Установка для выработки электрической энергии при утилизации теплоты дымовых и выхлопных газов
INSTALLATION FOR ELECTRICAL ENERGY GENERATION FOR UTILIZATION OF HEAT OF SMOKE AND EXHAUST GASES

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к малой энергетике в системах утилизации вторичных энергоресурсов, а именно к установкам на низкокипящем рабочем веществе для выработки электрической энергии при утилизации теплоты газов.
Уровень техники
В условиях быстрого роста цен на органическое топливо энергосбережение во всех отраслях промышленности является важнейшим фактором снижения себестоимости производства продукции и повышения ее конкурентоспособности. Основные направления энергосбережения: утилизация энергии промышленных предприятий; создание простых и надежных энергетических установок для производства тепловой и электрической энергии, работающих на местных видах топлива; повышение коэффициента использования теплоты топлива в энергетических установках. Решение перечисленных проблем сдерживается отсутствием на энергетическом рынке установок, позволяющих эффективно утилизировать тепловую энергию.
В энергетических установках, утилизирующих теплоту, применяются низкокипящие рабочие тела (НРТ), которые имеют достаточно высокие давления насыщенных паров при низких температурах и поэтому давно привлекают внимание разработчиков в различных областях энергетики и, в частности, в геотермальной энергетике (см. [1] Перспективы применения энергетических установок с низкокипящими рабочими телами. Гринман М.И. к.т.н., Фомин В.А. к.т.н., г. Санкт-Петербург, Журнал «Новости теплоснабжения» №7, 2010 г.). В качестве НРТ применяют фреоны, водный раствор аммиака, пентан, изопентан, бутан, изобутан, R245fa (пентафторпропан) и др. При выборе НРТ необходимо выполнять ряд требований: дешевизна рабочего тела; хорошие теплофизические свойства (максимум работы при минимальных параметрах); нетоксичность; отсутствие экологического воздействия на окружающую среду (озоновый слой, парниковый эффект); замерзание при достаточно низких отрицательных температурах, что важно для климатических условий северных регионов.
Область применения таких установок с НРТ достаточно широка. В различных отраслях промышленности применяются сотни промышленных печей со сбросом горячих газов в атмосферу. В таких промышленных установках можно использовать теплоту уходящих газов в водогрейных или паровых котлах, из которых нагретую воду или пар подают в контур с НРТ для выработки электроэнергии, или напрямую нагревают НРТ в утилизационном котле (без проводного контура).
На магистральных газопроводах установлены сотни газотурбинных компрессорных станций со сбросом горячих газов в атмосферу. Такие газотурбинные установки (ГТУ) можно перевести в режим парогазовых установок (ПГУ) с применением контуров с НРТ. Такую же схему можно применить для энергетических ПГУ малой мощности. Дешевые местные виды топлива можно сжигать или в водогрейных котлах, а горячую воду из них использовать в качестве греющего теплоносителя в контуре с НРТ, или в энергетических котлах на НРТ. В газопоршневых машинах контуры с НРТ можно использовать для утилизации теплоты выхлопных газов или теплоты системы охлаждения двигателя.
Наиболее близким аналогом заявленного решения является установка для выработки электрической и тепловой энергии (см. [2] патент на полезную модель №46046, МПК F01K 17/02, опубл. 10.06.2005), с использованием в качестве рабочего вещества НРТ. Для повышения тепловой экономичности энергетических установок и оптимизации режимных характеристик разработана комбинированная энергетическая установка [2], состоящая из противодавленческой паровой турбины, к выхлопу которой параллельно подключены теплофикационная установка и контур с низкокипящим рабочим телом. В установке реализованы паровой цикл Ренкина и цикл Ренкина на НРТ. При этом описанная установка для выработки электрической и тепловой энергии включает котел, соединенный паропроводом с противодавленческой турбиной, связанной с электрогенератором, а также турбину низкокипящего теплоносителя, связанную с электрогенератором и соединенную трубопроводами с испарителем низкокипящего теплоносителя и с конденсатором низкокипящего теплоносителя, и питательный насос низкокипящего теплоносителя. Применение установки на НРТ позволяет при любых температурах окружающего воздуха в течение всего года обеспечить максимальную выработку электроэнергии, оптимизировать режим эксплуатации турбин, повысить их надежность и экономичность.
Преобразование тепловой энергии в механическую и далее в электрическую происходит в замкнутом бутановом контуре (контур НРТ), который включает в свой состав парогенератор (испаритель) бутана, бутановую турбину с электрогенератором, конденсатор бутана, насосное и вспомогательное оборудование. Для уменьшения затрат электроэнергии на сжатие жидкого бутана применено многоступенчатое сжатие: в конденсатном насосе и в одном или двух струйных термонасосах (инжекторах).
Основным недостатком известного аналога [2], взятого за прототип, является применение в качестве рабочего вещества пожаро- и взрывоопасных углеводородов (в частности, бутана), которые ограничены по применению и уровнем термической стойкости (до 250°C). Физические и химические свойства углеводородов определили характер таких конструкторских решений, как применение двухконтурной схемы и отсутствие рекуперативного теплообменника.
Сущность изобретения
Задачей, решаемой заявленной группой изобретения за счет применения гидравлической системы с термически стабильными и химически инертными рабочими веществами - фторуглеродами, является обеспечение высокой технологической эффективности энергоустановки, а также обеспечение пожаро- и взрывобезопасности всей технологии генерации.
Технический результат заявленной группы изобретений заключается в повышении среднеинтегральной температуры подвода теплоты и, следовательно, обеспечивает повышение термодинамической эффективности данной технологии выработки электроэнергии.
Технический результат достигается за счет установки для выработки электрической энергии, включающей паротурбинный контур, содержащий по меньшей мере два гидравлических контура, в каждый из которых включена турбина, находящаяся на одном валу с электрогенератором, при этом вал выполнен общим для всех турбин, каждая турбина соединена с рекуперативным теплообменником и соответствующими секциями котла-утилизатора, последовательно отдающего тепло в каждый гидравлический контур, причем максимальное и минимальное давление одинаково в каждом гидравлическом контуре, при этом конденсатор и насос едины для всей схемы, в качестве низкокипящего рабочего вещества используется фторуглерод: октафторпропан C3F8, или циклофторбутан C4F8, или декафторбутан C4F10.
Технический результат также достигается за счет использования паротурбинного контура в зависимости от величины утилизируемого температурного перепада, содержащего необходимое количество гидравлических контуров, а именно, при утилизации до 550°C - четыре контура, до 450°С - три контура, до 350°C - два контура.
Технический результат также достигается за счет установки для выработки электрической энергии, включающей паротурбинный контур, содержащий четыре гидравлических контура, в каждый из которых включена турбина, находящаяся на одном валу с электрогенератором, а также конденсатор и насос, позволяющие, при необходимости, выключать/включать незадействованный гидравлический контур, при этом вал выполнен общим для всех турбин, каждая турбина соединена с рекуперативным теплообменником и соответствующими секциями котла-утилизатора, последовательно отдающего тепло в каждый гидравлический контур, в качестве низкокипящего рабочего вещества используется фторуглерод: октафторпропан C3F8, или циклофторбутан C4F8, или декафторбутан C4F10.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена принципиальная тепловая схема утилизации теплоты газов.
На фиг. 2 представлена конфигурация сверхкритического цикла на фторуглеродном рабочем веществе в схеме утилизации теплоты газов.
Раскрытие изобретения
В качестве объектов утилизации сбросных потоков теплоты с целью генерации электрической энергии рассматриваются такие газы, как: выхлопные газы газотурбинных установок, поршневых агрегатов, дымовые газы промышленных печей, котлов, генераторный газ.
Применение в качестве рабочих тел фторуглеродного состава (октафторпропана C3F8, циклофторбутана C4F8, декафторбутана C4F10) для энергетических установок с бинарными циклами приводит к высокой термодинамической эффективности.
Исследования последних лет показали, что рабочие вещества фторуглеродного класса имеют термическую стойкость, достаточную для реализации высокотемпературного термодинамического цикла. Расчетно-теоретический анализ позволил определить диапазон рабочих параметров таких энергоустановок на рабочем веществе фторуглеродного состава: это прямой сверхкритический цикл с изобарами нагрева не более 12 МПа, температурой острого пара до 600°С, процессом конденсации в широком интервале температур в зависимости от условий окружающей среды (вплоть до отрицательных). Сжатие рабочего тела реализуется с помощью насосов (как в водопаровых циклах), а не многоступенчатых компрессоров (в случае использования гелия, диоксида углерода и смеси аргона с воздухом). Термодинамический анализ показал превосходство энергетических характеристик сверхкритических фторуглеродных циклов над водопаровыми и аналогами, использующих в качестве рабочих веществ НРТ.
Принципиальная схема предлагаемой энергетической установки, использующей фторорганическое рабочее тело в паротурбинном контуре, представлена на фиг. 1. Конфигурация термодинамического цикла для каждого контура, на основе которого функционирует установка, представлена на фиг. 2.
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
Установка для выработки электрической энергии при утилизации теплоты газов включает паротурбинный контур. Паротурбинный контур содержит четыре гидравлических контура, в каждом из которых включена турбина (Тф, Тф, Тф, Тф), находящаяся на одном валу с электрогенератором (ЭГ), причем вал общий для всех турбин. Каждая турбина соединена с рекуперативным теплообменником (РП, РП, РП, РП) и соответствующими секциями котла-утилизатора (КУ, КУ, КУ, КУ), последовательно отдающего тепло в каждый гидравлический контур, при этом конденсатор (К) и насос (Н) едины для всей схемы. В качестве низкокипящего рабочего вещества используется фторорганическое рабочее тело - фторуглерод, который является термически стабильным и химически инертным. При этом для выключения/включения каждого контура независимо от другого при изменении температурного потенциала утилизируемого потока в каждом гидравлическом контуре дополнительно установлен свой насос и конденсатор.
Установка работает следующим образом.
Источники тела различных технологических процессов, такие как газы различных технологических процессов (выхлопные газы газотурбинных установок, поршневых агрегатов, дымовые газы промышленных печей, котлов, генераторный газ), подают по теплоизолированным трубопроводам в котел-утилизатор (КУ) под действием избыточного давления на выходе из камер сгорания, а также разрежением в дымовых трубах. Отвод тепла от этих рабочих тел производится с помощью котла-утилизатора (КУ), последовательно отдающего теплоту каждой следующей секции КУ.
1…4
1…4
1…4
1…4
1...4
1…4
1…4
1…4
1…4
Фторуглеродный сверхкритический флюид (рабочее вещество) образуется в рекуперативном теплообменнике (РП) (процесс 3 - А на фиг. 2) и далее нагревается в отдельной, для каждого контура, секции котла-утилизатора (процесс 4- 1 на фиг. 2). Подводимая в каждой секции котла-утилизатора (КУ) теплота от источника (процесс на 4 - 1 фиг. 2) позволяет получить перегретый пар. Затем перегретый пар (рабочее вещество) расширяется в турбине, совершая полезную работу (процесс 1 - 2 на фиг. 2), т.е. вращает единый вал с электрогенератором, тем самым вырабатывая электрическую энергию. После турбины перегретый пар низкого давления отдает избыток теплоты в рекуперативном теплообменнике (РП) (процесс 2 - 2р на фиг. 2), то есть, рабочее вещество, поступающее из насоса, забирает избыток тепла от перегретого пара, выходящего из турбины, который после рекуператора конденсируется в конденсаторе (процесс 2р-2' на фиг. 2) и закачивается насосом обратно в рекуперативный теплообменник (процесс 2'-3). Термодинамический цикл замыкается (фиг. 2).
В каждом следующем контуре снижается только температура острого пара перед турбиной, а максимальное (нагнетания) и минимальное (конденсации) давления одинаковы в каждом контуре. Снижается также количество теплоты, передаваемой в рекуперативном теплообменнике. В рекуперативном теплообменнике «горячий» и «холодный» теплоноситель движутся в разных каналах.
Высокая термическая стойкость рабочего вещества позволяет отказаться от широко применяемых в данной технологии двухконтурных систем с различными рабочими веществами (например, углеводороды и термически стойкое масло) и промежуточного теплообменника.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что на стадии проектирования установки для выработки электрической энергии при утилизации теплоты газов, в зависимости от величины утилизируемого температурного перепада проектируется необходимое количество турбин и соответствующее им количество гидравлических контуров, а именно, при утилизации тепловых потоков с температурой в интервалах: 100-250°C - один контур; 250 - 350°C - два контура; 350-450°C - три контура; 450-550°C - четыре контура.
При необходимости можно варьировать число контуров в зависимости от утилизируемого температурного перепада. В заявке описан пример с 4-мя контурами, которые позволяют реализовать температурный потенциал полностью. Можно также изменить принципиальную схему, поставив в каждый контур свой насос и конденсатор и при необходимости отключать незадействованные контуры. Это позволит регулировать режимы в каждом контуре индивидуально и обеспечит более высокую термодинамическую эффективность, а также даст возможность выключать/включать каждый контур независимо от другого, но в зависимости от изменения температурного потенциала утилизируемого потока.
Одним из примеров применения подобных электрогенерирующих установок - утилизация тепла выхлопных газов газоперекачивающих агрегатах компрессорных системах газотранспортной системы с целью генерация электроэнергии для покрытия собственных нужд компрессорных станций и передачи излишков в сеть. Проведенный анализ и сопоставление установок на фторулеродах с аналогами показал увеличение термодинамической эффективности на 10%. Применение фторуглеродов позволит спроектировать одноконтурную схему установки, без промежуточного теплообменника, что не только снизит необратимые потери в контуре установки, но и упростит аппаратное содержание установки, уменьшит величину капитальных вложений в строительство комплекса.
Полученные результаты подтверждают высокую энергетическую эффективность использования фторорганических рабочих веществ в теплосиловых циклах и могут быть использованы на этапе формирования технического задания на проектирование подобных установок различной мощности.
Результаты теплотехнических стендовых испытаний фторуглеродных рабочих веществ в качестве рабочего тела энергоустановок:
1. Проведены теплотехнические и ресурсные испытания до 600 часов непрерывной работы циркуляционного стенда.
2. Результатами спектрометрического анализа подтверждена высокая термическая и химическая стабильность фторуглеродного рабочего вещества во всем диапазоне рабочих параметров до 530°С и 6 МПа. На образцах рабочего тела, полученных при работе стенда через 100, 300, 600 часов (время одного цикла 13,5 сек), выполнены исследования масс-спектров. Было установлено, что циклическое воздействие, проходящее по схеме «нагрев-охлаждение» в диапазоне реальных температур рабочего тела C3F8 (20-525°С) в контакте с нержавеющей сталью типа Х18Н9Т и котловой сталью 20 при длительности одного цикла 13,5 сек, влияния на рабочее тело не оказало.
3. Результаты ресурсных и теплотехнических испытаний позволяют определить характерный режим работы основных аппаратов циркуляционного стенда.
4. Таким образом, в результате проведения ресурсных теплотехнических испытаний установлены:
- параметры рабочих режимов;
- расход и массовые скорости рабочего вещества в аппаратах и трубопроводах;
- интегральные коэффициенты теплоотдачи;
- потери гидравлического напора во всех основных аппаратах циркуляционного стенда;
- потери теплоты в окружающую среду.
5. Произведен спектрометрический анализ образцов рабочего тела через 100, 300, 600 часов работы. Результаты спектрометрического анализа показывают полную идентичность состава отобранных образцов на стенде МЭИ и образцов ЭНИН, подвергшихся нагреву в специальных капсулах. После проведения полных ресурсных испытаний 600 часов состав проб не изменился и эквивалентен исходному образцу рабочего вещества. Подтверждена полная химическая и термическая стабильность октафторпропана в качестве рабочего тела теплосиловой установки в заданном интервале теплотехнических измерений: температура перед турбиной порядка 525°С, давлениях до 6 МПа.
6. Подтверждена возможность разработки гораздо более компактного и менее металлоемкого оборудования по сравнению с оборудованием на газовых и водопаровых рабочих веществах.