Układ siłowni z organicznymi czynnikami roboczymi i sposób zwiększania wykorzystania energii nośnika ciepła zasilającego siłownię jednobiegową

Transkrypt

1 PL B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: (51) Int.Cl. F01K 23/04 ( ) F01K 3/00 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (54) Układ siłowni z organicznymi czynnikami roboczymi i sposób zwiększania wykorzystania energii nośnika ciepła zasilającego siłownię jednobiegową (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 04/13 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 07/14 (73) Uprawniony z patentu: ZACHODNIOPOMORSKI UNIWERSYTET TECHNOLOGICZNY W SZCZECINIE, Szczecin, PL (72) Twórca(y) wynalazku: WŁADYSŁAW NOWAK, Szczecin, PL SŁAWOMIR WIŚNIEWSKI, Gryfino, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Renata Zawadzka

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest układ siłowni z organicznymi czynnikami roboczymi i sposób zwiększania wykorzystania energii nośnika ciepła zasilającego siłownię jednobiegową. Powszechnie znane są siłownie jednobiegowe z organicznym czynnikiem roboczym oraz siłownie binarne z organicznym czynnikiem roboczym o dwóch obiegach - dolnym i górnym. Znany jest z polskiego zgłoszenia wynalazku P znany jest parowacz do siłowni z organicznym czynnikiem obiegowym, wyposażony w obudowę, wlot, wylot i kanały nośnika energii, wlot, wylot i kanały strumienia cieczy organicznej, który wyposażony jest w wewnętrzną cyrkulacyjną pompę nośnika energii. Z polskiego opisu wynalazku P znany jest sposób zwiększania mocy siłowni z czynnikiem organicznym polegający na zwiększaniu wartości strumienia czynnika roboczego gdzie zawraca się strumień nośnika ciepła z przewodu wylotowego bezpośrednio za parowaczem do przewodu dolotowego przed parowaczem. Z opisu patentowego PL znany jest sposób zagospodarowania nisko i średniotemperaturowych źródeł oraz nośników ciepła poprzez wykorzystanie ich na sposób pracy, gdzie stosuje się je do podgrzania czynnika roboczego w obiegu dolnym elektrowni binarnej zawierającej dwa obiegi robocze sprzężone termicznie ze sobą co najmniej jednym wymiennikiem ciepła. Jako czynnik roboczy w obiegu dolnym stosuje się substancję o małej wartości entalpii parowania i stosunkowo dużej entalpii podgrzewania, korzystnie czynnik organiczny. Do podgrzania, odparowania i przegrzania czynnika roboczego w obiegu górnego stosuje się wysokotemperaturowe źródło ciepła. Natomiast układ, znany z tego samego opisu patentowego, zawiera dwa obiegi robocze, górny zbudowany z kotła, przegrzewacza, podgrzewacza, turbiny, pompy i wymiennika typu parowacza/skraplacza, poprzez który obieg górny jest sprzężony z obiegiem dolnym zbudowanym z podgrzewacza, pompy, turbiny, skraplacza gdzie podgrzewacz obiegu dolnego połączony jest ze strumieniem nośnika lub źródła ciepła nisko i/lub średniotemperaturowego z jednego lub wielu źródeł. Czynnikiem roboczym w obiegu dolnym jest substancja o małej wartości entalpii parowania i stosunkowo dużej entalpii podgrzewania, korzystnie czynnik organiczny, zaś do kotła w obiegu górnym doprowadzone jest ciepło wysokotemperaturowe. Układ siłowni z organicznymi czynnikami roboczymi, według wynalazku, zawierający co najmniej dwa sprzężone cieplnie obiegi robocze wyposażony w podgrzewacze, skraplacze, pompy, parowacze, charakteryzuje się tym, że jednoobiegowa siłownia ORC połączona jest poprzez parowacz z wewnętrzną cyrkulacją nośnika ciepła z podgrzewaczem cieczy obiegu dolnego siłowni binarnej. W siłowni jednoobiegowej parowacz z wewnętrzną cyrkulacją połączony jest z podgrzewaczem cieczy czynnika obiegowego i z turbogeneratorem. Turbogenerator połączony jest ze skraplaczem. Pompa znajduje się pomiędzy skraplaczem a podgrzewaczem cieczy czynnika obiegowego. Siłownia binarna ma obieg górny składający się z kotła z przegrzewaczem pary wodnej połączony z pierwszym turbogeneratorem, który połączony jest z wymiennikiem ciepła typu parowacz-skraplacz. Pomiędzy wymiennikiem ciepła typu parowacz-skraplacz a kotłem z przegrzewaczem pary wodnej znajduje się pierwsza pompa. Dolny obieg składa się z wymiennika ciepła typu parowacz-skraplacz połączonego z drugim turbogeneratorem, który połączony jest z drugim skraplaczem. Podgrzewacz cieczy obiegu dolnego siłowni binarnej połączony jest z wymiennikiem ciepła typu parowacz-skraplacz i skraplaczem obiegu dolnego siłowni binarnej. Pomiędzy podgrzewaczem cieczy obiegu dolnego siłowni binarnej a skraplaczem obiegu dolnego siłowni binarnej znajduje się druga pompa. W obiegu dolnym siłowni binarnej czynnikiem roboczym jest czynnik organiczny o małej entalpii parowania, odparowujący w pobliżu temperatury punktu krytycznego. Inaczej mówiąc proces odparowania ma przebiegać tak, aby izoterma tego procesu była zlokalizowana w obszarze pary mokrej blisko punktu krytycznego. Sposób zwiększania wykorzystania energii nośnika ciepła zasilającego siłownię jednobiegową, według wynalazku, w układzie co najmniej dwóch sprzężonych ze sobą cieplnie siłowni z organicznymi czynnikami roboczymi, charakteryzuje się tym, że wpływający nośnik ciepła kieruje się do parowacza z wewnętrzną cyrkulacją nośnika ciepła, po czym zwiększa się obroty pompy wewnętrznej parowacza z wewnętrzną cyrkulacją nośnika ciepła, powodując zwiększenie ilości przepływającego nośnika ciepła wewnątrz parowacza z wewnętrzną cyrkulacją nośnika ciepła i obniżenie temperatury parowania czynnika organicznego, tak że odparowanie to następuje w obszarze bliskopodkrytycznym. Zwiększa się tym samym efektywność odbierania ciepła od nośnika ciepła. Następnie wypływający

3 PL B1 3 strumień nośnika ciepła kieruje się do podgrzewacza cieczy czynnika obiegowego w ilości wynikającej z równania bilansu energii tego podgrzewacza. Pozostały wypływający strumień nośnika ciepła kieruje się do podgrzewacza obiegu dolnego siłowni binarnej zwiększając moc dolnego obiegu siłowni binarnej. Sposób według wynalazku pozwala na zwiększenie mocy turbin parowych (organicznych), jako wynik zwiększenia mocy obu siłowni organicznych poprzez: zastosowanie w jednobiegowej siłowni organicznej parowacza z wewnętrzną cyrkulacją nośnika ciepła, wykorzystanie energii zawartej w wypływającym strumieniu nośnika ciepła w wymienniku- -podgrzewaczu cieczy obiegu dolnego siłowni binarnej do podgrzania czynnika organicznego dolnego obiegu siłowni binarnej. Zastosowanie parowacza z cyrkulacją nośnika ciepła skutkuje wzrostem mocy, wynikającym ze wzrostu strumienia czynnika organicznego w obiegu, jak również z możliwości zastosowania w obu przypadkach bliskopodkrytycznej siłowni organicznej poprzez dobór odpowiedniej dla danego czynnika organicznego temperatury parowania w obszarze bliskokrytycznym, tzn. takiej temperatury, aby jej wartość była nieco niższa od temperatury krytycznej. Sposób ten umożliwia zwiększenie mocy siłowni z organicznym czynnikiem obiegowym działającej według obiegu porównawczego C-R. Zaletą rozwiązania jest to, że daje możliwości dostosowania temperatury strumienia (9) do wymaganej w danych warunkach wartości (nie tylko przy sprzężeniu cieplnym z siłownią binarną, ale z każdą inną instalacja technologiczną, która zasilana jest energią nośnika ciepła zapewniającą jej pełne wykorzystanie). Możliwość dostosowywania tej temperatury wynika z faktu zastosowania w jednoobiegowej siłowni ORC wymiennika typu parowacz z wewnętrzną cyrkulacją nośnika ciepła. Przedmiot wynalazku jest bliżej zilustrowany w poniższym przykładzie wykonania i na rysunku, który przedstawia schemat układu siłowni sprzężonych cieplnie. P r z y k ł a d Układ siłowni z organicznymi czynnikami roboczymi, gdzie jednoobiegowa siłownia ORC połączona jest poprzez parowacz 5 z wewnętrzną cyrkulacją nośnika ciepła z podgrzewaczem 12 cieczy obiegu dolnego siłowni binarnej. W siłowni jednoobiegowej parowacz 5 z wewnętrzną cyrkulacją połączony jest z podgrzewaczem 7 cieczy czynnika obiegowego i z turbogeneratorem 3. Turbogenerator 3 połączony jest ze skraplaczem 2, zaś pompa 10 znajduje się pomiędzy skraplaczem 2 a podgrzewaczem 7. Siłownia binarna ma obieg górny składający kocioł z przegrzewaczem pary wodnej 15 połączony z pierwszym turbogeneratorem 17, który połączony jest z wymiennikiem ciepła typu skraplaczparowacz 18. Pomiędzy wymiennikiem ciepła 18 a kotłem 15 z przegrzewaczem pary wodnej znajduje się pierwsza pompa 13. Dolny obieg składa się z wymiennika ciepła 18 połączonego z drugim turbogeneratorem 19, który połączony jest z drugim skraplaczem 21, zaś podgrzewacz 12 cieczy obiegu dolnego siłowni binarnej połączony jest z wymiennikiem ciepła 18 i skraplaczem 21 obiegu dolnego siłowni binarnej. Przy czym pomiędzy podgrzewaczem 12 a skraplaczem znajduje się druga pompa 22. Temperatura skraplania czynników organicznych w skraplaczu 2 i skraplaczu 21 wynosi 29 C. Do siłowni jednoobiegowej dostarcza się strumień wody sieciowej = 10 kg/s, którego temperatura wynosi T s1 = 148 C. W obiegu siłowni jednoobiegowej czynnikiem roboczym jest butan, którego temperatura krytyczna wynosi T k = 151,98 C. W celu zwiększenia mocy siłowni jednoobiegowej zastosowano w jej obiegu parowacz 5 z cyrkulacją wewnętrzną wody sieciowej. Cyrkulację wody sieciowej umożliwia pompa zainstalowana wewnątrz parowacza 5. Zwiększając obroty tej pompy zwiększa się strumień wody sieciowej przepływający wewnątrz parowacza, przy jednoczesnym spadku jego temperatury. Zwiększenie strumienia wody sieciowej cyrkulującej w parowaczu 5 określa się poprzez współczynnik cyrkulacji φ. Czym większa wartość tego współczynnika, tym wyższe obroty pompy cyrkulacyjnej, a tym samym większy strumień wody przepływającej przez parowacz, co w konsekwencji przekłada się na wzrost mocy siłowni. Wzrost mocy siłowni jednoobiegowej, jak i wzrost strumienia wody sieciowej 9 kierowanej do podgrzewacza 12 obiegu dolnego siłowni binarnej wynikający z zastosowania cyrkulacji wody sieciowej w parowaczu zobrazowano za pomocą wyników obliczeń przedstawionych w poniższej tabeli 1.

4 Współczynnik φ 4 PL B1 T a b e l a 1. Temperatura palowania Strumień czynnika organicznego Strumień ciepła palowania Moc obiegu Strumień wody sieciowej 9 T par C kg/s kw kw kg/s 0,0 133,00 2,40 418,00 214,57 1,66 0,5 128,00 3,29 627,00 286,27 2,24 1,0 123,00 4,07 836,00 343,51 2,74 1,5 118,00 4, ,00 389,21 3,18 2,0 113,00 5, ,00 425,12 3,58 2,5 108,00 6, ,00 452,45 3,95 3,0 103,00 6, ,00 471,84 4,29 3,5 98,00 7, ,00 483,92 4,61 4,0 93,00 7, ,00 488,86 4,91 Z danych przedstawionych w tabeli 1 wynika, że najwyższą moc siłowni jednoobiegowej i największy strumień wody sieciowej 9 kierowany do podgrzewacza obiegu dolnego siłowni binarnej, w zakresie analizowanych parametrów uzyskuje się dla współczynnika cyrkulacji φ = 4. Z tego względu dalsza analiza układu przeprowadzona zostanie dla tej wartości tego współczynnika. Współczynnik cyrkulacji wewnętrznej wynosi φ = 4, a czynnikiem roboczym w siłowni jednoobiegowej jest butan. Strumień wody sieciowej 9 opuszczającej siłownię o temperaturze T s2 = 98 C wynosi = 4,91 kg/s. W efekcie uzyskano następujące wielkości charakteryzujące efektywność pracy jednoobiegowej siłowni ORC z cyrkulacją nośnika ciepła w parowaczu: = 7,71 kg/s, η C-R = 14,36%, = 488,86 kw a strumień ciepła zasilającego podgrzewacz obiegu dolnego siłowni binarnej =1314,4 kw. W przypadku skierowania strumienia wody sieciowej 9 zamiast do podgrzewacza obiegu dolnego siłowni binarnej 12 do odbiorników technologicznych, w których istniałaby możliwość schłodzenia tej wody do temperatury 40 C (zamiast do podgrzewacza obiegu dolnego siłowni binarnej 12) strumień ciepła technologicznego wyniósłby =1194,6 kw. Strumień ten jest nieco mniejszy od strumienia strumień ciepła zasilającego podgrzewacz 12 obiegu dolnego siłowni binarnej. Różnica ta wynika z faktu schłodzenia wody sieciowej w podgrzewaczu obiegu dolnego siłowni binarnej do niższej temperatury (34 C), niż temperatura wody opuszczającej odbiorniki technologiczne (40 C). W przypadku siłowni binarnej w obiegu górnym do pierwszego turbogeneratora 17 doprowadzana jest para przegrzana o parametrach p 1 = 9,0 MPa, T 1 = 355,99 C lub para nasycona sucha (x = 1) o temperaturze parowania T p = 250 C. Analizie poddano trzy czynniki niskowrzące jako czynniki obiegowe obiegu dolnego siłowni binarnej: perfluorobutan, R124, RC 318. Uzyskane wielkości charakteryzujące pracę obiegu dolnego siłowni binarnej, obejmujące jednostkowe strumienie ciepła podgrzewania, odparowania, jednostkową pracę obiegu Clausiusa-Rankine a l C-R, strumień nośnika ciepła krążącego w obiegu dolnym, wielkość mocy obiegu dolnego, a także wielkość strumienia masowego wody krążącej w obiegu górnym zestawiono w tabeli 2. W tabeli tej podano także sumę mocy obiegu Clausiusa-Rankine a siłowni jednoobiegowej oraz obiegu dolnego siłowni binarnej tj. +. Poniższe wyniku uzyskano przy założeniu, że różnica temperatur pomiędzy czynnikami w podgrzewaczu obiegu dolnego 12, jak i różnica temperatur pomiędzy czynnikami w wymienniku typu skraplacz-parowacz 18 wynosi ΔΤ = 5 K.

5 PL B1 5 Rodzaj czynnika T a b e l a 2. Symbol wielkości i jednostka KJ/kg kj/kg kj/kg kw kw kw kg/s kg/s perfluoro-butan 76,12 48,59 15,70 839,07 271,11 759,98 0,47 17,27 R ,58 93,27 23, ,06 450,06 938,93 1,02 19,45 RC ,24 59,90 18, ,29 309,95 798,82 0,57 16,80 Z powyższych wielkości wynika fakt różnych strumieni krążącego czynnika w zależności od rodzaju czynnika niskowrzącego oraz różne strumienie masowe wody krążącej w obiegu górnym, co skutkuje różnymi strumieniami przekazywanego ciepła miedzy obiegiem górnym i dolnym siłowni binarnej. + Zastrzeżenia patentowe 1. Układ siłowni z organicznymi czynnikami roboczymi, zawierający co najmniej dwa sprzężone cieplnie obiegi robocze wyposażone w podgrzewacze, skraplacze, pompy, parowacze, znamienny tym, że jednoobiegowa siłownia ORC połączona jest poprzez parowacz (5) z wewnętrzną cyrkulacją nośnika ciepła z podgrzewaczem (12) cieczy obiegu dolnego siłowni binarnej. 2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że w siłowni jednoobiegowej parowacz (5) z wewnętrzną cyrkulacją połączony jest z podgrzewaczem (7) cieczy czynnika obiegowego i z turbogeneratorem (3), przy czym turbogenerator (3) połączony jest ze skraplaczem (2), zaś pompa (10) znajduje się pomiędzy skraplaczem (2) a podgrzewaczem (7). 3. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że siłownia binarna ma obieg górny składający kocioł z przegrzewaczem pary wodnej (15) połączony z pierwszym turbogeneratorem (17), który połączony jest z wymiennikiem ciepła typu skraplacz-parowacz (18), przy czym pomiędzy wymiennikiem ciepła (18) a kotłem (15) z przegrzewaczem pary wodnej znajduje się pierwsza pompa (13), zaś dolny obieg składa się z wymiennika ciepła (18) połączonego z drugim turbogeneratorem (19), który połączony jest z drugim skraplaczem (21), zaś podgrzewacz (12) cieczy obiegu dolnego siłowni binarnej połączony jest z wymiennikiem ciepła (18) i skraplaczem (21) obiegu dolnego siłowni binarnej, przy czym pomiędzy podgrzewaczem (12) a skraplaczem znajduje się druga pompa (22). 4. Sposób zwiększania wykorzystania energii nośnika ciepła zasilającego siłownię jednoobiegową w układzie co najmniej dwóch sprzężonych ze sobą cieplnie siłowni z organicznymi czynnikami roboczymi, znamienny tym, że nośnik ciepła (6) kieruje się do parowacza (5) z wewnętrzną cyrkulacją nośnika ciepła, po czym zwiększa się obroty pompy wewnętrznej parowacza (5) z wewnętrzną cyrkulacją nośnika ciepła, powodując zwiększenie ilości przepływającego nośnika ciepła (6) wewnątrz parowacza (5) z wewnętrzną cyrkulacją nośnika ciepła i obniżenie temperatury parowania czynnika organicznego, następnie wypływający strumień nośnika ciepła (8) kieruje się na podgrzewacz (7) cieczy czynnika obiegowego w ilości wynikającej z równania bilansu energii podgrzewacza (7), a pozostały wypływający strumień nośnika ciepła (9) kieruje się do podgrzewacza (12) obiegu dolnego siłowni binarnej zwiększając moc dolnego obiegu siłowni binarnej.

6 6 PL B1 Rysunek Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)