является тепловой насос гибридного компрессионно-абсорбционного типа, «UAX» (Блок абсорбера для теплообмена), который может эффективно и экономично удовлетворять этим требованиям для осуществления регенерации составляющего цикла Брайтона комбинированного цикла этого изобретения.The main part of the present invention is a hybrid compression-absorption type heat pump, "UAX" (Heat Exchange Absorber Unit), which can effectively and economically meet these requirements to realize the regeneration of the Brayton component of the combined cycle of this invention.
Блок UAX (200) абсорбера для теплообмена представляет собой термодинамическую систему со смешанной функциональностью, компрессией и абсорбцией воды и аммиака, которая работает циклически и непрерывно, которая применяется как тепловой насос для передачи тепловой энергии с главного генератора (201), который десорбирует аммиак и действует как низкотемпературный источник, в аммиачный абсорбер (210), который работает при более высокой температуре и действует как высокотемпературный источник, используя определенное количество механической энергии, предоставляемой извне компрессорной установкой (203).The UAX (200) absorber unit for heat exchange is a thermodynamic system with mixed functionality, compression and absorption of water and ammonia, which operates cyclically and continuously, which is used as a heat pump to transfer heat energy from the main generator (201), which desorbs ammonia and acts as a low temperature source, to an ammonia absorber (210) which operates at a higher temperature and acts as a high temperature source using a certain amount of mechanical energy provided from outside by the compressor unit (203).
Абсорбционный тепловой насос UAX не производит обмен веществом с комбинированным энергетическим циклом, но все же получает от него такую механическую работу сжатия, как тепло, поглощаемое его низкотемпературным источником, чтобы затем возвращать всю эту энергию в цикл посредством своего высокотемпературного источника.The UAX absorption heat pump does not perform the combined energy cycle exchange, but still receives the mechanical work of compression from it, such as the heat absorbed by its low temperature source, to then return all this energy to the cycle through its high temperature source.
Комбинированный цикл передает механическую энергию с передаточного вала (130) в систему компрессоров UAX и тепловую энергию из элемента (107) в низкотемпературный источник UAX, тогда как последний возвращает в комбинированный цикл всю свою энергию путем передачи тепла из высокотемпературного источника в ребойлер (113), который регенерирует водяной пар при более высокой температуре, чем та, при которой он был ранее сконденсирован.The combined cycle transfers mechanical energy from the transfer shaft (130) to the compressor system UAX and heat energy from the element (107) to the low temperature source UAX, while the latter returns all its energy to the combined cycle by transferring heat from the high temperature source to the reboiler (113), which regenerates water vapor at a higher temperature than that at which it was previously condensed.
С функциональной точки зрения тепловой насос UAX (200) реализует термодинамический цикл, который работает в «термодинамическом симбиозе» с комбинированным энергетическим циклом, с которым он энергетически соединен, таким образом, что функционирование установки согласно настоящему изобретению определяется установлением этой функциональной связи между энергетическим циклом и UAX. Это представляет собой главное отличие относительно комбинированных циклов известного уровня техники.From a functional point of view, the heat pump UAX (200) implements a thermodynamic cycle that works in "thermodynamic symbiosis" with the combined energy cycle with which it is energetically connected, in such a way that the operation of the installation according to the present invention is determined by the establishment of this functional relationship between the energy cycle and UAX. This represents a major difference with respect to prior art combined cycles.
ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ КОМБИНИРОВАННОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ЦИКЛАKEY COMPONENTS OF A COMBINED ENERGY CYCLE
Для того, чтобы установка функционировала согласно комбинированному циклу настоящего изобретения как таковая, обязательно требуется ряд основных элементов оборудования, без учета его эффективности и игнорируя любые другие типы факторов, являющихся решающими для экономической жизнеспособности установки этого типа.In order for a plant to operate according to the combined cycle of the present invention, as such, a number of basic pieces of equipment are necessarily required, without regard to its efficiency and ignoring any other types of factors that are decisive for the economic viability of this type of plant.
«Основными» компонентами, обязательными для функционирования установки согласно комбинированному циклу этого изобретения, являются следующие:The "essential" components required for the operation of the plant according to the combined cycle of this invention are the following:
101: Основной источник тепла. Это обязательный источник, посредством которого тепло поступает в составляющий цикл Брайтона. Комбинированный энергетический цикл получает энергию извне и обязательно посредством основного источника тепла.101: Primary heat source. This is the obligatory source through which heat enters the constituent Brayton cycle. The combined energy cycle receives energy from outside and necessarily through the main source of heat.
К основному источнику (101) тепла подходят три потока (в дополнение к топливу и веществу для поддержки горения в случаях полузамкнутых циклов). С одной стороны, пар из турбины ТВД (122) составляющего главного цикла Рэнкина, и, во-вторых, сжатый пар из составляющего цикла Брайтона. Третий входящий поток, часть конденсата, продвигаемого насосом (129), может циркулировать через элемент (118) теплообменника перед тем, как достичь источника (101) тепла, в случае, когда энергетический цикл имеет систему охлаждения пара между этапами сжатия.Three streams are available to the main heat source (101) (in addition to fuel and combustion support in cases of semi-closed cycles). On the one hand, the steam from the HPT turbine (122) of the main Rankine cycle component, and, secondly, the compressed steam from the Brayton component cycle. The third input stream, part of the condensate promoted by the pump (129), may be circulated through the heat exchanger element (118) before reaching the heat source (101) in case the power cycle has a vapor cooling system between compression stages.
Поэтому основной источник (101) тепла является одной из точек, в которых сходятся потоки, принадлежащие составляющему циклу Брайтона и составляющему главному циклу Рэнкина, что означает, что неявно это точка обмена веществом между двумя составляющими циклами.Therefore, the main heat source (101) is one of the points where flows belonging to the component Brayton cycle and the component main Rankine cycle converge, which means that implicitly this is the point of exchange of matter between the two component cycles.
Когда комбинированный цикл работает как замкнутый цикл, основной источник (101) тепла всегда является высокотемпературным теплообменником, который получает тепловую энергию извне. В таком случае единственным веществом, которое достигает основного источника (101) тепла, является вода, которая после увеличения здесь своей энтальпии уходит в форме перегретого пара, который отправляют на высокотемпературную турбину ВТТ (102).When the combined cycle is operated as a closed cycle, the main heat source (101) is always a high temperature heat exchanger that receives thermal energy from outside. In this case, the only substance that reaches the main heat source (101) is water, which, after increasing its enthalpy here, leaves in the form of superheated steam, which is sent to the high-temperature turbine HTT (102).
Когда основной источник (101) тепла представляет собой находящуюся под давлением камеру внутреннего сгорания со сжиганием в кислороде, комбинированный цикл является полузамкнутым. В таком случае водяной пар, отправляемый на высокотемпературную турбину (102), циркулирует в сопровождении самих газов сгорания (в основном состоящих из диоксида углерода и еще водяного пара).When the main heat source (101) is a pressurized oxy-combustion internal combustion chamber, the combined cycle is semi-closed. In this case, the water vapor sent to the high temperature turbine (102) circulates accompanied by the combustion gases themselves (mainly composed of carbon dioxide and more water vapor).
102: Высокотемпературная турбина. ВТТ. Это газовая турбина, основная для составляющего цикла Брайтона, функцией которой является генерирование механической работы с помощью горячей газовой фазы, отправляемой ей основным источником (101) тепла. Для краткости она называется ВТТ (акроним для высокотемпературной турбины), поскольку это турбина, которая работает при наивысшей температуре во всей установке.102: High temperature turbine. VTT. This is a gas turbine, the main component of the Brayton cycle, whose function is to generate mechanical work using the hot gas phase sent to it by the main heat source (101). It is called HTT (an acronym for High Temperature Turbine) for short, because it is the turbine that operates at the highest temperature in the entire plant.
Газовая фаза, приводящая в движение турбину ВТТ (102), состоит из пара в сопровождении газов сгорания в случае, когда основной источник (101) тепла представляет собой камеру сгорания. Эта газовая фаза после расширения выходит из турбины ВТТ (102) при высокой температуре и отправляется в рекуперационный канал РКК (103) для использования содержащейся в ней энтальпии.The gas phase driving the turbine VTT (102) consists of steam accompanied by combustion gases in the case where the main heat source (101) is the combustion chamber. This gas phase, after expansion, exits the VTT turbine (102) at high temperature and is sent to the recovery channel of the RKK (103) to use the enthalpy contained in it.
103: Рекуперационный канал. РКК. Это газовая сторона теплообменника, которая рекуперирует тепло из выходящих газов из турбины (102). Это тепло, содержащееся в газах турбины, применяется в РКК (103) для генерирования основного пара высокого давления для составляющего цикла Рэнкина с использованием комплекта труб испарителей и перегревателей (120). Часть тепла, содержащегося в выходящих газах из турбины ВТТ (102), может быть использована для внешних приложений за пределами самого цикла, в так называемой «когенерации». Необязательно с этой целью, и в зависимости от проектных рабочих параметров комбинированного цикла, во внутренней части РКК (103) может находиться некоторый независимый элемент (133) теплообменника.103: Recovery channel. RKK. This is the gas side of the heat exchanger which recovers heat from the exhaust gases from the turbine (102). This heat contained in the turbine gases is used in the RSC (103) to generate the main high pressure steam for the component Rankine cycle using a set of evaporator tubes and superheaters (120). Part of the heat contained in the exhaust gases from the WTT turbine (102) can be used for external applications outside the cycle itself, in so-called "cogeneration". Optionally, for this purpose, and depending on the design operating parameters of the combined cycle, some independent element (133) of the heat exchanger may be located in the interior of the RAC (103).
Кроме того, когда имеются промежуточный перегреватель (134) промежуточного давления, перегреватель (136), перегреватель (126) и испаритель (125) низкого давления, они всегда будут находиться внутри этого РКК (103). Необязательно змеевик (131) теплообменника может быть установлен внутри РКК (103), расположенным в конце этого канала, перед выпускным отверстием для газов.In addition, when there is an intermediate pressure reheater (134), superheater (136), superheater (126) and low pressure evaporator (125), they will always be inside this RSC (103). Optionally, the heat exchanger coil (131) can be installed inside the RAC (103) located at the end of this channel, in front of the gas outlet.
Наконец, газы всегда покидают РКК (103) при температуре насыщения водяного пара, соответствующей «давлению окружающей среды».Finally, the gases always leave the RSC (103) at the saturation temperature of the water vapor corresponding to the "ambient pressure".
В конфигурации 2 (фиг. 2) и в основной конфигурации (фиг. 1) представленного комбинированного цикла проект предусматривает, что происходит частичная конденсация водяного пара, циркулирующего в оконечном участке рекуперационного канала РКК (103).In configuration 2 (Fig. 2) and in the main configuration (Fig. 1) of the presented combined cycle, the design provides for partial condensation of the water vapor circulating in the end section of the RKK recuperation channel (103).
Конфигурация 3, или проектная версия комбинированного цикла согласно фиг. 3, и конфигурация 5 согласно фиг. 6 характеризуются тем, что конденсация не происходит в рекуперационном канале РКК (103), а предоставлен специальный канал (105), в котором происходит конденсация.Configuration 3, or design version of the combined cycle according to FIG. 3 and configuration 5 according to FIG. 6 are characterized by the fact that condensation does not take place in the recovery channel RKK (103), but a special channel (105) is provided in which condensation occurs.
Со своей стороны, конфигурация 4, или проектная версия комбинированного цикла согласно фиг. 4, характеризуется тем, что здесь существует соединение для извлечения пара в РКК (103), прямо перед тем, как происходит конденсация, посредством которого пар отправляют непосредственно в турбину ТНД (127).For its part, configuration 4, or the design version of the combined cycle according to FIG. 4 is characterized in that there is a steam recovery connection in the RSC (103), just before condensation takes place, by means of which the steam is sent directly to the LPH turbine (127).
128: Теплоотвод. В этом описании теплоотводом (128) считается любое оборудование, устройство или система, через которые энергетический цикл передает неиспользованное тепло во внешнюю среду. В этом изобретении это всегда конденсатор пара, единственный элемент, через который неиспользованная тепловая энергия переносится наружу. Тем не менее, эта функция является обязательной для функционирования составляющего главного цикла Рэнкина для установки настоящего изобретения в целом. Любой элемент теплообмена, который конденсирует водяной пар, содержащийся в отходящих газах из РКК (103), может выполнять функцию теплоотвода (128); тем не менее, и по причинам энергоэффективности, наиболее экономичное решение состоит в предоставлении некоторой системы, которая регенерирует это тепло (которая имеет возможность производить конденсацию водяного пара при давлении окружающей среды на наружной стороне теплообменника), такой как, к примеру, испаритель, принадлежащий к другому дополнительному циклу Рэнкина, или змеевик, который извлекает тепло, предназначенное для представляющего интерес приложения любого типа (возможно, например, система рекуперации, соединенная с абсорбционной машиной для производства промышленного холода). Когда комбинированный цикл имеет вторичный цикл Рэнкина, его конденсатор (128) всегда является оборудованием, посредством которого тепло передается наружу.128: Heat sink. In this description, a heat sink (128) is any equipment, device or system through which the energy cycle transfers unused heat to the external environment. In this invention, it is always the steam condenser, the only element through which unused thermal energy is transferred to the outside. However, this function is indispensable for the functioning of the constituent main Rankine cycle for the installation of the present invention as a whole. Any heat exchange element that condenses the water vapor contained in the exhaust gases from the RSC (103) can function as a heat sink (128); however, and for reasons of energy efficiency, the most economical solution is to provide some system that recovers this heat (which has the ability to produce water vapor condensation at ambient pressure on the outside of the heat exchanger), such as, for example, an evaporator belonging to another additional Rankine cycle, or a coil that extracts heat destined for any type of application of interest (perhaps, for example, a recovery system connected to an absorption machine to produce industrial refrigeration). When a combined cycle has a secondary Rankine cycle, its condenser (128) is always the equipment through which heat is transferred to the outside.
109: Насос обратной подачи конденсата в составляющий главный цикл Рэнкина. Это насос, который перемещает конденсат, производимый теплоотводом (128), и заставляет его циркулировать через подогреватель (110) обратной подачи конденсата пред распределением воды, которая питает разные части цикла.109: Condensate return pump to the constituent main Rankine cycle. This is a pump that moves the condensate produced by the heat sink (128) and makes it circulate through the condensate return heater (110) before distributing the water that feeds the different parts of the cycle.
110: Подогревательный элемент для питательной воды. Он содержит теплообменник вместе с элементом (106), в котором он расположен. Это трубчатый змеевик или элемент теплообмена любой другой конфигурации, чья задача заключается в том, чтобы поднимать температуру конденсата, который возвращается в цикл посредством продвижения насосом (109), с использованием тепла от конденсации пара, происходящей на корпусной стороне обменника (106).110: Heating element for feed water. It contains a heat exchanger together with the element (106) in which it is located. This is a tubular coil or any other configuration of heat exchange element, whose task is to raise the temperature of the condensate, which is returned to the cycle by means of pumping (109), using the heat from the condensation of steam occurring on the shell side of the exchanger (106).
106: Корпусная сторона конденсационного обменника подогревателя питательной воды. Она содержит теплообменник вместе с подогревательным элементом (110) обратной подачи конденсата. Это элемент обменника, через который остающийся пар, полученный из нижней части РКК (103), циркулирует в сопровождении неконденсирующихся газов в случае цикла со сжиганием в кислороде. В элементе (106) происходит частичная конденсация водяного пара. С помощью тепла, высвобождаемого в этой конденсации, поднимают температуру конденсата возврата, с использованием подогревателя (110) обратной подачи конденсата.106: Casing side of the condensate exchanger of the feed water heater. It contains a heat exchanger together with a condensate return heating element (110). This is the element of the exchanger through which the remaining steam obtained from the lower part of the RSC (103) circulates accompanied by non-condensable gases in the case of an oxygen combustion cycle. In the element (106) there is a partial condensation of water vapor. With the help of the heat released in this condensation, the temperature of the return condensate is raised using the condensate return heater (110).
Из конденсационного элемента (106) теплообмена, направляясь в элемент (107), выходит поток водяного пара в сопровождении всех неконденсирующихся газов, когда таковые имеются, производимых при сгорании (когда цикл является замкнутым, камер сгорания нет, и когда топливом является водород с чистым кислородом, при сжигании не производятся никакие неконденсирующиеся газы).From the condensing heat exchange element (106) to the element (107), a stream of water vapor exits, accompanied by all non-condensable gases, if any, produced during combustion (when the cycle is closed, there are no combustion chambers, and when the fuel is hydrogen with pure oxygen , combustion does not produce any non-condensable gases).
В нижней части элемента (106) теплообменника от конденсации получают жидкую воду, которая затем продвигается насосом (111) для конденсата регенерации вместе с потоком конденсата из элемента (107).In the lower part of the heat exchanger element (106), liquid water is obtained from the condensation, which is then advanced by the regeneration condensate pump (111) along with the condensate flow from the element (107).
107: Регенерационный конденсатор или ожижительная установка. Элемент (107) передает все тепло от конденсации пара в главный генератор (201), который действует как «низкотемпературный источник» теплового насоса UAX (200).107: Regeneration condenser or liquefier. The element (107) transfers all the heat from the steam condensation to the main generator (201) which acts as the "low temperature source" of the heat pump UAX (200).
Регенерационный конденсатор (107) получает пар и неконденсирующиеся газы из элемента (106). В свою очередь, из (107) неконденсирующиеся газы получают на одной стороне, а конденсированный водяной пар на другой стороне. Регенерационный конденсатор (107) работает при «давлении окружающей среды», что соответствует работе при самой низкой температуре составляющего цикла Брайтона. Простейший вариант, хотя это и не обязательно, состоит в том, чтобы сделать так, чтобы регенерационный конденсатор (107), точно так же как элемент (106) теплообменника и выпускное отверстие из РКК (103), работали при давлениях, близких к атмосферному, и в таком случае температуры конденсации в этих трех компонентах будут близкими к 100°C.The regeneration condenser (107) receives steam and non-condensable gases from the element (106). In turn, from (107), non-condensable gases are obtained on one side, and condensed water vapor on the other side. The regeneration condenser (107) operates at "ambient pressure", which corresponds to operation at the lowest temperature of the Brayton cycle component. The simplest option, although not necessary, is to make the regeneration condenser (107), just like the heat exchanger element (106) and the outlet from the RKK (103), work at pressures close to atmospheric, and in such a case, the condensation temperatures in these three components will be close to 100°C.
Хотя это влечет за собой ухудшение общей производительности, возможный вариант, более сложный, но и более релевантный с точки зрения промышленного интереса в конфигурациях с полузамкнутым циклом, состоит в том, чтобы сделать так, чтобы элемент (107) был ожижительной установкой CO2, в которой все тепло, высвобождаемое в последовательных циклах сжатия, передается на генератор (201) UAX (200). Цель этой конфигурации состоит в том, чтобы извлекать CO2 от сжигания в кислороде CO2 из энергетического цикла для хранения, транспортировки и обработки сжиженным, а не забирать его в газообразном состоянии.Although this entails a deterioration in overall performance, a possible option, more complex, but more relevant from the point of view of industrial interest in semi-closed cycle configurations, is to make the element (107) be a CO 2 liquefaction plant, in which all the heat released in successive compression cycles is transferred to the generator (201) UAX (200). The purpose of this configuration is to extract CO2 from oxy-combustion of CO2 from the energy cycle for storage, transport and handling as liquefied rather than taking it in a gaseous state.
Условие, необходимое для того, чтобы элемент (107) был ожижительной установкой CO2, заключается в том, что тепло, генерируемое на разных этапах сжатия, должно характеризоваться температурой, достаточной для передачи из охлаждающих обменников между этапами сжатия CO2, в главный генератор (201) UAX.The condition for element (107) to be a CO 2 liquefaction plant is that the heat generated in the various compression stages must be at a temperature sufficient to transfer from the cooling exchangers between the CO 2 compression stages to the main generator ( 201) UAX.
В этом случае следует полагать, что механическая работа компрессоров обеспечивается самим передаточным валом (130) установки (для простоты это представление было опущено на всех прилагающихся фигурах).In this case, it should be assumed that the mechanical operation of the compressors is provided by the transmission shaft (130) of the installation itself (for simplicity, this representation has been omitted from all attached figures).
Это тепло, которое энергетический цикл отдает в UAX (200), возвращается позже при более высокой температуре посредством ребойлера (113), который работает с теплом, предоставляемым ему аммиачным абсорбером (210), который действует как «высокотемпературный источник» UAX (200).This heat that the power cycle gives off to the UAX (200) is returned later at a higher temperature by the reboiler (113) which works with the heat provided to it by the ammonia absorber (210) which acts as the "high temperature source" of the UAX (200).
Независимо от того, работает ли комбинированный цикл в замкнутом или полузамкнутом цикле, в элементе (107) всегда происходит полная конденсация водяного пара, поступающего сюда из элемента (106). Как следствие этой операции, водяной пар превращается в жидкость, тогда как CO2, генерируемый в сжигании, остается ограниченным в концентрированной газовой или жидкой фазе.Regardless of whether the combined cycle works in a closed or semi-closed cycle, in the element (107) there is always a complete condensation of the water vapor coming here from the element (106). As a consequence of this operation, the water vapor is liquefied while the CO 2 generated in combustion remains confined to the concentrated gas or liquid phase.
Среди прочего это означает, что CO2, который выходит из цикла, делает это при гораздо более низких температурах относительно других традиционных комбинированных циклов. Эта температура выхода CO2 может быть уменьшена еще больше, если, например, предусмотреть некоторый другой дополнительный теплообменник для обратного потока конденсата комбинированного цикла.Among other things, this means that the CO 2 that exits the cycle does so at much lower temperatures than other conventional combined cycles. This CO 2 outlet temperature can be further reduced if, for example, some other additional heat exchanger is provided for the return flow of the combined cycle condensate.
Это разделение фаз, которое происходит в элементе (107), означает, что весь CO2, генерируемый в камерах сгорания, и любые другие неконденсирующиеся газообразные отходы, которые могут сопровождать его, могут быть выведены из цикла, без необходимости их вхождения в контакт с атмосферой.This phase separation that occurs in element (107) means that all the CO 2 generated in the combustion chambers and any other non-condensable gaseous wastes that may accompany it can be removed from the cycle without having to come into contact with the atmosphere. .
Это обеспечивает энергетическому циклу этого изобретения важное экологическое преимущество над традиционными открытыми комбинированными циклами, поскольку он не влечет за собой прямых выбросов в атмосферу никаких загрязняющих окружающую среду газов.This provides the energy cycle of this invention with an important environmental advantage over traditional open combined cycles, since it does not involve any direct emissions of any environmentally polluting gases into the atmosphere.
Для процессов со сжиганием в кислороде обычным является сжиганием с приблизительно 2 или 3% избыточного кислорода выше стехиометрического значения, чтобы гарантировать полное сжигание. Этот объем кислорода, который не вступил в реакцию, циркулирует из камер сгорания, проходя через РКК (103) и элемент (106) теплообменника, будучи растворенным в теплопередающей среде, пока наконец не достигает элемента (107), где он устраняется из цикла как неконденсирующийся газ вместе с CO2. Когда это происходит, избыточный кислород, используемый для сжигания, может быть восстановлен в установке обработки угольного ангидрида для повторного использования в качестве вещества для поддержки горения для цикла.For oxygen combustion processes, it is common to burn with about 2 or 3% excess oxygen above the stoichiometric value to ensure complete combustion. This unreacted volume of oxygen circulates from the combustion chambers, passing through the RAC (103) and the heat exchanger element (106), being dissolved in the heat transfer medium, until it finally reaches the element (107), where it is eliminated from the cycle as non-condensable gas along with CO 2 . When this occurs, the excess oxygen used for combustion can be recovered in the carbonic anhydride treatment plant for reuse as a combustion aid for the cycle.
Наконец, в нижней части элемента (107) получают дегазированную воду, которая возвращается в различные части комбинированного цикла, продвигаемая насосом (111) для конденсата регенерации. Поэтому единственным участком энергетического цикла, который может содержать CO2, является участок от камер сгорания (101) и (122) до элемента (107).Finally, degassed water is obtained at the bottom of the element (107), which is returned to the various parts of the combined cycle, pushed forward by the pump (111) for the regeneration condensate. Therefore, the only section of the energy cycle that can contain CO 2 is the section from the combustion chambers (101) and (122) to the element (107).
113: Регенерационный ребойлер составляющего цикла Брайтона. Это регенераторный элемент составляющего цикла Брайтона, посредством которого «тепловой насос» UAX возвращает в комбинированный цикл в форме тепла то количество энергии, которое ранее было рекуперировано из самого цикла с использованием элемента (107), а также то количество энергии, которое компрессоры (203) UAX забирают с передаточного вала (130).113: Brayton component cycle recovery reboiler. It is the regenerator element of the Brayton constituent cycle, by means of which the "heat pump" UAX returns to the combined cycle in the form of heat the amount of energy that was previously recovered from the cycle itself using element (107), as well as the amount of energy that the compressors (203) UAX is taken from the transfer shaft (130).
Ребойлер (113) представляет собой элемент теплообмена, посредством которого тепло возвращается в энергетический цикл из аммиачного абсорбера (210), который действует как «высокотемпературный источник» UAX (200). С помощью этого тепла, подаваемого UAX (200) посредством абсорбера (210), ребойлер (113) регенерирует водяной пар при температуре и давлении выше тех, при которых он был ранее сконденсирован в элементе (107).The reboiler (113) is a heat exchange element whereby heat is returned to the power cycle from the ammonia absorber (210) which acts as the "high temperature source" UAX (200). With this heat supplied to the UAX (200) via the absorber (210), the reboiler (113) regenerates water vapor at a temperature and pressure higher than that at which it was previously condensed in the element (107).
Поэтому регенерация составляющего цикла Брайтона с использованием теплового насоса UAX (200) происходит путем рециркуляции тепла конденсации пара при температуре «низкотемпературного источника», чтобы затем возвращать его в цикл с использованием «высокотемпературного источника», чтобы регенерировать водяной пар при температуре и давлении выше тех, при которых он был ранее сконденсирован.Therefore, the regeneration of the Brayton component cycle using the UAX (200) heat pump takes place by recirculating the condensation heat of the steam at the temperature of the "low temperature source" in order to then return it to the cycle using the "high temperature source" in order to recover water vapor at a temperature and pressure above those at which it was previously condensed.
111: Насос для конденсата регенерации составляющего цикла Брайтона. Насос (111) втягивает конденсат, генерируемый в конденсационном элементе (106) теплообмена, вместе с дегазированной водой, получаемой в нижней части элемента (107), и нагнетает его в элемент (112) при температуре, достаточной, чтобы он в конечном итоге напитал ребойлер (113).111: Pump for regeneration condensate of the Brayton component cycle. The pump (111) draws in the condensate generated in the condensing heat exchange element (106) together with the degassed water obtained in the bottom of the element (107) and forces it into the element (112) at a temperature sufficient to eventually feed the reboiler (113).
В нагнетательной линии этого насоса (111) для конденсата регенерации предусмотрен обход с втягивающей линией питательного насоса (119), посредством которого происходит обмен водой между составляющими циклами Брайтона и Рэнкина для установления баланса вещества и энергии, который обязательно требуется для обеспечения возможности организации комбинированного цикла согласно этому изобретению и который зависит от проектных переменных установки и условий работы цикла.In the discharge line of this pump (111) for the regeneration condensate, a bypass is provided with the inlet line of the feed pump (119), through which water is exchanged between the component Brayton and Rankine cycles to establish the balance of matter and energy, which is necessarily required to enable the organization of the combined cycle according to this invention and which depends on plant design variables and cycle operating conditions.
112: Элемент (112), выбранный из:112: Element (112) selected from:
- подогревателя (112) для подачи воды в сам ребойлер (113),- a heater (112) for supplying water to the reboiler itself (113),
- и рекуперационного обменника (112), который в дополнение к предварительному нагреву подаваемой воды для самого ребойлера (113) может нагревать питательную воду для насоса (119) и генерировать пар, который может направляться в компрессор (115) и/или турбинный нагреватель (137) после повышения его температуры в перегревателе (136).- and a recovery exchanger (112) which, in addition to preheating the feed water for the reboiler (113) itself, can heat the feed water for the pump (119) and generate steam that can be sent to the compressor (115) and/or turbine heater (137 ) after raising its temperature in the superheater (136).
Элемент (112) представляет собой трубчатый змеевик или элемент теплообмена любой другой конфигурации, находящийся внутри конденсационного элемента (114) теплообмена, от которого получает тепло, поднимающее температуру воды, которая питает регенерационный ребойлер (113).Element (112) is a tubular coil or heat exchange element of any other configuration, located inside the condensing heat exchange element (114), from which it receives heat, raising the temperature of the water that feeds the regeneration reboiler (113).
То, что поступает в элемент (112), представляет собой конденсированную воду из насосов (109) и (111). То, что покидает элемент (112) теплообменника, представляет собойWhat enters element (112) is condensed water from pumps (109) and (111). What leaves the heat exchanger element (112) is
- поток нагретой жидкой воды, который отправляют в ребойлер (113), и, если он выполняет только эту функцию, его называют подогревателем (112).- the flow of heated liquid water, which is sent to the reboiler (113), and if it performs only this function, it is called a preheater (112).
Дополнительно из элемента (112) могут выходить еще два потока:Additionally, two more streams can exit from element (112):
- Поток нагретой жидкой воды, который отправляют в питательный насос (119).- The flow of heated liquid water, which is sent to the feed pump (119).
- Поток пара (при давлении выше атмосферного), который отправляют в первый дополнительный этап парового компрессора (115) или/и перегреватель (136), чтобы он затем частично расширялся внутри дополнительной турбины (137) перед вхождением в турбину ТНД (127).- Steam flow (at pressure above atmospheric pressure) which is sent to the first additional stage of the steam compressor (115) or/and superheater (136), so that it is then partially expanded inside the additional turbine (137) before entering the LPH turbine (127).
114: Корпусная сторона конденсационного обменника элемента (112). Это конденсационный элемент теплообмена, внутри которого находится элемент (112). Пар из регенерационного ребойлера (113) циркулирует через этот элемент (114), где водяной пар частично конденсируется, в результате чего энтальпия восстанавливается в элементе (112), который в дополнение к предварительному нагреву воды, питающей сам ребойлер (113), может нагревать питательную воду для насоса (119) и/или генерировать пар. В результате происходящей частичной конденсации из нижней части элемента (114) получают поток жидкой воды. Эта конденсированная вода продвигается с использованием насоса (129) для конденсата и часть ее отправляется в основной источник (101) тепла, предварительно проходя через элемент (118) теплообменника, который охлаждает пар между этапами механического сжатия (115) и (117). Другая часть конденсата, продвигаемая насосом (129) для конденсата, рециркулируется непосредственно в ребойлер (113). В случае, если комбинированный цикл не имеет вспомогательных паровых компрессоров (115) и (117), часть конденсата, продвигаемая насосом (129), может быть отправлена непосредственно в основной источник (101) тепла.114: Body side of the element condensate exchanger (112). This is a condensing heat exchange element, inside which there is an element (112). The steam from the recovery reboiler (113) circulates through this element (114) where the water vapor is partially condensed, whereby the enthalpy is restored in the element (112) which, in addition to preheating the water feeding the reboiler (113) itself, can heat the feed water for the pump (119) and/or generate steam. As a result of the ongoing partial condensation, a liquid water stream is obtained from the lower part of the element (114). This condensed water is advanced using the condensate pump (129) and part of it is sent to the main heat source (101), having previously passed through the heat exchanger element (118), which cools the vapor between the mechanical compression steps (115) and (117). The other part of the condensate, promoted by the condensate pump (129), is recycled directly to the reboiler (113). In the event that the combined cycle does not have auxiliary steam compressors (115) and (117), part of the condensate promoted by the pump (129) can be sent directly to the main heat source (101).
Необязательно, и с целью улучшения производительности цикла, также можно предусмотреть дополнительный змеевик (131) внутри элемента (114), который, среди прочих приложений, может применяться для предварительного нагрева топлива и вещества для поддержки горения от их условий подачи. Этот змеевик (131) может также, без различия, быть расположен непосредственно перед входом пара и газов в элемент (106). Этот змеевик (131) может также быть использован для извлечения из элемента (114) тепла, предназначенного для других типов внешних приложений за пределами самой установки.Optionally, and in order to improve cycle performance, it is also possible to provide an additional coil (131) inside the element (114), which, among other applications, can be used to preheat fuel and combustion support from their supply conditions. This coil (131) can also, without distinction, be located immediately before the inlet of steam and gases into the element (106). This coil (131) can also be used to extract heat from the element (114) intended for other types of external applications outside of the plant itself.
129: Нижний насос для конденсата конденсационного обменника (114). Это насос, который перемещает конденсат, получаемый из нижней части элемента (114), под давлением, достаточным для его отправки в основной источник (101) тепла. Когда комбинированный цикл имеет компрессоры (115) и (117), этот поток воды, продвигаемый насосом (129) для конденсата, циркулирует через змеевик (118), чтобы охлаждать пар между двумя этапами сжатия. После насоса (129) для конденсата этот поток разделяется на два. Одна часть отправляется в основной источник (101) тепла, предварительно проходя через элемент (118) теплообменника, в случае, когда комбинированный цикл имеет компрессор (115), тогда как остальная часть конденсата, продвигаемая насосом (129), возвращается непосредственно в ребойлер (113).129: Condensate exchanger bottom pump (114). This is a pump that moves the condensate received from the bottom of the element (114) at a pressure sufficient to send it to the main heat source (101). When the combined cycle has compressors (115) and (117), this water stream, promoted by the condensate pump (129), circulates through the coil (118) to cool the vapor between the two compression stages. After the pump (129) for condensate, this flow is divided into two. One part is sent to the main source (101) of heat, having previously passed through the element (118) of the heat exchanger, in the case when the combined cycle has a compressor (115), while the rest of the condensate, promoted by the pump (129), returns directly to the reboiler (113 ).
119. Питательный насос для составляющего главного цикла Рэнкина. Это насос, который продвигает воду через парогенераторные элементы главного цикла Рэнкина. Этот насос обеспечивает наивысшую величину давления, достигаемую во всей установке.119. Feed pump for the constituent main Rankine cycle. This is a pump that pushes water through the steam generating elements of the main Rankine cycle. This pump provides the highest pressure value achieved in the entire installation.
Питательный насос (119) питается в основном посредством обратного потока конденсата, продвигаемого насосом (109). В дополнение комбинированный цикл имеет обход между нагнетательным каналом насоса (111) и втягивающим каналом насоса (119), через который можно производить обмен теплопередающей средой (водой) между составляющим циклом Брайтона и составляющим главным циклом Рэнкина. Существует возможность также снабжать питательный насос (119) потоком воды, нагретым в элементе (112). Направление течения в этом обходе определяется переменными проекта и работы цикла.The feed pump (119) is fed mainly by the return flow of condensate promoted by the pump (109). In addition, the combined cycle has a bypass between the pump discharge port (111) and the pump inlet port (119) through which heat transfer medium (water) can be exchanged between the Brayton component and the Rankin component main cycle. It is also possible to supply the feed pump (119) with a stream of water heated in the element (112). The direction of flow in this bypass is determined by the project and cycle work variables.
120: Экономайзеры или экономайзерные комплекты труб составляющего главного цикла Рэнкина. Это элементы теплообмена, расположенные внутри РКК (103), которые служат для предварительного нагрева питательной воды из питательного насоса (119) до температуры, близкой к температуре ее точки кипения, под давлением, при котором в составляющем главном цикле Рэнкина генерируется пар.120: Economizers or economizer tube sets of the constituent main Rankine cycle. These are heat exchange elements located inside the RKK (103) that serve to preheat the feed water from the feed pump (119) to a temperature close to its boiling point temperature, at a pressure at which steam is generated in the constituent main Rankine cycle.
121: Комплекты труб испарителя и перегревателя составляющего главного цикла Рэнкина. Испарители и перегреватели представляют собой элементы теплообмена, расположенные внутри РКК (103), которые генерируют находящийся под давлением пар составляющего главного цикла Рэнкина. Вода, предварительно нагретая в экономайзерах (120), поступает в трубы испарителя и в итоге выходит перегретый пар, который направляется в турбину ТВД (122) или во вспомогательный источник тепла (132) в случае, если энергетический цикл включает этот элемент.121: Evaporator and superheater tube sets of the main Rankine cycle component. The evaporators and superheaters are heat exchange elements located inside the RSC (103) that generate the pressurized steam of the constituent main Rankine cycle. The water, preheated in the economizers (120), enters the evaporator tubes and eventually exits superheated steam, which is sent to the HPT turbine (122) or to the auxiliary heat source (132) if the power cycle includes this element.
122: Турбина высокого давления (ТВД) составляющего главного цикла Рэнкина. Целью этой паровой турбины является генерирование работы согласно составляющему главному циклу Рэнкина. Турбина ТВД (122) получает перегретый пар из комплектов труб последнего перегревателя (121) или вспомогательного источника (132) тепла, если он доступен. Она характеризуется тем, что является турбиной, которая работает при наивысшем давлении во всей установке, так что она для краткости называется ТВД (акроним для «турбины высокого давления»). Эта турбина работает при обратном давлении, выполняя частичное расширение газообразной текучей среды таким образом, что выходной пар имеет давление, достаточное для того, чтобы достигать основного источника (101) тепла, в который отправляют уходящий пар.122: High-pressure turbine (HPT) component of the main Rankine cycle. The purpose of this steam turbine is to generate work according to the constituent main Rankine cycle. The HPT turbine (122) receives superheated steam from the tube sets of the last superheater (121) or auxiliary heat source (132) if available. It is characterized by being the turbine that operates at the highest pressure in the entire plant, so it is called HPT (an acronym for "high pressure turbine") for short. This turbine operates at back pressure, performing a partial expansion of the gaseous fluid such that the outlet steam is pressurized enough to reach the main heat source (101) into which the outlet steam is sent.
Когда, хотя это и не важно, энергетический цикл имеет турбину ТСД (135), она получает пар с выпуска или из вытяжки турбины ТВД (122).When, although it does not matter, the power cycle has a TSD turbine (135), it receives steam from the outlet or exhaust of the HPT turbine (122).
130: Передаточный вал установки. Это элемент или массив элементов, к которым присоединены все машины установки, требующие или генерирующие механическую работу (турбины, насосы и компрессоры). Этот передаточный вал представляет точку, из которой получают полезную механическую энергию установки (к которой присоединены турбины, компрессоры и насосы установки).130: Transmission shaft of the installation. This is an element or array of elements to which all the machines in the plant that require or generate mechanical work (turbines, pumps and compressors) are attached. This transmission shaft represents the point from which the plant's useful mechanical energy is obtained (to which the turbines, compressors and pumps of the plant are connected).
За исключением насосов и вентилятора (104), на прилагающихся фигурах представлен общий передаточный вал (130), чтобы облегчить восприятие того, как получают суммарный механический комбинированный цикл, хотя также возможно осуществление любого энергетического цикла согласно этому изобретению с применением отдельных передаточных валов, соединенных с отдельными генераторами или моторами.With the exception of the pumps and fan (104), the accompanying figures show a common transmission shaft (130) in order to make it easier to understand how the total mechanical combined cycle is obtained, although it is also possible to perform any energy cycle according to this invention using separate transmission shafts connected to separate generators or motors.
ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ТЕПЛОВОГО НАСОСА (UAX)MAIN COMPONENTS OF A HEAT PUMP (UAX)
UAX, как было указано, является основным компонентом установки настоящего изобретения, который работает с аммиаком и водой.UAX, as mentioned, is the main component of the installation of the present invention, which works with ammonia and water.
Компоненты, из которых состоит тепловой насос UAX, показаны на фиг. 5 графических материалов. Оборудование, составляющее UAX, является следующим:The components that make up the UAX heat pump are shown in fig. 5 graphic materials. The hardware that makes up UAX is as follows:
201: Главный генератор. Это десорбер аммиака, который действует как «низкотемпературный источник» UAX и отвечает за получение тепла, высвобождаемого элементом (107), принадлежащим комбинированному энергетическому циклу. Основной генератор питается раствором промежуточной концентрации аммиачной воды из вторичного генератора (202), и на одной стороне выходит влажный газообразный аммиак для сжатия, а на другой стороне выходит разбавленный раствор, всасываемый перекачивающим насосом (215).201: Main generator. This is an ammonia stripper that acts as a "low temperature source" of UAX and is responsible for capturing the heat released by the element (107) belonging to the combined energy cycle. The main generator is fed with an intermediate concentration of ammonia water solution from the secondary generator (202), and wet ammonia gas exits on one side for compression, and on the other side a dilute solution is drawn by the transfer pump (215).
202: Вторичный генератор. Это частичный десорбер аммиака, который работает с использованием тепла, подаваемого ему посредством конденсатора (207) пара сжатого аммиака. Весь концентрированный раствор, производимый в аммиачном абсорбере (210), после предварительного охлаждения входит во вторичный генератор. Из вторичного генератора на одной стороне выходит влажный газообразный аммиак, подлежащий сжатию вместе с аммиаком, полученным из главного генератора (201), а на другой стороне - частично дегазированная вода, получаемая из нижней части, подлежащая отправке для питания главного генератора (201). Вторичный генератор (202) работает при давлении немного более высоком, чем главный генератор (201), чтобы заставлять раствор протекать от одного из них к другому.202: Secondary generator. This is a partial ammonia stripper which operates using the heat supplied to it by the compressed ammonia vapor condenser (207). All the concentrated solution produced in the ammonia absorber (210) enters the secondary generator after pre-cooling. From the secondary generator, wet ammonia gas exits on one side, to be compressed together with ammonia obtained from the main generator (201), and on the other side, partially degassed water, obtained from the bottom, to be sent to feed the main generator (201). The secondary generator (202) operates at a slightly higher pressure than the main generator (201) to force the solution to flow from one to the other.
203: Аммиачные компрессоры. Этот термин применяется к массиву последовательно соединенных компрессоров, функция которых заключается в увеличении давления влажного газообразного аммиака из двух генераторов (201) и (202). Сжатие газообразного аммиака выполняется на последовательных этапах сжатия, соединенных последовательно с промежуточным охлаждением газа, с целью максимизации общего КПД процесса. Чтобы достичь этого, компрессорный массив получает механическую работу с передаточного вала (130) установки комбинированного цикла. Массив компрессоров (203) поднимает давление газообразного аммиака так, чтобы, по меньшей мере, температура насыщения NH3 превышала температуру, при которой вторичный генератор (202) выполняет десорбцию, так что является возможной передача тепла на это последнее оборудование.203: Ammonia compressors. This term is applied to an array of series-connected compressors whose function is to increase the pressure of wet ammonia gas from two generators (201) and (202). Compression of ammonia gas is performed in successive compression stages connected in series with gas intercooling in order to maximize the overall efficiency of the process. To achieve this, the compressor array receives mechanical work from the transmission shaft (130) of the combined cycle unit. The compressor array (203) pressurizes the ammonia gas so that at least the saturation temperature of the NH 3 is above the temperature at which the secondary generator (202) performs desorption so that heat transfer to this latter equipment is possible.
Этот этап сжатия газообразного хладагента не происходит в традиционных абсорбционных машинах, так что он является отличительным признаком UAX. Из-за использования абсорбционно-десорбционного цикла в дополнение к компрессорам полагают, что UAX (200) является гибридной абсорбционно-компрессионной системой, которая в целом действует как тепловой насос.This refrigerant gas compression step does not occur in traditional absorption machines, so it is a hallmark of UAX. Due to the use of an absorption/desorption cycle in addition to compressors, the UAX (200) is believed to be a hybrid absorption/compression system that acts as a heat pump overall.
Пар сжатого аммиака, который выходит из последнего этапа, заставляют циркулировать через оконечный охлаждающий элемент (205) для сжатого аммиака и непосредственно следующий за ним другой охлаждающий змеевик (206), что означает, что тепло, содержащееся в этом сжатом паре, повторно используется в других элементах UAX.The compressed ammonia vapor that exits the last stage is made to circulate through the final compressed ammonia cooling element (205) and immediately following another cooling coil (206), which means that the heat contained in this compressed vapor is reused in other UAX elements.
204: Охлаждающие элементы для газообразного аммиака между последовательными этапами сжатия. Они состоят из всех элементов теплообмена, отвечающих за охлаждение газообразного аммиака между каждой парой этапов, составляющих компрессор (203). Все эти элементы теплообмена расположены внутри испарителя (209) сверхкритического аммиака, которому они отдают все выпускаемое тепло, и по этой причине температура работы каждого из этих охлаждающих элементов (204) должна превышать рабочую температуру испарителя (209) сверхкритического аммиака.204: Cooling elements for gaseous ammonia between successive compression steps. They consist of all the heat exchange elements responsible for cooling the ammonia gas between each pair of stages that make up the compressor (203). All these heat exchange elements are located inside the supercritical ammonia evaporator (209) to which they give all the heat they emit, and for this reason, the operating temperature of each of these cooling elements (204) must exceed the operating temperature of the supercritical ammonia evaporator (209).
205: Оконечный охлаждающий элемент для сжатого аммиака. Вместе с оконечным нагревательным элементом (216) для разбавленного раствора образует теплообменник. Через оконечный охлаждающий элемент (205) для сжатого аммиака циркулирует пар, который выходит из оконечного этапа компрессоров (203), отдавая тепло в оконечный нагревательный элемент (216) с целью, чтобы разбавленный раствор достигал аммиачного абсорбера (210) с температурой не меньшей, чем та, при которой происходит абсорбция газа в этом элементе (210). В свете этого факта именно этот элемент (205) имеет наивысшую температуру во всем UAX (200).205: Terminal cooling element for compressed ammonia. Together with the final heating element (216) for diluted solution forms a heat exchanger. Vapor circulates through the terminal cooling element (205) for compressed ammonia, which leaves the final stage of the compressors (203), giving off heat to the final heating element (216) in order for the diluted solution to reach the ammonia absorber (210) with a temperature not lower than the one at which gas absorption occurs in this element (210). In light of this fact, it is this element (205) that has the highest temperature in the entire UAX (200).
206: Охлаждающий змеевик для сжатого аммиака. Он лежит внутри испарителя (209) сверхкритического аммиака, ниже по потоку относительно оконечного охлаждающего элемента (205) для сжатого аммиака. В этом змеевике (206) сжатый газообразный аммиак охлаждается перед тем, как достигает конденсатора (207) пара сжатого аммиака. Тепло, высвобождаемое змеевиком (206), используется внутренне для генерирования газообразного аммиака в испарителе аммиака (209), так что он работает при температуре выше (температуры) критической точки NH3.206: Cooling coil for compressed ammonia. It lies inside the evaporator (209) of supercritical ammonia, downstream relative to the terminal cooling element (205) for compressed ammonia. In this coil (206), the compressed ammonia gas is cooled before reaching the condenser (207) for the compressed ammonia vapor. The heat released by the coil (206) is used internally to generate ammonia gas in the ammonia vaporizer (209) so that it operates at a temperature above the NH 3 critical point.
207: Конденсатор пара сжатого аммиака. В этом оборудовании насыщенный пар аммиака под давлением, обеспечиваемым компрессорами (203), преобразуется в жидкую фазу и передает все тепло, которое он высвобождает путем конденсации, во вторичный генератор (202), так что последний может выполнять десорбцию. Конденсатор (207) пара сжатого аммиака получает аммиак в газообразном состоянии из элемента (206) обменника при наинизшей возможной температуре, хотя таким образом, что вторичный генератор (202) может работать правильно. Расширитель (218) отделяет змеевик (206) от конденсатора (207).207: Compressed ammonia vapor condenser. In this equipment, the saturated ammonia vapor, under pressure provided by the compressors (203), is converted into a liquid phase and transfers all the heat it releases by condensation to the secondary generator (202), so that the latter can perform desorption. The compressed ammonia vapor condenser (207) receives ammonia in the gaseous state from the exchanger element (206) at the lowest possible temperature, although in such a way that the secondary generator (202) can operate correctly. An expander (218) separates the coil (206) from the condenser (207).
Жидкий аммиак, полученный из конденсатора (207) пара сжатого аммиака, продвигается в испаритель (209) сверхкритического аммиака с использованием насоса (208) для конденсированного аммиака.The liquid ammonia obtained from the compressed ammonia vapor condenser (207) is advanced to the supercritical ammonia vaporizer (209) using the condensed ammonia pump (208).
208: Насос для конденсированного аммиака. Это насос, который продвигает конденсированный аммиак, с давлением на выходе выше его критической точки, из конденсатора (207) пара сжатого аммиака в испаритель (209) сверхкритического аммиака. В нагнетательной линии насоса (208) достигается наивысшее давление во всем UAX (200).208: Condensed ammonia pump. This is a pump that moves condensed ammonia, with an outlet pressure above its critical point, from the compressed ammonia vapor condenser (207) to the supercritical ammonia evaporator (209). The pump discharge line (208) achieves the highest pressure in the entire UAX (200).
209: Испаритель аммиака под сверхкритическим давлением. Он получает конденсат аммиака, продвигаемый насосом (208) для конденсированного аммиака, и преобразует его в газ при температуре и давлении выше критической точки аммиака (113,5 бар / 133,5°C). Чтобы достичь этого, испаритель (209) повторно использует остаточное тепло, получаемое, с одной стороны, из охлаждающего змеевика (206) для сжатого аммиака и охлаждающих элементов (204), которые передают тепло, которое было сгенерировано из-за эффекта Джоуля-Томсона в компрессорах (203). С другой стороны, он также повторно использует скрытую теплоту, передаваемую ему змеевиком (211) концентрированного раствора (более концентрированного, чем раствор, который поступает из десорбера), через который циркулирует одна часть концентрированного раствора, выходящего из абсорбера (210). Это подразумевает, что испаритель (209) сверхкритического аммиака выполняет свою функцию с использованием рециркулируемого тепла из самой системы UAX без необходимости вклада от других внешних источников тепла.209: Supercritical ammonia evaporator. It receives the ammonia condensate promoted by the condensed ammonia pump (208) and converts it to gas at a temperature and pressure above the ammonia critical point (113.5 bar / 133.5°C). To achieve this, the evaporator (209) reuses the residual heat obtained on the one hand from the cooling coil (206) for compressed ammonia and the cooling elements (204) which transfer the heat that has been generated due to the Joule-Thomson effect in compressors (203). On the other hand, it also reuses the latent heat transferred to it by the concentrated solution coil (211) (more concentrated than the solution that comes from the desorber), through which one part of the concentrated solution leaving the absorber (210) circulates. This implies that the supercritical ammonia evaporator (209) performs its function using recycled heat from the UAX system itself without the need for input from other external heat sources.
Газ, который выходит из испарителя (209) аммиака в сверхкритическом состоянии, сразу же переносится в абсорбер (210).The gas that exits the supercritical ammonia vaporizer (209) is immediately transferred to the absorber (210).
210: Абсорбер аммиака. Его цель состоит в том, чтобы растворять газообразный аммиак в воде в условиях сверхкритических давления и температуры. Это элемент, который действует как «высокотемпературный источник» UAX и который отвечает за передачу тепла, которое он выделяет, в регенераторный ребойлер (113) комбинированного энергетического цикла.210: Ammonia absorber. Its purpose is to dissolve gaseous ammonia in water under conditions of supercritical pressure and temperature. This is the element that acts as the UAX "high temperature source" and is responsible for transferring the heat it generates to the combined power cycle regenerator reboiler (113).
Абсорбер (210) питается газообразным аммиаком из испарителя (209) сверхкритического аммиака, используя расширитель (217), и, кроме того, он также питается разбавленным раствором аммиачной воды из главного генератора (201) после продвижения перекачивающим насосом (215) и предварительного нагрева теплообменными элементами (214) и (216) последовательно.The absorber (210) is fed with gaseous ammonia from the supercritical ammonia vaporizer (209) using an expander (217), and in addition, it is also fed with a dilute ammonia water solution from the main generator (201) after advancing by transfer pump (215) and preheating by heat exchangers. elements (214) and (216) in series.
Из абсорбера (210) выходит концентрированный аммиачный раствор, который отправляют во вторичный (202) и главный (201) генераторы, таким образом замыкая цикл абсорбции-десорбции. После выхода из абсорбера (210) течение концентрированного раствора разделяется на два потока. Одну часть заставляют циркулировать через элемент (213) теплообмена обменника в противотоке, тогда как остальная часть течения циркулирует через змеевик (211) концентрированного раствора, который предоставляет тепло, с помощью которого сверхкритический аммиак генерируется в испарителе (209). Наконец, после обмена своим теплом, два раствора концентрированного раствора снова объединяются перед расширительным элементом (212).The absorber (210) leaves a concentrated ammonia solution, which is sent to the secondary (202) and main (201) generators, thus closing the absorption-desorption cycle. After exiting the absorber (210), the flow of the concentrated solution is divided into two streams. One part is forced to circulate through the heat exchange element (213) of the countercurrent exchanger, while the rest of the flow circulates through the concentrated solution coil (211) which provides the heat with which supercritical ammonia is generated in the evaporator (209). Finally, after exchanging their heat, the two solutions of the concentrated solution are combined again in front of the expansion element (212).
Растворение аммиака в воде при сверхкритических условиях является экзотермическим процессом. Тепло, высвобождаемое аммиачным абсорбером (210), передается в ребойлер (113) для регенерации пара в комбинированном энергетическом цикле. Таким образом, абсорбер (210) реализует функцию «высокотемпературного источника» UAX (200).The dissolution of ammonia in water under supercritical conditions is an exothermic process. The heat released by the ammonia absorber (210) is transferred to the reboiler (113) for steam recovery in a combined power cycle. Thus, the absorber (210) implements the function of the "high temperature source" UAX (200).
211: Змеевик концентрированного раствора в испарителе (209). Он находится внутри испарителя (209) сверхкритического аммиака, где он высвобождает тепло за счет снижения температуры концентрированного раствора, циркулирующего через этот змеевик (211) из аммиачного абсорбера (210).211: Evaporator concentrated solution coil (209). It is located inside the supercritical ammonia evaporator (209) where it releases heat by lowering the temperature of the concentrated solution circulating through this coil (211) from the ammonia absorber (210).
213: Элемент теплообменника между разбавленным и концентрированным растворами. Сторона концентрированного раствора. Этот элемент (213) образует часть противоточного теплообменника с элементом (214) теплообмена, которому он передает тепло. Через этот элемент (213) циркулирует дополняющая часть концентрированного раствора, выходящего из аммиачного абсорбера (210), которая не циркулирует через змеевик (211) концентрированного раствора. Задача этого элемента (213) теплообмена состоит в том, чтобы снижать температуру концентрированного раствора перед тем, как он входит во вторичный генератор (202).213: Heat exchanger element between dilute and concentrated solutions. The side of the concentrated solution. This element (213) forms part of a counterflow heat exchanger with a heat exchange element (214) to which it transfers heat. Through this element (213) circulates a complementary part of the concentrated solution leaving the ammonia absorber (210), which does not circulate through the coil (211) of the concentrated solution. The task of this heat exchange element (213) is to reduce the temperature of the concentrated solution before it enters the secondary generator (202).
212: Расширитель концентрированного раствора. Когда два потока концентрированного раствора, которые были охлаждены в элементах (211) и (213) теплообмена, соответственно, объединяются, расширитель (212), расположенный непосредственно перед тем, как этот концентрированный раствор входит во вторичный генератор, обеспечивает достижение рабочего давления, при котором происходит десорбция во вторичном генераторе (202).212: Concentrated solution extender. When the two concentrated solution streams that have been cooled in the heat exchange elements (211) and (213) respectively are combined, the expander (212), located immediately before this concentrated solution enters the secondary generator, ensures that an operating pressure is reached at which desorption takes place in the secondary generator (202).
214: Элемент теплообмена между разбавленным и концентрированным растворами. Сторона разбавленного раствора: Этот элемент (214) образует часть противоточного теплообменника с элементом (213), от которого он получает тепло. Задача этого противоточного теплообменника состоит в том, чтобы сделать так, чтобы концентрированный раствор входил во вторичный генератор (202) при наинизшей возможной температуре, но при этом мог нагревать разбавленный раствор перед его вхождением в аммиачный абсорбер (210).214: Heat exchange element between dilute and concentrated solutions. Diluted solution side: This element (214) forms part of a counterflow heat exchanger with the element (213) from which it receives heat. The purpose of this countercurrent heat exchanger is to ensure that the concentrated solution enters the secondary generator (202) at the lowest possible temperature, while still being able to heat the dilute solution before it enters the ammonia absorber (210).
Через этот элемент (214) теплообмена циркулирует разбавленный раствор из главного генератора (201), продвигаемый перекачивающим насосом (215), до того, как он достигнет абсорбера (210), с целью его нагревания в противотоке с частью концентрированного раствора.This heat exchange element (214) circulates the dilute solution from the main generator (201) propelled by the transfer pump (215) before it reaches the absorber (210) to be heated in countercurrent with a portion of the concentrated solution.
215: Перекачивающий насос для разбавленного раствора. Это насос, который перемещает разбавленный раствор, выходящий из главного генератора (201), и отправляет его в аммиачный абсорбер (210), но с предварительным прохождением через элементы (214) и (216) теплообмена, цель которых состоит в повышении его температуры.215: Transfer pump for thin solution. This is a pump that moves the dilute solution leaving the main generator (201) and sends it to the ammonia absorber (210), but with a preliminary passage through the heat exchange elements (214) and (216), the purpose of which is to increase its temperature.
216: Оконечный нагревательный элемент разбавленного раствора. Элемент (216) теплообмена составляет противоточный теплообменник с оконечным охлаждающим элементом (205) для сжатого аммиака. Через этот элемент циркулирует разбавленный раствор из элемента (214) теплообмена и использует тепло, передаваемое паром, который выходит из оконечного этапа компрессоров (203), чтобы гарантировать, что раствор достигает аммиачного абсорбера (210) при той же рабочей температуре.216: Diluted Solution Terminal Heating Element. The heat exchange element (216) constitutes a counterflow heat exchanger with an end cooling element (205) for compressed ammonia. This element circulates the dilute solution from the heat exchange element (214) and uses the heat transferred from the steam that exits the final stage of the compressors (203) to ensure that the solution reaches the ammonia absorber (210) at the same operating temperature.
217: Расширитель газообразного аммиака в направлении абсорбера (210). Расширитель (217) служит для того, чтобы приводить давление сверхкритического аммиака из испарителя (209) в соответствие рабочему давлению аммиачного абсорбера (210).217: Ammonia gas expander towards absorber (210). The expander (217) serves to bring the supercritical ammonia pressure from the evaporator (209) into line with the operating pressure of the ammonia absorber (210).
218: Расширитель газообразного аммиака в направлении конденсатора (207) сжатого аммиака. Элемент (218) расширителя аммиака создает падение давления и температуры, необходимое для работы конденсатора (207) пара сжатого аммиака таким образом, чтобы можно было установить теплообмен между конденсатором (207) и вторичным генератором (202).218: Gaseous ammonia expander towards compressed ammonia condenser (207). The ammonia expander element (218) creates the pressure and temperature drop necessary to operate the compressed ammonia vapor condenser (207) so that heat exchange between the condenser (207) and the secondary generator (202) can be established.
Конкретные характеристики блока абсорбера для теплообмена (UAX) определяются рабочими требованиями и переменными комбинированного цикла, с которым он работает.The specific characteristics of a Heat Exchange Absorber (UAX) unit are determined by the operating requirements and variables of the combined cycle with which it operates.
Для эффективного «регенерирования» составляющего цикла Брайтона этого изобретения тепловой насос UAX (200) должен удовлетворять следующим условиям:In order to effectively "regenerate" the Brayton cycle component of this invention, the heat pump UAX (200) must satisfy the following conditions:
- обмен энергией только с энергетическим циклом, который поддерживается. То есть все тепло, поглощаемое низкотемпературным источником, должно забираться из энергетического цикла, и все тепло, высвобождаемое высокотемпературным источником, должно снова передаваться в энергетический цикл в другой точке. Обмен энергией с внешней средой представлял бы потерю эффективности;- energy exchange only with an energy cycle that is maintained. That is, all heat absorbed by the low temperature source must be taken from the energy cycle, and all heat released by the high temperature source must be transferred back to the energy cycle at another point. The exchange of energy with the external environment would represent a loss of efficiency;
- низкотемпературный источник UAX должен захватывать с целью рекуперации тепло конденсации водяного пара при давлении окружающей среды (между 80°C и 120°C);- the low-temperature source UAX must capture, in order to recover, the heat of condensation of water vapor at ambient pressure (between 80°C and 120°C);
- требуется достигать как можно большего возможного теплового шага (разности температур) между источниками UAX, поскольку высокотемпературный источник должен регенерировать конденсированный насыщенный водяной пар заблаговременно, но при наивысшем возможном давлении, чтобы улучшать эффективность системы;- it is required to achieve the largest possible thermal step (temperature difference) between the UAX sources, since the high temperature source must regenerate the condensed saturated water vapor in advance, but at the highest possible pressure, in order to improve the efficiency of the system;
- производительность (КПД) должна быть насколько возможно высокой: другими словами, количество калорий, передаваемых из низкотемпературного источника в высокотемпературный, должно быть очень большим в сравнении с механической работой, потребляемой компрессором;- performance (COP) should be as high as possible: in other words, the amount of calories transferred from a low temperature source to a high temperature one should be very large compared to the mechanical work consumed by the compressor;
- вся энергия (механическая и тепловая), которую тепловой насос UAX берет извне, должна поставляться передаточным валом (130) каждого комбинированного цикла, который поддерживается;- all the energy (mechanical and thermal) that the UAX heat pump takes from outside must be supplied by the transmission shaft (130) of each combined cycle that is supported;
- вся тепловая энергия (кроме прямых потерь самого UAX), которую высвобождает тепловой насос UAX, должна выходить посредством его «высокотемпературного источника» и использоваться для регенерации пара в энергетическом цикле посредством его ребойлера (113).- all heat energy (other than direct losses of the UAX itself) that the UAX heat pump releases must exit via its “high temperature source” and be used for steam recovery in the power cycle via its reboiler (113).
Каждая абсорбционная машина, а поэтому также и UAX, работает согласно циклическому процессу абсорбции-десорбции. Абсорбцией называют процесс растворения газа в жидком растворителе. Обратный обратимый процесс, при котором газ высвобождается из раствора, известен как десорбция. В конкретном случае UAX аммиак используется как растворенное вещество, а вода - как растворитель.Each absorption machine, and therefore also the UAX, operates according to a cyclic absorption-desorption process. Absorption is the process of dissolving a gas in a liquid solvent. The reverse reversible process in which gas is released from solution is known as desorption. In the specific case of UAX, ammonia is used as the solute and water as the solvent.
Абсорбция аммиака в воде является обратимым экзотермическим процессом, поэтому в каждом абсорбере происходит высвобождение тепла, когда газ растворяется в жидкой фазе. Со своей стороны, обратный процесс десорбции аммиака в воде, который происходит в генераторе, всегда оказывается эндотермическим, что означает, что для его работы необходима подача тепла.The absorption of ammonia in water is a reversible exothermic process, so heat is released in each absorber as the gas dissolves into the liquid phase. For its part, the reverse process of desorption of ammonia in water, which occurs in the generator, always turns out to be endothermic, which means that a heat supply is necessary for its operation.
Считается, что UAX является гибридным компрессионно-абсорбционным тепловым насосом, поскольку его работа обладает общими признаками с обоими этими системами. Это означает, что UAX обязательно состоит из абсорбера, десорбера, испарителя, конденсатора и компрессоров, в дополнение к насосам, газорасширительным элементам и теплообменникам.The UAX is considered to be a hybrid compression/absorption heat pump because its operation shares common features with both systems. This means that the UAX necessarily consists of an absorber, desorber, evaporator, condenser and compressors, in addition to pumps, gas expansion elements and heat exchangers.
Традиционные абсорбционные машины представляют собой системы, состоящие из двух центров, посредством которых машина поглощает тепло извне (генератор и испаритель), и еще двух, посредством которых машина высвобождает тепло во внешнюю среду (абсорбер и конденсатор).Traditional absorption machines are systems consisting of two centers through which the machine absorbs heat from the outside (generator and evaporator), and two more through which the machine releases heat into the external environment (absorber and condenser).
Тем не менее, для применения «теплового насоса» в регенерировании комбинированного цикла этого изобретения абсолютно необходимо, чтобы он состоял только из одного «низкотемпературного источника» (от которого он получает низкотемпературное тепло из энергетического цикла) и только одного «высокотемпературного источника» (посредством которого тепло возвращается в цикл, но при более высокой температуре). Именно этот фундаментальный признак UAX отличает его от других абсорбционных машин.However, for the application of the "heat pump" in the regeneration of the combined cycle of this invention, it is absolutely necessary that it consists of only one "low temperature source" (from which it receives low temperature heat from the power cycle) and only one "high temperature source" (through which heat is returned to the cycle, but at a higher temperature). It is this fundamental feature of the UAX that distinguishes it from other absorption machines.
Хотя UAX (200) состоит из тех же фундаментальных элементов, что и любые другие абсорбционные машины, он характеризуется поглощением внешнего тепла только в одном источнике и высвобождением его только одним другим (полагая, что прямыми потерями можно пренебречь). Этого достигают путем рециркуляции тепла, высвобождаемого некоторыми его элементами, и повторным использованием внутреннего тепла для обеспечения тепла, необходимого другим его элементам.Although the UAX(200) is made up of the same fundamental elements as any other absorption machine, it is characterized by absorbing external heat from only one source and releasing it from only one other (assuming that direct losses can be neglected). This is achieved by recycling the heat released by some of its elements and reusing the internal heat to provide the heat needed by other elements.
Благодаря физико-химическому сходству, демонстрируемому компонентами раствора, процесс растворения газа в жидкости всегда оказывается более экзотермическим, чем просто его конденсация. Прямым следствием этого является то, что в абсорбционной машине центры, которые работают посредством абсорбции-десорбции - абсорбер (210) и главный генератор (201) - высвобождают и поглощают, соответственно, больше тепла, чем высвобождается в конденсаторе (207) пара сжатого аммиака и поглощается в испарителе (209) сверхкритического аммиака.Due to the physicochemical similarity exhibited by the components of a solution, the process of dissolving a gas in a liquid is always more exothermic than simply condensing it. A direct consequence of this is that in the absorption machine, the centers that work by absorption-desorption - the absorber (210) and the main generator (201) - release and absorb, respectively, more heat than is released in the condenser (207) of the compressed ammonia vapor and absorbed in the evaporator (209) of supercritical ammonia.
Для успешной передачи максимального удельного количества тепла из своего низкотемпературного источника в свой высокотемпературный источник UAX внутренне повторно использует определенные течения тепла, чтобы не позволять своему конденсатору (207) пара сжатого аммиака и своему испарителю (209) сверхкритического аммиака производить обмен энергией с внешней средой, так чтобы сохранять абсорбер (210) и главный генератор (201) в качестве единственных высоко- и низко- температурных источников, соответственно.In order to successfully transfer maximum specific heat from its low temperature source to its high temperature source, the UAX internally reuses certain heat flows to prevent its compressed ammonia vapor condenser (207) and its supercritical ammonia vaporizer (209) from exchanging energy with the outside, so to keep the absorber (210) and the main generator (201) as the only high and low temperature sources, respectively.
С точки зрения термодинамики, и в отличие от компрессионных холодильных машин, традиционные абсорбционные машины нельзя строго считать тепловыми насосами, поскольку они не переносят тепло из более холодного источника в более теплый. Обычно машина поглощает тепло одновременно через самый холодный элемент (испаритель) и самый горячий (генератор).From a thermodynamic point of view, and unlike compression chillers, conventional absorption machines cannot strictly be considered heat pumps because they do not transfer heat from a colder source to a warmer one. Typically, the machine absorbs heat through both the coldest element (evaporator) and the hottest element (generator) at the same time.
Одной особенностью UAX (200), отличающей ее от других традиционных абсорбционных машин, является то, что он на самом деле действует как тепловой насос, перенося тепловую энергию из холодной точки в более теплую. Этого достигают, делая так, чтобы тепловой насос UAX работал со своими рабочими давлениями обратно относительно того, как обычно работают холодильные машины.One feature of the UAX (200) that makes it different from other traditional absorption machines is that it actually acts like a heat pump, transferring heat energy from a cold to a warmer location. This is achieved by having the UAX heat pump operate at its operating pressures in reverse of how chillers normally operate.
В любой холодильной машине, будь то основанной на компрессии или абсорбции, существует одна часть контура, которая работает при высоком давлении, и другая, работающая при низком давлении (конденсатор работает при более высоком давлении, чем испаритель).In any refrigeration machine, whether based on compression or absorption, there is one part of the circuit that operates at high pressure and another that operates at low pressure (the condenser operates at a higher pressure than the evaporator).
В случае компрессионной тепловой машины разность в давлении между испарителем и конденсатором принудительно создается компрессором. Зоны разного давления разграничены между компрессором и расширителем.In the case of a compression heat engine, the pressure difference between the evaporator and condenser is forced by the compressor. Zones of different pressure are demarcated between the compressor and the expander.
В абсорбционных машинах генератор и конденсатор работают при более высоких давлениях, чем испаритель и абсорбер. Именно работа самой системы абсорбер-десорбер стимулирует разность давления, существующую между одними и другими компонентами.In absorption machines, the generator and condenser operate at higher pressures than the evaporator and absorber. It is the operation of the absorber-desorber system itself that stimulates the pressure difference that exists between one and the other components.
Один особый признак UAX заключается в том, что он работает с рабочими давлениями, обратными относительно традиционных холодильных машин: другими словами, его абсорбер (210) и испаритель (209) сверхкритического аммиака функционируют при более высоком давлении, чем его конденсатор (207) пара сжатого аммиака и его главный (201) и вторичный (202) генераторы. Чтобы достичь этого, перекачивающий насос (215) заставляет разбавленный раствор циркулировать из генератора (201) в аммиачный абсорбер (210), который работает при более высоком давлении. One special feature of the UAX is that it operates at the inverse operating pressures of conventional refrigeration machines: in other words, its supercritical ammonia absorber (210) and evaporator (209) operate at a higher pressure than its compressed vapor condenser (207). ammonia and its main (201) and secondary (202) generators. To achieve this, the transfer pump (215) circulates the dilute solution from the generator (201) to the ammonia absorber (210), which operates at a higher pressure.
Чтобы работать с обратными давлениями, UAX (200) нужны механические средства. Этим UAX и отличается от любой другой традиционной абсорбционной машины, поскольку разность давлений в контуре не стимулируется, а принудительно создается с применением для этого компрессоров и насосов.The UAX(200) needs mechanical aids to handle back pressures. This distinguishes the UAX from any other traditional absorption machine, since the pressure difference in the circuit is not stimulated, but is forcibly created using compressors and pumps for this.
Чтобы добиться работы UAX с обратными давлениями, рабочие температуры абсорбера (210) и главного генератора (201) должны быть точно определены, поскольку одновременно создаются два противодействующих эффекта, которые влияют на растворимость аммиака в воде. С одной стороны, жидкая фаза должна иметь возможность растворять больше газа при более высоком давлении, но с другой газ будет становиться менее растворимым при более высоких температурах.In order to achieve reverse pressure operation of the UAX, the operating temperatures of the absorber (210) and the main generator (201) must be precisely determined, since two counter-effects are simultaneously created that affect the solubility of ammonia in water. On the one hand, the liquid phase should be able to dissolve more gas at higher pressures, but on the other hand, the gas will become less soluble at higher temperatures.
Очевидно, для того, чтобы система имела возможность работать как тепловой насос, требуется, чтобы растворимость аммиака в воде всегда была выше в абсорбере (210), чем в главном (201) и вторичном (202) генераторах, поскольку в любом абсорбере всегда существует увеличение концентрации при растворении газа, тогда как в любом генераторе всегда получается разбавленный раствор, поскольку именно здесь происходит десорбция газа.Obviously, in order for the system to be able to work as a heat pump, it is required that the solubility of ammonia in water is always higher in the absorber (210) than in the main (201) and secondary (202) generators, since in any absorber there is always an increase concentration when the gas is dissolved, whereas in any generator a dilute solution is always obtained, since this is where gas desorption occurs.
Для достижения максимальной эффективности необходимо найти идеальный компромисс между рабочими температурами и давлениями в каждом случае, поскольку, с одной стороны, десорбция стимулируется в главном (201) и вторичном (202) генераторах путем снижения давления, тогда как эффективность аммиачного абсорбера (210) возрастает с его рабочим давлением. Однако учитывая то, что целью UAX является действие в качестве теплового насоса, намерение состоит в том, чтобы тепловой шаг между высоко- и низкотемпературным источниками был насколько можно большим. Однако по мере возрастания температуры в абсорбере (210) аммиак склонен становиться менее растворимым, тогда как по мере падения температуры в главном (201) и вторичном (202) генераторах растворимость склонна возрастать, ухудшая производительность десорбции.To achieve maximum efficiency, it is necessary to find the ideal compromise between operating temperatures and pressures in each case, since, on the one hand, desorption is stimulated in the main (201) and secondary (202) generators by lowering the pressure, while the efficiency of the ammonia absorber (210) increases with its working pressure. However, given that the purpose of the UAX is to act as a heat pump, the intention is that the thermal step between the high and low temperature sources is as large as possible. However, as the temperature in the absorber (210) rises, the ammonia tends to become less soluble, while as the temperature drops in the main (201) and secondary (202) generators, the solubility tends to increase, degrading the desorption performance.
Термодинамическая система, которая может передавать тепло из одной точки с низкой температурой в другую более теплую с использованием компрессора, известна как «тепловой насос», и именно эту функцию реализует «Блок абсорбера для теплообмена», являющийся объектом этого изобретения.A thermodynamic system that can transfer heat from one low temperature point to a warmer point using a compressor is known as a "heat pump" and it is this function that the "Heat Exchange Absorber Unit" of this invention implements.
В свете вышеописанного следует указать, что для того, чтобы добиться, чтобы «Блок абсорбера для теплообмена» (UAX) работал как тепловой насос, поддерживающий энергетический цикл настоящего изобретения, необходимо выполнить ряд особых модификаций, которые представляют собой особые признаки UAX (200). Эти особые модификации, которые отличают UAX от других абсорбционных циклов, таковы:In light of the above, it should be pointed out that in order to make the "Heat Exchange Absorber Unit" (UAX) work as a heat pump supporting the energy cycle of the present invention, it is necessary to make a number of special modifications, which are special features of the UAX (200). These specific modifications that distinguish UAX from other absorption cycles are:
1. Чтобы добиться, чтобы аммиачный абсорбер (210) выделял тепло, но при более высокой температуре, чем та, при которой работает главный генератор (201), необходимо обратить давления работы: другими словами, абсорбер (210) должен работать при более высоком давлении, чем компонент, с помощью которого десорбируют аммиак, главный генератор (201). Чтобы достичь этого, необходим перекачивающий насос (215), который продвигает разбавленный раствор в аммиачный абсорбер (210) и расширительный элемент (212) для концентрированного раствора перед его вхождением во вторичный генератор (202).1. In order to get the ammonia absorber (210) to generate heat, but at a higher temperature than that at which the main generator (201) operates, the operating pressures must be reversed: in other words, the absorber (210) must operate at a higher pressure than the component with which ammonia is desorbed, the main generator (201). To achieve this, a transfer pump (215) is needed to push the dilute solution into the ammonia absorber (210) and expansion element (212) for the concentrated solution before it enters the secondary generator (202).
2. Чтобы UAX не терял тепло во внешнюю среду, необходимо рециркулировать тепло, высвобождаемое конденсатором (207) пара сжатого аммиака, передавая его в десорбер вторичного генератора (202), так что рабочая температура первого должна быть немного выше, чем температура последнего. Необходимо поднимать давление пара аммиака с использованием компрессоров (203), чтобы он конденсировался при более высокой температуре, чем та, при которой он испаряется в растворе в генераторе.2. In order for the UAX not to lose heat to the external environment, it is necessary to recycle the heat released by the condenser (207) of the compressed ammonia vapor, transferring it to the desorber of the secondary generator (202), so that the operating temperature of the former should be slightly higher than the temperature of the latter. It is necessary to pressurize the ammonia vapor using compressors (203) so that it condenses at a higher temperature than when it evaporates in solution in the generator.
3. Памятуя о том, что тепло, высвобождаемое конденсатором (207) пара сжатого аммиака, рециркулируется в самом UAX, аммиачный абсорбер (210) представляет собой единственную точку, через которую тепло выпускается во внешнюю среду (если прямые потери тепла от теплопереноса, конвекции и излучения считать ничтожно малыми).3. Keeping in mind that the heat released by the compressed ammonia vapor condenser (207) is recycled in the UAX itself, the ammonia absorber (210) is the only point through which heat is released to the outside (if direct heat loss from heat transfer, convection and radiation is assumed to be negligible).
4. Для повышения эффективности сжатие аммиака, применяемого в качестве газообразного хладагента, осуществляют в несколько этапов с промежуточным охлаждением. Это подразумевает, что между этапами сжатия имеется некоторое количество тепла, которое необходимо удалить. Кроме того, представляет интерес, чтобы сжатый пар аммиака достигал конденсатора (207) пара сжатого аммиака при наинизшей возможной температуре, всегда при условии, что он все равно может переносить тепло во вторичный генератор (202).4. To improve efficiency, the compression of ammonia used as a gaseous refrigerant is carried out in several stages with intermediate cooling. This implies that there is some heat between the compression steps that needs to be removed. Furthermore, it is of interest that the compressed ammonia vapor reaches the compressed ammonia vapor condenser (207) at the lowest possible temperature, always provided that it can still transfer heat to the secondary generator (202).
Производя надлежащий выбор рабочих температур системы, можно предоставить тепло, которое необходимо испарителю (209), путем передачи ему избыточного тепла, содержащегося в потоке пара после компрессоров (203) и концентрированном растворе, выходящем из абсорбера (210), чтобы преобразовывать аммиак в сверхкритическое состояние. Когда сумма этих объемов избыточного тепла удовлетворяет потребность испарителя (209) аммиака, то теряется необходимость привносить тепло извне для получения аммиака в условиях выше его «критической точки», в то же время исчезает и потребность отводить тепло охлаждения во внешнюю среду.By properly selecting the operating temperatures of the system, it is possible to provide the heat needed by the evaporator (209) by transferring to it the excess heat contained in the vapor stream after the compressors (203) and the concentrated solution leaving the absorber (210) to convert the ammonia to a supercritical state. . When the sum of these volumes of excess heat satisfies the need of the ammonia evaporator (209), then the need to bring heat from the outside to obtain ammonia in conditions above its “critical point” is lost, at the same time, the need to remove cooling heat to the external environment also disappears.
5. Подавая тепло, которое нужно испарителю (209) сверхкритического аммиака, с помощью тепла, рециркулируемого из самой системы, главный генератор (201) становится единственным источником, посредством которого UAX получает тепло из внешней среды.5. By supplying the heat needed by the supercritical ammonia evaporator (209) using heat recycled from the system itself, the main generator (201) becomes the only source through which the UAX receives heat from the outside.
Реализуя все эти модификации надлежащим образом, оказывается возможным спроектировать абсорбционную машину, которая с применением массива компрессоров, соединенных каскадом (203), не дает своему конденсатору (207) пара сжатого аммиака и своему испарителю (209) сверхкритического аммиака производить теплообмен с внешней средой, оставляя главный генератор (201) как единственный низкотемпературный источник, посредством которого система поглощает тепло из внешней среды, тогда как абсорбер (210) работает при более высокой температуре, действуя как единственный высокотемпературный источник, посредством которого тепло выпускается во внешнюю среду.By implementing all these modifications properly, it is possible to design an absorption machine which, using an array of compressors connected in cascade (203), does not allow its condenser (207) vapor of compressed ammonia and its evaporator (209) supercritical ammonia to exchange heat with the external environment, leaving the main generator (201) as the only low temperature source through which the system absorbs heat from the external environment, while the absorber (210) operates at a higher temperature, acting as the only high temperature source through which heat is released to the external environment.
ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО НАСОСА (UAX)HEAT PUMP OPERATION (UAX)
1. Для того чтобы UAX (200), как и любая другая абсорбционная система, мог работать непрерывно в замкнутом цикле, необходимо установить контур для взаимообмена растворами между компонентом, который «абсорбирует» газ с получением концентрированного раствора, и другим, который «десорбирует» с получением разбавленного раствора. Другими словами, разбавленный раствор выходит из главного генератора (201) и циркулирует в аммиачный абсорбер (210), тогда как концентрированный раствор покидает абсорбер (210) и циркулирует в главный генератор (201) в противоположном направлении для рециркуляции снова.1. In order for the UAX (200), like any other absorption system, to operate continuously in a closed cycle, it is necessary to install a solution interchange circuit between a component that “absorbs” gas to obtain a concentrated solution, and another that “desorbs” to obtain a dilute solution. In other words, the dilute solution leaves the main generator (201) and circulates to the ammonia absorber (210), while the concentrated solution leaves the absorber (210) and circulates to the main generator (201) in the opposite direction to be recirculated again.
В соответствии с вышеописанным противоточная циркуляция устанавливается для двух растворов между одним элементом оборудования и другим (абсорбером (210) и генератором (201), но в противоположном направлении.As described above, countercurrent circulation is established for the two solutions between one piece of equipment and the other (absorber (210) and generator (201), but in the opposite direction.
С учетом того, что генераторы (десорберы) и абсорберы абсорбционной машины всегда работают при разных давлениях, раствор течет от машины с более высоким давлением к машине с более низким давлением без необходимости механического содействия. Однако другой раствор, циркулирующий в противотоке из оборудования с более низким давлением к оборудованию с более высоким давлением, нуждается в приведение в действие насосом.Given that the generators (strippers) and absorbers of the absorption machine always operate at different pressures, the solution flows from the higher pressure machine to the lower pressure machine without the need for mechanical assistance. However, the other solution circulating in countercurrent from the lower pressure equipment to the higher pressure equipment needs to be driven by a pump.
В UAX (200), в отличие от традиционных абсорбционных машин, абсорбер (210) работает при более высоком давлении, чем главный генератор (201) и, следовательно, перекачивающий насос (215) продвигает разбавленный раствор из главного генератора (201) в абсорбер (210).In the UAX (200), unlike traditional absorption machines, the absorber (210) operates at a higher pressure than the main generator (201) and therefore the transfer pump (215) moves the dilute solution from the main generator (201) into the absorber ( 210).
2. UAX (200) состоит из двух десорберов, или генераторов, один из которых называют вторичным генератором (202), а другой - главным генератором (201). Два генератора работают в каскаде, что означает, что частично десорбированный раствор, выходящий из вторичного генератора (202), представляет собой подачу для главного генератора (201).2. The UAX (200) consists of two desorbers or generators, one of which is called the secondary generator (202) and the other is called the main generator (201). The two generators operate in cascade, which means that the partially desorbed solution leaving the secondary generator (202) is the feed to the main generator (201).
Десорбция аммиака требует добавления тепла, поскольку это эндотермический процесс, так что все генераторы для работы требуют подачи тепла. В UAX каждый генератор получает тепло из разного источника: Вторичный генератор (202) снабжается теплом посредством конденсатора (207) пара сжатого аммиака, тогда как главный генератор (201) получает тепло из комбинированного цикла. Следовательно, рабочая температура главного генератора (201) всегда определяется температурой конденсации текучей среды в составляющем цикле Брайтона. Эта конденсация происходит в элементе (107).The desorption of ammonia requires the addition of heat as it is an endothermic process, so all generators require heat to operate. In UAX, each generator receives heat from a different source: The secondary generator (202) is supplied with heat by a compressed ammonia vapor condenser (207), while the main generator (201) receives heat from a combined cycle. Therefore, the operating temperature of the main generator (201) is always determined by the condensing temperature of the fluid in the constituent Brayton cycle. This condensation takes place in the element (107).
Рабочее давление генераторов (201) и (202) UAX (200) зависит от степени десорбции (концентрации разбавленного раствора), для которой спроектирован UAX, хотя вторичный генератор (202) всегда работает при давлении значительно более высоком, чем главный генератор (201), так что раствор промежуточной концентрации протекает из одного из них в другой без потребности в механических средствах.The operating pressure of generators (201) and (202) UAX (200) depends on the degree of desorption (dilute solution concentration) for which the UAX is designed, although the secondary generator (202) always operates at a pressure significantly higher than the main generator (201), so that a solution of intermediate strength flows from one of them to the other without the need for mechanical means.
Основной генератор (201) представляет собой оборудование, которое работает при самом низком давлении в UAX (200), и поэтому требуется, чтобы разбавленный раствор, получаемый из этого компонента, циркулировал, продвигаемый перекачивающим насосом (215) под давлением, достаточным для питания аммиачного абсорбера (210).The main generator (201) is the equipment that operates at the lowest pressure in the UAX (200) and therefore the dilute solution produced from this component is required to circulate propelled by the transfer pump (215) at a pressure sufficient to feed the ammonia absorber (210).
3. Пар аммиака, получаемый из двух генераторов, главного (201) и вторичного (202), как и получаемый в любом традиционном десорбере, всегда содержит определенное количество влаги. В этом патенте термин «пар аммиака» в UAX (200) всегда относится к «влажному» пару аммиака, если не указано иное. В этом описании этот влажный аммиак никак особо отдельно не рассматривается, поскольку эта степень влажности является очень низкой в условиях давления и температуры, требующихся для UAX, и это не изменяет основное функционирование цикла.3. Ammonia steam obtained from two generators, main (201) and secondary (202), as well as obtained in any traditional desorber, always contains a certain amount of moisture. In this patent, the term "ammonia steam" in UAX (200) always refers to "wet" ammonia steam, unless otherwise indicated. In this description, this wet ammonia is not specifically considered in any way, since this degree of moisture is very low under the pressure and temperature conditions required for UAX, and this does not change the basic functioning of the cycle.
Этот аммиак, десорбированный в генераторах (201 и 202), отправляют в массив компрессоров (203). Здесь выполняется процесс сжатия на последовательных этапах с промежуточным охлаждением текучей среды, подвергаемой сжатию, с двумя целями: повышения механического КПД сжатия с одной стороны, а с другой - чтобы иметь несколько тепловых резервуаров, имеющих возможность предоставлять тепло в испаритель (209) сверхкритического аммиака. То есть набор охлаждающих элементов (204) между этапами сжатия переносит это тепло в испаритель (209) аммиака, таким образом предотвращая его потерю за пределами цикла.This ammonia stripped in generators (201 and 202) is sent to an array of compressors (203). Here, the compression process is carried out in successive stages with intermediate cooling of the fluid to be compressed, with two goals: to increase the mechanical efficiency of compression on the one hand, and on the other, to have several heat reservoirs able to provide heat to the evaporator (209) of supercritical ammonia. That is, a set of cooling elements (204) transfers this heat to the ammonia vaporizer (209) between compression steps, thus preventing it from being lost outside of the cycle.
Набор компрессоров (203) получает свою механическую работу из самого комбинированного цикла посредством передаточного вала (130), так что эта работа считается собственным потреблением комбинированным энергетическим циклом. С учетом того, что чем меньше собственное потребление механической энергии, тем больше общий КПД комбинированного цикла, представляет интерес, чтобы процесс сжатия был настолько эффективным, насколько возможно.The compressor set (203) receives its mechanical work from the combined cycle itself via the transmission shaft (130), so that this work is considered to be the own consumption of the combined energy cycle. Given that the lower the intrinsic mechanical energy consumption, the greater the overall efficiency of the combined cycle, it is of interest that the compression process be as efficient as possible.
Остаточное давление пара, выходящего из оконечного этапа компрессоров (203), определяется рабочим давлением конденсатора (207) пара сжатого аммиака, а оно в свою очередь является прямой функцией температуры, при которой десорбция происходит во вторичном генераторе (202), с которым он производит обмен теплом.The residual pressure of the vapor leaving the final stage of the compressors (203) is determined by the operating pressure of the compressed ammonia vapor condenser (207), and this in turn is a direct function of the temperature at which desorption occurs in the secondary generator (202) with which it exchanges warmth.
4. Рабочим требованием UAX является то, что пар аммиака должен выходить из последнего этапа компрессоров (203) при температуре более высокой, чем температура абсорбера (210), так что оконечный охлаждающий элемент (205) для сжатого аммиака может нагревать разбавленный раствор, чтобы гарантировать, что жидкая фаза входит в абсорбер (210) при температуре не меньшей, чем та, при которой пар аммиака растворяется в этом оборудовании.4. The operating requirement of the UAX is that the ammonia vapor must exit the last stage of the compressors (203) at a temperature higher than that of the absorber (210), so that the compressed ammonia final cooling element (205) can heat the dilute solution to ensure that the liquid phase enters the absorber (210) at a temperature not less than that at which the ammonia vapor dissolves in this equipment.
5. Также обязательным требованием для функционирования UAX (200) является то, чтобы пар сжатого аммиака, выходящий из разных охлаждающих элементов (204) для газообразного аммиака, а также оконечного охлаждающего элемента (205) для сжатого аммиака, находился при более высокой температуре, чем температура испарителя (209) сверхкритического аммиака, так что это тепло можно передавать с использованием охлаждающего змеевика (206) для сжатого аммиака, с помощью которого генерируется аммиак в сверхкритическом состоянии.5. It is also a prerequisite for the functioning of the UAX (200) that the compressed ammonia vapor leaving the different cooling elements (204) for gaseous ammonia, as well as the final cooling element (205) for compressed ammonia, be at a higher temperature than the temperature of the supercritical ammonia evaporator (209), so that this heat can be transferred using the compressed ammonia cooling coil (206), which generates supercritical ammonia.
6. После отдачи тепла пар аммиака выводят из змеевика (206) для сжатого аммиака при наинизшей возможной температуре, близкой к температуре насыщения в конденсаторе (207) пара сжатого аммиака, и его затем подвергают частичному расширению в расширителе (218), чтобы достичь рабочего давления конденсатора (207).6. After the heat has been removed, the ammonia vapor is withdrawn from the compressed ammonia coil (206) at the lowest possible temperature close to the saturation temperature in the compressed ammonia vapor condenser (207) and is then partially expanded in the expander (218) to reach operating pressure. capacitor (207).
7. В конденсаторе (207) сжатый пар аммиака преобразуется в жидкость, высвобождая тепло, которое полностью передается во вторичный генератор (202), так что последний может выполнять частичную десорбцию концентрированного раствора.7. In the condenser (207), the compressed ammonia vapor is converted to liquid, releasing heat, which is completely transferred to the secondary generator (202), so that the latter can partially desorb the concentrated solution.
Для передачи тепла из конденсатора (207) пара сжатого аммиака во вторичный генератор (202) температура насыщения пара аммиака, которая имеется в конденсаторе (207) пара сжатого аммиака, должна быть немного выше, чем температура десорбции, которая имеется во вторичном генераторе (202). С учетом того, что температура насыщения соответствует некоторому удельному давлению, именно последнее определяет остаточное давление компрессоров (203).In order to transfer heat from the compressed ammonia vapor condenser (207) to the secondary generator (202), the saturation temperature of the ammonia vapor that is present in the compressed ammonia vapor condenser (207) must be slightly higher than the desorption temperature that is present in the secondary generator (202) . Given that the saturation temperature corresponds to a certain specific pressure, it is the latter that determines the residual pressure of the compressors (203).
8. Аммиак в жидкой фазе, собранный в нижней части конденсатора (207) пара сжатого аммиака, отправляется в испаритель (209) сверхкритического аммиака, продвигаемый насосом (208) для конденсированного аммиака под давлением выше давления его «критической точки».8. The liquid phase ammonia collected at the bottom of the compressed ammonia vapor condenser (207) is sent to the supercritical ammonia vaporizer (209) propelled by the condensed ammonia pump (208) at a pressure above its "critical point" pressure.
9. При вхождении в испаритель (209) сверхкритического аммиака жидкий аммиак сначала нагревается и затем переходит в газообразное состояние при давлении и температуре выше давления и температуры «критической точки» аммиака (113,5 бар / 133,5°C).9. When supercritical ammonia enters the evaporator (209), liquid ammonia first heats up and then passes into a gaseous state at a pressure and temperature above the pressure and temperature of the "critical point" of ammonia (113.5 bar / 133.5 ° C).
Тепло, которое требуется испарителю (209) сверхкритического аммиака для выполнения его функции, получают путем рекуперации избыточного тепла, высвобождаемого элементами (204), (206) и (211) самого UAX, при достаточной для этого температуре.The heat that the supercritical ammonia evaporator (209) needs to perform its function is obtained by recovering the excess heat released by the elements (204), (206) and (211) of the UAX itself, at a temperature sufficient for this.
Элементы теплообмена, которые подают тепло, требуемое испарителем (209) сверхкритического аммиака, являются следующими:The heat exchange elements that supply the heat required by the supercritical ammonia evaporator (209) are as follows:
- Массив охлаждающих элементов (204) между разными этапами сжатия.- An array of cooling elements (204) between different stages of compression.
- Охлаждающий змеевик (206), который охлаждает пар сжатого аммиака перед его вхождением в конденсатор (207) пара сжатого аммиака.- Cooling coil (206) which cools the compressed ammonia vapor before it enters the compressed ammonia vapor condenser (207).
- Элемент (211) обмена, через который циркулирует часть горячего концентрированного раствора, которая выходит из аммиачного абсорбера (210).- An exchange element (211) through which part of the hot concentrated solution circulates, which exits the ammonia absorber (210).
Для того, чтобы UAX мог работать эффективно, находясь в энергетической зависимости лишь от комбинированного цикла, необходимо все время поддерживать равенство между количеством тепла, которое требуется испарителю (209) сверхкритического аммиака, и тем, которое добавляется массивом элементов (204), (206) и (211) обмена, соответственно.In order for UAX to operate efficiently, being energy dependent only on the combined cycle, it is necessary at all times to maintain equality between the amount of heat that is required by the evaporator (209) of supercritical ammonia, and that which is added by the array of elements (204), (206) and (211) exchange, respectively.
В UAX этого теплового баланса достигают и контролируют его делая так, чтобы испаритель (209) работал при давлении выше давления критической точки аммиака. Это является фундаментальным признаком, который отличает UAX от любой другой традиционной абсорбционной машины.In UAX, this heat balance is achieved and controlled by making the evaporator (209) operate at a pressure above the critical point pressure of ammonia. This is the fundamental feature that distinguishes the UAX from any other traditional absorption machine.
Работая при давлениях немного выше давления критической точки NH3 в испарителе (209), можно изменить количество тепла, поглощаемого здесь. Когда давление и температура аммиака превышают его критическую точку, возникает «тепловая аномалия», в которой малые вариации давления в сверхкритической текучей среде требуют больших изменений энтальпии для каждой малой вариации температуры (на диаграмме давление-энтальпия для аммиака линии изотерм становятся практически горизонтальными сразу после прохождения критической точки).By operating at pressures slightly above the critical point pressure of NH 3 in the evaporator (209), it is possible to change the amount of heat absorbed here. When the pressure and temperature of ammonia exceed its critical point, a "thermal anomaly" occurs in which small pressure variations in the supercritical fluid require large enthalpy changes for each small temperature variation (in the pressure-enthalpy diagram for ammonia, the isotherm lines become nearly horizontal immediately after passing through critical point).
Прямым следствием указанного выше является то, что энергетического баланса в испарителе (209) сверхкритического аммиака достигают путем внесения минимальных модификаций в давление, при котором он работает. Этого, в свою очередь, достигают посредством совместного действия насоса (208) для конденсированного аммиака и расширителя (217), придающего системе в целом чрезвычайную гибкость работы.A direct consequence of the above is that the energy balance in the evaporator (209) supercritical ammonia is achieved by making minimal modifications to the pressure at which it operates. This, in turn, is achieved by the combined action of the condensed ammonia pump (208) and the expander (217), giving the system as a whole an extremely flexible operation.
10. Когда аммиак покидает испаритель (209) при сверхкритических условиях, он протекает в абсорбер (210) благодаря своему собственному давлению.10. When ammonia leaves the evaporator (209) under supercritical conditions, it flows into the absorber (210) due to its own pressure.
Во входной линии для газа в абсорбер (210) имеется клапан (217), который отвечает за приведение в соответствие рабочего давления как аммиачного абсорбера (210), так и испарителя (209) сверхкритического аммиака.There is a valve (217) in the gas inlet line to the absorber (210) which is responsible for adjusting the operating pressure of both the ammonia absorber (210) and the supercritical ammonia evaporator (209).
Путем регулирования рабочего давления абсорбера (210) контролируют концентрацию аммиака в растворе, рабочую температуру и тепло, высвобождаемое в этом оборудовании.By adjusting the operating pressure of the absorber (210), the concentration of ammonia in the solution, the operating temperature and the heat released in this equipment are controlled.
11. В дополнение к аммиаку в газообразном состоянии аммиачный абсорбер (210) также получает весь разбавленный раствор из главного генератора (201), после его продвижения перекачивающим насосом (215) и нагрева в элементах (214) и (216) теплообмена. Когда два потока смешиваются, получается газообразный аммиачный раствор, с помощью которого водный раствор повышает свою концентрацию аммиака, порождая так называемый «концентрированный раствор». Очевидно, что для того, чтобы это произошло как описано, аммиак всегда должен быть более растворимым в абсорбере (210), чем в генераторах (201 и 202). Этого достигают путем осуществления надлежащего выбора рабочих давлений и температур абсорбера (210) и генераторов (201 и 202).11. In addition to the ammonia in the gaseous state, the ammonia absorber (210) also receives all the dilute solution from the main generator (201), after it has been advanced by the transfer pump (215) and heated in the heat exchange elements (214) and (216). When the two streams are mixed, a gaseous ammonia solution is obtained, with which the aqueous solution increases its concentration of ammonia, giving rise to the so-called "concentrated solution". Obviously, for this to happen as described, the ammonia must always be more soluble in the absorber (210) than in the generators (201 and 202). This is achieved by making proper selection of the operating pressures and temperatures of the absorber (210) and generators (201 and 202).
Для того, чтобы иметь возможность повысить растворимость аммиака в воде, когда этого требуют проектные условия, можно добавлять в раствор химические вещества, которые могут формировать сложные радикалы с ионом аммиака (такие как, к примеру, хлористое серебро).In order to be able to increase the solubility of ammonia in water when design conditions require it, chemicals can be added to the solution that can form complex radicals with the ammonia ion (such as, for example, silver chloride).
Концентрированный раствор в аммиаке, полученный в абсорбере (210), после его охлаждения отправляют в генераторы (202 и 201), таким образом замыкая рабочий цикл.The concentrated ammonia solution obtained in the absorber (210), after being cooled, is sent to the generators (202 and 201), thus closing the working cycle.
В результате процесса растворения газообразного аммиака количество концентрированного раствора, выходящего из абсорбера (210), всегда превышает количество разбавленного раствора, покидающего главный генератор (201).As a result of the ammonia gas dissolution process, the amount of concentrated solution leaving the absorber (210) always exceeds the amount of dilute solution leaving the main generator (201).
Это является важным для проектирования обменников, поскольку концентрированный раствор покидает абсорбер (210) при температуре, достаточной для повторного использования его энтальпии в противоточном обменнике (213/214) с одной стороны и нагревателе (211), расположенном внутри испарителя (209), с другой.This is important for exchanger design as the concentrated solution leaves the absorber (210) at a temperature sufficient to recycle its enthalpy in the counterflow exchanger (213/214) on one side and the heater (211) located inside the evaporator (209) on the other. .
12. Для выполнения этой двойной функции теплообмена горячий поток концентрированного раствора, выходящий из аммиачного абсорбера (210), разделяют на два. С одной стороны, некоторое количество раствора циркулирует через элемент (213) теплообмена для предварительного нагрева в противотоке разбавленного раствора, который циркулирует через элемент (214) теплообмена, тогда как остальной раствор циркулирует через змеевик (211) для концентрированного раствора, отдавая тепло в испаритель (209) для получения аммиака в сверхкритическом состоянии.12. To perform this dual function of heat exchange, the hot stream of concentrated solution leaving the ammonia absorber (210) is split into two. On the one hand, some solution circulates through the heat exchange element (213) to preheat the dilute solution in countercurrent, which circulates through the heat exchange element (214), while the rest of the solution circulates through the concentrated solution coil (211), giving off heat to the evaporator ( 209) to produce supercritical ammonia.
13. После отдачи своей энтальпии и охлаждения два потока концентрированного раствора снова объединяются в один перед вхождением во вторичный генератор (202).13. After releasing their enthalpy and cooling, the two streams of concentrated solution are again combined into one before entering the secondary generator (202).
Расширительный элемент (212), расположенный выше по потоку относительно вторичного генератора (202), действует под давлением, при котором в этом оборудовании происходит частичная десорбция аммиака, содержащегося в концентрированном растворе.The expansion element (212), located upstream of the secondary generator (202), operates at a pressure at which this equipment partially desorbs the ammonia contained in the concentrated solution.
14. В результате частичной десорбции, которая происходит во вторичном генераторе (202), выделяется некоторое количество влажного газообразного аммиака, который отправляется прямо в компрессор (203).14. The partial desorption that occurs in the secondary generator (202) releases some moist ammonia gas, which is sent directly to the compressor (203).
Тепло, требующееся вторичному генератору (202) для десорбции газа аммиака, получают путем теплообмена с конденсатором (207) пара сжатого аммиака, без необходимости в каком-либо дополнительном источнике тепла.The heat required by the secondary generator (202) to desorb the ammonia gas is obtained by heat exchange with the compressed ammonia vapor condenser (207), without the need for any additional heat source.
Раствор промежуточной концентрации, получаемый из нижней части вторичного генератора (202), протекает в главный генератор (201), питаемый им, под своим собственным давлением, без необходимости в механических средствах.The intermediate concentration solution obtained from the bottom of the secondary generator (202) flows into the main generator (201), fed by it, under its own pressure, without the need for mechanical means.
15. В главном генераторе (201) происходит вторая фаза десорбции в каскаде. В результате этого процесса высвобождается дополнительное количество пара аммиака, которое отправляется прямо в компрессоры (203) вместе с паром, получаемым во вторичном генераторе (202).15. In the main generator (201) the second desorption phase in the cascade takes place. As a result of this process, additional ammonia vapor is released, which is sent directly to the compressors (203) along with the vapor produced in the secondary generator (202).
Из нижней части главного генератора (201) получают разбавленный аммиачный раствор (более разбавленный, чем выходящий из вторичного генератора (202)), который заново отправляют в абсорбер (210) посредством перекачивающего насоса (215) для разбавленного раствора, тем самым замыкая цикл абсорбции-десорбции.From the bottom of the main generator (201) a dilute ammonia solution is obtained (more dilute than the output from the secondary generator (202)), which is re-sent to the absorber (210) by means of a transfer pump (215) for the diluted solution, thereby closing the absorption cycle - desorption.
Тепло, которое главному генератору (201) нужно выводить из оконечного этапа десорбции, подается извне UAX, путем теплообмена с элементом (107) комбинированного энергетического цикла.The heat that the main generator (201) needs to be removed from the final stage of desorption is supplied from outside the UAX, by heat exchange with the element (107) of the combined energy cycle.
Основной генератор (201) представляет собой оборудование, которое работает при наинизшей температуре UAX, являясь единственной точкой цикла посредством которой UAX получает тепло извне таким образом, чтобы выполнять роль «низкотемпературного источника» этого теплового насоса.The main generator (201) is the equipment that operates at the lowest UAX temperature, being the only point in the cycle through which the UAX receives heat from outside in such a way as to act as the "low temperature source" of this heat pump.
Для того чтобы UAX мог работать эффективно, рабочее давление и температура главного генератора (201) должны быть тщательно заданы так, чтобы удовлетворять ряду обязательных требований. С одной стороны, необходимо, чтобы растворимость газа аммиака в условиях вторичного генератора (202) была ниже, чем в любое время в аммиачном абсорбере (210). Этого достигают путем повышения температуры десорбции: тем не менее, и с другой стороны, целью UAX (200) является работа в качестве теплового насоса, и по существу представляет интерес, чтобы главный генератор (201) действовал как низкотемпературный источник, делал это при наинизшей возможной температуре, что фактически означает, что растворимость стремится возрастать, противоположно тому, что требуется.In order for the UAX to operate efficiently, the operating pressure and temperature of the main generator (201) must be carefully set to meet a number of mandatory requirements. On the one hand, it is necessary that the solubility of the ammonia gas under the conditions of the secondary generator (202) be lower than at any time in the ammonia absorber (210). This is achieved by increasing the desorption temperature: however, on the other hand, the purpose of the UAX (200) is to operate as a heat pump, and it is essentially of interest that the main generator (201) act as a low temperature source, do so at the lowest possible temperature, which actually means that the solubility tends to increase, the opposite of what is required.
16. Разбавленный раствор, получаемый в главном генераторе (201), отправляют в абсорбер (210), так что UAX работает в замкнутом цикле. Для этого, требуется, чтобы перекачивающий насос (215), который перемещает разбавленный раствор, делал это при давлениях выше давления критической точки аммиака, при которых работает абсорбер (210).16. The dilute solution produced in the main generator (201) is sent to the absorber (210) so that the UAX operates in a closed loop. This requires that the transfer pump (215) that moves the dilute solution does so at pressures above the critical point pressure of ammonia at which the absorber (210) operates.
17. С учетом того, что аммиачный абсорбер (210) действует как высокотемпературный источник, для повышения эффективности представляет интерес, чтобы он мог передавать как можно больше тепла в ребойлер (113) комбинированного цикла. Для этого выгодно, чтобы разбавленный раствор появлялся на абсорбере (210) при наивысшей возможной температуре.17. Given that the ammonia absorber (210) acts as a high temperature source, it is of interest to improve efficiency that it can transfer as much heat as possible to the combined cycle reboiler (113). For this, it is advantageous that the dilute solution appears on the absorber (210) at the highest possible temperature.
В противоположность этому, эффективность UAX повышается, когда главный генератор (201), который действует как низкотемпературный источник, получающий тепло извне, получает разбавленный раствор при низких температурах.In contrast, the efficiency of the UAX is increased when the main generator (201), which acts as a low temperature source receiving heat from outside, receives a dilute solution at low temperatures.
Для повышения общего КПД UAX (200) и одновременного удовлетворения обоих требований между разбавленным и концентрированным растворами размещают противоточный теплообменник, состоящий из элементов (214) и (213) теплообмена, соответственно.To increase the overall efficiency of UAX (200) and simultaneously meet both requirements, a counterflow heat exchanger is placed between the dilute and concentrated solutions, consisting of heat exchange elements (214) and (213), respectively.
18. Разбавленный раствор после предварительного нагрева в указанном выше обменнике проходит через другой оконечный дополнительный нагревательный элемент (216), который повышает температуру этого раствора еще больше, перед тем как тот входит в аммиачный абсорбер (210).18. The diluted solution, after being preheated in the above exchanger, passes through another terminal additional heating element (216), which raises the temperature of this solution even more before it enters the ammonia absorber (210).
Как было упомянуто ранее, оконечный нагревательный элемент (216) для разбавленного раствора получает тепло из оконечного охлаждающего элемента (205) для сжатого аммиака (который имеет наивысшую температуру во всем UAX (200)), через который циркулирует пар аммиака, выходящий из оконечного этапа компрессоров (203).As previously mentioned, the dilute solution end heating element (216) receives heat from the compressed ammonia end cooling element (205) (which has the highest temperature in the entire UAX (200)), through which the ammonia vapor exiting the end stage of the compressors circulates. (203).
19. Этот цикл UAX (200) является замкнутым в абсорбере (210), когда разбавленный раствор смешивается с газообразным аммиаком, чтобы растворять последний, и приводя к возникновению концентрированного аммиачного раствора. Это экзотермический процесс, что означает, что в нем выделяется тепло. Именно это тепло передается во внешний ребойлер (113), таким образом абсорбер (210) становится «высокотемпературным источником» UAX.19. This UAX (200) cycle is closed in the absorber (210) where the dilute solution is mixed with ammonia gas to dissolve the latter, resulting in a concentrated ammonia solution. This is an exothermic process, which means that heat is released in it. It is this heat that is transferred to the external reboiler (113), thus the absorber (210) becomes the "high temperature source" of UAX.
В идеале, или, другими словами, игнорируя неизбежные прямые потери тепла вследствие теплопроводности, конвекции и излучения, абсорбер (210) является единственной точкой, в которой UAX выделяет тепло во внешнюю среду.Ideally, or in other words, ignoring the inevitable direct heat loss due to conduction, convection and radiation, the absorber (210) is the only point at which the UAX releases heat to the outside.
Процесс растворения газообразного аммиака происходящий в абсорбере (210), реализуется при необычно высоких температуре и давлении (выше температуры и давления критической точки NH3), приводя к тому, что растворимость аммиака в абсорбере (210) всегда больше, чем в генераторах (201 и 202).The process of dissolution of gaseous ammonia occurring in the absorber (210) is realized at unusually high temperature and pressure (above the temperature and pressure of the critical point of NH 3 ), leading to the fact that the solubility of ammonia in the absorber (210) is always greater than in the generators (201 and 202).
Этого добиваются, противоположно тому, что предназначается для генератора (201), путем снижения температуры раствора: тем не менее и с другой стороны, учитывая, что функцией UAX является работа в качестве теплового насоса, подразумевается, что аммиачный абсорбер (210), действующий как высокотемпературный источник, должен делать это при наивысшей возможной температуре, что определенно не способствует увеличению растворимости.This is achieved, contrary to what is intended for the generator (201), by lowering the temperature of the solution: however, and on the other hand, given that the function of the UAX is to work as a heat pump, it is understood that the ammonia absorber (210), acting as a high temperature source, should do so at the highest temperature possible, which definitely does not increase solubility.
20. Общим результатом работы цикла UAX (200), взятого вместе, является то, что эта система работает как тепловой насос таким образом, что имеется единственный высокотемпературный источник, состоящий из аммиачного абсорбера (210), и единственный низкотемпературный источник, включающий главный генератор (201).20. The overall result of running the UAX cycle (200) taken together is that the system operates like a heat pump in such a way that there is a single high temperature source consisting of the ammonia absorber (210) and a single low temperature source including the main generator ( 201).
Игнорируя прямые потери и согласно принципу сохранения энергии и второму закону термодинамики, UAX высвобождает в энергетический цикл через абсорбер (210) количество тепла, эквивалентное сумме тепла, которое главный генератор (201) захватывает из энергетического цикла, и механической энергии, которую компрессоры (203) и насосы цикла получают с передаточного вала (130). Это подразумевает, что тепловой насос UAX (200) всегда отдает больше тепла посредством регенераторного ребойлера (113) в комбинированный цикл настоящего изобретения, чем он забирает тепла из комбинированного цикла настоящего изобретения через элемент (107), и эта разность тепла является тем меньше, чем лучше производительность UAX (200) (высокий КПД эквивалентен высокой производительности). Это имеет прямые следствия для энергетического цикла, поскольку это означает, что ребойлер (113) нужно будет снабжать дополнительным количеством воды, в дополнение ко всему конденсату, производимому в элементе (107).Ignoring direct losses and in accordance with the principle of conservation of energy and the second law of thermodynamics, UAX releases into the power cycle through the absorber (210) an amount of heat equivalent to the sum of the heat that the main generator (201) captures from the power cycle and the mechanical energy that the compressors (203) and cycle pumps receive from the transfer shaft (130). This implies that the heat pump UAX (200) always delivers more heat through the regenerator reboiler (113) to the combined cycle of the present invention than it takes heat from the combined cycle of the present invention through the element (107), and this heat difference is less than better UAX performance (200) (high efficiency equals high performance). This has direct implications for the power cycle as it means that the reboiler (113) will need to be supplied with additional water in addition to all the condensate produced in the element (107).
ИНТЕГРАЦИЯ ТЕПЛОВОГО НАСОСА (UAX) В КОМБИНИРОВАННЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ЦИКЛHEAT PUMP (UAX) INTEGRATION IN COMBINED ENERGY CYCLE
Для работы комбинированного цикла согласно этому изобретению необходимо, чтобы блок абсорбера для теплообмена UAX (200) был интегрирован внутри одной установки, реализуя функцию «регенерирования» составляющего цикла Брайтона, рециркулируя тепло, высвобождаемое в самой холодной точке цикла для предотвращения его потери, как это происходит в других традиционных комбинированных циклах.The operation of the combined cycle according to this invention requires that the heat exchange absorber unit UAX (200) be integrated within one plant, realizing the function of "regenerating" the component Brayton cycle, recirculating the heat released at the coldest point of the cycle to prevent it from being lost, as it happens in other traditional combined cycles.
Регенерация составляющего цикла Брайтона с помощью теплового насоса в этом изобретении осуществляется посредством:The regeneration of the component Brayton cycle by means of a heat pump in this invention is carried out by:
- использования конденсирующейся теплопередающей среды (водяного пара) вместо газа, как происходит в обычных циклах Брайтона,- using a condensing heat transfer medium (steam) instead of gas, as occurs in conventional Brayton cycles,
- забора некоторого количества механической работы из энергетического цикла для обеспечения функционирования теплового насоса UAX (200),- taking a certain amount of mechanical work from the energy cycle to ensure the functioning of the heat pump UAX (200),
- захвата тепла конденсации, высвобождаемого из энергетического цикла, посредством «низкотемпературного источника» UAX (200),- capturing the heat of condensation released from the energy cycle by means of the "low temperature source" UAX (200),
- возвращения тепла и работы, получаемых из энергетического цикла, посредством «высокотемпературного источника» UAX (200), генерирующего водяной пар при более высоких давлении и температуре, чем те, которые имели место ранее во время конденсации.- recovery of heat and work from the energy cycle by means of a "high temperature source" UAX (200) generating water vapor at a higher pressure and temperature than that which occurred previously during the condensation.
Для осуществления этого класса «регенерации» составляющего цикла Брайтона установка содержит:To implement this class of "regeneration" of the constituent Brayton cycle, the installation contains:
- систему теплообмена, образованную элементом (107), который передает тепло конденсации водяного пара при давлении окружающей среды в низкотемпературный источник теплового насоса UAX (200),- a heat exchange system formed by the element (107), which transfers the heat of condensation of water vapor at ambient pressure to the low-temperature source of the heat pump UAX (200),
- регенераторный ребойлер (113), который работает при более высокой температуре, чем элемент (107), генерирующий водяной пар при более высоком давлении с помощью тепла, возвращаемого в него тепловым насосом UAX (200) через его высокотемпературный источник,- a regenerator reboiler (113) which operates at a higher temperature than the element (107) generating water vapor at a higher pressure with the help of heat returned to it by the UAX heat pump (200) through its high temperature source,
- насос (111) для конденсата регенерации, который продвигает конденсат из элемента (107) в регенераторный ребойлер (113). Конденсированная вода отправляется из элемента (107) в регенераторный ребойлер (113).- pump (111) for regeneration condensate, which promotes the condensate from the element (107) to the regenerator reboiler (113). The condensed water is sent from the element (107) to the recovery reboiler (113).
Способ регенерации для составляющего цикла Брайтона с использованием теплового насоса, представленного в этом изобретении, обеспечивает два отдельных преимущества над традиционными регенеративными циклами Брайтона:The regeneration method for the component Brayton cycle using the heat pump of this invention provides two separate advantages over traditional Brayton regenerative cycles:
- Он позволяет рециркулировать тепло, высвобождаемое составляющим циклом Брайтона, точно в той точке цикла, где температура является наинизшей.- It allows the heat released by the constituent Brayton cycle to be recirculated exactly at the point in the cycle where the temperature is lowest.
- Он регенерирует сжатую текучую среду, поскольку водяной пар конденсируется при одном давлении и затем регенерируется пар, но при более высоком давлении. Это сводит к минимуму потребление механической работы сжатия, необходимой для переноса пара в основной источник (101) тепла составляющего цикла Брайтона.- It regenerates the compressed fluid because water vapor is condensed at one pressure and then steam is regenerated but at a higher pressure. This minimizes the mechanical work of compression required to transfer the steam to the main heat source (101) of the Brayton component cycle.
Для того, чтобы этот тип регенерации с использованием теплового насоса (200) был возможен, также требуется, чтобы передаточный вал (130) установки подавал механическую работу сжатия, необходимую для его функционирования, что считается дополнительным собственным потреблением.In order for this type of regeneration using a heat pump (200) to be possible, it is also required that the transfer shaft (130) of the plant supply the mechanical work of compression necessary for its operation, which is considered additional own consumption.
Без учета прямых потерь и согласно принципу сохранения энергии, UAX (200), как и любой тепловой насос, высвобождает через свой высокотемпературный источник количество тепловой энергии, равное тому, которое было поглощено его низкотемпературным источником, плюс работа, потребляемая компрессором. Другими словами, высокотемпературный источник всегда высвобождает больше тепла, чем поглощает низкотемпературный источник. С учетом того, что UAX не производит обмен энергией с внешней средой, эта механическая работа сжатия, потребляемая из энергетического цикла, позже возвращается в форме дополнительного тепла ребойлером (113). По этой причине, помимо всего конденсата, генерируемого в элементе (107), необходимо обеспечивать ребойлер (113) дополнительным количеством воды для испарения.Disregarding direct losses and following the principle of conservation of energy, the UAX(200), like any heat pump, releases through its high temperature source an amount of thermal energy equal to that absorbed by its low temperature source plus the work consumed by the compressor. In other words, a high temperature source always releases more heat than a low temperature source absorbs. Given that UAX does not exchange energy with the environment, this mechanical work of compression, consumed from the energy cycle, is later returned in the form of additional heat by the reboiler (113). For this reason, in addition to all the condensate generated in the element (107), it is necessary to provide the reboiler (113) with an additional amount of water for evaporation.
В любом случае, что логично, оказывается, что чем выше производительность (КПД) теплового насоса UAX (200), тем будет выше общий КПД комбинированного энергетического цикла.In any case, logically, it turns out that the higher the output (COP) of a UAX (200) heat pump, the higher the overall efficiency of the combined energy cycle will be.
Одним отдельным признаком использования варианта «составляющего цикла Брайтона», в котором используется конденсирующаяся текучая среда, является то, что она позволяет производить обмен теплопередающей средой с «составляющим главным циклом Рэнкина» комбинированного цикла настоящего изобретения. В комбинированном цикле, который является предметом этого изобретения, количество дополнительной воды, которое необходимо испарять ребойлеру (113), относительно элемента (107), получают из течений из составляющего главного цикла Рэнкина или связующих линий между составляющими циклами (Брайтона и Рэнкина).One particular feature of the use of the "brayton component" variant that uses a condensable fluid is that it allows the heat transfer medium to be exchanged with the "component main rankin cycle" of the combined cycle of the present invention. In the combined cycle, which is the subject of this invention, the amount of additional water that needs to be evaporated by the reboiler (113), relative to the element (107), is obtained from the flows from the component main Rankine cycle or connecting lines between component cycles (Brighton and Rankine).
Эта возможность взаимного соединения составляющих циклов Брайтона и Рэнкина комбинированного цикла этого изобретения порождает другие типы преимуществ, такие как возможность упрощения установки с использованием элементов, общих для обоих циклов.This ability to interconnect the component Brayton and Rankin cycles of the combined cycle of this invention generates other types of advantages, such as the ability to simplify installation using elements common to both cycles.
Целью встраивания теплового насоса в составляющий цикл Брайтона является осуществление его «регенерации», рециркулирования тепла, высвобождаемого в самой холодной точке цикла, и таким образом предотвращение его потери. Этот тип регенерации оказывается возможным только когда цикл Брайтона является «замкнутым» или «полузамкнутым»: другими словами, только когда теплопередающая среда не выбрасывается в атмосферу, а возвращается в цикл.The purpose of incorporating a heat pump into the Brayton component cycle is to "regenerate" it, recirculating the heat released at the coldest point in the cycle and thus preventing it from being wasted. This type of regeneration is only possible when the Brayton cycle is "closed" or "semi-closed": in other words, only when the heat transfer medium is not vented to the atmosphere, but is returned to the cycle.
- Работа в «замкнутом цикле» осуществляется, когда установка функционирует без подачи материала извне, в этом случае входную энергию подают путем теплообмена с внешним источником при температуре, достаточной для этой цели (к примеру, она может быть солнечной или атомной).- "Closed-loop" operation is carried out when the plant is operated without an external supply of material, in which case the input energy is supplied by heat exchange with an external source at a temperature sufficient for this purpose (for example, it can be solar or nuclear).
- Работа в «полузамкнутом цикле» осуществляется, когда ввод энергии в установку происходит посредством процесса «внутреннего сжигания в кислороде», выполняемого в камере сгорания.- Operation in a "semi-closed cycle" is carried out when the input of energy into the installation occurs through the process of "internal combustion in oxygen" carried out in the combustion chamber.
В случае, когда комбинированный цикл является полузамкнутым, он имеет по меньшей мере одну камеру сгорания в качестве источника подачи энергии в энергетический цикл. В любой камере сгорания комбинированного цикла в качестве вещества для поддержки горения применяют только промышленный чистый кислород, разбавленный в находящимся под давлением водяном паре в процессе, известном как «сжигание в кислороде», в котором газы этой химической реакции формируют часть теплопередающей среды в камере сгорания. Таким образом, в полузамкнутом комбинированном цикле, кроме применения «сжигания в кислороде», также применяется «внутреннее сгорание».In the case where the combined cycle is semi-closed, it has at least one combustion chamber as a source of energy supply to the power cycle. In any combined cycle combustion chamber, only industrial grade pure oxygen is used as a combustion aid, diluted in pressurized water vapor in a process known as "oxygen combustion", in which the gases of this chemical reaction form part of the heat transfer medium in the combustion chamber. Thus, in a semi-closed combined cycle, in addition to using "oxygen combustion", "internal combustion" is also used.
Любые элемент или вещество, отличные от O2, представленные в веществе для поддержки горения (такие как азот, сера и т. д.), являются нежелательными, поскольку загрязняют теплопередающую среду и несут угрозу проблем в работе комбинированного цикла. Это препятствует возможности использования воздуха как вещества для поддержки горения в этом комбинированном цикле.Any element or substance other than O 2 present in the combustion aid (such as nitrogen, sulfur, etc.) is undesirable because it fouls the heat transfer medium and poses a risk of problems in the operation of the combined cycle. This prevents the use of air as a combustion support agent in this combined cycle.
В полузамкнутом комбинированном цикле может использоваться любое топливо, удовлетворяющее следующим требованиям:The semi-closed combined cycle can use any fuel that meets the following requirements:
- Применяемые разновидности топлива должны быть жидкими или газообразными, но никогда не твердыми.- The fuels used must be liquid or gaseous, never solid.
- Топливо, применяемое в камерах сгорания комбинированного цикла, может содержать одно вещество или представлять собой смесь нескольких разновидностей топлива.- The fuel used in combined cycle combustion chambers may contain a single substance or be a mixture of several types of fuel.
- Химический состав веществ, применяемых в качестве разновидностей топлива, удовлетворяет общей формуле CXHYOZ, где буквы C, H и O относятся к элементам углерод, водород и кислород соответственно, а подстрочные символы «X, Y, Z» представляют стехиометрическое содержание каждого из этих элементов согласно следующим предписаниям:- The chemical composition of substances used as fuels satisfies the general formula C X H Y O Z , where the letters C, H and O refer to the elements carbon, hydrogen and oxygen, respectively, and the subscript characters "X, Y, Z" represent the stoichiometric the content of each of these elements according to the following prescriptions:
- Подстрочный символ «Z» для кислорода в общей формуле может быть нулем или любым другим значением. В соответствии с этим, любой углеводород, удовлетворяющий всем вышеуказанным требованием, является пригодным для использования в качестве топлива в комбинированном цикле.- The subscript "Z" for oxygen in the general formula can be zero or any other value. Accordingly, any hydrocarbon that satisfies all of the above requirements is suitable for use as a combined cycle fuel.
- Чистый водород может быть использован как топливо в любом случае. Тем не менее, для установок, использующих H2 как единственное топливо, и по причинам эффективности и простоты установки, это нужно считать специальным случаем, согласно конфигурации 4 (фиг. 4) комбинированного цикла.- Pure hydrogen can be used as a fuel in any case. However, for plants using H 2 as the sole fuel, and for reasons of efficiency and ease of installation, this should be considered a special case, according to the combined cycle configuration 4 (FIG. 4).
- Случай, когда подстрочный символ «Y» для водорода может принимать нулевое значение.- The case where the subscript "Y" for hydrogen can take on a null value.
- Любое другое химическое соединение, содержащие элементы, отличные от углерода, водорода и кислорода, являются нежелательными.- Any other chemical compound containing elements other than carbon, hydrogen and oxygen is undesirable.
- Разновидности топлива, пригодные для применения, должны быть реальными химическими веществами, которые могут вступать в химические реакции с кислородом в экзотермическом процессе горения.- Fuels suitable for use must be real chemicals that can chemically react with oxygen in an exothermic combustion process.
- Химическая реакция горения должна проводиться без одновременной реализации вторичной химической реакции какого-либо иного типа.- The combustion chemical reaction must be carried out without the simultaneous implementation of any other type of secondary chemical reaction.
В любом «полузамкнутом» процессе «внутреннего сгорания в кислороде» непрерывное введение вещества в цикл происходит по своей природе (в форме топлива и вещества для поддержки горения), так что для установления баланса вещества в цикле обязательно, чтобы количество поступающего вещества выводилось бы в другой части цикла в форме продуктов сгорания. Как только продукты сгорания выводятся из цикла (CO2 в жидком или газообразном состоянии и жидкая H2O, соответственно), последующая их обработка для любого типа промышленного применения оказывается очень простой, без эмиссии парниковых газов, которую влечет за собой применение открытых циклов. В цикле этого изобретения вода выходит в жидкой форме при температуре окружающей среды, оказывая незначительное воздействие на окружающую среду, тогда как, с другой стороны, CO2 получают в концентрированной и изолированной форме без необходимости в какой-либо специальной процедуре для его захвата.In any "semi-closed" process of "internal combustion in oxygen" the continuous introduction of matter into the cycle occurs by nature (in the form of fuel and combustion support), so that in order to establish a balance of matter in the cycle, it is necessary that the amount of incoming substance be removed to another parts of the cycle in the form of combustion products. Once the combustion products are removed from the cycle (CO 2 in liquid or gaseous state and liquid H 2 O, respectively), their subsequent processing for any type of industrial application is very simple, without the greenhouse gas emissions that open cycles entail. In the cycle of this invention, the water exits in liquid form at ambient temperature, with little environmental impact, while, on the other hand, CO 2 is obtained in a concentrated and isolated form without the need for any special procedure to capture it.
Фактически этот конкретный признак комбинированного цикла, согласно которому продукты сгорания выводятся «по отдельности, концентрированными и при низкой температуре», является одной из фундаментальных основ, благодаря которым настоящий энергетический цикл обеспечивает более высокую эффективность, чем другие открытые комбинированные циклы известного уровня техники.In fact, this particular feature of the combined cycle, according to which the combustion products are discharged "individually, concentrated and at low temperature", is one of the fundamental principles due to which the present energy cycle provides higher efficiency than other open combined cycles of the prior art.
Одним из фундаментальных признаков энергетического цикла этого изобретения, отличающих его от традиционных комбинированных циклов, является обязательное условие наличия в любое время баланса энергии, то есть энергия, поступающая в энергетический цикл посредством источников (101) и (132) тепла, должна равняться сумме энергий, выходящих из энергетического цикла через передаточный вал (130) в качестве полезной работы цикла, и тепла, отдаваемого через отвод (128).One of the fundamental features of the energy cycle of this invention, which distinguishes it from traditional combined cycles, is the indispensable condition for the existence of an energy balance at any time, that is, the energy entering the energy cycle through the sources (101) and (132) of heat must be equal to the sum of the energies, leaving the energy cycle through the transfer shaft (130) as useful work of the cycle, and heat given off through the outlet (128).
Любая вариация, возникающая между составляющим циклом Брайтона, составляющим главным циклом Рэнкина и UAX, должна быть компенсирована для сохранения этого равенства путем передачи тепла между ними, и для этого важным условием является постоянное существование дифференциала температур между одной текучей средой и другой, позволяющего это. Иначе будет необходимо выводить энергию из цикла, теряя механическую энергию или производительность.Any variation that occurs between the constituent Brayton cycle, the constituent major Rankine cycle and UAX must be compensated to maintain this equality by transferring heat between them, and for this an important condition is the constant existence of a temperature differential between one fluid and another, allowing this. Otherwise, it will be necessary to remove energy from the cycle, losing mechanical energy or productivity.
Один из фундаментальных аспектов этого изобретения заключается в установлении постоянного энергетического баланса между энергетическим циклом и тепловым насосом UAX (200) так, чтобы они могли обмениваться энергией, но никогда не должно быть избытков тепла, поскольку их придется выводить во внешнюю среду, что означает потерю эффективности.One of the fundamental aspects of this invention is to establish a constant energy balance between the energy cycle and the UAX (200) heat pump so that they can exchange energy, but there should never be excess heat, as they will have to be discharged to the external environment, which means a loss of efficiency. .
Для того, чтобы два цикла работали в «симбиозе» описанным образом, необходимо, чтобы энергетический цикл мог захватывать все тепло, которое UAX возвращает в него посредством своего высокотемпературного источника (210).In order for the two cycles to work in "symbiosis" in the manner described, it is necessary that the energy cycle be able to capture all the heat that the UAX returns to it through its high temperature source (210).
По причинам, изложенным непосредственно в предшествующих абзацах, предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения относится к конфигурации 6, в которой предусмотрена возможность извлечения определенного потока пара из элемента (112).For the reasons stated in the immediately preceding paragraphs, the preferred embodiment of the present invention relates to configuration 6, in which it is possible to extract a certain vapor stream from the element (112).
Для полезного применения этого потока пара, генерируемого в элементе (112), согласно этому изобретению в рамках энергетического цикла, предлагается три возможных варианта:For the beneficial use of this steam flow generated in the element (112), according to this invention, within the energy cycle, there are three possible options:
A. Отправлять этот поток пара в начальный дополнительный этап парового компрессора (115), так что этот пар добавляется к потоку пара из элемента (114), чтобы их вместе сжимать и отправлять в основной источник (101) тепла.A. Send this steam flow to the initial additional stage of the steam compressor (115), so that this steam is added to the steam flow from the element (114) to be compressed together and sent to the main heat source (101).
B. Отправлять этот поток пара в змеевик (136) перегревателя, который поднимает его температуру для последующего расширения в дополнительной турбине (137), выпускной канал которой соединен непосредственно с впускным каналом турбины ТНД (127). В этом случае этот дополнительный поток пара, циркулирующий через контур низкого давления, возвращается в составляющий главный цикл Рэнкина по обходной линии после насоса (123).B. Send this steam flow to the superheater coil (136), which raises its temperature for subsequent expansion in an additional turbine (137), the outlet of which is connected directly to the inlet of the HPP turbine (127). In this case, this additional vapor flow circulating through the low pressure circuit is returned to the constituent main Rankine cycle through a bypass line after the pump (123).
C. Отправлять одну часть этого потока пара в комбинации согласно каждому из указанных выше вариантов A и B.C. Send one part of this steam flow in combination according to each of the options A and B above.
Эти три альтернативы показаны в конфигурации 5 на фиг. 6.These three alternatives are shown in configuration 5 in FIG. 6.
КОНКРЕТНЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА УСТАНОВКИ ИЗОБРЕТЕНИЯSPECIFIC ADVANTAGES OF THE PLANT OF THE INVENTION
Фундаментальные преимущества, обеспечиваемые комбинированным циклом настоящего изобретения относительно других способов генерирования механической энергии, в основном являются следующими:The fundamental advantages provided by the combined cycle of the present invention over other mechanical power generation methods are mainly as follows:
- С энергетическим циклом настоящего изобретения получают производительность, которая является такой же хорошей или лучшей, чем предлагаемая сегодня другими доступными способами на известном уровне данной области техники.- With the energy cycle of the present invention, a performance is obtained that is as good or better than that offered today by other available methods in the known state of the art.
- С энергетическим циклом настоящего изобретения получают меньшее воздействие на окружающую среду, чем создаваемое другими доступными способами на известном уровне данной области техники.- With the energy cycle of the present invention, less environmental impact is obtained than that created by other available methods in the known state of the art.
Наиболее преимущественными отдельными отличительными признаками комбинированного цикла настоящего изобретения являются следующие:The most advantageous individual features of the combined cycle of the present invention are as follows:
- В комбинированном энергетическом цикле вода применяется как теплопередающая среда, общая для всего оборудования, которое его образует. Это делает возможным то, что:- In a combined energy cycle, water is used as a heat transfer medium common to all the equipment that forms it. This makes it possible that:
- Комбинированный энергетический цикл интегрирует по меньшей мере один составляющий цикл Брайтона и один составляющий главный цикл Рэнкина в единый цикл. Это делает возможным то, что:- The combined power cycle integrates at least one constituent Brayton cycle and one constituent main Rankine cycle into a single cycle. This makes it possible that:
- Комбинированный энергетический цикл может работать как в замкнутом цикле, так и в полузамкнутом цикле (внутреннее сжигание в кислороде).- The combined energy cycle can operate both in a closed cycle and in a semi-closed cycle (internal combustion in oxygen).
- Комбинированный энергетический цикл регенерируют с использованием теплового насоса. Это делает возможным то, что:- The combined energy cycle is regenerated using a heat pump. This makes it possible that:
- Комбинированный энергетический цикл реализует захват CO2 (генерируемого в процессе сжигания в кислороде) как концентрированного газообразного или жидкого остатка, который получают изолированным в специальном компоненте цикла - элементе (107).- Combined energy cycle realizes the capture of CO 2 (generated in the process of combustion in oxygen) as a concentrated gaseous or liquid residue, which is isolated in a special component of the cycle - element (107).
- Когда имеется ожижительная установка CO2, интегрированная в установку и выполняющая функцию элемента (107), эффективность процесса получения жидкого CO2 оказывается очень высокой, поскольку тепло, генерируемое в последовательных этапах сжатия CO2, вместо того, чтобы потеряться, рекуперируется путем передачи его в низкотемпературный источник (201) теплового насоса (UAX), который может его использовать повторно.- When there is a CO 2 liquefaction plant integrated into the plant and acting as element (107), the efficiency of the liquid CO 2 production process is very high, since the heat generated in the successive CO 2 compression steps, instead of being lost, is recovered by transferring it to the low temperature source (201) of the heat pump (UAX), which can be reused.
- Комбинированный энергетический цикл (не считая прямых потерь и тепла когенерации) высвобождает тепло в окружающую среду через единственный тепловой резервуар - теплоотвод (128). Тепло, высвобождаемое остальными элементами, повторно используется некоторым другим элементом того же цикла.- Combined energy cycle (excluding direct losses and cogeneration heat) releases heat into the environment through a single thermal reservoir - the heat sink (128). The heat released by the rest of the elements is reused by some other element in the same cycle.
Интеграция абсорбционного теплового насоса UAX (200) в хвост составляющего цикла Брайтона является ключевым и инновационным элементом, внедряемым комбинированным циклом этого изобретения. Тепловой насос UAX (200), интегрированный в энергетический цикл, позволяет достичь следующих отличительных результатов, в особенности новых и преимущественных:The integration of the absorption heat pump UAX (200) into the tail of the Brayton component cycle is a key and innovative element introduced by the combined cycle of this invention. The heat pump UAX (200), integrated into the energy cycle, achieves the following distinctive results, especially new and advantageous:
1) Повышение общего КПД энергетического цикла. UAX (200) захватывает тепло из энергетического цикла на своем низкотемпературном источнике, чтобы повторно вводить его в цикл посредством своего высокотемпературного источника. Это означает, что отсутствуют потери тепла из теплопередающей среды во внешнюю среду на этапе изобарического охлаждения составляющего цикла Брайтона. Это означает, что конденсатор (128) выполняет функцию единственного теплоотвода комбинированного цикла, через который тепло отдается во внешнюю среду.1) Increasing the overall efficiency of the energy cycle. The UAX (200) captures heat from the energy cycle at its low temperature source to recycle it through its high temperature source. This means that there is no heat loss from the heat transfer medium to the external environment during the isobaric cooling stage of the Brayton cycle component. This means that the condenser (128) acts as the only heat sink of the combined cycle through which heat is released to the outside.
2) Регенерация составляющего цикла Брайтона. Это изобретение является новым способом «регенерации» для составляющего цикла Брайтона, согласно которому с помощью тепловой энергии, передаваемой «тепловым насосом» UAX (200), регенерируют часть пара энергетического цикла.2) Regeneration of the constituent Brayton cycle. This invention is a new "regeneration" method for the Brayton component cycle, according to which, with the help of thermal energy transmitted by the "heat pump" UAX (200), part of the steam of the energy cycle is regenerated.
3) Сокращение механической работы сжатия в составляющем цикле Брайтона. В энергетическом цикле UAX (200) достигает эффекта, эквивалентного эффекту сжатия пара, поскольку процесс передачи тепловой энергии, выполняемый тепловым насосом, подразумевает конденсацию пара при давлении окружающей среды (с поглощением тепла «низкотемпературным источником»), чтобы позже снова производить пар при более высоком давлении (с высвобождением тепла «высокотемпературным источником») в другой точке того же цикла.3) Reducing the mechanical work of compression in the constituent Brayton cycle. In the energy cycle, UAX(200) achieves an effect equivalent to that of steam compression, since the heat transfer process performed by a heat pump involves the condensation of steam at ambient pressure (with heat absorbed by the "low temperature source") to later produce steam again at a higher temperature. pressure (with the release of heat "high temperature source") at another point in the same cycle.
4) Уменьшение воздействия на окружающую среду. В этом изобретении процесс удаления двуокиси углерода выполняется по своей природе в связи с тем, что функционирование самого комбинированного цикла избавляется от этого газа продукта сгорания в конкретной точке комбинированного цикла - элементе (107). Путем интеграции теплового насоса UAX (200) в полузамкнутый комбинированный цикл настоящего изобретения добиваются полной конденсация теплопередающей среды (воды), оставляя свободным только CO2. С помощью этого способа комбинированный цикл этого изобретения не выпускает газов никакого типа от сгорания непосредственно в атмосферу.4) Reducing the impact on the environment. In this invention, the carbon dioxide removal process is inherently due to the fact that the operation of the combined cycle itself gets rid of this combustion product gas at a specific point in the combined cycle - element (107). By integrating the heat pump UAX (200) into the semi-closed combined cycle of the present invention, complete condensation of the heat transfer medium (water) is achieved, leaving only CO 2 free. With this method, the combined cycle of this invention does not release gases of any type from combustion directly to the atmosphere.
Общий эффект, достигаемый благодаря соединению теплового насоса UAX (200) с составляющим циклом Брайтона, эквивалентен сжатию его теплообменного газа в том смысле, что, начиная с газообразной текучей среды, которую он содержит при низких давлении и температуре, проводят процесс (регенерации), который выдает эту же газообразную текучую среду, но при более высоких давлении и температуре. Ключевое отличие состоит в том, что для получения этой сжатой текучей среды вместо механических средств применяют тепловой насос. Применение теплового насоса для генерирования сжатого пара дополнительно обеспечивает явное экологическое преимущество в сравнении с другими способами, основанными на использовании углеводородов как топлива на современном уровне техники, поскольку он привносит захват неконденсирующихся газов от сгорания, эмиссия которых влечет за собой вредные эффекты для окружающей среды.The overall effect achieved by connecting the heat pump UAX (200) to the constituent Brayton cycle is equivalent to the compression of its heat exchange gas in the sense that, starting from the gaseous fluid it contains at low pressure and temperature, a (regeneration) process is carried out which delivers the same gaseous fluid, but at a higher pressure and temperature. The key difference is that a heat pump is used instead of mechanical means to produce this pressurized fluid. The use of a heat pump to generate compressed steam further provides a clear environmental advantage over other hydrocarbon-based fuels of the state of the art, as it introduces the capture of non-condensable gases from combustion, the emission of which entails detrimental effects on the environment.
При условии, что в полузамкнутом цикле со сжиганием в кислороде используют разновидности топлива, будет производиться CO2, который сопровождает водяной пар, пока он не охлаждается низкотемпературным источником теплового насоса. Весь этот CO2, который получают концентрированным и в газообразном состоянии, удаляют из энергетического цикла, когда весь водяной пар, содержащийся в нем, конденсируется. Захват CO2, генерируемого в камерах сгорания комбинированного цикла, происходит как прямое следствие работы оборудования цикла, и ни в коем случае не проводится никакая специальная процедура для «захвата» CO2: то есть, даже если бы захват CO2 не представлял интереса для защиты окружающей среды, цикл бы работал тем же образом и захваченный CO2 можно было бы выпускать прямо в атмосферу. В этом цикле захват CO2 является преимуществом и не является вариантом.Provided the semi-closed oxygen combustion cycle uses fuels, CO 2 will be produced which accompanies the water vapor until it is cooled by the low temperature source of the heat pump. All of this CO 2 , which is obtained concentrated and in a gaseous state, is removed from the energy cycle when all the water vapor it contains condenses. The capture of CO 2 generated in the combustors of the combined cycle occurs as a direct consequence of the operation of the cycle equipment, and in no case is there any special procedure for the "capture" of CO 2 : that is, even if the capture of CO 2 is not of interest for protection environment, the cycle would work in the same way and the captured CO 2 could be released directly into the atmosphere. In this cycle, CO 2 capture is an advantage and not an option.
Это означает, что захват CO2 происходит по своей природе в энергетическом цикле как прямое следствие регенерирования составляющего цикла Брайтона с помощью теплового насоса. При таком способе никакая другая дополнительная процедура для удаления CO2 от сгорания в этом комбинированном цикле не нужна.This means that CO 2 capture occurs naturally in the energy cycle as a direct consequence of the regeneration of the Brayton cycle component by the heat pump. With this method, no other additional procedure is needed to remove CO 2 from combustion in this combined cycle.
КОНКРЕТНЫЕ ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ УСТАНОВКИ ИЗОБРЕТЕНИЯSPECIFIC OPTIONS FOR CARRYING OUT THE PLANT OF THE INVENTION
Для успешного максимального улучшения производительности необходимо, чтобы комбинированный цикл этого изобретения содержал ряд дополнительного оборудования.In order to successfully maximize performance, it is necessary that the combined cycle of this invention contains a number of additional equipment.
С целью повышения общего КПД комбинированного цикла комбинированные циклы в соответствии с фиг. 2, 3 и 4 в основном обеспечивают четыре типа усовершенствований относительно основного цикла, показанного на фиг. 1:In order to increase the overall efficiency of the combined cycle, combined cycles in accordance with FIG. 2, 3, and 4 basically provide four types of improvements over the main cycle shown in FIG. one:
1. Увеличение давления в основном источнике (101) тепла. Этого добиваются путем повышения давления пара, регенерируемого в ребойлере (113), и для этого предусматривают один или более дополнительных этапов механического сжатия с использованием определенных компрессоров (115) и (117). Этот процесс сжатия выполняют в несколько этапов с промежуточным охлаждением, с применением обменника, сформированного из элементов (116) и (118).1. Increase in pressure in the main heat source (101). This is achieved by increasing the pressure of the steam regenerated in the reboiler (113) and this involves one or more additional mechanical compression steps using certain compressors (115) and (117). This compression process is carried out in several stages with intermediate cooling, using an exchanger formed from elements (116) and (118).
- 2. Увеличение температуры пара, поступающего в турбину ТВД (122). Этого добиваются путем предоставления дополнительного вспомогательного источника (132) тепла, который повышает энтальпию пара составляющего главного цикла Рэнкина.- 2. Increasing the temperature of the steam entering the HPT turbine (122). This is achieved by providing an additional auxiliary heat source (132) which increases the enthalpy of the steam of the constituent main Rankine cycle.
- 3. Использование части тепла, содержащегося в отходящих газах из турбины ВТТ (102), для промышленных применений, не связанных с энергетическим циклом. Таким образом механическую и полезную тепловую энергия получают одновременно в процессе, который известен как «когенерация».- 3. Use of part of the heat contained in the exhaust gases from the WTT turbine (102) for industrial applications not related to the energy cycle. In this way, mechanical and useful thermal energy are obtained simultaneously in a process known as "cogeneration".
- 4. Повторное использование части тепла, которое высвобождается на теплоотводе. Оказывается возможным успешно улучшить производительность комбинированного цикла этого изобретения, когда теплоотвод состоит из рекуперационного контура, который генерирует пар в другом вторичном цикле Рэнкина при более низком давлении, чем составляющий главный цикл Рэнкина. Чтобы достичь этого, в настоящем изобретении предлагается четыре разных типа конфигураций (представлены на фиг. 2, 3, 4 и 6).- 4. Reuse of part of the heat that is released on the heat sink. It is possible to successfully improve the performance of the combined cycle of this invention when the heat sink consists of a recovery circuit that generates steam in another secondary Rankine cycle at a lower pressure than the constituent main Rankine cycle. To achieve this, the present invention proposes four different types of configurations (represented in Fig. 2, 3, 4 and 6).
Эти четыре типа усовершенствований для комбинированного цикла являются полностью взаимно совместимыми. Тем не менее, в отношении четвертого типа усовершенствований, указанных выше, следует отметить, что существуют разные методы повторного использования тепла, высвобождаемого основным отводом цикла - конденсаторным элементом (128), представленным на фиг. 1 - заменяя его вторичным циклом Рэнкина таким образом, чтобы использовать часть захватываемого тепла для преобразования его в работу с использованием турбины ТНД (127), и таким образом, чтобы конденсатор этого вторичного цикла Рэнкина продолжал выполнять обязательную роль «отвода» для тепла комбинированного энергетического цикла. Существует четыре разных конфигурации комбинированного цикла, в зависимости от того, как интегрирован вторичный цикл Рэнкина. Эти три конфигурации соответствуют фиг. 2, 3, 4 и 6 соответственно. Каждая из этих конфигураций состоит из конкретного оборудования и элементов, подробно описанных далее, где особенности каждой конфигурации изложены отдельно.These four types of combined cycle improvements are fully compatible. However, with regard to the fourth type of improvements mentioned above, it should be noted that there are different methods of reusing the heat released by the main tap of the cycle - the capacitor element (128) shown in FIG. 1 - replacing it with a secondary Rankine cycle in such a way as to use part of the captured heat to convert it into work using the LPT turbine (127), and in such a way that the condenser of this secondary Rankine cycle continues to fulfill the mandatory role of "removal" for the heat of the combined energy cycle . There are four different combined cycle configurations, depending on how the secondary Rankine cycle is integrated. These three configurations correspond to FIG. 2, 3, 4 and 6, respectively. Each of these configurations consists of specific equipment and items detailed below, with the specifics of each configuration described separately.
Для осуществления первых трех типов усовершенствований комбинированный цикл настоящего изобретения спроектирован так, чтобы включать ряд дополнительных элементов оборудования. Важно подчеркнуть, что дополнительное оборудование - это то, которое не образует часть основного главного цикла, и оно спроектировано так, чтобы работать для реализации разных версий комбинированного цикла, которые являются более эффективными и обеспечивают дополнительные преимущества сверх тех, которые дает основная конфигурация согласно фиг. 1.To implement the first three types of improvements, the combined cycle of the present invention is designed to include a number of additional items of equipment. It is important to emphasize that the accessory equipment is that which does not form part of the main main cycle and is designed to work to implement different versions of the combined cycle that are more efficient and provide additional benefits over and above those provided by the basic configuration of FIG. one.
Четвертый тип усовершенствования, упомянутый выше, основан на частичном повторном использовании тепла, высвобождаемого в теплоотводе, на месте которого содержится вторичный цикл Рэнкина. Это изобретение предусматривает четыре типа конфигураций, в зависимости от того, как вторичный цикл Рэнкина интегрирован в комбинированный цикл. Каждая из этих конфигураций требует своего собственного дополнительного оборудования, как сейчас будет детально описано.The fourth type of improvement mentioned above is based on the partial reuse of the heat released in the heat sink, in place of which the secondary Rankine cycle is contained. This invention provides for four types of configurations, depending on how the secondary Rankine cycle is integrated into the combined cycle. Each of these configurations requires its own additional hardware, as will now be described in detail.
Дополнительное оборудование, составляющее разные версии комбинированного цикла согласно этому изобретению, является следующими:The additional equipment constituting the different versions of the combined cycle according to this invention are as follows:
115: Первый компрессор водяного пара. Этот компрессор (115) выполняет первый этап сжатия водяного пара из конденсационного элемента (114) теплообменника. Кроме того, в тех случаях, в которых проект установки это предусматривает, существует возможность, что некоторое количество пара, генерируемого в элементе (112), сжимается в первом дополнительном этапе компрессора (115). В этом конкретном случае этот первый дополнительный этап в компрессоре (115) требуется, поскольку давление этого пара, генерируемого в этом элементе (112), всегда ниже, чем давление пара, поступающего в компрессор (115) из элемента (114).115: First steam compressor. This compressor (115) performs the first step of compressing the water vapor from the condensing element (114) of the heat exchanger. In addition, in cases where the design of the installation provides for it, it is possible that some of the steam generated in the element (112) is compressed in the first additional stage of the compressor (115). In this particular case, this first additional step in the compressor (115) is required because the pressure of this steam generated in this element (112) is always lower than the pressure of the steam entering the compressor (115) from the element (114).
Термодинамическая производительность энергетического цикла возрастает, когда повышается давление в турбине ВТТ (102), и этого добиваются путем повышения давления пара, поступающего в основной источник (101) тепла. Для того, чтобы водяной пар достигал основного источника (101) тепла при более высоком давлении, чем давление пара, генерируемого в ребойлере (113), можно использовать дополнительные механические средства. Для этого предусмотрен компрессор (115), который повышает давление водяного пара, выходящего со стороны обменника (114), применяющий механическую работу, получаемую с передаточного вала (130) установки.The thermodynamic efficiency of the power cycle increases when the pressure in the WTT turbine (102) is increased, and this is achieved by increasing the pressure of the steam entering the main heat source (101). In order for the water vapor to reach the main heat source (101) at a higher pressure than the pressure of the steam generated in the reboiler (113), additional mechanical means can be used. To do this, a compressor (115) is provided, which increases the pressure of the water vapor leaving the side of the exchanger (114), applying mechanical work received from the transmission shaft (130) of the installation.
Когда пар сжимается, это повышает температуру (вследствие эффекта Джоуля-Томсона), хотя процесс механического сжатия является более эффективным, когда сжимаемый газ является более холодным. Вывод, следующий из этого, заключается в том, что термодинамическая производительность процесса сжатия больше, когда он выполняется в несколько этапов. По этой причине пар, выходящий из компрессора (115), отправляют для охлаждения в элемент (116) теплообмена перед выполнением следующего этапа сжатия.When the vapor is compressed, it raises the temperature (due to the Joule-Thomson effect), although the mechanical compression process is more efficient when the compressed gas is colder. The conclusion that follows from this is that the thermodynamic efficiency of the compression process is greater when it is carried out in several stages. For this reason, the vapor leaving the compressor (115) is sent to the heat exchange element (116) for cooling before the next compression step is performed.
Охлаждающий обменник для пара между этапами сжатия, состоящий из элементов (116) и (118):Cooling exchanger for vapor between compression stages, consisting of elements (116) and (118):
116: Корпусная сторона охлаждающего обменника для пара между этапами сжатия. Этот элемент (116) вместе с элементом (118) теплообмена образует теплообменник. Выходной пар из компрессора (115) охлаждается посредством циркуляции через элемент (116) перед прохождением в следующий компрессор (117), чтобы улучшать механический КПД этого оборудования. Внутри него расположен элемент (118) теплообмена, через который циркулирует конденсат, получаемый из нижней части элемента (114), служащий хладагентом.116: Housing side of the cooling exchanger for vapor between compression stages. This element (116) together with the heat exchange element (118) forms a heat exchanger. The outlet vapor from the compressor (115) is cooled by circulation through the element (116) before passing to the next compressor (117) in order to improve the mechanical efficiency of this equipment. Inside it is a heat exchange element (118), through which the condensate obtained from the lower part of the element (114) circulates, serving as a coolant.
118: Охлаждающий элемент для пара между этапами сжатия. Этот элемент (118) теплообмена вместе с элементом (116) теплообмена образует теплообменник. Этот теплообменник (116/118) будет существовать всегда, при условии наличия второго компрессора (117) в каскаде с первым (115). В случае, если установка не имеет компрессора (117), обменник (116/118) является необязательным.118: Cooling element for steam between compression stages. This heat exchange element (118) together with the heat exchange element (116) forms a heat exchanger. This heat exchanger (116/118) will always exist, provided there is a second compressor (117) in cascade with the first one (115). In case the unit does not have a compressor (117), an exchanger (116/118) is optional.
Элемент (118) теплообмена представляет собой змеевик или любой другой элемент теплообмена, через который циркулирует вода, которая служит хладагентом для охлаждения пара между последовательными этапами механического сжатия, выполняемыми компрессорами (115) и (117). Насос (129) для конденсата продвигает воду, которая циркулирует через этот элемент (118) теплообмена, и течение, выходящее из него, отправляют в основной источник (101) тепла.The heat exchange element (118) is a coil or any other heat exchange element through which water circulates, which serves as a refrigerant to cool the vapor between successive mechanical compression steps performed by compressors (115) and (117). The condensate pump (129) pushes the water that circulates through this heat exchange element (118) and the flow leaving it is sent to the main heat source (101).
117: Оконечный компрессор водяного пара. Представляет собой еще один дополнительный компрессор, соединенный последовательно с предыдущим компрессором (115). Этот компрессор (117) получает охлажденный пар из элемента (116), и из него пар выходит под давлением, достаточным для питания основного источника (101) тепла.117: Final steam compressor. It is another additional compressor connected in series with the previous compressor (115). This compressor (117) receives cooled steam from the element (116) and the steam leaves it at a pressure sufficient to feed the main heat source (101).
Очевидно, что также можно сжимать пар с использованием только одного парового компрессора и проводить эту операцию всего в один этап. Поэтому существует вариант не использовать этот дополнительный паровой компрессор (117), но, если он существует, он всегда будет соединен последовательно с компрессором (115) после промежуточного охлаждающего обменника (116/118).Obviously, it is also possible to compress the steam using only one steam compressor and carry out this operation in just one step. Therefore, there is an option not to use this additional steam compressor (117), but if it exists, it will always be connected in series with the compressor (115) after the intermediate refrigerant exchanger (116/118).
131: Вспомогательный элемент теплообмена для предварительного нагрева топлива и вещества для поддержки горения (перед их вхождением в камеры сгорания). Это комплект труб, змеевик или другой элемент теплообмена, через который циркулирует вспомогательная текучая среда, необязательно расположенный, согласно конкретным проектным требованиям установки, после некоторого испарительного элемента (125) низкого давления или внутри конденсационного элемента (114) теплообмена, и из которого она поглощает тепло, используемое для предварительного нагрева по отдельности как топлива, так и вещества для поддержки горения выше условий их подачи до температуры, при которой их отправляют в камеры сгорания со сжиганием в кислороде.131: Auxiliary heat exchange element for preheating fuel and combustion aid (before they enter the combustion chambers). This is a set of pipes, a coil or other heat exchange element through which the auxiliary fluid circulates, optionally located, according to the specific design requirements of the installation, after some low pressure evaporation element (125) or inside the condensing heat exchange element (114), and from which it absorbs heat used to preheat separately both the fuel and the combustion support material above their supply conditions to a temperature at which they are sent to the oxy-combustion chambers.
Кроме использования для предварительного нагрева топлива и вещества для поддержки горения комбинированного цикла тепло из змеевика (131) может предназначаться для любого другого применения, независимого от энергетического цикла, и в этом случае и для всех целей это подразумевается как «когенерация». Apart from being used to preheat fuel and combustibles of the combined cycle, the heat from the coil (131) may be destined for any other application independent of the power cycle, in which case and for all purposes it is referred to as "cogeneration".
132: Вспомогательный источник тепла. Когда вспомогательный источник (132) тепла имеется, он расположен непосредственно после комплекта труб испарителей и перегревателей (121) для пара на выходе из РКК (103) и его задачей является увеличение энтальпии пара в составляющем главном цикле Рэнкина, чтобы он поступал в турбину ТВД (122) с более высоким уровнем перегрева.132: Auxiliary heat source. When an auxiliary heat source (132) is available, it is located immediately after the set of tubes of evaporators and superheaters (121) for steam at the outlet of the RSC (103) and its task is to increase the enthalpy of steam in the constituent main Rankine cycle so that it enters the HPT turbine ( 122) with a higher superheat level.
Когда комбинированный цикл является «замкнутым», вспомогательный источник (132) тепла состоит из дополнительного теплообменника, который получает тепло из внешнего источника. Когда комбинированный цикл является «полузамкнутым», вспомогательный источник (132) тепла может быть дополнительной камерой сгорания со сжиганием в кислороде, которая работает при более высоком давлении, чем основной источник (101) тепла.When the combined cycle is "closed", the auxiliary heat source (132) consists of an additional heat exchanger that receives heat from an external source. When the combined cycle is "semi-closed", the auxiliary heat source (132) may be an additional oxygen combustion chamber that operates at a higher pressure than the main heat source (101).
133: Элемент теплообмена для когенерации. Он содержит трубчатый рекуперационный контур для использования во внешних приложениях когенерации за пределами энергетического цикла. Поэтому он работает посредством циркуляции текучей среды, независимой от остальной части установки.133: Heat exchange element for cogeneration. It contains a tubular heat recovery circuit for use in external cogeneration applications outside the power cycle. Therefore, it works by circulating a fluid independent of the rest of the plant.
Элемент (133) теплообмена представляет собой дополнительный источник тепла, посредством которого тепло высвобождается за пределы комбинированного цикла, но оно считается полезным теплом, находящим промышленное применение. Действительно, считается, что тепловая энергия, извлекаемая из энергетического цикла элементом (133) теплообмена, выходит при температуре, достаточной для ее применения в разных типах обычных промышленных процессов, в диапазоне, который может находиться между 175°C и 600°C, в зависимости от проекта установки.The heat exchange element (133) is an additional source of heat through which heat is released outside the combined cycle, but it is considered useful heat for industrial use. Indeed, it is believed that the thermal energy extracted from the energy cycle by the heat exchange element (133) exits at a temperature sufficient for its use in various types of conventional industrial processes, in a range that can be between 175°C and 600°C, depending from the installation project.
В некоторых случаях, в зависимости от переменных давления и температуры, с которыми спроектирован цикл, требуется, чтобы элемент (133) теплообмена извлекал тепло из РКК (103) так, чтобы он мог постоянно устанавливать энергетический баланс цикла (особенно когда комбинированный цикл имеет два источника тепла).In some cases, depending on the pressure and temperature variables with which the cycle is designed, it is required that the heat exchange element (133) extract heat from the RAC (103) so that it can constantly establish the energy balance of the cycle (especially when the combined cycle has two sources heat).
В соответствии с обязательными требованиями, связанными с необходимостью установления энергетического баланса, количество выводимого из цикла в форме когенерации тепла определяется потребностями комбинированного цикла, а не потребностью в тепле со стороны какого-либо оборудования внешнего потребления, если только в комбинированном цикле нет какой-либо дополнительной внутренней системы, позволяющей ему модифицировать свой энергетический баланс.In accordance with mandatory requirements related to the need to establish an energy balance, the amount of heat removed from the cycle in the form of cogeneration is determined by the needs of the combined cycle, and not by the heat demand from any external consumption equipment, unless there is some additional an internal system that allows him to modify his energy balance.
Независимо от того, имеется или нет змеевик (133) когенерации для извлечения тепла из РКК (103), комбинированный цикл этого изобретения может содержать «вспомогательную систему сброса тепла», выполненную из двух дополнительных элементов оборудования - промежуточного перегревателя (134) и турбины ТСД (135), - которые предусмотрены для установления энергетического баланса, который в установке необходимо поддерживать постоянно, сокращая количество пара, поступающего к источникам тепла (101) и (132), а следовательно и в РКК (103). Другими словами, можно уменьшить тепло путем модификации внутреннего функционирования цикла, а не вынужденного выброса тепла во внешнюю среду.Regardless of whether or not there is a cogeneration coil (133) to extract heat from the RSC (103), the combined cycle of this invention may contain an "auxiliary heat rejection system" made of two additional pieces of equipment - the reheater (134) and the TSD turbine ( 135), - which are provided to establish an energy balance, which must be constantly maintained in the installation, reducing the amount of steam supplied to the heat sources (101) and (132), and consequently to the RKK (103). In other words, it is possible to reduce heat by modifying the internal functioning of the cycle, rather than by forced release of heat into the external environment.
«Вспомогательная система сброса тепла» образована устройством извлечения пара на выходе турбины ТВД (122), которое осуществляет циркуляцию через промежуточный перегреватель (134), затем через турбину ТСД (135) и наконец повторно вводит выходной пар в оконечную секцию РКК (103).The "auxiliary heat rejection system" is formed by a steam recovery device at the outlet of the HPT turbine (122), which circulates through the reheater (134), then through the TSD turbine (135) and finally re-introduces the outlet steam into the final section of the RKK (103).
«Вспомогательная система сброса тепла» применяется в качестве способа смягчения нарушения энергетического баланса, которое возникает во время обычной работы комбинированного цикла или даже изменений нагрузки.The "auxiliary heat rejection system" is applied as a way to mitigate the energy imbalance that occurs during normal combined cycle operation or even load changes.
Для определенных проектных конфигураций, особенно в тех случаях, когда доступны два источника (101) и (132) тепла, это оборудование может становиться обязательным.For certain design configurations, especially where two heat sources (101) and (132) are available, this equipment may become mandatory.
Во «вспомогательной системе сброса тепла» в качестве рабочей текучей среды применяется одна часть водяного пара, принадлежащая составляющему главному циклу Рэнкина, так что, когда она имеется, то считается его частью. In the "auxiliary heat rejection system" one part of the water vapor belonging to the constituent main Rankine cycle is used as a working fluid, so that when it is present, it is considered part of it.
134: Вспомогательный промежуточный перегреватель составляющего главного цикла Рэнкина. Промежуточный перегреватель (134) находится внутри самого РКК (103) и состоит из трубчатого контура, который нагревает пар, извлекаемый из выхода турбины (122), и сразу же отправляет его во вспомогательную турбину ТСД (135).134: Auxiliary reheater of the constituent main Rankine cycle. The reheater (134) is located inside the RSC (103) itself and consists of a tubular circuit that heats the steam extracted from the outlet of the turbine (122) and immediately sends it to the TSD auxiliary turbine (135).
135: Вспомогательная турбина среднего давления ТСД составляющего главного цикла Рэнкина. Функция этой паровой турбины состоит в генерировании работы после цикла составляющий главный цикл Рэнкина.135: Auxiliary medium pressure turbine TSD component of the main Rankine cycle. The function of this steam turbine is to generate work after the cycle constituting the main Rankine cycle.
Турбина ТСД (135) получает пар из выхода турбины ТВД (122) после того, как он был перегрет в промежуточном перегревателе (134) для увеличения механического КПД.The TSD turbine (135) receives steam from the outlet of the HPT turbine (122) after it has been superheated in the reheater (134) to increase mechanical efficiency.
Она характеризуется тем, что является турбиной, которая работает при давлении более низком, чем у турбины ВТТ (102), и более высоком, чем у турбины ТНД (127), так что ее обозначают по начальным буквам как ТСД (турбина среднего давления). Эта турбина работает при обратном давлении, другими словами, выполняет частичное расширение пара, так что на выходе имеется достаточное давление для того, чтобы вводить пар в некоторой точке РКК (103) (где температура пара, поступающего в канал, и температура газов, циркулирующих через канал, совпадают).It is characterized by being a turbine that operates at a pressure lower than that of the VTT turbine (102) and higher than that of the LPT turbine (127), so that it is designated by its initial letters as TSD (medium pressure turbine). This turbine operates at back pressure, in other words, performs a partial expansion of the steam so that there is sufficient pressure at the outlet to introduce steam at some point in the RSC (103) (where the temperature of the steam entering the duct and the temperature of the gases circulating through channel match).
Для того, чтобы определенные высокоэффективные проекты энергетического цикла могли работать в соединении с малоэффективными тепловыми насосами UAX, без необходимости передавать потери во внешнюю среду, нужно, чтобы дополнительное течение водяного пара выходило из элемента (112) (при давлении выше атмосферного).In order for certain high efficiency energy cycle designs to be able to work in conjunction with low efficiency UAX heat pumps, without having to pass on the losses to the outside, additional water vapor flow needs to exit the element (112) (at a pressure above atmospheric pressure).
Таким образом, энергетический цикл может преобразовывать это количество избыточного тепла, передаваемого ему посредством UAX, в некоторое количество пара.Thus, the energy cycle can convert this amount of excess heat transferred to it by UAX into some amount of steam.
Существует вариант отправки этого пара, генерируемого в элементе (112), непосредственно в компрессор (115). Этот вариант не требует рассмотрения никакого дополнительного оборудования, а только требуется обеспечить компрессор (115) средствами для выполнения первого дополнительного этапа сжатия с целью выравнивания давления пара, поступающего из элемента (114).There is an option to send this steam generated in the element (112) directly to the compressor (115). This option does not require consideration of any additional equipment, but only the means to provide the compressor (115) with the means to perform the first additional compression step in order to equalize the pressure of the vapor coming from the element (114).
Конфигурация 2 и конфигурация 3 являются наиболее соответствующими для проекта комбинированных циклов со сжиганием в кислороде, в которых в дополнение к водороду используются другие возможные разновидности топлива, содержащие углерод, поскольку их сжигание порождает диоксид углерода. Наличие этого газа требует, чтобы вторичный цикл Рэнкина был независимым от остальной части энергетического цикла, поскольку неконденсирующиеся газы не дают достигать «вакуумных» давлений, необходимых для экономичной работы. В этих конфигурациях комбинированного цикла, содержащих независимый вторичный цикл Рэнкина, существует вероятность, что этот цикл Рэнкина может использовать теплопередающие среды, отличающиеся от воды, как, к примеру, органические циклы Рэнкина (ОЦР), в которых в качестве теплопередающей среды используются органические текучие среды.Configuration 2 and configuration 3 are the most appropriate for an oxy-combustion combined cycle project that uses other possible carbon-containing fuels in addition to hydrogen because their combustion generates carbon dioxide. The presence of this gas requires the secondary Rankine cycle to be independent of the rest of the power cycle, as the non-condensable gases prevent the "vacuum" pressures required for economical operation from being reached. In these combined cycle configurations containing an independent secondary Rankine cycle, it is possible that this Rankine cycle may use heat transfer media other than water, such as organic Rankine cycles (ORCs) that use organic fluids as the heat transfer medium. .
Пар, генерируемый в этом независимом вторичном цикле Рэнкина, всегда работает при давлении ниже давления составляющего главного цикла Рэнкина, поскольку его температура сильно отличается. С помощью пара, производимого во вторичном цикле Рэнкина, приводится в движение турбина ТНД (127), и это предоставляет дополнительную работу на передаточный вал (130) комбинированного цикла. После этого пар, выходящий из этой турбины ТНД (127), проходит в конденсатор (128), который на самом деле выполняет функцию теплоотвода, так что получаемый в результате комбинированный цикл теряет энергию, передавая ее во внешнюю среду. Конденсат, получаемый в нижней части конденсатора (128), последовательно продвигается насосом (123) в экономайзер (124), испаритель (125) и перегреватель (126), после чего возвращается в турбину (127) и таким образом замыкает цикл. Когда установка имеет перегреватель (136) и турбину (137) для регенерированного пара, существует обходная линия, по которой этот дополнительный пар после насоса (123) для конденсата возвращается, чтобы питать цикл Брайтона и главный цикл Рэнкина. The steam generated in this independent secondary Rankine cycle always operates at a pressure lower than that of the component main Rankine cycle, since its temperature is very different. The steam produced in the secondary Rankine cycle drives the LPH turbine (127) and this provides additional work to the combined cycle transmission shaft (130). The steam leaving this HPP turbine (127) then passes into the condenser (128) which actually acts as a heat sink so that the resulting combined cycle loses energy to the outside. The condensate produced at the bottom of the condenser (128) is sequentially moved by the pump (123) to the economizer (124), evaporator (125) and superheater (126), after which it returns to the turbine (127) and thus closes the cycle. When the plant has a superheater (136) and a turbine (137) for the regenerated steam, there is a bypass line that returns this additional steam after the condensate pump (123) to feed the Brayton cycle and the main Rankine cycle.
Конфигурация 2Configuration 2
Установка настоящего изобретения согласно дополнительным вариантам осуществления, соответствующая конфигурации 2, показанной на фиг. 2, характеризуется следующим:The installation of the present invention according to additional embodiments corresponding to configuration 2 shown in FIG. 2 is characterized as follows:
- Она содержит независимый вторичный цикл Рэнкина, который использует свою собственную теплопередающую среду, независимо от остальной части энергетического цикла.- It contains an independent secondary Rankine cycle that uses its own heat transfer medium, independent of the rest of the power cycle.
- Рекуперационный канал РКК (103) работает при давлении выше атмосферного.- The RKK recovery channel (103) operates at a pressure above atmospheric pressure.
- Конденсация пара происходит в оконечном участке РКК (103), где температура газов ниже.- Steam condensation occurs in the terminal section of the RSC (103), where the temperature of the gases is lower.
Режим работы установки согласно конфигурации 2 состоит в основном в предоставлении испарительного контура, принадлежащего независимому циклу Рэнкина, во внутренней части рекуперационного канала РКК (103). Этот испарительный контур генерирует свой пар с помощью тепла от конденсации, которая происходит в оконечном участке РКК (103), где температура ниже. Конденсированная вода, полученная в нижней части этого РКК (103), отправляется во внешний обменник (108/124), где тепло, содержащееся в конденсате, передается в экономайзер (124) вторичного цикла Рэнкина.The mode of operation of the installation according to configuration 2 consists mainly in providing an evaporator circuit belonging to an independent Rankine cycle in the interior of the recovery channel RKK (103). This evaporator circuit generates its steam with the help of heat from the condensation that occurs in the end section of the RSC (103), where the temperature is lower. The condensed water received at the bottom of this RKK (103) is sent to an external exchanger (108/124) where the heat contained in the condensate is transferred to the economizer (124) of the secondary Rankine cycle.
Конфигурация 2 включает все элементы конфигурации 1 и, в дополнение, следующее:Configuration 2 includes all the elements of configuration 1 and, in addition, the following:
108: Корпусная сторона экономайзерного обменника вторичного цикла Рэнкина. Элемент (108) образует теплообменник вместе с экономайзером (124). Через элемент (108) теплообмена циркулирует конденсат, собранный или из нижней части рекуперационного канала РКК (103), или из нижней части канала (105), в соответствии с рассматриваемым проектом, передавая тепло в экономайзер (124) вторичного цикла Рэнкина.108: Shell side of the secondary Rankine economizer exchanger. The element (108) forms a heat exchanger together with an economizer (124). The heat exchange element (108) circulates the condensate collected either from the lower part of the RKK recovery channel (103) or from the lower part of the channel (105), in accordance with the project under consideration, transferring heat to the economizer (124) of the secondary Rankine cycle.
124: Экономайзер вторичного цикла Рэнкина. Вместе с элементом (108) теплообмена он составляет теплообменник. Экономайзер (124) представляет собой элемент теплообмена вторичного цикла Рэнкина, размещенный внутри элемента (108) теплообменника, из которого он получает тепло, поднимая температуру конденсата (чтобы привести ее близко к его точке кипения), который он возвращает в конденсатор (128), продвигая посредством питательного насоса (123) вторичного цикла Рэнкина.124: Rankine secondary cycle economizer. Together with the heat exchange element (108), it constitutes a heat exchanger. The economizer (124) is a secondary Rankine heat exchange element housed within the heat exchanger element (108) from which it receives heat by raising the temperature of the condensate (to bring it close to its boiling point), which it returns to the condenser (128) by promoting through the feed pump (123) of the secondary Rankine cycle.
123: Питательный насос (низкого давления) вторичного цикла Рэнкина. Это насос, который продвигает теплопередающую среду из конденсатора (128) в экономайзер (124) вторичного цикла Рэнкина.123: Feed pump (low pressure) secondary Rankine cycle. This is the pump that moves the heat transfer medium from the condenser (128) to the economizer (124) of the secondary Rankine cycle.
125: Испаритель (низкого давления) вторичного цикла Рэнкина. Это элемент теплообменника, предусмотренный, согласно конфигурации 2, в последнем участке рекуперационного канала (103), из которого он получает тепло конденсации. Его задача заключается в получении текучей среды из экономайзера (124) и преобразование его в пар для вторичного цикла Рэнкина.125: Evaporator (low pressure) secondary Rankine cycle. This is the element of the heat exchanger provided, according to configuration 2, in the last section of the recovery channel (103), from which it receives the heat of condensation. Its task is to receive the fluid from the economizer (124) and convert it to steam for the secondary Rankine cycle.
Когда установка спроектирована согласно конфигурации 5, испаритель (125) вторичного цикла Рэнкина может быть разделен на две секции, соединенных параллельно.When the plant is designed according to configuration 5, the evaporator (125) of the secondary Rankine cycle can be divided into two sections connected in parallel.
126: Перегреватель (низкого давления) вторичного цикла Рэнкина. Это элемент теплообмена, предусмотренный внутри рекуперационного канала РКК (103) и задача которого состоит в том, чтобы поднимать температуру пара, генерируемого в испарительном элементе (125) вторичного цикла Рэнкина перед его поступлением в турбину ТНД (127).126: Superheater (low pressure) secondary Rankine cycle. This is a heat exchange element provided inside the recovery channel RKK (103) and whose task is to raise the temperature of the steam generated in the evaporator element (125) of the secondary Rankine cycle before it enters the LPH turbine (127).
127: Турбина низкого давления (ТНД) вторичного цикла Рэнкина. Это турбина вторичного цикла Рэнкина, которая передает дополнительную механическую работу на передаточный вал (130). Турбина ТНД (127) получает пар из перегревателя (126), и выходной пар отправляют в конденсатор (128), который действует как теплоотвод для комбинированного цикла.127: Low pressure turbine (LPT) of the secondary Rankine cycle. This is a secondary Rankine turbine that transfers additional mechanical work to the transfer shaft (130). The LPH turbine (127) receives steam from the superheater (126) and the exhaust steam is sent to a condenser (128) which acts as a heat sink for the combined cycle.
Необязательно конфигурация 2 может включать все элементы, упомянутые выше в разделе под названием «Конкретные варианты осуществления установки настоящего изобретения».Optionally, configuration 2 may include all of the elements mentioned above in the section titled "Specific Embodiments of the Installation of the Present Invention".
Конфигурация 3Configuration 3
Установка настоящего изобретения согласно дополнительным вариантам осуществления, соответствующая конфигурации 3, показанной на фиг. 2, характеризуется следующим:The installation of the present invention according to further embodiments corresponding to configuration 3 shown in FIG. 2 is characterized as follows:
- Она содержит независимый вторичный цикл Рэнкина, который использует свою собственную теплопередающую среду, независимо от остальной части энергетического цикла.- It contains an independent secondary Rankine cycle that uses its own heat transfer medium, independent of the rest of the power cycle.
- Рекуперационный канал РКК (103) работает при давлении окружающей среды.- The RKK recovery channel (103) operates at ambient pressure.
- В РКК (103) конденсация пара отсутствует, если только для этой цели не предусмотрен независимый конденсационный канал (105).- In the RKK (103) there is no condensation of steam, unless an independent condensing channel (105) is provided for this purpose.
- Она содержит вентилятор (104), который извлекает газы из РКК (103) и сжимает их так, что конденсационный канал (105) работает при более высоком давлении, чем давление на выходе из РКК (103).- It contains a fan (104) which extracts the gases from the RKK (103) and compresses them so that the condensate duct (105) operates at a higher pressure than the pressure at the outlet of the RKK (103).
Фундаментальное отличие относительно конфигурации 2 состоит в том, что в своей работе в конфигурации 3 рекуперационный канал РКК (103) работает при более низком давлении (генерируя большее количество работы на турбине ВТТ (102) и делая температуру газов на входе в РКК (103) ниже) и затем, посредством вентилятора (104), газы, выходящие из этого канала, сжимают для увеличения температуры конденсации пара и таким образом увеличения рабочего давления вторичного цикла Рэнкина. Успешно передавая тепло при более высокой температуре во вторичный цикл Рэнкина, это увеличивает механическую работу, генерируемую турбиной ТНД (127).The fundamental difference compared to configuration 2 is that in its operation in configuration 3, the recovery channel of the RKK (103) operates at a lower pressure (generating more work on the turbine VTT (102) and making the temperature of the gases at the inlet of the RKK (103) lower ) and then, by means of a fan (104), the gases leaving this channel are compressed to increase the condensation temperature of the steam and thus increase the operating pressure of the secondary Rankine cycle. By successfully transferring heat at a higher temperature to the secondary Rankine cycle, this increases the mechanical work generated by the LPH turbine (127).
Эта конфигурация 3 включает, в дополнение ко всем элементам, содержащимся в конфигурации 2, следующее:This configuration 3 includes, in addition to all the elements contained in configuration 2, the following:
104: Вентилятор. Это вентилятор со всасываемым потоком воздуха, расположенный на выходном отверстии для газов рекуперационного канала (103), который отделяет зону конденсации рекуперационного канала РКК (103), располагая ее в независимом конденсационном канале (105). Вентилятор (104) производит повышение давления пара, втягиваемого РКК (103), путем повышения температуры насыщения этого пара. Это увеличение температуры насыщения пара на стороне канала (105) означает, что пар вторичного цикла Рэнкина может быть сгенерирован при более высокой температуре, что приводит к повышению эффективности.104: Fan. It is a suction fan located at the gas outlet of the recovery duct (103), which separates the condensation zone of the RKK recovery duct (103) into an independent condensate duct (105). The fan (104) produces an increase in the pressure of the steam drawn in by the RAC (103) by raising the saturation temperature of this steam. This increase in steam saturation temperature on the channel (105) side means that secondary Rankine cycle steam can be generated at a higher temperature, resulting in increased efficiency.
При условии, что установка имеет вентилятор (104), испаритель (125) вторичного цикла Рэнкина может быть разделен на две секции, работающие параллельно, одна из которых расположена в канале (105), а другая в канале (103) после экономайзера (120). Эта конструктивная альтернатива возможна в любой из конфигураций 2, 3 и 5, хотя она представлена только в конфигурации 5 (фигура 6).Provided that the plant has a fan (104), the evaporator (125) of the secondary Rankine cycle can be divided into two sections operating in parallel, one of which is located in the channel (105) and the other in the channel (103) after the economizer (120) . This design alternative is possible in any of configurations 2, 3 and 5, although it is only present in configuration 5 (FIG. 6).
105: Независимый конденсационный канал. Это участок рекуперационного канала, в котором конденсируется водяной пар, содержащийся в газовой фазе, выходящей из РКК (103) и продвигаемой вентилятором (104).105: Independent condensate duct. This is the section of the recuperation channel, in which the water vapor contained in the gas phase leaving the RAC (103) and propelled by the fan (104) condenses.
В отличие от того, что происходит в конфигурации 2, в конфигурации 3 испаритель (125), принадлежащий вторичному циклу Рэнкина, расположен внутри участка конденсационного канала (105), с помощью которого производится обмен теплом конденсации для генерирования пара вторичного цикла Рэнкина.Unlike what happens in configuration 2, in configuration 3 the evaporator (125) belonging to the secondary Rankine cycle is located inside the section of the condensing channel (105), through which the heat of condensation is exchanged to generate steam of the secondary Rankine cycle.
Когда цикл спроектирован согласно конфигурации 5, испаритель (125) состоит из двух секций, работающих параллельно: одна в канале (103), а другая в канале (105).When the cycle is designed according to configuration 5, the evaporator (125) consists of two sections working in parallel: one in the channel (103) and the other in the channel (105).
Конфигурация 4Configuration 4
Установка настоящего изобретения согласно дополнительным вариантам осуществления, соответствующая конфигурации 4, показанной на фигуре 4, характеризуется следующим:The installation of the present invention according to additional embodiments, corresponding to configuration 4 shown in figure 4, is characterized by the following:
- Она содержит вторичный цикл Рэнкина, в котором используется теплопередающая среда, общая с остальной частью энергетического цикла.- It contains a secondary Rankine cycle that uses a heat transfer medium that is shared with the rest of the power cycle.
- Вторичный цикл Рэнкина не имеет экономайзеров, испарителей или перегревателей.- The secondary Rankine cycle has no economizers, evaporators or superheaters.
- Тепло, отправляемое в турбину ТНД (127), получают непосредственно путем его извлечения из рекуперационного канала РКК (103).- The heat sent to the LPH turbine (127) is obtained directly by extracting it from the recovery channel of the RKK (103).
- Конденсат, получаемый из вторичного цикла Рэнкина, применяют непосредственно как питательную воду для остальной части комбинированного цикла.- The condensate obtained from the secondary Rankine cycle is used directly as feed water for the rest of the combined cycle.
Конфигурация 4 представляет собой проектное упрощение комбинированного цикла, в котором пар, циркулирующий через комбинированный цикл, также используется как текучая среда вторичного цикла Рэнкина, что является возможным, всегда при условии, что в любой точке комбинированного цикла отсутствует CO2 или другие неконденсирующиеся газы. Это происходит только тогда, когда установка спроектирована для работы в замкнутом цикле и когда единственным возможным топливом является водород.Configuration 4 is a design simplification of the combined cycle in which the steam circulating through the combined cycle is also used as secondary Rankine cycle fluid, which is possible, always provided that no CO 2 or other non-condensable gases are present at any point in the combined cycle. This only happens when the plant is designed to operate in a closed cycle and when hydrogen is the only possible fuel.
Следует сказать, что водород может быть использован как топливо в любой из возможных конфигураций комбинированного цикла, но, когда водород используется как единственное топливо, предпочтительно использовать эту проектную версию (как показано на фиг. 1), поскольку она проще и может быть более эффективной.It should be noted that hydrogen can be used as fuel in any of the possible combined cycle configurations, but when hydrogen is used as the only fuel, this design version (as shown in Fig. 1) is preferred because it is simpler and can be more efficient.
В этой конфигурации 4 энергетического цикла вторичный цикл Рэнкина работает с той же текучей средой, что и остальная часть комбинированного цикла. Пар вторичного цикла Рэнкина согласно этой конфигурации 4 получают из течения, извлекаемого непосредственно из канала РКК (103), который направляют непосредственно в турбину ТНД (127) вторичного цикла Рэнкина, а с другой стороны конденсат, получаемый из конденсатора (128), возвращают непосредственно для питания остальной части комбинированного цикла с использованием насоса (109). Прямым следствием этого является то, что в этой проектной версии нет элементов теплообмена, генерирующих свой собственный пар: то есть нет ни экономайзера (124), ни испарителя (125), ни перегревателя (126).In this 4 power cycle configuration, the secondary Rankine cycle operates with the same fluid as the rest of the combined cycle. The steam of the secondary Rankine cycle according to this configuration 4 is obtained from the flow extracted directly from the channel RKK (103), which is sent directly to the turbine LPT (127) of the secondary Rankine cycle, and on the other hand, the condensate obtained from the condenser (128) is returned directly to feeding the rest of the combined cycle using a pump (109). A direct consequence of this is that in this design version there are no heat exchange elements generating their own steam: that is, no economizer (124), no evaporator (125), no superheater (126).
В этой конфигурации также не содержится питательный насос (123) вторичного цикла Рэнкина, поскольку насос (109) возвращает конденсат непосредственно из конденсатора (128) в качестве питательной воды для остальной части комбинированного цикла.This configuration also does not include the feed pump (123) of the secondary Rankine cycle, since the pump (109) returns condensate directly from the condenser (128) as feed water for the rest of the combined cycle.
Когда полузамкнутый цикл реализован с использованием водорода как топлива в соответствии с конфигурацией 4, вода является единственным продуктом, получаемым от сгорания, и выводится из цикла в жидкой форме из этой линии обратной подачи конденсата (так же, как это происходит в остальных конфигурациях).When the semi-closed cycle is implemented using hydrogen as a fuel in accordance with configuration 4, water is the only combustion product and is removed from the cycle in liquid form from this condensate return line (same as in other configurations).
Когда замкнутый цикл реализован в соответствии с конфигурацией 4, отсутствуют камеры сгорания, которые непрерывно подают вещество в комбинированный цикл, и поэтому также из него непрерывно и не получают никакой тип остатка.When the closed cycle is implemented according to the configuration 4, there are no combustors that continuously supply the substance to the combined cycle, and therefore also no type of residue is continuously obtained from it.
В свете этого единственным оборудованием комбинированного цикла, через которое может происходить циркуляция CO2, является:In light of this, the only combined cycle equipment through which CO 2 can be circulated is:
Когда основной источник (101) тепла состоит из камеры сгорания (некоторого топлива, отличного от H2): сама камера (101) сгорания, турбина ВТТ (102), РКК (103), конденсационный элемент (106) обмена и, наконец, элемент (107), из которого CO2 удаляется из цикла.When the main heat source (101) consists of a combustion chamber (some fuel other than H 2 ): the combustion chamber (101) itself, the VTT turbine (102), the RKK (103), the condensing exchange element (106) and, finally, the element (107), from which CO 2 is removed from the cycle.
Когда в энергетическом цикле есть другая камера сгорания, играющая роль вспомогательного источника (132) тепла, в дополнение ко всему оборудованию, перечисленному ранее, циркуляция CO2 имеется через вспомогательную камеру (132) сгорания, турбину ТВД (122), промежуточный перегреватель (134) и турбину ТСД (135), учитывая, что энергетический цикл может также включать последние два необязательные элемента.When there is another combustion chamber in the power cycle playing the role of an auxiliary heat source (132), in addition to all the equipment listed earlier, CO 2 is circulated through the auxiliary combustion chamber (132), HPT turbine (122), reheater (134) and the TSD turbine (135), considering that the power cycle may also include the last two optional elements.
Когда энергетический цикл реализован согласно конфигурации 3, в дополнение к указанному выше оборудованию имеется циркуляция CO2 через вентилятор (104) и конденсационный элемент (105) обмена.When the power cycle is implemented according to configuration 3, in addition to the above equipment, there is CO 2 circulation through the fan (104) and the condensing exchange element (105).
Согласно дополнительной альтернативе этот пар, генерируемый в элементе (112), может переноситься во вторичный цикл Рэнкина для расширения в итоге в турбине ТНД (127).According to a further alternative, this steam generated in the element (112) can be transferred to the secondary Rankine cycle to be eventually expanded in the LPT turbine (127).
Эта возможность соответствует дополнительным вариантам осуществления с конфигурацией 5, показанным на фиг. 6,This capability corresponds to additional embodiments with configuration 5 shown in FIG. 6,
Конфигурация 5 является предпочтительным вариантом осуществления этого изобретения, поскольку она является наиболее полной и содержит все элементы, из которых состоит это изобретение, независимо от того, считаются ли эти элементы обязательными или необязательными. Она позволяет реализовать как замкнутый, так и полузамкнутый циклы, использующие любые разновидности топлива, которые могут применяться в остальных конфигурациях.Configuration 5 is the preferred embodiment of this invention because it is the most complete and contains all the elements that make up this invention, whether those elements are considered mandatory or optional. It allows you to implement both closed and semi-closed cycles using any kind of fuel that can be used in other configurations.
Конфигурация 5 содержит все элементы конфигурации 3 и дополнительно требует двух специальных элементов оборудования:Configuration 5 contains all the elements of configuration 3 and additionally requires two special pieces of equipment:
136: Перегреватель для пара, генерируемого в элементе (112). Этот элемент (136) состоит из змеевика, расположенного внутри РКК (103), который получает насыщенный пар из элемента (112) и чья задача состоит в повышении его температуры так, что он затем может расширяться в другой турбине (137) перед поступлением во вторичный цикл Рэнкина.136: Superheater for steam generated in element (112). This element (136) consists of a coil located inside the RSC (103) which receives saturated steam from the element (112) and whose task is to raise its temperature so that it can then expand in another turbine (137) before entering the secondary Rankine cycle.
137: Турбина для пара, генерируемого в элементе (112). Эта турбина (137) состоит из дополнительной турбины, давление выходного пара которой соответствует давлению и температуре пара, поступающего в турбину ТНД (127). Когда он расширяется в турбине (137), пар генерирует дополнительную работу, которая передается на общий передаточный вал (130), и выход этой турбины соединен с входом в турбину ТНД (127) для продолжения расширения вместе с паром вторичного цикла Рэнкина из перегревателя (126).137: Turbine for steam generated in element (112). This turbine (137) consists of an additional turbine, the outlet steam pressure of which corresponds to the pressure and temperature of the steam entering the LPT turbine (127). As it expands in the turbine (137), the steam generates additional work, which is transferred to a common transmission shaft (130) and the output of this turbine is connected to the inlet of the LPT turbine (127) to continue expansion along with the secondary Rankine cycle steam from the superheater (126 ).
Для установления необходимого баланса вещества, каждый раз когда дополнительный пар вводится во вторичный цикл Рэнкина, требуется, чтобы существовала обходная линия в нагнетательной линии насоса (123), которая возвращает этот поток для питания составляющего главного цикла Рэнкина в форме воды в жидком состоянии.To establish the necessary balance of matter, each time additional steam is introduced into the secondary Rankine cycle, it is required that there be a bypass line in the pump discharge line (123) that returns this flow to feed the constituent main Rankine cycle in the form of water in the liquid state.
Во всех случаях, в которых установка имеет перегреватель (136) и турбину (137) для регенерированного пара, имеется обходная линия ко втягивающему каналу насоса (109) после нагнетательной линии насоса (123) для конденсата.In all cases in which the plant has a superheater (136) and a turbine (137) for regenerated steam, there is a bypass line to the suction port of the pump (109) after the discharge line of the pump (123) for condensate.
Для работы компрессора (115) согласно этой конфигурации 5, показанной на фиг. 6, необходимо, чтобы этот компрессор (115) имел дополнительный первый этап сжатия для повышения давления пара, поступающего в него из элемента (112), и его выравнивания с давлением пара, поступающего в компрессор (115) из элемента (114).To operate the compressor (115) according to this configuration 5 shown in FIG. 6, this compressor (115) needs to have an additional first compression stage to increase the pressure of the vapor entering it from the element (112) and equalize it with the pressure of the vapor entering the compressor (115) from the element (114).
Установка согласно настоящему изобретению, какова бы ни была ее проектная конфигурация, может быть энергетически соединена с внешней средой только посредством:The installation according to the present invention, whatever its design configuration, can be energetically connected to the external environment only through:
- источников (101) и (132) тепла, как единственных возможных точек поступления энергии в комбинированный цикл;- sources (101) and (132) of heat, as the only possible points of energy entry into the combined cycle;
- точек, посредством которых энергия покидает цикл, в дополнение к неизбежным прямым потерям: тепла, уходящего через отвод (128), полезной механической работы, получаемой с передаточного вала (130), и полезного тепла, получаемого для «когенерации».- points where energy leaves the cycle, in addition to the inevitable direct losses: heat escaping through the outlet (128), useful mechanical work obtained from the transfer shaft (130) and useful heat obtained for "cogeneration".
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАКСИМАЛЬНОЙ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ УСТАНОВКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ В ПОЛУЗАМКНУТОМ ЦИКЛЕDETERMINATION OF THE MAXIMUM THEORETICAL CAPACITY OF THE UNIT OF THE INVENTION IN A SEMI-CLOSED CYCLE
Максимальную теоретическую производительность установки, генерирующей полезную энергию из тепловой энергии из разновидности топлива согласно настоящему изобретению, можно оценить очень просто и приблизительно с использованием следующего способа:The maximum theoretical capacity of a plant generating useful energy from thermal energy from a fuel type according to the present invention can be estimated very simply and approximately using the following method:
В качестве примера, расчет теоретической производительности цикла настоящего изобретения, в котором как топливо применяется только чистый водород, выполняют с учетом следующих рассуждений:As an example, the calculation of the theoretical cycle productivity of the present invention, which uses only pure hydrogen as a fuel, is performed taking into account the following considerations:
- считается, что «полезная энергия», производимая установкой, является суммой тепла, получаемого из РКК (103) для применения, внешнего относительно цикла, в форме «когенерации» посредством элемента (133), и полезной механической работы, выходящей из комбинированного цикла через его передаточный вал (130);- it is considered that the "useful energy" produced by the installation is the sum of the heat received from the RKK (103) for application external to the cycle, in the form of "cogeneration" through the element (133), and the useful mechanical work leaving the combined cycle through its transmission shaft (130);
- полагают, что «прямые потери» отсутствуют и комбинированный цикл теряет тепловую энергию только через конденсатор (128), который выполняет функцию теплоотвода;- it is believed that there are no "direct losses" and the combined cycle loses thermal energy only through the condenser (128), which performs the function of a heat sink;
- расчеты выполняют в отношении 1 кг конденсата в возвратной линии, где:- calculations are made for 1 kg of condensate in the return line, where:
- «X» удельное топливо: количество кг топлива, сжигаемого на каждый 1 кг «возвратного конденсата» воды, который возвращается в цикл после вакуумного конденсатора (128);- "X" specific fuel: the amount of kg of fuel burned for every 1 kg of "return condensate" of water that is returned to the cycle after the vacuum condenser (128);
- «PCS» наибольшая теплотворная способность H2, значение которой полагают равным 142 200 кДж/кг;- "PCS" the highest calorific value of H 2 , the value of which is assumed to be 142,200 kJ/kg;
- «PCI» наименьшая теплотворная способность H2, значение которой полагают равным 120 240 кДж/кг;- "PCI" is the lowest calorific value of H 2 , the value of which is assumed to be 120 240 kJ/kg;
«PCSH2O» определяют как наибольшую теплотворную способность удельного топлива (на каждый генерируемый 1 кг воды), полагая, что в реакции горения на каждый сжигаемый 1 кг H2 стехиометрически формируется 9 кг H2O, так что:"PCS H2O " is defined as the highest calorific value of a specific fuel (for every 1 kg of water generated), assuming that in the combustion reaction, for every 1 kg of H 2 burned, 9 kg of H 2 O are formed stoichiometrically, so that:
PCSH2O = 15800 кДж/кггенерируемой H2O PCS H2O = 15800 kJ/kg generated H2O
PCIH2O = 13 360 кДж/кггенерируемой H2O PCI H2O = 13,360 kJ/kg generated H2O
«ΔHVC» определяют как удельный скачок энтальпии конденсации пара в теплоотводе (128), учитывая расчет для вымышленного теоретического конденсатора, реализующего скачок энтальпии конденсация пара, совпадающий с разностью между PCSH2O и PCIH2O, тогда:"ΔH VC " is defined as the specific enthalpy jump of steam condensation in the heat sink (128), given the calculation for a fictitious theoretical condenser realizing the enthalpy jump of steam condensation, coinciding with the difference between PCS H2O and PCI H2O , then:
ΔHVC = PCSH2O - PCIH2O = 2440 кДж/кгH2O ΔH VC = PCS H2O - PCI H2O = 2440 kJ/kg H2O
«MV» определяют как количество «конденсированного» пара в теплоотводе (128); это количество будет равно 1 кг воды, возвращаемой в цикл, плюс количество воды, формирующейся при сжигании H2 (X) и которую необходимо удалить из цикла:"M V " is defined as the amount of "condensed" steam in the heat sink (128); this amount will be equal to 1 kg of water returned to the cycle, plus the amount of water formed by burning H 2 (X) that must be removed from the cycle:
MV = 1 + X (кгH2O)M V = 1 + X (kg H2O )
«Потери энергии» определяют как энергию, удаляемую в конденсаторе (128):"Energy loss" is defined as the energy removed in the capacitor (128):
Потери энергии = MV * ΔHVC = (1 + X) * (ΔHVC) = (1 + X) * (PCSH2O - PCIH2O)Energy loss = M V * ΔH VC = (1 + X) * (ΔH VC ) = (1 + X) * (PCS H2O - PCI H2O )
Потери энергии = (1 + X) * 2440 кДж/кгH2O Energy loss = (1 + X) * 2440 kJ/kg H2O
«Полезную энергию» цикла определяют с учетом того, что «энергия, поступающая в цикл, равняется энергии, выходящей из цикла».The “useful energy” of a cycle is determined taking into account the fact that “the energy entering the cycle is equal to the energy leaving the cycle”.
Полезная энергия = Энергия сгорания - Тепло, выводимое в отводе (128)Useful energy = Combustion energy - Heat removed in the outlet (128)
Полезная энергия (кДж/кгH2O) = (X * PCSH2O) - 2440 * (1+X) = X * (PCSH2O - 2440) - 2440Useful energy (kJ/kg H2O ) = (X * PCS H2O ) - 2440 * (1+X) = X * (PCS H2O - 2440) - 2440
Полезная энергия (кДж/кгH2O) = (X * PCIH2O) - 2440Useful energy (kJ/kg H2O ) = (X * PCI H2O ) - 2440
Производительность установки «ηPCS» относительно PCS определяют из уравнения:The performance of the installation "η PCS " relative to PCS is determined from the equation:
ηPCS = = η PCS = =
ηPCS = - * η PCS = - *
Заменяя PCSH2O и PCIH2O их численными значениями:Replacing PCS H2O and PCI H2O with their numerical values:
ηPCS = - * η PCS = - *
ηPCS = 0,8456 - 0,1544 * ηPCS = 0.8456 - 0.1544*
Производительность установки «ηPCI» относительно PCI, которую обычно используют как эталон, задается выражением:The performance of the "η PCI " installation relative to PCI, which is usually used as a reference, is given by the expression:
ηPCI = = n PCI = =
ηPCS = - * η PCS = - *
Заменяя PCIH2O его численным значением:Replacing PCI H2O with its numerical value:
ηPCI = * n PCI = *
ηPCS = 1 - 0,01826 * η PCS = 1 - 0.01826 *
Два завершающих уравнения для производительности ηPCS и ηPCI дают очень приблизительный результат для производительности комбинированного энергетического цикла настоящего изобретения. Хотя и правда, что они не являются строго точными, эти выражения приводят к следующему выводу: производительность комбинированного цикла настоящего изобретения изменяется вместе со сжигаемым удельным топливом. То есть производительность цикла возрастает, когда возрастает удельное потребление топлива в цикле.The two final equations for performance η PCS and η PCI give a very approximate result for the performance of the combined power cycle of the present invention. Although it is true that they are not strictly precise, these expressions lead to the following conclusion: the productivity of the combined cycle of the present invention varies with the specific fuel burned. That is, the productivity of the cycle increases when the specific fuel consumption in the cycle increases.
Однако невозможно увеличивать удельное потребление топлива, если не выполняется ряд фундаментальных термодинамических ограничений, которые прямо наложены на комбинированный цикл.However, it is not possible to increase specific fuel consumption unless a number of fundamental thermodynamic constraints are met, which are directly imposed on the combined cycle.
Одним из этих фундаментальных ограничений является то, что в комбинированном цикле обязательным является выполнение принципа сохранения энергии, согласно которому энергия, поступающая в комбинированный цикл, всегда равна энергии, выходящей из него. Согласно этому принципу увеличение удельного потребления топлива может означать, в зависимости от проектных параметров энергетического цикла, избыток тепловой энергии, который не может быть захвачен испарителем и перегревателем (121) составляющего главного цикла Рэнкина, в этом случае будет необходимо предусмотреть некоторый способ удаления тепла во внешнюю среду и/или некоторый путь для сокращения поступления тепла в РКК (103).One of these fundamental limitations is that the combined cycle must comply with the principle of conservation of energy, according to which the energy entering the combined cycle is always equal to the energy leaving it. According to this principle, an increase in specific fuel consumption may mean, depending on the design parameters of the power cycle, an excess of thermal energy that cannot be captured by the evaporator and superheater (121) of the component main Rankine cycle, in which case it will be necessary to provide some way to remove heat to the external environment and/or some way to reduce the heat input to the RSC (103).
Некоторые из вариантов осуществления комбинированного цикла, описанные ранее, которые должны обязательно выводить одну часть тепла наружу комбинированного цикла, могут содержать элемент (133) теплообмена для выполнения этой функции выведения тепла во внешнюю среду, но делать это при температуре, достаточной, чтобы оно было применимым для удовлетворения потребностей в тепле определенных промышленных процессов, таким образом представляя собой процедуру «когенерации».Some of the combined cycle embodiments described earlier, which must necessarily remove one part of the heat to the outside of the combined cycle, may contain a heat exchange element (133) to perform this function of removing heat to the external environment, but do so at a temperature sufficient to make it applicable to meet the heat demand of certain industrial processes, thus representing the "cogeneration" procedure.
В некоторых ситуациях, в которых обязательно сокращать поступление тепла в РКК (103), которые могут происходить в особенности в переходные моменты или при изменениях нагрузки, конфигурации энергетического цикла могут содержать «систему сброса пара» на выходе из турбины ТВД (122), которая сокращает количество пара, поступающего в источники (101) и (132) тепла, а значит и поступающего в РКК (103). Такая система сброса пара содержит промежуточный перегреватель (134) и вспомогательную турбину ТСД (135), чей выходной пар в итоге вводится в некоторой точке оконечного участка РКК (103). Следует отметить, что эта система сброса пара в источники тепла не представляет собой никакого усовершенствования относительно механической производительности комбинированного цикла, хотя она может быть очень полезной для обеспечения возможности модулирования и изменения нагрузки в установке и, кроме того, она делает возможными определенные проектные конфигурации комбинированного цикла с двойным источником тепла и очень высоким выходом полезной энергии.In some situations where it is imperative to reduce heat input to the RSC (103), which may occur especially during transients or load changes, power cycle configurations may include a “steam dump system” at the outlet of the HPT turbine (122), which reduces the amount of steam entering the sources (101) and (132) of heat, and hence entering the RKK (103). Such a steam dump system includes an intermediate superheater (134) and an auxiliary turbine TSD (135), whose output steam is finally introduced at some point in the terminal section of the RSC (103). It should be noted that this system for venting steam to heat sources does not represent any improvement on the mechanical performance of the combined cycle, although it can be very useful in allowing modulation and load changes in the plant and, in addition, it allows certain combined cycle design configurations. with double heat source and very high usable energy output.
Claims (95)
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
ESP201830747 | 2018-07-23 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2772306C1 true RU2772306C1 (en) | 2022-05-18 |
Family
ID=
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2821667C1 (en) * | 2023-05-30 | 2024-06-26 | Акционерное общество "ОДК-Климов" | Method of converting thermal energy into electrical energy and turboelectric plant |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU123842U1 (en) * | 2012-08-06 | 2013-01-10 | Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дальневосточный Федеральный Университет" (Двфу) | ENERGY INSTALLATION |
ES2439619A2 (en) * | 2012-07-16 | 2014-01-23 | Universidad Nacional De Educación A Distancia | Device for the generation of mechanical energy according to a regenerative and balanced brayton-rankine hybrid cycle and procedure of use (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) |
RU2575674C2 (en) * | 2010-11-29 | 2016-02-20 | Экоджен Пауэр Системз, Инк. | Heat engines with parallel cycle |
RU2631961C1 (en) * | 2016-06-10 | 2017-09-29 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | Method for operation of binary combined cycle power plant |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2575674C2 (en) * | 2010-11-29 | 2016-02-20 | Экоджен Пауэр Системз, Инк. | Heat engines with parallel cycle |
ES2439619A2 (en) * | 2012-07-16 | 2014-01-23 | Universidad Nacional De Educación A Distancia | Device for the generation of mechanical energy according to a regenerative and balanced brayton-rankine hybrid cycle and procedure of use (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) |
RU123842U1 (en) * | 2012-08-06 | 2013-01-10 | Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дальневосточный Федеральный Университет" (Двфу) | ENERGY INSTALLATION |
RU2631961C1 (en) * | 2016-06-10 | 2017-09-29 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | Method for operation of binary combined cycle power plant |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2821667C1 (en) * | 2023-05-30 | 2024-06-26 | Акционерное общество "ОДК-Климов" | Method of converting thermal energy into electrical energy and turboelectric plant |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP3828393B1 (en) | Facility for generating mechanical energy by means of a combined power cycle | |
KR940002718B1 (en) | Direct fired power cycle | |
US10072531B2 (en) | Hybrid power generation system using supercritical CO2 cycle | |
CN108136321B (en) | For CO2Method and apparatus for trapping | |
EA036299B1 (en) | System and method for power production using several nested cycles | |
US20010029732A1 (en) | Process for the recovery of water from the flue gas of a combined cycle power station, and combined cycle power station for performing the process | |
WO2007035630A2 (en) | System and method for utilization of waste heat from internal combustion engines | |
JP2014512471A (en) | Combined cycle power plant with CO2 capture plant | |
US6269644B1 (en) | Absorption power cycle with two pumped absorbers | |
CN114768488A (en) | Coal-fired unit flue gas carbon dioxide entrapment system | |
CN114777419A (en) | System and method for flue gas compression energy storage coupling carbon capture | |
RU2772306C1 (en) | Installation for generating mechanical energy using a combined energy cycle | |
JP4563730B2 (en) | Fume processing method | |
US20120324885A1 (en) | Geothermal power plant utilizing hot geothermal fluid in a cascade heat recovery apparatus | |
JP4505266B2 (en) | Fume processing method with energy recovery | |
KR101917430B1 (en) | Power generating apparatus | |
US20220136414A1 (en) | Facility for generating mechanical energy by means of a combined power cycle | |
US20040237528A1 (en) | Process for producing liquid carbon dioxide from combustion gas at normal pressure | |
BR112021001422B1 (en) | INSTALLATION TO GENERATE MECHANICAL ENERGY USING A COMBINED POWER CYCLE | |
WO2002004098A1 (en) | Process for separating carbon dioxide, co2, from combustion gas | |
KR101588929B1 (en) | Rankine cycle apparatus and Power generating system comprising the same | |
CN216620349U (en) | Biomass organic Rankine cycle combined cooling heating and power system | |
CN114151153B (en) | A high-efficient heat recovery system for S-CO2 brayton cycle | |
CN114034132A (en) | Biomass organic Rankine cycle combined cooling heating and power system and method for providing heat source | |
JP2002138803A (en) | Carbon dioxide recovering gas turbine power plant and operation method therefor |