ОРГАНИЧЕСКИЙ ЦИКЛ РЕНКИНА ПРЯМОГО НАГРЕВА Российский патент 2013 года по МПК F01K25/08 

Область техники

Настоящее изобретение относится к области систем регенерации отходящего тепла. В частности, изобретение относится к органическому циклу Ренкина прямого нагрева.

Уровень техники

Многие системы регенерации отходящего тепла используют промежуточную теплопередающую текучую среду для передачи тепла от содержащих отходящее тепло газов, таких как выхлопные газы газовой турбины, или содержащие отходящее тепло промышленные газы в вытяжных трубах для энергосистем, работающих на органическом цикле Ренкина. Одна из таких систем регенерации отходящего тепла раскрыта в патенте США № 6571548, в котором промежуточной теплопередающей текучей средой является вода под давлением. Дополнительные системы регенерации отходящего тепла раскрыты в заявке на патент США № 11/261437 и в заявке на патент США № 11/754628, полное содержание которых включено сюда посредством ссылки, и в которых используются промежуточные теплопередающие текучие среды, из которых также может быть выработана энергия.

Тепловой коэффициент полезного действия такой системы регенерации отходящих газов предшествующего уровня техники является пониженным из-за наличия промежуточной теплопередающей текучей среды. Кроме того, капитальные и эксплуатационные затраты, связанные с системой с промежуточной текучей средой, являются относительно высокими.

Поэтому было бы желательно устранить необходимость в системе с промежуточной текучей средой посредством использования органического цикла Ренкина прямого нагрева, то есть такого цикла, в котором тепло передается от содержащих отходящее тепло газов к рабочей текучей среде без какой-либо цепи с промежуточной текучей средой. Однако прямо нагретая органическая рабочая текучая среда достигает более высоких температур, чем текучая среда, находящаяся в теплообменной связи с промежуточной текучей средой, и поэтому подвергается риску деградации, когда входит в теплообменное взаимодействие с содержащими отходящее тепло газами и поэтому нагревается, а также подвергается риску возгорания, если органическая рабочая текучая среда вытекает, например, из теплообменника.

Задачей настоящего изобретения является создание системы регенерации отходящего тепла, основанной на органическом цикле Ренкина прямого нагрева.

Дополнительной задачей настоящего изобретения является создание органического цикла Ренкина прямого нагрева, который безопасно, надежно и эффективно извлекает тепловую составляющую содержащих отходящее тепло газов для выработки энергии.

Другие задачи и преимущества изобретения будут понятны после прочтения нижеприведенного описания.

Сущность изобретения

Согласно настоящему изобретению разработана энергосистема, основанная на органическом цикле Ренкина, которая содержит средство для перегрева испаренной органической рабочей текучей среды, модуль органической турбины, соединенный с генератором, и первую трубу, через которую перегретая органическая рабочая текучая среда подается к упомянутой турбине, причем средство перегрева является комплектом змеевиков, через которые протекает испаренная органическая рабочая текучая среда, и которое находится в прямом теплообменном взаимодействии с содержащими отходящее тепло газами.

В настоящем изобретении разработан работающий на отходящем тепле парогенератор для подачи пара в турбогенератор, содержащий входное отверстие, через которое подаются содержащие отходящее тепло газы, выходное отверстие, из которого выпускаются содержащие отходящее тепло газы с извлеченным теплом, камеру, расположенную между входным отверстием и выходным отверстием, через которую протекают содержащие отходящее тепло газы, и подогреватель или змеевик подогревателя, бойлер или змеевик бойлера, и перегреватель или змеевик перегревателя, через которые протекает органическая рабочая текучая среда, причем подогреватель или змеевик подогревателя, бойлер или змеевик бойлера, и перегреватель или змеевик перегревателя расположены в камере и находятся в теплообменном взаимодействии с содержащими отходящее тепло газами, причем бойлер или змеевик бойлера расположены выше по потоку перегревателя или змеевика перегревателя, и перегреватель или змеевик перегревателя расположены выше по потоку подогревателя или змеевика подогревателя.

Альтернативно, в настоящем изобретении разработан работающий на отходящем тепле парогенератор для подачи пара в турбогенератор, содержащий входное отверстие, через которое подаются содержащие отходящее тепло газы, выходное отверстие, из которого выпускаются содержащие отходящее тепло газы с извлеченным теплом, камеру, расположенную между входным отверстием и выходным отверстием, через которую протекают содержащие отходящее тепло газы, и подогреватель или змеевик подогревателя, бойлер и перегреватель или змеевик перегревателя, через которые протекает органическая рабочая текучая среда, причем подогреватель или змеевик подогревателя, бойлер и перегреватель или змеевик перегревателя расположены в камере и находятся в теплообменном взаимодействии с содержащими отходящее тепло газами, причем бойлер расположен выше по потоку перегревателя или змеевика перегревателя, и перегреватель или змеевик перегревателя расположены выше по потоку подогревателя или змеевика подогревателя.

Настоящее изобретение также направлено на энергосистему, основанную на органическом цикле Ренкина, содержащую средство для перегрева испаренной органической рабочей текучей среды, предпочтительно одну органическую турбину, соединенную с генератором, и первую трубу, через которую перегретая органическая рабочая текучая среда подается к турбине.

В одном варианте осуществления средство перегрева содержит работающий на отходящем тепле парогенератор, имеющий входное отверстие, через которое подаются содержащие отходящее тепло газы, выходное отверстие, из которого выпускаются содержащие отходящее тепло газы с извлеченным теплом, камеру, расположенную между входным отверстием и выходным отверстием, через которую протекают содержащие отходящее тепло газы, и змеевик подогревателя, змеевик бойлера и змеевик перегревателя, к которому проходит вторая труба, причем змеевик подогревателя, змеевик бойлера и змеевик перегревателя расположены в камере и находятся в теплообменном взаимодействии с содержащими отходящее тепло газами, причем змеевик бойлера расположен выше по потоку змеевика перегревателя, и змеевик перегревателя расположен выше по потоку змеевика подогревателя. Рабочая текучая среда, выходящая из змеевика подогревателя, предпочтительно подается в змеевик бойлера.

В дополнительном варианте осуществления средство перегрева содержит работающий на отходящем тепле парогенератор, имеющий входное отверстие, через которое подаются содержащие отходящее тепло газы, выходное отверстие, из которого выпускаются содержащие отходящее тепло газы с извлеченным теплом, камеру, расположенную между входным отверстием и выходным отверстием, через которую протекают содержащие отходящее тепло газы, и змеевик подогревателя, бойлер и змеевик перегревателя, к которому проходит вторая труба, причем змеевик подогревателя, бойлер и змеевик перегревателя расположены в камере и находятся в теплообменном взаимодействии с содержащими отходящее тепло газами, причем бойлер расположен выше по потоку змеевика перегревателя, и змеевик перегревателя расположен выше по потоку змеевика подогревателя. Рабочая текучая среда, выходящая из змеевика подогревателя, предпочтительно подается в бойлер.

Энергосистема предпочтительно содержит средство для ограничения повышения температуры перегретой органической рабочей текучей среды.

В одном варианте осуществления средство для ограничения повышения температуры перегретой органической рабочей текучей среды содержит клапан понижения температуры перегрева, через который жидкостная органическая рабочая текучая среда подается ко второй трубе, проходящей к средству перегрева, через которое протекает испаренная рабочая текучая среда. Клапан понижения температуры перегрева выполнен с возможностью регулирования потока рабочей текучей среды через третью трубу, проходящую ко второй трубе, в ответ на температуру перегретой рабочей текучей среды, протекающей через первую трубу.

В дополнительном варианте осуществления средство для ограничения повышения температуры перегретой органической рабочей текучей среды содержит байпасный клапан, через который протекает часть содержащих отходящее тепло газов, когда температура содержащих отходящее тепло газов, выходящих из работающего на отходящем тепле парогенератора, превышает заданное значение.

В альтернативном варианте осуществления система предпочтительно содержит сепаратор, в который поступает двухфазная рабочая текучая среда из змеевика бойлера, и который сепарирует двухфазную текучую среду на текучую среду в паровой фазе и текучую среду в жидкой фазе, причем текучая среда в паровой фазе подается в змеевик перегревателя через вторую трубу.

Насос подает текучую среду в жидкой фазе к клапану управления подачи в бойлер при заданном массовом расходе и к клапану понижения температуры перегрева.

Настоящее изобретение также направлено на создание способа понижения температуры перегрева, включающего этапы испарения органической рабочей текучей среды, перегрева испаренной текучей среды, подачи перегретой текучей среды к турбогенератору для выработки электричества и смешивания рабочей текучей среды в жидкой фазе с испаренной текучей средой с ответ на температуру перегретой текучей среды, которая превышает заданный уровень.

Краткое описание чертежей

Варианты осуществления описаны с помощью примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 - схематическая блок-схема процесса энергосистемы, основанной на органическом цикле Ренкина прямого нагрева, согласно одному варианту осуществления изобретения;

фиг.2 - схематическая блок-схема процесса энергосистемы, основанной на органическом цикле Ренкина прямого нагрева, согласно другому варианту осуществления изобретения; и

фиг.3 - график зависимости энтропии от температуры рабочей текучей жидкости, посредством которой вырабатывается энергия в энергосистеме с фиг.1 или 2.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

На фиг.1 показан вариант осуществления замкнутой энергосистемы, основанной на органическом цикле Ренкина прямого нагрева, которая обозначена ссылочной позицией 10. Сплошные линии изображают трубопроводную систему 5, через которую протекает рабочая текучая среда, и пунктирные линии изображают электрическое соединение различных элементов системы управления 7.

Рабочая текучая среда цикла Ренкина, которая может быть органической текучей средой, например, н-пентаном, изопентаном, гексаном или изододеканом, или их смесью, и, предпочтительно, изопентаном, вводится в теплообменное взаимодействие с содержащими отходящее тепло газами, такими как выхлопные газы газовой турбины или топки, или содержащими отходящее тепло газами от промышленных процессов в выводных трубах, посредством работающего на отходящем тепле парогенератора 20, который является многоэлементным теплообменным узлом, как будет описано далее. Изопентан является предпочтительной рабочей текучей средой из-за его относительно высокой температуры самовоспламенения. В то время как содержащие отходящее тепло газы подаются во входное отверстие 21 работающего на отходящем тепле парогенератора 20, и выпускаются в виде газов с уменьшенным отходящим теплом из выходного отверстия 28, рабочая текучая среда течет через нагревательные змеевики, расположенные в камере 27 между входным отверстием 21 и выходным отверстием 28 работающего на отходящем тепле парогенератора 20, и нагревается содержащими отходящее тепло газами, которые протекают через нагревательные змеевики. Работающий на отходящем тепле парогенератор 20, вырабатывает перегретую рабочую текучую среду, которая подается через трубу 32 к модулю 40 органической турбины, который может содержать одну или несколько турбин, но предпочтительно и преимущественно, единственную турбину, обеспечивающую экономичную силовую установку. Единственная турбина может содержать несколько ступеней давления, например, три ступени давления, и может иметь существенно большой вал и, соответственно, существенно большие подшипники, на которых установлен вал с возможностью вращения для обеспечения надежной и непрерывной работы блока турбины. Модуль 40 турбины соединен с генератором 45 для выработки электричества, например, приблизительно до 10 МВт. При использовании экономичной единственной турбины 40 относительно крупных размеров, скорость вращения может быть снижена. Таким образом, скорость вращения турбины может быть синхронизирована со скоростью вращения генератора 45 без использования зубчатой передачи до относительно низкой скорости, например, до 1500-1800 об/мин, позволяя тем самым использование относительно недорогого генератора.

Клапан управления 48 предусмотрен для обеспечения управления скоростью вращения модуля 40 турбины посредством использования датчика управления скорости 49. Кроме того, при необходимости, для подачи рабочей текучей среды к конденсатору 50 предусмотрен байпасный клапан 51.

Расширенный пар рабочей текучей среды после того, как была выполнена работа модулем 40 турбины, течет по трубе 34 к рекуператору 48. Рабочая текучая среда поступает в рекуператор 48 и подается через трубу 35 к конденсатору 50, который, как показано, может охлаждаться воздухом, если предпочтительно, или водой. Цикличный насос 53 подает конденсат, выработанный в конденсаторе 50, к рекуператору 48, где конденсат нагревается теплотой, содержащейся в расширенной рабочей текучей среде, и затем к змеевику 23 подогревателя работающего на отходящем тепле парогенератора 20 через трубу 38. Подогретая рабочая текучая среда течет к змеевику 25 бойлера работающего на отходящем тепле парогенератора 20, где вырабатывается пар органической рабочей текучей среды. Двухфазная рабочая текучая среда, например жидкость и пар, присутствующие в змеевике 25 бойлера, подается из змеевика 25 бойлера к сепаратору 44 по трубе 41, и сепарируется, таким образом, на текучую среду в паровой фазе, которая вытекает из сепаратора через трубу 47, и на текучую среду в жидкой фазе, которая вытекает из сепаратора 44 через трубу 49 к насосу 57. Выходной поток насоса 57 разделяется, протекая через трубу 61, которая проходит обратно к сепаратору 44, и через трубу 63, которая соединяется с трубой 38 и обеспечивает требуемый массовый расход жидкой рабочей текучей среды к подогревателю 23. Текучая среда в паровой фазе, выходящая из сепаратора 44, подается через трубу 47 к змеевику 24 перегревателя работающего на отходящем тепле парогенератора 20. Труба 63, через которую течет отсепарированная текучая среда в жидкой фазе, разделяется на трубу 64, проходящую к змеевику 25 бойлера, и на трубу 65, которая соединяется с трубой 47, проходящей к перегревателю 24. Как описано выше, выходной поток из перегревателя 24 подается к модулю 40 турбины.

Обратимся к фиг.2, на которой проиллюстрирован дополнительный вариант осуществления замкнутой энергосистемы, основанной на органическом цикле Ренкина прямого нагрева, которая обозначена ссылочной позицией 10А. Сплошные линии изображают трубопроводную систему 5А, через которую протекает рабочая текучая среда, и пунктирные линии изображают электрическое соединение различных элементов системы управления 7А.

Рабочая текучая среда цикла Ренкина, которая может быть органической текучей средой, например, н-пентаном, изопентаном, гексаном или изододеканом, или их смесью, и предпочтительно изопентаном, вводится в теплообменное взаимодействие с содержащими остаточное тепло газами, такими как выхлопные газы газовой турбины или топки, или с содержащими остаточное тепло газами от промышленных процессов в вытяжных печах, посредством работающего на отходящем тепле парогенератора 20А, который является многоэлементным теплообменным блоком, как будет описано далее. Изопентан является предпочтительной рабочей текучей средой из-за его относительно высокой температуры самовоспламенения. В то время как содержащие отходящее тепло газы подаются во входное отверстие 21А работающего на отходящем тепле парогенератора 20А и выпускаются в виде газов с уменьшенным отходящим теплом из выходного отверстия 28А, рабочая текучая среда течет через теплообменники, связанные с камерой 27А, расположенной между входным отверстием 21А и выходным отверстием 28А работающего на отходящем тепле парогенератора 20А и нагревается содержащими отходящее тепло газами, которые протекают через теплообменники. Работающий на отходящем тепле парогенератор 20А вырабатывает перегретую рабочую текучую среду, которая подается через трубу 32А к модулю 40А органической турбины, который может содержать одну или несколько турбин, но предпочтительно и преимущественно единственную турбину, обеспечивающую экономичную силовую установку. Единственная турбина может содержать несколько ступеней давления, например, три ступени давления, и может иметь существенно большой вал и соответственно существенно крупные подшипники, на которых установлен вал с возможностью вращения для обеспечения надежной и непрерывной работы блока турбины. Модуль 40А турбины соединен с генератором 45А для выработки электричества, например, приблизительно до 10 МВт. Используя экономичную единственную турбину 40А относительно крупных размеров, скорость вращения турбины может быть синхронизирована со скоростью вращения генератора 45А без использования зубчатой передачи до относительно низкой скорости, например, 1500-1800 об/мин, позволяя тем самым использование относительно недорогого генератора.

Клапан управления 48А предусмотрен для обеспечения управления скоростью вращения модуля 40А турбины посредством использования датчика управления скорости 49А. Кроме того, при необходимости, для подачи рабочей текучей среды к конденсатору 50А предусмотрен байпасный клапан 51А.

Расширенный пар рабочей текучей среды после того, как была выполнена работа модулем 40А турбины, течет по трубе 34А к рекуператору 48А. Рабочая текучая среда входит в рекуператор 48А и подается через трубу 35А к конденсатору 50А, который, если предпочтительно, может охлаждаться воздухом, как показано, или водой. Цикличный насос 53А подает конденсат, выработанный в конденсаторе 50А, к рекуператору 48А, где конденсат нагревается теплотой, содержащейся в расширенной рабочей текучей среде, и затем к змеевику 23А подогревателя работающего на отходящем тепле парогенератора 20А через трубу 38А. Подогретая рабочая текучая среда течет к бойлеру или испарителю 25А работающего на отходящем тепле парогенератора 20А, предпочтительно к жаротрубному бойлеру, имеющему рабочую текучую среду на внетрубной стороне, и горячие отходящие газы на трубчатой стороне, через трубку 39А, где вырабатывается пар органической рабочей текучей среды посредством кипения в большом объеме в бойлере или испарителе 25А. Если температура содержащих отходящее тепло газов низкая, тогда клапан управления 75А позволяет части или даже, если предпочтительно, всей рабочей текучей среде обходить подогреватель 23А и подаваться в бойлер или испаритель 25А через трубу 63А. Пар органической рабочей текучей среды, выходящий из бойлера или испарителя 25А, подается через трубу 47А к змеевику 24А перегревателя работающего на отходящем тепле парогенератора 20А. Труба 65А, которая ответвляется от трубы 63А, подает жидкую рабочую текучую среду к перегревателю 24А, если давление или температура перегретых паров в трубе 32А слишком высокие. Как описано выше, выходной поток из перегревателя 24А подается к модулю 40А турбины.

Действие/полезность настоящего изобретения может быть оценена со ссылкой на фиг.3, которая иллюстрирует график зависимости энтропии от температуры органической рабочей текучей среды, такой как изопентан, при работе в соответствии с термодинамическим циклом настоящего изобретения. Форма графика зависимости энтропии от температуры другой органической рабочей текучей среды такая же.

Уровень производства энергии энергосистемой настоящего изобретения, основанной на органическом цикле Ренкина, повышен относительно систем предшествующего уровня техники, работающих на органическом цикле Ренкина, посредством перегрева органической рабочей текучей среды. Хорошо известно использование перегрева пара для того, чтобы повысить его качество перед подачей в турбину для предотвращения коррозии лопаток турбины, которая может обычно происходить, когда содержание влажности испаренного пара повышается при расширении в турбине. В отличие от графика зависимости энтропии от температуры пара, который имеет форму колокола, и расширение насыщенного пара повышает его содержание влажности, график зависимости энтропии от температуры органической рабочей текучей среды, показанный на фиг.3, является скошенным. То есть, критическая точка Р, разграничивающая интерфейс между насыщенными и перегретыми областями, находится вправо от центральной линии этапа изотермического кипения из состояния с в состояние е (в змеевике 25 бойлера или в бойлере 25А, см. фиг.1 и 2, соответственно), при котором рабочая текучая среда является по существу насыщенным паром, но может быть перегретым, как показано, относительно центральной линии этапа изотермического конденсирования из состояния h к состоянию а (в конденсаторе 50 или в конденсаторе 50А, см. фиг.1 и 2, соответственно). Соответственно расширение неперегретого насыщенного пара в состоянии d внутри турбины будет заставлять органическую рабочую текучую среду становиться перегретой. Таким образом, до настоящего времени при использовании отходящего тепла не было никакой мотивации перегревать органическую рабочую текучую среду до подачи в турбину, поскольку расширенная рабочая текучая среда в любом случае будет находиться в области перегрева, и поэтому не существует риск того, что лопатки турбины будут подвергаться коррозии.

Во время этапа перегрева из состояния е в состояние f (в змеевике 24 или 24А перегревателя, см. фиг.1 и 2, соответственно), температура и давление органической рабочей текучей среды повышаются после кипения. Температура и давление органической рабочей текучей среды понижаются по мере ее расширения при приближении по существу к постоянной энтропии до состояния g (в турбине 40 или 40А, см. фиг.1 или 2, соответственно) через лопатки турбины, и ее температура в дальнейшем понижается из состояния g до состояния h во время этапа рекуперации (в рекуператоре 48 или 48А, см. фиг.1 и 2, соответственно). Затемненная область 90 показывает тепло, извлеченное во время этапа рекуперации, так что использование рекуператоров 48 или 48А преимущественно позволяет восстанавливать существенное количество перегретого тепла и вводить в рабочую текучую среду. Перегретая и расширенная рабочая текучая среда в состоянии i подается к конденсатору 50 или 50А для возврата рабочей текучей среды в состояние а. Изменение из состояния а в состояние b, изображенное на фиг.3, показывает нагревание конденсата рабочей текучей среды, подаваемого из конденсаторов 50 или 50А в рекуператоре 48 или 48А, в то время как подогревание жидкой рабочей текучей среды в подогревателе 23 или 23А соответственно показано на фиг.3 в виде изменения из состояния b в состояние с так, что цикл повторяется.

Хотя тепловой коэффициент полезного действия и выработка энергии энергосистемой, основанной на органическом цикле Ренкина прямого нагрева настоящего изобретения, повышен относительно системы, основанной на органическом цикле Ренкина, использующей промежуточную текучую среду для передачи тепла от содержащих остаточное тепло газов из-за увеличенного теплового потока к рабочей текучей среде, рабочая текучая среда, циркулирующая через энергосистему, основанную на органическом цикле Ренкина прямого нагрева, подвергается риску декомпозиции и воспламенения. Изопентановая рабочая текучая среда, например, перегревается при температуре приблизительно 250°С, в зависимости от ее давления, и ее точка самовоспламенения - 420°С при атмосферном давлении. Из-за относительно малой разницы между температурой перегрева и температурой самовоспламенения, важным аспектом настоящего изобретения является ограничение повышения температуры перегретой рабочей текучей среды и, в результате этого, повышения стабильности органической рабочей текучей среды.

Ссылаясь снова на фиг.1 и 2, конфигурация работающего на отходящем тепле парогенератора 20 или 20А является одним способом ограничения повышения температуры перегретой рабочей текучей среды. Как описано выше, работающий на отходящем тепле парогенератор 20 содержит три змеевика: змеевик 23 подогревателя, змеевик 24 перегревателя и змеевик 25 бойлера, в то время как работающий на отходящем тепле парогенератор 20А содержит три теплообменника, змеевик 23А подогревателя, змеевик 24А перегревателя и бойлер 25А. Змеевик 25 бойлера или бойлер 25А расположены выше по потоку работающего на отходящем тепле парогенератора 20 или 20А, и подвержены воздействию самой высокой температуры содержащих отходящее тепло газов, которые поступают в работающий на отходящем тепле парогенератор 20 или 20А у входного отверстия 21 или 21А, и обеспечивают скрытую теплоту испарения для рабочей текучей среды. Змеевики 24 или 24А перегревателя расположены сразу на выходе из змеевика 25 бойлера или из бойлера 25А. Так как температура содержащих отходящее тепло газов понижается после передачи тепла в змеевик 25 бойлера или в бойлер 25А, скорость теплопередачи к змеевику 24 или 24А перегревателя уменьшается и, поэтому, повышение температуры перегретой рабочей текучей среды преимущественно ограничивается. Хотя повышение температуры перегретой рабочей текучей среды ограничено, скорость теплопередачи к змеевику 24 или 24А перегревателя является существенно высокой для перегрева рабочей текучей среды. Скорость теплопередачи к змеевику 24 или 24А перегревателя может быть дополнена повышением массового расхода рабочей текучей среды через змеевик 24 или 24А перегревателя, или повышением площади поверхности змеевика 24 или 24А перегревателя, которая подвергается воздействию содержащих отходящее тепло газов. Змеевики 23 или 23А подогревателя расположены на выходе из работающего на отходящем тепле парогенератора 20 или 20А, и подвержены воздействию относительно низкой температуры содержащих отходящее тепло газов после их протекания поперек змеевиков 24 или 24А перегревателя. Газы с уменьшенным количеством отходящего тепла выходят из парогенератора, работающего на отходящем тепле, у выходных отверстий 28 или 28А. Хотя такой описанный выше порядок расположения теплообменников является предпочтительным согласно настоящему изобретению, то есть змеевик 25 бойлера или бойлер 25А расположены выше по потоку работающего на отходящем тепле парогенератора 20 или 20А, змеевики 24 или 24А перегревателя расположены сразу на выходе змеевика 25 бойлера или бойлера 25А, и змеевики 23 или 23А перегревателя расположены на выходе змеевиков 24 или 24а перегревателя на выходной стороне работающего на отходящем тепле парогенератора 20 или 20А, могут быть использованы другие конфигурации порядка расположения теплообменников согласно настоящему изобретению. Предпочтительный порядок расположения позволяет рабочей текучей среде иметь известную температуру у входного отверстия или на входной стороне работающего на отходящем тепле парогенератора 20 или 20А, и также позволяет достигать относительно высоких уровней эффективности в энергетическом цикле. Кроме того, посредством использования согласно предпочтительному порядку расположения теплообменников змеевиков 23 или 23А подогревателя на выходной стороне работающего на отходящем тепле парогенератора 20 или 20А, где имеются относительно низкие температуры содержащих отходящее тепло газов, достигается эффективный источник тепла для теплопередачи рабочей текучей среды.

Дополнительным способом, представленным настоящим изобретением для ограничения повышения температуры перегретой рабочей текучей среды, является понижение температуры перегрева рабочей текучей среды. В варианте осуществления, описанном со ссылкой на фиг.1, способ понижения температуры перегрева осуществляется посредством смешивания жидкости, отсепарированной из двухфазной испаренной рабочей текучей среды и подаваемой насосом 57 через трубку 65, с отсепарированным паром, текущим через трубку 47 для того, чтобы понижать или контролировать температуру рабочей текучей среды для этапа перегревания. В варианте осуществления, описанном со ссылкой на фиг.2, способ понижения температуры перегревания осуществляется посредством смешивания жидкости, подаваемой трубой 63А и затем через трубу 65А, с паром, протекающим через трубу 47А для того, чтобы понижать или контролировать температуру рабочей текучей среды до этапа перегрева. Таким образом, со ссылкой на фиг.3, этап понижения температуры перегрева вызывает изменение состояния рабочей текучей среды из состояния е в состояние d, что может соответствовать, как показано, состоянию насыщенного пара. Во время последующего этапа перегрева из состояния d в состояние f температура рабочей текучей среды повышается до уровня, который больше, чем уровень температуры рабочей текучей среды в состоянии е в конце этапа испарения. Клапан 71 или 71А управления понижением температуры перегрева (см. фиг.2) регулирует поток жидкой рабочей текучей среды через трубу 65 или 65А соответственно в ответ на температуру перегретой рабочей текучей среды, протекающей через трубу 32 или 32А, определяемую температурными датчиками 72 или 72А, находящихся в жидкостной взаимосвязи с трубой 32 или 32А. Клапан 71 или 71А управления понижением температуры перегрева, находящийся в электрическом взаимодействии с датчиком 72 или 72А, постепенно открывается, когда температура рабочей текучей среды, протекающей через трубу 32 или 32А, выше, чем определенное заданное значение, и постепенно закрывается, когда температура рабочей текучей среды, протекающей через трубу 32 или 32А, ниже, чем другое заданное определенное значение.

Дополнительным способом ограничения повышения температуры перегретой рабочей текучей среды является отвод содержащих отходящее тепло газов от входного отверстия 21 или 21А работающего на отходящем тепле парогенератора соответственно, используя байпасный клапан 26 или 26А соответственно, если два вышеупомянутых средства понижения температуры не достаточно ограничивают повышение температуры перегретой рабочей текучей среды. В таком случае содержащие отходящее тепло газы отводятся байпасным клапаном 26 или 26А соответственно для вызывания временного понижения температуры в тепловом потоке к змеевику 24 или 24А перегревателя соответственно, в случае возникновения одного или нескольких событий, включающих в себя: событие (а), когда температура содержащих отходящее тепло газов, поступающих в работающий на отходящем тепле парогенератор 20 или 20А, определенная температурными датчиками 79 или 79А, является чрезмерной; событие (b), когда температура перегретых паров, подаваемых к турбине 40 или 40А через трубу 32 или 32А, определенная температурными датчиками 72 или 72А, является чрезмерной; событие (с), когда расход рабочей текучей среды в трубе 38 или 38А, определенный расходомером 86 или 86А, является относительно низким; и (d), когда давление рабочей текучей среды, содержащейся в сепараторе 44, больше, чем заданное давление, определенное датчиком 83, показывающим, что давление перегретой рабочей текучей среды стремится достичь давления, которое может вызвать деградацию (ухудшение свойств) или воспламенение рабочей текучей среды. Содержащие отходящее тепло газы, выходящие из работающего на отходящем тепле парогенератора 20 через байпасный клапан 26 или 26А, направляются к вытяжной трубе.

Питательный клапан 75 бойлера, находящийся в жидкостной взаимосвязи с трубой 64, регулирует поток отсепарированной текучей среды в жидкой фазе к змеевику 25 бойлера для того, чтобы поддерживать по существу постоянную температуру стенки, которая меньше, чем заданная температура на теплопередающей поверхности бойлера. В варианте осуществления, описанном со ссылкой на фиг.2, питательный клапан 75А, находящийся в жидкостном взаимодействии с трубой 64А, регулирует поток рабочей текучей среды в жидкой фазе из трубы 38А для того, чтобы поддерживать по существу постоянную температуру в бойлере 25А. Температура перегретой рабочей текучей среды может повыситься сверх требуемого уровня, если температура стенки змеевика 25 бойлера или температура рабочей текучей среды в бойлере 25А является чрезмерной. Насос 57 обеспечивает то, что заданный массовый расход рабочей текучей среды поступает в бойлер 25 и то, что температура стенки змеевика бойлера меньше, чем заданная температура. Соответственно, контроллер 76 питательного клапана 75 бойлера регулирует поток отсепарированной жидкой фазы, поступающий на вход бойлера в ответ на (а) уровень текучей среды в сепараторе 44, определяемый датчиком уровня 81; (b) расход отсепарированной рабочей текучей среды в жидкой фазе, выходящий из насоса 57, определяемый датчиком 78; или (с) расход нагретого конденсата, текущего через трубу 38 и подаваемого в змеевик 23 подогревателя, определяемый датчиком 86.

Уровень подачи цикличного насоса 53 в свою очередь зависит от (а) уровня текучей среды в конденсаторе 50, определяемого датчиком 52; (b) от уровня текучей среды в сепараторе 44, определяемого датчиком 81 нижнего уровня или датчиком 82 верхнего уровня; и также от температуры газов с уменьшенным количеством отходящего тепла на выходе из работающего на отходящем тепле парогенератора 20. В варианте осуществления, описанном со ссылкой на фиг.2, уровень подачи цикличного насоса 53А в свою очередь зависит от (а) уровня текучей среды в конденсаторе 50А, определяемого датчиком 52А; (b) от уровня жидкости в бойлере 25А, определяемого датчиком 81А; и также от температуры содержащих отходящее тепло газов с уменьшенным количеством отходящего тепла на выходе из парогенератора 20А, работающего на отходящем тепле. Если температура выхлопного газа, определяемая температурным датчиком 79А слишком низкая, с другой стороны, подогреватель 23А обходится посредством работы клапана управления 75А.

Основной целью насоса 57 является обеспечение надежной подачи рабочей текучей среды в жидкой фазе к змеевику 25 бойлера или к бойлеру 25А, как описано выше, через клапан 75; однако насос 57 также приспособлен для подачи текучей среды в жидкой фазе к клапану 71 снижения температуры перегревания, или к клапану управления 62, который находится в жидкостном взаимодействии с датчиком 81 нижнего уровня сепаратора 44.

Хотя система 5 или 5А труб, через которую протекает рабочая текучая среда, является замкнутой системой, энергосистема 10 или 10А является динамической системой в силу системы управления 7 или 7А, посредством которой расход рабочей текучей среды через различные элементы энергосистемы может мгновенно меняться. Сепаратор 44 и конденсатор 50, бойлер 25А и конденсатор 50А служат в качестве средств для аккумуляции изменяющегося уровня рабочей текучей среды в зависимости от мгновенных рабочих условий энергосистемы 10 или 10А.

Хотя с помощью иллюстраций были описаны некоторые варианты осуществления изобретения, следует понимать, что специалисты в данной области техники могут осуществить изобретение со многими модификациями, изменениями и адаптациями, и с использованием многочисленных эквивалентов или альтернативных решений, которые находятся в объеме изобретения без отхода от сущности изобретения или выхода из объема формулы изобретения.

Изобретение относится к энергетике. Энергосистема основана на органическом цикле Ренкина и содержит средство для перегрева испаренной органической рабочей текучей среды, модуль органической турбины, соединенный с генератором, и первую трубу, через которую перегретая органическая рабочая текучая среда подается к турбине, в которой средство перегрева представляет собой комплект змеевиков, через которые протекает испаренная органическая рабочая текучая среда и которые находятся в прямом теплообменном взаимодействии с содержащими отходящее тепло газами. Изобретение позволяет безопасно, надежно и эффективно извлечь тепловую составляющую содержащих отходящее тепло газов для выработки энергии. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Энергосистема, основанная на органическом цикле Ренкина, содержащая средство для перегревания испаренной органической рабочей текучей среды, модуль органической турбины, соединенный с генератором, и первую трубу, через которую перегретая органическая рабочая текучая среда подается к турбине, в которой средство для перегревания является комплектом змеевиков, через которые протекает испаренная органическая рабочая текучая среда, и которые находятся в прямом теплообменном взаимодействии с содержащими отходящее тепло газами, при этом средство перегрева содержит работающий на отходящем тепле парогенератор, имеющий входное отверстие, через которое подаются содержащие отходящее тепло газы, выходное отверстие, из которого выпускаются содержащие отходящее тепло газы с уменьшенным количеством отходящего тепла, камеру, расположенную между входным отверстием и выходным отверстием, через которую протекают содержащие отходящее тепло газы, и подогреватель, бойлер и перегреватель, к которому проходит вторая труба в теплообменном взаимодействии с упомянутыми содержащими отходящее тепло газами, причем подогреватель и перегреватель расположены в камере, бойлер расположен выше по потоку перегревателя, а перегреватель расположен выше по потоку подогревателя.

2. Энергосистема по п.1, дополнительно содержащая средство для ограничения повышения температуры перегретой органической рабочей текучей среды.

3. Энергосистема по п.2, в которой средством для ограничения повышения температуры перегретой органической рабочей текучей среды является клапан понижения температуры перегрева, через который подается жидкая органическая рабочая текучая среда ко второй трубе, проходящей к средству перегрева, через которое протекает испаренная рабочая текучая среда.

4. Энергосистема по п.3, в которой клапан понижения температуры перегрева приводится в действие с возможностью регулирования потока рабочей текучей среды, протекающей через третью трубу, которая проходит ко второй трубе, в ответ на температуру перегретой рабочей текучей среды, протекающей через первую трубу.

5. Энергосистема по п.1, дополнительно содержащая сепаратор для получения двухфазной рабочей текучей среды из бойлера и для сепарирования двухфазной текучей среды на текучую среду в паровой фазе и текучую среду в жидкой фазе, в которой текучая среда в паровой фазе подается в перегреватель через вторую трубу.

6. Энергосистема по п.4, дополнительно содержащая насос для подачи жидкости к питательному клапану бойлера при заданном массовом расходе и к клапану понижения температуры перегрева.

7. Энергосистема по п.1, в которой модуль органической турбины содержит одну органическую турбину.

8. Энергосистема по п.1, в которой модуль органической турбины содержит несколько органических турбин.

9. Энергосистема по п.1, включающая в себя цикличный насос для подачи жидкой рабочей текучей среды из конденсатора к подогревателю согласно уровню жидкости в упомянутом бойлере.