PL237320B1 - Układ siłowni ORC zasilany z dwóch różnotemperaturowych źródeł ciepła - Google Patents

Description

Znane są powszechnie siłownie organiczne ORC z niskowrzącymi czynnikami obiegowymi. Z polskiego opisu patentowego PL 212830 znany jest sposób zwiększania mocy siłowni ORC z czynnikiem organicznym, którego istotą jest zwiększenie strumienia masowego czynnika roboczego krążącego w obiegu siłowni ORC poprzez zastosowanie zawracania strumienia nośnika ciepła z przewodu wylotowego bezpośrednio za parowaczem do przewodu dolotowego przed parowaczem. Z opisu patentowego PL 229566 znany jest układ dwuobiegowej siłowni ORC zasilany z dwóch różnotemperaturowych źródeł ciepła. Układ ten charakteryzuje się tym, że ma dwa obiegi Clausiusa-Rankine’a. Pierwszy to obieg na parę nasyconą suchą a drugi na parę przegrzaną. Obieg drugi, czyli na parę przegrzaną jest w tym układzie rozszerzeniem obiegu pierwszego. W układzie tym pierwsze źródło ciepła połączone jest z przegrzewaczem, parowaczem i podgrzewaczem. Drugie źródło ciepła połączone jest z parowaczem i podgrzewaczem.

Układ siłowni ORC zasilany z dwóch różnotemperaturowych źródeł ciepła, według wynalazku, wyposażony w turbogenerator połączony ze skraplaczem i pompą obiegową, następnie z podgrzewaczem połączonym z parowaczem. Parowacz jest połączony z przegrzewaczem połączonym z turbogeneratorem. Pierwsze źródło ciepła połączone jest z parowaczem a następnie z podgrzewaczem. Istota rozwiązania polega na tym, że drugie źródło ciepła połączone jest z przegrzewaczem, następnie przez węzeł łączący z podgrzewaczem. Podgrzewacz połączony jest poprzez węzeł rozdzielający z drugim źródłem ciepła i z pierwszym źródłem ciepła. Parowacz połączony jest poprzez węzeł łączący z podgrzewaczem. Za pośrednictwem nośników energii odpowiednimi rurociągami dostarczane jest ciepło do układu siłowni organicznej ORC z mokrym czynnikiem obiegowym. Energia ze źródeł ciepła transportowana jest do układu ORC za pomocą strumieni nośników ciepła (woda, olej termalny lub inny czynnik substancja) odpowiednimi rurociągami. Nośniki ciepła po opuszczeniu przegrzewacza i parowacza kierowane są wspólnym rurociągiem do podgrzewacza układu ORC. Z tego powodu rurociągi odprowadzające nośniki ciepła z przegrzewacza i parowacza łączą się w węźle w jeden rurociąg, którym zmieszane nośniki ciepła transportowane są do podgrzewacza układu ORC. Rurociąg odprowadzający nośniki ciepła z podgrzewacza układu ORC, za podgrzewaczem rozdziela się na dwa rurociągi, którymi odpowiednio rozdzielone strumienie nośników ciepła ponownie są kierowane do źródeł ciepła.

W jednym wariancie drugie źródło ciepła ma wyższą temperaturę niż pierwsze źródło ciepła co korzystnie wpływa na moc układ, powodując znaczący wzrost w stosunku do układu zasilanego z jednego źródła ciepła. Druga zaleta układu to to, że przy danym strumieniu nośnika ciepła z pierwszego źródła o niższej temperaturze wymagany strumień nośnika ciepła z drugiego źródła o wyższej temperaturze jest mniejszy niż strumień nośnika ciepła z pierwszego źródła. W innym wariancie pierwsze źródło ciepła ma wyższą temperaturę niż drugie źródło ciepła, co powoduje, że strumień nośnika ciepła doprowadzany z drugiego źródła ciepła o niższej temperaturze jest znacznie mniejszy od strumienia nośnika ciepła doprowadzanego z pierwszego źródła ciepła. Zatem, gdy strumień nośnika ciepła ze źródła o niższej temperaturze jest znacznie mniejszy niż strumień nośnika ciepła ze źródła o wyższej temperaturze korzystnie jest skierować nośnik ciepła ze źródła o wyższej temperaturze do parowacza, a nośnik ciepła o niższej temperaturze do przegrzewacza.

Zaletą wynalazku jest możliwość zwiększenie mocy układu siłowni ORC poprzez jej odpowiednie zasilanie nośnikami ciepła z dwóch różnotemperaturowych źródeł ciepła (przy założeniu, że oba nośniki ciepła to ta sama substancja, np. woda) drugą zaletą wynalazku jest to, że do zasilania układu ORC można wykorzystać dwa źródła ciepła różniące się nie tylko temperaturami, ale również wielkościami strumieni nośników ciepła. Stwarza to możliwość wykorzystywania źródeł ciepła, z których istnieje możliwość doprowadzania małej ilości nośnika ciepła.

Wynalazek jest bliżej przedstawiony w przykładach wykonania i na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia schemat układu siłowni ORC, Fig. 2 przedstawia wykres z rozkładem temperatury w wymiennikach ciepła siłowni ORC, Fig. 3 przedstawia wykres przemian termodynamicznych zachodzących w siłowni ORC.

P r z y k ł a d I

Układ siłowni ORC zasilany jest z dwóch różnotemperaturowych źródeł ciepła 1 i 2 wyposażony jest w turbogenerator 3 połączony ze skraplaczem 4 i pompą obiegową 5. Pompa 5 połączona jest z podgrzewaczem 6 połączonym z parowaczem 7. Parowacz 7 połączony jest z przegrzewaczem 8

PL 237 320 Β1 połączonym z turbogeneratorem 3. Pierwsze źródło ciepła 1 połączone jest z parowaczem 7, który połączony jest z podgrzewaczem 6. Pomiędzy źródłami ciepła 1 i 2 a podgrzewaczem 6 układ ma węzeł rozdzielający 9. Drugie źródło ciepła 2 połączone jest z jednej stron z podgrzewaczem 6 poprzez węzeł rozdzielający 9, a z drugiej strony z przegrzewaczem 8, który połączony jest poprzez węzeł łączący 10 z podgrzewaczem 6.

Dwuźródłowy układ zasilania siłowni ORC z mokrym czynnikiem obiegowym, w którym nośnik ciepła z drugiego źródła 2 dostarczany jest do przegrzewacza 8 układu ORC i ma wyższą temperaturę niż pierwsze źródło ciepła 1, a nośnik ciepła z pierwszego źródła 1 kierowany jest do parowacza 7 układu ORC.

Nośnik ciepła z drugiego źródła ciepła 2, którym jest woda o strumieniu m_S2 doprowadzany jest rurociągiem R2 do przegrzewacza 8 układu ORC, a nośnik ciepła z pierwszego źródła ciepła 1, którym również jest woda o strumieniu o m_S7 doprowadzany jest pierwszym rurociągiem R1 do parowacza 7 układu ORC. Strumienie wody opuszczającej przegrzewacz 8 i parowacz 7 kierowane są wspólnym rurociągiem R3 do podgrzewacza 6 układu ORC. Z tego powodu rurociągi odprowadzające nośniki ciepła R2 z przegrzewacza 8 i R1 z parowacza 7 łączą się w węźle łączącym 10 w jeden rurociąg R3, którym zmieszane nośniki ciepła transportowane są do podgrzewacza 6 układu ORC. Rurociąg R3 odprowadzający nośniki ciepła z podgrzewacza 6 układu ORC w węźle rozdzielającym 9 rozdziela się na dwa rurociągi R1 i R2, którymi odpowiednio rozdzielone strumienie nośników ciepła ponownie są dostarczane do źródeł ciepła 1 i 2. Za węzłem rozdzielającym 9 strumień wody m_S7, doprowadzany jest rurociągiem R1 do pierwszego źródła ciepła 1, natomiast strumień wody m_S2, doprowadzany jest rurociągiem R2 do drugiego źródła ciepła 2.

W przykładzie obliczeniowym przyjęto, że jako źródła ciepła wykorzystane zostaną wody geotermalne pozyskiwane z dwóch zbiorników tj.: dolno i środkowotriasowego. Przyjęcie takich źródeł ciepła wynika z faktu dostępności na terenie Polski takich zasobów. Do obliczeń przyjęto, że w przypadku zbiornika dolnotriasowego maksymalny strumień masowy wody wynosi 25 kg/s, a temperatura wydobywanej wody wynosi 128°C. W przypadku zbiornika środkowotrasowego maksymalny strumień masowy wody wynosi 55 kg/s, a temperatura wydobywanej wody wynosi 104°C. Przyjęto, że temperatura wody na wypływie z przegrzewacza i parowacza w obu wariantach wynosi 70°C. W przypadku zasilania siłowni ORC strumieniami wody geotermalnej nie można przekroczyć wartości maksymalnych wydajności danych zbiorników wodonośnych. Obliczenia wykonano przy założeniu, że w układzie ORC czynnikiem obiegowym jest czynnik z grupy czynników mokrych R143a, który odparowuje w temperaturze 67°C. Skraplanie tego czynnika w skraplaczu siłowni ORC odbywa się w temperaturze 29°C. W przypadku zastosowania klasycznej siłowni ORC zasilanej z jednego źródła ciepła przy maksymalnym wykorzystaniu wydajności przyjętych źródeł ciepła otrzymano następujące moce mechaniczne turbiny układu ORC. Przy zasilaniu układu wodą o temperaturze 128°C i strumieniu 25 kg/s moc mechaniczna turbiny wynosi 1023 kW. Przy zasilaniu układu wodą o temperaturze 104°C i strumieniu 55 kg/s moc mechaniczna turbiny wynosi 1315 kW.

W tabeli 1 przedstawiono parametry termiczne i kaloryczne czynnika R143a w obiegu siłowni ORC.

Tabela 1

Parametry termiczne i kaloryczne czynnika R143a w obiegu siłowni ORC

Czynnik	Punkty obiegu	T[°CJ	h [kJ/kg]
R143a	Pomiędzy przegrzewaczem (8) a turbiną (3)	75,16	417,7
Pomiędzy turbiną (3) a skraplaczem (4)	29,00	399,8
Pomiędzy skraplaczem (4) a pompą obiegową (5)	29,00	245,9
Pomiędzy pompą obiegową (5) a podgrzewaczem (6)	30,89	248,00
Pomiędzy podgrzewaczem (6) a parowaczem (7)	67,00	232,1
Pomiędzy parowaczem (7) a przegrzewaczem (3)	67,00	392,2

PL 237 320 Β1

W tabeli 2 przedstawiono wyniki obliczeń dla układu siłowni ORC zasilanej z dwóch źródeł ciepła. Ze źródła 1 doprowadzany jest nośnik ciepła w postaci wody geotermalnej o temperaturze 104°C w ilości 55kg/s (ze zbiornika środkowotriasowego). Ze źródła 2 doprowadzana jest woda geotermalna o wyższej temperaturze, wynoszącej 128°C w ilości wynikającej z bilansu energii układu ORC, jednak strumień tej wody nie może przekroczyć wartości maksymalnej, dla tego przykładu obliczeniowego, wynoszącej 25 kg/s.

Tabela 2

Wyniki obliczeń dla siłowni ORC zasilanej z dwóch różnotemperaturowych źródeł ciepła dla przykładu I

Strumień nośnika ciepła doprowadzany ze źródła 1 (temperatura 104°C)	55,0 kg/s
Strumień nośnika ciepła doprowadzany ze źródła 2 (temperatura 128°C)	11,9 kg/s
Strumień czynnika obiegowego R143a w siłowni ORC	113,8 kg/s
Moc mechaniczna generowana przez turbinę układu ORC	1801,8 kW

Jak widać z tabeli 2 nie przekroczono maksymalnej wartości strumienia wody doprowadzanej ze źródła 2, która w tym przypadku wynosi 25 kg/s. Osiągnięta moc mechaniczna turbiny układu ORC zasilanego z dwóch źródeł ciepła jest wyższa od mocy układu zasilanego osobno z pierwszego lub drugiego źródła ciepła.

Przykład II

Układ siłowni ORC wykonany analogicznie jak w Przykładzie I, przy czym nośnik ciepła z drugiego źródła 2 ma niższą temperaturę niż pierwsze źródło ciepła 1.

W tabeli 3 przedstawiono wyniki obliczeń dla układu siłowni ORC zasilanej z dwóch źródeł ciepła. Ze źródła 1 doprowadzany jest nośnik ciepła w postaci wody geotermalnej o temperaturze 128°C w ilości 25 kg/s (ze zbiornika dolnotriasowego). Ze źródła 2 doprowadzana jest woda geotermalna o niższej temperaturze, wynoszącej 104°C w ilości wynikającej z bilansu energii układu ORC, jednak strumień tej wody nie może przekroczyć wartości maksymalnej, dla tego przykładu obliczeniowego, wynoszącej 55 kg/s.

Tabela 3

Wyniki obliczeń dla siłowni ORC zasilanej z dwóch różnotemperaturowych źródeł ciepła dla przykładu II

Strumień nośnika ciepła doprowadzany ze źródła 1 (temperatura 128°C)	25,0 kg/s
Strumień nośnika ciepła doprowadzany ze źródła 2 (temperatura 104°C)	15,8 kg/s
Strumień czynnika obiegowego R143a w siłowni ORC	88,6 kg/s
Moc mechaniczna generowana przez turbinę układu ORC	1402,2 kW

Jak wynika z tabeli 3 nie przekroczono maksymalnej wartości strumienia wody doprowadzanej ze źródła 2, która w tym przypadku wynosi 55 kg/s. Osiągnięta moc mechaniczna turbin układu ORC zasilanego z dwóch źrenic ciepła jest wyższa od mocy układu zasilanego osobno z pierwszego lub drugiego źródła ciepła.

Claims (1)

1. Układ siłowni ORC zasilany z dwóch różnotemperaturowych źródeł ciepła wyposażony w turbogenerator połączony ze skraplaczem i pompa obiegową następnie z podgrzewaczem połączonym z parowaczem, który połączony jest z przegrzewaczem połączonym z turbogeneratorem, przy czym pierwsze źródło ciepła połączone jest z parowaczem a następnie z podgrzewaczem, znamienny tym, że drugie źródło ciepła (2) jest połączone z przegrzewaczem (8),

PL 237 320 Β1 następnie przez węzeł łączący (10) z podgrzewaczem (6), który połączony jest poprzez węzeł rozdzielający (9) z drugim źródłem ciepła (2) i z pierwszym źródłem ciepła (1) przy czym parowacz (7) połączony jest poprzez węzeł łączący (10) z podgrzewaczem (6).