УСТАНОВКА ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ЭНЕРГИИ (ВАРИАНТЫ) И ТУРБОДЕТАНДЕР
ENERGY GENERATION PLANT (VERSIONS)  AND TURBINE EXPANDER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Варианты выполнения изобретения, рассмотренного в данном документе, относятся, в целом, к энергетическим установкам и, более конкретно, к турбодетандерам.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В цикле Ренкина используется рабочая текучая среда, которая циркулирует в замкнутом цикле и отбирает тепло от источника тепла или горячего резервуара с созданием потока горячего газа, который расширяется при прохождении через турбину с обеспечением выработки энергии. Расширенный поток конденсируется в конденсаторе вследствие передачи тепла к холодному резервуару и вновь сжимается до давления нагрева для завершения цикла. Энергетические установки, например газовые турбины или поршневые двигатели (первичная установка), создают горячие выхлопные газы, которые либо используются в последующем процессе выработки энергии (вторичной установкой), либо выпускаются в виде отработанного тепла в окружающую среду. Например, выхлоп крупногабаритного двигателя может быть утилизирован в установках утилизации отработанного тепла, используемых для получения дополнительной энергии, с повышением тем самым общей эффективности установки. На фиг.1 показана обычная утилизационная энергетическая установка, работающая по циклу Ренкина.
Энергетическая установка 100 содержит теплообменник 2, также известный как бойлер или испаритель, расширитель 4, конденсатор 6 и насос 8. В процессе эксплуатации, если начинать с теплообменника 2, внешний источник 10 тепла, например горячие топочные газы, нагревает теплообменник 2. Это вызывает превращение полученной сжатой жидкой среды 12 в сжатый пар 14, который течет к расширителю 4. Расширитель 4 принимает поток 14 сжатого пара и может вырабатывать энергию 16 в процессе расширения указанного сжатого пара. Поток 18 расширенного пара под пониженным давлением, выпущенный из расширителя 4, поступает в конденсатор 6, который конденсирует указанный поток 18 с получением потока 20 жидкости под пониженным давлением. Указанный поток 20 затем поступает в насос 8, который создает поток 12 жидкости под повышенным давлением, а также поддерживает циркуляцию в установке с замкнутым контуром. Поток 12 затем проходит в теплообменник 2 для продолжения этого процесса.
Одной рабочей текучей средой, которая может использоваться в цикле Ренкина, является органическая рабочая текучая среда. Такая органическая рабочая текучая среда называется текучей средой органического цикла Ренкина (ОЦР). Установки ОЦР были разработаны в качестве средств модернизации, предназначенных для двигателей, а также для малогабаритных и среднегабаритных газовых турбин, и обеспечивающих извлечение отработанного тепла из потока горячего топочного газа. Указанное отработанное тепло может использоваться во вторичной энергетической установке для выработки до 20% энергии в дополнение к энергии, вырабатываемой двигателем, создающим горячие топочные газы.
Поскольку такая текучая среда ОЦР может войти в непосредственный контакт с высокотемпературными выхлопными газами газовой турбины (имеющими температуру приблизительно 500°C), то из соображений безопасности необходимо принять меры для предотвращения непосредственного контакта между указанной средой (например, циклопентаном) и выхлопными газами турбины. Используемый в настоящее время способ ограничения температуры поверхностей теплообменника в испарителе, который содержит рабочую текучую среду ОЦР, заключается во введении промежуточного термомасляного контура в теплообменную установку для обеспечения предотвращения циркуляции текучей среды ОЦР по выхлопной трубе турбины.
Возможно использование промежуточного термомасляного контура между горячим топочным газом и испаряемой текучей средой ОЦР. В этом случае указанный контур используется в качестве промежуточного теплообменника, т.е. тепло передается от горячего топочного газа к маслу, находящемуся в собственной установке с замкнутым контуром, а затем от масла к текучей среде ОЦР при помощи отдельного теплообменника, как показано в двойной теплообменной гидросхеме 200 на фиг.2. Сначала обеспечивается нагнетание масла из резервуара 206 для хранения масла с помощью насоса 208 через теплообменник 210. Тепло вводится в виде выхлопа, например, турбины 202, проводится через теплообменник 210 и выводится через выхлопную трубу 204. Затем уже нагретое масло проходит по термомасляному контуру 228 к испарителю 212, обеспечивающему испарение текучей среды ОЦР, находящейся во второй автономной гидросхеме 226, и проходит далее через подогреватели 214, которые охлаждают масло и подогревают текучую среду ОЦР перед возвращением масла к резервуару 206 для хранения масла.
В процессе эксплуатации гидросхемы 226 ОЦР, если начинать с насоса 216, поток жидкости ОЦР под пониженным давлением поступает в насос 216, который создает поток жидкости ОЦР под повышенным давлением, а также поддерживает циркуляцию в установке с замкнутым контуром. Затем поток жидкости ОЦР под повышенным давлением прокачивается через рекуператор 218 и подогреватели 214 до начала испарения в теплообменнике/испарителе 212. В результате этого принятая сжатая жидкая среда 12 ОЦР преобразуется в сжатый пар ОЦР, который проходит к расширителю 220, механически присоединенному к генератору 222 (или аналогичному устройству). Расширитель 220 принимает указанный пар для содействия в выработке энергии и создает поток расширенного пара ОЦР под пониженным давлением, который продолжает течь обратно через рекуператор 218 и далее к конденсатору 224, который конденсирует указанный поток с получением потока жидкости ОЦР под пониженным давлением.
Таким образом, промежуточный термомасляный контур обеспечивает возможность изоляции текучей среды ОЦР от непосредственного воздействия горячего топочного газа. Кроме того, несмотря на то что масло, используемое в указанном контуре, является воспламеняемым, оно в целом менее воспламеняемо по сравнению с рабочими текучими средами ОЦР. Однако данная термомасляная система занимает дополнительное физическое пространство, а ее стоимость может составлять до четверти стоимости установки ОЦР.
Как видно из фиг.1 и 2, в цикле Ренкина используются многочисленные компоненты. Как показано на фиг.2, генератор 222 может быть механически присоединен к расширителю 220 с обеспечением создания используемой энергии. Один способ присоединения расширителя к генератору проиллюстрирован на фиг.3. Изначально расширитель 220 содержит вал 302, который вращается во время расширения текучей среды. Указанный вал 302 присоединен к редуктору 304, который преобразует механическую энергию в требуемую скорость вращения генератора 222. Указанная скорость вращения и соответствующая энергия передаются через вал 306 от редуктора 304 к генератору 222. В расширителе 220 выполнены сухие газовые уплотнения 308, обеспечивающие предотвращения протечки текучей среды ОЦР (или другой среды, используемой в цикле Ренкина) в атмосферу через место входа вала 302 в расширитель 220. Указанные уплотнения могут быть описаны как работающие без смазки бесконтактные механические торцевые уплотнения, которые содержат стыковочное или вращающееся кольцо и первичное или стационарное кольцо. При эксплуатации канавки во вращающемся кольце создают гидродинамическую силу, вызывающую отделение стационарного кольца с созданием зазора между указанными двумя кольцами. Эти уплотнения называются «сухими», так как они не требуют смазочного масла, что, среди прочего, значительно снижает требования к их техническому обслуживанию. Как и во многих механических процессах, упрощение систем и/или уменьшение количества компонентов может снизить стоимость.
Соответственно, имеется необходимость в создании установок и способов для уменьшения опорной поверхности и стоимости энергетических установок.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с одним иллюстративным вариантом выполнения предложена установка для выработки энергии. Указанная установка содержит турбодетандер, содержащий расширительную секцию, насосную секцию и двигательно-генераторную секцию, которые механически соединены с помощью вала, причем расширительная секция проточно сообщается с выпускной стороной теплообменника и выполнена с возможностью приема парообразного потока текучей среды, вращения вала и создания расширенного парообразного потока текучей среды, насосная секция проточно сообщается с выпускной стороной конденсатора и выполнена с возможностью приема жидкого потока текучей среды, повышения его давления и обеспечения циркуляции текучей среды в энергетической установке, а двигательно-генераторная секция выполнена с возможностью создания и вывода электрического тока.
В соответствии с другим иллюстративным вариантом выполнения предложен турбодетандер. Указанный турбодетандер содержит турбодетандер, содержащий только расширительную секцию, насосную секцию и двигательно-генераторную секцию, которые механически соединены с помощью вала, и имеющий только два впуска для текучей среды и только два выпуска для текучей среды, причем указанный турбодетандер не содержит компрессорную секцию, при этом расширительная секция проточно сообщается с выпускной стороной теплообменника и выполнена с возможностью приема парообразного потока текучей среды, вращения вала и создания расширенного парообразного потока текучей среды, насосная секция проточно сообщается с выпускной стороной конденсатора, выполнена с возможностью приема жидкого потока текучей среды, повышения его давления и обеспечения циркуляции текучей среды в энергетической установке и содержит одну или более ступеней, двигательно-генераторная секция выполнена с возможностью создания и вывода электрического тока, конденсатор проточно сообщается с выпускной стороной расширительной секции и выполнен с возможностью приема и конденсации расширенного парообразного потока текучей среды с получением жидкого потока текучей среды, а теплообменник проточно сообщается с выпускной стороной насосной секции и выполнен с возможностью приема жидкого потока текучей среды и создания парообразного потока текучей среды.
В соответствии с еще одним иллюстративным вариантом выполнения предложена установка для выработки энергии. Указанная установка содержит турбодетандер, содержащий только расширительную секцию, насосную секцию и двигательно-генераторную секцию, которые механически соединены с помощью вала, причем указанный турбодетандер имеет только два впуска для текучей среды и только два выпуска для текучей среды и не содержит компрессорную секцию, при этом расширительная секция проточно сообщается с выпускной стороной теплообменника, выполнена с возможностью приема парообразного потока текучей среды, вращения вала и создания расширенного парообразного потока текучей среды и содержит одну или более ступеней, насосная секция проточно сообщается с выпускной стороной конденсатора, выполнена с возможностью приема жидкого потока текучей среды, повышения его давления и обеспечения циркуляции текучей среды в энергетической установке и содержит одну или более ступеней, двигательно-генераторная секция выполнена с возможностью создания и вывода электрического тока, конденсатор проточно сообщается с выпускной стороной расширительной секции и выполнен с возможностью приема и конденсации расширенного парообразного потока текучей среды с получением жидкого потока текучей среды, а теплообменник проточно сообщается с выпускной стороной насосной секции и выполнен с возможностью приема жидкого потока текучей среды и создания парообразного потока текучей среды.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Иллюстративные варианты выполнения изображены на сопроводительных чертежах, на которых:
фиг.1 изображает цикл Ренкина,
фиг.2 изображает цикл Ренкина и промежуточную термомасляную систему,
фиг.3 изображает расширитель, механически присоединенный к генератору,
фиг.4 изображает цикл Ренкина с турбодетандером в соответствии с иллюстративными вариантами выполнения,
фиг.5 изображает цикл Ренкина с турбодетандером с двумя расширительными секциями в соответствии иллюстративными вариантами выполнения,
фиг.6 изображает цикл Ренкина с турбодетандером и промежуточную термомасляную систему в соответствии иллюстративными вариантами выполнения,
фиг.7 изображает турбодетандер в соответствии с иллюстративными вариантами выполнения и
фиг.8 изображает турбодетандер с технологическим газом, поступающим последовательно в две расширительные секции в соответствии иллюстративными вариантами выполнения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Нижеследующее описание иллюстративных вариантов выполнения приведено со ссылкой на сопроводительные чертежи. Одинаковые номера позиций на разных чертежах обозначают одинаковые или аналогичные элементы. Кроме того, чертежи не обязательно выполнены в масштабе. Более того, приведенное ниже подробное описание не ограничивает данное изобретение, объем которого определяется прилагаемой формулой изобретения.
Используемое на протяжении всего описания выражение «один вариант выполнения» или «вариант выполнения» означает, что конкретный признак, конструкция или характерная особенность, описанные в связи с вариантом выполнения, присущи по меньшей мере одному варианту выполнения рассматриваемого объекта изобретения. Таким образом, фразы «в одном варианте выполнения» или «в варианте выполнения», встречающиеся в разных местах на протяжении всего описания, не обязательно относятся к одному и тому же варианту выполнения. Кроме того, конкретные признаки, конструкции или характерные особенности могут сочетаться любым соответствующим образом в одном или более вариантах выполнения.
Как изложено в разделе «Предпосылки изобретения» и показано на фиг.1, для отбора части энергии отработанного тепла в энергетических установках может использоваться цикл Ренкина. Для отбора части энергии отработанного тепла от первичной установки, которая расходует энергию, может использоваться вторичная установка. В соответствии с иллюстративными вариантами выполнения, как показано на фиг.4, компоненты, используемые для выработки энергии, могут быть объединены с обеспечением снижения затрат и размера опорной поверхности, а также предотвращения выделения загрязняющих веществ в окружающую среду при сохранении эффективной выработки электроэнергии.
В соответствии с иллюстративными вариантами выполнения энергетическая установка 400, изображенная на фиг.4, содержит теплообменник 410, турбодетандер 402 (содержащий расширительную секцию 404, двигательно-генераторную секцию 406 и насосную секцию 408), конденсатор 224 и рекуператор 218. Если описывать указанную установку с замкнутым контуром, начиная с теплообменника 410, выхлопные газы из турбины 202 обтекают теплообменник 410 и нагревают его, прежде чем выйти из выхлопной трубы 204. Это приводит к тому, что сжатая жидкая среда превращается в сжатый пар, который течет к расширительной секции 404 турбодетандера 402. Секция 404 принимает поток сжатого пара, который приводит во вращение рабочее колесо, прикрепленное к валу (показано на фиг.7), по мере расширения указанного пара, что создает возможность вырабатывания электрического тока двигательно-генераторной секцией 406. В одном варианте применения вал расширительной секции 404 также является валом двигательно-генераторной секции 406. Кроме того, указанный вал используется в качестве вала насосной секции 408 турбодетандера 402 для получения энергии, используемой указанной секцией 408 для повышения давления жидкой среды. В другом иллюстративном варианте выполнения каждая секция содержит свой собственный вал, однако все указанные валы присоединены друг к другу с обеспечением совместного вращения.
0
1
2
Высвобождаемый из секции 404 поток расширенного пара под пониженным давлением проходит через рекуператор 218 для осуществления теплообмена, а затем поступает в конденсатор 224, который конденсирует указанный поток с получением потока жидкости под пониженным давлением. Затем указанный поток жидкости поступает в насосную секцию 408 турбодетандера 402, которая создает поток жидкости под повышенным давлением, а также поддерживает циркуляцию в установке с замкнутым контуром. Затем поток жидкости под повышенным давлением перекачивается к теплообменнику 410 для продолжения этого процесса. Часть потока жидкости под повышенным давлением может быть отделена и использована для охлаждения секции 406, как показано линией 412. Поток жидкости под повышенным давлением проходит через рекуператор 218 и охлаждает поток, идущий из расширительной секции 404. На фиг.4 также указаны относительные давления на различных этапах цикла, причем P>P>P.
0
1
2
В соответствии с другим иллюстративным вариантом выполнения турбодетандер 504 может содержать две расширительные секции 404 и 502, как показано на фиг.5. Работа иллюстративной энергетической установки 500 аналогична работе установки 400, изображенной на фиг.4. Турбодетандер 504, если смотреть справа налево на фиг.5, содержит первую расширительную секцию 404, двигательно-генераторную секцию 406, вторую расширительную секцию 502 и насосную секцию 408. Перед поступлением в турбодетандер 504 технологический газ разделяется с обеспечением поступления в обе расширительные секции для его расширения. Часть потока жидкости под повышенным давлением отделяется и используется для охлаждения секции 406, как показано линией 412. На фиг.5 также указаны относительные давления на различных этапах цикла, причем P>P>P.
В соответствии с иллюстративными вариантами выполнения одной рабочей текучей средой, которая может использоваться в цикле Ренкина, является органическая рабочая текучая среда, такая как текучая среда органического цикла Ренкина (ОЦР). К примерам текучих сред ОЦР относятся, но без ограничения этим, пентан, пропан, циклогексан, циклопентан, бутан, фтороуглеводород, например R-245fa, кетон, например ацетон, или ароматическое вещество, например толуол или тиофен. Однако, как изложено в разделе «Предпосылки изобретения», при непосредственном воздействии высоких температур на текучую среду ОЦР существует опасность ее ухудшения. Таким образом, в соответствии с иллюстративными вариантами выполнения в энергетических установках, в которых применяется иллюстративный турбодетандер 402, может использоваться промежуточный термомасляный контур, как показано на фиг.6. Данная иллюстративная энергетическая установка работает, как описано выше со ссылкой фиг.4 и 5 в отношении промежуточного термомасляного контура, описанного в разделе «Предпосылки изобретения» и показанного на фиг.2, и потому для простоты ее более подробное описание не приводится.
В соответствии с иллюстративными вариантами выполнения, показанными на фиг.6, турбодетандер 402 содержит расширительную секцию 404, двигательно-генераторную секцию 406 и насосную секцию 408. Турбодетандер 402 представляет собой интегрированный блок, который герметизирован так, что ни одна вращающаяся часть не пересекает герметизированный корпус турбодетандера 402. Это позволяет исключить использование сухих газовых уплотнений в турбодетандере 402 между расширительной секцией и генератором. Как показано на фиг.7, три секции турбодетандера 402 механически соединены при помощи вала 616, который может представлять собой три отдельных, но механически соединенных вала. Например, расширительная секция 404 может содержать вал 610, который механически присоединен к валу 612 в двигательно-генераторной секции 406, при этом вал 612 механически присоединен к валу 614 в насосной секции 408. В одном варианте применения валы 610, 612 и 614 выполнены за одно целое в виде единого вала. Как секция 408, так и секция 404 могут содержать несколько ступеней, например две или более ступеней. Поскольку турбодетандер 402 представляет собой интегрированный блок, то отсутствует необходимость в выполнении редуктора (и относящейся к нему смазочной системы) между секцией 402 и секцией 404. Данные иллюстративные варианты выполнения также могут быть получены с использованием турбодетандера 504, изображенного на фиг.5, путем объединения иллюстративных вариантов выполнения, т.е. при использовании одного вала или четырех механически соединенных валов в турбодетандере 504.
В соответствии с иллюстративными вариантами выполнения турбодетандер 402 может иметь только два впуска 602, 606 для текучей среды и только два выпуска 604, 608 для текучей среды. При наличии в турбодетандере 402 указанных четырех впусков/выпусков для текучей среды потеря технологического газа в окружающую среду значительно уменьшается по сравнению с обычными установками, например, турбодетандер 402 не содержит обычные наружные уплотнения, которые подвержены возникновению протечек опасного газа. Кроме того, при использовании описанного в данном документе иллюстративного турбодетандера 402 уменьшается как транспортировочный вес, так и размер опорной поверхности установки по сравнению с обычной энергетической установкой.
0
1
2
3
В соответствии с другим иллюстративным вариантом выполнения турбодетандер 504 может содержать расширительные секции, в которые технологический газ поступает последовательно, как проиллюстрировано на фиг.8. На фиг.8 показана первая расширительная секция 404, принимающая технологический газ из трубопровода 802. После расширения технологический газ выходит из секции 404 и проходит ко второй расширительной секции 502, как показано, по трубопроводу 804. После расширения во второй расширительной секции 502 технологический газ выходит из нее, как показано, по трубопроводу 806. Давления в данной установке характеризуются соотношением P>P>P>P.
В соответствии с иллюстративными вариантами выполнения двигательно-генераторная секция 406 может представлять собой высокоскоростной генератор, например, с мощностью 3 МВт и/или 6 МВт. Данный двигатель-генератор секции 406 может работать с такой же скоростью вращения, как создаваемая секцией 404, что устраняет необходимость в использовании редуктора. На выходе двигателя-генератора 406 может быть получен постоянный или переменный ток. В соответствии с иллюстративным вариантом выполнения в двигателе-генераторе секции 406 могут использоваться магнитные подшипники. В соответствии с альтернативным иллюстративным вариантом выполнения вместо магнитных подшипников в двигателе-генераторе секции 406 может использоваться жидкая смазка.
Предполагается, что вышеприведенные примеры вариантов выполнения являются во всех отношениях иллюстративными, а не ограничивающими данное изобретение. Таким образом, при реализации данного изобретения возможно выполнение различных изменений, которые могут быть очевидны специалисту из описания, приведенного в данном документе. Предполагается, что все такие изменения и модификации находятся в рамках объема и сущности данного изобретения, определенных нижеследующей формулой изобретения. Никакой элемент, действие или указание, используемые в описании данного изобретения, не должны рассматриваться как важные или существенные для изобретения, если это четко не указано при описании. Кроме того, используемые в данном документе формы единственного числа подразумевают наличие одного или более элементов.
В предложенном описании примеры, в том числе предпочтительный вариант выполнения, используются для раскрытия данного изобретения, а также для обеспечения возможности реализации изобретения на практике, включая изготовление и использование любых устройств и установок и осуществление любых предусмотренных способов, любым специалистом. Объем правовой охраны изобретения определен формулой изобретения и может охватывать другие примеры, очевидные специалистам в данной области техники. Подразумевается, что такие другие примеры находятся в рамках объема формулы изобретения, если они содержат конструктивные элементы, не отличающиеся от описанных в дословном тексте формулы, или конструктивные элементы, незначительно отличающиеся от описанных в дословном тексте формулы.