УСТАНОВКА ДЛЯ ГЕНЕРИРОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОМБИНИРОВАННОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ЦИКЛА
INSTALLATION FOR GENERATING MECHANICAL ENERGY USING A COMBINED ENERGY CYCLE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Область применения настоящего изобретения относится к области техники, связанной с генерированием механической энергии для применения и преобразования в другие типы энергии.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В настоящее время так называемые «комбинированные циклы» являются одной из наиболее эффективных и экологически чистых существующих технологий для генерирования энергии. Комбинированный цикл представляет собой способ генерирования энергии посредством соединения двух связанных термодинамических циклов для улучшения производительности.
На известном уровне техники комбинированных циклов для генерирования механической энергии и ее возможного преобразования в другие типы энергии существует потребность в повышении эффективности и сокращении выброса парниковых газов в атмосферу.
Одной установкой для реализации комбинированного цикла является газовая турбина, работающая в открытом цикле Брайтона, в котором горячие выхлопные газы проходят через котел-утилизатор, где генерируется поток, который применяют к турбине, выполняющей дополнительную механическую работу после независимого цикла Рэнкина.
Наиболее распространенные энергетические установки с комбинированным циклом работают с газовыми турбинами, забирающими внешний воздух, который после повышения давления на компрессоре проходит в камеру сгорания, где сжигается топливо. Выхлопные газы от этого выходят из камеры сгорания при высокой температуре с избыточным воздухом, являющимся теплопередающей средой открытого цикла Брайтона, который расширяется в газовой турбине, генерируя механическую работу. Наконец, газы турбины покидают котел и выбрасываются в атмосферу через дымоход.
Тот факт, что компрессор забирает воздух внешней среды, а газообразные продукты сгорания в итоге выбрасываются в атмосферу без возврата в цикл, означает, что это открытые циклы Брайтона, поскольку имеется взаимный обмен веществом с атмосферой.
Поэтому, и несмотря на их простоту, эти открытые циклы имеют недостаток в том, что они подразумевают эмиссию загрязняющих газов, когда продукты сгорания в итоге выбрасываются в атмосферу. Эти загрязняющие газы представляют собой в основном CO2 и NOx (всегда при условии, что в состав топлива не входит сера). Пропорция CO2, выбрасываемого во время сгорания, зависит непосредственно от типа сжигаемого топлива. В настоящее время природный газ является наиболее широко используемым топливом в отрасли газовых турбин, поскольку, среди прочего, метан, содержащийся в этом топливе, является углеводородом, который дает наименьшее количество CO2 на единицу производимой работы.
x
Кроме того, производство NOx значительно увеличивается с увеличением температуры сгорания. Очевидно, это создает конфликт интересов с наличием компромисса между эффективностью и воздействием на окружающую среду, поскольку согласно принципам термодинамики увеличение температуры сгорания повышает производительность, но с другой стороны это приводит к увеличению выбросов NO.
Конечной целью, которая бы преодолела недостатки, свойственные известному уровню техники, состоит в разработке цикла, который в основном производит механическую энергию, который не приводит к эмиссии никаких парниковых газов в атмосферу и который дает лучшую производительность, чем получаемая в настоящее время в других традиционных комбинированных циклах.
Настоящее изобретение относится к установке для выполнения процесса комбинированного цикла для генерирования механической энергии, в котором в качестве теплопередающей среды используется вода и который специально разработан для работы в замкнутом цикле, или для выполнения процесса, основанного на внутреннем кислородном горении, в котором имеется по меньшей мере один цикл Рэнкина, который работает интегрированно с вариантом цикла Брайтона, который восстанавливают с использованием теплового насоса, который производит обмен этой тепловой энергией (между циклом Брайтона и тепловым насосом взаимный обмен веществом отсутствует), и так, что путем комбинирования двух указанных составляющих циклов механическую энергию генерируют без необходимости выбрасывать парниковые газы в атмосферу.
Одна альтернатива для устранения эмиссии загрязняющих газов в атмосферу состоит в использовании комбинированных циклов, которые работают как замкнутые циклы. Другими словами, в этих циклах теплопередающая среда рециркулирует и не требует восполнения, и при этом не входит в контакт с атмосферой. Тем не менее, везде, где источником тепла цикла является энергия от внутреннего сгорания, определенные химические реагенты (топливо и вещество для поддержки горения) необходимо добавлять постоянно, при этом необходимо устранять из цикла продукты, генерируемые реакцией химического горения. Это создает важные экономические, технические и экологические проблемы, особенно относительно непрерывного отделения продуктов горения в газовой фазе, которая действует как теплопередающая среда. Другой недостаток состоит в том, что поскольку в качестве вещества для поддержки горения воздух не используется, замкнутые циклы для выполнения процесса горения требуют чистый кислород и поэтому зависят от некоторого вспомогательного процесса, который обеспечивает его.
Эффективным способом повышения эффективности цикла Брайтона является «регенерация», посредством которой часть нагрева цикла выполняют с использованием источника тепла, являющегося внутренним относительно самого цикла.
Благодаря «регенерации» добиваются улучшенной производительности для цикла, поскольку количество внешнего тепла, которое необходимо подавать в цикл, уменьшается, и при этом сокращается количество отходящего тепла, высвобождаемого циклом во внешнюю среду.
Термин «регенеративный цикл Брайтона» относится к циклу Брайтона, в котором восстанавливают часть тепла, выделяемого горячими газами за турбиной, и передают его, с использованием теплообменника, сжатым газам перед их вхождением в камеру сгорания. Тем не менее, этот метод регенерации не является единственным, поскольку также является возможным «регенерировать» цикл Брайтона с использованием любого другого способа, который может возвращать тепло из некоторой части цикла для введения его обратно в процесс.
Одним из инновационных аспектов этого изобретения является то, что оно содержит средства, необходимые для реализации регенерированного цикла Брайтона с использованием «теплового насоса», подключенного к одному или более циклам Рэнкина, что порождает установку комбинированного цикла с необычными характеристиками.
В термодинамике «тепловой насос» определяют как любую холодильную машину, которая забирает тепловую энергию у одного тела и переносит ее на другое, имеющее более высокую температуру, благодаря некоторому количеству энергии, подаваемому извне (обычно в виде механической работы от сжатия). Для всех целей можно полагать, что холодильная машина является тем же, что и тепловой насос, и эти два термина применяются без различения или с учетом подразумеваемого приложения.
На промышленном уровне существует два типа холодильных машин или тепловых насосов, в зависимости от типа применяемой ими технологии: компрессионные холодильные машины и абсорбционные холодильные машины. Машины этих двух типов (компрессионные или абсорбционные) имеют общее в том, что все они имеют конденсатор (высокотемпературный источник) и испаритель (низкотемпературный источник), разделенные расширительным устройством. Однако они отличаются способом и типом энергии, используемой для того, чтобы заставить низкотемпературный и высокотемпературный источники работать при разных давлениях.
В компрессионных холодильных машинах используют газовый компрессор, который потребляет механическую работу, забираемую извне, тогда как в абсорбционных машинах для работы требуется, по существу, просто снабжение из внешнего источника тепла, и эти машины основаны на физико-химическом принципе абсорбции/десорбции газа в жидкости.
Традиционные «абсорбционные» машины могут обходиться без компрессора, поскольку система «абсорбер/генератор», без необходимости в механических средствах, отвечает за генерирование требуемой разности давлений, делая так, что абсорбер и испаритель работают при более низком давлении, чем генератор и конденсатор.
Вместо потребности в работе сжатия компрессора, чтобы работать, абсорбционным машинам требуется дополнительное количество тепла для выполнения операции «десорбции» (испарения растворенного газа). В конечном итоге это дополнительное количество тепла устраняется, когда происходит обратный процесс «абсорбции». Эта дополнительная потеря тепла является причиной, по которой, говоря сравнительно, абсорбционные машины теряют и требуют больше энергии для работы, чем компрессионные машины, так что их энергоэффективность всегда оказывается относительно низкой. Тем не менее, абсорбционные машины все же имеют преимущество в том, что, не считая насоса для раствора, им для функционирования практически не нужна механическая работа.
Применимость «теплового насоса», чтобы помогать регенерации в комбинированном цикле системы, крайне ограничена, с одной стороны, рядом неминуемых термодинамических ограничений, а с другой - конкретными требованиями, необходимыми для его функционирования. Другими словами, цикл Брайтона не может быть регенерирован с использованием просто некоторого произвольного теплового насоса.
Для того, чтобы определенный тепловой насос был полезным для «регенерирования» цикла Брайтона, как предлагается в данном документе, он должен удовлетворять следующим требованиям:
- «низкотемпературный источник» теплового насоса должен работать при температурах, близких к температурам конденсации водяного пара при атмосферном давлении;
- разность температур между низкотемпературным и высокотемпературным источниками должна быть значительной (несколько десятков градусов Цельсия), чтобы регенерировать пар при давлении, существенно большем, чем давление, при котором он был ранее сконденсирован;
- энергия механического сжатия также должна забираться из цикла Брайтона, который регенерируют, и возвращаться в него;
- производительность холодильного цикла должна быть существенно высокой, чтобы такой способ регенерирующей части комбинированного цикла был целесообразным.
2
Установка, работающая согласно комбинированному циклу, который является предметом этого изобретения, предлагает, с одной стороны, большую эффективность, чем у традиционных комбинированных циклов, а с другой стороны - естественный захват CO (двуокиси углерода), когда любой из источников тепла, поставляющих тепло в комбинированный цикл, состоит из камеры сгорания. Установка согласно настоящему изобретению и способ, выполняемый с ее помощью, косвенно предоставляют систему отделения и захвата диоксида углерода.
2
Подразумевают, что комбинированный цикл «естественно захватывает CO», когда этот газ от сгорания получают в единственной точке цикла, концентрируют и изолируют (в жидкой или газообразной форме) без необходимости в каком-либо дополнительном процессе, отличном от нормального функционирования самого цикла для генерирования полезной энергии. Когда в качестве источника энергии используют разновидности топлива, само функционирование установки отделяет и изолирует загрязняющие газы и предотвращает их вхождение в контакт с атмосферой. С другой стороны, когда в качестве продукта сгорания генерируется вода, она, с другой стороны, удаляется из комбинированного цикла в жидкой фазе и при давлении окружающей среды.
В традиционных комбинированных циклах в каждом составляющем цикле (Брайтона и Рэнкина) используют отдельную теплопередающую среду и, более конкретно, их цикл Брайтона осуществляет обмен веществом и энергией с атмосферой.
С другой стороны, составляющий цикл Брайтона и составляющий главный цикл Рэнкина, которые включают этот комбинированный цикл, работают связанно, производя обмен веществом (при том, что оба используют воду как общую теплопередающую среду) и энергией, так, чтобы составлять единый по своей сути цикл для генерирования механической энергии и с особыми признаками.
Одним признаком этого комбинированного цикла является то, что за исключением неизбежных «прямых потерь», тепло отводят во внешнюю среду только через единственный теплоотвод, и, следовательно, получают лучшую производительность, чем в других традиционных комбинированных циклах.
Учитывая, что составляющие циклы Брайтона и Рэнкина, образующие комбинированный цикл этого изобретения, обладают конкретными признаками, которые выделяют их из этих термодинамических циклов в определенных существенных аспектах, термины «цикл Брайтона» и «цикл Рэнкина», при ссылке на участки, которые включают комбинированный цикл в целом, не являются строго верными, поскольку они отличаются от этих циклов в определенных фундаментальных аспектах (например, циклы Брайтона, по определению, не работают с конденсирующейся жидкостью). Тем не менее, верно то, что комбинированный цикл этого изобретения состоит из вариантов или модификаций двух циклов, Брайтона и Рэнкина, и они на самом деле работают взаимосвязанно. Именно поэтому в этом документе к этим модифицированным циклам Брайтона и Рэнкина обращение производится всегда в сопровождении слова «составляющий», чтобы предотвратить путаницу и облегчить восприятие и идентификацию компонентов, на которые производится ссылка.
ОПРЕДЕЛЕНИЯ
UAX: Блок абсорбера для теплообмена. Это система, которая выполняет функции «теплового насоса», способствуя регенерации этого комбинированного энергетического цикла. UAX, как независимый рабочий блок, идентифицируется номером (200). Он применяется для регенерации составляющего цикла Брайтона. UAX (200), хотя и не производит взаимного обмена веществом с комбинированным энергетическим циклом, работает в «симбиозе» с ним и представляет собой обязательную систему для работы комбинированного цикла для генерирования механической энергии. UAX является основным компонентом установки настоящего изобретения, которое работает с аммиаком и водой.
Концентрированный раствор: это раствор аммиака в воде, который выходит из абсорбера.
Разбавленный раствор: это раствор аммиака в воде, который выходит из генератора (201).
Раствор промежуточной концентрации: это раствор аммиака в воде, который выходит из генератора (202) и который входит в генератор (201).
Комбинированный цикл: Если не указано иначе, термин «Комбинированный цикл» относится к циклу, который является предметом этого изобретения, целью которого является получение механической энергии из тепловой энергии. В этом описании термины «Комбинированный цикл», «Энергетический цикл» и «Комбинированный энергетический цикл» используются без различия. Термин «традиционный комбинированный цикл» применяется в данном документе для обозначения любого возможного комбинированного цикла из известного уровня данной области техники.
Регенеративный цикл: Это цикл с системой теплообменников для его «регенерации», в том смысле, что некоторое нагревание цикла выполняется с использованием источника тепла, внутреннего относительно самого цикла.
Составляющий цикл Брайтона: Это часть энергетического цикла этого изобретения, которая регенерируется тепловым насосом UAX (200). Функционирование этой части энергетического цикла основано на модификации цикла Брайтона, которая в этом изобретении обладает такими конкретными особыми признаками как использование конденсирующейся текучей среды (воды), работа взаимосвязанно с циклом Рэнкина и регенерирование посредством теплового насоса UAX (200).
Составляющий главный цикл Рэнкина: Это часть энергетического цикла этого изобретения, которая приводится в действие питательным насосом (119) и турбиной ТВД (122). Функционирование этой части энергетического цикла основано на цикле Рэнкина, хотя в этом изобретении «главный цикл Рэнкина» обладает такими конкретными особыми признаками, как взаимосвязанная работа с «составляющим циклом Брайтона» так, что они имеют определенные общие элементы. Составляющий главный цикл Рэнкина является основной частью энергетического цикла.
Вторичный цикл Рэнкина: Это вспомогательный цикл Рэнкина: другими словами, он не является основной системой энергетического цикла. В конфигурациях комбинированного цикла, которые имеют «Вторичный цикл Рэнкина», его конденсатор (128) всегда выполняет основную функцию «теплоотвода». «Вторичный цикл Рэнкина» характеризуется наличием своей собственной турбины ТНД (127) и тем, что всегда работает при более низком давлении, чем составляющий главный цикл Рэнкина.
Открытый цикл: Это цикл, в котором теплопередающая среда не рециркулирует, а должна постоянно обновляться. В открытых циклах существует по меньшей мере одна точка, в которой текучая среда поступает извне, и другая, в которой текучая среда выходит из цикла во внешнюю среду.
Замкнутый цикл: Цикл, в который теплопередающая среда не поступает и из которого не выходит, в котором подача внешнего тепла всегда происходит через теплообменники, поэтому нет взаимного обмена материалом текучей среды в цикле с внешней средой. Комбинированный энергетический цикл является замкнутым, когда не содержит камеры сгорания, которая обеспечивает его энергией.
Цикл внешнего сгорания: Это замкнутый цикл, где источником подачи тепла является процесс сгорания, происходящий вне цикла.
Цикл внутреннего сгорания: Это замкнутый цикл, где источником подачи тепла является процесс сгорания, в котором продукты химической реакции образуют или формируют часть теплопередающей среды.
Сжигание в кислороде: Это процесс сжигания, в котором в качестве вещества для поддержки горения используют не воздух, а чистый кислород, разведенный в самой теплопередающей среде (в этом изобретении - в водяном паре).
Полузамкнутый цикл: В этом изобретении этот термин используется для цикла, который одновременно обеспечивает внутреннее сгорание и сжигание в кислороде и в котором, кроме того, теплопередающая среда рециркулирует, когда продукты сгорания были удалены из него.
КПД: КПД (Коэффициент полезного действия) «теплового насоса» определяют как отношение или частное, получаемое делением передаваемой полезной тепловой энергии на энергию, добавляемую для достижения этого. Другими словами, КПД представляет собой коэффициент, определяющий производительность любой холодильной машины. Понятие КПД изменяется в зависимости от того, является ли машина компрессорной (в которой добавляемая энергия является механической работой, потребляемой компрессором) или абсорбционной (в которой добавляемая энергия является в основном теплом, подаваемым на генератор).
Установка: Устройство генератора механической энергии, состоящее из комбинированного энергетического цикла и теплового насоса UAX (200).
Элемент теплообмена: Любая из сторон, образующая теплообменник, независимо от того, принимают ли она тепло или отдает. Любой теплообменник состоит из по меньшей мере двух элементов. В этом изобретении термин «элемент», сопровождаемый номером, который явно его идентифицирует, используется для краткости. В этом изобретении любой теплообменник идентифицируется путем указания номеров двух или более составляющих его «элементов».
Змеевик: Элемент теплообмена, состоящий из комплекта труб в конфигурации любого типа. В этом изобретении этот термин используется для обозначения элемента обменника, который работает при более высоком давлении. Функционирование ни при каких условиях не может быть связано с формой элемента теплообменника, который так называют.
Корпусная сторона теплообменника: Этот термин применяется в данном документе для обозначения элемента обменника, который работает при более низком давлении и который содержит внутри себя элемент теплообмена, работающий при более высоком давлении.
Конденсационный обменник: Это теплообменник, в котором происходит конденсация (частичная или полная) водяного пара, циркулирующего через элемент «корпусной стороны». Эта теплота конденсации передается на один или более змеевиков или элементов обменника для поднятия температуры текучей среды, циркулирующей через них.
Теплоотвод: В этом изобретении термин «теплоотвод» используется для обозначения элемента теплообменника, через который комбинированный цикл выделяет неиспользованное тепло за пределы цикла. В комбинированном энергетическом цикле «теплоотвод» всегда состоит из элемента (128), который производит конденсацию пара в конечной части или после рекуперационного канала РКК (103). Когда вторичный цикл Рэнкина применяется в этом положении для выполнения этой функции, этот вспомогательный цикл всегда будет иметь оконечный элемент конденсации, обозначенный (128), чтобы ясно указывать, что он является единственным элементом, через который тепло передается за пределы цикла.
Прямые потери: Этот термин относится к неизбежным необратимым явлениям и потерям тепла вследствие теплопереноса, конвекции и излучения в любом компоненте, вызванным тем простым фактом, что он имеет более высокую температуру, чем окружающая его среда. С учетом того, что прямые потери являются неизбежными в любом реальном цикле, даже когда они явно не упоминаются в этом описании, они считаются очевидными.
2
В этом описании, хотя такое действие не было бы принято как верное в термодинамике, скрытая теплота, содержащаяся в продуктах сгорания, полученных в комбинированном цикле, также считается «прямыми потерями», поскольку в действительности они появляются при такой низкой температуре - жидкая вода с одной стороны и CO из элемента (107) - что она является несущественной или ее можно считать ничтожно малой для практических целей.
Теплопередающая среда: Это текучая среда, которая содержит, циркулирует и переносит энергию, передаваемую в разных элементах, которые образуют термодинамический цикл.
Когенерация: В этом описании под когенерацией понимают необязательную процедуру, посредством которой в дополнение к механической энергии получают дополнительное количество тепловой энергии, которая оказывается полезной для процесса любого типа за пределами самого энергетического цикла. В этом описании для всех целей полагают, что тепло, высвобождаемое комбинированным циклом во внешнюю среду в результате «когенерации», всегда является полезным теплом и никогда не представляет собой потерю энергии из цикла, поскольку считается, что установка спроектирована так, чтобы учитывать это извлечение тепловой энергии из энергетического цикла: это выполняют в соответствии с конкретными требованиями и с учетом температурных условий, накладываемых внешней системой потребления, для которой предназначается тепло.
Полезная энергия: Под этим термином понимают сумму тепла для использования за пределами цикла, как «когенерации», и полезной механической работы, производимой энергетическим циклом.
Передаточный вал: передаточный вал (130) состоит из сборки механических элементов, с помощью которых машины энергетического цикла и тепловой насос UAX получают или отдают механическую энергию.
Физически передаточный вал не обязательно должен состоять из обычного механического вала, к которому присоединены все турбомашины цикла, поскольку также существует осуществимый вариант присоединения каждого компрессора к независимому мотору, когда каждая турбина присоединена к своему соответствующему электрогенератору. Тем не менее, использование этого понимания передаточного вала облегчает восприятие, поскольку считается, что полезную механическую работу комбинированного цикла получают с передаточного вала (130) в результате суммирования всей механической работы всех машин, которые его составляют (с учетом их знаков).
Промышленный чистый кислород: Термин «промышленный чистый кислород» в этом описании используется для обозначения этого газа, когда, согласно его состоянию поставки, он соответствует международным стандартам как «чистый кислород промышленного качества». Считается очевидным, что, хотя они и являются нежелательными, следы примесей всегда будут сопровождать кислород, используемый как вещество для поддержки горения для промышленного применения.
Сверхкритические давление и температура: Это условия давления и температуры, которые выше критической точки для заданного вещества. Критической является точка, в которой плотности пара и жидкости являются одинаковыми.
Давление окружающей среды: Термин «давление окружающей среды» используется в данном документе для обозначения диапазона давления, соответствующего давлению насыщения водяного пара между 80°C и 120°C. То есть, давление окружающей среды полагают находящимся в диапазоне давлений от 0,5 бара до 2,0 бар, приблизительно.
Бар: бар абсолютного давления
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В этом описании содержится пять фигур. Первые четыре представляют собой схематические представления разных конфигураций или проектных версий представленного комбинированного энергетического цикла. Наконец, пятая фигура представляет собой схематическое представление конфигурации «Блока абсорбера для теплообмена» (UAX), который выполняет основную функцию содействия энергетическому циклу в качестве «теплового насоса».
На фиг. 1 показана концептуальная проектная версия «Существенного комбинированного цикла» согласно конфигурации 1, которая имеет элементы, незаменимые для того, чтобы комбинированный цикл мог функционировать с применением теплового насоса (UAX), согласно этому изобретению. Какова бы ни была проектная конфигурация энергетического цикла, он содержит все основные элементы, представленные на этой фиг. 1, на основании чего эти компоненты называют «основными».
На фиг. 2 схематически показана проектная версия установки для реализации комбинированного цикла для генерирования механической энергии согласно конфигурации 2 настоящего изобретения, которая в дополнение к основному оборудованию цикла (показанному на фиг. 1) содержит элементы, которые обеспечивают повышенную эффективность для комбинированного цикла, с тем характерным признаком, что она работает при давлении выше атмосферного давления во всем рекуперационном канале (РКК) (103). На оконечном участке РКК (103) пар генерируется во вторичном цикле Рэнкина, который использует свою собственную теплопередающую среду, независимую от остальной части энергетического цикла. Эта конфигурация предполагает, что в РКК (103) существует оконечный участок канала, где происходит частичная конденсация водяного пара, циркулирующего в нем, для генерирования пара во вторичном цикле Рэнкина.
На фиг. 3 схематически показана проектная версия установки для реализации комбинированного цикла для генерирования механической энергии согласно конфигурации 3 настоящего изобретения, которая в дополнение к основному оборудованию цикла (показанному на фиг. 1) содержит элементы, которые обеспечивают повышенную эффективность для комбинированного цикла, с тем характерным признаком, что в этой конфигурации комбинированного цикла отсутствует конденсация в рекуперационном канале (РКК) (103), а вместо этого существует отдельный канал (105), где происходит частичная конденсация водяного пара, циркулирующего через него. Между этими двумя каналами (103) и (105), соответственно, существует вентилятор (104), который всасывает газы и выпускаемый пар из РКК (103) и поднимает давление на участке канала (105), который вмещает по меньшей мере одну часть испарителя (125) для вторичного цикла Рэнкина, который использует свою собственную теплопередающую среду независимую от остальной части энергетического цикла.
2
На фиг. 4 схематически показана проектная версия установки для реализации комбинированного цикла для генерирования механической энергии согласно конфигурации 4 настоящего изобретения с применением UAX (200), которая в дополнение к основному оборудованию цикла (показанному на фиг. 1) включает элементы, которые обеспечивают повышенную эффективность комбинированному циклу, которая благодаря своей простоте является более подходящей, когда установка предназначена для работы в замкнутом цикле или когда в качестве топлива используется только водород. То есть, когда отсутствует CO в энергетическом цикле.
Эта конфигурация комбинированного цикла имеет характерный признак, состоящий в том, что она использует часть течения водяного пара, циркулирующего через РКК (103), для отправки прямо на турбину (127) вторичного цикла Рэнкина, который использует ту же теплопередающую среду, что и остальная часть энергетического цикла. Кроме того, конденсированная вода, полученная из конденсатора (128), также используется непосредственно как питательная вода для остальной части комбинированного цикла. Это означает, что в этой версии энергетического цикла вторичный цикл Рэнкина не образует независимый цикл, а интегрирован в него, образуя единый цикл.
На фиг. 5 показано схематическое представление конфигурации «Блока абсорбера для теплообмена» (UAX), который выполняет функцию «теплового насоса», обязательного для работы комбинированного цикла этого изобретения.
На фиг. 6 схематически показана проектная версия установки для реализации комбинированного цикла для генерирования механической энергии согласно конфигурации 5 настоящего изобретения с использованием UAX (200), которая включает все оборудование цикла в любой из его конфигураций. Она обеспечивает работу или в замкнутом цикле, или в полузамкнутом цикле с использованием топлива любого типа из тех, которые могут применяться в остальных конфигурациях.
Конфигурация 5 имеет те же элементы, что и конфигурация 3, плюс перегреватель (136) и турбина (137). Конфигурация 5 отличается от конфигурации 3 тем, что один элемент (112) имеет два дополнительных выходных потока (один с паром и другой с предварительной нагретой питательной водой). Другое отличие состоит в том, что в конфигурации 5 один компрессор (115) имеет дополнительную стадию сжатия в сравнении с конфигурацией 3.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Это изобретение относится к установке по пункту 1 формулы изобретения, а также к способу генерирования энергии согласно предмету изобретения, связанному со способом. Конкретные варианты осуществления установки и способа описаны в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения.
Это изобретение относится к установке для генерирования энергии с использованием комбинированного энергетического цикла, которая содержит по меньшей мере:
- средства для реализации замкнутого или полузамкнутого регенеративного составляющего цикла Брайтона, в котором в качестве теплопередающей среды используется вода,
- средства для реализации по меньшей мере одного цикла Рэнкина, составляющего основного цикла Рэнкина, взаимосвязанного с регенеративным составляющим циклом Брайтона, и
- тепловой насос (UAX), который образует замкнутый контур, который регенерирует составляющий цикл Брайтона.
Установка для генерирования энергии также содержит основной источник (101) тепла, выбранный из:
- теплообменника и
- камеры сгорания со сжиганием в кислороде,
такой, что в указанном основном источнике (101) тепла потоки из двух циклов, составляющего Брайтона и составляющего основного Рэнкина, сходятся вместе.
2
Согласно конкретным дополнительным вариантам осуществления настоящего изобретения, когда комбинированный энергетический цикл является полузамкнутым, со сжиганием в кислороде и захватом CO, он содержит по меньшей мере одну камеру внутреннего сгорания, посредством которой он получает энергию извне.
Согласно конкретным дополнительным вариантам осуществления настоящего изобретения, когда комбинированный энергетический цикл является замкнутым, он не имеет никаких камер сгорания и содержит по меньшей мере один теплообменник, посредством которого он получает энергию извне, и не имеет камеры внутреннего сгорания.
Для любого из вышеупомянутых вариантов осуществления установка также содержит:
- элемент (107), который может представлять собой:
- регенерационный конденсатор (107), посредством которого установка передает энергию в низкотемпературный источник (201) теплового насоса UAX, который выполняет конденсирование в один простой этап, или
2
2
- ожижительная установка CO, которая получает работу с передаточного вала (130) и конденсирует газы в несколько этапов и только передает тепло, выделяемое на последовательных этапах сжатия этой ожижительной установки CO, в низкотемпературный источник (201) UAX,
- ребойлер (113), с помощью которого тепло возвращается в энергетический цикл из высокотемпературного источника (210) теплового насоса UAX,
- насос (111) конденсата регенерации, который приводит в движение конденсат, полученный в нижней части элемента (107), и заставляет его течь к ребойлеру (113),
- рекуперационный канал (РКК) (103), в котором генерируется водяной пар,
- по меньшей мере две турбины, одна из которых представляет собой турбину (122) высокого давления (ТВД), которая направляет пар в основной источник (101) тепла, а другая турбина (102) является высокотемпературной (ВТТ), которая направляет пар в рекуперационный канал РКК (103),
- по меньшей мере один общий передаточный вал (130), от которого получают полезную механическую энергию цикла,
- систему, которая выполняет функцию теплоотвода посредством конденсации пара в нижней части РКК (103) или после него,
- насос (109) обратной подачи конденсата,
- питательный насос (119) для составляющего главного цикла Рэнкина,
- парогенератор для составляющего главного цикла Рэнкина, состоящий из:
- экономайзерных змеевиков (120),
- испарителей и перегревателей для водяного пара (121), расположенных внутри РКК (103),
- один конденсационный элемент (106) теплообмена перед входом пара и газов в элемент (107), который отдает тепло в подогреватель (110) обратной подачи конденсата,
- один конденсационный элемент (114) теплообмена, предусмотренный на выходе ребойлера (113), который отдает тепло в
- обходная линия, которая соединяет составляющий цикл Брайтона с составляющим главным циклом Рэнкина, расположенная на элементе (112), выбранном из:
- подогревателя (112) для подачи воды в сам ребойлер (113),
- и рекуперационного обменника (112), который в дополнение к предварительному нагреву подаваемой воды для самого ребойлера (113) может нагревать питательную воду для насоса (119) и генерировать пар, который может направляться в компрессор (115) и/или турбинный нагреватель (137) после повышения его температуры в перегревателе (136)
между нагнетательным каналом насоса (111) для конденсата регенерации и втягивающим каналом питательного насоса (119).
В случае, когда составляющий цикл Брайтона является полузамкнутым, использует сжигание в кислороде, и в случае использования разновидностей топлива с углеродом установка содержит:
2
- выпускное отверстие для CO, производимого при сгорании, расположенного в регенерационном конденсаторе (107) в газообразном или жидком состоянии, если регенерационный конденсатор (107) представляет собой ожижительную установку, и
- выпускное отверстие для жидкой воды, производимой посредством сгорания, в линии обратной подачи конденсата.
В случае, когда в установке для генерирования энергии цикл Брайтона является замкнутым, или в случае, когда в качестве топлива в нем используется только водород, теплоотвод может состоять из вторичного цикла Рэнкина, в котором используется та же текучая среда, что и в остальной части энергетического цикла, и который взаимосвязан с установкой посредством РКК (103) и насоса (109) обратной подачи конденсата.
В любом из предыдущих вариантов осуществления установка для генерирования энергии может содержать, кроме основного источника (101) тепла, другой вспомогательный источник (132) тепла, который предоставляет дополнительное тепло в энергетический цикл извне (это может быть обменник или камера сгорания под давлением), расположенный между оконечным перегревателем (121) и турбиной ТВД (122).
В любом из предыдущих вариантов осуществления установка для генерирования энергии может дополнительно содержать один компрессор (115) или несколько паровых компрессоров (117), соединенных последовательно, которые расположены на выпускном отверстии для пара элемента (114) обменника и перед впускным отверстием для пара основного источника (101) тепла.
В любом из предыдущих вариантов осуществления установка для генерирования энергии может дополнительно содержать охлаждающий обменник (116/118) для пара между последовательно соединенными компрессорами (115) и (117).
В любом из предыдущих вариантов осуществления установка для генерирования энергии может дополнительно содержать в линии для конденсата, выходящей из нижней части элемента (114) конденсационного обменника, линию обратной подачи в ребойлер (113).
В любом из предыдущих вариантов осуществления установка для генерирования энергии может дополнительно содержать дополнительный обменник, предоставленный на впускном отверстии для пара рекуперационного канала (103), чтобы генерировать тепло, которое можно использовать за пределами установки, применимое, среди прочего, для приложений когенерации, с использованием змеевика (133) теплообменника.
В любом из предыдущих вариантов осуществления установка для генерирования энергии может дополнительно содержать элемент (133) теплообменника для когенерации, предоставленный внутри рекуперационного канала (103), из которого он извлекает полезную тепловую энергию, которая может быть предназначена для внешнего использования в промышленном применении любого типа.
В любом из предыдущих вариантов осуществления установка для генерирования энергии может дополнительно содержать:
- вентилятор (104), который берет выходные пары из рекуперационного канала РКК (103) и сжимает их для отправки в элемент (105) конденсационного обменника, в котором находится по меньшей мере один составной участок испарителя (125) независимого вторичного цикла Рэнкина.
В варианте осуществления, упомянутом в предыдущем параграфе, установка для генерирования энергии может дополнительно содержать:
- теплообменник (108/124), в котором на корпусной стороне (108) охлаждается конденсат из канала (105) и внутри которого размещается экономайзер (124) независимого вторичного цикла Рэнкина.
В любом из предыдущих вариантов осуществления тепловой насос UAX (200) установки содержит:
- главный генератор (201) газообразного аммиака, действующий как низкотемпературный источник, который производит обмен теплом только с элементом (107),
- вторичный генератор (202), который получает аммиачный раствор из абсорбера (210) и отправляет пар аммиака в некоторые компрессоры (203), при этом остающийся аммиачный раствор отправляется в главный генератор (201),
- по меньшей мере два аммиачных компрессора (203), соединенных последовательно, с промежуточным охлаждением, которые получают аммиак из главного (201) и вторичного генераторов (202),
- конденсатор (207) сжатого аммиака, который получает аммиак, сжатый и охлажденный в испарителе (209) сверхкритического аммиака, и передает тепло во вторичный генератор (202),
- испаритель (209) сверхкритического аммиака,
- насос (208) для аммиачного конденсата из конденсатора (207) сжатого аммиака, который нагнетает его в испаритель (209) аммиака, где пар аммиака производится при сверхкритическом давлении,
- аммиачный абсорбер (210), который получает пар из испарителя (209) для сверхкритического аммиака и растворяет его в водной фазе, и
- перекачивающий насос (215), который перекачивает разбавленный аммиачный раствор из главного генератора (201) в абсорбер (210).
Тепловой насос UAX (200) может дополнительно содержать:
- теплообменник (213/214) между разбавленным аммиачным раствором из главного генератора (201) и концентрированным аммиачным раствором из абсорбера (210),
- змеевик (211), размещенный внутри испарителя (209) аммиака, который использует тепло, содержащееся в концентрированном аммиачном растворе из абсорбера (210), для получения сверхкритического аммиака,
- охлаждающий змеевик (206) для сжатого аммиака из компрессоров (203), который предоставляет тепло в испаритель (209) сверхкритического аммиака.
Это изобретение также относится к способу генерирования энергии на основе комбинированного цикла, реализованного с использованием установки, определенной ранее.
Определяемый способ включает:
- реализацию составляющего цикла Брайтона, замкнутого или на основе сжигания в кислороде, регенерируемого посредством теплового насоса (UAX), в котором в качестве теплопередающей среды используется вода и который производит механическую энергию в высокотемпературной турбине ВТТ (102),
- реализацию составляющего цикла Рэнкина, взаимосвязанного с вышеуказанным циклом Брайтона, который производит с ним обмен веществом и энергией, и в которых обоих вода используется как общая теплопередающая среда, и производит механическую энергию на турбине ТВД (122),
- использование теплового насоса UAX (200), который производит обмен энергией с составляющим циклом Брайтона, чтобы регенерировать его и потреблять механическую энергию в определенных компрессорах (203).
2
В способе настоящего изобретения весь водяной пар цикла может быть полностью сконденсирован в элементе (107), где CO высвобождается в газовой фазе в случае, когда в цикле используются разновидности топлива, отличающиеся от водорода.
2
Согласно конкретным вариантам осуществления способа водяной пар, который циркулирует через элемент (107), полностью конденсируется благодаря теплу, которое предается в низкотемпературный источник UAX (200), оставляя как остаток только жидкий или газообразный CO, как надлежит, в случае, если в цикле используются разновидности топлива, отличающиеся от водорода.
В способе согласно настоящему изобретению регенерация составляющего цикла Брайтона может быть осуществлена посредством действия теплового насоса UAX (200), рециркулирующего тепло конденсации пара при температуре низкотемпературного источника, чтобы затем возвращать его в цикл через высокотемпературный источник, чтобы регенерировать водяной пар при более высоких давлении и температуре, чем те, при которых он был ранее сконденсирован.
Согласно конкретным вариантам осуществления способ включает:
- конденсирование водяного пара при давлении окружающей среды в элементе (107), отдающем полученное тепло в низкотемпературный источник (201) теплового насоса UAX (200)
- регенерирование водяного пара в ребойлере (113) при более высоком давлении, чем то, при котором он был сконденсирован в элементе (107), с использованием тепла, предоставляемого высокотемпературным источником (210) теплового насоса UAX (200).
Согласно конкретным дополнительным вариантам осуществления способ включает применение вспомогательного источника (132) тепла, который предоставляет дополнительное тепло в энергетический цикл извне, расположенного между перегревателем (121) и турбиной ТВД (122).
Согласно конкретным дополнительным вариантам осуществления способ включает применение единственного теплоотвода, через который цикл высвобождает неиспользованное тепло наружу. Функцию этого теплоотвода может выполнять независимый вторичный цикл Рэнкина.
Согласно конкретным дополнительным вариантам осуществления способ включает применение рекуперационного канала РКК (103), который использует остающееся тепло из выхода турбины ВТТ (102), чтобы генерировать перегретый пар составляющего главного цикла Рэнкина.
x
y
z
Согласно конкретным дополнительным вариантам осуществления способ включает реализацию комбинированного цикла со сжиганием в кислороде и применение жидких или газообразных разновидностей топлива с общей формулой CHO в чистой или смешанной форме, где x, y и z принимают значения, соответствующие реальным химическим соединениям, которые могут сгорать в присутствии кислорода. Предпочтительными разновидностями топлива являются углеводороды, которые являются газообразными или имеют низкую точку кипения, такие как, например, метан, этан, пропан или их смеси, такие как очищенный природный газ. Применимыми разновидностями топлива также являются простые спирты, такие как метанол или этанол. CO (угарный газ) является единственным веществом, не содержащим водорода, которое является применимым в качестве топлива в камерах сгорания комбинированного энергетического цикла.
Согласно конкретным дополнительным вариантам осуществления способ включает конденсирование части водяного пара из рекуперационного канала (103) с использованием теплоотвода и конденсационного обменника (106/110) до того, как элемент (107) окончательно конденсирует весь водяной пар, который находится под давлением окружающей среды.
Другую часть тепла конденсации элемента (114) теплообменника можно использовать для предварительного нагрева топлива и вещества для поддержки горения по отдельности с использованием змеевика (131) теплообменника. Это применение предварительно нагрева топлива и вещества для поддержки горения комбинированного цикла с использованием тепла, полученного в змеевике (131), не исключает никакого другого типа дополнительного использования, для которого может быть применено это тепло, даже если эти применения находятся за пределами энергетического цикла. Когда цикл содержит элемент (131) теплообменника для предварительного нагрева топлива и вещества для поддержки горения комбинированного цикла, он может, без всякого различия, быть расположен внутри элемента (114) или в конце канала (103) или (105), перед входом паров и газов в элемент (106).
Согласно конкретным дополнительным вариантам осуществления способ включает повышение давления пара, предоставляемого элементом (112), и давления пара ребойлера (113) и выходящего из элемента (114) конденсационного обменника, с использованием дополнительных механических компрессоров (115) и (117), соединенных последовательно и выполненных с возможностью обеспечения давления, достаточного для отправки этого пара в основной источник (101) тепла.
Одна часть конденсата, генерируемого в элементе (114), применяется для охлаждения между этапами сжатия пара, циркулирующего через охлаждающий змеевик (118), тогда как остальная часть конденсата возвращается прямо в ребойлер (113).
Согласно конкретным дополнительным вариантам осуществления способ включает обход, который соединяет составляющий цикл Брайтона с составляющим главным циклом Рэнкина, с помощью которого производят обмен воды, этот обход расположен между нагнетательной линией насоса (111) для конденсата регенерации и втягивающим каналом питательного насоса (119).
Согласно конкретным дополнительным вариантам осуществления способ также включает применение тепла частичной конденсации пара, поступающего из ребойлера (113), для других приложений, в частности подходящих для его применения в независимом приложении, внешнем относительно установки, в которой применяется змеевик (131).
Согласно конкретным дополнительным вариантам осуществления способ включает повышение давления пара, предоставляемого ребойлером (113), с использованием дополнительных механических компрессоров (115) и (117), соединенных каскадом, с охлаждением между ними и выполненных с возможностью обеспечения давления, достаточного для отправки этого пара в основной источник (101) тепла.
Согласно конкретным дополнительным вариантам осуществления он включает:
- в случае, когда комбинированный энергетический цикл реализован как замкнутый или сжигает только водород, пар отправляют прямо из рекуперационного канала РКК (103) в турбину ТНД (127) вторичного цикла Рэнкина, которая работает в условиях вакуума, обеспечиваемых конденсатором (128), откуда конденсат возвращают как питательную воду в составляющий главный цикл Рэнкина. При этом способе во вторичном цикле Рэнкина используют ту же теплопередающую среду, что и в остальной части энергетического цикла.
Согласно способу настоящего изобретения отходящие газы из рекуперационного канала РКК (103) могут быть сжаты с использованием вентилятора (104), который отправляет их в элемент (105) конденсационного обменника, в котором генерируют пар в испарителе (125) независимого вторичного цикла Рэнкина.
Согласно способу настоящего изобретения:
3
- тепловой насос UAX (200) представляет собой холодильную машину, которая функционирует посредством сочетания операций сжатия и абсорбции, с использованием NH как теплопередающей среды и воды как растворителя,
- главный генератор (201) теплового насоса UAX (200) действует как низкотемпературный источник, поглощая тепло только из элемента (107),
- единственный низкотемпературный источник теплового насоса UAX (200) работает при температурах между 80°C и 120°C,
- аммиачный абсорбер (210) теплового насоса UAX (200) действует как высокотемпературный источник, перенося тепло только в ребойлер (113),
3
- в тепловом насосе UAX (200) происходит сжатие пара NH, на последовательных этапах с промежуточным охлаждением,
- конденсатор (207) пара сжатого аммиака теплового насоса UAX (200) отдает все тепло, высвобождаемое вторичным генератором (202), и
3
- испаритель (209) аммиака теплового насоса UAX (200) генерирует NH в сверхкритическом состоянии с использованием тепла,
- поставляемого ему охлаждающими змеевиками между этапами сжатия (204 и 206), и
- части скрытой теплоты, содержащейся в концентрированном растворе, который горячим поступает из абсорбера (210).
Основной частью настоящего изобретения является тепловой насос гибридного компрессионно-абсорбционного типа, «UAX» (Блок абсорбера для теплообмена), который может эффективно и экономично удовлетворять этим требованиям для осуществления регенерации составляющего цикла Брайтона комбинированного цикла этого изобретения.
Блок UAX (200) абсорбера для теплообмена представляет собой термодинамическую систему со смешанной функциональностью, компрессией и абсорбцией воды и аммиака, которая работает циклически и непрерывно, которая применяется как тепловой насос для передачи тепловой энергии с главного генератора (201), который десорбирует аммиак и действует как низкотемпературный источник, в аммиачный абсорбер (210), который работает при более высокой температуре и действует как высокотемпературный источник, используя определенное количество механической энергии, предоставляемой извне компрессорной установкой (203).
Абсорбционный тепловой насос UAX не производит обмен веществом с комбинированным энергетическим циклом, но все же получает от него такую механическую работу сжатия, как тепло, поглощаемое его низкотемпературным источником, чтобы затем возвращать всю эту энергию в цикл посредством своего высокотемпературного источника.
Комбинированный цикл передает механическую энергию с передаточного вала (130) в систему компрессоров UAX и тепловую энергию из элемента (107) в низкотемпературный источник UAX, тогда как последний возвращает в комбинированный цикл всю свою энергию путем передачи тепла из высокотемпературного источника в ребойлер (113), который регенерирует водяной пар при более высокой температуре, чем та, при которой он был ранее сконденсирован.
С функциональной точки зрения тепловой насос UAX (200) реализует термодинамический цикл, который работает в «термодинамическом симбиозе» с комбинированным энергетическим циклом, с которым он энергетически соединен, таким образом, что функционирование установки согласно настоящему изобретению определяется установлением этой функциональной связи между энергетическим циклом и UAX. Это представляет собой главное отличие относительно комбинированных циклов известного уровня техники.
ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ КОМБИНИРОВАННОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ЦИКЛА
Для того, чтобы установка функционировала согласно комбинированному циклу настоящего изобретения как таковая, обязательно требуется ряд основных элементов оборудования, без учета его эффективности и игнорируя любые другие типы факторов, являющихся решающими для экономической жизнеспособности установки этого типа.
«Основными» компонентами, обязательными для функционирования установки согласно комбинированному циклу этого изобретения, являются следующие:
101: Основной источник тепла. Это обязательный источник, посредством которого тепло поступает в составляющий цикл Брайтона. Комбинированный энергетический цикл получает энергию извне и обязательно посредством основного источника тепла.
К основному источнику (101) тепла подходят три потока (в дополнение к топливу и веществу для поддержки горения в случаях полузамкнутых циклов). С одной стороны, пар из турбины ТВД (122) составляющего главного цикла Рэнкина, и, во-вторых, сжатый пар из составляющего цикла Брайтона. Третий входящий поток, часть конденсата, продвигаемого насосом (129), может циркулировать через элемент (118) теплообменника перед тем, как достичь источника (101) тепла, в случае, когда энергетический цикл имеет систему охлаждения пара между этапами сжатия.
Поэтому основной источник (101) тепла является одной из точек, в которых сходятся потоки, принадлежащие составляющему циклу Брайтона и составляющему главному циклу Рэнкина, что означает, что неявно это точка обмена веществом между двумя составляющими циклами.
Когда комбинированный цикл работает как замкнутый цикл, основной источник (101) тепла всегда является высокотемпературным теплообменником, который получает тепловую энергию извне. В таком случае единственным веществом, которое достигает основного источника (101) тепла, является вода, которая после увеличения здесь своей энтальпии уходит в форме перегретого пара, который отправляют на высокотемпературную турбину ВТТ (102).
Когда основной источник (101) тепла представляет собой находящуюся под давлением камеру внутреннего сгорания со сжиганием в кислороде, комбинированный цикл является полузамкнутым. В таком случае водяной пар, отправляемый на высокотемпературную турбину (102), циркулирует в сопровождении самих газов сгорания (в основном состоящих из диоксида углерода и еще водяного пара).
102: Высокотемпературная турбина. ВТТ. Это газовая турбина, основная для составляющего цикла Брайтона, функцией которой является генерирование механической работы с помощью горячей газовой фазы, отправляемой ей основным источником (101) тепла. Для краткости она называется ВТТ (акроним для высокотемпературной турбины), поскольку это турбина, которая работает при наивысшей температуре во всей установке.
Газовая фаза, приводящая в движение турбину ВТТ (102), состоит из пара в сопровождении газов сгорания в случае, когда основной источник (101) тепла представляет собой камеру сгорания. Эта газовая фаза после расширения выходит из турбины ВТТ (102) при высокой температуре и отправляется в рекуперационный канал РКК (103) для использования содержащейся в ней энтальпии.
103: Рекуперационный канал. РКК. Это газовая сторона теплообменника, которая рекуперирует тепло из выходящих газов из турбины (102). Это тепло, содержащееся в газах турбины, применяется в РКК (103) для генерирования основного пара высокого давления для составляющего цикла Рэнкина с использованием комплекта труб испарителей и перегревателей (120). Часть тепла, содержащегося в выходящих газах из турбины ВТТ (102), может быть использована для внешних приложений за пределами самого цикла, в так называемой «когенерации». Необязательно с этой целью, и в зависимости от проектных рабочих параметров комбинированного цикла, во внутренней части РКК (103) может находиться некоторый независимый элемент (133) теплообменника.
Кроме того, когда имеются промежуточный перегреватель (134) промежуточного давления, перегреватель (136), перегреватель (126) и испаритель (125) низкого давления, они всегда будут находиться внутри этого РКК (103). Необязательно змеевик (131) теплообменника может быть установлен внутри РКК (103), расположенным в конце этого канала, перед выпускным отверстием для газов.
Наконец, газы всегда покидают РКК (103) при температуре насыщения водяного пара, соответствующей «давлению окружающей среды».
В конфигурации 2 (фиг. 2) и в основной конфигурации (фиг. 1) представленного комбинированного цикла проект предусматривает, что происходит частичная конденсация водяного пара, циркулирующего в оконечном участке рекуперационного канала РКК (103).
Конфигурация 3, или проектная версия комбинированного цикла согласно фиг. 3, и конфигурация 5 согласно фиг. 6 характеризуются тем, что конденсация не происходит в рекуперационном канале РКК (103), а предоставлен специальный канал (105), в котором происходит конденсация.
Со своей стороны, конфигурация 4, или проектная версия комбинированного цикла согласно фиг. 4, характеризуется тем, что здесь существует соединение для извлечения пара в РКК (103), прямо перед тем, как происходит конденсация, посредством которого пар отправляют непосредственно в турбину ТНД (127).
128: Теплоотвод. В этом описании теплоотводом (128) считается любое оборудование, устройство или система, через которые энергетический цикл передает неиспользованное тепло во внешнюю среду. В этом изобретении это всегда конденсатор пара, единственный элемент, через который неиспользованная тепловая энергия переносится наружу. Тем не менее, эта функция является обязательной для функционирования составляющего главного цикла Рэнкина для установки настоящего изобретения в целом. Любой элемент теплообмена, который конденсирует водяной пар, содержащийся в отходящих газах из РКК (103), может выполнять функцию теплоотвода (128); тем не менее, и по причинам энергоэффективности, наиболее экономичное решение состоит в предоставлении некоторой системы, которая регенерирует это тепло (которая имеет возможность производить конденсацию водяного пара при давлении окружающей среды на наружной стороне теплообменника), такой как, к примеру, испаритель, принадлежащий к другому дополнительному циклу Рэнкина, или змеевик, который извлекает тепло, предназначенное для представляющего интерес приложения любого типа (возможно, например, система рекуперации, соединенная с абсорбционной машиной для производства промышленного холода). Когда комбинированный цикл имеет вторичный цикл Рэнкина, его конденсатор (128) всегда является оборудованием, посредством которого тепло передается наружу.
109: Насос обратной подачи конденсата в составляющий главный цикл Рэнкина. Это насос, который перемещает конденсат, производимый теплоотводом (128), и заставляет его циркулировать через подогреватель (110) обратной подачи конденсата пред распределением воды, которая питает разные части цикла.
110: Подогревательный элемент для питательной воды. Он содержит теплообменник вместе с элементом (106), в котором он расположен. Это трубчатый змеевик или элемент теплообмена любой другой конфигурации, чья задача заключается в том, чтобы поднимать температуру конденсата, который возвращается в цикл посредством продвижения насосом (109), с использованием тепла от конденсации пара, происходящей на корпусной стороне обменника (106).
106: Корпусная сторона конденсационного обменника подогревателя питательной воды. Она содержит теплообменник вместе с подогревательным элементом (110) обратной подачи конденсата. Это элемент обменника, через который остающийся пар, полученный из нижней части РКК (103), циркулирует в сопровождении неконденсирующихся газов в случае цикла со сжиганием в кислороде. В элементе (106) происходит частичная конденсация водяного пара. С помощью тепла, высвобождаемого в этой конденсации, поднимают температуру конденсата возврата, с использованием подогревателя (110) обратной подачи конденсата.
Из конденсационного элемента (106) теплообмена, направляясь в элемент (107), выходит поток водяного пара в сопровождении всех неконденсирующихся газов, когда таковые имеются, производимых при сгорании (когда цикл является замкнутым, камер сгорания нет, и когда топливом является водород с чистым кислородом, при сжигании не производятся никакие неконденсирующиеся газы).
В нижней части элемента (106) теплообменника от конденсации получают жидкую воду, которая затем продвигается насосом (111) для конденсата регенерации вместе с потоком конденсата из элемента (107).
107: Регенерационный конденсатор или ожижительная установка. Элемент (107) передает все тепло от конденсации пара в главный генератор (201), который действует как «низкотемпературный источник» теплового насоса UAX (200).
Регенерационный конденсатор (107) получает пар и неконденсирующиеся газы из элемента (106). В свою очередь, из (107) неконденсирующиеся газы получают на одной стороне, а конденсированный водяной пар на другой стороне. Регенерационный конденсатор (107) работает при «давлении окружающей среды», что соответствует работе при самой низкой температуре составляющего цикла Брайтона. Простейший вариант, хотя это и не обязательно, состоит в том, чтобы сделать так, чтобы регенерационный конденсатор (107), точно так же как элемент (106) теплообменника и выпускное отверстие из РКК (103), работали при давлениях, близких к атмосферному, и в таком случае температуры конденсации в этих трех компонентах будут близкими к 100°C.
2
Хотя это влечет за собой ухудшение общей производительности, возможный вариант, более сложный, но и более релевантный с точки зрения промышленного интереса в конфигурациях с полузамкнутым циклом, состоит в том, чтобы сделать так, чтобы элемент (107) был ожижительной установкой CO, в которой все тепло, высвобождаемое в последовательных циклах сжатия, передается на генератор (201) UAX (200). Цель этой конфигурации состоит в том, чтобы извлекать CO2 от сжигания в кислороде CO2 из энергетического цикла для хранения, транспортировки и обработки сжиженным, а не забирать его в газообразном состоянии.
2
2
Условие, необходимое для того, чтобы элемент (107) был ожижительной установкой CO, заключается в том, что тепло, генерируемое на разных этапах сжатия, должно характеризоваться температурой, достаточной для передачи из охлаждающих обменников между этапами сжатия CO, в главный генератор (201) UAX.
В этом случае следует полагать, что механическая работа компрессоров обеспечивается самим передаточным валом (130) установки (для простоты это представление было опущено на всех прилагающихся фигурах).
Это тепло, которое энергетический цикл отдает в UAX (200), возвращается позже при более высокой температуре посредством ребойлера (113), который работает с теплом, предоставляемым ему аммиачным абсорбером (210), который действует как «высокотемпературный источник» UAX (200).
2
Независимо от того, работает ли комбинированный цикл в замкнутом или полузамкнутом цикле, в элементе (107) всегда происходит полная конденсация водяного пара, поступающего сюда из элемента (106). Как следствие этой операции, водяной пар превращается в жидкость, тогда как CO, генерируемый в сжигании, остается ограниченным в концентрированной газовой или жидкой фазе.
2
2
Среди прочего это означает, что CO, который выходит из цикла, делает это при гораздо более низких температурах относительно других традиционных комбинированных циклов. Эта температура выхода CO может быть уменьшена еще больше, если, например, предусмотреть некоторый другой дополнительный теплообменник для обратного потока конденсата комбинированного цикла.
2
Это разделение фаз, которое происходит в элементе (107), означает, что весь CO, генерируемый в камерах сгорания, и любые другие неконденсирующиеся газообразные отходы, которые могут сопровождать его, могут быть выведены из цикла, без необходимости их вхождения в контакт с атмосферой.
Это обеспечивает энергетическому циклу этого изобретения важное экологическое преимущество над традиционными открытыми комбинированными циклами, поскольку он не влечет за собой прямых выбросов в атмосферу никаких загрязняющих окружающую среду газов.
2
Для процессов со сжиганием в кислороде обычным является сжиганием с приблизительно 2 или 3% избыточного кислорода выше стехиометрического значения, чтобы гарантировать полное сжигание. Этот объем кислорода, который не вступил в реакцию, циркулирует из камер сгорания, проходя через РКК (103) и элемент (106) теплообменника, будучи растворенным в теплопередающей среде, пока наконец не достигает элемента (107), где он устраняется из цикла как неконденсирующийся газ вместе с CO. Когда это происходит, избыточный кислород, используемый для сжигания, может быть восстановлен в установке обработки угольного ангидрида для повторного использования в качестве вещества для поддержки горения для цикла.
2
Наконец, в нижней части элемента (107) получают дегазированную воду, которая возвращается в различные части комбинированного цикла, продвигаемая насосом (111) для конденсата регенерации. Поэтому единственным участком энергетического цикла, который может содержать CO, является участок от камер сгорания (101) и (122) до элемента (107).
113: Регенерационный ребойлер составляющего цикла Брайтона. Это регенераторный элемент составляющего цикла Брайтона, посредством которого «тепловой насос» UAX возвращает в комбинированный цикл в форме тепла то количество энергии, которое ранее было рекуперировано из самого цикла с использованием элемента (107), а также то количество энергии, которое компрессоры (203) UAX забирают с передаточного вала (130).
Ребойлер (113) представляет собой элемент теплообмена, посредством которого тепло возвращается в энергетический цикл из аммиачного абсорбера (210), который действует как «высокотемпературный источник» UAX (200). С помощью этого тепла, подаваемого UAX (200) посредством абсорбера (210), ребойлер (113) регенерирует водяной пар при температуре и давлении выше тех, при которых он был ранее сконденсирован в элементе (107).
Поэтому регенерация составляющего цикла Брайтона с использованием теплового насоса UAX (200) происходит путем рециркуляции тепла конденсации пара при температуре «низкотемпературного источника», чтобы затем возвращать его в цикл с использованием «высокотемпературного источника», чтобы регенерировать водяной пар при температуре и давлении выше тех, при которых он был ранее сконденсирован.
111: Насос для конденсата регенерации составляющего цикла Брайтона. Насос (111) втягивает конденсат, генерируемый в конденсационном элементе (106) теплообмена, вместе с дегазированной водой, получаемой в нижней части элемента (107), и нагнетает его в элемент (112) при температуре, достаточной, чтобы он в конечном итоге напитал ребойлер (113).
В нагнетательной линии этого насоса (111) для конденсата регенерации предусмотрен обход с втягивающей линией питательного насоса (119), посредством которого происходит обмен водой между составляющими циклами Брайтона и Рэнкина для установления баланса вещества и энергии, который обязательно требуется для обеспечения возможности организации комбинированного цикла согласно этому изобретению и который зависит от проектных переменных установки и условий работы цикла.
112: Элемент (112), выбранный из:
- подогревателя (112) для подачи воды в сам ребойлер (113),
- и рекуперационного обменника (112), который в дополнение к предварительному нагреву подаваемой воды для самого ребойлера (113) может нагревать питательную воду для насоса (119) и генерировать пар, который может направляться в компрессор (115) и/или турбинный нагреватель (137) после повышения его температуры в перегревателе (136).
Элемент (112) представляет собой трубчатый змеевик или элемент теплообмена любой другой конфигурации, находящийся внутри конденсационного элемента (114) теплообмена, от которого получает тепло, поднимающее температуру воды, которая питает регенерационный ребойлер (113).
То, что поступает в элемент (112), представляет собой конденсированную воду из насосов (109) и (111). То, что покидает элемент (112) теплообменника, представляет собой
- поток нагретой жидкой воды, который отправляют в ребойлер (113), и, если он выполняет только эту функцию, его называют подогревателем (112).
Дополнительно из элемента (112) могут выходить еще два потока:
- Поток нагретой жидкой воды, который отправляют в питательный насос (119).
- Поток пара (при давлении выше атмосферного), который отправляют в первый дополнительный этап парового компрессора (115) или/и перегреватель (136), чтобы он затем частично расширялся внутри дополнительной турбины (137) перед вхождением в турбину ТНД (127).
114: Корпусная сторона конденсационного обменника элемента (112). Это конденсационный элемент теплообмена, внутри которого находится элемент (112). Пар из регенерационного ребойлера (113) циркулирует через этот элемент (114), где водяной пар частично конденсируется, в результате чего энтальпия восстанавливается в элементе (112), который в дополнение к предварительному нагреву воды, питающей сам ребойлер (113), может нагревать питательную воду для насоса (119) и/или генерировать пар. В результате происходящей частичной конденсации из нижней части элемента (114) получают поток жидкой воды. Эта конденсированная вода продвигается с использованием насоса (129) для конденсата и часть ее отправляется в основной источник (101) тепла, предварительно проходя через элемент (118) теплообменника, который охлаждает пар между этапами механического сжатия (115) и (117). Другая часть конденсата, продвигаемая насосом (129) для конденсата, рециркулируется непосредственно в ребойлер (113). В случае, если комбинированный цикл не имеет вспомогательных паровых компрессоров (115) и (117), часть конденсата, продвигаемая насосом (129), может быть отправлена непосредственно в основной источник (101) тепла.
Необязательно, и с целью улучшения производительности цикла, также можно предусмотреть дополнительный змеевик (131) внутри элемента (114), который, среди прочих приложений, может применяться для предварительного нагрева топлива и вещества для поддержки горения от их условий подачи. Этот змеевик (131) может также, без различия, быть расположен непосредственно перед входом пара и газов в элемент (106). Этот змеевик (131) может также быть использован для извлечения из элемента (114) тепла, предназначенного для других типов внешних приложений за пределами самой установки.
129: Нижний насос для конденсата конденсационного обменника (114). Это насос, который перемещает конденсат, получаемый из нижней части элемента (114), под давлением, достаточным для его отправки в основной источник (101) тепла. Когда комбинированный цикл имеет компрессоры (115) и (117), этот поток воды, продвигаемый насосом (129) для конденсата, циркулирует через змеевик (118), чтобы охлаждать пар между двумя этапами сжатия. После насоса (129) для конденсата этот поток разделяется на два. Одна часть отправляется в основной источник (101) тепла, предварительно проходя через элемент (118) теплообменника, в случае, когда комбинированный цикл имеет компрессор (115), тогда как остальная часть конденсата, продвигаемая насосом (129), возвращается непосредственно в ребойлер (113).
119. Питательный насос для составляющего главного цикла Рэнкина. Это насос, который продвигает воду через парогенераторные элементы главного цикла Рэнкина. Этот насос обеспечивает наивысшую величину давления, достигаемую во всей установке.
Питательный насос (119) питается в основном посредством обратного потока конденсата, продвигаемого насосом (109). В дополнение комбинированный цикл имеет обход между нагнетательным каналом насоса (111) и втягивающим каналом насоса (119), через который можно производить обмен теплопередающей средой (водой) между составляющим циклом Брайтона и составляющим главным циклом Рэнкина. Существует возможность также снабжать питательный насос (119) потоком воды, нагретым в элементе (112). Направление течения в этом обходе определяется переменными проекта и работы цикла.
120: Экономайзеры или экономайзерные комплекты труб составляющего главного цикла Рэнкина. Это элементы теплообмена, расположенные внутри РКК (103), которые служат для предварительного нагрева питательной воды из питательного насоса (119) до температуры, близкой к температуре ее точки кипения, под давлением, при котором в составляющем главном цикле Рэнкина генерируется пар.
121: Комплекты труб испарителя и перегревателя составляющего главного цикла Рэнкина. Испарители и перегреватели представляют собой элементы теплообмена, расположенные внутри РКК (103), которые генерируют находящийся под давлением пар составляющего главного цикла Рэнкина. Вода, предварительно нагретая в экономайзерах (120), поступает в трубы испарителя и в итоге выходит перегретый пар, который направляется в турбину ТВД (122) или во вспомогательный источник тепла (132) в случае, если энергетический цикл включает этот элемент.
122: Турбина высокого давления (ТВД) составляющего главного цикла Рэнкина. Целью этой паровой турбины является генерирование работы согласно составляющему главному циклу Рэнкина. Турбина ТВД (122) получает перегретый пар из комплектов труб последнего перегревателя (121) или вспомогательного источника (132) тепла, если он доступен. Она характеризуется тем, что является турбиной, которая работает при наивысшем давлении во всей установке, так что она для краткости называется ТВД (акроним для «турбины высокого давления»). Эта турбина работает при обратном давлении, выполняя частичное расширение газообразной текучей среды таким образом, что выходной пар имеет давление, достаточное для того, чтобы достигать основного источника (101) тепла, в который отправляют уходящий пар.
Когда, хотя это и не важно, энергетический цикл имеет турбину ТСД (135), она получает пар с выпуска или из вытяжки турбины ТВД (122).
130: Передаточный вал установки. Это элемент или массив элементов, к которым присоединены все машины установки, требующие или генерирующие механическую работу (турбины, насосы и компрессоры). Этот передаточный вал представляет точку, из которой получают полезную механическую энергию установки (к которой присоединены турбины, компрессоры и насосы установки).
За исключением насосов и вентилятора (104), на прилагающихся фигурах представлен общий передаточный вал (130), чтобы облегчить восприятие того, как получают суммарный механический комбинированный цикл, хотя также возможно осуществление любого энергетического цикла согласно этому изобретению с применением отдельных передаточных валов, соединенных с отдельными генераторами или моторами.
ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ТЕПЛОВОГО НАСОСА (UAX)
UAX, как было указано, является основным компонентом установки настоящего изобретения, который работает с аммиаком и водой.
Компоненты, из которых состоит тепловой насос UAX, показаны на фиг. 5 графических материалов. Оборудование, составляющее UAX, является следующим:
201: Главный генератор. Это десорбер аммиака, который действует как «низкотемпературный источник» UAX и отвечает за получение тепла, высвобождаемого элементом (107), принадлежащим комбинированному энергетическому циклу. Основной генератор питается раствором промежуточной концентрации аммиачной воды из вторичного генератора (202), и на одной стороне выходит влажный газообразный аммиак для сжатия, а на другой стороне выходит разбавленный раствор, всасываемый перекачивающим насосом (215).
202: Вторичный генератор. Это частичный десорбер аммиака, который работает с использованием тепла, подаваемого ему посредством конденсатора (207) пара сжатого аммиака. Весь концентрированный раствор, производимый в аммиачном абсорбере (210), после предварительного охлаждения входит во вторичный генератор. Из вторичного генератора на одной стороне выходит влажный газообразный аммиак, подлежащий сжатию вместе с аммиаком, полученным из главного генератора (201), а на другой стороне - частично дегазированная вода, получаемая из нижней части, подлежащая отправке для питания главного генератора (201). Вторичный генератор (202) работает при давлении немного более высоком, чем главный генератор (201), чтобы заставлять раствор протекать от одного из них к другому.
3
203: Аммиачные компрессоры. Этот термин применяется к массиву последовательно соединенных компрессоров, функция которых заключается в увеличении давления влажного газообразного аммиака из двух генераторов (201) и (202). Сжатие газообразного аммиака выполняется на последовательных этапах сжатия, соединенных последовательно с промежуточным охлаждением газа, с целью максимизации общего КПД процесса. Чтобы достичь этого, компрессорный массив получает механическую работу с передаточного вала (130) установки комбинированного цикла. Массив компрессоров (203) поднимает давление газообразного аммиака так, чтобы, по меньшей мере, температура насыщения NH превышала температуру, при которой вторичный генератор (202) выполняет десорбцию, так что является возможной передача тепла на это последнее оборудование.
Этот этап сжатия газообразного хладагента не происходит в традиционных абсорбционных машинах, так что он является отличительным признаком UAX. Из-за использования абсорбционно-десорбционного цикла в дополнение к компрессорам полагают, что UAX (200) является гибридной абсорбционно-компрессионной системой, которая в целом действует как тепловой насос.
Пар сжатого аммиака, который выходит из последнего этапа, заставляют циркулировать через оконечный охлаждающий элемент (205) для сжатого аммиака и непосредственно следующий за ним другой охлаждающий змеевик (206), что означает, что тепло, содержащееся в этом сжатом паре, повторно используется в других элементах UAX.
204: Охлаждающие элементы для газообразного аммиака между последовательными этапами сжатия. Они состоят из всех элементов теплообмена, отвечающих за охлаждение газообразного аммиака между каждой парой этапов, составляющих компрессор (203). Все эти элементы теплообмена расположены внутри испарителя (209) сверхкритического аммиака, которому они отдают все выпускаемое тепло, и по этой причине температура работы каждого из этих охлаждающих элементов (204) должна превышать рабочую температуру испарителя (209) сверхкритического аммиака.
205: Оконечный охлаждающий элемент для сжатого аммиака. Вместе с оконечным нагревательным элементом (216) для разбавленного раствора образует теплообменник. Через оконечный охлаждающий элемент (205) для сжатого аммиака циркулирует пар, который выходит из оконечного этапа компрессоров (203), отдавая тепло в оконечный нагревательный элемент (216) с целью, чтобы разбавленный раствор достигал аммиачного абсорбера (210) с температурой не меньшей, чем та, при которой происходит абсорбция газа в этом элементе (210). В свете этого факта именно этот элемент (205) имеет наивысшую температуру во всем UAX (200).
3
206: Охлаждающий змеевик для сжатого аммиака. Он лежит внутри испарителя (209) сверхкритического аммиака, ниже по потоку относительно оконечного охлаждающего элемента (205) для сжатого аммиака. В этом змеевике (206) сжатый газообразный аммиак охлаждается перед тем, как достигает конденсатора (207) пара сжатого аммиака. Тепло, высвобождаемое змеевиком (206), используется внутренне для генерирования газообразного аммиака в испарителе аммиака (209), так что он работает при температуре выше (температуры) критической точки NH.
207: Конденсатор пара сжатого аммиака. В этом оборудовании насыщенный пар аммиака под давлением, обеспечиваемым компрессорами (203), преобразуется в жидкую фазу и передает все тепло, которое он высвобождает путем конденсации, во вторичный генератор (202), так что последний может выполнять десорбцию. Конденсатор (207) пара сжатого аммиака получает аммиак в газообразном состоянии из элемента (206) обменника при наинизшей возможной температуре, хотя таким образом, что вторичный генератор (202) может работать правильно. Расширитель (218) отделяет змеевик (206) от конденсатора (207).
Жидкий аммиак, полученный из конденсатора (207) пара сжатого аммиака, продвигается в испаритель (209) сверхкритического аммиака с использованием насоса (208) для конденсированного аммиака.
208: Насос для конденсированного аммиака. Это насос, который продвигает конденсированный аммиак, с давлением на выходе выше его критической точки, из конденсатора (207) пара сжатого аммиака в испаритель (209) сверхкритического аммиака. В нагнетательной линии насоса (208) достигается наивысшее давление во всем UAX (200).
209: Испаритель аммиака под сверхкритическим давлением. Он получает конденсат аммиака, продвигаемый насосом (208) для конденсированного аммиака, и преобразует его в газ при температуре и давлении выше критической точки аммиака (113,5 бар / 133,5°C). Чтобы достичь этого, испаритель (209) повторно использует остаточное тепло, получаемое, с одной стороны, из охлаждающего змеевика (206) для сжатого аммиака и охлаждающих элементов (204), которые передают тепло, которое было сгенерировано из-за эффекта Джоуля-Томсона в компрессорах (203). С другой стороны, он также повторно использует скрытую теплоту, передаваемую ему змеевиком (211) концентрированного раствора (более концентрированного, чем раствор, который поступает из десорбера), через который циркулирует одна часть концентрированного раствора, выходящего из абсорбера (210). Это подразумевает, что испаритель (209) сверхкритического аммиака выполняет свою функцию с использованием рециркулируемого тепла из самой системы UAX без необходимости вклада от других внешних источников тепла.
Газ, который выходит из испарителя (209) аммиака в сверхкритическом состоянии, сразу же переносится в абсорбер (210).
210: Абсорбер аммиака. Его цель состоит в том, чтобы растворять газообразный аммиак в воде в условиях сверхкритических давления и температуры. Это элемент, который действует как «высокотемпературный источник» UAX и который отвечает за передачу тепла, которое он выделяет, в регенераторный ребойлер (113) комбинированного энергетического цикла.
Абсорбер (210) питается газообразным аммиаком из испарителя (209) сверхкритического аммиака, используя расширитель (217), и, кроме того, он также питается разбавленным раствором аммиачной воды из главного генератора (201) после продвижения перекачивающим насосом (215) и предварительного нагрева теплообменными элементами (214) и (216) последовательно.
Из абсорбера (210) выходит концентрированный аммиачный раствор, который отправляют во вторичный (202) и главный (201) генераторы, таким образом замыкая цикл абсорбции-десорбции. После выхода из абсорбера (210) течение концентрированного раствора разделяется на два потока. Одну часть заставляют циркулировать через элемент (213) теплообмена обменника в противотоке, тогда как остальная часть течения циркулирует через змеевик (211) концентрированного раствора, который предоставляет тепло, с помощью которого сверхкритический аммиак генерируется в испарителе (209). Наконец, после обмена своим теплом, два раствора концентрированного раствора снова объединяются перед расширительным элементом (212).
Растворение аммиака в воде при сверхкритических условиях является экзотермическим процессом. Тепло, высвобождаемое аммиачным абсорбером (210), передается в ребойлер (113) для регенерации пара в комбинированном энергетическом цикле. Таким образом, абсорбер (210) реализует функцию «высокотемпературного источника» UAX (200).
211: Змеевик концентрированного раствора в испарителе (209). Он находится внутри испарителя (209) сверхкритического аммиака, где он высвобождает тепло за счет снижения температуры концентрированного раствора, циркулирующего через этот змеевик (211) из аммиачного абсорбера (210).
213: Элемент теплообменника между разбавленным и концентрированным растворами. Сторона концентрированного раствора. Этот элемент (213) образует часть противоточного теплообменника с элементом (214) теплообмена, которому он передает тепло. Через этот элемент (213) циркулирует дополняющая часть концентрированного раствора, выходящего из аммиачного абсорбера (210), которая не циркулирует через змеевик (211) концентрированного раствора. Задача этого элемента (213) теплообмена состоит в том, чтобы снижать температуру концентрированного раствора перед тем, как он входит во вторичный генератор (202).
212: Расширитель концентрированного раствора. Когда два потока концентрированного раствора, которые были охлаждены в элементах (211) и (213) теплообмена, соответственно, объединяются, расширитель (212), расположенный непосредственно перед тем, как этот концентрированный раствор входит во вторичный генератор, обеспечивает достижение рабочего давления, при котором происходит десорбция во вторичном генераторе (202).
214: Элемент теплообмена между разбавленным и концентрированным растворами. Сторона разбавленного раствора: Этот элемент (214) образует часть противоточного теплообменника с элементом (213), от которого он получает тепло. Задача этого противоточного теплообменника состоит в том, чтобы сделать так, чтобы концентрированный раствор входил во вторичный генератор (202) при наинизшей возможной температуре, но при этом мог нагревать разбавленный раствор перед его вхождением в аммиачный абсорбер (210).
Через этот элемент (214) теплообмена циркулирует разбавленный раствор из главного генератора (201), продвигаемый перекачивающим насосом (215), до того, как он достигнет абсорбера (210), с целью его нагревания в противотоке с частью концентрированного раствора.
215: Перекачивающий насос для разбавленного раствора. Это насос, который перемещает разбавленный раствор, выходящий из главного генератора (201), и отправляет его в аммиачный абсорбер (210), но с предварительным прохождением через элементы (214) и (216) теплообмена, цель которых состоит в повышении его температуры.
216: Оконечный нагревательный элемент разбавленного раствора. Элемент (216) теплообмена составляет противоточный теплообменник с оконечным охлаждающим элементом (205) для сжатого аммиака. Через этот элемент циркулирует разбавленный раствор из элемента (214) теплообмена и использует тепло, передаваемое паром, который выходит из оконечного этапа компрессоров (203), чтобы гарантировать, что раствор достигает аммиачного абсорбера (210) при той же рабочей температуре.
217: Расширитель газообразного аммиака в направлении абсорбера (210). Расширитель (217) служит для того, чтобы приводить давление сверхкритического аммиака из испарителя (209) в соответствие рабочему давлению аммиачного абсорбера (210).
218: Расширитель газообразного аммиака в направлении конденсатора (207) сжатого аммиака. Элемент (218) расширителя аммиака создает падение давления и температуры, необходимое для работы конденсатора (207) пара сжатого аммиака таким образом, чтобы можно было установить теплообмен между конденсатором (207) и вторичным генератором (202).
Конкретные характеристики блока абсорбера для теплообмена (UAX) определяются рабочими требованиями и переменными комбинированного цикла, с которым он работает.
Для эффективного «регенерирования» составляющего цикла Брайтона этого изобретения тепловой насос UAX (200) должен удовлетворять следующим условиям:
- обмен энергией только с энергетическим циклом, который поддерживается. То есть все тепло, поглощаемое низкотемпературным источником, должно забираться из энергетического цикла, и все тепло, высвобождаемое высокотемпературным источником, должно снова передаваться в энергетический цикл в другой точке. Обмен энергией с внешней средой представлял бы потерю эффективности;
- низкотемпературный источник UAX должен захватывать с целью рекуперации тепло конденсации водяного пара при давлении окружающей среды (между 80°C и 120°C);
- требуется достигать как можно большего возможного теплового шага (разности температур) между источниками UAX, поскольку высокотемпературный источник должен регенерировать конденсированный насыщенный водяной пар заблаговременно, но при наивысшем возможном давлении, чтобы улучшать эффективность системы;
- производительность (КПД) должна быть насколько возможно высокой: другими словами, количество калорий, передаваемых из низкотемпературного источника в высокотемпературный, должно быть очень большим в сравнении с механической работой, потребляемой компрессором;
- вся энергия (механическая и тепловая), которую тепловой насос UAX берет извне, должна поставляться передаточным валом (130) каждого комбинированного цикла, который поддерживается;
- вся тепловая энергия (кроме прямых потерь самого UAX), которую высвобождает тепловой насос UAX, должна выходить посредством его «высокотемпературного источника» и использоваться для регенерации пара в энергетическом цикле посредством его ребойлера (113).
Каждая абсорбционная машина, а поэтому также и UAX, работает согласно циклическому процессу абсорбции-десорбции. Абсорбцией называют процесс растворения газа в жидком растворителе. Обратный обратимый процесс, при котором газ высвобождается из раствора, известен как десорбция. В конкретном случае UAX аммиак используется как растворенное вещество, а вода - как растворитель.
Абсорбция аммиака в воде является обратимым экзотермическим процессом, поэтому в каждом абсорбере происходит высвобождение тепла, когда газ растворяется в жидкой фазе. Со своей стороны, обратный процесс десорбции аммиака в воде, который происходит в генераторе, всегда оказывается эндотермическим, что означает, что для его работы необходима подача тепла.
Считается, что UAX является гибридным компрессионно-абсорбционным тепловым насосом, поскольку его работа обладает общими признаками с обоими этими системами. Это означает, что UAX обязательно состоит из абсорбера, десорбера, испарителя, конденсатора и компрессоров, в дополнение к насосам, газорасширительным элементам и теплообменникам.
Традиционные абсорбционные машины представляют собой системы, состоящие из двух центров, посредством которых машина поглощает тепло извне (генератор и испаритель), и еще двух, посредством которых машина высвобождает тепло во внешнюю среду (абсорбер и конденсатор).
Тем не менее, для применения «теплового насоса» в регенерировании комбинированного цикла этого изобретения абсолютно необходимо, чтобы он состоял только из одного «низкотемпературного источника» (от которого он получает низкотемпературное тепло из энергетического цикла) и только одного «высокотемпературного источника» (посредством которого тепло возвращается в цикл, но при более высокой температуре). Именно этот фундаментальный признак UAX отличает его от других абсорбционных машин.
Хотя UAX (200) состоит из тех же фундаментальных элементов, что и любые другие абсорбционные машины, он характеризуется поглощением внешнего тепла только в одном источнике и высвобождением его только одним другим (полагая, что прямыми потерями можно пренебречь). Этого достигают путем рециркуляции тепла, высвобождаемого некоторыми его элементами, и повторным использованием внутреннего тепла для обеспечения тепла, необходимого другим его элементам.
Благодаря физико-химическому сходству, демонстрируемому компонентами раствора, процесс растворения газа в жидкости всегда оказывается более экзотермическим, чем просто его конденсация. Прямым следствием этого является то, что в абсорбционной машине центры, которые работают посредством абсорбции-десорбции - абсорбер (210) и главный генератор (201) - высвобождают и поглощают, соответственно, больше тепла, чем высвобождается в конденсаторе (207) пара сжатого аммиака и поглощается в испарителе (209) сверхкритического аммиака.
Для успешной передачи максимального удельного количества тепла из своего низкотемпературного источника в свой высокотемпературный источник UAX внутренне повторно использует определенные течения тепла, чтобы не позволять своему конденсатору (207) пара сжатого аммиака и своему испарителю (209) сверхкритического аммиака производить обмен энергией с внешней средой, так чтобы сохранять абсорбер (210) и главный генератор (201) в качестве единственных высоко- и низко- температурных источников, соответственно.
С точки зрения термодинамики, и в отличие от компрессионных холодильных машин, традиционные абсорбционные машины нельзя строго считать тепловыми насосами, поскольку они не переносят тепло из более холодного источника в более теплый. Обычно машина поглощает тепло одновременно через самый холодный элемент (испаритель) и самый горячий (генератор).
Одной особенностью UAX (200), отличающей ее от других традиционных абсорбционных машин, является то, что он на самом деле действует как тепловой насос, перенося тепловую энергию из холодной точки в более теплую. Этого достигают, делая так, чтобы тепловой насос UAX работал со своими рабочими давлениями обратно относительно того, как обычно работают холодильные машины.
В любой холодильной машине, будь то основанной на компрессии или абсорбции, существует одна часть контура, которая работает при высоком давлении, и другая, работающая при низком давлении (конденсатор работает при более высоком давлении, чем испаритель).
В случае компрессионной тепловой машины разность в давлении между испарителем и конденсатором принудительно создается компрессором. Зоны разного давления разграничены между компрессором и расширителем.
В абсорбционных машинах генератор и конденсатор работают при более высоких давлениях, чем испаритель и абсорбер. Именно работа самой системы абсорбер-десорбер стимулирует разность давления, существующую между одними и другими компонентами.
Один особый признак UAX заключается в том, что он работает с рабочими давлениями, обратными относительно традиционных холодильных машин: другими словами, его абсорбер (210) и испаритель (209) сверхкритического аммиака функционируют при более высоком давлении, чем его конденсатор (207) пара сжатого аммиака и его главный (201) и вторичный (202) генераторы. Чтобы достичь этого, перекачивающий насос (215) заставляет разбавленный раствор циркулировать из генератора (201) в аммиачный абсорбер (210), который работает при более высоком давлении.
Чтобы работать с обратными давлениями, UAX (200) нужны механические средства. Этим UAX и отличается от любой другой традиционной абсорбционной машины, поскольку разность давлений в контуре не стимулируется, а принудительно создается с применением для этого компрессоров и насосов.
Чтобы добиться работы UAX с обратными давлениями, рабочие температуры абсорбера (210) и главного генератора (201) должны быть точно определены, поскольку одновременно создаются два противодействующих эффекта, которые влияют на растворимость аммиака в воде. С одной стороны, жидкая фаза должна иметь возможность растворять больше газа при более высоком давлении, но с другой газ будет становиться менее растворимым при более высоких температурах.
Очевидно, для того, чтобы система имела возможность работать как тепловой насос, требуется, чтобы растворимость аммиака в воде всегда была выше в абсорбере (210), чем в главном (201) и вторичном (202) генераторах, поскольку в любом абсорбере всегда существует увеличение концентрации при растворении газа, тогда как в любом генераторе всегда получается разбавленный раствор, поскольку именно здесь происходит десорбция газа.
Для достижения максимальной эффективности необходимо найти идеальный компромисс между рабочими температурами и давлениями в каждом случае, поскольку, с одной стороны, десорбция стимулируется в главном (201) и вторичном (202) генераторах путем снижения давления, тогда как эффективность аммиачного абсорбера (210) возрастает с его рабочим давлением. Однако учитывая то, что целью UAX является действие в качестве теплового насоса, намерение состоит в том, чтобы тепловой шаг между высоко- и низкотемпературным источниками был насколько можно большим. Однако по мере возрастания температуры в абсорбере (210) аммиак склонен становиться менее растворимым, тогда как по мере падения температуры в главном (201) и вторичном (202) генераторах растворимость склонна возрастать, ухудшая производительность десорбции.
Термодинамическая система, которая может передавать тепло из одной точки с низкой температурой в другую более теплую с использованием компрессора, известна как «тепловой насос», и именно эту функцию реализует «Блок абсорбера для теплообмена», являющийся объектом этого изобретения.
В свете вышеописанного следует указать, что для того, чтобы добиться, чтобы «Блок абсорбера для теплообмена» (UAX) работал как тепловой насос, поддерживающий энергетический цикл настоящего изобретения, необходимо выполнить ряд особых модификаций, которые представляют собой особые признаки UAX (200). Эти особые модификации, которые отличают UAX от других абсорбционных циклов, таковы:
1. Чтобы добиться, чтобы аммиачный абсорбер (210) выделял тепло, но при более высокой температуре, чем та, при которой работает главный генератор (201), необходимо обратить давления работы: другими словами, абсорбер (210) должен работать при более высоком давлении, чем компонент, с помощью которого десорбируют аммиак, главный генератор (201). Чтобы достичь этого, необходим перекачивающий насос (215), который продвигает разбавленный раствор в аммиачный абсорбер (210) и расширительный элемент (212) для концентрированного раствора перед его вхождением во вторичный генератор (202).
2. Чтобы UAX не терял тепло во внешнюю среду, необходимо рециркулировать тепло, высвобождаемое конденсатором (207) пара сжатого аммиака, передавая его в десорбер вторичного генератора (202), так что рабочая температура первого должна быть немного выше, чем температура последнего. Необходимо поднимать давление пара аммиака с использованием компрессоров (203), чтобы он конденсировался при более высокой температуре, чем та, при которой он испаряется в растворе в генераторе.
3. Памятуя о том, что тепло, высвобождаемое конденсатором (207) пара сжатого аммиака, рециркулируется в самом UAX, аммиачный абсорбер (210) представляет собой единственную точку, через которую тепло выпускается во внешнюю среду (если прямые потери тепла от теплопереноса, конвекции и излучения считать ничтожно малыми).
4. Для повышения эффективности сжатие аммиака, применяемого в качестве газообразного хладагента, осуществляют в несколько этапов с промежуточным охлаждением. Это подразумевает, что между этапами сжатия имеется некоторое количество тепла, которое необходимо удалить. Кроме того, представляет интерес, чтобы сжатый пар аммиака достигал конденсатора (207) пара сжатого аммиака при наинизшей возможной температуре, всегда при условии, что он все равно может переносить тепло во вторичный генератор (202).
Производя надлежащий выбор рабочих температур системы, можно предоставить тепло, которое необходимо испарителю (209), путем передачи ему избыточного тепла, содержащегося в потоке пара после компрессоров (203) и концентрированном растворе, выходящем из абсорбера (210), чтобы преобразовывать аммиак в сверхкритическое состояние. Когда сумма этих объемов избыточного тепла удовлетворяет потребность испарителя (209) аммиака, то теряется необходимость привносить тепло извне для получения аммиака в условиях выше его «критической точки», в то же время исчезает и потребность отводить тепло охлаждения во внешнюю среду.
5. Подавая тепло, которое нужно испарителю (209) сверхкритического аммиака, с помощью тепла, рециркулируемого из самой системы, главный генератор (201) становится единственным источником, посредством которого UAX получает тепло из внешней среды.
Реализуя все эти модификации надлежащим образом, оказывается возможным спроектировать абсорбционную машину, которая с применением массива компрессоров, соединенных каскадом (203), не дает своему конденсатору (207) пара сжатого аммиака и своему испарителю (209) сверхкритического аммиака производить теплообмен с внешней средой, оставляя главный генератор (201) как единственный низкотемпературный источник, посредством которого система поглощает тепло из внешней среды, тогда как абсорбер (210) работает при более высокой температуре, действуя как единственный высокотемпературный источник, посредством которого тепло выпускается во внешнюю среду.
ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО НАСОСА (UAX)
1. Для того чтобы UAX (200), как и любая другая абсорбционная система, мог работать непрерывно в замкнутом цикле, необходимо установить контур для взаимообмена растворами между компонентом, который «абсорбирует» газ с получением концентрированного раствора, и другим, который «десорбирует» с получением разбавленного раствора. Другими словами, разбавленный раствор выходит из главного генератора (201) и циркулирует в аммиачный абсорбер (210), тогда как концентрированный раствор покидает абсорбер (210) и циркулирует в главный генератор (201) в противоположном направлении для рециркуляции снова.
В соответствии с вышеописанным противоточная циркуляция устанавливается для двух растворов между одним элементом оборудования и другим (абсорбером (210) и генератором (201), но в противоположном направлении.
С учетом того, что генераторы (десорберы) и абсорберы абсорбционной машины всегда работают при разных давлениях, раствор течет от машины с более высоким давлением к машине с более низким давлением без необходимости механического содействия. Однако другой раствор, циркулирующий в противотоке из оборудования с более низким давлением к оборудованию с более высоким давлением, нуждается в приведение в действие насосом.
В UAX (200), в отличие от традиционных абсорбционных машин, абсорбер (210) работает при более высоком давлении, чем главный генератор (201) и, следовательно, перекачивающий насос (215) продвигает разбавленный раствор из главного генератора (201) в абсорбер (210).
2. UAX (200) состоит из двух десорберов, или генераторов, один из которых называют вторичным генератором (202), а другой - главным генератором (201). Два генератора работают в каскаде, что означает, что частично десорбированный раствор, выходящий из вторичного генератора (202), представляет собой подачу для главного генератора (201).
Десорбция аммиака требует добавления тепла, поскольку это эндотермический процесс, так что все генераторы для работы требуют подачи тепла. В UAX каждый генератор получает тепло из разного источника: Вторичный генератор (202) снабжается теплом посредством конденсатора (207) пара сжатого аммиака, тогда как главный генератор (201) получает тепло из комбинированного цикла. Следовательно, рабочая температура главного генератора (201) всегда определяется температурой конденсации текучей среды в составляющем цикле Брайтона. Эта конденсация происходит в элементе (107).
Рабочее давление генераторов (201) и (202) UAX (200) зависит от степени десорбции (концентрации разбавленного раствора), для которой спроектирован UAX, хотя вторичный генератор (202) всегда работает при давлении значительно более высоком, чем главный генератор (201), так что раствор промежуточной концентрации протекает из одного из них в другой без потребности в механических средствах.
Основной генератор (201) представляет собой оборудование, которое работает при самом низком давлении в UAX (200), и поэтому требуется, чтобы разбавленный раствор, получаемый из этого компонента, циркулировал, продвигаемый перекачивающим насосом (215) под давлением, достаточным для питания аммиачного абсорбера (210).
3. Пар аммиака, получаемый из двух генераторов, главного (201) и вторичного (202), как и получаемый в любом традиционном десорбере, всегда содержит определенное количество влаги. В этом патенте термин «пар аммиака» в UAX (200) всегда относится к «влажному» пару аммиака, если не указано иное. В этом описании этот влажный аммиак никак особо отдельно не рассматривается, поскольку эта степень влажности является очень низкой в условиях давления и температуры, требующихся для UAX, и это не изменяет основное функционирование цикла.
Этот аммиак, десорбированный в генераторах (201 и 202), отправляют в массив компрессоров (203). Здесь выполняется процесс сжатия на последовательных этапах с промежуточным охлаждением текучей среды, подвергаемой сжатию, с двумя целями: повышения механического КПД сжатия с одной стороны, а с другой - чтобы иметь несколько тепловых резервуаров, имеющих возможность предоставлять тепло в испаритель (209) сверхкритического аммиака. То есть набор охлаждающих элементов (204) между этапами сжатия переносит это тепло в испаритель (209) аммиака, таким образом предотвращая его потерю за пределами цикла.
Набор компрессоров (203) получает свою механическую работу из самого комбинированного цикла посредством передаточного вала (130), так что эта работа считается собственным потреблением комбинированным энергетическим циклом. С учетом того, что чем меньше собственное потребление механической энергии, тем больше общий КПД комбинированного цикла, представляет интерес, чтобы процесс сжатия был настолько эффективным, насколько возможно.
Остаточное давление пара, выходящего из оконечного этапа компрессоров (203), определяется рабочим давлением конденсатора (207) пара сжатого аммиака, а оно в свою очередь является прямой функцией температуры, при которой десорбция происходит во вторичном генераторе (202), с которым он производит обмен теплом.
4. Рабочим требованием UAX является то, что пар аммиака должен выходить из последнего этапа компрессоров (203) при температуре более высокой, чем температура абсорбера (210), так что оконечный охлаждающий элемент (205) для сжатого аммиака может нагревать разбавленный раствор, чтобы гарантировать, что жидкая фаза входит в абсорбер (210) при температуре не меньшей, чем та, при которой пар аммиака растворяется в этом оборудовании.
5. Также обязательным требованием для функционирования UAX (200) является то, чтобы пар сжатого аммиака, выходящий из разных охлаждающих элементов (204) для газообразного аммиака, а также оконечного охлаждающего элемента (205) для сжатого аммиака, находился при более высокой температуре, чем температура испарителя (209) сверхкритического аммиака, так что это тепло можно передавать с использованием охлаждающего змеевика (206) для сжатого аммиака, с помощью которого генерируется аммиак в сверхкритическом состоянии.
6. После отдачи тепла пар аммиака выводят из змеевика (206) для сжатого аммиака при наинизшей возможной температуре, близкой к температуре насыщения в конденсаторе (207) пара сжатого аммиака, и его затем подвергают частичному расширению в расширителе (218), чтобы достичь рабочего давления конденсатора (207).
7. В конденсаторе (207) сжатый пар аммиака преобразуется в жидкость, высвобождая тепло, которое полностью передается во вторичный генератор (202), так что последний может выполнять частичную десорбцию концентрированного раствора.
Для передачи тепла из конденсатора (207) пара сжатого аммиака во вторичный генератор (202) температура насыщения пара аммиака, которая имеется в конденсаторе (207) пара сжатого аммиака, должна быть немного выше, чем температура десорбции, которая имеется во вторичном генераторе (202). С учетом того, что температура насыщения соответствует некоторому удельному давлению, именно последнее определяет остаточное давление компрессоров (203).
8. Аммиак в жидкой фазе, собранный в нижней части конденсатора (207) пара сжатого аммиака, отправляется в испаритель (209) сверхкритического аммиака, продвигаемый насосом (208) для конденсированного аммиака под давлением выше давления его «критической точки».
9. При вхождении в испаритель (209) сверхкритического аммиака жидкий аммиак сначала нагревается и затем переходит в газообразное состояние при давлении и температуре выше давления и температуры «критической точки» аммиака (113,5 бар / 133,5°C).
Тепло, которое требуется испарителю (209) сверхкритического аммиака для выполнения его функции, получают путем рекуперации избыточного тепла, высвобождаемого элементами (204), (206) и (211) самого UAX, при достаточной для этого температуре.
Элементы теплообмена, которые подают тепло, требуемое испарителем (209) сверхкритического аммиака, являются следующими:
- Массив охлаждающих элементов (204) между разными этапами сжатия.
- Охлаждающий змеевик (206), который охлаждает пар сжатого аммиака перед его вхождением в конденсатор (207) пара сжатого аммиака.
- Элемент (211) обмена, через который циркулирует часть горячего концентрированного раствора, которая выходит из аммиачного абсорбера (210).
Для того, чтобы UAX мог работать эффективно, находясь в энергетической зависимости лишь от комбинированного цикла, необходимо все время поддерживать равенство между количеством тепла, которое требуется испарителю (209) сверхкритического аммиака, и тем, которое добавляется массивом элементов (204), (206) и (211) обмена, соответственно.
В UAX этого теплового баланса достигают и контролируют его делая так, чтобы испаритель (209) работал при давлении выше давления критической точки аммиака. Это является фундаментальным признаком, который отличает UAX от любой другой традиционной абсорбционной машины.
3
Работая при давлениях немного выше давления критической точки NH в испарителе (209), можно изменить количество тепла, поглощаемого здесь. Когда давление и температура аммиака превышают его критическую точку, возникает «тепловая аномалия», в которой малые вариации давления в сверхкритической текучей среде требуют больших изменений энтальпии для каждой малой вариации температуры (на диаграмме давление-энтальпия для аммиака линии изотерм становятся практически горизонтальными сразу после прохождения критической точки).
Прямым следствием указанного выше является то, что энергетического баланса в испарителе (209) сверхкритического аммиака достигают путем внесения минимальных модификаций в давление, при котором он работает. Этого, в свою очередь, достигают посредством совместного действия насоса (208) для конденсированного аммиака и расширителя (217), придающего системе в целом чрезвычайную гибкость работы.
10. Когда аммиак покидает испаритель (209) при сверхкритических условиях, он протекает в абсорбер (210) благодаря своему собственному давлению.
Во входной линии для газа в абсорбер (210) имеется клапан (217), который отвечает за приведение в соответствие рабочего давления как аммиачного абсорбера (210), так и испарителя (209) сверхкритического аммиака.
Путем регулирования рабочего давления абсорбера (210) контролируют концентрацию аммиака в растворе, рабочую температуру и тепло, высвобождаемое в этом оборудовании.
11. В дополнение к аммиаку в газообразном состоянии аммиачный абсорбер (210) также получает весь разбавленный раствор из главного генератора (201), после его продвижения перекачивающим насосом (215) и нагрева в элементах (214) и (216) теплообмена. Когда два потока смешиваются, получается газообразный аммиачный раствор, с помощью которого водный раствор повышает свою концентрацию аммиака, порождая так называемый «концентрированный раствор». Очевидно, что для того, чтобы это произошло как описано, аммиак всегда должен быть более растворимым в абсорбере (210), чем в генераторах (201 и 202). Этого достигают путем осуществления надлежащего выбора рабочих давлений и температур абсорбера (210) и генераторов (201 и 202).
Для того, чтобы иметь возможность повысить растворимость аммиака в воде, когда этого требуют проектные условия, можно добавлять в раствор химические вещества, которые могут формировать сложные радикалы с ионом аммиака (такие как, к примеру, хлористое серебро).
Концентрированный раствор в аммиаке, полученный в абсорбере (210), после его охлаждения отправляют в генераторы (202 и 201), таким образом замыкая рабочий цикл.
В результате процесса растворения газообразного аммиака количество концентрированного раствора, выходящего из абсорбера (210), всегда превышает количество разбавленного раствора, покидающего главный генератор (201).
Это является важным для проектирования обменников, поскольку концентрированный раствор покидает абсорбер (210) при температуре, достаточной для повторного использования его энтальпии в противоточном обменнике (213/214) с одной стороны и нагревателе (211), расположенном внутри испарителя (209), с другой.
12. Для выполнения этой двойной функции теплообмена горячий поток концентрированного раствора, выходящий из аммиачного абсорбера (210), разделяют на два. С одной стороны, некоторое количество раствора циркулирует через элемент (213) теплообмена для предварительного нагрева в противотоке разбавленного раствора, который циркулирует через элемент (214) теплообмена, тогда как остальной раствор циркулирует через змеевик (211) для концентрированного раствора, отдавая тепло в испаритель (209) для получения аммиака в сверхкритическом состоянии.
13. После отдачи своей энтальпии и охлаждения два потока концентрированного раствора снова объединяются в один перед вхождением во вторичный генератор (202).
Расширительный элемент (212), расположенный выше по потоку относительно вторичного генератора (202), действует под давлением, при котором в этом оборудовании происходит частичная десорбция аммиака, содержащегося в концентрированном растворе.
14. В результате частичной десорбции, которая происходит во вторичном генераторе (202), выделяется некоторое количество влажного газообразного аммиака, который отправляется прямо в компрессор (203).
Тепло, требующееся вторичному генератору (202) для десорбции газа аммиака, получают путем теплообмена с конденсатором (207) пара сжатого аммиака, без необходимости в каком-либо дополнительном источнике тепла.
Раствор промежуточной концентрации, получаемый из нижней части вторичного генератора (202), протекает в главный генератор (201), питаемый им, под своим собственным давлением, без необходимости в механических средствах.
15. В главном генераторе (201) происходит вторая фаза десорбции в каскаде. В результате этого процесса высвобождается дополнительное количество пара аммиака, которое отправляется прямо в компрессоры (203) вместе с паром, получаемым во вторичном генераторе (202).
Из нижней части главного генератора (201) получают разбавленный аммиачный раствор (более разбавленный, чем выходящий из вторичного генератора (202)), который заново отправляют в абсорбер (210) посредством перекачивающего насоса (215) для разбавленного раствора, тем самым замыкая цикл абсорбции-десорбции.
Тепло, которое главному генератору (201) нужно выводить из оконечного этапа десорбции, подается извне UAX, путем теплообмена с элементом (107) комбинированного энергетического цикла.
Основной генератор (201) представляет собой оборудование, которое работает при наинизшей температуре UAX, являясь единственной точкой цикла посредством которой UAX получает тепло извне таким образом, чтобы выполнять роль «низкотемпературного источника» этого теплового насоса.
Для того чтобы UAX мог работать эффективно, рабочее давление и температура главного генератора (201) должны быть тщательно заданы так, чтобы удовлетворять ряду обязательных требований. С одной стороны, необходимо, чтобы растворимость газа аммиака в условиях вторичного генератора (202) была ниже, чем в любое время в аммиачном абсорбере (210). Этого достигают путем повышения температуры десорбции: тем не менее, и с другой стороны, целью UAX (200) является работа в качестве теплового насоса, и по существу представляет интерес, чтобы главный генератор (201) действовал как низкотемпературный источник, делал это при наинизшей возможной температуре, что фактически означает, что растворимость стремится возрастать, противоположно тому, что требуется.
16. Разбавленный раствор, получаемый в главном генераторе (201), отправляют в абсорбер (210), так что UAX работает в замкнутом цикле. Для этого, требуется, чтобы перекачивающий насос (215), который перемещает разбавленный раствор, делал это при давлениях выше давления критической точки аммиака, при которых работает абсорбер (210).
17. С учетом того, что аммиачный абсорбер (210) действует как высокотемпературный источник, для повышения эффективности представляет интерес, чтобы он мог передавать как можно больше тепла в ребойлер (113) комбинированного цикла. Для этого выгодно, чтобы разбавленный раствор появлялся на абсорбере (210) при наивысшей возможной температуре.
В противоположность этому, эффективность UAX повышается, когда главный генератор (201), который действует как низкотемпературный источник, получающий тепло извне, получает разбавленный раствор при низких температурах.
Для повышения общего КПД UAX (200) и одновременного удовлетворения обоих требований между разбавленным и концентрированным растворами размещают противоточный теплообменник, состоящий из элементов (214) и (213) теплообмена, соответственно.
18. Разбавленный раствор после предварительного нагрева в указанном выше обменнике проходит через другой оконечный дополнительный нагревательный элемент (216), который повышает температуру этого раствора еще больше, перед тем как тот входит в аммиачный абсорбер (210).
Как было упомянуто ранее, оконечный нагревательный элемент (216) для разбавленного раствора получает тепло из оконечного охлаждающего элемента (205) для сжатого аммиака (который имеет наивысшую температуру во всем UAX (200)), через который циркулирует пар аммиака, выходящий из оконечного этапа компрессоров (203).
19. Этот цикл UAX (200) является замкнутым в абсорбере (210), когда разбавленный раствор смешивается с газообразным аммиаком, чтобы растворять последний, и приводя к возникновению концентрированного аммиачного раствора. Это экзотермический процесс, что означает, что в нем выделяется тепло. Именно это тепло передается во внешний ребойлер (113), таким образом абсорбер (210) становится «высокотемпературным источником» UAX.
В идеале, или, другими словами, игнорируя неизбежные прямые потери тепла вследствие теплопроводности, конвекции и излучения, абсорбер (210) является единственной точкой, в которой UAX выделяет тепло во внешнюю среду.
3
Процесс растворения газообразного аммиака происходящий в абсорбере (210), реализуется при необычно высоких температуре и давлении (выше температуры и давления критической точки NH), приводя к тому, что растворимость аммиака в абсорбере (210) всегда больше, чем в генераторах (201 и 202).
Этого добиваются, противоположно тому, что предназначается для генератора (201), путем снижения температуры раствора: тем не менее и с другой стороны, учитывая, что функцией UAX является работа в качестве теплового насоса, подразумевается, что аммиачный абсорбер (210), действующий как высокотемпературный источник, должен делать это при наивысшей возможной температуре, что определенно не способствует увеличению растворимости.
20. Общим результатом работы цикла UAX (200), взятого вместе, является то, что эта система работает как тепловой насос таким образом, что имеется единственный высокотемпературный источник, состоящий из аммиачного абсорбера (210), и единственный низкотемпературный источник, включающий главный генератор (201).
Игнорируя прямые потери и согласно принципу сохранения энергии и второму закону термодинамики, UAX высвобождает в энергетический цикл через абсорбер (210) количество тепла, эквивалентное сумме тепла, которое главный генератор (201) захватывает из энергетического цикла, и механической энергии, которую компрессоры (203) и насосы цикла получают с передаточного вала (130). Это подразумевает, что тепловой насос UAX (200) всегда отдает больше тепла посредством регенераторного ребойлера (113) в комбинированный цикл настоящего изобретения, чем он забирает тепла из комбинированного цикла настоящего изобретения через элемент (107), и эта разность тепла является тем меньше, чем лучше производительность UAX (200) (высокий КПД эквивалентен высокой производительности). Это имеет прямые следствия для энергетического цикла, поскольку это означает, что ребойлер (113) нужно будет снабжать дополнительным количеством воды, в дополнение ко всему конденсату, производимому в элементе (107).
ИНТЕГРАЦИЯ ТЕПЛОВОГО НАСОСА (UAX) В КОМБИНИРОВАННЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ЦИКЛ
Для работы комбинированного цикла согласно этому изобретению необходимо, чтобы блок абсорбера для теплообмена UAX (200) был интегрирован внутри одной установки, реализуя функцию «регенерирования» составляющего цикла Брайтона, рециркулируя тепло, высвобождаемое в самой холодной точке цикла для предотвращения его потери, как это происходит в других традиционных комбинированных циклах.
Регенерация составляющего цикла Брайтона с помощью теплового насоса в этом изобретении осуществляется посредством:
- использования конденсирующейся теплопередающей среды (водяного пара) вместо газа, как происходит в обычных циклах Брайтона,
- забора некоторого количества механической работы из энергетического цикла для обеспечения функционирования теплового насоса UAX (200),
- захвата тепла конденсации, высвобождаемого из энергетического цикла, посредством «низкотемпературного источника» UAX (200),
- возвращения тепла и работы, получаемых из энергетического цикла, посредством «высокотемпературного источника» UAX (200), генерирующего водяной пар при более высоких давлении и температуре, чем те, которые имели место ранее во время конденсации.
Для осуществления этого класса «регенерации» составляющего цикла Брайтона установка содержит:
- систему теплообмена, образованную элементом (107), который передает тепло конденсации водяного пара при давлении окружающей среды в низкотемпературный источник теплового насоса UAX (200),
- регенераторный ребойлер (113), который работает при более высокой температуре, чем элемент (107), генерирующий водяной пар при более высоком давлении с помощью тепла, возвращаемого в него тепловым насосом UAX (200) через его высокотемпературный источник,
- насос (111) для конденсата регенерации, который продвигает конденсат из элемента (107) в регенераторный ребойлер (113). Конденсированная вода отправляется из элемента (107) в регенераторный ребойлер (113).
Способ регенерации для составляющего цикла Брайтона с использованием теплового насоса, представленного в этом изобретении, обеспечивает два отдельных преимущества над традиционными регенеративными циклами Брайтона:
- Он позволяет рециркулировать тепло, высвобождаемое составляющим циклом Брайтона, точно в той точке цикла, где температура является наинизшей.
- Он регенерирует сжатую текучую среду, поскольку водяной пар конденсируется при одном давлении и затем регенерируется пар, но при более высоком давлении. Это сводит к минимуму потребление механической работы сжатия, необходимой для переноса пара в основной источник (101) тепла составляющего цикла Брайтона.
Для того, чтобы этот тип регенерации с использованием теплового насоса (200) был возможен, также требуется, чтобы передаточный вал (130) установки подавал механическую работу сжатия, необходимую для его функционирования, что считается дополнительным собственным потреблением.
Без учета прямых потерь и согласно принципу сохранения энергии, UAX (200), как и любой тепловой насос, высвобождает через свой высокотемпературный источник количество тепловой энергии, равное тому, которое было поглощено его низкотемпературным источником, плюс работа, потребляемая компрессором. Другими словами, высокотемпературный источник всегда высвобождает больше тепла, чем поглощает низкотемпературный источник. С учетом того, что UAX не производит обмен энергией с внешней средой, эта механическая работа сжатия, потребляемая из энергетического цикла, позже возвращается в форме дополнительного тепла ребойлером (113). По этой причине, помимо всего конденсата, генерируемого в элементе (107), необходимо обеспечивать ребойлер (113) дополнительным количеством воды для испарения.
В любом случае, что логично, оказывается, что чем выше производительность (КПД) теплового насоса UAX (200), тем будет выше общий КПД комбинированного энергетического цикла.
Одним отдельным признаком использования варианта «составляющего цикла Брайтона», в котором используется конденсирующаяся текучая среда, является то, что она позволяет производить обмен теплопередающей средой с «составляющим главным циклом Рэнкина» комбинированного цикла настоящего изобретения. В комбинированном цикле, который является предметом этого изобретения, количество дополнительной воды, которое необходимо испарять ребойлеру (113), относительно элемента (107), получают из течений из составляющего главного цикла Рэнкина или связующих линий между составляющими циклами (Брайтона и Рэнкина).
Эта возможность взаимного соединения составляющих циклов Брайтона и Рэнкина комбинированного цикла этого изобретения порождает другие типы преимуществ, такие как возможность упрощения установки с использованием элементов, общих для обоих циклов.
Целью встраивания теплового насоса в составляющий цикл Брайтона является осуществление его «регенерации», рециркулирования тепла, высвобождаемого в самой холодной точке цикла, и таким образом предотвращение его потери. Этот тип регенерации оказывается возможным только когда цикл Брайтона является «замкнутым» или «полузамкнутым»: другими словами, только когда теплопередающая среда не выбрасывается в атмосферу, а возвращается в цикл.
- Работа в «замкнутом цикле» осуществляется, когда установка функционирует без подачи материала извне, в этом случае входную энергию подают путем теплообмена с внешним источником при температуре, достаточной для этой цели (к примеру, она может быть солнечной или атомной).
- Работа в «полузамкнутом цикле» осуществляется, когда ввод энергии в установку происходит посредством процесса «внутреннего сжигания в кислороде», выполняемого в камере сгорания.
В случае, когда комбинированный цикл является полузамкнутым, он имеет по меньшей мере одну камеру сгорания в качестве источника подачи энергии в энергетический цикл. В любой камере сгорания комбинированного цикла в качестве вещества для поддержки горения применяют только промышленный чистый кислород, разбавленный в находящимся под давлением водяном паре в процессе, известном как «сжигание в кислороде», в котором газы этой химической реакции формируют часть теплопередающей среды в камере сгорания. Таким образом, в полузамкнутом комбинированном цикле, кроме применения «сжигания в кислороде», также применяется «внутреннее сгорание».
2
Любые элемент или вещество, отличные от O, представленные в веществе для поддержки горения (такие как азот, сера и т. д.), являются нежелательными, поскольку загрязняют теплопередающую среду и несут угрозу проблем в работе комбинированного цикла. Это препятствует возможности использования воздуха как вещества для поддержки горения в этом комбинированном цикле.
В полузамкнутом комбинированном цикле может использоваться любое топливо, удовлетворяющее следующим требованиям:
- Применяемые разновидности топлива должны быть жидкими или газообразными, но никогда не твердыми.
- Топливо, применяемое в камерах сгорания комбинированного цикла, может содержать одно вещество или представлять собой смесь нескольких разновидностей топлива.
X
Y
Z
- Химический состав веществ, применяемых в качестве разновидностей топлива, удовлетворяет общей формуле CHO, где буквы C, H и O относятся к элементам углерод, водород и кислород соответственно, а подстрочные символы «X, Y, Z» представляют стехиометрическое содержание каждого из этих элементов согласно следующим предписаниям:
- Подстрочный символ «Z» для кислорода в общей формуле может быть нулем или любым другим значением. В соответствии с этим, любой углеводород, удовлетворяющий всем вышеуказанным требованием, является пригодным для использования в качестве топлива в комбинированном цикле.
2
- Чистый водород может быть использован как топливо в любом случае. Тем не менее, для установок, использующих H как единственное топливо, и по причинам эффективности и простоты установки, это нужно считать специальным случаем, согласно конфигурации 4 (фиг. 4) комбинированного цикла.
- Случай, когда подстрочный символ «Y» для водорода может принимать нулевое значение.
- Любое другое химическое соединение, содержащие элементы, отличные от углерода, водорода и кислорода, являются нежелательными.
- Разновидности топлива, пригодные для применения, должны быть реальными химическими веществами, которые могут вступать в химические реакции с кислородом в экзотермическом процессе горения.
- Химическая реакция горения должна проводиться без одновременной реализации вторичной химической реакции какого-либо иного типа.
2
2
2
В любом «полузамкнутом» процессе «внутреннего сгорания в кислороде» непрерывное введение вещества в цикл происходит по своей природе (в форме топлива и вещества для поддержки горения), так что для установления баланса вещества в цикле обязательно, чтобы количество поступающего вещества выводилось бы в другой части цикла в форме продуктов сгорания. Как только продукты сгорания выводятся из цикла (CO в жидком или газообразном состоянии и жидкая HO, соответственно), последующая их обработка для любого типа промышленного применения оказывается очень простой, без эмиссии парниковых газов, которую влечет за собой применение открытых циклов. В цикле этого изобретения вода выходит в жидкой форме при температуре окружающей среды, оказывая незначительное воздействие на окружающую среду, тогда как, с другой стороны, CO получают в концентрированной и изолированной форме без необходимости в какой-либо специальной процедуре для его захвата.
Фактически этот конкретный признак комбинированного цикла, согласно которому продукты сгорания выводятся «по отдельности, концентрированными и при низкой температуре», является одной из фундаментальных основ, благодаря которым настоящий энергетический цикл обеспечивает более высокую эффективность, чем другие открытые комбинированные циклы известного уровня техники.
Одним из фундаментальных признаков энергетического цикла этого изобретения, отличающих его от традиционных комбинированных циклов, является обязательное условие наличия в любое время баланса энергии, то есть энергия, поступающая в энергетический цикл посредством источников (101) и (132) тепла, должна равняться сумме энергий, выходящих из энергетического цикла через передаточный вал (130) в качестве полезной работы цикла, и тепла, отдаваемого через отвод (128).
Любая вариация, возникающая между составляющим циклом Брайтона, составляющим главным циклом Рэнкина и UAX, должна быть компенсирована для сохранения этого равенства путем передачи тепла между ними, и для этого важным условием является постоянное существование дифференциала температур между одной текучей средой и другой, позволяющего это. Иначе будет необходимо выводить энергию из цикла, теряя механическую энергию или производительность.
Один из фундаментальных аспектов этого изобретения заключается в установлении постоянного энергетического баланса между энергетическим циклом и тепловым насосом UAX (200) так, чтобы они могли обмениваться энергией, но никогда не должно быть избытков тепла, поскольку их придется выводить во внешнюю среду, что означает потерю эффективности.
Для того, чтобы два цикла работали в «симбиозе» описанным образом, необходимо, чтобы энергетический цикл мог захватывать все тепло, которое UAX возвращает в него посредством своего высокотемпературного источника (210).
По причинам, изложенным непосредственно в предшествующих абзацах, предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения относится к конфигурации 6, в которой предусмотрена возможность извлечения определенного потока пара из элемента (112).
Для полезного применения этого потока пара, генерируемого в элементе (112), согласно этому изобретению в рамках энергетического цикла, предлагается три возможных варианта:
A. Отправлять этот поток пара в начальный дополнительный этап парового компрессора (115), так что этот пар добавляется к потоку пара из элемента (114), чтобы их вместе сжимать и отправлять в основной источник (101) тепла.
B. Отправлять этот поток пара в змеевик (136) перегревателя, который поднимает его температуру для последующего расширения в дополнительной турбине (137), выпускной канал которой соединен непосредственно с впускным каналом турбины ТНД (127). В этом случае этот дополнительный поток пара, циркулирующий через контур низкого давления, возвращается в составляющий главный цикл Рэнкина по обходной линии после насоса (123).
C. Отправлять одну часть этого потока пара в комбинации согласно каждому из указанных выше вариантов A и B.
Эти три альтернативы показаны в конфигурации 5 на фиг. 6.
КОНКРЕТНЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА УСТАНОВКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фундаментальные преимущества, обеспечиваемые комбинированным циклом настоящего изобретения относительно других способов генерирования механической энергии, в основном являются следующими:
- С энергетическим циклом настоящего изобретения получают производительность, которая является такой же хорошей или лучшей, чем предлагаемая сегодня другими доступными способами на известном уровне данной области техники.
- С энергетическим циклом настоящего изобретения получают меньшее воздействие на окружающую среду, чем создаваемое другими доступными способами на известном уровне данной области техники.
Наиболее преимущественными отдельными отличительными признаками комбинированного цикла настоящего изобретения являются следующие:
- В комбинированном энергетическом цикле вода применяется как теплопередающая среда, общая для всего оборудования, которое его образует. Это делает возможным то, что:
- Комбинированный энергетический цикл интегрирует по меньшей мере один составляющий цикл Брайтона и один составляющий главный цикл Рэнкина в единый цикл. Это делает возможным то, что:
- Комбинированный энергетический цикл может работать как в замкнутом цикле, так и в полузамкнутом цикле (внутреннее сжигание в кислороде).
- Комбинированный энергетический цикл регенерируют с использованием теплового насоса. Это делает возможным то, что:
2
- Комбинированный энергетический цикл реализует захват CO (генерируемого в процессе сжигания в кислороде) как концентрированного газообразного или жидкого остатка, который получают изолированным в специальном компоненте цикла - элементе (107).
2
2
2
- Когда имеется ожижительная установка CO, интегрированная в установку и выполняющая функцию элемента (107), эффективность процесса получения жидкого CO оказывается очень высокой, поскольку тепло, генерируемое в последовательных этапах сжатия CO, вместо того, чтобы потеряться, рекуперируется путем передачи его в низкотемпературный источник (201) теплового насоса (UAX), который может его использовать повторно.
- Комбинированный энергетический цикл (не считая прямых потерь и тепла когенерации) высвобождает тепло в окружающую среду через единственный тепловой резервуар - теплоотвод (128). Тепло, высвобождаемое остальными элементами, повторно используется некоторым другим элементом того же цикла.
Интеграция абсорбционного теплового насоса UAX (200) в хвост составляющего цикла Брайтона является ключевым и инновационным элементом, внедряемым комбинированным циклом этого изобретения. Тепловой насос UAX (200), интегрированный в энергетический цикл, позволяет достичь следующих отличительных результатов, в особенности новых и преимущественных:
1) Повышение общего КПД энергетического цикла. UAX (200) захватывает тепло из энергетического цикла на своем низкотемпературном источнике, чтобы повторно вводить его в цикл посредством своего высокотемпературного источника. Это означает, что отсутствуют потери тепла из теплопередающей среды во внешнюю среду на этапе изобарического охлаждения составляющего цикла Брайтона. Это означает, что конденсатор (128) выполняет функцию единственного теплоотвода комбинированного цикла, через который тепло отдается во внешнюю среду.
2) Регенерация составляющего цикла Брайтона. Это изобретение является новым способом «регенерации» для составляющего цикла Брайтона, согласно которому с помощью тепловой энергии, передаваемой «тепловым насосом» UAX (200), регенерируют часть пара энергетического цикла.
3) Сокращение механической работы сжатия в составляющем цикле Брайтона. В энергетическом цикле UAX (200) достигает эффекта, эквивалентного эффекту сжатия пара, поскольку процесс передачи тепловой энергии, выполняемый тепловым насосом, подразумевает конденсацию пара при давлении окружающей среды (с поглощением тепла «низкотемпературным источником»), чтобы позже снова производить пар при более высоком давлении (с высвобождением тепла «высокотемпературным источником») в другой точке того же цикла.
2
4) Уменьшение воздействия на окружающую среду. В этом изобретении процесс удаления двуокиси углерода выполняется по своей природе в связи с тем, что функционирование самого комбинированного цикла избавляется от этого газа продукта сгорания в конкретной точке комбинированного цикла - элементе (107). Путем интеграции теплового насоса UAX (200) в полузамкнутый комбинированный цикл настоящего изобретения добиваются полной конденсация теплопередающей среды (воды), оставляя свободным только CO. С помощью этого способа комбинированный цикл этого изобретения не выпускает газов никакого типа от сгорания непосредственно в атмосферу.
Общий эффект, достигаемый благодаря соединению теплового насоса UAX (200) с составляющим циклом Брайтона, эквивалентен сжатию его теплообменного газа в том смысле, что, начиная с газообразной текучей среды, которую он содержит при низких давлении и температуре, проводят процесс (регенерации), который выдает эту же газообразную текучую среду, но при более высоких давлении и температуре. Ключевое отличие состоит в том, что для получения этой сжатой текучей среды вместо механических средств применяют тепловой насос. Применение теплового насоса для генерирования сжатого пара дополнительно обеспечивает явное экологическое преимущество в сравнении с другими способами, основанными на использовании углеводородов как топлива на современном уровне техники, поскольку он привносит захват неконденсирующихся газов от сгорания, эмиссия которых влечет за собой вредные эффекты для окружающей среды.
2
2
2
2
2
2
2
При условии, что в полузамкнутом цикле со сжиганием в кислороде используют разновидности топлива, будет производиться CO, который сопровождает водяной пар, пока он не охлаждается низкотемпературным источником теплового насоса. Весь этот CO, который получают концентрированным и в газообразном состоянии, удаляют из энергетического цикла, когда весь водяной пар, содержащийся в нем, конденсируется. Захват CO, генерируемого в камерах сгорания комбинированного цикла, происходит как прямое следствие работы оборудования цикла, и ни в коем случае не проводится никакая специальная процедура для «захвата» CO: то есть, даже если бы захват CO не представлял интереса для защиты окружающей среды, цикл бы работал тем же образом и захваченный CO можно было бы выпускать прямо в атмосферу. В этом цикле захват CO является преимуществом и не является вариантом.
2
2
Это означает, что захват CO происходит по своей природе в энергетическом цикле как прямое следствие регенерирования составляющего цикла Брайтона с помощью теплового насоса. При таком способе никакая другая дополнительная процедура для удаления CO от сгорания в этом комбинированном цикле не нужна.
КОНКРЕТНЫЕ ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ УСТАНОВКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для успешного максимального улучшения производительности необходимо, чтобы комбинированный цикл этого изобретения содержал ряд дополнительного оборудования.
С целью повышения общего КПД комбинированного цикла комбинированные циклы в соответствии с фиг. 2, 3 и 4 в основном обеспечивают четыре типа усовершенствований относительно основного цикла, показанного на фиг. 1:
1. Увеличение давления в основном источнике (101) тепла. Этого добиваются путем повышения давления пара, регенерируемого в ребойлере (113), и для этого предусматривают один или более дополнительных этапов механического сжатия с использованием определенных компрессоров (115) и (117). Этот процесс сжатия выполняют в несколько этапов с промежуточным охлаждением, с применением обменника, сформированного из элементов (116) и (118).
- 2. Увеличение температуры пара, поступающего в турбину ТВД (122). Этого добиваются путем предоставления дополнительного вспомогательного источника (132) тепла, который повышает энтальпию пара составляющего главного цикла Рэнкина.
- 3. Использование части тепла, содержащегося в отходящих газах из турбины ВТТ (102), для промышленных применений, не связанных с энергетическим циклом. Таким образом механическую и полезную тепловую энергия получают одновременно в процессе, который известен как «когенерация».
- 4. Повторное использование части тепла, которое высвобождается на теплоотводе. Оказывается возможным успешно улучшить производительность комбинированного цикла этого изобретения, когда теплоотвод состоит из рекуперационного контура, который генерирует пар в другом вторичном цикле Рэнкина при более низком давлении, чем составляющий главный цикл Рэнкина. Чтобы достичь этого, в настоящем изобретении предлагается четыре разных типа конфигураций (представлены на фиг. 2, 3, 4 и 6).
Эти четыре типа усовершенствований для комбинированного цикла являются полностью взаимно совместимыми. Тем не менее, в отношении четвертого типа усовершенствований, указанных выше, следует отметить, что существуют разные методы повторного использования тепла, высвобождаемого основным отводом цикла - конденсаторным элементом (128), представленным на фиг. 1 - заменяя его вторичным циклом Рэнкина таким образом, чтобы использовать часть захватываемого тепла для преобразования его в работу с использованием турбины ТНД (127), и таким образом, чтобы конденсатор этого вторичного цикла Рэнкина продолжал выполнять обязательную роль «отвода» для тепла комбинированного энергетического цикла. Существует четыре разных конфигурации комбинированного цикла, в зависимости от того, как интегрирован вторичный цикл Рэнкина. Эти три конфигурации соответствуют фиг. 2, 3, 4 и 6 соответственно. Каждая из этих конфигураций состоит из конкретного оборудования и элементов, подробно описанных далее, где особенности каждой конфигурации изложены отдельно.
Для осуществления первых трех типов усовершенствований комбинированный цикл настоящего изобретения спроектирован так, чтобы включать ряд дополнительных элементов оборудования. Важно подчеркнуть, что дополнительное оборудование - это то, которое не образует часть основного главного цикла, и оно спроектировано так, чтобы работать для реализации разных версий комбинированного цикла, которые являются более эффективными и обеспечивают дополнительные преимущества сверх тех, которые дает основная конфигурация согласно фиг. 1.
Четвертый тип усовершенствования, упомянутый выше, основан на частичном повторном использовании тепла, высвобождаемого в теплоотводе, на месте которого содержится вторичный цикл Рэнкина. Это изобретение предусматривает четыре типа конфигураций, в зависимости от того, как вторичный цикл Рэнкина интегрирован в комбинированный цикл. Каждая из этих конфигураций требует своего собственного дополнительного оборудования, как сейчас будет детально описано.
Дополнительное оборудование, составляющее разные версии комбинированного цикла согласно этому изобретению, является следующими:
115: Первый компрессор водяного пара. Этот компрессор (115) выполняет первый этап сжатия водяного пара из конденсационного элемента (114) теплообменника. Кроме того, в тех случаях, в которых проект установки это предусматривает, существует возможность, что некоторое количество пара, генерируемого в элементе (112), сжимается в первом дополнительном этапе компрессора (115). В этом конкретном случае этот первый дополнительный этап в компрессоре (115) требуется, поскольку давление этого пара, генерируемого в этом элементе (112), всегда ниже, чем давление пара, поступающего в компрессор (115) из элемента (114).
Термодинамическая производительность энергетического цикла возрастает, когда повышается давление в турбине ВТТ (102), и этого добиваются путем повышения давления пара, поступающего в основной источник (101) тепла. Для того, чтобы водяной пар достигал основного источника (101) тепла при более высоком давлении, чем давление пара, генерируемого в ребойлере (113), можно использовать дополнительные механические средства. Для этого предусмотрен компрессор (115), который повышает давление водяного пара, выходящего со стороны обменника (114), применяющий механическую работу, получаемую с передаточного вала (130) установки.
Когда пар сжимается, это повышает температуру (вследствие эффекта Джоуля-Томсона), хотя процесс механического сжатия является более эффективным, когда сжимаемый газ является более холодным. Вывод, следующий из этого, заключается в том, что термодинамическая производительность процесса сжатия больше, когда он выполняется в несколько этапов. По этой причине пар, выходящий из компрессора (115), отправляют для охлаждения в элемент (116) теплообмена перед выполнением следующего этапа сжатия.
Охлаждающий обменник для пара между этапами сжатия, состоящий из элементов (116) и (118):
116: Корпусная сторона охлаждающего обменника для пара между этапами сжатия. Этот элемент (116) вместе с элементом (118) теплообмена образует теплообменник. Выходной пар из компрессора (115) охлаждается посредством циркуляции через элемент (116) перед прохождением в следующий компрессор (117), чтобы улучшать механический КПД этого оборудования. Внутри него расположен элемент (118) теплообмена, через который циркулирует конденсат, получаемый из нижней части элемента (114), служащий хладагентом.
118: Охлаждающий элемент для пара между этапами сжатия. Этот элемент (118) теплообмена вместе с элементом (116) теплообмена образует теплообменник. Этот теплообменник (116/118) будет существовать всегда, при условии наличия второго компрессора (117) в каскаде с первым (115). В случае, если установка не имеет компрессора (117), обменник (116/118) является необязательным.
Элемент (118) теплообмена представляет собой змеевик или любой другой элемент теплообмена, через который циркулирует вода, которая служит хладагентом для охлаждения пара между последовательными этапами механического сжатия, выполняемыми компрессорами (115) и (117). Насос (129) для конденсата продвигает воду, которая циркулирует через этот элемент (118) теплообмена, и течение, выходящее из него, отправляют в основной источник (101) тепла.
117: Оконечный компрессор водяного пара. Представляет собой еще один дополнительный компрессор, соединенный последовательно с предыдущим компрессором (115). Этот компрессор (117) получает охлажденный пар из элемента (116), и из него пар выходит под давлением, достаточным для питания основного источника (101) тепла.
Очевидно, что также можно сжимать пар с использованием только одного парового компрессора и проводить эту операцию всего в один этап. Поэтому существует вариант не использовать этот дополнительный паровой компрессор (117), но, если он существует, он всегда будет соединен последовательно с компрессором (115) после промежуточного охлаждающего обменника (116/118).
131: Вспомогательный элемент теплообмена для предварительного нагрева топлива и вещества для поддержки горения (перед их вхождением в камеры сгорания). Это комплект труб, змеевик или другой элемент теплообмена, через который циркулирует вспомогательная текучая среда, необязательно расположенный, согласно конкретным проектным требованиям установки, после некоторого испарительного элемента (125) низкого давления или внутри конденсационного элемента (114) теплообмена, и из которого она поглощает тепло, используемое для предварительного нагрева по отдельности как топлива, так и вещества для поддержки горения выше условий их подачи до температуры, при которой их отправляют в камеры сгорания со сжиганием в кислороде.
Кроме использования для предварительного нагрева топлива и вещества для поддержки горения комбинированного цикла тепло из змеевика (131) может предназначаться для любого другого применения, независимого от энергетического цикла, и в этом случае и для всех целей это подразумевается как «когенерация».
132: Вспомогательный источник тепла. Когда вспомогательный источник (132) тепла имеется, он расположен непосредственно после комплекта труб испарителей и перегревателей (121) для пара на выходе из РКК (103) и его задачей является увеличение энтальпии пара в составляющем главном цикле Рэнкина, чтобы он поступал в турбину ТВД (122) с более высоким уровнем перегрева.
Когда комбинированный цикл является «замкнутым», вспомогательный источник (132) тепла состоит из дополнительного теплообменника, который получает тепло из внешнего источника. Когда комбинированный цикл является «полузамкнутым», вспомогательный источник (132) тепла может быть дополнительной камерой сгорания со сжиганием в кислороде, которая работает при более высоком давлении, чем основной источник (101) тепла.
133: Элемент теплообмена для когенерации. Он содержит трубчатый рекуперационный контур для использования во внешних приложениях когенерации за пределами энергетического цикла. Поэтому он работает посредством циркуляции текучей среды, независимой от остальной части установки.
Элемент (133) теплообмена представляет собой дополнительный источник тепла, посредством которого тепло высвобождается за пределы комбинированного цикла, но оно считается полезным теплом, находящим промышленное применение. Действительно, считается, что тепловая энергия, извлекаемая из энергетического цикла элементом (133) теплообмена, выходит при температуре, достаточной для ее применения в разных типах обычных промышленных процессов, в диапазоне, который может находиться между 175°C и 600°C, в зависимости от проекта установки.
В некоторых случаях, в зависимости от переменных давления и температуры, с которыми спроектирован цикл, требуется, чтобы элемент (133) теплообмена извлекал тепло из РКК (103) так, чтобы он мог постоянно устанавливать энергетический баланс цикла (особенно когда комбинированный цикл имеет два источника тепла).
В соответствии с обязательными требованиями, связанными с необходимостью установления энергетического баланса, количество выводимого из цикла в форме когенерации тепла определяется потребностями комбинированного цикла, а не потребностью в тепле со стороны какого-либо оборудования внешнего потребления, если только в комбинированном цикле нет какой-либо дополнительной внутренней системы, позволяющей ему модифицировать свой энергетический баланс.
Независимо от того, имеется или нет змеевик (133) когенерации для извлечения тепла из РКК (103), комбинированный цикл этого изобретения может содержать «вспомогательную систему сброса тепла», выполненную из двух дополнительных элементов оборудования - промежуточного перегревателя (134) и турбины ТСД (135), - которые предусмотрены для установления энергетического баланса, который в установке необходимо поддерживать постоянно, сокращая количество пара, поступающего к источникам тепла (101) и (132), а следовательно и в РКК (103). Другими словами, можно уменьшить тепло путем модификации внутреннего функционирования цикла, а не вынужденного выброса тепла во внешнюю среду.
«Вспомогательная система сброса тепла» образована устройством извлечения пара на выходе турбины ТВД (122), которое осуществляет циркуляцию через промежуточный перегреватель (134), затем через турбину ТСД (135) и наконец повторно вводит выходной пар в оконечную секцию РКК (103).
«Вспомогательная система сброса тепла» применяется в качестве способа смягчения нарушения энергетического баланса, которое возникает во время обычной работы комбинированного цикла или даже изменений нагрузки.
Для определенных проектных конфигураций, особенно в тех случаях, когда доступны два источника (101) и (132) тепла, это оборудование может становиться обязательным.
Во «вспомогательной системе сброса тепла» в качестве рабочей текучей среды применяется одна часть водяного пара, принадлежащая составляющему главному циклу Рэнкина, так что, когда она имеется, то считается его частью.
134: Вспомогательный промежуточный перегреватель составляющего главного цикла Рэнкина. Промежуточный перегреватель (134) находится внутри самого РКК (103) и состоит из трубчатого контура, который нагревает пар, извлекаемый из выхода турбины (122), и сразу же отправляет его во вспомогательную турбину ТСД (135).
135: Вспомогательная турбина среднего давления ТСД составляющего главного цикла Рэнкина. Функция этой паровой турбины состоит в генерировании работы после цикла составляющий главный цикл Рэнкина.
Турбина ТСД (135) получает пар из выхода турбины ТВД (122) после того, как он был перегрет в промежуточном перегревателе (134) для увеличения механического КПД.
Она характеризуется тем, что является турбиной, которая работает при давлении более низком, чем у турбины ВТТ (102), и более высоком, чем у турбины ТНД (127), так что ее обозначают по начальным буквам как ТСД (турбина среднего давления). Эта турбина работает при обратном давлении, другими словами, выполняет частичное расширение пара, так что на выходе имеется достаточное давление для того, чтобы вводить пар в некоторой точке РКК (103) (где температура пара, поступающего в канал, и температура газов, циркулирующих через канал, совпадают).
Для того, чтобы определенные высокоэффективные проекты энергетического цикла могли работать в соединении с малоэффективными тепловыми насосами UAX, без необходимости передавать потери во внешнюю среду, нужно, чтобы дополнительное течение водяного пара выходило из элемента (112) (при давлении выше атмосферного).
Таким образом, энергетический цикл может преобразовывать это количество избыточного тепла, передаваемого ему посредством UAX, в некоторое количество пара.
Существует вариант отправки этого пара, генерируемого в элементе (112), непосредственно в компрессор (115). Этот вариант не требует рассмотрения никакого дополнительного оборудования, а только требуется обеспечить компрессор (115) средствами для выполнения первого дополнительного этапа сжатия с целью выравнивания давления пара, поступающего из элемента (114).
Конфигурация 2 и конфигурация 3 являются наиболее соответствующими для проекта комбинированных циклов со сжиганием в кислороде, в которых в дополнение к водороду используются другие возможные разновидности топлива, содержащие углерод, поскольку их сжигание порождает диоксид углерода. Наличие этого газа требует, чтобы вторичный цикл Рэнкина был независимым от остальной части энергетического цикла, поскольку неконденсирующиеся газы не дают достигать «вакуумных» давлений, необходимых для экономичной работы. В этих конфигурациях комбинированного цикла, содержащих независимый вторичный цикл Рэнкина, существует вероятность, что этот цикл Рэнкина может использовать теплопередающие среды, отличающиеся от воды, как, к примеру, органические циклы Рэнкина (ОЦР), в которых в качестве теплопередающей среды используются органические текучие среды.
Пар, генерируемый в этом независимом вторичном цикле Рэнкина, всегда работает при давлении ниже давления составляющего главного цикла Рэнкина, поскольку его температура сильно отличается. С помощью пара, производимого во вторичном цикле Рэнкина, приводится в движение турбина ТНД (127), и это предоставляет дополнительную работу на передаточный вал (130) комбинированного цикла. После этого пар, выходящий из этой турбины ТНД (127), проходит в конденсатор (128), который на самом деле выполняет функцию теплоотвода, так что получаемый в результате комбинированный цикл теряет энергию, передавая ее во внешнюю среду. Конденсат, получаемый в нижней части конденсатора (128), последовательно продвигается насосом (123) в экономайзер (124), испаритель (125) и перегреватель (126), после чего возвращается в турбину (127) и таким образом замыкает цикл. Когда установка имеет перегреватель (136) и турбину (137) для регенерированного пара, существует обходная линия, по которой этот дополнительный пар после насоса (123) для конденсата возвращается, чтобы питать цикл Брайтона и главный цикл Рэнкина.
Конфигурация 2
Установка настоящего изобретения согласно дополнительным вариантам осуществления, соответствующая конфигурации 2, показанной на фиг. 2, характеризуется следующим:
- Она содержит независимый вторичный цикл Рэнкина, который использует свою собственную теплопередающую среду, независимо от остальной части энергетического цикла.
- Рекуперационный канал РКК (103) работает при давлении выше атмосферного.
- Конденсация пара происходит в оконечном участке РКК (103), где температура газов ниже.
Режим работы установки согласно конфигурации 2 состоит в основном в предоставлении испарительного контура, принадлежащего независимому циклу Рэнкина, во внутренней части рекуперационного канала РКК (103). Этот испарительный контур генерирует свой пар с помощью тепла от конденсации, которая происходит в оконечном участке РКК (103), где температура ниже. Конденсированная вода, полученная в нижней части этого РКК (103), отправляется во внешний обменник (108/124), где тепло, содержащееся в конденсате, передается в экономайзер (124) вторичного цикла Рэнкина.
Конфигурация 2 включает все элементы конфигурации 1 и, в дополнение, следующее:
108: Корпусная сторона экономайзерного обменника вторичного цикла Рэнкина. Элемент (108) образует теплообменник вместе с экономайзером (124). Через элемент (108) теплообмена циркулирует конденсат, собранный или из нижней части рекуперационного канала РКК (103), или из нижней части канала (105), в соответствии с рассматриваемым проектом, передавая тепло в экономайзер (124) вторичного цикла Рэнкина.
124: Экономайзер вторичного цикла Рэнкина. Вместе с элементом (108) теплообмена он составляет теплообменник. Экономайзер (124) представляет собой элемент теплообмена вторичного цикла Рэнкина, размещенный внутри элемента (108) теплообменника, из которого он получает тепло, поднимая температуру конденсата (чтобы привести ее близко к его точке кипения), который он возвращает в конденсатор (128), продвигая посредством питательного насоса (123) вторичного цикла Рэнкина.
123: Питательный насос (низкого давления) вторичного цикла Рэнкина. Это насос, который продвигает теплопередающую среду из конденсатора (128) в экономайзер (124) вторичного цикла Рэнкина.
125: Испаритель (низкого давления) вторичного цикла Рэнкина. Это элемент теплообменника, предусмотренный, согласно конфигурации 2, в последнем участке рекуперационного канала (103), из которого он получает тепло конденсации. Его задача заключается в получении текучей среды из экономайзера (124) и преобразование его в пар для вторичного цикла Рэнкина.
Когда установка спроектирована согласно конфигурации 5, испаритель (125) вторичного цикла Рэнкина может быть разделен на две секции, соединенных параллельно.
126: Перегреватель (низкого давления) вторичного цикла Рэнкина. Это элемент теплообмена, предусмотренный внутри рекуперационного канала РКК (103) и задача которого состоит в том, чтобы поднимать температуру пара, генерируемого в испарительном элементе (125) вторичного цикла Рэнкина перед его поступлением в турбину ТНД (127).
127: Турбина низкого давления (ТНД) вторичного цикла Рэнкина. Это турбина вторичного цикла Рэнкина, которая передает дополнительную механическую работу на передаточный вал (130). Турбина ТНД (127) получает пар из перегревателя (126), и выходной пар отправляют в конденсатор (128), который действует как теплоотвод для комбинированного цикла.
Необязательно конфигурация 2 может включать все элементы, упомянутые выше в разделе под названием «Конкретные варианты осуществления установки настоящего изобретения».
Конфигурация 3
Установка настоящего изобретения согласно дополнительным вариантам осуществления, соответствующая конфигурации 3, показанной на фиг. 2, характеризуется следующим:
- Она содержит независимый вторичный цикл Рэнкина, который использует свою собственную теплопередающую среду, независимо от остальной части энергетического цикла.
- Рекуперационный канал РКК (103) работает при давлении окружающей среды.
- В РКК (103) конденсация пара отсутствует, если только для этой цели не предусмотрен независимый конденсационный канал (105).
- Она содержит вентилятор (104), который извлекает газы из РКК (103) и сжимает их так, что конденсационный канал (105) работает при более высоком давлении, чем давление на выходе из РКК (103).
Фундаментальное отличие относительно конфигурации 2 состоит в том, что в своей работе в конфигурации 3 рекуперационный канал РКК (103) работает при более низком давлении (генерируя большее количество работы на турбине ВТТ (102) и делая температуру газов на входе в РКК (103) ниже) и затем, посредством вентилятора (104), газы, выходящие из этого канала, сжимают для увеличения температуры конденсации пара и таким образом увеличения рабочего давления вторичного цикла Рэнкина. Успешно передавая тепло при более высокой температуре во вторичный цикл Рэнкина, это увеличивает механическую работу, генерируемую турбиной ТНД (127).
Эта конфигурация 3 включает, в дополнение ко всем элементам, содержащимся в конфигурации 2, следующее:
104: Вентилятор. Это вентилятор со всасываемым потоком воздуха, расположенный на выходном отверстии для газов рекуперационного канала (103), который отделяет зону конденсации рекуперационного канала РКК (103), располагая ее в независимом конденсационном канале (105). Вентилятор (104) производит повышение давления пара, втягиваемого РКК (103), путем повышения температуры насыщения этого пара. Это увеличение температуры насыщения пара на стороне канала (105) означает, что пар вторичного цикла Рэнкина может быть сгенерирован при более высокой температуре, что приводит к повышению эффективности.
При условии, что установка имеет вентилятор (104), испаритель (125) вторичного цикла Рэнкина может быть разделен на две секции, работающие параллельно, одна из которых расположена в канале (105), а другая в канале (103) после экономайзера (120). Эта конструктивная альтернатива возможна в любой из конфигураций 2, 3 и 5, хотя она представлена только в конфигурации 5 (фигура 6).
105: Независимый конденсационный канал. Это участок рекуперационного канала, в котором конденсируется водяной пар, содержащийся в газовой фазе, выходящей из РКК (103) и продвигаемой вентилятором (104).
В отличие от того, что происходит в конфигурации 2, в конфигурации 3 испаритель (125), принадлежащий вторичному циклу Рэнкина, расположен внутри участка конденсационного канала (105), с помощью которого производится обмен теплом конденсации для генерирования пара вторичного цикла Рэнкина.
Когда цикл спроектирован согласно конфигурации 5, испаритель (125) состоит из двух секций, работающих параллельно: одна в канале (103), а другая в канале (105).
Конфигурация 4
Установка настоящего изобретения согласно дополнительным вариантам осуществления, соответствующая конфигурации 4, показанной на фигуре 4, характеризуется следующим:
- Она содержит вторичный цикл Рэнкина, в котором используется теплопередающая среда, общая с остальной частью энергетического цикла.
- Вторичный цикл Рэнкина не имеет экономайзеров, испарителей или перегревателей.
- Тепло, отправляемое в турбину ТНД (127), получают непосредственно путем его извлечения из рекуперационного канала РКК (103).
- Конденсат, получаемый из вторичного цикла Рэнкина, применяют непосредственно как питательную воду для остальной части комбинированного цикла.
2
Конфигурация 4 представляет собой проектное упрощение комбинированного цикла, в котором пар, циркулирующий через комбинированный цикл, также используется как текучая среда вторичного цикла Рэнкина, что является возможным, всегда при условии, что в любой точке комбинированного цикла отсутствует CO или другие неконденсирующиеся газы. Это происходит только тогда, когда установка спроектирована для работы в замкнутом цикле и когда единственным возможным топливом является водород.
Следует сказать, что водород может быть использован как топливо в любой из возможных конфигураций комбинированного цикла, но, когда водород используется как единственное топливо, предпочтительно использовать эту проектную версию (как показано на фиг. 1), поскольку она проще и может быть более эффективной.
В этой конфигурации 4 энергетического цикла вторичный цикл Рэнкина работает с той же текучей средой, что и остальная часть комбинированного цикла. Пар вторичного цикла Рэнкина согласно этой конфигурации 4 получают из течения, извлекаемого непосредственно из канала РКК (103), который направляют непосредственно в турбину ТНД (127) вторичного цикла Рэнкина, а с другой стороны конденсат, получаемый из конденсатора (128), возвращают непосредственно для питания остальной части комбинированного цикла с использованием насоса (109). Прямым следствием этого является то, что в этой проектной версии нет элементов теплообмена, генерирующих свой собственный пар: то есть нет ни экономайзера (124), ни испарителя (125), ни перегревателя (126).
В этой конфигурации также не содержится питательный насос (123) вторичного цикла Рэнкина, поскольку насос (109) возвращает конденсат непосредственно из конденсатора (128) в качестве питательной воды для остальной части комбинированного цикла.
Когда полузамкнутый цикл реализован с использованием водорода как топлива в соответствии с конфигурацией 4, вода является единственным продуктом, получаемым от сгорания, и выводится из цикла в жидкой форме из этой линии обратной подачи конденсата (так же, как это происходит в остальных конфигурациях).
Когда замкнутый цикл реализован в соответствии с конфигурацией 4, отсутствуют камеры сгорания, которые непрерывно подают вещество в комбинированный цикл, и поэтому также из него непрерывно и не получают никакой тип остатка.
2
В свете этого единственным оборудованием комбинированного цикла, через которое может происходить циркуляция CO, является:
2
2
Когда основной источник (101) тепла состоит из камеры сгорания (некоторого топлива, отличного от H): сама камера (101) сгорания, турбина ВТТ (102), РКК (103), конденсационный элемент (106) обмена и, наконец, элемент (107), из которого CO удаляется из цикла.
2
Когда в энергетическом цикле есть другая камера сгорания, играющая роль вспомогательного источника (132) тепла, в дополнение ко всему оборудованию, перечисленному ранее, циркуляция CO имеется через вспомогательную камеру (132) сгорания, турбину ТВД (122), промежуточный перегреватель (134) и турбину ТСД (135), учитывая, что энергетический цикл может также включать последние два необязательные элемента.
2
Когда энергетический цикл реализован согласно конфигурации 3, в дополнение к указанному выше оборудованию имеется циркуляция CO через вентилятор (104) и конденсационный элемент (105) обмена.
Согласно дополнительной альтернативе этот пар, генерируемый в элементе (112), может переноситься во вторичный цикл Рэнкина для расширения в итоге в турбине ТНД (127).
Эта возможность соответствует дополнительным вариантам осуществления с конфигурацией 5, показанным на фиг. 6,
Конфигурация 5 является предпочтительным вариантом осуществления этого изобретения, поскольку она является наиболее полной и содержит все элементы, из которых состоит это изобретение, независимо от того, считаются ли эти элементы обязательными или необязательными. Она позволяет реализовать как замкнутый, так и полузамкнутый циклы, использующие любые разновидности топлива, которые могут применяться в остальных конфигурациях.
Конфигурация 5 содержит все элементы конфигурации 3 и дополнительно требует двух специальных элементов оборудования:
136: Перегреватель для пара, генерируемого в элементе (112). Этот элемент (136) состоит из змеевика, расположенного внутри РКК (103), который получает насыщенный пар из элемента (112) и чья задача состоит в повышении его температуры так, что он затем может расширяться в другой турбине (137) перед поступлением во вторичный цикл Рэнкина.
137: Турбина для пара, генерируемого в элементе (112). Эта турбина (137) состоит из дополнительной турбины, давление выходного пара которой соответствует давлению и температуре пара, поступающего в турбину ТНД (127). Когда он расширяется в турбине (137), пар генерирует дополнительную работу, которая передается на общий передаточный вал (130), и выход этой турбины соединен с входом в турбину ТНД (127) для продолжения расширения вместе с паром вторичного цикла Рэнкина из перегревателя (126).
Для установления необходимого баланса вещества, каждый раз когда дополнительный пар вводится во вторичный цикл Рэнкина, требуется, чтобы существовала обходная линия в нагнетательной линии насоса (123), которая возвращает этот поток для питания составляющего главного цикла Рэнкина в форме воды в жидком состоянии.
Во всех случаях, в которых установка имеет перегреватель (136) и турбину (137) для регенерированного пара, имеется обходная линия ко втягивающему каналу насоса (109) после нагнетательной линии насоса (123) для конденсата.
Для работы компрессора (115) согласно этой конфигурации 5, показанной на фиг. 6, необходимо, чтобы этот компрессор (115) имел дополнительный первый этап сжатия для повышения давления пара, поступающего в него из элемента (112), и его выравнивания с давлением пара, поступающего в компрессор (115) из элемента (114).
Установка согласно настоящему изобретению, какова бы ни была ее проектная конфигурация, может быть энергетически соединена с внешней средой только посредством:
- источников (101) и (132) тепла, как единственных возможных точек поступления энергии в комбинированный цикл;
- точек, посредством которых энергия покидает цикл, в дополнение к неизбежным прямым потерям: тепла, уходящего через отвод (128), полезной механической работы, получаемой с передаточного вала (130), и полезного тепла, получаемого для «когенерации».
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАКСИМАЛЬНОЙ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ УСТАНОВКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ В ПОЛУЗАМКНУТОМ ЦИКЛЕ
Максимальную теоретическую производительность установки, генерирующей полезную энергию из тепловой энергии из разновидности топлива согласно настоящему изобретению, можно оценить очень просто и приблизительно с использованием следующего способа:
В качестве примера, расчет теоретической производительности цикла настоящего изобретения, в котором как топливо применяется только чистый водород, выполняют с учетом следующих рассуждений:
- считается, что «полезная энергия», производимая установкой, является суммой тепла, получаемого из РКК (103) для применения, внешнего относительно цикла, в форме «когенерации» посредством элемента (133), и полезной механической работы, выходящей из комбинированного цикла через его передаточный вал (130);
- полагают, что «прямые потери» отсутствуют и комбинированный цикл теряет тепловую энергию только через конденсатор (128), который выполняет функцию теплоотвода;
- расчеты выполняют в отношении 1 кг конденсата в возвратной линии, где:
- «X» удельное топливо: количество кг топлива, сжигаемого на каждый 1 кг «возвратного конденсата» воды, который возвращается в цикл после вакуумного конденсатора (128);
2
- «PCS» наибольшая теплотворная способность H, значение которой полагают равным 142 200 кДж/кг;
2
- «PCI» наименьшая теплотворная способность H, значение которой полагают равным 120 240 кДж/кг;
H2O
2
2
«PCS» определяют как наибольшую теплотворную способность удельного топлива (на каждый генерируемый 1 кг воды), полагая, что в реакции горения на каждый сжигаемый 1 кг H стехиометрически формируется 9 кг HO, так что:
H2O
генерируемой H2O
PCS = 15800 кДж/кг
H2O
генерируемой H2O
PCI = 13 360 кДж/кг
VC
H2O
H2O
«ΔH» определяют как удельный скачок энтальпии конденсации пара в теплоотводе (128), учитывая расчет для вымышленного теоретического конденсатора, реализующего скачок энтальпии конденсация пара, совпадающий с разностью между PCS и PCI, тогда:
VC
H2O
H2O
H2O
ΔH = PCS - PCI = 2440 кДж/кг
V
2
«M» определяют как количество «конденсированного» пара в теплоотводе (128); это количество будет равно 1 кг воды, возвращаемой в цикл, плюс количество воды, формирующейся при сжигании H (X) и которую необходимо удалить из цикла:
V
H2O
M = 1 + X (кг)
«Потери энергии» определяют как энергию, удаляемую в конденсаторе (128):
V
VC
VC
H2O
H2O
Потери энергии = M * ΔH = (1 + X) * (ΔH) = (1 + X) * (PCS - PCI)
H2O
Потери энергии = (1 + X) * 2440 кДж/кг
«Полезную энергию» цикла определяют с учетом того, что «энергия, поступающая в цикл, равняется энергии, выходящей из цикла».
Полезная энергия = Энергия сгорания - Тепло, выводимое в отводе (128)
H2O
H2O
H2O
Полезная энергия (кДж/кг) = (X * PCS) - 2440 * (1+X) = X * (PCS - 2440) - 2440
H2O
H2O
Полезная энергия (кДж/кг) = (X * PCI) - 2440
PCS
Производительность установки «η» относительно PCS определяют из уравнения:
PCS
η =  =
PCS
η =  -  *
H2O
H2O
Заменяя PCS и PCI их численными значениями:
PCS
η =  -  *
PCS
η = 0,8456 - 0,1544 *
PCI
Производительность установки «η» относительно PCI, которую обычно используют как эталон, задается выражением:
PCI
η =  =
PCS
η =  -  *
H2O
Заменяя PCI его численным значением:
PCI
η = *
PCS
η = 1 - 0,01826 *
PCS
PCI
Два завершающих уравнения для производительности η и η дают очень приблизительный результат для производительности комбинированного энергетического цикла настоящего изобретения. Хотя и правда, что они не являются строго точными, эти выражения приводят к следующему выводу: производительность комбинированного цикла настоящего изобретения изменяется вместе со сжигаемым удельным топливом. То есть производительность цикла возрастает, когда возрастает удельное потребление топлива в цикле.
Однако невозможно увеличивать удельное потребление топлива, если не выполняется ряд фундаментальных термодинамических ограничений, которые прямо наложены на комбинированный цикл.
Одним из этих фундаментальных ограничений является то, что в комбинированном цикле обязательным является выполнение принципа сохранения энергии, согласно которому энергия, поступающая в комбинированный цикл, всегда равна энергии, выходящей из него. Согласно этому принципу увеличение удельного потребления топлива может означать, в зависимости от проектных параметров энергетического цикла, избыток тепловой энергии, который не может быть захвачен испарителем и перегревателем (121) составляющего главного цикла Рэнкина, в этом случае будет необходимо предусмотреть некоторый способ удаления тепла во внешнюю среду и/или некоторый путь для сокращения поступления тепла в РКК (103).
Некоторые из вариантов осуществления комбинированного цикла, описанные ранее, которые должны обязательно выводить одну часть тепла наружу комбинированного цикла, могут содержать элемент (133) теплообмена для выполнения этой функции выведения тепла во внешнюю среду, но делать это при температуре, достаточной, чтобы оно было применимым для удовлетворения потребностей в тепле определенных промышленных процессов, таким образом представляя собой процедуру «когенерации».
В некоторых ситуациях, в которых обязательно сокращать поступление тепла в РКК (103), которые могут происходить в особенности в переходные моменты или при изменениях нагрузки, конфигурации энергетического цикла могут содержать «систему сброса пара» на выходе из турбины ТВД (122), которая сокращает количество пара, поступающего в источники (101) и (132) тепла, а значит и поступающего в РКК (103). Такая система сброса пара содержит промежуточный перегреватель (134) и вспомогательную турбину ТСД (135), чей выходной пар в итоге вводится в некоторой точке оконечного участка РКК (103). Следует отметить, что эта система сброса пара в источники тепла не представляет собой никакого усовершенствования относительно механической производительности комбинированного цикла, хотя она может быть очень полезной для обеспечения возможности модулирования и изменения нагрузки в установке и, кроме того, она делает возможными определенные проектные конфигурации комбинированного цикла с двойным источником тепла и очень высоким выходом полезной энергии.