УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ВЫРАБОТКИ ЭНЕРГИИ ПОСРЕДСТВОМ ОРГАНИЧЕСКОГО ЦИКЛА РЕНКИНА
DEVICE AND METHOD OF POWER GENERATION BY MEANS OF ORGANIC RANKIN CYCLE

Область техники, к которой относится изобретение
Предлагаемое изобретение относится к устройству и способу выработки энергии посредством органического цикла Ренкина.
Известны устройства, основанные на термодинамическом цикле Ренкина (ORC - Organic Rankine Cycle или органический цикл Ренкина), в которых выполняют преобразование тепловой энергии в механическую и/или электрическую энергию простым и надежным образом. В этих устройствах, вместо обычной системы "вода/пар", предпочтительно используются рабочие текучие среды органического типа (с высоким или средним молекулярным весом), поскольку органическая текучая среда способна преобразовывать источники тепла при относительно низких температурах, обычно от 100°С до 300°С, но также и при более высоких температурах более эффективным образом. Таким образом, в последнее время преобразующие системы ORC находят все более широкое применение в различных секторах, например в геотермальной области, в промышленной рекуперации энергии, в устройствах для выработки энергии из биомассы и концентрированной солнечной энергии (CSP), в регазификаторах и в других подобных устройствах.
Уровень техники
Устройство известного типа для преобразования тепловой энергии путем органического цикла Ренкина (ORC), как правило, содержит: по меньшей мере один теплообменник для теплообмена между источником высокой температуры и рабочей текучей средой, чтобы нагревать, испарять (и, возможно, перегревать) рабочую текучую среду; по меньшей мере одну турбину, питаемую испаренной рабочей текучей средой, вытекающей из теплообменника, для преобразования тепловой энергии, присутствующей в рабочей текучей среде, в механическую энергию по циклу Ренкина; по меньшей мере один генератор, функционально соединенный с указанной турбиной, в котором механическая энергия, произведенная турбиной, преобразуется в электрическую энергию; по меньшей мере один конденсатор, в котором происходит конденсация рабочей текучей среды, выходящей из турбины, и ее направление в по меньшей мере один насос; причем из указанного насоса рабочую текучую среду подают в теплообменник.
Турбины известного типа для газа с высоким молекулярным весом и расширением пара описаны, например, в опубликованных документах US 4458493 и WO 2010/106570. Турбина, раскрытая в патенте US 4458493, выполнена по многоступенчатому типу, причем за первой осевой ступенью расположена радиально-центростремительная ступень. Напротив, турбина, раскрытая в патентном документе WO 2010/106570, выполнена по осевому типу и содержит корпус с периферийной спиралью для прохода рабочей текучей среды из входного отверстия в выходное отверстие, первый статор и, возможно, другие статоры, вал турбины, выполненный с возможностью вращения вокруг оси и несущий первый ротор и, возможно, другие роторы. Трубчатый элемент проходит консольно, выступая из корпуса, и соосен с валом турбины. Между трубчатым элементом и валом турбины расположен опорный блок, выполненный с возможностью полного извлечения из трубчатого элемента, за исключением вала.
В общем, известные турбины расширения, используемые в настоящее время для ORC термодинамических циклов, выполнены по осевому, одноступенчатому и многоступенчатому типу, а также по радиальному одноступенчатому и многоступенчатому центростремительному типу.
В документе WO 2011/007366 описана турбина, используемая в области ORC термодинамических циклов для выработки энергии, причем данная турбина содержит три радиальные ступени, расположенные по оси друг за другом.
В документе ЕР 2080876 описана турбомашина, в частности многоступенчатый турбокомпрессор, содержащий две турбины, одна из которых представляет собой радиально-центростремительную турбину, а также два компрессора.
В документе US 1488582 описана турбина, снабженная одним участком высокого давления и одним участком низкого давления, в котором поток текучей среды постепенно отклоняется от осевого направления в радиальное направление.
В документе US 2010/0122534 описана система с замкнутым или бесконечным контуром для рекуперации энергии, содержащая радиально-центростремительную турбину.
Раскрытие изобретения
В этой связи заявитель считает необходимым:
- увеличить эффективность преобразования энергии, происходящего внутри указанных турбин, по сравнению с турбинами, используемыми в настоящее время в ORC устройстве;
- уменьшить сложность конструкции и увеличить надежность турбин относительно турбин, используемых в настоящее время в ORC устройстве.
В частности, заявитель считает необходимым уменьшить потери вследствие утечки и вентилирования рабочей текучей жидкости, а также тепловые потери для того, чтобы повысить общую эффективность турбины и процесса преобразования энергии в турбине, и в целом, в ORC устройстве.
Заявителем было обнаружено, что вышеперечисленные задачи могут быть достигнуты посредством использования радиальных центробежных турбин расширения в секторе устройства и способов для выработки энергии посредством органического цикла Ренкина (ORC).
В частности, предлагаемое изобретение относится к устройству для выработки энергии путем органического цикла Ренкина, причем данное устройство содержит: органическую рабочую текучую среду с высоким молекулярным весом; по меньшей мере один теплообменник для теплообмена между источником высокой температуры; по меньшей мере одну турбину расширения, питаемую испаренной рабочей текучей средой, вытекающей из теплообменника, для преобразования тепловой энергии, присутствующей в рабочей текучей среде, в механическую энергию по циклу Ренкина; по меньшей мере один конденсатор, в котором происходит конденсация рабочей текучей среды, вытекающей из указанной по меньшей мере одной турбины расширения, и ее направление в по меньшей мере один насос с последующей подачей рабочей текучей среды в указанный по меньшей мере один теплообменник; причем данное устройство отличается тем, что упомянутая турбина расширения выполнена по радиально-центробежному типу.
Органическая рабочая текучая среда с высоким молекулярным весом может быть выбрана из группы, содержащей углеводороды, кетоны, силоксаны или фторосодержащие вещества (в том числе и перфорированные вещества), и, как правило, имеет молекулярный вес от 150 до 500 г/моль. Органическая рабочая текучая среда предпочтительно представляет собой перфтор-2-метилпентан (дополнительное преимущество которого состоит в том, что он не является токсичным или легковоспламеняющимся), перфтор-1,3-диметилциклогесан, гексометилдисилоксан или октометилтрисилоксан.
В другом аспекте предлагаемое изобретение относится к способу выработки энергии путем органического цикла Ренкина, в котором предусмотрены следующие этапы: i) подача органической рабочей текучей среды через по меньшей мере один теплообменник для теплообмена между источником высокой температуры и указанной рабочей текучей средой, чтобы нагревать и испарять указанную рабочую текучую среду, ii) подача испаренной органической текучей среды, вытекающей из теплообменника, в по меньшей мере одну турбину расширения для преобразования тепловой энергии, присутствующей в рабочей текучей среде, в механическую энергию по циклу Ренкина, iii) подача органической рабочей текучей среды, вытекающей из указанной по меньшей мере одной турбины расширения, в по меньшей мере один конденсатор, в котором происходит конденсация рабочей текучей среды; iv) направление органической рабочей текучей среды, вытекающей из конденсатора, в указанный по меньшей мере один теплообменник; причем данный способ отличается тем, что на этапе ii) путь, по которому следует рабочая текучая среда от входного отверстия до выходного отверстия турбины расширения, представляет собой, по меньшей мере частично, радиально-центробежный путь.
Заявитель убедился, что радиально-центробежная турбина расширения является наиболее подходящим устройством для рассматриваемого применения, то есть для расширения рабочей текучей среды с высоким молекулярным весом в ORC способе, поскольку:
- расширения в ORC циклах отличаются низкими изменениями энтальпии, и радиально-центробежная турбина расширения, являясь объектом предлагаемого изобретения, подходит для применений с низкими изменениями энтальпии, поскольку она выполняет меньшую работу по сравнению с осевыми и/или радиальными центростремительными машинами, причем периферийная скорость и степень реактивности остаются такими же;
- расширения в ORC циклах отличаются низкими скоростями вращения и низкими периферийными скоростями ротора вследствие низких изменений энтальпии, характеризующих упомянутые циклы, умеренных температур или любых процессов, которые не настолько интенсивны, как, например, в газовых турбинах, причем радиально-центробежная турбина расширения хорошо приспособлена для ситуаций с низкими механическими и тепловыми напряжениями;
- поскольку циклы Ренкина в целом и ORC циклы, в частности, отличаются высокими коэффициентами объемного расширения, радиально-центробежная турбина расширения оптимизирует высоты лопаток устройства, в частности, первой ступени, за счет того факта, что диаметр колес увеличивается в направлении прохождения потока, и поэтому почти всегда возможен полный и беспрепятственный впуск;
- поскольку конструктивная форма радиально-центробежной турбины расширения позволяет получить несколько ступеней расширения на единственном диске, то потери вследствие вторичных потоков и утечки могут быть уменьшены, и одновременно может быть достигнуто снижение затрат;
- кроме этого, турбина расширения в радиально-центробежной конфигурации делает избыточным кручение лопаток на последней стадии расширения, упрощая, таким образом, конструкцию устройства.
В одном предпочтительном варианте осуществления изобретения турбина расширения содержит неподвижный корпус, имеющий осевое входное отверстие и радиально-периферийное выходное отверстие, только один роторный диск, установленный внутри корпуса и выполненный с возможностью вращения вокруг оси Х-Х вращения, по меньшей мере один первый ряд роторных лопаток, установленных на передней поверхности роторного диска и расположенных вокруг оси Х-Х вращения, и по меньшей мере один первый ряд статорных лопаток, установленных на корпусе, обращенных к роторному диску и расположенных вокруг оси Х-Х вращения.
Упомянутая турбина расширения предпочтительно содержит по меньшей мере один второй ряд роторных лопаток, расположенных в положении, радиально внешнем относительно первого ряда роторных лопаток, и по меньшей мере один второй ряд статорных лопаток, расположенных в положении, радиально внешнем относительно первого ряда статорных лопаток.
Для радиально-центробежной турбины расширения, являющейся объектом предлагаемого изобретения, необходим только один диск также для многоступенчатых машин, в отличие от осевых машин, вследствие чего сокращаются потери из-за вентилирования и снижаются затраты. Благодаря вышеуказанной компактности могут поддерживаться очень малые зазоры, что приводит к сокращению утечек и, как следствие, уменьшению выпускных потерь. При этом также уменьшены тепловые потери.
Кроме этого, нет необходимости скручивать лопатки радиальной центробежной турбины, что означает меньшие затраты на производство указанных лопаток и турбины в целом.
В одном предпочтительном варианте изобретения радиально-центробежная турбина расширения содержит перегородку, неподвижно установленную на корпусе на осевом входном отверстии и выполненную с возможностью отклонения осевого потока радиально по направлению к первому ряду статорных лопаток.
В предпочтительном варианте выполнения перегородка имеет выпуклую поверхность, обращенную к входящему потоку.
В предпочтительном варианте изобретения перегородка несет первый ряд статорных лопаток на своем радиально периферийном участке.
Кроме ограничения динамических потерь текучей среды на первом входном отверстии статора перегородка также предназначена для предотвращения соударения текучей среды при более высоком давлении с движущимися частями. Это преимущество дополнительно уменьшает потери вследствие трения на роторном диске и обеспечивает повышенную гибкость, когда возникают условия, отличные от проектных условий.
В предпочтительном варианте изобретения передняя поверхность роторного диска и поверхность корпуса, несущая статорные лопатки, расходятся друг от друга при удалении от оси Х-Х вращения.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения турбина расширения содержит диффузор, размещенный в положении, радиально внешнем относительно статорных лопаток или роторных лопаток.
Радиальная турбина в центробежной конфигурации облегчает выполнение диффузора, обеспечивая возможность рекуперации кинетической энергии при выпуске и, таким образом, более высокую общую эффективность устройства.
В другом варианте осуществления изобретения турбина расширения содержит по меньшей мере одну радиально-центробежную ступень и по меньшей мере одну осевую ступень, предпочтительно расположенную на радиально внешнем периметре роторного диска.
Другие признаки и преимущества станут более очевидными из подробного описания предпочтительного, но не исключительного варианта выполнения предлагаемого устройства и способа выработки энергии посредством органического цикла Ренкина.
Краткое описание чертежей
Подробное описание упомянутых конфигураций приведено далее со ссылкой на прилагаемые чертежи, представленные в качестве примера, не имеющего ограничительного характера, на которых:
на фиг.1 схематично изображена базовая конфигурация предлагаемого устройства для выработки энергии посредством органического цикла Ренкина;
на фиг.2 изображена в разрезе сбоку турбина расширения, принадлежащая устройству с фиг.1;
на фиг.3 изображена в частичном разрезе спереди турбина расширения с фиг.2.
Осуществление изобретения
Со ссылкой на чертежи, устройство для выработки энергии посредством органического цикла Ренкина (ORC) согласно настоящему изобретению обозначено цифровым обозначением 1.
Устройство 1 содержит замкнутый контур, в котором течет органическая рабочая текучая среда с высоким или средним молекулярным весом. Эта текучая среда может быть выбрана из группы, содержащей углеводороды, кетоны, фтороуглероды и силоксаны. Эта текучая среда предпочтительно представляет собой перфорированную текучую среду с молекулярным весом от 150 до 500 г/моль.
На фиг.1 изображен контур цикла Ренкина в его базовой конфигурации, причем данный контур содержит: насос 2, теплообменник 3, турбину 4 расширения, соединенную с электрогенератором 5, и конденсатор 6.
Насос 2 обеспечивает поступление органической рабочей текучей среды из конденсатора 6 в теплообменник 3. В теплоообменнике 3 текучую среду нагревают, испаряют и затем в паровой фазе подают в турбину 4, в которой происходит преобразование тепловой энергии, присутствующей в рабочей текучей среде, в механическую энергию и затем в электрическую энергию посредством генератора 5. Ниже по потоку от турбины 4 расширения, в конденсаторе 6, рабочую текучую среду конденсируют и затем снова направляют в теплообменник через насос 2.
Далее в данном документе насос 2, теплообменник 3, генератор 5 и конденсатор 6 не описаны, поскольку они относятся к известному типу.
Турбина 4 расширения предпочтительно выполнена по одноступенчатому или многоступенчатому радиально-центробежному типу, то есть состоит из одной или более радиально-центробежной ступени расширения или из по меньшей мере одной радиально-центробежной ступени и по меньшей мере одной осевой ступени. Другими словами, поток рабочей текучей среды поступает в турбину 4 расширения вдоль осевого направления в зону турбины 4 расширения, более удаленную внутрь по радиусу, и вытекает в расширенном состоянии в радиальном или осевом направлении в зоне турбины 4 расширения, более удаленной наружу по радиусу. На пути между входом и выходом поток, расширяясь, отдаляется от оси Х-Х вращения.
На фиг.2 и 3 изображен предпочтительный, но не ограничительный вариант выполнения радиально-центробежной турбины расширения. Данная турбина 4 расширения содержит неподвижный корпус 7, образованный передней половиной 8 корпуса, имеющей круговую форму, и задней половиной 9 корпуса, причем указанные половины соединены болтами 10 (фиг.3). Муфта 11 выступает консольно из задней половины 9 корпуса.
Во внутреннем объеме, ограниченном передней половиной 8 корпуса и задней половиной 9 корпуса, заключен ротор 12, который жестко прикреплен к валу 13, который, в свою очередь, поддерживается в муфте 11 посредством подшипников 14 таким образом, что он может свободно вращаться вокруг оси Х-Х вращения.
На оси Х-Х вращения образовано, в передней половине 8 корпуса, осевое входное отверстие 15, и на радиально-периферийной части корпуса 7 образовано радиально-периферийное выходное отверстие, расположенное снаружи диффузора 16.
Ротор 12 содержит единственный роторный диск 17, закрепленный на валу 13 перпендикулярно оси Х-Х вращения, и имеет переднюю поверхность 18, обращенную по направлению к передней половине 8 корпуса, и заднюю поверхность 19, обращенную по направлению к задней половине 9 корпуса. Между передней поверхностью 18 роторного диска 17 и передней половиной 8 корпуса ограничена полость 20 для прохода органической рабочей текучей среды. Между задней поверхностью 19 роторного диска 17 и задней половиной 9 корпуса ограничена компенсационная камера 21.
Передняя поверхность 18 роторного диска 17 несет три ряда роторных лопаток 22а, 22b, 22с. Каждый ряд содержит группу плоских роторных лопаток, расположенных вокруг диска Х-Х вращения. Роторные лопатки второго ряда 22b расположены в положении, радиально внешнем относительно роторных лопаток первого ряда 22а, и роторные лопатки третьего ряда 22с расположены в положении, радиально внешнем относительно роторных лопаток второго ряда 22b. Три ряда статорных лопаток 24а, 24b, 24с установлены на внутренней поверхности 23, обращенной по направлению к ротору 17 передней половины 8 корпуса. Каждый ряд содержит группу плоских статорных лопаток, расположенных вокруг оси Х-Х вращения. Статорные лопатки первого ряда 24а расположены в положении, радиально внутреннем относительно роторных лопаток первого ряда 22а. Статорные лопатки второго ряда 24b расположены в положении, радиально внешнем относительно роторных лопаток первого ряда 22а, и в положении, радиально внутреннем относительно роторных лопаток второго ряда 22b. Статорные лопатки третьего ряда 24с расположены в положении, радиально внешнем относительно роторных лопаток второго ряда 22b, и в положении, радиально внутреннем относительно роторных лопаток третьего ряда 22с. Таким образом, турбина 4 расширения имеет три ступени.
Внутри турбины 1 поток рабочей текучей среды, входящий в осевое входное отверстие 15, отклоняется перегородкой 25, имеющей выпуклую круговую поверхность, которая неподвижно установлена на корпусе 7 спереди ротора 17 и расположена соосно с осью Х-Х вращения, причем выпуклость указанной перегородки обращена к осевому входному отверстию 15 и втекающему потоку. Перегородка 25 проходит радиально, начиная от оси "X-X" вращения до первого ряда статорных лопаток 24а. Статорные лопатки первого ряда 24а интегрированы в периферийный участок перегородки 25 и имеют один конец, установленный на внутренней поверхности 23 передней половины 8 корпуса. В частности, перегородка 25 ограничена выпуклой тонкой пластиной, имеющей радиальную симметрию с выпуклым/вогнутым центральным участком 24а, выпуклость которого обращена к передней половине 8 корпуса и к осевому входному отверстию 15, а также радиально наиболее удаленным от центра участком 25b, который является кольцевым и вогнутым/выпуклым, вогнутость которого обращена к передней половине 8 корпуса. Передняя половина 8 корпуса и радиально наиболее удаленный от центра участок 25b перегородки 25 ограничивают отводящий тракт, направляющий рабочую текучую среду в первую ступень (роторные лопатки первого ряда 22а и статорные лопатки первого ряда 24а) турбины 4 расширения.
Передняя поверхность 18 роторного диска 8 и поверхность 23 передней половины 8 корпуса, несущей статорные лопатки 24а, 24b, 24с, расходятся друг от друга при удалении от оси (Х-Х) вращения, начиная от указанной первой ступени, причем радиально наиболее удаленные от центра лопатки имеют высоту, превышающую высоту радиально наиболее приближенных к центру лопаток.
Турбина 4 расширения дополнительно содержит диффузор для рекуперации кинетической энергии, который размещен в положении, радиально внешнем относительно третьей ступени (роторные лопатки третьей ступени 22с и статорные лопатки третьей ступени 24с), и ограничен передней поверхностью 18 роторного диска 8 и противоположной поверхностью 23 передней половины 8 корпуса. Спираль 27, сообщающаяся с выходным фланцем 28, расположена на радиально внешнем периметре корпуса 7, на выходе диффузора 26.
Согласно альтернативному, не показанному варианту изобретения вместо третьей радиальной ступени поток пересекает осевую ступень, установленную на периметре ротора.
Изображенная турбина 4 расширения дополнительно содержит устройство для компенсации осевой нагрузки, прикладываемой рабочей текучей средой к ротору 7 и, через вал 13, к упорным подшипниками 14. Данное устройство содержит тензометрический датчик 29 нагрузки, размещенный по оси между муфтой 11 и упорным подшипником 14, пружину 30, выполненную с возможностью удержания упорного подшипника 14 прижатым к тензометрическому датчику 29 нагрузки, PLC (программируемый логический контроллер) (не показан), функционально соединенный с тензометрическим датчиком 29 нагрузки, и регулирующий клапан 31, расположенный в тракте 32, сообщающемся с компенсационной камерой 21, и дополнительную камеру 33, выполненную в передней половине 8 корпуса и находящуюся под тем же давлением, что и рабочая текучая среда на выходе из первой ступени через проходные отверстия 34. Данное устройство выполняет ответную регулировку поступления рабочей текучей среды из дополнительной камеры 33 в компенсационную камеру 21, в зависимости от детектируемой осевой нагрузки таким образом, чтобы поддерживать осевую нагрузку в контролируемом состоянии.
Вход рабочей текучей среды происходит из осевого входного отверстия 15 в положении, концентричном с передней половиной 8 корпуса, которая является гладкой и выполнена с круговой формой. Как показано на фиг.2, внутри турбины 4 расширения поток текучей среды отклоняет перегородка 25 и направляет в первый ряд статорных лопаток 24а, выполненных интегрально с перегородкой 25 и с передней половиной 8 корпуса.