СПОСОБ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭНЕРГИИ С ПОМОЩЬЮ КОМБИНИРОВАННОГО ЦИКЛА
METHOD FOR GENERATING ENERGY USING COMBINED CYCLE

Данное изобретение относится к способу и системе генерирования энергии с помощью комбинированного цикла, в частности, комбинированного цикла, в котором цикл Рэнкина на органическом рабочем теле используют в качестве второй энергетической системы.
Энергетические установки, такие как газовые турбины, вырабатывают энергию, сжигая топливо. Обычно энергию получают в форме электричества. Обычно это называют первой (энергетической) системой.
Известно, что для того, чтобы увеличить коэффициент полезного действия энергетических установок, можно добавить систему регенерации отходящего тепла (вторую (энергетическую) систему), генерирующую дополнительную энергию из горячих дымовых газов, вырабатываемых первой системой. Комбинацию первой и второй системы обычно называют комбинированным циклом.
Часто первая система представляет собой газовую турбину, работающую по циклу Брайтона, а вторая система представляет собой цикл Рэнкина, такой как цикл Рэнкина на органическом рабочем теле (ЦРОРТ).
Известно, что в качестве рабочего тела цикла Рэнкина используют воду/пар. Однако, использование воды представляет опасность коррозии и требует принятия мер борьбы с коррозией.
Дымовые газы, вырабатываемые газовой турбиной, как правило могут иметь температуру выше 450°C, например, в диапазоне 450°C – 650°C.
Имеющиеся на рынке циклы Рэнкина на органическом рабочем теле как правило предназначены для ситуаций с температурами источника тепла в диапазоне 250°C – 300°C. При более высоких температурах стабильность и возможность использования доступных рабочих тел цикла Рэнкина на органическом рабочем теле становится проблемой. Таким образом, имеющиеся на рынке циклы Рэнкина на органическом рабочем теле требуют промежуточного горячего масляного контура для того, чтобы не допустить непосредственного теплообмена между рабочим телом и дымовыми газами турбины. Это уменьшает их коэффициент полезного действия, увеличивает затраты и в конечном счете уменьшает рентабельность инвестиций.
Документ US2013/0133868 описывает систему генерирования энергии с помощью цикла Рэнкина на органическом рабочем теле. Упомянуты многие возможные рабочие тела ЦРОРТ, содержащие: пентан, пропан, циклогексан, циклопентан, бутан, фтороуглеводород, кетон, такой как ацетон, или ароматическое соединение, такое как толуол или тиофен.
Документ US2005188697 описывает использование органических рабочих тел в циклах Рэнкина, в том числе полифторированных эфиров, полифторированных кетонов и их смесей.
Документ EP1764487 описывает использование органических рабочих тел в цикле Рэнкина на органическом рабочем теле, регенерирующем энергию, в особенности использующем источники тепла, имеющие температуру до приблизительно 200°C, предпочтительно до приблизительно 180°C.
Документ US2011/0100009 описывает систему и способ, включающие теплообменники, использующие рабочие тела цикла Рэнкина на органическом рабочем теле (ЦРОРТ), в системах генерирования энергии. Система содержит теплообменник, выполненный с возможностью установки внутри дымовой трубы, отводящей горячие дымовые газы. Теплообменник выполнен с возможностью приема потока жидкого первого рабочего тела и генерирования потока парообразного первого рабочего тела. Теплообменник выполнен с возможностью использования трубы с двойными стенками, причем первое рабочее тело расположено в пределах внутренней стенки трубы с двойными стенками, а второе рабочее тело расположено между внутренней стенкой и внешней стенкой трубы с двойными стенками. Трубу с двойными стенками используют для защиты рабочего тела от непосредственного воздействия высокой температуры дымовых газов и поддержания температуры рабочего тела ниже 300°C.
Другие примеры регенерации отходящего тепла предложены в документах US2013/0152576, WO2013/103447 и EP2532845.
Задача заключается в преодолении по меньшей мере одного из недостатков, относящихся к известному уровню техники.
Таким образом, предложен способ генерирования энергии с помощью комбинированного цикла, включающий следующие этапы:
- эксплуатируют первую энергетическую систему, в которой сгорает топливо, генерируя первичную энергию и поток дымовых газов с температурой дымовых газов более 450°C,
- эксплуатируют вторую энергетическую систему, генерирующую вторичную энергию из тепла, содержащегося в потоке дымовых газов, содержащую теплообменник регенерации отходящего тепла,
способ дополнительно включает следующие этапы:
- пропускают поток дымовых газов через теплообменник регенерации отходящего тепла,
- пропускают рабочее тело регенерации отходящего тепла под давлением через теплообменник регенерации отходящего тепла, принимающий тепло из потока дымовых газов, таким образом получая парообразное рабочее тело регенерации отходящего тепла под давлением, имеющее температуру в диапазоне 350°C – 500°C,
при этом рабочее тело регенерации отходящего тепла состоит из фторированных кетонов.
Кроме того, предложена система генерирования энергии, содержащая:
- первую энергетическую систему, содержащую каскад сжигания топлива, выполненный с возможностью сжигания топлива, генерирующего первичную энергию и поток дымовых газов с температурой дымовых газов более 450°C,
- вторую энергетическую систему, выполненную с возможностью генерирования вторичной энергии из тепла, содержащегося в потоке дымовых газов, содержащую теплообменник регенерации отходящего тепла и рабочее тело регенерации отходящего тепла,
при этом теплообменник регенерации отходящего тепла содержит первый гидравлический канал, выполненный с возможностью приема и транспортировки по меньшей мере части потока дымовых газов, и второй гидравлический канал, выполненный с возможностью приема и транспортировки рабочего тела регенерации отходящего тепла,
первый и второй гидравлические каналы разделены теплообменной стенкой,
теплообменная стенка пригодна для воздействия потока дымовых газов при температуре дымовых газов в диапазоне 450°C – 650°C, и теплообменная стенка пригодна для воздействия рабочего тела регенерации отходящего тепла при температуре в диапазоне 350°C – 500°C,
при этом рабочее тело, содержащееся во второй энергетической системе, состоит из фторированных кетонов.
Рабочее тело регенерации отходящего тепла термостабильно до температуры 500°C. Термин «термостабильно» использован для указания того, что молекулы не распадаются под влиянием температуры.
Рабочее тело регенерации отходящего тепла по существу состоит из фторированных кетонов, предпочтительно состоит из фторированных кетонов с 4 – 6 атомами углерода, из которых 4 – 6 представляют собой фторированные атомы углерода.
Наиболее предпочтительно рабочее тело регенерации отходящего тепла по существу состоит из додекафторо-2-метилпентан-3-она. Предпочтительно рабочее тело регенерации отходящего тепла содержит более 90% мол. додекафторо-2-метилпентан-3-она, предпочтительно более 95% мол. додекафторо-2-метилпентан-3-она, более предпочтительно более 98% мол. додекафторо-2-метилпентан-3-она, и наиболее предпочтительно 100% мол. додекафторо-2-метилпентан-3-она.
Рабочее тело регенерации отходящего тепла может представлять собой по существу чистый додекафторо-2-метилпентан-3-он, при этом специалист поймет, что термин «чистый» использован для указания уровня чистоты, достижимого на практике, например, чистоты более 99% мол. Например, рабочее тело регенерации отходящего тепла, по существу состоящее из чистого додекафторо-2-метилпентан-3-она, можно приобрести у компании 3M при чистоте более 99% мол.
Фторированные кетоны, в частности додекафторо-2-метилпентан-3-он, можно преимущественно использовать в качестве рабочего тела регенерации отходящего тепла, например, в цикле Рэнкина, поскольку их можно подвергать действию температур выше 450°C.
Это позволяет отказаться от использования промежуточного рабочего тела, такого как промежуточный горячий масляный контур, и делает возможным непосредственный теплообмен между дымовыми газами и рабочим телом. Это уменьшает затраты и увеличивает коэффициент полезного действия цикла.
В альтернативном варианте фторированные кетоны, в частности додекафторо-2-метилпентан-3-он, можно использовать также в промежуточном контуре.
Термин «непосредственный теплообмен» использован в данном тексте для указания того, что обмен теплом происходит без промежуточных рабочих тел или циклов. Термин «непосредственный теплообмен» не указывает на то, что среды, обменивающиеся теплом, смешиваются или соприкасаются, как это происходит в теплообменнике с непосредственным контактом сред (в котором среды, обменивающиеся теплом, смешиваются).
Теплообмен между рабочим телом регенерации отходящего тепла и потоком дымовых газов как правило происходит в непрямом теплообменнике, в котором среды разделены стенкой теплообменника, через которую передается тепло.
Обнаружено, что рабочее тело регенерации отходящего тепла согласно приведенному выше определению, в частности, состоящее из додекафторо-2-метилпентан-3-она, стабильно при относительно высоких температурах, то есть, в диапазоне 350–500°C. Это не допускает разложения циркулирующих рабочих тел.
Также обнаружено, что указанное выше рабочее тело обмена отходящего тепла вырабатывает энергию (механическую работу) относительно эффективным образом, то есть, с коэффициентом полезного действия 9–11% от потока дымовых газов в указанном диапазоне температур (по сравнению с 6 – 9% при использовании воды).
Кроме того, предложенное рабочее тело регенерации отходящего тепла не вызывает коррозию металлов и твердых полимеров.
Потенциал глобального потепления (ПГП) данного рабочего тела регенерации отходящего тепла низок по сравнению с известными рабочими телами регенерации отходящего тепла, такими как хлорофторуглерод (ХФУ, также известный как фреон), благодаря потенциалу озонного истощения.
Дальнейшие преимущества и детали данного изобретения станут очевидными из следующего подробного описания вариантов реализации изобретения и со ссылкой на приложенные графические материалы, в которых:
на фиг. 1 схематически изображена система согласно варианту реализации изобретения, и
на фиг. 2 схематически изображена система согласно альтернативному варианту реализации изобретения.
Хотя данное изобретение допускает различные модификации и альтернативные формы, конкретные варианты его реализации показаны в качестве примера на фигурах и подробно описаны в данном документе. Следует понимать, что фигуры и их подробное описание не ограничивают данное изобретение конкретной описанной формой, а напротив, оно охватывает все модификации, эквиваленты и альтернативные варианты, попадающие в пределы объема, определенного приложенной формулой изобретения.
Кроме того, хотя данное изобретение описано исходя из конкретных вариантов реализации изобретения, понятно, что различные элементы конкретных вариантов реализации данного изобретения применимы ко всем вариантам реализации изобретения, описанным в данном документе.
Согласно вариантам реализации данного изобретения, предложены способ и система, в которых использованы первая и вторая энергетическая система, причем вторая энергетическая система работает на тепле потока дымовых газов первой энергетической системы. Вторая энергетическая система содержит теплообменник регенерации отходящего тепла, через который циркулирует рабочее тело регенерации отходящего тепла под давлением, причем рабочее тело регенерации отходящего тепла содержит фторированные кетоны, в частности додекафторо-2-метилпентан-3-он.
Согласно варианту реализации изобретения, первая энергетическая система содержит газовую турбину, работающую по циклу Брайтона. Поток дымовых газов, вырабатываемый такой первой энергетической системой, как правило имеет температуру более 450°C, как правило в диапазоне 450°C – 650°C.
Согласно варианту реализации изобретения, работа второй энергетической системы включает циркуляцию рабочего тела через цикл теплового двигателя, в частности цикл Рэнкина. Циклы Рэнкина представляют собой эффективный способ превращения тепла в энергию.
Рабочее тело регенерации отходящего тепла может циркулировать через теплообменник регенерации отходящего тепла, представляя собой часть промежуточного цикла теплопередачи. Этот вариант реализации изобретения описан более подробно ниже со ссылкой на фиг. 2.
Согласно варианту реализации изобретения, рабочее тело, циркулирующее через цикл теплового двигателя, представляет собой рабочее тело регенерации отходящего тепла. В таком варианте реализации изобретения теплообменник регенерации отходящего тепла представляет собой часть цикла теплового двигателя. Указанное выше рабочее тело регенерации отходящего тепла подходит для циркуляции через теплообменник регенерации отходящего тепла, на который действует поток дымовых газов с температурой дымовых газов более 450°C.
Согласно варианту реализации изобретения, парообразное рабочее тело регенерации отходящего тепла под давлением, поступающее из теплообменника регенерации отходящего тепла, имеет температуру в диапазоне 350°C – 500°C, предпочтительно в диапазоне 450°C – 500°C. Рабочее тело регенерации отходящего тепла стабильно до температур в диапазоне 400°C – 500°C, и таким образом может быть преимущественно использовано в цикле Рэнкина на органическом рабочем теле.
Согласно варианту реализации изобретения, цикл теплового двигателя содержит конденсатор, в котором рабочее тело регенерации отходящего тепла конденсируется внешним охлаждающим потоком, внешний охлаждающий поток представляет собой поток окружающего воздуха или поток окружающей (морской) воды. Рабочее тело может быть охлаждено в конденсаторе до температуры в диапазоне 15°C – 80°C.
Рабочее тело регенерации отходящего тепла может быть использовано в цикле, в котором оно испытывает перепад температур более 320°C, даже более 400°C или даже более 450°C. Это позволяет охлаждать рабочее тело регенерации отходящего тепла в окружающей среде и нагревать рабочее тело регенерации отходящего тепла потоком дымовых газов, имеющих температуру более 450°C.
Согласно варианту реализации изобретения, работа второй энергетической системы включает циркуляцию рабочего тела регенерации отходящего тепла в качестве рабочего тела через тепловой двигатель, такой как цикл Рэнкина. Цикл Рэнкина включает следующие этапы, выполняемые одновременно:
1) Пропускают рабочее тело регенерации отходящего тепла под давлением через теплообменник регенерации отходящего тепла, принимающий тепло от потока дымовых газов, таким образом получая парообразное рабочее тело регенерации отходящего тепла под давлением. Парообразное рабочее тело регенерации отходящего тепла под давлением может иметь температуру в диапазоне 350°C – 500°C и давление более 40 бар, например, 50 бар.
2) Расширяют парообразное рабочее тело регенерации отходящего тепла под давлением в (турбо) расширителе, таким образом получая вторичную энергию и расширенное парообразное рабочее тело регенерации отходящего тепла низкого давления. Расширенное парообразное рабочее тело регенерации отходящего тепла низкого давления может иметь давление менее 3 бар, например, 1 бар, и температуру 50°C – 150°C, например, 100°C.
3) Пропускают расширенное парообразное рабочее тело регенерации отходящего тепла низкого давления через конденсатор, получая жидкое рабочее тело регенерации отходящего тепла. Жидкое рабочее тело регенерации отходящего тепла может иметь давление менее 3 бар, например, 1 бар, и температуру 15°C – 100°C, например, 50°C.
4) Пропускают жидкое рабочее тело регенерации отходящего тепла через насос, получая жидкое рабочее тело регенерации отходящего тепла под давлением. Жидкое рабочее тело регенерации отходящего тепла под давлением может иметь давление более 40 бар, например, 50 бар, и температуру в диапазоне 15°C – 100°C.
Фиг. 1 схематически показывает систему генерирования энергии. Эта система содержит первую энергетическую систему 1 и вторую энергетическую систему 2.
Первая энергетическая система 1 содержит каскад сжигания топлива, схематически изображенный здесь в виде газовой турбины. Газовая турбина содержит компрессор 11, камеру 12 сгорания и турбину 13. Турбина 13 приводит в действие компрессор 11, а избыток энергии используют для привода вала 14, соединенного с генератором 15, таким как электрический генератор, генерирующим первичную энергию.
Поток 16 дымовых газов выходит из турбины 13 через выпускной трубопровод 17 при температуре дымовых газов более 450°C.
Понятно, что фиг. 1 показывает схематическое изображение типовой первичной энергетической системы, и что специалисту известны многие вариации.
Кроме того, фиг. 1 схематически показывает вторую энергетическую систему 2. Вторая энергетическая система 2 выполнена с возможностью генерирования вторичной энергии из тепла потока 16 дымовых газов. Для этого вторая энергетическая система 2 содержит теплообменник 21 регенерации отходящего тепла. В варианте реализации изобретения, показанном на фиг. 1, теплообменник 21 регенерации отходящего тепла расположен в выпускном трубопроводе 17.
Теплообменник 17 регенерации отходящего тепла содержит первый гидравлический канал, выполненный с возможностью приема и транспортировки по меньшей мере части потока 16 дымовых газов. Теплообменник 17 регенерации отходящего тепла содержит второй гидравлический канал, выполненный с возможностью приема и транспортировки рабочего тела регенерации отходящего тепла. Теплообменник 17 регенерации отходящего тепла может быть любого подходящего типа, в том числе пластинчатым теплообменником.
Согласно примеру, показанному на фиг. 1, теплообменник 17 регенерации отходящего тепла представляет собой кожухотрубный теплообменник, в котором первый гидравлический канал находится со стороны кожуха, а второй гидравлический канал находится со стороны трубки.
Первый и второй гидравлические каналы разделены стенкой теплообменника, например, стенками, образующими трубки кожухотрубного теплообменника.
Фиг. 1 показывает единственную трубку, однако понятно, что возможно наличие более одной трубки, стенка каждой трубки образует стенку теплообменника.
Предпочтительно для теплообменника 21 регенерации отходящего тепла любого типа теплообменная стенка представляет собой однослойную стенку. Теплообменник не содержит внутренних средств охлаждения, промежуточных слоев изоляции, двойных стенок и тому подобного.
Система согласно данному описанию, показанная на фиг. 1, содержит рабочее тело в цикле (21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28), включенном во вторую энергетическую систему 2, данное рабочее тело состоит из фторированных кетонов, в частности додекафторо-2-метилпентан-3-она.
Вторая энергетическая система содержит тепловой двигатель, содержащий теплообменник 21 регенерации отходящего тепла, (турбо) расширитель 23, конденсатор 25 и насос 27, имеющие гидравлическое сообщение друг с другом через трубопроводы 22, 24, 26, 28. Такой цикл известен как цикл Рэнкина.
Выпуск теплообменника 21 регенерации отходящего тепла имеет гидравлическое сообщение со впуском расширителя 23 посредством первого трубопровода 22; выпуск расширителя 23 имеет гидравлическое сообщение со впуском конденсатора 25 посредством второго трубопровода 24; выпуск конденсатора 25 имеет гидравлическое сообщение со впуском насоса 27 посредством третьего трубопровода 26; выпуск насоса имеет гидравлическое сообщение со впуском теплообменника 21 регенерации отходящего тепла посредством четвертого трубопровода 28.
Конденсатор 25 содержит внешний впуск, принимающий внешний охлаждающий поток 61, и внешний выпуск, выпускающий нагретый внешний охлаждающий поток 62.
В процессе эксплуатации первая энергетическая система 1 генерирует первичную энергию и поток 16 дымовых газов, а вторая энергетическая система 2 выполняет циркуляцию рабочего тела регенерации отходящего тепла в качестве рабочего тела через описанный выше цикл Рэнкина. Расширитель 23 приводит в движение приводной вал 29, соединенный со вторичным генератором 30, таким как электрический генератор, генерирующим вторичную энергию.
Фиг. 2 схематически показывает альтернативный вариант реализации изобретения, в котором рабочее тело регенерации отходящего тепла не используют в качестве рабочего тела в тепловом двигателе, а используют в промежуточном контуре 3, передающем тепло из теплообменника 21 регенерации отходящего тепла в тепловой двигатель, в котором в качестве рабочего тела циркулирует другая среда, такая как вода/пар. Вторая энергетическая система 2 содержит тепловой двигатель и промежуточный контур 3.
Согласно этому варианту реализации изобретения, работа второй энергетической системы 2 включает циркуляцию рабочего тела регенерации отходящего тепла (состоящего из фторированных кетонов, в частности, состоящего из додекафторо-2-метилпентан-3-она) через промежуточный контур 3 и циркуляцию рабочего тела через тепловой двигатель, такой как цикл Рэнкина, генерирующий вторичную энергию, содержащий теплообменник 42 источника тепла и теплообменник 25 отвода тепла, при этом способ включает следующие этапы
- пропускают поток дымовых газов через теплообменник регенерации отходящего тепла 21,
- пропускают рабочее тело регенерации отходящего тепла под давлением через теплообменник 21 регенерации отходящего тепла, принимающий тепло из потока дымовых газов, таким образом получая парообразное рабочее тело регенерации отходящего тепла под давлением, имеющее температуру в диапазоне 350°C – 500°C,
- пропускают рабочее тело регенерации отходящего тепла через теплообменник 42 источника тепла,
- пропускают рабочее тело через теплообменник 42 источника тепла, получая нагретое рабочее тело путем приема тепла от рабочего тела регенерации отходящего тепла.
Одинаковые числовые обозначения на фиг. 1 и 2 использованы для указания аналогичных компонентов.
Фиг. 2 показывает промежуточный контур 3, в котором циркулирует рабочее тело регенерации отходящего тепла. Промежуточный контур 3 содержит теплообменник 21 регенерации отходящего тепла, конденсатор 42 и насос 44, соединенные трубопроводами 41, 43 и 45 промежуточного контура.
Выпуск теплообменника 21 регенерации отходящего тепла имеет гидравлическое сообщение со впуском конденсатора 42 посредством первого трубопровода 41 промежуточного контура; выпуск конденсатора 25 имеет гидравлическое сообщение со впуском насоса 44 посредством второго трубопровода 26 промежуточного контура; выпуск насоса 44 имеет гидравлическое сообщение со впуском теплообменника 21 регенерации отходящего тепла посредством третьего трубопровода 45 промежуточного контура.
В процессе эксплуатации первая энергетическая система 1 генерирует первичную энергию и поток 16 дымовых газов, а вторая энергетическая система 2 выполняет циркуляцию рабочего тела регенерации отходящего тепла через описанный выше промежуточный контур, передающий тепло из потока 16 дымовых газов в тепловой двигатель посредством теплообменника 42 источника тепла. В тепловом двигателе циркулирует рабочее тело, приводя в движение расширитель 23, приводящий в движение приводной вал 29, соединенный со вторичным генератором 30, таким как электрический генератор, генерирующим вторичную энергию.
Результаты моделирования
Были выполнены эксперименты по моделированию с помощью программного обеспечения UniSim Design. В процессе моделирования моделировали вариант реализации изобретения, показанный на фиг. 1, с рабочим телом регенерации отходящего тепла, содержащим 100% мол. додекафторо-2-метилпентан-3-она, и сравнивали с аналогичным вариантом реализации изобретения, в котором рабочее тело регенерации отходящего тепла содержит 100% мол. воды. Были использованы следующие параметры:
Температура окружающей среды [K]
298,15
Давление окружающей среды [кПа]
101,325
КПД турборасширителя [%]
85
КПД насоса [%]
85
Температура источника тепла [K]
686,15
Давление на впуске турборасширителя
25 бар
Коэффициент давления
25
WHR
Коэффициент полезного действия η второй энергетической системы рассчитан в виде отношения чистой генерируемой энергии к общему количеству доступного тепла дымовых газов:
WHR
f
TE
pump
exhaust
P
in
ambient
exhaust
exhaust
η = m(W – W)/(mC(T – T),
где
f
m- массовый расход рабочего тела регенерации отходящего тепла в качестве рабочего тела,
TE
W - работа, выполненная турборасширителем 23,
pump
W - работа, выполненная насосом 27,
exhaust
m - массовый расход потока 16 дымовых газов,
P
exhaust
C - теплоемкость потока 16 дымовых газов,
in
exhaust
T - температура потока 16 дымовых газов, и
ambient
T - температура окружающей среды.
Указанные выше параметры либо взяты из приведенной выше таблицы, либо получены в результате моделирования.
Моделирование показало, что коэффициент полезного действия 100% мол. воды составлял 7,50%, в то время как коэффициент полезного действия 100% мол. додекафторо-2-метилпентан-3-она составлял 10,68%. Таким образом, использование додекафторо-2-метилпентан-3-она дало увеличение коэффициента полезного действия на 42%.
Специалист в данной области легко поймет, что можно внести множество модификаций без отхода от объема данного изобретения.