СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭНЕРГИИ ИЗ ТЕПЛОВОГО ИСТОЧНИКА Российский патент 2011 года по МПК F01K25/10 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к способу и системе для производства энергии из теплового источника и, в частности, к способу и системе для производства энергии из геотермального теплового источника.

Изобретение было изначально разработано для использования при производстве энергии из геотермального теплового источника и будет описано далее со ссылкой на это применение. Однако необходимо понимать, что изобретение не ограничено этой конкретной областью применения.

Уровень техники

Любое обсуждение предшествующего уровня техники на протяжении описания никаким образом не должно быть расценено как допущение того, что подобный предшествующий уровень широко известен или составляет часть общего знания в этой области.

Возросшее беспокойство относительно потребления ископаемого топлива и сокращения парниковых газов привело к исследованиям и разработкам, направленным на повышение эффективности производства энергии и на возобновляемые источники энергии. Таким возобновляемым источником энергии является геотермальная энергия, которую получают из термальной энергии, хранящейся глубоко под землей. В то время как повышение эффективности производства энергии является общей задачей для всех источников энергии, особенный интерес это представляет для установок геотермальной энергии.

Производство электроэнергии из геотермальной энергии в основном подразумевает извлечение геотермальной текучей среды из коллектора и превращение термальной энергии, хранящейся в геотермальной текучей среде, в механическую работу и затем в электричество. Обычные циклы геотермальной энергии в общем случае могут быть проклассифицированы на прямые паровые циклы без конденсации, прямые паровые циклы с конденсацией (одиночный поток или двойной поток), бинарные циклы и комбинированные циклы. Все, кроме прямых паровых циклов с конденсацией, используют рабочую текучую среду для обмена теплом с геотермальным тепловым источником и приведения в действие турбины для производства энергии. Прямые паровые циклы с конденсацией ограничены геотермальными коллекторами сухого пара, которые более редки, чем другие геотермальные коллекторы, такие как коллекторы горячей воды и коллекторы сухой нагретой породы.

Однако эти обычные паровые циклы изначально были разработаны для широкомасштабного получения энергии из ископаемого топлива, где доступны источники повышенных температур для теплообмена. Следовательно, в этих обычных силовых циклах испарение и конденсация рабочей текучей среды происходят при постоянных температурах. В контексте геотермальных источников результатом этого являются большие несогласованности в температурах между рабочей текучей средой и геотермальным тепловым источником во время процессов подвода тепла или отвода тепла в термодинамическом цикле. Например, в бинарном цикле разница температур между рабочей и геотермальной текучей средами в первичном теплообменнике может быть такой высокой как от 80°С до 100°С. В терминах термодинамики, большие разницы температур в процессе теплообмена увеличивают энтропию энергетического цикла, уменьшая за счет этого эффективность, в частности, кпд второго закона термодинамики, относящегося к эксэргии (работоспособность) процесса теплообмена, причем приводящие в результате к слабому восстановлению энергии для производства мощности.

Для решения этой задачи в цикле Калина используют многокомпонентную азеотропную смесь аммиака и воды в качестве рабочей текучей среды, а также дополнительное абсорбционное и дистилляционное оборудование для восстановления смеси при низкой температуре в конце цикла. Многокомпонентная рабочая текучая среда имеет изменяющуюся температуру фазового перехода во время испарения так, что испарение рабочей текучей среды происходит в целом спектре температур. Поэтому температура смеси может более близко соответствовать температуре геотермальной текучей среды для увеличения количества термальной энергии, которую восстанавливают, и снижения энтропии цикла, улучшая, таким образом, эффективность процесса теплообмена при низкотемпературных применениях, таких как геотермальные тепловые источники, в противоположность выработке энергии на основе ископаемого топлива.

Недостаток цикла Калина заключается в том, что абсорбционное и дистилляционное оборудование, добавляемое в цикл, дополнительно усложняет систему и значительно увеличивает стоимость промышленной установки по сравнению с другими типами промышленных установок. Кроме того, цикл Калина имеет повышенную чувствительность в отношении давления и состава аммиачно-водной смеси, что ограничивает работу цикла по целому ряду температур возможных геотермальных коллекторов и фактически устанавливает нижний предел минимальной температуры, при которой глубокий источник геотермальной энергии может быть использован в промышленном масштабе.

Раскрытие изобретения

Первый объект настоящего изобретения касается способа производства энергии из теплового источника, который включает в себя:

сжатие рабочей текучей среды для повышения ее температуры;

теплообмен между упомянутой рабочей текучей средой и упомянутым тепловым источником для перегрева упомянутой рабочей текучей среды;

расширение упомянутой перегретой рабочей текучей среды для приведения в действие турбины и за счет этого снижения температуры текучей среды;

конденсация упомянутой рабочей текучей среды для дальнейшего уменьшения ее температуры и

возвращение упомянутой рабочей текучей среды к упомянутому этапу сжатия,

способ дополнительно включает в себя этап регенерации тепла упомянутой рабочей текучей среды,

при этом рабочая текучая среда, проходящая между упомянутым этапом сжатия и упомянутым этапом теплообмена, обменивается теплом с рабочей текучей средой, проходящей между упомянутым этапом расширения и упомянутым этапом конденсации,

в котором упомянутые этапы осуществляют в термодинамическом цикле в сверхкритической области над зоной насыщения упомянутой рабочей текучей среды, причем упомянутый этап регенерации тепла осуществляют при изоэнтальпических условиях для создания постоянного теплообмена.

Другой объект настоящего изобретения касается системы для производства энергии из теплового источника, включающей в себя:

компрессор для сжатия рабочей текучей среды, чтобы повысить ее температуру;

первый теплообменник, выполненный с возможностью соединения с упомянутым компрессором и упомянутым тепловым источником, для теплообмена между упомянутой рабочей текучей средой и упомянутым тепловым источником для перегрева упомянутой рабочей текучей среды;

турбину, выполненную с возможностью соединения с упомянутым теплообменником для расширения упомянутой перегретой рабочей текучей среды, снижая за счет этого ее температуру;

второй теплообменник для конденсации упомянутой рабочей текучей среды, чтобы дополнительно снизить ее температуру, при этом упомянутый второй теплообменник выполнен с возможностью соединения с упомянутой турбиной и упомянутым компрессором, и

регенератор тепла, выполненный с возможностью соединения между упомянутым компрессором и упомянутым первым теплообменником для предварительного нагрева упомянутой рабочей текучей среды до входа в упомянутый первый теплообменник и выполненный с возможностью соединения между упомянутой турбиной и упомянутым вторым теплообменником для охлаждения упомянутой рабочей текучей среды после выхода из упомянутой турбины, в котором рабочая текучая среда, проходящая между упомянутым компрессором и упомянутым первым теплообменником, обменивается теплом с упомянутой рабочей текучей средой, проходящей между упомянутой турбиной и упомянутым конденсатором,

при этом упомянутая система работает по термодинамическому циклу в сверхкритической области над зоной/куполом насыщения упомянутой рабочей текучей среды, а упомянутый регенератор работает при изоэнтальпических условиях для создания постоянного теплообмена.

Предпочтительно, температуру на этапе регенерации тепла контролируют для обеспечения упомянутых изоэнтальпических условий. Этап регенерации тепла предпочтительно включает в себя контроль температуры, по меньшей мере, одной рабочей текучей среды, проходящей между этапом сжатия и этапом теплообмена, и рабочей текучей среды, проходящей между этапом расширения и этапом конденсации. Предпочтительно, температура на упомянутом этапе регенерации тепла такова, что Δh/ΔT≠0, где Δh представляет собой разницу энтальпий рабочей текучей среды, проходящей между этапом сжатия и этапом теплообмена, и рабочей текучей среды, проходящей между этапом расширения и этапом конденсации, а ΔT является разницей температур рабочих текучих сред.

Предпочтительно, способ дополнительно включает в себя этап мониторинга температуры на упомянутом этапе теплообмена. Этап регенерации тепла, предпочтительно, включает в себя контроль давления, по меньшей мере, одной из рабочей текучей среды, проходящей между этапом сжатия и этапом теплообмена, и рабочей текучей среды, проходящей между этапом расширения и этапом сжатия, в ответ на упомянутый этап мониторинга температуры, контролируя за счет этого температуру упомянутой, по меньшей мере, одной рабочей текучей среды.

Предпочтительно, давление на упомянутом этапе регенерации тепла контролируют, чтобы обеспечить упомянутые изоэнтальпические условия. Этап регенерации тепла предпочтительно включает в себя контроль давления, по меньшей мере, одной рабочей текучей среды, проходящей между этапом сжатия и этапом теплообмена, и рабочей текучей среды, проходящей между этапом расширения и этапом конденсации. Предпочтительно, этап регенерации тепла включает в себя контроль давления рабочей текучей среды, проходящей между этапом сжатия и этапом теплообмена. Предпочтительно, этап регенерации тепла включает в себя контроль верхнего давления упомянутой одной рабочей текучей среды, чтобы вызвать изменения в нижней температуре.

Предпочтительно, регенератор тепла включает в себя средство для контроля температуры внутри упомянутого регенератора тепла для обеспечения упомянутых изоэнтальпических условий. Предпочтительно, средство контроля температуры контролирует температуру, по меньшей мере, одной из рабочей текучей среды, проходящей между компрессором и первым теплообменником, и рабочей текучей среды, проходящей между турбиной и конденсатором. Предпочтительно, температура в упомянутом регенераторе тепла такова, что Δh/ΔT≠0, где Δh является разницей энтальпий рабочей текучей среды, проходящей между компрессором и первым теплообменником, и рабочей текучей среды, проходящей между турбиной и конденсатором, а ΔТ является разницей температур рабочих текучих сред.

Система предпочтительно включает в себя средство для мониторинга температуры внутри упомянутого регенератора. Средство мониторинга температуры предпочтительно включает в себя одну или две термопары, размещенные внутри регенератора. Регенератор предпочтительно включает в себя средство для контроля давления, по меньшей мере, одной из рабочей текучей среды, проходящей между компрессором и первым теплообменником, и рабочей текучей среды, проходящей между турбиной и конденсатором, в ответ на упомянутое средство мониторинга температуры, контролируя за счет этого температуру упомянутой, по меньшей мере, одной рабочей текучей среды.

Система предпочтительно включает в себя средство контроля давления внутри упомянутого регенератора для обеспечения упомянутых изоэнтальпических условий. Средство контроля давления предпочтительно контролирует давление, по меньшей мере, одной из рабочей текучей среды, проходящей между компрессором и первым теплообменником, и рабочей текучей среды, проходящей между турбиной и конденсатором. Средство контроля давления предпочтительно контролирует давление рабочей текучей среды, проходящей между компрессором и первым теплообменником. Средство контроля давления предпочтительно контролирует верхнее давление упомянутой, по меньшей мере, одной рабочей текучей среды, чтобы вызвать изменение нижней температуры. Средство контроля давления предпочтительно включает в себя, по меньшей мере, один или больше клапанов для контроля давления упомянутой, по меньшей мере, одной рабочей текучей среды. Клапаны предпочтительно являются дроссельными клапанами.

Предпочтительно, рабочее давление, используемое в способе и в системе, выше, чем критическая точка рабочей текучей среды. Предпочтительно, рабочее давление составляет менее 30 МПа. Предпочтительно, чтобы рабочее давление составляло меньше 15 МПа. Предпочтительно, рабочее давление находится между 8 и 12 МПа. Предпочтительно, рабочая температура, используемая в способе и системе, находится между 100°С и 200°С.

Предпочтительно, рабочая текучая среда имеет критическое давление между 3,3 МПа и 7,5 МПа. Предпочтительно, критическая температура рабочей текучей среды находится между 30°С и 200°С.

Предпочтительно, чтобы рабочая текучая среда состояла из одного компонента. Альтернативно, если нужно, может быть использована многокомпонентная рабочая текучая среда.

Предпочтительно, рабочая текучая среда включает в себя двуокись углерода, н-пентан (С₅H₁₂), HFC-245са (CF₂H-CF₂-CFH₂), HFC-245fa (CF₃-CH₂-CF₂H), HFC-134a (CH₂F-CF₃), хладагент 125 и пентафторэтан (F₄CH₂F).

Тепловой источник предпочтительно включает в себя геотермальный тепловой источник или источник отработанного тепла. Геотермальный тепловой источник предпочтительно включает в себя коллектор сухой нагретой породы или коллектор горячей воды. Альтернативно, источник вторичного тепла включает в себя охлаждающую воду или отработанный пар из обычной энергоустановки, включая энергоустановку, на которой сжигают уголь, торф, нефть, газ или другое ископаемое топливо.

Краткое описание чертежей

Предпочтительные варианты осуществления изобретения будут подробно описаны только с помощью примеров со ссылками на прилагаемые чертежи, в которых:

фиг.1 - фазовая диаграмма рабочей текучей среды в координатах температура-энтропия;

фиг.2 - фазовая диаграмма цикла Ренкина в координатах температура-энтропия;

фиг.3 - фазовая диаграмма в координатах температура-энтропия, иллюстрирующая способ по первому варианту осуществления изобретения;

фиг.4 - схема системы по первому варианту осуществления изобретения;

фиг.5 - график изменения энтальпии в зависимости от температуры для чистой рабочей текучей среды;

фиг.6 - схема регенератора для системы согласно второму варианту осуществления изобретения;

фиг.7 - фазовая диаграмма в координатах температура-энтропия, иллюстрирующая способ согласно второму варианту осуществления изобретения;

фиг.8 - график, иллюстрирующий сравнение кпд термической конверсии по второму варианту осуществления изобретения и обычного энергетического цикла;

фиг.9 - график, иллюстрирующий сравнение эксэргетической эффективности по второму варианту осуществления изобретения и обычного энергетического цикла;

фиг.10 - график, иллюстрирующий сравнение удельной работы, полученной по второму варианту осуществления изобретения, и обычного энергетического цикла.

Осуществление изобретения

На фиг.1 представлена диаграмма состояний рабочей текучей среды в области температура (Т) - энтропия (S). На графике пунктирные линии Р являются изобарами, представляющими постоянное значение давления. Купол насыщения А определяет границу, на которой рабочая текучая среда находится в насыщенном состоянии. Самые обычные энергетические циклы, такие как цикл Ренкина, показанный на фиг.2, работают в или около фазы насыщения рабочей текучей среды, как определено куполом насыщения А, таким образом, что любое фазовое изменение, связанное с циклом, происходит при постоянном давлении и температуре. Это означает, что энергия от теплового источника теряется во время фазовых изменений рабочей текучей среды внутри купола насыщения А. Наоборот, варианты осуществления изобретения позволяют избежать этих тепловых потерь, работая над куполом насыщения А.

На фиг.3 и 4 показан первый вариант осуществления изобретения. Как наилучшим образом показано на фиг.3, способ производства энергии из теплового источника включает в себя этап 10 сжатия рабочей текучей среды для повышения ее температуры (состояния S4-S1) и этап 11 теплообмена между рабочей текучей средой и тепловым источником для перегрева рабочей текучей среды (состояния S1'-S2). На этапе 12 перегретая рабочая текучая среда расширяется, чтобы привести в движение турбину, понижая за счет этого свою температуру (состояния S2-S3). Затем на этапе 13 рабочая текучая среда конденсируется для дополнительного снижения температуры (состояния S3'-S4), перед тем как вернуться на этап 10 сжатия. Способ дополнительно включает в себя этап 14 регенерации тепла, в котором рабочая текучая среда, проходя между этапом 10 сжатия и этапом 11 теплообмена (состояния S1-S1'), обменивается теплом с рабочей текучей средой, проходящей между этапом 12 расширения и этапом 13 конденсации (состояния S3-S3'). Таким образом, фактически рабочая текучая среда является предварительно нагретой после этапа 10 сжатия и перед обменом тепла с тепловым источником на этапе 11, при этом рабочая текучая среда является охлажденной после этапа 12 расширения перед этапом 13 конденсации. Эти этапы 10-14 осуществляют в термодинамическом цикле (S1-S1'-S2-S3-S3'-S4) внутри сверхкритической области SC над куполом А насыщения рабочей текучей среды, а этап 14 регенерации тепла осуществляют при изоэнтальпических условиях для создания постоянного теплообмена.

Способ, представленный на фиг.3, может быть осуществлен в системе 15 для производства энергии из теплового источника 16, как наилучшим образом показано на фиг.4. Система включает в себя компрессор 17 в виде нагнетательного насоса для сжатия рабочей текучей среды, чтобы повысить ее температуру, и первый теплообменник 18 в виде высокотемпературного теплообменника, выполненного с возможностью соединения по текучей среде с компрессором 17 и тепловым источником 16 для теплообмена между рабочей текучей средой и тепловым источником 16, чтобы перегреть рабочую текучую среду. Турбина 19 выполнена с возможностью соединения по текучей среде с высокотемпературным теплообменником 18 для расширения перегретой рабочей текучей среды и уменьшения за счет этого ее температуры. Второй теплообменник 20 в виде низкотемпературного теплообменника, выполненного с возможностью соединения по текучей среде с турбиной 19 и компрессором 17 для конденсации рабочей текучей среды, чтобы дополнительно снизить ее температуру, используя более холодную текучую среду, полученную из соответствующего резервуара 21 холодной воды. Регенератор 22 тепла выполнен с возможностью соединения по текучей среде с компрессором 17 и первым теплообменником 18 для предварительного нагрева рабочей текучей среды перед входом в высокотемпературный теплообменник и выполнен с возможностью соединения по текучей среде между турбиной 19 и низкотемпературным теплообменником 20 для охлаждения рабочей текучей среды после выхода из турбины 19. Регенератор 22 тепла использует «горячую» рабочую текучую среду, проходящую между турбиной 19 и низкотемпературным теплообменником 20 (поток 24) для предварительного нагрева «холодной» текучей среды, проходящей между компрессором 17 и высокотемпературным теплообменником 18 (поток 23). Система 15 работает по термодинамическому циклу (S1-S1'-S2-S3-S3'-S4) внутри сверхкритической области SC над куполом А насыщения рабочей текучей среды, а регенератор 22 работает при изоэнтальпических условиях для создания непрерывного теплообмена.

Термодинамический цикл (S1-S1'-S2-S3-S3'-S4) является по существу подобным циклу Ренкина, хотя он поднят в сверхкритическую область SC над куполом А насыщения рабочей текучей среды, а состояния S1-S1' и S3-S3' находятся при изоэнтальпических условиях.

Проводя весь термодинамический цикл (S1-S1'-S2-S3-S3'-S4) в сверхкритической области SC над куполом А насыщения, этот полностью сверхкритический процесс сокращает потери эффективности, связанные с высокотемпературным теплообменником 18 и низкотемпературным теплообменником 20. Другими словами, в состояниях S1-S1'-S2 и S3-S3'-S4 рабочая текучая среда перегрета и сконденсирована при изменяемых температурах скорее, чем при постоянной температуре, как в обычных энергетических циклах. Это минимизирует температурную несогласованность между геотермальной текучей средой и рабочей текучей средой, и между охлаждающей текучей средой и рабочей текучей средой. Таким образом, энтропия термодинамического цикла (S1-S1'-S2-S3-S3'-S4) сокращается, а эффективность превращения энергии возрастает.

Дополнительно, регенератор 22 тепла сокращает таким образом количество энергии, требуемой для процесса подвода тепла, осуществляемого компрессором 17, улучшая за счет этого эффективность термодинамического цикла (S1-S1'-S2-S3-S3'-S4) внутри сверхкритической области SC над куполом А насыщения рабочей текучей среды.

Кроме того, поскольку этап 14 регенерации тепла осуществляют при изоэнтальпических условиях, всегда существует градиент температуры, действующий как движущая сила для непрерывного теплообмена между параллельными потоками 23 и 24 рабочих текучих сред внутри регенератора 22.

Важность осуществления этапа регенерации при изоэнтальпических условиях лучше всего показана на фиг.5, где показана зависимость разницы энтальпий потоков (Δh) «холодной» и «горячей» текучих сред в зависимости от температуры (Т) для чистого вещества в качестве рабочей текучей среды, такого как двуокись углерода, при сверхкритических условиях SC. Результирующая кривая показывает максимум P_m при Δh/ΔТ=0, где нет температурного градиента для запуска процесса теплообмена. Следовательно, существование точки максимума P_m для Δh наносит вред эффективности термодинамического цикла, поскольку предотвращает постоянный теплообмен и таким образом сокращает эффективность превращения энергии.

И, наоборот, в предпочтительном варианте осуществления изобретения температуру контролируют таким образом, что энтальпия на этапе регенерации тепла остается постоянной; т.е. при изоэнтальпических условиях, а температура такова, что Δh/ΔТ≠0, обеспечивая, что градиент температуры существует на протяжении всего этапа 14 регенерации тепла, результатом чего является продолжение процесса теплообмена между потоками 23 и 24 «холодной» и «горячей» рабочих текучих сред, проходящими через регенератор 22 тепла.

Кроме того, улучшенная эффективность, полученная в способе и системе 15, оптимизирована за счет работы при давлениях выше критической точки рабочей текучей среды. Следовательно, выбирая соответствующий тип рабочей текучей среды, система 15 может работать в пределах желаемого ряда значений давления, чтобы отвечать любым ограничениям по рабочей стоимости или требованиям безопасности. В этом контексте, рабочее давление, используемое в способе и в системе, предпочтительно менее 15 МПа, даже хотя рабочие давления могут быть до 30 МПа. В частности, было обнаружено, что рабочие давления, находящиеся между 8 и 12 МПа, позволяют осуществить широкий выбор подходящих рабочих текучих сред. Работа при этих предпочтительных рабочих давлениях позволяет применять варианты осуществления изобретения на большем диапазоне температур, обычно между 100°С и 200°С.

Примеры высокотемпературных теплообменников включают в себя бойлеры и паровые генераторы. Подходящими низкотемпературными теплообменниками являются воздухоохлаждаемые и водноохлаждаемые конденсаторы.

Предполагается, что этот вариант осуществления изобретения применим к большинству тепловых источников и, в частности, может быть использован как часть производства цикла дополнительной электроэнергии с использованием отработанного тепла из обычных электростанций, сжигающих уголь, или электростанций на основе другого ископаемого топлива, такого как торф, и электростанций на основе нефти и газа.

Особенно предпочтительный вариант осуществления изобретения для геотермальных тепловых источников показан на фиг.6 и 7, где соответствующим признакам присвоены те же цифровые позиции. В этом варианте осуществления изобретения учтено, что для геотермальных тепловых источников результатом непосредственной близости линий постоянного давления Р в сверхкритической области SC может быть маленький кпд выхода энергии, а максимальные температуры цикла являются относительно низкими по сравнению с другими тепловыми источниками. В частности, хотя вариант осуществления изобретения имеет все признаки системы 15, показанной на фиг.4, регенератор 22 тепла имеет систему мониторинга температуры (не показана). Система мониторинга температуры включает в себя множество термопар, размещенных в различных местах в регенераторе 22, которые в рабочем порядке соединены с блоком центрального процессора (СPU). Регенератор 22 также включает в себя множество дроссельных клапанов 26, установленных на трубопроводе 27 потока 24 «горячей» рабочей текучей среды между турбиной 19 и теплообменником 20, как наилучшим образом показано на фиг.6. Дроссельные клапаны в рабочем порядке соединены с блоком центрального процессора (СPU).

Как показано на фиг.7, термодинамический цикл согласно этому способу может быть описан в терминах перехода между состояниями рабочей текучей среды следующим образом:

состояние S1-S1': восстановление тепла при постоянной энтальпии в регенераторе 22 тепла;

состояние S1'-S2: подвод тепла при постоянном давлении в высокотемпературном теплообменнике 18;

состояние S2-S3': расширение в турбине 19 для выхода работы;

состояние S3'-S3: восстановление тепла при постоянной энтальпии в регенераторе 22 тепла;

состояние S3-S3”: восстановление тепла при постоянной энтальпии в регенераторе 22 тепла;

состояние S3”-S4: отвод тепла при постоянном давлении в низкотемпературном теплообменнике 20;

состояние S4-S1: повышение давления сконденсированной рабочей текучей среды в жидкой форме нагнетательным насосом (компрессором) 17.

Работа системы 15 согласно этому варианту осуществления изобретения будет описана подробно со ссылками на фиг.4-6. Рабочая текучая среда в виде СО₂ в этом примере входит в нагнетательный насос (компрессор) 17 в состоянии S4 как насыщенная (или слегка сжатая) текучая среда и сжимается до рабочего давления высокотемпературного теплообменника 18. Температура рабочей текучей среды несколько повышается во время этого процесса сжатия за счет небольших изменений ее удельного объема.

Рабочая текучая среда СО₂ затем входит в регенератор 22 тепла, который обычно работает при том же давлении, что и высокотемпературный теплообменник 18, как сжатая текучая среда в состоянии S1 и выходит как фаза нагретого пара в состоянии S1'. Это процесс восстановления тепла, для которого требуемую термальную энергию подают с помощью горячей рабочей текучей среды СО₂, покидающей турбину в состоянии S3', немного выше минимального давления цикла, и которую подвергают изменениям давления для обеспечения изоэнтальпических условий в регенераторе 22.

Затем пар в состоянии S1' входит в высокотемпературный теплообменник 18, в котором температура пара дополнительно возрастает, или его перегревают таким образом, что рабочая текучая среда СО₂ становится перегретым паром на выходе в состоянии S2. Необходимое тепло для повышения температуры рабочей текучей среды между состояниями S1' и S2 подают с помощью горячей геотермальной текучей среды из подходящего геотермального теплового источника 16.

Перегретый пар в состоянии S2 затем входит в турбину 19, где он расширяется и производит электричество, вращая вал электрического генератора (не показан). Во время процесса расширения давление и температура рабочей текучей среды СО₂ падают до тех пор, пока текучая среда не достигнет состояния S3'. В этом состоянии рабочая текучая среда СО₂ все еще обладает значительной термальной энергией, которая затем используется путем пропускания текучей среды через регенератор 22 тепла для нагрева «холодной» рабочей текучей среды СО₂, входящей в регенератор 22 тепла в состоянии S1. В результате теплообмена в регенераторе 22 тепла между относительно горячей и холодной рабочими текучими средами СО₂, температура горячей рабочей текучей среды СО₂ падает до температуры состояния S3”, а температура холодной рабочей текучей среды СО₂ повышается до температуры состояния S1'.

В регенераторе 22 дроссельные клапаны 26 изначально полностью открыты, а поток 24 горячего СО₂ обменивается теплом с потоком 23 холодного СО₂. Когда система мониторинга температуры, например, используя одну термопару или больше, устанавливает, что температура конкретной области в регенераторе 22 приближается к значению, при котором Δh/ΔТ=0, CPU посылает сигнал к самому ближнему верхнему дроссельному клапану, например, клапану 26а. В ответ, дроссельный клапан 26а частично закрывается таким образом, что результирующее падение давления сжимает поток 24 «горячей» рабочей текучей среды до более низкого давления, обеспечивая, таким образом, что регенератор 22 тепла работает при постоянной энтальпии (состояния S3'-S3 и S3-S3”), так что Δh/ΔТ≠0, а процесс теплообмена продолжается в регенераторе 22. Это регулирование локализованного давления внутри регенератора 22 может быть повторено несколько раз, в зависимости от рабочих условий, до тех пор, пока поток 24 «горячей» рабочей текучей среды не покинет регенератор 22 при минимальном давлении цикла в состоянии S3”. Во время этого перехода из состояния S3' на входе в регенератор 22 к состоянию S3” на выходе из регенератора 22 рабочая текучая среда проходит через состояние S3.

Рабочая текучая среда СО₂, выходящая с горячей стороны регенератора 22 тепла в состоянии S3”, затем конденсируется при постоянном давлении в низкотемпературном теплообменнике 20, отводя тепло к охлаждающей среде из резервуара 21 охлаждающей среды. Сконденсированная рабочая текучая среда СО₂ окончательно покидает низкотемпературный теплообменник 20 и входит в нагнетательный насос 17 для завершения цикла.

Хотя этот вариант осуществления изобретения был описан, будучи, в частности, применим к геотермальным тепловым источникам, он может быть также использован для цикла производства дополнительной электроэнергии с использованием отработанного тепла, в котором тепловым источником является рабочая текучая среда основного энергетического цикла. Например, низкотемпературный пар, выходящий из основного цикла турбины, в электростанциях, сжигающих уголь.

Хотя в вариантах осуществления изобретения была использована двуокись углерода, в качестве рабочей текучей среды могут быть выбраны другие рабочие текучие среды, включая, н-пентан (С₅H₁₂), HFC-245са (CF₂H-CF₂-CFH₂), HFC-245fa (CF₃-CH₂-CF₂H), HFC-134a (CH₂F-CF₃), хладагент 125 и пентафторэтан (F₄CH₂F). Сравнительные свойства каждой рабочей текучей среды представлены в таблице.

Свойства рабочих текучих сред, пригодных для использования в изобретении Рабочая текучая среда Критическое давление Критическая температура Безопасность Степень ущерба, наносимого озоновому слою Двуокись углерода
(СО₂) 7,38 МПа 30,9°С Не воспламеняемая ≈ 0 н-Пентан (С₅H₁₂) 3,37 МПа 196,6°С Воспламеняемая ≈ 0 HFC-245са (CF₂H-CF₂-CFH₂) 3,86 МПа 178,5°С Не воспламеняемая ≈ 0 HFC-245fa (CF₃-CH₂-CF₂H) 3,64 МПа 157,6°С Не воспламеняемая ≈ 0 HFC-134a (CH₂F-CF₃) 4,1 МПа 101,2°С Не воспламеняемая ≈ 0 Хладагент 125 или пентафторэтан (F₄CH₂F) 3,7 МПа 66,8°С Не воспламеняемая ≈ 0

Было обнаружено, что другие рабочие текучие среды могут быть использованы с критическим давлением, находящимся между 3,3 МПа и 7,5 МПа, и критической температурой между 30°С и 200°С. Кроме того, в других вариантах осуществления изобретения в способе и в системе применяют многокомпонентную рабочую текучую среду вместо рабочей текучей среды, состоящей из одного компонента.

Эффективность термической конверсии и эксэргетическая эффективность второго варианта осуществления изобретения на фиг.6 и 7 были вычислены как функция разницы температур между геотермальной текучей средой при производстве и отводе скважин ΔТ_geo. Эффективность термической конверсии и эксэргетическую эффективность предпочтительного варианта осуществления изобретения сравнили с эффективностью термической конверсии и эксэргетической эффективностью обычных энергетических циклов. Рабочей текучей средой, выбранной для второго варианта осуществления изобретения, была двуокись углерода.

Как наилучшим образом показано на фиг.8, эффективность термической конверсии второго варианта осуществления изобретения (обозначенного как CO₂-RGSC) была выше, чем эффективность термической конверсии обычных энергетических циклов. Для второго варианта осуществления изобретения эффективность термической конверсии находится от 10% до 18%, со средним значением, равным 16,5%. В отличие от обычных энергетических циклов, включая цикл Калина, эффективность термической конверсии не изменяется и застывает около номинального значения между 11% и 12%. Подобным образом эксэргетическая эффективность варианта осуществления изобретения была выше, чем эксэргетическая эффективность обычных энергетических циклов, поскольку ΔТ_geo возрастает, как наилучшим образом показано на фиг.9. Таким образом, фиг.8 и 9 показывают, что эффективность термической конверсии и эксэргетическая эффективность варианта осуществления изобретения значительно выше эффективности термической конверсии и эксэргетической эффективности обычных энергетических циклов.

Эти улучшенные показатели эффективности термической конверсии и эксэргии подразумевают, что в этом варианте осуществления изобретения может быть выработано больше энергии на единицу подаваемой энергии, чем в обычном энергетическом цикле. Это проиллюстрировано на фиг.10, где показан график удельной энергии (W_spc) относительно ΔТ_geo. Количество работы, извлеченной из геотермальной текучей среды, и, следовательно, количество выработанной энергии было значительно выше для варианта осуществления изобретения, чем для обычных энергетических циклов, особенно поскольку ΔТ_geo возрастает.

Таким образом, варианты осуществления изобретения описывают способ и систему для производства энергии из теплового источника, включая геотермальный тепловой источник, с улучшенным кпд по сравнению с обычными энергетическими циклами, которые требуют дополнительного оборудования, которое осложнило бы систему или стоимость установки. Альтернативно или дополнительно, изобретение касается способа экономичного извлечения большего количества тепла при более низкой температуре, чем при обычных технологиях, расширяя, таким образом, число потенциальных тепловых источников, которые могут быть коммерчески использованы.

В других вариантах осуществления изобретения на этапе регенерации контролируют непосредственно температуру вместо контроля давления рабочей текучей среды. В одном варианте осуществления изобретения температуру и давление рабочей текучей среды, проходящей между этапом расширения и этапом конденсации (или рабочей текучей среды между турбиной и конденсатором), контролируют для поддержания изоэнтальпических условий.

Хотя изобретение было описано со ссылками на конкретные примеры, специалисты в данной области техники должны понимать, что изобретение может быть осуществлено во многих других формах.

Изобретение относится к способу и системе для производства энергии из геотермального теплового источника. Способ производства энергии из теплового источника, включающий в себя: сжатие рабочей текучей среды для повышения ее температуры; обмен тепла между упомянутой рабочей текучей средой и упомянутым тепловым источником для перегрева упомянутой рабочей текучей среды; расширение упомянутой перегретой рабочей текучей среды для приведения в движение турбины, снижая за счет этого температуру текучей среды; конденсацию упомянутой рабочей текучей среды для дальнейшего снижения ее температуры и возврат упомянутой рабочей текучей среды к упомянутому этапу сжатия, способ дополнительно включает в себя этап регенерации тепла упомянутой рабочей текучей среды, в котором рабочая текучая среда, проходящая между упомянутым этапом сжатия и упомянутым этапом обмена тепла, обменивается теплом с рабочей текучей средой, проходящей между упомянутым этапом расширения и упомянутым этапом конденсации; при этом упомянутые этапы осуществляют в термодинамическом цикле в сверхкритической области над зоной насыщения упомянутой рабочей текучей среды, и в котором упомянутый этап регенерации тепла осуществляют при изоэнтальпических условиях для создания постоянного теплообмена. Изобретение позволяет уменьшить стоимость системы и увеличить коэффициент полезного действия. 2 н и 48 з.п. ф-лы, 10 ил., 1 табл.

1. Способ производства энергии из теплового источника, который включает в себя следующие этапы:
сжатие рабочей текучей среды для повышения ее температуры;
теплообмен между упомянутой рабочей текучей средой и упомянутым тепловым источником для перегрева упомянутой рабочей текучей среды;
расширение упомянутой перегретой рабочей текучей среды для приведения в действие турбины и, тем самым, снижения температуры текучей среды;
конденсация упомянутой рабочей текучей среды для дальнейшего уменьшения ее температуры; и
возвращение упомянутой рабочей текучей среды к упомянутому этапу сжатия,
причем способ дополнительно включает в себя этап регенерации тепла упомянутой рабочей текучей среды, при этом рабочая текучая среда, проходящая между упомянутым этапом сжатия и упомянутым этапом обмена теплом, обменивается теплом с рабочей текучей средой, проходящей между упомянутым этапом расширения и упомянутым этапом конденсации,
причем упомянутые этапы осуществляют в термодинамическом цикле в сверхкритической области над куполом насыщения упомянутой рабочей текучей среды, а упомянутый этап регенерации тепла осуществляют при изоэнтальпических условиях для создания постоянного теплообмена.

2. Способ по п.1, в котором температуру на упомянутом этапе регенерации тепла контролируют для поддержания упомянутых изоэнтальпических условий.

3. Способ по п.2, в котором этап регенерации тепла включает в себя контроль температуры, по меньшей мере, одной из рабочей текучей среды, проходящей между этапом сжатия и этапом теплообмена, и рабочей текучей среды, проходящей между этапом расширения и этапом конденсации.

4. Способ по п.1, в котором температура на упомянутом этапе регенерации тепла такова, что Δh/ΔT≠0, где Δh представляет собой разницу энтальпий рабочей текучей среды, проходящей между этапом сжатия и этапом теплообмена, и рабочей текучей среды, проходящей между этапом расширения и этапом конденсации, a ΔT является разницей температур рабочих текучих сред.

5. Способ по п.1, дополнительно включающий в себя этап мониторинга температуры на упомянутом этапе регенерации тепла.

6. Способ по п.5, в котором этап регенерации тепла включает в себя контроль давления, по меньшей мере, одной из рабочей текучей среды, проходящей между этапом сжатия и этапом теплообмена, и рабочей текучей среды, проходящей между этапом расширения и этапом сжатия, в ответ на упомянутый этап мониторинга температуры, тем самым контролируя температуру упомянутой, по меньшей мере, одной рабочей текучей среды.

7. Способ по п.1, в котором давление на упомянутом этапе регенерации тепла контролируют для обеспечения упомянутых изоэнтальпических условий.

8. Способ по п.7, в котором этап регенерации тепла включает в себя контроль давления, по меньшей мере, одной рабочей текучей среды, проходящей между этапом сжатия и этапом теплообмена, и рабочей текучей среды, проходящей между этапом расширения и этапом конденсации.

9. Способ по п.6, в котором этап регенерации тепла включает в себя контроль давления рабочей текучей среды, проходящей между этапом сжатия и этапом теплообмена.

10. Способ по п.1, в котором рабочее давление выше, чем критическая точка рабочей текучей среды.

11. Способ по п.10, в котором рабочее давление составляет менее 30 МПа.

12. Способ по п.11, в котором рабочее давление составляет менее 15 МПа.

13. Способ по п.12, в котором рабочее давление находится между 8 МПа и 12 МПа.

14. Способ по п.1, в котором рабочая температура находится между 100°С и 200°С.

15. Способ по п.1, в котором критическое давление рабочей текучей среды находится между 3,3 МПа и 7,5 МПа.

16. Способ по п.1, в котором критическая температура рабочей текучей среды находится между 30°С и 200°С.

17. Способ по п.1, в котором рабочая текучая среда состоит из одного компонента.

18. Способ по п.17, в котором рабочая текучая среда выбрана из группы, состоящей из двуокиси углерода, н-пентана (C₅H₁₂), HFC-245ca (CF₂H-CF₂-CFH₂), HFC-245fa (СF₃-СН₂-CF₂Н), HFC-134a (CH₂F-CF₃), хладагента 125 и пентафторэтана (F₄CH₂F).

19. Способ по любому из пп.1-16, в котором рабочая текучая среда является многокомпонентной рабочей текучей средой.

20. Способ по п.1, в котором тепловой источник включает в себя геотермальный тепловой источник или источник отработанного тепла.

21. Способ по п.20, в котором геотермальный тепловой источник включает в себя коллектор сухой нагретой породы или коллектор горячей воды.

22. Способ по п.20, в котором источник вторичного тепла включает в себя охлаждающую воду или отработанный пар из обычной электростанции.

23. Способ по п.22, в котором обычная энергоустановка включает энергоустановку, работающую на угле, торфе, нефти, газе или другом сжигаемом ископаемом топливе.

24. Система для производства энергии из теплового источника, включающая в себя:
компрессор для сжатия рабочей текучей среды, чтобы повысить ее температуру;
первый теплообменник, выполненный с возможностью соединения по текучей среде с упомянутым компрессором и упомянутым тепловым источником, для теплообмена между упомянутой рабочей текучей средой и упомянутым тепловым источником для перегрева упомянутой рабочей текучей среды;
турбину, выполненную с возможностью соединения по текучей среде с упомянутым теплообменником для расширения упомянутой перегретой рабочей текучей среды, снижая за счет этого ее температуру;
второй теплообменник для конденсации упомянутой рабочей текучей среды, чтобы дополнительно снизить ее температуру, при этом упомянутый второй теплообменник выполнен с возможностью соединения по текучей среде с упомянутой турбиной и упомянутым компрессором, и
регенератор тепла, выполненный с возможностью соединения по текучей среде между упомянутым компрессором и упомянутым первым теплообменником для предварительного нагрева упомянутой рабочей текучей среды до входа в упомянутый первый теплообменник и выполненный с возможностью соединения по текучей среде между упомянутой турбиной и упомянутым вторым теплообменником для охлаждения упомянутой рабочей текучей среды после выхода из упомянутой турбины, в которой рабочая текучая среда, проходящая между упомянутым компрессором и упомянутым первым теплообменником, обменивается теплом с упомянутой рабочей текучей средой, проходящей между упомянутой турбиной и упомянутым конденсатором, при этом упомянутая система работает по термодинамическому циклу в сверхкритической области над куполом насыщения упомянутой рабочей текучей среды, а упомянутый регенератор работает при изоэнтальпических условиях для создания постоянного теплообмена.

25. Система по п.24, в которой регенератор тепла включает в себя средство для контроля температуры внутри упомянутого регенератора для поддержания упомянутых изоэнтальпических условий.

26. Система по п.25, в которой средство контроля температуры контролирует температуру, по меньшей мере, одной из рабочей текучей среды, проходящей между компрессором и первым теплообменником, и рабочей текучей среды, проходящей между турбиной и конденсатором.

27. Система по п.24, в которой температура в упомянутом регенераторе тепла такова, что Δh/ΔT≠0, где Δh является разницей энтальпий рабочей текучей среды, проходящей между компрессором и первым теплообменником, и рабочей текучей среды, проходящей между турбиной и конденсатором, a ΔT является разницей температур рабочих текучих сред.

28. Система по п.24, дополнительно включающая в себя средство мониторинга температуры внутри упомянутого регенератора.

29. Система по п.28, в которой средство мониторинга температуры включает в себя одну или более термопар, размещенных внутри регенератора.

30. Система по п.28, в которой регенератор включает в себя средство контроля давления, по меньшей мере, одной из рабочей текучей среды, проходящей между компрессором и первым теплообменником, и рабочей текучей среды, проходящей между турбиной и конденсатором, в ответ на упомянутое средство мониторинга температуры, контролируя за счет этого температуру упомянутой, по меньшей мере, одной рабочей текучей среды.

31. Система по п.24, в которой регенератор тепла включает в себя средство контроля давления внутри упомянутого регенератора тепла для обеспечения упомянутых изоэнтальпических условий.

32. Система по п.31, в которой средство контроля давления контролирует давление, по меньшей мере, одной из рабочей текучей среды, проходящей между компрессором и первым теплообменником, и рабочей текучей среды, проходящей между турбиной и конденсатором.

33. Система по п.30, в которой средство контроля давления контролирует давление рабочей текучей среды, проходящей между компрессором и первым теплообменником.

34. Система по п.30, в которой средство контроля давления контролирует давление выше по потоку упомянутой, по меньшей мере, одной рабочей текучей среды, чтобы вызвать изменение температуры ниже по потоку.

35. Система по п.30, в которой средство контроля давления включает в себя, по меньшей мере, один или больше клапанов для контроля давления упомянутой, по меньшей мере, одной рабочей текучей среды.

36. Система по п.35, в которой клапаны являются дроссельными клапанами.

37. Система по п.24, в которой рабочее давление выше, чем критическая точка рабочей текучей среды.

38. Система по п.37, в которой рабочее давление составляет менее 30 МПа.

39. Система по п.38, в которой рабочее давление составляет менее 15 МПа.

40. Система по п.39, в которой рабочее давление находится между 8 МПа и 12 МПа.

41. Система по п.24, в которой рабочая температура находится между 100°С и 200°С.

42. Система по п.24, в которой критическое давление рабочей текучей среды находится между 3,3 МПа и 7,5 МПа.

43. Система по п.24, в которой критическая температура рабочей текучей среды находится между 30°С и 200°С.

44. Система по п.24, в которой рабочая текучая среда состоит из одного компонента.

45. Система по п.44, в которой рабочая текучая среда выбрана из группы, состоящей из двуокиси углерода, н-пентана (C₅Н₁₂), HFC-245ca (CF₂H-CF₂-CFH₂), HFC-245fa (СF₃-СН₂-CF₂Н), HFC-134a (CH₂F-CF₃), хладагента 125 и пентафторэтана (F₄CH₂F).

46. Система по п.24, в которой рабочая текучая среда является многокомпонентной рабочей текучей средой.

47. Система по п.24, в которой тепловой источник включает в себя геотермальный тепловой источник или источник отработанного тепла.

48. Система по п.47, в которой геотермальный тепловой источник включает в себя коллектор сухой нагретой породы или коллектор горячей воды.

49. Система по п.47, в которой источник вторичного тепла включает в себя охлаждающую воду или отработанный пар из традиционной электростанции.

50. Система по п.49, в которой обычная энергоустановка включает энергоустановку, работающую на угле, торфе, нефти, газе или другом сжигаемом ископаемом топливе.