СИСТЕМЫ С ЗАМКНУТЫМ РЕГЕНЕРАТИВНЫМ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИМ ЦИКЛОМ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ И СПОСОБЫ ИХ РАБОТЫ Российский патент 2020 года по МПК F02C1/10 

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0001] Варианты выполнения изобретения в целом относятся к регенеративным термодинамическим циклам, в частности, к регенеративным циклам Брайтона, а более конкретно, к системам для выработки электроэнергии, например, к газотурбинным электростанциям, использующим регенеративные циклы Брайтона, и способам работы данных систем.

[0002] Регенеративные термодинамические циклы обычно используются в газовых турбинах и микротурбинах для улучшения коэффициента полезного действия цикла (например, цикла Брайтона), который невозможно обеспечить с помощью установки с простым циклом. В современных регенеративных циклах газовых турбин частичная замена энергии топлива происходит за счет процесса регенеративной передачи энергии от отработавших газов через теплообменники в воздух, выпускаемый из компрессора. Степень сжатия в такой установке небольшая, так что температура отработавших газов, выходящих из турбины и поступающих в регенеративный теплообменник, выше температуры подлежащего нагреву выходящего из компрессора воздуха. Достигается значительное повышение коэффициента полезного действия цикла газовой турбины.

[0003] Дальнейшие усовершенствования данных циклов газовой турбины осуществлялись с использованием различных способов и конфигураций, например, многоступенчатого сжатия с промежуточным охлаждением, многоступенчатого расширения с повторным подогревом и повторным сжатием. Однако даже в таких циклах рекуперации и повторного сжатия термический коэффициент полезного действия ограничен тем, что температура отработавших газов турбины никогда не может быть ниже температуры выходящего из компрессора воздуха, в противном случае тепло будет протекать в обратном направлении (к отработавшим газам), снижая коэффициент полезного действия системы.

[0004] В последнее время наблюдается растущий интерес к использованию сверхкритической текучей среды, например, диоксида углерода в сверхкритическом состоянии, в замкнутых термодинамических энергетических циклах. Например, система для выработки энергии с использованием сверхкритического цикла Брайтона предлагает перспективный подход для достижения высокого коэффициента полезного действия и экономически более эффективного преобразования энергии по сравнению с существующими электростанциями с паровыми двигателями и газотурбинными электростанциями. Однако конструкции турбомашин для такой системы для выработки электроэнергии являются сложными в основном из-за (i) большого количества компонентов, требующихся / использующихся в системе, и (ii) из-за высокой плотности сверхкритической текучей среды. В частности, может быть затруднителен подбор потока текучей среды и скорости детандера и компрессора так, чтобы механическая конструкция была оптимизирована для уменьшения напряжений и результирующих ударных осевых нагрузок, а также для обеспечения контролируемой работы в нештатных условиях.

[0005] Следовательно, целесообразно применение альтернативных конфигураций для регенеративных термодинамических циклов, обеспечивающих преимущества по сравнению с известными термодинамическими энергетическими циклами, использующимися обычно в системах для выработки электроэнергии.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0006] В одном варианте выполнения предложен способ работы системы с замкнутым регенеративным термодинамическим циклом для выработки электроэнергии. Способ включает подачу отходящего потока из детандера высокого давления и разделение отходящего потока, выходящего из детандера высокого давления, на первый отходящий поток и второй отходящий поток. Первый отходящий поток направляют в первый детандер низкого давления, соединенный с устройством повышения давления посредством вала 122 турбокомпрессора. Второй отходящий поток направляют во второй детандер низкого давления, соединенный с детандером высокого давления и электрогенератором посредством вала 118 турбогенератора.

[0007] Другой вариант выполнения предусматривает систему с замкнутым регенеративным термодинамическим циклом для выработки электроэнергии. Система содержит детандер высокого давления, предназначенный для подачи отходящего потока. С детандером высокого давления проточно соединен трубопровод, выполненный с возможностью разделения отходящего потока, выходящего из детандера высокого давления, на первый отходящий поток и второй отходящий поток. Система дополнительно содержит первый детандер низкого давления и второй детандер низкого давления. Первый детандер низкого давления соединен с устройством повышения давления посредством вала турбокомпрессора и проточно соединен для приема первого отходящего потока 112. Второй детандер низкого давления соединен с детандером высокого давления и электрогенератором посредством вала 118 турбогенератора и проточно соединен для приема второго отходящего потока.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0008] Эти и другие признаки, аспекты и преимущества настоящего изобретения будут более понятны при прочтении последующего подробного описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

[0009] Фиг. 1 изображает схематическую диаграмму традиционной системы с замкнутым регенеративным циклом Брайтона для выработки электроэнергии;

[0010] Фиг. 2 изображает схематическую диаграмму системы с замкнутым регенеративным циклом Брайтона для выработки электроэнергии, выполненной в соответствии с одним вариантом выполнения изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

[0011] В приведенных ниже описании и формуле изобретения применяется ряд терминов, которые должны быть определены в соответствии со следующими значениями. Формы единственного числа включают также и множественное число, если в контексте не указано иное. Термин «необязательный» или «необязательно» означает, что описанное в дальнейшем действие или состояние может происходить или может не происходить, и что описание включает случаи, когда действие происходит, и случаи, когда действие не происходит.

[0012] Язык аппроксимации, используемый в настоящем документе в описании и формуле изобретения, может применяться для изменения любого количественного показателя, который может быть изменен без изменения основной функции, к которой он относится. Соответственно, значение, измененное термином или терминами, например, «приблизительно» и «в целом», не должно ограничиваться указанным точным значением. В некоторых случаях язык аппроксимации может быть инструментом оценки значения.

[0013] Фиг. 1 иллюстрирует традиционную систему с замкнутым регенеративным циклом Брайтона для выработки электроэнергии, использующую конфигурацию повторного сжатия и повторного нагрева. Используемый в настоящем документе термин «замкнутый цикл» означает, что система 10 образует замкнутый проточный тракт для рабочей текучей среды (которая также может называться в описании как «текучая среда»). Рабочая текучая среда, сжимаемая одним или несколькими компрессорами 12 (обычно предусмотрены главный компрессор 14 и компрессор 16 повторного сжатия), следует по заданному замкнутому проточному тракту внутри системы 10. Из одного или нескольких компрессоров 12 поток 26 сжатой текучей среды поступает в первый теплообменник 20, второй теплообменник 22, подогреватель 32, детандер 15, повторно поступает во второй теплообменник 22 и первый теплообменник 20, устройство 24 предварительного охлаждения и возвращается к одному или нескольким компрессорам 12. Таким образом, рабочая текучая среда протекает по такому замкнутому проточному тракту и не смешивается с внешней средой или другими средами. Детандер 15 может быть многоступенчатым детандером, содержащим по меньшей мере два детандера 17 и 18, установленные совместно с дополнительным подогревателем 19, расположенным между двумя детандерами для повторного подогрева.

[0014] Подходящим примером рабочей текучей среды является диоксид углерода (CO₂). Другими примерами рабочей текучей среды являются воздух, вода, гелий или органические жидкости, например изобутан, пропан и т.д. В некоторых случаях рабочая текучая среда представляет собой сверхкритическую текучую среду, например, сверхкритический диоксид углерода, а система 10 относится к системе со сверхкритическим циклом Брайтона для выработки электроэнергии.

[0015] Система со сверхкритическим циклом Брайтона для выработки электроэнергии представляет собой систему преобразования энергии, использующую сверхкритическую рабочую текучую среду (или сверхкритическую среду). Используемый в настоящем документе термин «сверхкритическая текучая среда» относится к однофазной среде, в которой в критической точке или выше критической точки (критическая температура и критическое давление) среды отдельные жидкие и газообразные фазы не существуют. Термин «критическая точка» сверхкритической среды обозначает самую низкую температуру и самое низкое давление, при которых вещество находится в сверхкритическом состоянии. Термины «критическая температура» и «критическое давление» относятся, соответственно, к температуре и давлению сверхкритической среды в критической точке.

[0016] Как правило, отвод тепла в системе со сверхкритическим циклом Брайтона для выработки электроэнергии происходит, когда рабочая текучая среда находится в состоянии выше критической температуры и критического давления текучей среды. В целом, самый высокий коэффициент полезного действия цикла в системе со сверхкритическим циклом Брайтона имеет место, когда температура и давление рабочей текучей среды на входе в главный компрессор такой системы для выработки электроэнергии имеют значения как можно ближе к критической точке рабочей текучей среды.

[0017] Как описано в настоящем документе, в регенеративных термодинамических циклах (Фиг. 1) частичная замена внешней тепловой энергии (как правило, обеспечиваемой источником 32 тепла) осуществляется путем переноса части тепловой энергии, извлеченной из отходящего потока 30 из детандеров 15, в потоки (26, 28) сжатой текучей среды. Такая передача части тепловой энергии повышает температуру потоков (26, 28) сжатой текучей среды после того, как потоки 26 и 28 текучей среды вышли из компрессора 12, но до того, как они поступили в детандеры 15. Оставшаяся отходящая энергия извлекается в детандере 15. Источник 32 тепла также используется для дальнейшего подогрева потока 29 текучей среды перед его подачей в детандер 15. Детандеры 15 (могут также называться силовыми турбинами) обычно соединены с генератором 34 для получения электроэнергии. Вся система, содержащая указанный один или несколько компрессоров 12, детандеры 17 и 18 и генератор 34, обычно расположена на общем валу 11, как показано на Фиг. 1.

[0018] Аспекты настоящего изобретения, описанные в настоящем документе, затрагивают указанные недостатки, присущие современному уровню техники, и при этом увеличивают производительность раскрытой системы с термодинамическим циклом для выработки электроэнергии по сравнению с обычными системами с термодинамическим циклом для выработки электроэнергии. Варианты выполнения настоящего изобретения касаются альтернативного варианта конфигурации для регенеративного термодинамического цикла выработки электроэнергии, например, цикла Брайтона со сверхкритическим CO₂. Некоторые варианты выполнения изобретения описывают системы и способы работы систем, включая раскрытый термодинамический цикл выработки электроэнергии.

[0019] В частности, варианты выполнения настоящего изобретения относятся к регенеративному термодинамическому циклу, обеспечивающему разделение потока отходящей текучей среды (или отходящего потока), выходящего из высокотемпературного детандера, на первый отходящий поток и второй отходящий поток после повторного подогрева отходящего потока. Система содержит два отдельных вала: вал турбокомпрессора, содержащий компрессор или компрессоры, и вал турбогенератора, содержащий детандер высокого давления и генератор. Каждый вал дополнительно содержит детандер низкого давления, проточно сообщающийся с детандером высокого давления для приема первого отходящего потока или второго отходящего потока. Данная конфигурация или конструкция (о которой подробно говорится ниже) преимущественно (i) создает сбалансированное результирующее осевое усилие на каждом из двух валов, (ii) обеспечивает оптимальный уровень потока текучей среды к детандеру низкого давления, расположенному на валу турбокомпрессора для приведения в действие компрессора(ов), и (iii) разделяет отходящий поток в два параллельно расположенных детандера (например, два детандера низкого давления), уменьшая, тем самым, аэродинамические нагрузки, действующие на аэродинамический профиль, и механические напряжения, действующие на два детандера.

[0020] Следует понимать, что способ и система, выполненные в соответствии с настоящим изобретением, не ограничиваются приведенным выше примером конфигурации цикла, но могут быть применимы к другим конфигурациям цикла, например, к простому регенеративному циклу Брайтона, циклу Ранкина и к сверхкритическому циклу Ранкина, в которых рабочая среда конденсируется перед сжатием.

[0021] Фиг. 2 иллюстрирует систему 100 с замкнутым регенеративным термодинамическим циклом для выработки электроэнергии, выполненную в соответствии с вариантами выполнения изобретения. В одном варианте выполнения система 100 является системой для выработки электроэнергии. В некоторых конкретных вариантах выполнения система 100 является системой со сверхкритическим циклом Брайтона для выработки электроэнергии. В некоторых других вариантах выполнения система 100 является системой со сверхкритическим циклом Ранкина для выработки электроэнергии. В этих вариантах выполнения система 100 использует рабочую текучую среду, имеющую относительно низкую температуру и низкое давление, например, в жидком состоянии, которая перед расширением может быть непосредственно сжата до сверхкритического давления и нагрета до сверхкритического состояния.

[0022] В некоторых вариантах выполнения система 100 содержит сверхкритическую рабочую текучую среду, такую как диоксид углерода в сверхкритическом состоянии, протекающую по замкнутому проточному тракту. Критическая температура и критическое давление для CO₂ составляют приблизительно 304 К и 7,3 МПа. В некоторых вариантах рабочая текучая среда может представлять собой смесь из CO₂ и по меньшей мере одной добавки, например, алкана, неона, азота, гелия и т.д. Смесь может быть подобрана таким образом, чтобы довести критическую температуру текучей среды до необходимой температуры, которая может быть выбрана, по меньшей мере частично, в зависимости от окружающей среды вокруг системы, например, температуры окружающей среды, дневного/ночного диапазона температур, влажности вблизи системы и сезонной температуры и т.п.

[0023] Система 100 содержит детандер 102 высокого давления и два детандера низкого давления: первый детандер 104 низкого давления и второй детандер 106 низкого давления. Каждый из двух детандеров 104 и 106 низкого давления расположен, соответственно, на валу 122 турбокомпрессора и валу 118 турбогенератора. При этом вал 122 турбокомпрессора содержит устройство 120 повышения давления, соединенное с первым детандером 104 низкого давления посредством вала 122. Вал 118 турбогенератора также содержит детандер 102 высокого давления и генератор 116, соединенный со вторым детандером 106 низкого давления посредством вала 118 турбогенератора. То есть в проиллюстрированном варианте выполнения два детандера 104 и 106 низкого давления расположены параллельно.

[0024] В контексте настоящего документа термины «детандер высокого давления» и «детандер низкого давления» определены при сравнении друг с другом. Диапазон рабочих давлений, т.е. диапазон давлений рабочей текучей среды на входе и выходе из детандера низкого давления, ниже диапазона рабочих давлений, то есть диапазона давлений рабочей текучей среды на входе и выходе из детандера высокого давления. В некоторых случаях детандер высокого давления работает при давлении выше пределов критического давления рабочей текучей среды, например, от приблизительно 100 бар до приблизительно 300 бар; при этом детандер низкого давления работает при давлении ниже диапазона рабочих давлений детандера высокого давления, например, от приблизительно 30 бар до приблизительно 200 бар.

[0025] Вначале поток 137 рабочей текучей среды подается в устройство 120 повышения давления. Поток 137 содержит сверхкритическую текучую среду, например, диоксид углерода в сверхкритическом состоянии. В некоторых вариантах выполнения устройство 120 повышения давления содержит один или несколько компрессоров, которые могут иметь осевой, радиальный или поршневой тип. Предпочтительно, чтобы поток 137 сверхкритической текучей среды поступал на вход (не показан) первого компрессора 124 после расширения и охлаждения текучей среды (как описано ниже) до значений температуры и давления, близких к значениям критической температуры и критического давления текучей среды, и чтобы первый компрессор 124 сжимал такой поток 137 текучей среды. Вход первого компрессора 124 проточно соединен с выходом как первого детандера 104 низкого давления, так и второго детандера 106 низкого давления, в результате чего третий отходящий поток 140 и четвертый отходящий поток 142 направляются на вход первого компрессора 124 через предварительный охладитель 135. После сжатия охлажденный поток 125 текучей среды под давлением (то есть сжатый) выходит из компрессора 124.

[0026] Устройство 120 повышения давления может дополнительно содержать второй компрессор 126, соединенный с первым компрессором 124 посредством вала 122 турбокомпрессора. Второй компрессор 126 может также называться компрессором повторного сжатия. Компрессор повторного сжатия обычно используется для сжатия части потока отходящей текучей среды до извлечения тепловой энергии с помощью предварительного охладителя. Второй компрессор 126 проточно соединен как с первым детандером 104 низкого давления, так и со вторым детандером 106 низкого давления так, чтобы принимать поток 144 текучей среды (при относительно высокой температуре по сравнению с температурой потока 137 текучей среды). Поток 144 текучей среды включает как выходящий поток из первого детандера 104 низкого давления, так и выходящий поток из второго детандера 106 низкого давления, то есть третий отходящий поток 140 и четвертый отходящий поток 142. После сжатия второй компрессор 126 доставляет поток 127 сжатой текучей среды, температура которого обычно выше температуры потока 125 сжатой текучей среды, доставляемой первым компрессором 124.

[0027] В некоторых других вариантах выполнения, например, в цикле Ранкина или в сверхкритическом цикле Ранкина, устройство 120 повышения давления содержит насос и конденсатор. В этих вариантах выполнения поток 137 рабочей текучей среды подается в устройство 120 при значениях ниже критического давления и критической температуры, то есть в жидком состоянии. В некоторых вариантах выполнения устройство 120 подает поток текучей среды при значениях температуры и под давлением выше критической точки текучей среды.

[0028] Со ссылкой на Фиг. 2, указанный один или несколько компрессоров 120 проточно соединены с детандером 102 высокого давления для подачи потоков 125 и 127 сжатой текучей среды в детандер 102 высокого давления. Как проиллюстрировано, указанный один или несколько компрессоров 120 проточно соединены с детандером 102 высокого давления через один или несколько теплообменников 130. Указанный один или несколько теплообменников 130 при этом проточно соединены с первым и вторым детандерами 104 и 106 низкого давления для приема третьего отходящего потока 140, выходящего из первого детандера 104 низкого давления и четвертого отходящего потока 142, выходящего из второго детандера 106 низкого давления. В одном варианте выполнения система 100 содержит первый теплообменник 132 и второй теплообменник 134. Первый теплообменник 132 выполнен с возможностью передачи тепла от третьего и четвертого отходящих потоков 140 и 142 в поток 125 сжатой текучей среды, то есть на выход первого компрессора 124, увеличивая, тем самым, температуру потока 125 сжатой текучей среды.

[0029] Второй теплообменник 134 может представлять собой высокотемпературный рекуператор. Второй теплообменник 134 выполнен с возможностью передачи тепла от третьего и четвертого отходящих потоков 140 и 142 в объединенный поток 125 сжатой текучей среды из первого компрессора 124 после прохождения через первый теплообменник 132, и поток 127 сжатой текучей среды, выходящий из второго компрессора 126. Это приводит к дальнейшему увеличению температуры объединенного потока 128 сжатой текучей среды до поступления в первый источник 138 тепла, при этом уменьшается количество энергии, используемой первым источником 138 тепла для обеспечения температуры, подходящей для работы высокотемпературного детандера 102.

[0030] С другой стороны, первый теплообменник 132 и второй теплообменник 134 понижают температуру, то есть охлаждают третий и четвертый отходящие потоки 140 и 142, выходящие из детандеров 104 и 106 низкого давления перед поступлением потоков 144 и 146 текучей среды в предварительный охладитель 135 и/или компрессор 126 повторного сжатия.

[0031] Первый источник 138 тепла проточно подсоединен между указанным одним или несколькими теплообменниками 130 и детандером 102 и выполнен с возможностью передачи тепловой энергии объединенному потоку 128 сжатой текучей среды, состоящему из потоков 125 и 127 сжатой текучей среды, и доставки потока 129 нагретой сжатой текучей среды.

[0032] Поток 129 нагретой сжатой текучей среды, полученный из первого источника 138 тепла, подается на вход детандера 102 высокого давления, в результате чего поток 129 нагретой сжатой текучей среды расширяется благодаря действию тепловой энергии, обеспечиваемой первым источником 138 тепла, и приводит в действие детандер 102. После расширения отходящий поток 108, то есть выходящий из детандера 102 поток текучей среды, остается при высокой температуре, но имеет более низкое давление по сравнению с потоком 129 текучей среды на входе детандера 102.

[0033] Как проиллюстрировано, отходящий поток 108 направляется в трубопровод 110. Трубопровод 110 проточно соединен с детандером 102 высокого давления и выполнен с возможностью разделения отходящего потока 108 на первый отходящий поток 112 и второй отходящий поток 114. Перед разделением отходящий поток 108 подвергается воздействию второго источника 115 тепла. Второй источник 115 тепла проточно подсоединен между детандером 102 высокого давления и трубопроводом 110 для приема отходящего потока 108 из детандера 102 и подачи нагретого отходящего потока 109 в трубопровод 110. Таким образом, температура и первого, и второго отходящих потоков 112 и 114 выше температуры отходящего потока 108 за счет повторного нагрева отходящего потока 108 вторым источником 115 тепла.

[0034] В одном варианте выполнения в системе 100 установлен клапан регулирования давления (не показан), предназначенный для управления соотношением первого отходящего потока 112 и второго отходящего потока 114. В одном варианте выполнения клапан регулирования давления представляет собой трехходовой клапан, который может быть расположен в трубопроводе 110. В другом варианте выполнения клапан регулирования давления представляет собой дроссельный клапан, воздействующий исключительно либо на первый отходящий поток 112, либо на второй отходящий поток 114. Благодаря управлению соотношением потоков, заданный первый отходящий поток 112 может подаваться в первый детандер 104 низкого давления для приведения в действие вала 122 турбокомпрессора с целью повышения производительности указанного одного или нескольких компрессоров 120. Более высокая производительность компрессоров может улучшить общий коэффициент полезного действия системы 100. В одном варианте выполнения соотношение потоков поддерживается на уровне от 30:70 до 70:30. Соотношение потоков при расчетных рабочих условиях поддерживается таким, чтобы согласовать мощность на валу, генерируемую первым детандером 104 низкого давления, с заданной мощностью на валу, необходимой для работы одного или нескольких компрессоров 120. В одном конкретном варианте выполнения соотношение потоков поддерживается на уровне приблизительно 50:50.

[0035] Как первый источник 138 тепла, так и второй источник 115 тепла может быть любым соответствующим источником тепла, содержащим, но не ограничиваясь этим, источник тепла на органическом топливе, источник тепла на ядерном топливе, источник геотермального тепла, источник тепла с использованием солнечной энергии или т.п.

[0036] В контексте настоящего документа, теплообменник, например, первый теплообменник 132 и второй теплообменник 134, показанные на Фиг. 2, выполнен с возможностью осуществления теплообмена между двумя потоками текучей среды без приведения в контакт указанных двух потоков текучей среды, то есть не объединяя указанные два потока текучей среды. Такой теплообмен или теплопередача обычно называются косвенным нагревом. В контексте настоящего документа теплообменник отличается от источника тепла, представляющего собой внешний источник тепла.

[0037] Как показано, после разделения нагретых отходящих потоков первый отходящий поток 112 и второй отходящий поток 114 направляются, соответственно, в первый детандер 104 низкого давления и второй детандер 106 низкого давления для дальнейшего расширения и, следовательно, приводят в действие соответствующие детандеры и соответствующие валы. Выходящие потоки, то есть третий отходящий поток 140 из первого детандера 104 низкого давления и четвертый отходящий поток 142 из второго детандера 106 низкого давления объединяются, при этом часть объединенного потока, то есть поток 146, направляется в предварительный охладитель 135. Предварительный охладитель 135 далее проточно соединен с устройством 120 повышения давления для подачи потока 137 охлажденной и расширенной текучей среды в устройство 120 повышения давления.

[0038] В одном варианте выполнения предварительный охладитель 135 содержит режектор тепла, который отводит тепло при температуре, близкой к критической температуре текучей среды. Предварительный охладитель 135 может содержать любой соответствующий режектор тепла, например, систему жидкостного охлаждения, систему сухого охлаждения или т.п.

[0039] Используемый в настоящем документе термин «вблизи» обозначает величину, которая может быть в пределах по меньшей мере 1% от заданной точной величины. В примере выражение «вблизи значения критической точки текучей среды» или «вблизи значения критической температуры текучей среды» относится к температуре, давлению или тому и другому в пределах 1% от критической точки текучей среды. В некоторых вариантах выполнения температура, давление или и то, и другое могут быть в пределах 5%, а в некоторых вариантах выполнения в пределах 10% от критической точки текучей среды. В другом примере выражение «вблизи значения критической температуры текучей среды» относится к температуре, которая может иметь значение в пределах 3 градусов по Кельвину от критической температуры текучей среды. В некоторых вариантах выполнения температура может иметь значение в пределах 15 градусов по Кельвину, а в некоторых вариантах - в пределах 10 градусов по Кельвину от критической температуры текучей среды.

[0040] Компрессор и детандер в контексте настоящего документа могут представлять собой, соответственно, многоступенчатый компрессор и многоступенчатый детандер. Как известно в данной области техники, процесс сжатия может быть осуществлен путем сжатия рабочей текучей среды в нескольких ступенях, то есть с использованием многоступенчатого сжатия; а процесс расширения может быть осуществлен путем расширения рабочей жидкости в нескольких ступенях, то есть с использованием многоступенчатого расширения. Кроме того, многоступенчатое сжатие может быть использовано с промежуточным охлаждением или без промежуточного охлаждения текучей среды между ступенями, а многоступенчатое расширение может быть использовано с повторным подогревом или без повторного подогрева текучей среды между ступенями.

[0041] Разделение отходящего потока 108 на первый отходящий поток 112 и второй отходящий поток 114 распределяет отходящий поток 108 для подачи в первый и второй детандеры 104 и 106 низкого давления. Такое распределение обеспечивает меньшие объемы текучей среды, протекающей к детандерам 104 и 106 низкого давления при более высоком коэффициенте сжатия, чем то, которое может быть достигнуто при последовательном расположении детандеров. Такая организация потока преимущественно приводит к коротким аэродинамическим профилям детандеров с большим количеством ступеней, низким аэродинамическим нагрузкам на аэродинамические профили и низким изгибающим напряжениям аэродинамического профиля хвоста лопатки. Параллельное размещение детандеров 102 и 106 обеспечивает равномерное распределение результирующего осевого усилия и может преимущественно устранять необходимость в уравновешивающем поршне и связанной с ним протечке. Кроме того, соотношение потоков первого отходящего потока 112 и второго отходящего потока 114 управляет скоростями двух валов по отдельности. Обычно, в традиционной конфигурации, использующей один вал, вращение компрессора ограничено скоростью вращения детандеров (могут называться силовой турбиной), что обычно ограничивает производительность компрессоров. Настоящие варианты выполнения преимущественно обеспечивают вращение двух валов с разными скоростями, в частности, вращение вала турбокомпрессора с требуемой скоростью для максимального увеличения производительности компрессоров. Кроме того, коэффициент полезного действия системы 100 относительно высокий по сравнению с известными системами с регенеративным циклом Брайтона для выработки электроэнергии.

[0042] Используемое в формуле изобретения слово «содержит» и его грамматические варианты логически также подразумевает и включает грамматические обороты с различным и отличающимся охватом, такие как, например (но не исключительно), «состоящий по существу из» и «состоящий из». При необходимости заданы области значений, которые включают все входящие в них поддиапазоны. Предполагается, что изменения указанных диапазонов очевидны специалисту в данной области техники и, если указанные изменения еще не известны, то они, где это возможно, должны рассматриваться как входящие в объем прилагаемой формулы изобретения. Кроме того, ожидается, что достижения в науке и технике могут в дальнейшем предложить эквиваленты и замены, которые в настоящем описании не приведены по причине несовершенства языка, при этом указанные изменения, где это возможно, также должны рассматриваться как входящие в объем прилагаемой формулы изобретения.

Представлена система с замкнутым регенеративным термодинамическим циклом для выработки электроэнергии. Система содержит детандер высокого давления, предназначенный для подачи отходящего потока. С детандером высокого давления проточно соединен трубопровод, выполненный с возможностью разделения отходящего потока, выходящего из детандера высокого давления, на первый отходящий поток и второй отходящий поток. Система дополнительно содержит первый детандер низкого давления и второй детандер низкого давления. Первый детандер низкого давления соединен с устройством повышения давления посредством вала турбокомпрессора и проточно соединен для приема первого отходящего потока. Второй детандер низкого давления соединен с детандером высокого давления и электрогенератором посредством вала турбогенератора и проточно соединен для приема второго отходящего потока. Также представлен способ работы системы с замкнутым регенеративным термодинамическим циклом для выработки электроэнергии. 2 н. 16 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ работы системы с замкнутым регенеративным термодинамическим циклом для выработки электроэнергии, включающий:

подачу потока сжатой рабочей текучей среды в детандер высокого давления из устройства повышения давления, установленного на валу турбокомпрессора,

подачу отходящего потока из детандера высокого давления,

разделение отходящего потока, выходящего из детандера высокого давления, на первый отходящий поток и второй отходящий поток в трубопроводе, проточно сообщающемся с детандером высокого давления,

направление первого отходящего потока в первый детандер низкого давления, причем первый детандер низкого давления соединен с указанным устройством повышения давления посредством указанного вала турбокомпрессора, и

направление второго отходящего потока во второй детандер низкого давления, причем второй детандер низкого давления соединен с детандером высокого давления и электрогенератором посредством вала турбогенератора,

управление соотношением первого отходящего потока и второго отходящего потока посредством клапана регулирования давления, установленного в указанном трубопроводе.

2. Способ по п. 1, в котором подогревают отходящий поток перед его разделением на первый отходящий поток и второй отходящий поток.

3. Способ по п. 1, в котором подают поток сжатой текучей среды в состоянии выше критической точки текучей среды из устройства повышения давления и направляют поток сжатой текучей среды в детандер высокого давления.

4. Способ по п. 3, в котором подогревают поток сжатой текучей среды перед подачей потока сжатой текучей среды в детандер высокого давления.

5. Способ по п. 1, в котором подают третий отходящий поток из первого детандера низкого давления и четвертый отходящий поток из второго детандера низкого давления, а также подают с регенерацией как третий отходящий поток, так и четвертый отходящий поток в один или несколько теплообменников.

6. Способ по п. 5, в котором подают третий отходящий поток и четвертый отходящий поток в предварительный охладитель через указанный один или несколько теплообменников.

7. Способ по п. 6, в котором подают поток охлажденной текучей среды из предварительного охладителя в устройство повышения давления.

8. Система с замкнутым регенеративным термодинамическим циклом для выработки электроэнергии, содержащая:

вал турбокомпрессора, содержащий устройство повышения давления, для подачи потока сжатой рабочей текучей среды в детандер высокого давления,

детандер высокого давления, предназначенный для подачи отходящего потока,

трубопровод, проточно соединенный с детандером высокого давления и выполненный с возможностью разделения отходящего потока на первый отходящий поток и второй отходящий поток,

первый детандер низкого давления, соединенный с указанным устройством повышения давления посредством указанного вала турбокомпрессора и проточно соединенный с детандером высокого давления для приема первого отходящего потока, и

второй детандер низкого давления, соединенный с детандером высокого давления и электрогенератором посредством вала турбогенератора и проточно соединенный с детандером высокого давления для приема второго отходящего потока,

клапан регулирования давления, установленный в указанном трубопроводе для управления соотношением первого отходящего потока и второго отходящего потока.

9. Система по п. 8, в которой сформирован замкнутый проточный тракт для потока рабочей текучей среды.

10. Система по п. 9, в которой рабочая текучая среда представляет собой диоксид углерода.

11. Система по п. 8, в которой устройство повышения давления содержит первый компрессор и второй компрессор, соединенные друг с другом.

12. Система по п. 8, в которой устройство повышения давления проточно соединено с детандером высокого давления для подачи потока сжатой текучей среды в состоянии выше критической точки текучей среды в детандер высокого давления.

13. Система по п. 12, в которой устройство повышения давления проточно соединено с детандером высокого давления через один или несколько теплообменников.

14. Система по п. 13, в которой указанный один или несколько теплообменников содержат первый теплообменник и второй теплообменник, проточно соединенные друг с другом.

15. Система по п. 13, содержащая первый источник тепла, проточно подсоединенный между указанным одним или несколькими теплообменниками и детандером высокого давления.

16. Система по п. 13, в которой указанный один или несколько теплообменников дополнительно проточно соединены с первым детандером низкого давления и вторым детандером низкого давления для приема третьего отходящего потока и четвертого отходящего потока.

17. Система по п. 8, дополнительно содержащая второй источник тепла, проточно подсоединенный между детандером высокого давления и трубопроводом для приема отходящего потока из детандера высокого давления и подачи нагретого отходящего потока в трубопровод.

18. Система по п. 8, дополнительно содержащая предварительный охладитель, проточно соединенный с устройством повышения давления для подачи потока охлажденной текучей среды в устройство повышения давления.