PL228057B1 - Sposób zwiekszania efektywnosci wykorzystania ciepła doprowadzonego do siłowni ORC lub siłowni parowej i układ siłowni ORC lub siłowni parowej - Google Patents

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

PL 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.

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.

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%

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:

7r =

Po podstawieniu wartości liczbowych można zapisać:

174 + 2539 2713 = L 100=4^100=97,8%

277,2

277,2

Powyższą wielkość sprawności wyznaczono przy pominięciu strat cieplnych do otoczenia we wszystkich wymiennikach rozpatrywanego układu.

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:

AT„,=T_skr·

ΔΤ, =1\ w 2 skr (1) (2) (3)

AT* = Τ*₂-Τ^Ζ,=ΔΤ^Ζ^ΔΤ^Ζ2

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:

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.

T a b θ I a ΔΤ^ ^— T_skr 7w₂

L.p.	Z		ATZ	ATZ	AT*	Γ Z Łw2	•t»Z lw2
-	kg/s	K	K	K	°c	°c
1	0,0	12,10	35,0	30,0	5,0	40,0	45,0
2	0,5	8,06	32,5	27,5	5,0	42,5	47,5
3	1,0	6,05	30,0	25,0	5,0	45,0	50,0
4	1,5	4,65	27,5	22,3	5,2	47,8	53,0

Claims (2)

1. Sposób zwiększania efektywności wykorzystania ciepła doprowadzonego do siłowni ORC lub siłowni parowej, znamienny tym, że zmienia się ciśnienie końcowe w turbinie, i reguluje się temperaturę czynnika zasilającego odbiornik ciepła 6 w obiegu chłodzącym poprzez zawracanie wody zza skraplacza 2 przed skraplacz 2.

2. Układ siłowni ORC zawierający turbogenerator, parowacz, podgrzewacz, skraplacz, pompę, oraz odbiorniki ciepła lub siłowni parowej zawierający dodatkowo kocioł, znamienny tym, że skraplacz 2 połączony jest z obiegiem chłodzenia, do którego podłączony jest przewód umożliwiający zawracanie wody zza skraplacza 2 przed skraplacz 2, przy czym w obiegu chłodzenia znajduje się odbiornik ciepła 6.