СПОСОБ ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ПАРА С ВЫСОКИМ КПД Российский патент 2014 года по МПК F01K23/02 

Изобретение относится к генерации пара в парогенераторе с использованием термического генератора, включенного перед парогенератором.

Во многих промышленных процессах, как, например, в сталеплавильных цехах или цементных заводах, при изготовлении бумаги и т.п., в конце процесса в форме отходящего тепла в распоряжение предоставляется источник тепла на среднем температурном уровне, который может использоваться для того, чтобы приводить в действие парогенератор и тем самым в итоге вырабатывать ток. Предпочтительным образом, тепловая энергия, накопленная в отходящем тепле, может использоваться, вместо того, чтобы в противном случае она была бы потеряна, так что эффективный кпд всего промышленного процесса может быть повышен.

В парогенераторе известным образом рабочее тело преобразуется в пар, который подается затем, например, на связанную с электрическим генератором турбину. Для преобразования в пар рабочего тела на парогенератор подается нагретый теплоноситель, причем тепло, накопленное в теплоносителе, передается на рабочее тело, вследствие чего происходит испарение рабочего тела. При использовании отходящего тепла промышленного процесса этот теплоноситель нагревается с применением отходящего тепла. Типичным образом, при этом достигается только средний температурный уровень теплоносителя порядка величины от примерно 60°C до примерно 200°C. Поэтому кпд при генерации пара, основанной на отходящем тепле промышленного процесса, является относительно низким.

В качестве альтернативы, в качестве источника тепла может служить также геотермальная установка, в случае которой теплоноситель известным образом закачивается в глубокую скважину, чтобы его нагревать с помощью тепла недр земли. И здесь теплоноситель, получаемый из глубокой скважины, находится на среднем температурном уровне. Тепловая энергия, накопленная в теплоносителе, может, как описано выше, использоваться для генерации пара, однако и здесь кпд генерации пара сравнительно низкий.

Из WO 01/44658 известно размещение термического генератора между источником тепла и парогенератором, тепло от связанного с источником тепла теплоносителя переносится на дополнительный теплоноситель, который термически связан с парогенератором.

Поэтому целью настоящего изобретения является улучшить кпд при генерации пара с использованием тепла теплоносителя на среднем температурном уровне.

Эта задача решается согласно независимому пункту формулы изобретения.

Основная идея соответствующего изобретению решения задачи заключается в использовании термического генератора, в литературе также известного как теплопреобразователь, для повышения температуры теплоносителя, обуславливающего испарение рабочего тела. Термический генератор служит в общем случае для генерации тепла на высоком температурном уровне за счет подвода тепла на среднем температурном уровне и отвода тепла на низком температурном уровне.

Первичный теплоноситель подается на термический генератор на среднем температурном уровне. Например, этот первичный теплоноситель может с использованием источника тепла, такого как упомянутая магистраль отходящего газа промышленной установки или геотермальная установка, доводиться до средней температуры. От термического генератора или теплопреобразователя может тогда, в числе прочего, отводиться вторичный теплоноситель, температура которого выше, чем температура первичного теплоносителя. Способ функционирования термического генератора известен, например, из DE 3521195 A1 или DE 19816022 B4 и поэтому здесь подробно не описывается.

Таким образом, с помощью термического генератора можно использовать накопленное в первичном теплоносителе тепло, чтобы нагревать вторичный теплоноситель. С помощью теперь сравнительно горячего вторичного теплоносителя можно затем в парогенераторе нагревать или преобразовывать в пар рабочее тело с относительно высоким кпд.

В соответствующем изобретению способе генерации пара для испарения рабочего тела парогенератора, который выполнен, в частности, как парогенератор на отходящем тепле, Kalina-парогенератор или ORC (органический цикл Ренкина) - парогенератор, в теплообменнике парогенератора тепловая энергия от теплоносителя передается к рабочему телу. За счет того, что в соответствии с изобретением температура теплоносителя в термическом генераторе повышается, прежде чем теплоноситель будет подан в теплообменник, может обеспечиваться высокий кпд генерации пара.

На термический генератор с помощью дополнительного теплоносителя подается тепловая энергия, причем температура дополнительного теплоносителя в промышленной установке, вырабатывающей остаточное или отходящее тепло, с использованием остаточного или отходящего тепла повышается, прежде чем дополнительный теплоноситель достигнет термического генератора. Тем самым достигается то, что бесполезно теряемое в ином случае остаточное или отходящее тепло промышленной установки может использоваться для генерации пара.

Также в альтернативной форме выполнения на термический генератор с помощью дополнительного теплоносителя подается тепловая энергия. Температура дополнительного теплоносителя в геотермальной установке повышается с использованием тепла недр Земли, прежде чем дополнительный теплоноситель будет подан на термический генератор, так что тепло недр Земли может эффективно использоваться для генерации пара.

Температура подаваемого в термический генератор дополнительного теплоносителя в обеих формах выполнения ниже, чем температура теплоносителя, подаваемого на теплообменник парогенератора.

Устройство для преобразования в пар рабочего тела в теплообменнике парогенератора, который выполнен, в частности, как парогенератор на отходящем тепле, Kalina-парогенератор или ORC-парогенератор, характеризуется тем, что в теплообменнике, для преобразования в пар рабочего тела, тепловая энергия от теплоносителя может передаваться к рабочему телу. Кроме того, устройство содержит термический генератор для повышения температуры теплоносителя.

На термический генератор с помощью дополнительного теплоносителя может подаваться тепловая энергия. Температура дополнительного теплоносителя в промышленной установке, вырабатывающей остаточное или отходящее тепло, с использованием остаточного или отходящего тепла может повышаться, прежде чем подавать дополнительный теплоноситель на термический генератор. Тем самым достигается то, что бесполезно теряемое в ином случае остаточное или отходящее тепло промышленной установки может использоваться для генерации пара.

Также в альтернативной форме выполнения на термический генератор с помощью дополнительного теплоносителя подается тепловая энергия. Температура дополнительного теплоносителя в геотермальной установке может повышаться с использованием тепла недр Земли, прежде чем дополнительный теплоноситель будет подан на термический генератор, так что тепло недр Земли может эффективно использоваться для генерации пара.

Другие преимущества, признаки и особенности изобретения вытекают из описанного далее примера выполнения со ссылками на чертежи, на которых показано следующее:

Фиг.1 - использование отходящего тепла для генерации пара согласно уровню техники,

Фиг.2 - первый пример применения термического генератора для использования отходящего тепла промышленной установки,

Фиг.3 - второй пример применения термического генератора для использования тепла, получаемого в геотермальной установке.

На чертежах идентичные или соответствующие друг другу части, компоненты, группы компонентов или этапы способа обозначены одинаковыми ссылочными позициями. Направления потока в магистралях обозначены стрелками.

Фиг.1 показывает уже известную возможность для использования отходящего тепла промышленной установки 100, например, сталеплавильного цеха, для преобразования в пар рабочего тела A парогенератора 200. В только одном обозначенном трубопроводе 110 отходящего тепла сталеплавильного цеха 100 установлен теплообменник 120, через который протекает теплоноситель W. Температура теплоносителя W в теплообменнике 120 повышается от температуры T1(W) до температуры T2(W).

Нагретый теплоноситель W поступает, с помощью накачки насосом 140, по трубопроводу 130 на теплообменник 220 парогенератора 200. Теплообменник 220, кроме того, обтекается преобразованным в пар рабочим телом А. В теплообменнике 220 происходит передача тепла от теплоносителя W к рабочему телу A, при этом рабочее тело А нагревается и испаряется, в то время как температура теплоносителя W соответственно снижается. Охлажденный теплоноситель W поступает затем по трубопроводу 150 обратно к теплообменнику 120 в трубопроводе 110 отходящего тепла сталеплавильного цеха 100, чтобы там вновь нагреваться.

Преобразованное в пар в теплообменнике 220 парогенератора рабочее тело А подается по трубопроводу 230 к турбине 240 и приводит ее в действие. Турбина 240 для генерации тока связана с генератором 250, так что в конечном счете самим по себе известным образом при использовании отходящего тепла сталеплавильного цеха 100 может вырабатываться ток. Рабочее тело А при пониженном давлении в турбине 240 направляется по трубопроводу 260 в охладитель 270, чтобы в итоге с помощью насоса 280 вновь транспортироваться в теплообменник 220.

На фиг.2 показано первое применение соответствующего изобретению подхода. И здесь исходят из того, что в трубопроводе 110 отходящего тепла промышленной установки 100 имеется теплообменник 120, в котором используется отходящее тепло промышленной установки 100, чтобы первичный теплоноситель W1 нагреть от температуры T1(W1) до более высокой температуры T2(W1). Нагретый первичный теплоноситель W1 подается с помощью насоса 140 по трубопроводу 130 на вход 301 термического генератора 300.

Как упоминалось выше, с помощью термического генератора 300 является возможным использовать тепло, накопленное в потоке отходящего тепла промышленной установки 100, которое находится на относительно низком температурном уровне Т1 примерно 60°C до 80°C, чтобы повысить температуру вторичного теплоносителя W2, который применяется в следующих за термическим генератором 300 процессах, например, генерации пара, чтобы со своей стороны температуру рабочего тела последующего процесса повысить, в особенности, чтобы преобразовать в пар рабочее тело A.

Первичный теплоноситель W1 протекает через термический генератор 300, причем он в происходящих там процессах охлаждается, и, наконец, снимается на выходе 302. С выхода 302 первичный теплоноситель W1 по трубопроводу 150 попадает назад в теплообменник 120 в трубопроводе 110 отходящего тепла промышленной установки 100, чтобы там вновь нагреваться.

Вторичный теплоноситель W2 поступает на термический генератор 300 через вход 303. В термическом генераторе вторичный теплоноситель W2, в конечном счете, нагревается за счет использования тепла первичного теплоносителя W1 от температуры T1(W2) до температуры T2(W2). Нагретый таким образом вторичный теплоноситель W2 отбирается теперь на выходе 304 термического генератора 300 и с помощью насоса 310 через трубопровод 210 подается на теплообменник 220 парогенератора 200. В теплообменнике 220 это обуславливает, как описано со ссылкой на фиг.1, испарение рабочего тела А парогенератора 200, так что вследствие этого с помощью турбины 240 и генератора 250 может генерироваться ток. При этом вторичный теплоноситель W2 охлаждается и затем по трубопроводу 290 вновь подается на вход 303 термического генератора 300, где он вновь нагревается.

Ввиду применения термического генератора 300, кпд генерации пара или тока выше, чем в известной установке согласно уровню техники, описанной со ссылкой на фиг.1. Термический генератор эффективно включен между трубопроводом отходящего тепла промышленной установки и парогенератором и обуславливает то, что поданный на парогенератор теплоноситель имеет более высокую температуру.

Для полноты описания, на фиг.2 еще обозначены вход 305 и выход 306, через которые на термический генератор 300 может подаваться и отводиться дополнительная рабочая среда. Как упомянуто выше, термический генератор служит в общем случае для генерации тепла на более высоком температурном уровне за счет подачи тепла на среднем температурном уровне и отвода тепла на низком температурном уровне. Поданная через вход 305 и снимаемая с выхода 306 среда служит для отвода тепла на низком температурном уровне. С помощью первичного теплоносителя W1 тепло подается на среднем температурном уровне, и вторичный теплоноситель W2 отводит тепло на высоком температурном уровне и транспортирует его к теплообменнику 220 парогенератора 200.

Фиг.3 показывает второе применение соответствующего изобретению решения. Первичный теплоноситель W1, который до сих пор с помощью отходящего тепла промышленной установки доводился до повышенной температуры от температуры T2(W1), здесь нагревается в геотермальной установке 400. Известным образом геотермия использует накопленное в земной коре тепло. Теплообменник 410 размещен на определенной глубине и обтекается первичным теплоносителем W1, так что преобладающая там повышенная температура может использоваться для того, что повысить температуру T(W1) первичного теплоносителя W1 до значения T2(W1). Нагретый таким образом первичный теплоноситель W1 в соответствии с изобретением с помощью насоса 420 транспортируется по трубопроводу 430 на вход 301 термического генератора 300. Как описано выше, термический генератор 300 используется, чтобы на основе накопленного в первичном теплоносителе W1 тепла нагреть вторичный теплоноситель W2 от температуры T1(W2) до более высокой температуры T2(W2). Затем нагретый теплоноситель W2, аналогично описанному со ссылкой на фиг.2 способу, применяется в парогенераторе 200 для генерации пара и тока.

На чертежах изобретение описывалось конкретно в применении в промышленной установке и в геотермальной установке. В принципе, промышленная установка может быть установкой, в которой получают остаточное или отходящее тепло, то есть, например, сталеплавильным цехом или цементным заводом, производством по изготовлению бумаги и т.п. Также возможно отходящее тепло электростанции использовать с вышеописанной целью: вырабатываемое в электростанции тепло, которое получают, например, в дымовых газах после сжигания топлива и/или за турбиной, содержит большие резервы энергии, в частности, в форме остаточного тепла. Остаточное тепло в соответствии с изобретением может использоваться для того, чтобы нагревать вышеописанный первичный теплоноситель, который подается на термический генератор. Он применяется для того, чтобы вторичный теплоноситель довести до повышенной температуры. С помощью вторичного теплоносителя требуемый для горения в электростанции воздух для горения может тогда, например, предварительно нагреваться, чтобы обеспечить более эффективное сгорание. Также вторичный теплоноситель может использоваться, чтобы в парогенераторе, как описано выше, генерировать ток для оборудования электростанции, например, насосов.

В обобщенном смысле, все эти установки, т.е. генерирующие остаточное или отходящее тепло промышленные установки, включая электростанции, геотермальные установки и т.п., которые пригодны для применения изобретения, как описано выше, могут быть охарактеризованы понятием «источник тепла». При этом речь идет, в общем, об установках, которые могут предоставлять тепловую энергию, с помощью которой первичный теплоноситель может нагреваться от низкой температуры T1(W1) до более высокой температуры T2(W1).

Представленный на чертежах парогенератор 200 может представлять собой парогенератор на отходящем тепле, Kalina-парогенератор или ORC-парогенератор. Для всех этих специальных парогенераторов является общим то, что испаряемое рабочее тело по сравнению с водой имеет более низкую точку кипения. Так называемый «Kalina-процесс» описывает способ для генерации пара при низком температурном уровне, причем испаряемое рабочее тело является не водой, а смесью аммиака и воды, которая уже при низких температурах испаряется. Также известен так называемый ORC-процесс, при котом в качестве испаряемого рабочего тела используется органическая жидкость с низкой температурой испарения.

На основе повышенной температуры Т2(W2) вторичного теплоносителя, в принципе, также не исключается использование парогенератора, который работает с использованием воды в качестве рабочего тела A. ORC- и Kalina-процесс оба пригодны для генерации пара с использованием тепла теплоносителя на низком или среднем температурном уровне. Однако кпд при генерации пара очень сильно зависит от температуры источника тепла или теплоносителя. Например, кпд цикла Карно повышается втрое, если температура теплоносителя повышается с 60°C до 120°C. Повышение температуры на 200°C приводит к тому, что кпд повышается до пятикратного значения. Соответствующее изобретению использование термического генератора, который включен перед парогенератором и приводит теплоноситель на более высокую температуру, оказывает также позитивное воздействие на кпд.

Изобретение относится к генерации пара из рабочего тела парогенератора, который предпочтительно выполнен как парогенератор на отходящем тепле. Предлагается способ преобразования в пар рабочего тела парогенератора, при котором в теплообменнике для преобразования в пар рабочего тела тепловая энергия от теплоносителя передается к рабочему телу, причем температура теплоносителя в термическом генераторе повышается, прежде чем теплоноситель будет подан в теплообменник, и на термический генератор с помощью дополнительного теплоносителя подается тепловая энергия, причем температура дополнительного теплоносителя в промышленной установке, вырабатывающей остаточное или отходящее тепло, с использованием остаточного или отходящего тепла или в геотермальной установке повышается, прежде чем дополнительный теплоноситель поступит на термический генератор, при этом температура подаваемого в термический генератор дополнительного теплоносителя ниже, чем температура теплоносителя, подаваемого на теплообменник парогенератора. Такой способ позволит достигнуть повышенный кпд генерации пара. 3 ил.

Способ преобразования в пар рабочего тела (А) парогенератора (200), в особенности, парогенератора на отходящем тепле, Kalina-парогенератора или ORC-парогенератора, при котором в теплообменнике (220) парогенератора (200) для преобразования в пар рабочего тела (А) тепловая энергия от теплоносителя (W2) передается к рабочему телу (A), причем температура (Т(W2)) теплоносителя (W2) в термическом генераторе (300) повышается, прежде чем теплоноситель (W2) будет подан в теплообменник (220), и на термический генератор (300) с помощью дополнительного теплоносителя (W1) подается тепловая энергия, причем температура (Т(W1)) дополнительного теплоносителя (W1) в промышленной установке (100), вырабатывающей остаточное или отходящее тепло, с использованием остаточного или отходящего тепла или в геотермальной установке (400) с использованием тепла недр Земли повышается, прежде чем дополнительный теплоноситель (W1) поступит на термический генератор (300), отличающийся тем, что температура (Т2(W1)) подаваемого в термический генератор (300) дополнительного теплоносителя (W1) ниже, чем температура (Т2(W2)) теплоносителя (W2), подаваемого на теплообменник (220) парогенератора (200).