АГРЕГАТ И СПОСОБ С ТЕПЛОСИЛОВОЙ УСТАНОВКОЙ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ КОМПРЕССОРОМ Российский патент 2019 года по МПК F01K7/40 

Изобретение относится к агрегату с теплосиловой установкой и с одно- или многоступенчатым технологическим компрессором, причем тепловая установка включает:

- насос,

- котел,

-турбину, по меньшей мере, с приводным валом,

- конденсатор,

причем первая рабочая текучая среда циркулирует в соединенных по текучей среде между собой элементах – насосе, котле, турбине, конденсаторе, причем технологический компрессор имеет несколько ступеней, сжимающих вторую рабочую текучую среду, причем ниже по потоку технологической ступени или между двумя технологическими ступенями установлено, по меньшей мере, охлаждающее устройство, отбирающее из второй рабочей среды, по меньшей мере, первый тепловой поток, причем технологический компрессор имеет приводной вал, причем приводной вал механически агрегатирован с приводным валом, за счет чего турбина приводит в действие компрессор.

Изобретение относится также к способу эксплуатации агрегата указанного типа.

Из WO 2008/031810 или из WO 2010/069759, или из WO 2010/142574 уже известны компоновки, в которых турбинную установку, в частности паровую турбину, используют для привода компрессора или компрессорной установки, или многоступенчатого компрессора. Во всех этих проектах компоновок КПД всей компоновки всегда имеет большое значение. Сжатие рабочей среды, например воздуха, природного газа или углекислого газа, всегда связано с потерями, причем минимизация этих потерь стоит в центре внимания разработок по повышению КПД.

Из ЕР 2 578 817 А2 известна компоновка, в которой расширитель, работающий на отводимом из процесса сжатия тепле, содействует работе двигателя для привода процесса сжатия.

В основу изобретения положена задача усовершенствования компоновки указанного типа относительно повышения ее КПД.

Для решения задачи данного изобретения предложено усовершенствовать компоновку указанного типа отличительными признаками независимого пункта формулы изобретения, касающегося агрегата. Для решения предложен также способ эксплуатации агрегата. В соответствующих зависимых пунктах формулы раскрыты предпочтительные варианты усовершенствования изобретения.

Решающее преимущество изобретения по сравнению с обычными компоновками или способами их эксплуатации с приводом многоступенчатого технологического компрессора посредством теплосиловой установки состоит в том, что тепло, отводимое из процесса сжатия, подают в теплосиловую установку в качестве полезного тепла, что соответственно обеспечивает возможность снижения объема энергии, необходимого для работы теплосиловой установки. Механическое прямое агрегатирование теплосиловой установки для передачи технической энергии на компрессор, а также дополнительное термодинамическое соединение по данному изобретению охлаждающего устройства, промежуточного охладителя или вторичного охладителя компрессора, с одной стороны, и преднагрев теплосиловой установки перед котлом, с другой стороны, обеспечивает с повышением рабочих характеристик дополнительное преимущество повышенной теплоотдачи охладителей компрессора, что обуславливает также увеличение возможного полезного тепла для работы приводной теплосиловой установки.

Технологический компрессор по данному изобретению – это, как правило, любой одно- или многоступенчатый компрессор с соответствующими охлаждающими устройствами между отдельными ступенями компрессора или с вторичным охладителем. Под ступенями компрессора понимают отдельные рабочие колеса или несколько установленных непосредственно друг за другом рабочих колес. Компрессор принципиально является центробежным компрессором или осевым компрессором, или смешанной компоновкой центробежных ступеней компрессора и осевых ступеней компрессора. Особенно предпочтительно выполнение многоступенчатого компрессора в качестве редукторного компрессора, у которого центральный редуктор приводит в действие несколько зубчатых приводных валов компрессора, несущих рабочие колеса ступеней компрессора. В одном корпусе редуктора установлено, как правило, несколько ступеней компрессора, предпочтительно центробежных, на механическом креплении или опоре.

Теплосиловая установка – это технология циркуляции, известная под названием цикл Клаузиуса-Ранкина (цикл паросиловой установки). Как правило, речь идет о т.н. паровой турбине, а рабочей средой служит, как правило, вода или водяной пар. Альтернативно воде используют также другую, в частности, органическую жидкость, что изменяет рабочую область температур процесса вследствие замены рабочей текучей среды.

Термодинамическое соединение, по меньшей мере, между охладителем процессорного компрессора и, по меньшей мере, нагревателем теплосиловой установки определяет, предпочтительно комбинация охладителя и нагревателя. Комбинация особенно предпочтительна, так как исключает использование дополнительной рабочей среды для передачи тепловой энергии между нагревателем и охладителем. Вторая сжимаемая рабочая среда в комбинированном с нагревателем охладителе напрямую передает полезное тепло первой рабочей среде. В случае паровой турбины с водяным или водопаровым приводом первая рабочая среда особенно пригодна для поглощения тепла, отводимого из второй рабочей среды охладителя или нагревателя.

Изобретение используют предпочтительно также в теплосиловой установке с несколькими нагревателями первой рабочей среды, приводимыми отбором через подсоединения к турбине, или с питающей водой для котла в случае водопаровой турбины. В этом случае можно предпочтительно сократить объем отбора первой рабочей среды из турбины, так как нагрев частично осуществляет тепло, отводимое из охладителя процессорного компрессора. Соответственно турбина выдает более высокую техническую мощность, за счет чего для котла достаточно уменьшенной подача энергии или нагрева.

Другое предпочтительное усовершенствование состоит в наличии в агрегате охлаждающего трубопровода с охлаждающей средой, подключенного, по меньшей мере, к охладителю процессорного компрессора. Это обеспечивает возможность частичной передачи охлаждающей рабочей среде тепла отводимого теплового потока. Это обеспечивает при всех рабочих условиях необходимую низкую последующую температуру на входе ступеней для безопасной и энергоэффективной эксплуатации. Это питание охлаждающей средой комбинируют с питанием охлаждающей средой от теплосиловой установки с несущественным расходом рабочей среды в конденсаторе, что обеспечивает возможность подключения соответствующего питания охлаждающей средой для охлаждения процессорного компрессора. Особенно предпочтительна установка регулирующего устройства, соединенного с регулирующими приспособлениями в трубопроводах охлаждающей среды и, в частности, в обменных трубопроводах между теплосиловой установкой и технологическим компрессором. В частности, во время переменных процессов, например, во время запуска всей компоновки, предпочтительно не обязательное увязывание друг с другом отдельных компонентов агрегата при охлаждении или нагреве, а их максимальное автономное функционирование.

Далее изобретение описано на основе специального примера его осуществления с привлечением фигур, на которых представлено следующее:

фиг. 1, 2 – соответствующие структурные схемы компоновки по данному изобретению или способа по данному изобретению.

На фиг. 1, 2 показаны соответствующие структурные схемы агрегата А или способа по данному изобретению, иллюстрирующие термодинамические взаимосвязи. Использованные условные обозначения идентичны для деталей с одинаковой функцией, а описание фигур относится, если нет иного указания, к обеим фигурам.

Агрегат по данному изобретению включает теплосиловую установку WKA и многоступенчатый технологический компрессор MSC. Теплосиловая установка WKA включает, в свою очередь, насос РМР, котел BOI, турбину TRB с приводным валом SD1 и конденсатор CND. Турбина предпочтительно имеет два приводных хвостовика, т.е. двойной отбор мощности.

Котел BOI работает либо на тепле, отводимом из других процессов, либо на тепле природных энергоносителей. Энергопитание обозначено в виде FUL. Котел BOI испаряет и нагревает первую рабочую среду PF1, циркулирующую в соединенных друг с другом средопроводящих элементах теплосиловой установки WKA. Турбина TRB – это предпочтительно паровая турбина, а первая рабочая среда – это предпочтительно вода или водяной пар. Циркулирующий, нагретый в котле BOI водяной пар теряет в турбине TRB давление и попадает затем в конденсатор CND, где разгруженный пар конденсируется в жидкость, и затем насос РМР поднимает в нем давление до давления котла. Конденсатор CND получает охлаждающую рабочую среду CLF по охлаждающему трубопроводу COL. При этом речь идет предпочтительно о воде, забираемой из естественного водоема и отводимой в него обратно подогретой, или о воде, забираемой из частично искусственного водоема или отводимой обратно с него.

Технологический компрессор MSC имеет одну или несколько ступеней ST1…STn, сжимающих вторую рабочую среду PF2. В данном примере выполнены три ступени — SТ1, ST2, ST3. Технологический компрессор имеет также охладители IC1…ICn или промежуточные охладители, или повторный охладитель, причем в данном примере установлен первый охладитель IC1, второй охладитель IC2 и третий охладитель IC3. В рамках понятий по данному изобретению третий охладитель IC3 – это все равно “охладитель”, если даже за ним не следует дополнительная ступень SТ1…STn для сжатия второй рабочей среды PF2. Решающее значение имеет выведение из процесса сжатия отводимого тепла посредством охладителя. Охладители IC1…ICn подключены к охлаждающему трубопроводу COL, питающему их охлаждающей средой CLF. При этом особенно предпочтителен один и тот же охлаждающий трубопровод COL питания охлаждающей средой CLF для охладителей IC1…ICn и для конденсатора CND.

Технологический компрессор MSC имеет приводной вал SD2, сочлененный муфтой CPL с приводным валом SD1 турбины TRB теплосиловой установки WKA. Таким образом, механическую мощность передают на технологический компрессор MSC, чтобы количество оборотов турбины TRB влияло на количество оборотов технологического компрессора MSC. Вместо муфты CPL применяют также редуктор, передающий на технологический компрессор MSC повышение или понижение количества оборотов турбины. Теплосиловая установка WKA имеет в потоке первой рабочей среды PF1 между насосом РМР и котлом BOI нагреватель PH1…PHn (фиг.2), подающий в рабочую среду соответствующий нагретый поток PRF. На фиг.1 между контуром первой рабочей среды PF1 теплосиловой установки WKA и вторым охладителем IC2 установлено соединение обменным трубопроводом FCC, обеспечивающим подачу первой рабочей среды PF1 в охладитель IC2 и ее отведение обратно в контур теплосиловой установки WKA. При этом первая рабочая среда PF1 получает отведенное тепло из второго охладителя IC2 и подает его в качестве полезного тепла в контур теплосиловой установки WKA. Соответственно в котел BOI поступает меньше энергии FUL Дополнительно, охладитель технологического компрессора MSC суммарно потребляет меньше охлаждающей среды CLF.

Показанная на фиг.2 турбина TRB имеет первое подсоединение ТВ1 и второе подсоединение ТВ2. Оба подсоединения, ТВ1 и ТВ2, подают в третий нагреватель РН3 или во второй нагреватель РН2 соответствующее количество тепла первой рабочей среды PF1, что вызывает более высокую температуру первой рабочей среды PF1 на входе котла BOI. Недостатком является при этом то, что не весь объем поданной в турбину TRB первой рабочей среды PF1 обеспечивает производство технологической работы до выхода из турбины TRB. Предпочтительно перед этим нагревом от двух подсоединений ТВ1, ТВ2 за насосом РМР в контуре первой рабочей среды PF1 установлен указанный обменный трубопровод FCC, подающий отведенное тепло из технологического компрессора в качестве полезного тепла в теплосиловую установку WKA.

Особенно предпочтительно агрегаты А на фиг. 1, 2 включает регулирующее устройство CON. По меньшей мере, обменный трубопровод FCC или охлаждающий трубопровод COL также оснащен регулирующими органами CV1, CV4, соединенными с регулирующим устройством CON. В зависимости от температуры Т второй рабочей среды PF2 между выходом второго охладителя IC2, подключенного к обменному трубопроводу FCC, и входом ступени ST1, STn технологического компрессора MSC ниже по потоку регулирующее устройство CON переставляет регулирующие органы CV1, CV4.

Изобретение относится к агрегату с теплосиловой установкой (WKA) и многоступенчатым технологическим компрессором (MSC), причем теплосиловая установка (WKA) включает: насос (РМР), котел (BOI), турбину (TRB) с приводным валом (SD1) или двойным отбором мощности, конденсатор (CND), причем первая рабочая среда (PF1) циркулирует в теплосиловой установке (WKA), причем технологический компрессор (MSC) имеет, по меньшей мере, ступень (ST1.... STn), сжимающую вторую рабочую среду (PF2), и, по меньшей мере, охладитель (IC1…ICn) ниже по потоку технологической ступени (ST1… STn), отбирающей из второй рабочей среды, по меньшей мере, первый поток (QF1…QFn) отводимого тепла, причем приводной вал (SD2) технологического компрессора (MSC) механически состыкован с приводным валом (SD1), за счет чего турбина (TRB) приводит в действие технологический компрессор (MSC). Предложено, что теплосиловая установка (WKA) имеет в потоке первой рабочей среды (PF1) между насосом (РМР) и котлом (BOI), по меньшей мере, нагреватель (РН1…PHn), подающий в первую рабочую среду (PF1) тепловой поток (PRF), причем, по меньшей мере, охладитель (IC1…ICn) соединен, по меньшей мере, обменным трубопроводом (FCC) с теплосиловой установкой (WKA) таким образом, что, по меньшей мере, часть потока отводимого тепла (QF1) поступает между насосом (РМР) и котлом (BOI) в качестве нагретого потока (PRF) в первую рабочую среду (PF1). Также представлен способ эксплуатации агрегата (А) с теплосиловой установкой (WKA) и многоступенчатым технологическим компрессором (MSC). Изобретение позволяет повысить КПД агрегата (А) теплосиловой установки (WKA) и технологического компрессора (MSC). 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Агрегат (А) с теплосиловой установкой (WKA) и многоступенчатым технологическим компрессором (MSC), причем теплосиловая установка (WKA) содержит:

- насос (РМР),

- котел (BOI),

- турбину (TRB) с приводным валом (SD1) или двойным отбором мощности,

- конденсатор (CND),

причем первая рабочая среда (PF1) циркулирует в соединенных по текучей среде между собой элементах – насосе (РМР), котле (BOI), турбине (TRB), конденсаторе (CND),

причем технологический компрессор (MSC) содержит, по меньшей мере, технологическую ступень (ST1…STn), предназначенную для сжатия второй рабочей среды (PF2),

причем технологический компрессор (MSC) содержит, по меньшей мере, охладитель (IC1…ICn) ниже по потоку технологической ступени (ST1…STn), отводящей из второй рабочей среды, по меньшей мере, первый поток (QF1…QFn) отбираемого тепла,

причем технологический компрессор (MSC) содержит приводной вал (SD2),

причем приводной вал (SD1) механически состыкован с приводным валом (SD2) для приведения в действие турбиной (TRB) технологического компрессора (MSC),

отличающийся тем, что

теплосиловая установка (WKA) содержит в потоке первой рабочей среды (PF1) между насосом (РМР) и котлом (BOI), по меньшей мере, нагреватель (РН1… PHn), подающий в первую рабочую среду (PF1) нагретый поток (PRF), причем, по меньшей мере, охладитель (IC1… ICn) соединен, по меньшей мере, обменным трубопроводом (FCC) с теплосиловой установкой (WKA) таким образом, что, по меньшей мере, часть потока отводимого тепла (QF1) поступает между насосом (РМР) и котлом (BOI) в качестве нагретого потока (PRF) в первую рабочую среду (PF1), причем агрегат содержит регулирующее устройство (CON), причем, по меньшей мере, обменный трубопровод (FCC) или охлаждающий трубопровод (COL) содержит регулирующие органы (CV1-CV4), причем регулирующее устройство (CON) соединено с регулирующими органами (CV1-CV4) и переставляет регулирующие органы (CV1-CV4) в зависимости от температуры второй рабочей среды между выходом охладителя (IC1…ICn) и входом технологического компрессора (MSC) ниже по потоку.

2. Агрегат по п. 1, в котором, по меньшей мере, нагреватель (PH1…PHn) образует комбинированную деталь, по меньшей мере, с охладителем (IC1…ICn) для подачи, по меньшей мере, части потока отведенного тепла (QF1) в первую рабочую среду (PF1) между насосом (РМР) и котлом (BOI) в качестве нагревающего потока (PRF).

3. Агрегат по п. 1, в котором турбина (TRB) содержит, по меньшей мере, подсоединение (ТВ1, ТВ2) для отбора из первой рабочей среды (PF1), причем, по меньшей мере, нагреватель (РН1,…PHn) соединен по текучей среде с подсоединением (ТВ1, ТВ2), при этом отобранная первая рабочая среда (PF1) нагревает оставшуюся первую рабочую среду (PF1) перед поступлением в котел (BOI).

4. Агрегат по п. 1, содержащий охлаждающий трубопровод (COL) с охлаждающей средой (CLF) в нем, причем охлаждающий трубопровод (COL) подключен, по меньшей мере, к охладителю (IC1,...ICn), а охладитель (IC1…ICn) передает часть потока отводимого тепла (QF1…QFn) в охлаждающую среду (CLF).

5. Способ эксплуатации агрегата (А) с теплосиловой установкой (WKA) и многоступенчатым технологическим компрессором (MSC), причем теплосиловая установка (WKA) содержит:

- насос (РМР),

- котел (BOI),

- турбину (TRB) с приводным валом (SD1) или двойным отбором мощности,

- конденсатор (CND),

отличающийся тем, что содержит следующие этапы:

- циркулирование первой рабочей среды (PF1) в соединенных по текучей среде между собой элементах – насосе (РМР), котле (BOI), турбине (TRB), конденсаторе (CND),

- сжатие второй рабочей среды (PF2) посредством одной или нескольких ступеней (ST1..STn) многоступенчатого технологического компрессора (MSC),

- отбор, по меньшей мере, первого теплового потока (QF1…QFn) из второй рабочей среды (PF2) посредством, по меньшей мере, одного охладителя (IC1…ICn) между двумя технологическими ступенями (ST1...STn),

- передача приводной мощности турбины (TRB) на технологический компрессор (MSC),

- подача, по меньшей мере, части потока отводимого тепла (QF1) в качестве нагревающего потока (PRF) в поток первой рабочей среды (PF1) между насосом (РМР) и котлом (BOI).

6. Способ по п. 5, при котором агрегат содержит охлаждающий трубопровод (COL) с циркулирующей в охлаждающем трубопроводе (COL) охлаждающей средой (CLF), причем охлаждающий трубопровод (COL) подсоединен, по меньшей мере, к охладителю (IC1…ICn),

причем способ содержит дополнительный этап:

- передачу части потока отводимого тепла (QF1… QFn) охлаждающей среде (CLF),

причем агрегат содержит регулирующее устройство (CON),

причем, меньшей мере, обменный трубопровод (FCC) или охлаждающий трубопровод (COL) содержит регулирующие органы (CV1-CV4), причем регулирующее устройство (CON) соединено с регулирующими органами (CV1-CV4),

причем способ содержит дополнительные этапы:

- измерение температуры второй рабочей среды между выходом охладителя (IC1…ICn) и входом ступени технологического компрессора (MSC) ниже по потоку,

- перестановка регулирующих органов (CV1-CV4) в зависимости от температуры второй рабочей среды между выходом охладителя (IC1…ICn) и входом ступени технологического компрессора (MSC) ниже по потоку.

7. Способ по п. 5, содержащий дополнительные этапы:

- отбор первой рабочей среды (PF1) из турбины (TRB) посредством, по меньшей мере, одного подсоединения (ТВ1, ТВ2),

- нагрев оставшейся первой рабочей среды (PF1) перед входом в котел (BOI) посредством отобранной первой рабочей среды (PF1).