PL228057B1

PL228057B1 - Method for increasing effectiveness of utilization of heat supplied to the ORC power plant or steam power station and the system of the ORC power plant or steam power station

Info

Publication number: PL228057B1
Application number: PL407173A
Authority: PL
Inventors: Sławomir Wiśniewski; Sławomir Wisniewski; Aleksandra Borsukiewicz-Gozdur; -Gozdur Aleksandra Borsukiewicz-; Władysław Nowak
Original assignee: Zachodniopomorski Univ Technologiczny W Szczecinie
Priority date: 2014-02-14
Filing date: 2014-02-14
Publication date: 2018-02-28
Also published as: PL407173A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób zwiększania efektywności wykorzystania ciepła doprowadzonego do siłowni ORC lub siłowni parowej i układ siłowni ORC lub siłowni parowej z obiegiem Clausiusa-Rankine’a.The subject of the invention is a method of increasing the efficiency of the use of heat supplied to an ORC power plant or a steam power plant and an ORC power plant or steam power plant system with a Clausius-Rankine cycle.

Powszechnie znane są siłownie organiczne ORC z niskowrzącymi czynnikami obiegowymi oraz siłownie binarne z organicznym czynnikiem roboczym o dwóch obiegach - dolnym i górnym. Z polskiego opisu patentowego PL 212830 znany jest sposób zwiększania mocy siłowni ORC z czynnikiem organicznym, którego istotą jest zwiększenie wartości strumienia masowego czynnika roboczego krążącego w obiegu siłowni ORC. Zwiększenie tego strumienia jest wynikiem zastosowania zawracania strumienia nośnika ciepła z przewodu wylotowego bezpośrednio za parowaczem do przewodu dolotowego przed parowaczem.Organic ORC power plants with low-boiling circulation factors and binary power plants with an organic working medium with two cycles - lower and upper circulation are well known. The Polish patent description PL 212 830 describes a method of increasing the power of an ORC plant with an organic factor, the essence of which is to increase the value of the mass flow of the working medium circulating in the ORC plant cycle. The increase in this flux results from the recycle of the heat transfer fluid stream from the exhaust conduit immediately downstream of the evaporator to the intake conduit upstream of the evaporator.

Z opisu patentowego PL 205383 znany jest sposób zagospodarowania nisko i średniotemperaturowych źródeł oraz nośników ciepła poprzez wykorzystanie ich energii do podgrzania czynnika roboczego w obiegu dolnym elektrowni binarnej zawierającej dwa obiegi robocze sprzężone termicznie ze sobą co najmniej jednym wymiennikiem ciepła. Jako czynnik roboczy w obiegu dolnym stosuje się substancje organiczne, dla których przy danej temperaturze odparowania entalpia parowania ma małą wartość, natomiast entalpia podgrzewania ma stosunkowo dużą wartość. Do podgrzania, odparowania i przegrzania czynnika roboczego w obiegu górnym stosuje się wysokotemperaturowe źródło ciepła. Układ przedstawiony w tym opisie składa się z dwóch obiegów, górnego i dolnego. Obieg górny zbudowany z kotła, podgrzewacza, przegrzewacza, turbiny, pompy oraz wymiennika typu skraplacz/parowacz. Za pośrednictwem tego wymiennika obieg górny sprzężony jest z obiegiem dolnym, który zbudowany jest z podgrzewacza, pompy, turbiny i skraplacza. Do podgrzewacza obiegu dolnego doprowadzana jest nisko i/lub średniotemperaturowa energia z jednego lub wielu źródeł ciepła za pośrednictwem nośnika ciepła.The patent description PL 205383 describes a method of managing low and medium temperature heat sources and carriers by using their energy to heat the working medium in the lower circuit of a binary power plant containing two working circuits thermally coupled with at least one heat exchanger. Organic substances are used as the working medium in the bottom cycle, for which, at a given evaporation temperature, the enthalpy of vaporization is low and the enthalpy of preheating is relatively high. A high-temperature heat source is used for heating, evaporating and overheating the working medium in the upper circuit. The circuit shown in this description consists of two circuits, upper and lower. The upper circuit consists of a boiler, heater, superheater, turbine, pump and condenser / evaporator exchanger. Via this exchanger, the upper circuit is coupled with the lower circuit, which consists of a heater, pump, turbine and condenser. Low and / or medium temperature energy is supplied to the brine heater from one or more heat sources via the heat transfer fluid.

Sposób zwiększania efektywności wykorzystania ciepła doprowadzonego do siłowni ORC lub siłowni parowej, w przypadku zastosowania ich w elektrociepłowni do skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej. Taka elektrociepłownia charakteryzuje się tym, że zmienia się ciśnienie końcowe w turbinie, powodując zmianę temperatury pary na wypływie z turbiny, co umożliwia zmianę temperatury skraplania oraz tym, że reguluje się temperaturę czynnika zasilającego odbiornik ciepła w obiegu chłodzącym skraplacz, jako wynik zawracania wody chłodzącej zza skraplacza przed skraplacz.A method of increasing the efficiency of the use of heat supplied to an ORC power plant or a steam power plant, when used in a combined heat and power plant for the combined generation of electricity and heat. Such a combined heat and power plant is characterized by the fact that the final pressure in the turbine changes, causing the steam temperature at the outlet of the turbine to change, which makes it possible to change the condensing temperature and that the temperature of the medium supplying the heat receiver in the condenser cooling circuit is regulated as a result of the return of cooling water from behind condenser in front of the condenser.

Układ siłowni ORC zawierający turbogenerator, parowacz, podgrzewacz, skraplacz, pompę, odbiorniki ciepła lub siłowni parowej zawierający dodatkowo kocioł, charakteryzuje się tym, że skraplacz 2 połączony jest z obiegiem chłodzenia, do którego podłączony jest przewód umożliwiający zawracanie wody zza skraplacza przed skraplacz, przy czym w obiegu chłodzenia znajduje odbiornik ciepła lub odbiorniki ciepła.The ORC power plant system containing a turbo-generator, evaporator, heater, condenser, pump, heat receivers or a steam power plant, additionally including a boiler, is characterized by the fact that the condenser 2 is connected to the cooling circuit, to which a pipe is connected that allows water to be returned from behind the condenser to the condenser, at what the heat receiver or heat receivers are in the cooling circuit.

W rozwiązaniu tym doprowadzanie strumienia ciepła (odbiór ciepła) na cele technologiczne, ciepłej wody użytkowej i/lub c.o. odbywa się w skraplaczu z zawracaniem wody chłodzącej zza skraplacza przed skraplacz. Zawracanie wody chłodzącej opuszczającej skraplacz z powrotem przed skraplacz, daje możliwość regulowania temperatury skraplania oraz temperatury wody chłodzącej skraplacz. Możliwość tej regulacji pozwala na uzyskanie takiej temperatury skraplania pary, przy której temperatura wody opuszczającej skraplacz dostosowana jest do temperatury wody wymaganej przez odbiorców ciepła.In this solution, supply of heat flux (heat removal) for technological purposes, hot utility water and / or central heating takes place in the condenser with the return of cooling water from behind the condenser to the condenser. The return of the cooling water leaving the condenser back to the condenser makes it possible to regulate the condensing temperature and the temperature of the water cooling the condenser. The possibility of this adjustment allows to obtain a steam condensation temperature at which the temperature of the water leaving the condenser is adjusted to the water temperature required by the heat consumers.

Rozwiązanie można zastosować we wszystkich rodzajach siłowni ORC i klasycznych, zarówno na parę nasyconą suchą, jak i na parę przegrzaną oraz na parametry pod i nadkrytyczne.The solution can be used in all types of ORC and classic power plants, both for dry saturated steam and superheated steam as well as for sub and supercritical parameters.

Rozwiązanie według wynalazku przedstawione jest w przykładzie wykonania i na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat siłowni ORC z zastosowaniem zawracania wody chłodzącej skraplacz zza skraplacza przed skraplacz, fig. 2 przedstawia schemat siłowni klasycznej również z zast osowaniem zawracania wody chłodzącej skraplacz.The solution according to the invention is presented in the embodiment and in the drawing, in which Fig. 1 shows a diagram of an ORC power plant with the use of condenser cooling water return from behind the condenser before the condenser, Fig. 2 shows a diagram of a classic power plant also using the condenser cooling water return.

Siłownia ORC wyposażona jest w parowacz 5, podgrzewacz 4, turbogenerator 1, skraplacz 2 oraz pompę obiegową 3 i skraplacz 2. Skraplacz 2 połączony jest z obiegiem chłodzenia, do którego podłączony jest obieg zawracania wody zza skraplacza 2 - z punktu B, przed skraplacz 2 - do punktu A. W obiegu chłodzenia znajduje się dowolny odbiornik ciepła 6. Dla tej siłowni wykonano obliczenia cieplno-przepływowe. Siłownia ta zasilana jest strumieniem masowym wody m_s = 1 kg/s o temperaturze T_si = 146°C ze źródła ciepła 7, przy czym czynnikiem roboczym siłowni jest czynnik R236fa.The ORC power plant is equipped with an evaporator 5, a heater 4, a turbo-generator 1, a condenser 2, a circulation pump 3 and a condenser 2. The condenser 2 is connected to the cooling circuit, to which the water return circuit from behind the condenser 2 is connected - from point B, upstream of the condenser 2 - to point A. There is any heat receiver 6 in the cooling circuit. Heat and flow calculations were made for this power plant. The power plant is supplied with the mass flow of water m _s = 1 kg / _{s with the} temperature T s i = 146 ° C from the heat source 7, where the working factor of the power plant is the factor R236fa.

PL 228 057 Β1PL 228 057 Β1

Parowacz 5 siłowni posiada następującą charakterystykę pracy: AT_s1 = 25 K, AT_s2 = 5 K, AT_S = 20 K. Siłownia ta charakteryzuje się tym, że cały strumień wody m_s zasilającej parowacz 5 po jego opuszczeniu m_sl kierowany jest do przeciwprądowego podgrzewacza 4 cieczy czynnika roboczego siłowni tzn. m_sl = m_s, a współczynnik φ = 1.The steam generator 5 of the power plant has the following operating characteristics: AT _s1 = 25 K, AT _s2 = 5 K, AT _S = 20 K. This power plant is characterized by the fact that the entire stream of water m _s supplying the evaporator 5 after leaving it m _sl is directed to the counter-current heater 4 for the fluid of the working medium of the engine room, i.e. m _sl = m _s , and the coefficient φ = 1.

W przypadku tego wariantu strumień masowy wody m_s2 jest równy zero (współczynnik φ = 1), co oznacza, że baypas zaznaczony na rysunku 1 linią przerywaną nie jest wykorzystywany.In the case of this variant, the mass flow of water m _s2 is equal to zero (coefficient φ = 1), which means that the baypas marked in Figure 1 with the dashed line is not used.

Temperatura parowania czynnika roboczego przy powyższych parametrach wynosi T_par = 121°C, natomiast temperatura skraplania wynosi T_skr = 75°C. Strumień masowy czynnika roboczego siłowni wynosi m_n = 2,46 kg/s. Całkowity strumień doprowadzonego ciepła do siłowni wynosi Qa = 277,2 kl/l/, moc obiegu Clausiusa-Rankine’a wynosi /V_C._R = 27,2 kl/l/, strumień ciepła odprowadzonego w skraplaczu Qoi = 253,9 kW, zaś sprawność wynosi ηο-R = 9,8%. Moc elektryczną siłowni, wynoszącą N_e/= 17,4 kW, określono uwzględniając sprawność wewnętrzną turbiny na poziomie 80%, sprawność mechaniczną na poziomie 98% oraz sprawność generatora na poziomie 98%The temperature of the working medium evaporation with the above parameters is T _par = 121 ° C, while the condensing temperature is T _skr = 75 ° C. The mass flow of the working medium of the engine room is m _n = 2.46 kg / s. The total heat flux to the power plant is Qa = 277.2 kl / l /, the power of the Clausius-Rankine cycle is / V _C. _R = 27.2 kl / l /, the flux of heat discharged in the condenser Qoi = 253.9 kW, and the efficiency is ηο-R = 9.8%. The electric power of the power plant, N _{e /} = 17.4 kW, was determined taking into account the internal efficiency of the turbine at the level of 80%, the mechanical efficiency at the level of 98% and the generator efficiency at the level of 98%.

Sprawność elektrociepłowni dla rozpatrywanego przykładu można określić, jeżeli znana jest wielkość mocy elektrycznej siłowni ORC N_e/, strumień ciepła doprowadzonego do odbiorców ciepłą & oraz całkowity strumień ciepła doprowadzonego do siłowni Qei z niżej podanej zależności:The efficiency of the CHP plant for the considered example can be determined if the electric power of the ORC N _{e /} power plant is known, the heat flux supplied to heat consumers & and the total heat flux supplied to the power plant Qei from the following formula:

7r =7y =

Po podstawieniu wartości liczbowych można zapisać:After substituting the numerical values, you can write:

174 + 2539 2713 = L 100=4^100=97,8%174 + 2,539 2,713 = L 100 = 4 ^ 100 = 97.8%

277,2277.2

Powyższą wielkość sprawności wyznaczono przy pominięciu strat cieplnych do otoczenia we wszystkich wymiennikach rozpatrywanego układu.The above value of efficiency was determined taking into account thermal losses to the environment in all exchangers of the considered system.

Skraplacz 2 rozpatrywanej siłowni wykorzystano do zasilania strumieniem ciepła odbiornika technologicznego 6, którego zapotrzebowanie wynosi & = Qod = 253,9 kW. Odbiornik ciepła może pracować dla różnych temperatur wody zasilającej Tj₂ oraz temperatury powrotnej T_wi = 40°C. Skraplacz 2 zasilający odbiornik technologiczny 6 pracuje przy wykorzystaniu niżej podanej charakterystyki pracy obejmującej:The condenser 2 of the considered power plant was used to supply the technological receiver 6 with the heat stream, the demand of which is & = Qod = 253.9 kW. The heat receiver can operate for various temperatures of the supply water, Tj _2, and the return temperature, T _wi = 40 ° C. The condenser 2 powering the technological receiver 6 operates with the use of the following performance characteristics, including:

AT„,=T_skr·AT ”, = T _abbr ·

ΔΤ, =1\ w 2 skr (1) (2) (3)ΔΤ, = 1 \ in 2nd abbreviation (1) (2) (3)

AT* = Τ*₂-Τ^Ζ,=ΔΤ^Ζ^ΔΤ^Ζ2AT * = Τ * ₂ -Τ ^Ζ , = ΔΤ ^Ζ ^ ΔΤ ^Ζ 2

Wyniki obliczeń wielkości zastosowanych dla układu obejmującego skraplacz 2, technologiczny odbiornik ciepła 6 zestawiono w poniższej tabeli przy zastosowaniu różnych współczynników zawracania wody chłodzącej skraplacz Z dla następujących wartości:The results of calculations of the quantities used for the system including condenser 2, technological heat receiver 6 are summarized in the table below using different coefficients of returning cooling water to the condenser Z for the following values:

Z = 0; 0,5; 1,0; 1,5.Z = 0; 0.5; 1.0; 1.5.

W tabeli poniżej zestawiono wielkości charakteryzujące układ obejmujący skraplacz z zawracaniem wody chłodzącej oraz technologiczny wymiennik ciepła. Wyniki te obrazują wpływ zmienności współczynnika zawracania wody chłodzącej skraplacz na temperaturę wody zasilającej i opuszczającej odbiornik technologiczny.The table below summarizes the values characterizing the system including the condenser with cooling water return and the technological heat exchanger. These results illustrate the influence of the variability of the condenser cooling water return coefficient on the temperature of the water supplying and leaving the technological receiver.

T a b θ I a ΔΤ^ ^— T_skr 7w₂ T ab θ I a ΔΤ ^ ^- T _sk r 7w ₂

L.p. L.p. Z WITH AT^Z AT ^Z AT^Z AT ^Z AT* AT * Γ Z ^Łw2Γ Z ^Ł w2 •t»Z ^lw2• t »Z ^l w2 - - kg/s kg / s K K. K K. K K. °c ° c °c ° c 1 1 0,0 0.0 12,10 12.10 35,0 35.0 30,0 30.0 5,0 5.0 40,0 40.0 45,0 45.0 2 2 0,5 0.5 8,06 8.06 32,5 32.5 27,5 27.5 5,0 5.0 42,5 42.5 47,5 47.5 3 3 1,0 1.0 6,05 6.05 30,0 30.0 25,0 25.0 5,0 5.0 45,0 45.0 50,0 50.0 4 4 1,5 1.5 4,65 4.65 27,5 27.5 22,3 22.3 5,2 5.2 47,8 47.8 53,0 53.0

Claims

A method of increasing the efficiency of using the heat supplied to the ORC power plant or steam power plant, characterized in that the final pressure in the turbine is changed and the temperature of the medium supplying the heat receiver 6 in the cooling circuit is regulated by returning water from behind the condenser 2 to the condenser 2.

2. ORC power plant system including turbo-generator, evaporator, heater, condenser, pump and heat receivers or steam power plant, additionally including a boiler, characterized in that the condenser 2 is connected to the cooling circuit, to which is connected a pipe enabling water return from behind the condenser 2 before condenser 2, with a heat receiver 6 in the cooling circuit.