WO2017082775A1

WO2017082775A1 - Установка для выработки электрической энергии

Info

Publication number: WO2017082775A1
Application number: PCT/RU2017/050001
Authority: WO
Inventors: Владислав Валентинович СТАРОВОЙТОВ; Андрей Анатольевич СУХИХ; Василий Александрович МИЛЮТИН
Original assignee: Владислав Валентинович СТАРОВОЙТОВ
Priority date: 2015-11-13
Filing date: 2017-01-13
Publication date: 2017-05-18
Also published as: RU2657068C2; RU2015148838A

Abstract

Изобретение относится к энергетике. Установка для выработки электрической энергии включает паротурбинный контур, содержащий четыре гидравлических ступени, в каждой из которых включена ступень турбины, находящейся на одном валу с электрогенератором, причем вал общий для всех турбин, каждая ступень турбины соединена с рекуперативным теплообменником и соответствующими секциями котла-утилизатора, последовательно отдающего тепло в каждый гидравлический контур, при этом конденсатор и насос едины для всей схемы, в качестве низкокипящего рабочего вещества используется фторорганическое рабочее тело - фторуглерод. Изобретение позволяет повысить среднеинтегральную температуру подвода теплоты и, следовательно, обеспечить повышение термодинамической эффективности установки.

Description

УСТАНОВКА ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к малой энергетике в системах утилизации вторичных энергоресурсов, а именно к установкам для выработки электрической энергии при утилизации теплоты дымовых и выхлопных газов на низкокипящем рабочем веществе.

Уровень техники

В условиях быстрого роста цен на органическое топливо энергосбережение во всех отраслях промышленности является важнейшим фактором снижения себестоимости производства продукции и повышения её конкурентоспособности. Основные направления энергосбережения: утилизация низкопотенциальной энергии промышленных предприятий; создание простых и надёжных энергетических установок для производства тепловой и электрической энергии, работающих на местных видах топлива; повышение коэффициента использования теплоты топлива в энергетических установках. Решение перечисленных проблем сдерживается отсутствием на энергетическом рынке установок, позволяющих утилизировать тепловую энергию с низкими параметрами теплоносителей.

Для энергетических установок, утилизирующих низкопотенциальную энергию, применяют низкокипящие рабочие тела (НРТ), которые имеют достаточно высокие давления насыщенных паров при низких температурах и поэтому давно привлекают внимание разработчиков в различных областях энергетики и, в частности, в геотермальной энергетике (см. [1 ] Перспективы применения энергетических установок с низкокипящими рабочими телами. Гринман М.И. к.т.н., Фомин В. А. к.т.н., г. Санкт-Петербург, Журнал «Новости теплоснабжения» Ns7, 2010 г). В качестве НРТ применяют фреоны, водный раствор аммиака, пентан, изопентан, бутан, изобутан и др. При выборе НРТ необходимо выполнять ряд требований: дешевизна рабочего тела; хорошие теплофизические свойства (максимум работы при минимальных параметрах); не токсичность; отсутствие экологического воздействия на окружающую среду (озоновый слой, парниковый эффект); замерзание при достаточно низких отрицательных температурах, что важно для климатических условий северных регионов.

Область применения таких установок с НРТ достаточно широка. В различных отраслях промышленности применяются сотни промышленных печей со сбросом горячих газов в атмосферу. В таких промышленных установках можно использовать теплоту уходящих газов в водогрейных или паровых котлах, из которых нагретую воду или пар подавать в контур с НРТ для выработки электроэнергии.

На магистральных газопроводах установлены сотни газотурбинных компрессорных станций со сбросом горячих газов в атмосферу. Такие газотурбинные установки (ГТУ) можно перевести в режим парогазовых установок (ПГУ) с применением контуров с НРТ. Такую же схему можно применить для энергетических ПГУ малой мощности. Дешёвые местные виды топлива можно сжигать в водогрейных котлах, а горячую воду из них использовать в качестве греющего теплоносителя в контуре с НРТ. В газопоршневых машинах контуры с НРТ можно использовать для утилизации теплоты выхлопных газов и теплоту системы охлаждения двигателя.

Для повышения тепловой экономичности энергетических установок и оптимизации режимных характеристик разработана комбинированная энергетическая установка (см. также [1 ]), состоящая из противодавленческой паровой турбины, к выхлопу которой параллельно подключены теплофикационная установка и контур с низкокипящим рабочим телом. В установке реализованы паровой и органический цикл Ренкина.

Выполненный авторами анализ показал, что для значений температур греющих теплоносителей в диапазоне 140-190 °С целесообразно применять в утилизационном контуре пентан, а в диапазоне 100-130 °С - бутан.

Преобразование низкопотенциальной тепловой энергии в механическую и далее в электрическую происходит в замкнутом бутановом контуре, который включает в свой состав парогенератор (испаритель) бутана, бутановую турбину с электрогенератором, конденсатор бутана, насосное и вспомогательное оборудование. Для уменьшения затрат электроэнергии на сжатие жидкого бутана применено многоступенчатое сжатие: в конденсатном насосе и в одном или двух струйных термонасосах (инжекторах). Области применения предлагаемого бутанового контура в промышленном и коммунальном тепло- и электроснабжении многообразны и определяются источником низкопотенциальной теплоты, подводимой к парогенератору бутана.

Основным недостатком известного аналога [1 ], взятого за прототип, является применение в качестве рабочего вещества пожаро- и взрывоопасных углеводородов (в частности, бутана), которые ограничены по применению и уровнем термической стойкости (до 250 °С). Физические и химические свойства углеводородов определили характер таких конструкторских решений, как применение одноконтурной схемы и отсутствие рекуперативного теплообменника.

Сущность изобретения Задачей, решаемой заявленным изобретением за счет применения одной гидравлической системы с термически стабильными и химически инертными рабочими веществами - фторуглеродами в контуре с одно, двух, трех и четырех ступенчатых турбин, является обеспечение высокой технологической эффективности энергоустановки, а также обеспечение пожаро и взрывобезопасности всей технологии генерации.

Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении среднеинтегральной температуры подвода теплоты и, следовательно, обеспечивает повышение термодинамической эффективности данной технологии выработки электроэнергии.

Технический результат достигается за счет предлагаемой установки для выработки электрической энергии при утилизации теплоты дымовых и выхлопных газов включающей паротурбинный контур, содержащий четыре гидравлических ступени, в каждой из которых включена ступень турбины (Τφι, Тф₂, Тфз, Тф₄), находящейся на одном валу с электрогенератором, причем вал общий для всех турбин, каждая ступень турбины соединена с рекуперативным теплообменником (ΡΠ-ι , РП₂, РП₃, РП₄) и соответствующими секциями котла-утилизатора (КУ-ι , КУ₂, КУз, КУ₄), последовательно отдающего тепло в каждый гидравлический контур, при этом конденсатор и насос едины для всей схемы, в качестве низкокипящего рабочего вещества используется фторорганическое рабочее тело - фторуглерод.

Технический результат также достигается за счет использования в качестве фторуглеродов: октафторпропан C3F8 или циклофторбутан C₄Fs или декафторбутан C₄Fio.

Технический результат также достигается за счет использования, в зависимости от величины утилизируемого температурного перепада, необходимого количества гидравлических контуров, а именно, при утилизации до 550 °С - четыре ступени, до 450 °С - три ступени, до 350 °С - две ступени, до 250 °С - две ступени, менее -150 °С - одна ступень.

Краткое описание чертежей На фиг. 1 представлена принципиальная тепловая схема утилизации теплоты дымовых и генераторных газов.

На фиг. 2 представлена конфигурация сверхкритического цикла на

фторуглеродном рабочем веществе в схеме утилизации теплоты дымовых и выхлопных газов. Раскрытие изобретения

В качестве объектов утилизации сбросных потоков теплоты с целью генерации электрической энергии рассматриваются выхлопные газы газотурбинных установок на приводе газоперекачивающих агрегатов и дымовые газы промышленных предприятий, а также генераторный газ.

Применения в качестве рабочих тел фторуглеродного состава

(октафторпропана C3F8, циклофторбутана C₄F₈, декафторбутана C₄F-|₀) для энергетических установок с бинарными циклами приводит к высокой термодинамической эффективности.

Исследования последних лет показали, что рабочие вещества фторуглеродного класса имеют термическую стойкость, достаточную для реализации высокотемпературного термодинамического цикла. Расчетно- теоретический анализ позволил определить диапазон рабочих параметров таких энергоустановок на рабочем веществе фторуглеродного состава: это прямой сверхкритический цикл с изобарами нагрева не более 12 МПа, температурой острого пара до 600°С, процессом конденсации в широком интервале температур в зависимости от условий окружающей среды (вплоть до отрицательных). Сжатие рабочего тела реализуется с помощью насосов (как в водо-паровых циклах), а не многоступенчатых компрессоров (в случае использования гелия, диоксида углерода и смеси аргона с воздухом). Термодинамический анализ показал превосходство энергетических характеристик сверхкритических фторуглеродных циклов над водо-паровыми и газовыми.

Принципиальная схема предлагаемой энергетической установки, использующей фторорганическое рабочее тело в паротурбинном контуре, представлена на фиг. 1 . Конфигурация термодинамического цикла для каждого контура, на основе которого функционирует установка, одинакова и представлена на рисунке 2.

Установка для выработки электрической энергии при утилизации теплоты дымовых и выхлопных газов включает паротурбинный контур. Паротурбинный контур содержит четыре гидравлических ступени, в каждой из которых включена ступень турбины (Τφι, Тф₂, Тф₃, Тф₄), находящейся на одном валу с электрогенератором, причем вал общий для всех турбин. Каждая ступень турбины соединена с рекуперативным теплообменником (ΡΠ-ι, РП2, РПз, РП₄) и соответствующими секциями котла-утилизатора (КУ-ι , КУ₂, КУ₃, КУ₄), последовательно отдающего тепло в каждый гидравлический контур, при этом конденсатор и насос едины для всей схемы. В качестве низкокипящего рабочего вещества используется фторорганическое рабочее тело - фторуглерод, который является термически стабильным и химически инертным.

Установка работает следующим образом.

Рабочие тела различных технологических процессов, такие как топочные или выхлопные газы (генераторный газ) подают по теплоизолированным трубопроводам в котел-утилизатор (КУ) под действием избыточного давления на выходе из камер сгорания, а также разрежением в дымовых трубах. Отвод тепла от этих рабочих тел производится с помощью котла-утилизатора (КУ), последовательно отдающего теплоту каждой следующей ступени КУ.

Фторуглеродный сверхкритический флюид (рабочее вещество) образуется в рекуперативном теплообменнике (РП) (процесс Зд-4д на фиг. 2) и далее нагревается в секции каждого контура в разделительном теплообменнике котла- утилизатора (процесс 4д-1 на фиг. 2). Подводимая в каждой секции котла- утилизатора теплота от рабочих тел (генераторного газа) (процесс 4д-1 на фиг. 2) позволяет получить перегретый пар высоких параметров (температурой до 580 °С и давлением до 15 МПа). Затем перегретый пар (также являющийся рабочим веществом) расширяется в турбине, совершая полезную работу (процесс 1 -2д на фиг. 2), т.е. вращает единый вал с электрогенератором, тем самым вырабатывая электрическую энергию. После турбины перегретый пар низкого давления отдает избыток теплоты в рекуперативном теплообменнике (РП) (процесс 2д-3 на фиг. 2), то есть рабочее вещество цикла охлаждается и затем конденсируется в конденсаторе (процесс 2р-2"-2' на фиг. 2) и закачивается насосом обратно рекуперативный теплообменник (процесс 2'-Зд). То есть, рабочее вещество поступающее от насоса забирает избыток тепла от перегретого пара, выходящего из турбины, преобразовываясь во фторуглеродный сверхкритический флюид. Термодинамический цикл замыкается (фигура 2).

В каждом следующем контуре снижается только температура острого пара перед турбиной, а максимальное (нагнетания) и минимальное (конденсации) давления одинаковы в каждом контуре. Снижается также количество теплоты, предаваемой в рекуперативном теплообменнике. В рекуперативном теплообменнике «горячий» и «холодный» теплоноситель движутся в разных каналах.

Высокая термическая стойкость рабочего вещества позволяет отказаться от широко применяемых в данной технологии двухконтурных систем с различными рабочими веществами (например, углеводороды и термически стойкое масло) и промежуточного теплообменника.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что на стадии проектирования установки для выработки электрической энергии при утилизации теплоты дымовых и выхлопных газов, в зависимости от величины утилизируемого температурного перепада проектируется необходимое количество ступеней турбин и соответствующее им количество внутренних контуров. При утилизации до 550 °С - четыре ступени, до 450 °С - три ступени, до 350 °С - две ступени, до 250 °С - две ступени, менее -150 °С - одна ступень. При этом конденсатор и насос - единые для всей схемы.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что предлагаемая система обеспечивает возможность рекуперации теплоты и последовательное использование ее потенциала в каждой турбинной ступени.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что на каждой ступени срабатывается температурный перепад, а физико-химические свойства фторуглеродов позволяют его расширить до 550 °С.

При необходимости можно варьировать число ступеней турбины в зависимости от утилизируемого температурного перепада. В заявке пример с 4-мя ступенями, которые позволяют реализовать температурный потенциал полностью. Можно также изменить принципиальную схему, поставив в каждый контур свой насос и конденсатор и при необходимости отключать незадействованные ступени. Это позволит регулировать режимы в каждой ступени индивидуально и обеспечит более высокую термодинамическую эффективность. А также даст возможность выключать/включать каждый контур независимо от другого, но в зависимости от изменения температурного потенциала утилизируемого потока.

Пример расчета тепловой схемы утилизации генераторных газов подтверждает эффективность технологии. Энергоустановка по утилизации генераторного газа состоит из двух блоков. На первой стадии электрическая энергия вырабатывается в четырехконтурной установке мощностью 85 кВт с теплообменником (котлом-утилизатором) мощностью 202 тепловых кВт, использующего высокий температурный потенциал генераторного газа (охлаждение от 500 до 80°С). На второй стадии электрическая энергия вырабатывается в бинарной ПТУ с регенеративной ГТУ и утилизацией остаточной теплоты рекуператора в энергоустановке на декафторбутане при непосредственном сжигании генераторного газа с выделением тепловой мощности 1000 кВт. Таким образом, электрический КПД с учетом затрат на привод насосов и компрессоров всего комплекса утилизации будет равен:

= (N^3x + N¹ + ) / (Q_3x +Q_[T) = (84, 9 + 516, 4 + 70, 91) / (202 + 1000) = 0, 56 .

Полученные результаты подтверждают высокую энергетическую эффективность использования фторорганических рабочих веществ в теплосиловых циклах и могут быть использованы на этапе формирования технического задания на проектирование подобных установок различной мощности.

Результаты теплотехнических стендовых испытаний фторуглеродных рабочих веществ в качестве рабочего тела энергоустановок:

1. Проведены теплотехнические и ресурсные испытания до 600 часов непрерывной работы циркуляционного стенда.

2. Результатами спектрометрического анализа подтверждена высокая термическая и химическая стабильность фторуглеродного рабочего вещества во всем диапазоне рабочих параметров до 530 °С и 6 МПа. На образцах рабочего тела, полученных при работе стенда через 100, 300, 600 часов (время одного цикла 13,5 сек.) выполнены исследования масс-спектров. Было установлено, что циклическое воздействие, проходящее по схеме «нагрев-охлаждение» в диапазоне реальных температур рабочего тела C3F8 (20-525 °С) в контакте с нержавеющей сталью типа Х18Н9Т и котловой сталью 20 при длительности одного цикла 13,5 сек. влияния на рабочее тело не оказало. 3. Результаты ресурсных и теплотехнических испытаний позволяют определить характерный режим работы основных аппаратов циркуляционного стенда.

4. Таким образом, в результате проведения ресурсных теплотехнических испытаний установлены:

- параметры рабочих режимов;

- расход и массовые скорости рабочего вещества в аппаратах и трубопроводах;

- интегральные коэффициенты теплоотдачи;

- потери гидравлического напора во всех основных аппаратах циркуляционного стенда;

- потери теплоты в окружающую среду.

5. Произведен спектрометрический анализ образцов рабочего тела через 100, 300, 600 часов работы. Результаты спектрометрического анализа показывают полную идентичность состава отобранных образцов на стенде МЭИ и образцов ЭНИН, подвергшихся нагреву в специальных капсулах. После проведения полных ресурсных испытаний 600 часов состав проб не изменился и эквивалентен исходному образцу рабочего вещества. Подтверждена полная химическая и термическая стабильность октафторпропана в качестве рабочего тела теплосиловой установки в заданном интервале теплотехнических измерений: температура перед турбиной порядка 525 °С, давлениях до 6 МПа.

6. Подтверждена возможность разработки гораздо более компактного и менее металлоемкого оборудования по сравнению с оборудованием на газовых и водопаровых рабочих веществах.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1 . Установка для выработки электрической энергии при утилизации теплоты дымовых и выхлопных газов, включающая паротурбинный контур, отличающаяся тем, что паротурбинный контур содержит четыре гидравлических ступени, в каждой из которых включена ступень турбины (Τφι, Тср2, Тфз, Тф₄), находящейся на одном валу с электрогенератором, причем вал общий для всех турбин, каждая ступень турбины соединена с рекуперативным теплообменником (ΡΠ-ι , РП2, РПз, РП₄) и соответствующими секциями котла-утилизатора (КУ-ι , КУ2, КУз, КУ₄), последовательно отдающего тепло в каждый гидравлический контур, при этом конденсатор и насос едины для всей схемы, в качестве низкокипящего рабочего вещества используется фторорганическое рабочее тело - фторуглерод.

2. Установка по п. 1 , отличающаяся тем, что в качестве фторуглеродов может быть использован: октафторпропан C3F8 или циклофторбутан C₄Fs или декафторбутан C₄F-|₀.

3. Установка по п. 1 , отличающаяся тем, что в зависимости от величины утилизируемого температурного перепада проектируется необходимое количество гидравлических контуров, а именно, при утилизации до 550 °С - четыре ступени, до 450 °С - три ступени, до 350 °С - две ступени, до 250 °С - две ступени, менее -150 °С - одна ступень.