СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ТРАНСКРИТИЧЕСКОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ЦИКЛА НА ДИОКСИДЕ УГЛЕРОДА Российский патент 2025 года по МПК F01K7/32 F01K25/10 F01K13/00 

Изобретение относится к энергетике и предназначено для централизованной выработки электричества, тепла и холода на тепловых электрических станциях (ТЭС), производящих преимущественно постоянную по величине электрическую мощность, например, на атомных.

Известен термодинамический транскритический энергетический цикл (tCO₂-цикл) с конденсацией СО₂, совершаемый одновременно в докритической и сверхкритической областях, включающий повышение температуры СО₂ в нагревателе, расширение выходящего из нагревателя СО₂ с преобразованием тепла в механическую работу в расширительной машине, конденсацию расширенного СО₂ в CO₂-конденсаторе отводом тепла из конденсатора в окружающую среду, повышение давления жидкого CO₂, отбираемого из СО₂-конденсатора, насосом, подачу жидкого СО₂ с выхода насоса в нагреватель [1].

Преимущества tCO₂-цикла:

- осуществимость цикла со сжатием газообразного СО₂ в компрессоре до 90-140 бар, по сравнению с 220-250 бар, требующихся для tCO₂-цикла. Это позволяет применять в tCO₂-установках более простые и дешевые компрессоры, изготавливаемые по отработанным технологиям или по новым технологиям, требующим меньших усилий и меньших вложений на создание, чем разработка и внедрение установок с sCO₂-компрессорами, которые только предстоит создать на базе новых неизвестных технологий;

- повышение давления рабочего тела в энергетическом контуре насосом, создающим при меньших удельных затратах энергии более высокие рабочие давления, чем sCO₂-компрессоры;

- более низкое нижнее давление в tCO₂-цикле (ниже критического), по сравнению с нижним давлением в sCO₂-цикле (выше критического), позволяющее при одинаковых верхних давлениях и температурах рабочего тела (СО₂) срабатывать в tCO₂-цикле несколько большие перепады давления и температуры, чем в sCO₂-цикле, и достигать за счет этого несколько более высокий термический КПД;

- высокая температура нагнетания и, соответственно, более высокая температура отвода тепла из цикла, которое отводят от сжатого СО₂, при температуре свыше 100°С, по сравнению с транскритическим водопаровым циклом Ренкина, в котором тепло отводят от конденсируемого рабочего тела при температуре конденсации 50…60°С. Высокая температура нагнетания упрощает утилизацию тепла из сжатого СО₂ и нагрев теплоносителя систем теплоснабжения до необходимых потребителям температур. В частности, в холодильных и теплонасосных системах с tCO₂-циклом теплом сжатого СО₂ теплоноситель нагревают до 90°С и выше [2], что делает tCO₂-цикл особенно подходящим как для совместной выработки электричества и тепла, так и для совместной выработки электричества, тепла и холода.

Основной недостаток: низкая экономическая эффективность при температурах окружающей среды близкой или превышающей критическую температуру СО₂ (~31,1°С), в связи с чем энергетический tCO₂-цикл считается пригодным для использования в холодное время года или в районах с низкой температурой окружающей среды.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ осуществления транскритического энергетического цикла на диоксиде углерода (СО₂), принятый за прототип, включающий повышение температуры СО₂ в нагревателе, расширение выходящего из нагревателя СО₂ с преобразованием тепла в механическую работу в расширительной машине, конденсацию расширенного СО₂ в CO₂-конденсаторе отводом тепла из конденсатора при помощи искусственного охлаждения, повышение насосом давления жидкого СО₂, отбираемого из CO₂-конденсатора, подачу жидкого СО₂ с выхода насоса в нагреватель [3].

Основное преимущество энергетического tCO₂-цикла по способу-прототипу: возможность осуществления tCO₂-цикла без CO₂-компрессоров сверхвысокого давления, необходимых для осуществления sCO₂-цикла, с применением искусственного охлаждения, создаваемого холодильными машинами на традиционных рабочих телах, таких, как аммиак (NH₃), что позволяет ограничиться давлением нагнетания в несколько раз меньшим, чем в tCO₂-цикле, и снизить риски создания энергетических tCO₂-установок.

Однако конденсирование расширенного СО₂ при помощи индивидуальных холодильных машин, уменьшая зависимость осуществления tCO₂-цикла от параметров окружающей среды, приводит к низкой экономичности осуществления tCO₂-цикла. Так, холодопроизводительность холодильной машины, производящей искусственный холод для лабораторной tCO₂-установки, описанной в [3], при охлаждении воды до 5°С составляет 34 кВт, что для классических парокомпрессионных холодильных машин, работающих на традиционных достаточно энергоэффективных хладагентах (R404a, R500a) соответствует потреблению электрической мощности порядка 11-12 кВт. При этом энергетическая tCO₂-установка вырабатывает электрическую мощность ~1500 Вт [3], которой не достаточно даже для выработки искусственного холода на собственные нужды.

Другой недостаток способа-прототипа связан с регенеративным подогревом подаваемого в нагреватель потока сжатого СО₂ теплообменом с потоком расширенного СО₂, выходящего из расширительной машины. Такой регенеративный подогрев уменьшает количество отводимого из цикла тепла и повышает КПД цикла. Однако отбор тепла от источника энергии теплопринимающей средой с повышенной температурой приводит к повышенной температуре греющей среды на выходе из нагревателя. Например, при использовании в качестве греющей среды продуктов сгорания топлива, это повышает температуру отходящих (дымовых) газов, более полное извлечение остаточного тепла из которых в настоящее время является проблемой, для решения которой предпринимаются серьезные усилия. Другими словами, способ-прототип уменьшая потери тепла в одном месте приводит к их росту в другом;

В настоящее время главной проблемой экономического развития становится увеличивающаяся потребность в электроэнергии. В число лидеров по потреблению электроэнергии входит холодоснабжение. На производство холода уже затрачивается ~18-20% электрической энергии от общего количества ее мирового производства. При этом потребности в холоде остаются недообеспеченными, и имеют тенденцию к значительному росту, прежде всего, в таких важнейших направлениях развития, как сохранение выращенной сельхозпродукции, хранение произведенных продуктов питания, повышение комфортности пребывания людей в помещениях, востребованность которого растет в связи с глобальным потеплением.

Считается, что важным направлением решения проблемы увеличения потребления холода с одновременным снижением затрат дорогостоящей электроэнергии на его производство может стать выработка холода на электрогенерирующих станциях [4]. В этой связи к недостаткам способа-прототипа следует отнести отсутствие выработки холода для централизованного холодоснабжения внешних потребителей, совмещенной с генерацией электричества.

Актуальность выработки холода на электрогенерирующих станциях за счет рационализации использования располагаемой тепловой энергии (минуя стадию трансформации тепла в электричество) возрастает и в связи с переходом к углеродной нейтральности, ведущей к повышению ценности электрической энергии и необходимости более бережного ее расходования, в т.ч. и на производство холода.

Задача изобретения - достижение экономически оправданного использования искусственного охлаждения для отвода бросового тепла из транскритического энергетического цикла, повышение общей энергоэффективности с одновременным повышением степени преобразования тепла цикла в механическую работу, совмещение выработки механической/электрической энергии с выработкой тепла и холода, уменьшение затрат электрической энергии на выработку холода, вовлечение в производство тепла энергии окружающей среды, снижение инвестиционных и эксплуатационных затрат.

Поставленная задача достигается тем, что в способе осуществления транскритического энергетического цикла на диоксиде углерода (СО₂), включающем повышение температуры СО₂ в нагревателе, расширение выходящего из нагревателя СО₂ с преобразованием тепла в механическую работу в расширительной машине, конденсацию расширенного СО₂ в CO₂-конденсаторе отводом тепла из конденсатора при помощи искусственного охлаждения, повышение насосом давления жидкого СО₂, отбираемого из CO₂-конденсатора, подачу жидкого СО₂ с выхода насоса в нагреватель, искусственное охлаждение производят машиной, осуществляющей обратный термодинамический цикл, включающий сжатие рабочего тела, конденсацию сжатого рабочего тела отводом тепла в нагреваемый теплоноситель, а также тем, что нагретый теплоноситель, отпускают потребителям тепла в соответствии с их текущими потребностями, а нагретый теплоноситель, не требующийся для текущего потребления, передают на накопление для последующего использования.

Как известно, холодильная, теплонасосная и теплохолодильная машины - это термотрансформатор, в котором осуществляется обратный термодинамический цикл, создающий перенос теплоты от объектов с низкой температурой к объектам с более высокой температурой. Холодильная, теплонасосная и теплохолодильная машины отличаются только режимами работы и методами регулирования. В настоящем способе может применяться любая из указанных разновидностей машин. Однако наиболее целесообразным для совместной выработки теплоты и холода представляется применение машины, реализующей теплонасосный (с регулированием температуры теплоносителя), или теплохолодильный (параметры теплоносителя и вырабатываемого холода постоянны, не регулируются и соответствуют проектным) режимы работы обратного цикла. Дальнейшее описание будет исходить из того, что обратный цикл осуществляют в наиболее известном теплонасосном режиме.

Использование вместо холодильной машины, имеющее место в способе-прототипе, машины, реализующей обратный цикл, осуществляемый в теплонасосном режиме, направлено на уменьшение/исключение сброса тепла конденсации СО₂ в окружающую среду, и использование бросового тепла конденсации СО₂ в качестве источника энергии для нагрева теплоносителя.

Опыт применения высокотемпературных парокомпрессионных тепловых насосов в централизованном теплоснабжении показывает, экономическую выгодность такого теплоснабжения, в т.ч. при одновременной выработке тепла и холода с использованием низкопотенциального тепла. В частности, Стокгольмская централизованная теплонасосная система теплоснабжения мощностью 320 МВт использует в качестве источника низкопотенциального тепла воду Балтийского моря, охлаждаемую зимой от 4°С до 2°С, т.е. источник тепла, для использования тепла из которого требуется выработка искусственного холода с температурным уровнем ниже минус 1°С. Достигаемая себестоимость вырабатываемой теплоты Стокгольмской системой теплоснабжения на 20% ниже себестоимости теплоты, получаемой от котельных [5].

В то же время простая замена холодильной машины тепловым насосом, отбирающим теплоту конденсации СО₂ из tCO₂-цикла, сама по себе не ведет к достижению экономической эффективности применения искусственного охлаждения для конденсации CO₂ в tCO₂-цикле.

Проблема в том, что условия осуществления теплонасосного цикла, отводящего тепло конденсации из tCO₂-цикла, существенно отличаются от условий осуществления теплонасосных циклов систем теплоснабжения.

Теплонасосные системы теплоснабжения, подобные Стокгольмской, обеспечивают тепловой энергией потребности отопления, горячего водоснабжения, технологического и прочего теплоснабжения, характеризуемые значительной, как сезонной, так и суточной неравномерностью. Так в отопительный период расходование тепла на отопление зависит от погоды (изменений температуры окружающей среды), а в неотопительный - полностью отсутствует. Тепло на горячее водоснабжение требуется круглогодично, но количество потребляемого тепла сильно меняется в течение суток. В связи с этим тепловую производительность тепловых насосов систем теплоснабжения регулируют, адаптируя ее к потребляемой тепловой мощности, путем включения/выключения и уменьшения/увеличения производительности тепловых насосов, т.е. приведением вырабатываемой тепловой мощности в соответствие с потребляемой и обеспечением тем самым потребления всего вырабатываемого тепла.

Предназначением обратного цикла, осуществляемого по настоящему способу, является отвод тепла от конденсируемого СО₂ в tCO₂-цикле, конденсация которого должна производиться вне зависимости от потребляемой тепловой мощности. В данном случае производимое потребляемое тепло является побочным продуктом производства холода и не может регулироваться в соответствии с требованиями потребителей тепла, т.к. будет серьезно нарушать выработку холодильной мощности и процесс конденсирования СО₂. При отводе тепла от конденсируемого СО₂ в tCO₂-цикле вырабатываемая тепловая мощность не зависит от потребления и может значительно превышать потребляемую, особенно в неотопительный период.

Переменное потребление постоянно вырабатываемого теплоносителя на текущие нужды теплоснабжения приводит к образованию излишков производимого, но не потребляемого теплоносителя, особенно в неотопительный период, что делает необходимым излишне выработанное тепло сбрасывать в окружающую среду, что уменьшает экономическую эффективность искусственного охлаждения теплонасосным циклом вплоть до экономической нецелесообразности его применения.

По указанной причине искусственное охлаждение производят машиной, осуществляющей обратный термодинамический цикл, включающий сжатие рабочего тела, конденсацию сжатого рабочего тела отводом тепла в нагреваемый теплоноситель, а также отпуск нагретого теплоносителя потребителям тепла в соответствии с их текущими потребностями, с передачей нагретого теплоносителя, не требующегося для текущего потребления на накопление для последующего использования.

Накопление тепла переводит накапливаемый теплоноситель, нагреваемый обратным циклом, в разряд потребляемого, что делает экономические показатели производства тепла по настоящему способу аналогичными показателям производства тепла высокотемпературными теплонасосными системами, создавая таким образом экономическую целесообразность применения искусственного охлаждения для отвода бросового тепла из tCO₂-цикла.

К этому следует добавить, что отвод тепла от конденсируемого СО₂ в tCO₂-цикле производится при более высоких температурных уровнях, чем в Стокгольмском варианте, что повышает его экономическую эффективность.

Дальнейшее совершенствование способа достигается отводом тепла от конденсата рабочего тела теплообменом с дополнительным потоком теплоносителя, который после теплообмена присоединяют к потоку теплоносителя, нагреваемому конденсируемым сжатым рабочим телом, и повышением температуры объединенного потока теплообменом со сжатым рабочим телом, подаваемым на конденсацию.

Отвод тепла от конденсата понижает его температуру и повышает за счет этого эффективность производства искусственного холода (холодильный коэффициент). Одновременно настоящий способ обеспечивает утилизацию тепла из конденсата, которое передается объединенному потоку теплоносителя, и после повышения температуры объединенного потока - на текущее потребление и/или на накопление. В результате этого возрастает количество тепла передаваемого из цикла в теплоноситель, т.е. количество полезно используемого тепла с соответствующим повышением энергоэффективности.

Однако отвод тепла от конденсата рабочего тела теплообменом с дополнительным потоком теплоносителя не способен охладить конденсат до оптимальных температур. Температура возвращаемого от потребителей теплоносителя обычно регламентируется значениями 35°С…40°С, что позволяет охлаждать конденсат рабочего тела только до температуры ~45°С…50°С.

В принципе такой уровень охлаждения конденсата считается рабочим, но для достижения более высокого холодильного коэффициента желательно дополнительное охлаждение.

После отвода от конденсата тепла дополнительным потоком теплоносителя такое доохлаждение производят дальнейшим отводом тепла от конденсата рабочего тела в окружающую среду. Отвод тепла от конденсата в окружающую среду приводит к относительно небольшим его потерям, позволяет уменьшить затраты энергии на производство искусственного холода и повышает экономическую эффективность искусственного охлаждения.

Технически более сложным вариантом охлаждения конденсата рабочего тела до оптимальных температур после отвода от него тепла дополнительным потоком теплоносителя является доохлаждение конденсата в доохладителе теплообменом с жидкой фазой парожидкостной смеси, получаемой расширением части конденсата рабочего тела, отбираемого с выхода доохладителя и в испаренном виде подаваемого на вход компрессора. Это позволяет все тепло, поступающее в обратный цикл из tCO₂-цикла (tCO₂-конденсатора), и механическую работу привода компрессора, передавать в теплоноситель и использовать на текущее потребление и/или на накопление и полезное использование в будущем. С учетом тепла, преобразуемого в механическую/электрическую энергию, это означает практически полное полезное использование тепла, подводимого к tCO₂-циклу в нагревателе (за исключением относительно небольших потерь, присущих процессам теплообмена и термотрансформации), и достижение общей энергоэффективности приближающейся к теоретически возможной, а в конечном итоге - к уменьшению затрат на производство энергии ископаемых и низкоуглеродных топлив.

О перспективах полезного использования накапливаемого тепла.

В углеродно-нейтральной экономике, ведущая роль отводится возобновляемым источникам энергии, характеризуемым непостоянством действия (солнце, ветер), что приводит к необходимости применения резервных источников энергии в периоды снижения производства энергии из возобновляемых источников и делает развитие технологий накопления и долговременного хранения больших количеств энергии, в т.ч. тепловой, важнейшим направлением развития энергетики.

Накопление энергии на собственные нужды позволит покрывать повышенные, по отношению к номинальным, и пиковые потребления тепла, что исключит потребность в пиковых котлах и котельных, обеспечит экономию безуглеродного топлива (аммиак, водород), упростит схему теплоснабжения, сократит номенклатуру используемого оборудования, инвестиционные и эксплуатационные затраты.

Накопление энергии в удаленных системах накопления и хранения энергии позволит использовать эти системы в качестве местных котельных или в качестве дополнения к местным котельным, производящим тепло за счет сжигания безуглеродных топлив. Наличие систем накопления энергии на таких котельных в силу их приближенности к потребителям энергии представляется особенно рациональным, т.к. сокращает протяженность трубопроводной сети, подающей тепло конечным потребителям. Также такие системы накопления тепла позволят утилизировать собственные теплопотери котелен, сжигающих как углеродные, так и безуглеродные топлива, а в неотопительный период накапливать тепло для будущего потребления, что уменьшает потребность в топливе.

Наряду с указанными направлениями использования накапливаемого тепла в настоящее время серьезное внимание уделяется использованию накапливаемого тепла для выработки электроэнергии в пиковые периоды ее потребления и для решения проблем нестабильности поставок электроэнергии установками, работающими на возобновляемой энергии, в периоды уменьшения силы ветра, солнечного излучения....

Устранение такого недостатка способа-прототипа, как подача на нагрев в нагреватель рабочего тела, нагретого рекуперированным теплом, настоящим способом предусматривается рекуперацией остаточного тепла, содержащегося в потоке CO₂, выходящем из расширительной машины, теплообменом с рекуперирующим потоком, отбираемым с выхода насоса СО₂, расширением рекуперирующего потока, нагретого рекуперированным теплом, с преобразованием тепла в механическую работу, если целесообразно, рекуперацией остаточного тепла расширенного первого рекуперирующего потока теплообменом со вторым рекуперирующим потоком, отбираемым с выхода насоса СО₂, расширением второго рекуперирующего потока, нагретого рекуперированным теплом, с преобразованием тепла в механическую работу, и т.д. пока сохраняется целесообразность рекуперации остаточного тепла из расширенного предыдущего рекуперирующего потока, следующим рекуперирующим потоком, отбираемым с выхода насоса СО₂, и присоединением расширенных рекуперирующих потоков к расширенному потоку СО₂, направляемому из расширительной машины в CO₂-конденсатор.

Такое преобразование остаточного тепла расширенного потока обеспечивает более глубокую рекуперацию недоиспользуемого в способе-прототипе тепла, приводящую к уменьшению количества тепла отводимого из силового контура tCO₂-цикла, в т.ч. передаваемого в теплоноситель, и повышению степени преобразования тепла в механическую работу (термического КПД), способствующей сокращению потребления топлива. Одновременно с этим исключается нагрев рабочего тела, подаваемого в нагреватель, имеющий место в способе-прототипе, вследствие чего достигается более полное использование исходной энергии греющей среды.

Решение поставленной задачи достигается также приведением в действие компрессора, сжимающего рабочее тело в обратном цикле, и генератора электрического тока расширительной машиной.

Известные тепловые приводы компрессоров имеют упрощенную конструкцию, что удешевляет их изготовление и упрощает обслуживание, одновременно ухудшая экономические и энергетические показатели. В отличие от этого приведение в действие генераторов электрического тока производят с помощью максимально совершенных приводов, обеспечивающих максимизацию преобразования тепловой энергии в механическую и достигаемого термического КПД. В этой связи приведение в действие компрессора, сжимающего рабочее тело в обратном цикле, расширительной машиной, приводящей в действие генератор электрического тока, в силу ее более высокого КПД уменьшает удельные затраты тепловой энергии на выработку холода, повышая тем самым экономичность его выработки.

Приведение в действие расширительной машиной одновременно генератора и компрессора увеличивает мощность и размеры расширительной машины, и за счет масштабного фактора - внутренний КПД расширительной машины, что создает дополнительный прирост эффективности и экономичности, как выработки холода для конденсации СО₂, так и выработки электроэнергии.

Приведение в действие расширительной машиной одновременно генератора и компрессора также исключает использование для привода компрессора электрической энергии, и, соответственно, преобразование необходимой для приведения в действие компрессора механической энергии в электрическую в электрогенераторе и электрической в механическую в электрическом двигателе компрессора с исключением неизбежных потерь энергии в каждом из процессов, что повышает энергоэффективность, сокращает количество оборудования для трансформации энергии, упрощает электрогенерирующую установку, снижает инвестиционные и эксплуатационные затраты, а также позволяет сэкономленную электрическую энергию передать в сеть либо уменьшить мощность электрогенератора.

Таким образом, применение для выработки холода высокоэффективного теплового привода, каковым является привод электрогенератора, уменьшает затраты исходной энергии на выработку холода и повышает экономическую эффективность конденсации СО₂ в CO₂-конденсаторе.

Наличие в установке, реализующей энергетический tCO₂-цикл жидкого (сконденсированного) рабочего тела, которое может служить хладагентом, создает представление о возможности использования такого хладагента для производства холода простым его отбором в нужное время и в нужных количествах. Однако такое представление ошибочно, особенно в случае одновременного приведения в действие расширительной машиной компрессора, сжимающего рабочее тело в обратном цикле, и генератора электрического тока.

Основная проблема использования жидкого рабочего тела из обратного цикла в качестве хладагента, заключается в прерывистости его потребления потребителями холода. Так, при низкотемпературном хранении пищевой продукции холод в холодильные камеры подают пока температура воздуха не понизится ниже заданного нижнего порога. При достижении температурой воздуха этого порога выработку холода и расходование хладагента, используемого для выработки холода, прекращают. За счет тепла, выделяемого хранимой продукцией, теплопритоков, поступающих в камеру через стены, пол, потолок, двери, и др. теплопоступлений, в камере постепенно повышается температура воздуха. По достижении верхнего порога допустимой температуры воздуха включают выработку холода и воздух в камере охлаждают до тех пор пока не будет достигнут нижний порог и т.д.

Периодическая потребность в холоде и хладагенте для его получения требует регулирования производительности компрессора в соответствии с потреблением холода, производимого в традиционном холодоснабжении увеличением/уменьшением производительности и включением/выключением холодильных машин. Такое регулирование производительности компрессора обратного цикла, конденсирующего СО₂ в tCO₂-цикле, приводимого в действие совместно с генератором электрического тока общей расширительной машиной, недопустимо: генерация электрического тока должна производиться независимо от потребностей потребителей холода.

Решение, обходящее эту проблему, заключается в отпуске части сконденсированного рабочего тела обратного термодинамического цикла постоянным расходом в качестве хладагента на нужды потребителей холода, и в том, что потребляемую долю хладагента, отпускаемого постоянным расходом, у потребителей расширяют, испаряют, и в испаренном состоянии возвращают на сжатие в обратный цикл, отпускаемый потребителям, но не потребляемый хладагент расширяют с образованием парожидкостной смеси, парожидкостную смесь подают в испаритель, в котором при благоприятных погодных условиях ее испаряют теплообменом с окружающей средой, а при неблагоприятных - накопленным теплом, и в испаренном состоянии возвращают на сжатие в обратный цикл.

В результате такой технологии массовый расход испаренного хладагента на входе в компрессор, поступающий от потребителей хладагента и из испарителя непотребляемого хладагента приходит в соответствие с массовым расходом жидкого хладагента, отпускаемого из обратного цикла, что исключает влияние на работу компрессора изменений расхода жидкого хладагента, расходуемого потребителями холода, и необходимость регулирования компрессора по этому параметру.

Другой положительный результат такого холодоснабжения: тепло, передаваемое в хладагент потребителями холода и тепло, поступающее в хладагент в испарителе из окружающей среды, в конечном итоге передается в теплоноситель, что вовлекает в производство теплоносителя тепло, поступающее от потребителей холода, являющееся для них бросовым, и энергию окружающей среды, превращая тем самым эти поступления в дополнительный источник энергии, уменьшающий потребность в ископаемых и низкоуглеродных топливах.

Отпуск жидкого рабочего тела обратного цикла в качестве хладагента в силу его теплофизических характеристик целесообразен на относительно небольшие расстояния, т.е. на близкорасположенные объекты. Существующие централизованные системы районного хладоснабжения поставляют холод в виде охлаждаемого с помощью хладагента промежуточного хладоносителя, транспортируемого на дальние расстояния.

Для обеспечения отпуска холода в виде хладоносителя сконденсированное рабочее тело обратного термодинамического цикла, отпущенное на нужды потребителей холода, используют для охлаждения хладоносителя, поступающего от потребителей холода, который после охлаждения возвращают потребителям холода.

В итоге достигается обеспечение внешних потребителей холода СО₂-хладагентом и хладоносителем, и возможность создания на основе настоящего способа тригенерационных энергетических установок, производящих электричество, тепло и холод.

В отличие от широко известных тригенерационных энергетических комплексов, вырабатывающих холод с помощью абсорбционных холодильных машин (АБХМ), в которых получают хладоноситель с температурой 5-7°С, предлагаемый способ обеспечивает выработку высоко-, средне- и низкотемпературного холода, который может применяться не только для кондиционирования воздуха в бытовых помещениях, серверных, центрах обработки данных, но и для среднетемпературного и низкотемпературного охлаждения сырья, продукции… на пищевых предприятиях, складах, в распределительных центрах и т.д.

Кроме того, АБХМ - дополнительно вводимое в систему генерации электричества и тепла специализированное оборудование, работающее в неотопительный сезон на высвобождающемся отопительном тепле. В соответствии с настоящим способом выработка холода производится оборудованием, предназначенным для выработки электроэнергии и тепла, что упрощает схему тригенерации, уменьшает инвестиционные и эксплуатационные затраты.

Другой результат снабжения потребителей холода жидким хладагентом: использование бросового тепла, передаваемого в хладагент от охлаждаемых продукции и сред у потребителей холода и тепла окружающей среды, передаваемой в хладагент в испарителе непотребляемого хладагента, для нагрева теплоносителя, что вовлекает в производство теплоносителя бросовое тепло потребителей холода и энергию окружающей среды и делает это тепло дополнительным источником энергии, уменьшающим потребность в ископаемых и низкоуглеродных топливах для производства потребляемого тепла.

Как известно, выработка электричества наиболее эффективна при использовании источника тепла с как можно более высокой начальной температурой. Хранение тепловой энергию также выгоднее при повышенных температурах, что уменьшает объем хранилищ энергии и создает предпосылки к последующей более эффективной трансформации тепла из такого источника в электроэнергию. По этой причине при снижении потребления электрической мощности потребителями, высвобождаемую электрическую мощность по настоящему способу используют для повышения температурного потенциала накапливаемого тепла.

Повышение температуры накапливаемого тепла может производиться, например, расходованием избыточной электрической энергии на приведение в действие тепловых насосов, способных повышать температурный уровень исходного тепла до 500°С и выше [6]. Или использованием избытков электрической энергии на нагрев с помощью электронагревателей теплоаккумулирующих материалов, так как это осуществлено в демонстрационной ТЭС, разработанной фирмой Siemens Gamesa Renewable Energy, и введенной в эксплуатацию в Гамбурге-Альтенвердере (Германия) в июне 2019 года [7].

Использование «лишнего» электричества для аккумулирования тепла и последующего его обратного преобразования в нужное время в электрическую энергию особенно актуально в автономной локальной энергетике и на АЭС, для которых оптимальным режимом работы является постоянная выработка номинальной электрической мощности.

Выработка электроэнергии из накопленного тепла увеличивает суммарную выработку электричества из исходной энергии, затрачиваемой в энергетических установках, реализующих настоящий способ, т.е. дополнительно повышает степень преобразования тепла, подводимого к tCO₂-циклу, в механическую работу.

Описанное техническое решение повышает энергетические и экономические показатели генерации электричества, тепла и холода, и одновременно обеспечивает достижение преимуществ от использования СО₂ в качестве рабочего тела энергетического цикла без создания нового типа CO₂-компрессоров высокого давления. Компрессоры, требующиеся для реализации настоящего способа, могут быть созданы на основе усовершенствования традиционных технологий, или по новым технологиям с меньшими инвестиционными затратами, что значительно снижает риски внедрения в энергетику CO₂-технологий.

Обратный цикл, использующий в качестве рабочего тела NH₃, позволяет нагревать теплоноситель до 190-195°С [8]). В tCO₂-установке, реализующей настоящий способ, достаточен нагрев теплоносителя до 85-90°С (температура нагрева теплоносителя в высокотемпературных теплонасосных системах теплоснабжения). Для этого потребуется создание NH₃-компрессоров, рассчитанных на давление ~50-60 бар, что более чем в 2 раза ниже давления нагнетания, требующегося для реализации tCO₂-циклов, и почти в 4 раза ниже давления нагнетания, требующегося для реализации sCO₂-циклов.

На фиг. 1 схематично представлен один из возможных вариантов энергетической системы (ЭС) централизованного электро-, тепло- и холодоснабжения, реализующей настоящий способ.

В данной ЭС компрессор контура, реализующего обратный цикл, и электрогенератор установлены на общем валу, приводимым в действие общим турбоприводом. В качестве рабочего тела в энергетическом контуре предусмотрено использование СО₂, а в реализующим обратный цикл - NH₃.

В состав ЭС входит турбокомпрессорный агрегат, на валу 1 ротора которого установлены основная турбина 2, утилизационные турбины 3, 4, NH₃-компрессор 5, генератор электрического тока 6, нагреватель рабочего тела (СО₂) энергетического контура 7, CO₂-конденсатор 8, насос 9 подачи жидкого СО₂ из конденсатора 8 в нагреватель 7 и рекуперативные теплообменники 10, 11, NH₃-конденсатор 12, в котором конденсируемым NH₃ нагревают теплоноситель до 85-90°С, охладитель конденсата NH₃ 13, доохладитель конденсата NH₃ 14, ресивер 15, насос 16 подачи жидкого NH₃ из ресивера 15 в трехходовой регулирующий клапан (ТХРК) 17, расширительные устройства 18, 19, 20, 21, охладитель хладоносителя 22, теплообменник 23 для отбора тепла от окружающей среды, резервуар 24 для приема возвращаемого теплоносителя, насос 25 для подачи теплоносителя из резервуара 24, соответственно в NH₃-конденсатор 12 и охладитель конденсата NH₃ 13, перегреватель 26 теплоносителя, выходящего из конденсатора 12 и охладителя 13, ТХРК 27, а также соединительные трубопроводные линии, в т.ч.: 28 - непосредственной подачи теплоносителя потребителям тепла в соответствии с их текущими потребностями, 29 - подачи не требующегося для текущего потребления выработанного теплоносителя на накопление, 30 - подачи в резервуар 24 возвращаемого теплоносителя, 31 - подачи жидкого хладагента (NH₃) потребителям холода, 32 - подачи возвращаемого испаренного хладагента на сжатие в компрессор 5, 33 - подачи хладоносителя потребителям холода; 34 - возврата хладоносителя от потребителей холода.

Работа ЭС производится следующим образом.

Рабочее тело ЭС (СО₂) нагревают в нагревателе 7 и подают в основную турбину 2, в которой оно расширяясь совершает работу, передаваемую в виде крутящего момента на вал 1 турбокомпрессорного агрегата, включающего турбины 2, 3, 4 и компрессор 5.

Выходящий из турбины 2 расширенный СО₂, содержащий тепло, не преобразованное в турбине 2 в работу, поступает в рекуператор 10, в который насосом 9 из СО₂-конденсатора 8 подают жидкий СО₂. В результате теплообмена между потоками, поступающими в рекуператор 10, расширенный СО₂ охлаждается, а СО₂, подаваемый насосом 9, нагревается.

Нагретый в рекуператоре 10 СО₂ направляют в утилизационную турбину 3, в которой он расширяется, совершая механическую работу, передаваемую в виде крутящего момента на вал 1 турбокомпрессорного агрегата.

Выходящий из турбины 3 расширенный СО₂, содержащий достаточное для рекуперации количество тепла (зависит от температуры нагрева СО₂ в нагревателе 7, чем она выше, тем больше тепла будет оставаться в каждом последующем расширенном потоке СО₂), поступает в рекуператор 11, в который одновременно насосом 9 из СО₂-конденсатора 8 подают жидкий СО₂. В результате теплообмена между потоками, поступающими в рекуператор 11, расширенный СО₂ охлаждается, а СО₂, подаваемый насосом 9, нагревается.

Нагретый в рекуператоре 11 СО₂ поступает в утилизационную турбину 4, в которой он расширяется, совершая механическую работу, передаваемую в виде крутящего момента на вал 1 турбокомпрессорного агрегата.

Создаваемый турбинами 2, 3, 4 крутящий момент на валу 1 приводит во вращение компрессор 5, и электрогенератор 6, вырабатывающий электрический ток.

Расширенные потоки СО₂, выходящие из рекуператоров 10, 11 и из турбины 4 единым потоком подают на конденсацию в CO₂-конденсатор 8.

СО₂ в конденсаторе 8 конденсируется холодом, вырабатываемым в NH₃-контуре, реализующем обратный цикл. Компрессор 5 повышает давление паров NH₃, поступающих на его вход, и нагретый сжатием NH₃ по линии 35 подают в перегреватель 26, в котором его используют для повышения температуры теплоносителя, поступающего в перегреватель 26 из NH₃-конденсатора 12 и охладителя конденсата NH₃ 13. Отдавший часть тепла сжатый NH₃ из перегревателя 26 поступает в NH₃-конденсатор 12. В конденсаторе 12 NH₃ конденсируют отводом от него тепла в теплоноситель, подаваемый в конденсатор 12 из резервуара 24 насосом 25. Конденсацию проводят при высокой температуре, порядка 90°С. Высокотемпературный конденсат NH₃ охлаждается в охладителе 13 теплообменом с дополнительным потоком теплоносителя, подаваемого насосом 25 из резервуара 24, а затем доохлаждается в доохладителе 14 испаряемой жидкой фазой расширенного в расширителе 21 NH₃. Испаренный в доохладителе 14 NH₃ подают на сжатие в компрессор 5.

Конденсат NH₃ из ресивера 15 насосом 16 по линиям 36, 37 подают в расширительное устройство 20. В расширителе 20 образуется парожидкостная смесь с пониженной температурой, испарением которой в конденсаторе 8 конденсируют СО₂.

Высокая температура конденсации в NH₃-конденсаторе 12 достигается повышением давления нагнетания в компрессоре 5 свыше 50 бар. Это, с учетом догрева в перегревателе 26, позволяет нагревать теплоноситель до температуры ~85-90°С, соответствующей температуре теплоносителя в высокотемпературных тепловых насосах на СО₂.

Нагретый в NH₃-конденсаторе 12 и в перегревателе 26 теплоноситель с помощью ТХРК 27 по линии 28 отпускают потребителям тепла в соответствии с их текущими потребностями, а выработанный теплоноситель, не требующийся для текущего потребления, по линии 29 направляют на накопление в собственную и/или удаленные системы накопления и хранения энергии (на фиг. 1 не показаны).

Помимо выработки жидкого NH₃, необходимого для конденсации СО₂, в ЭС централизованно вырабатывают жидкий NH₃, предназначенный потребителям холода (на фиг. 1 не показаны). Этот жидкий NH₃ из ресивера 15 насосом 16 по линии 36 постоянным расходом подают на вход ТХРК 17.

Жидкий NH₃ из ТХРК 17 по линии 31 отпускают в качестве хладагента близкорасположенным потребителям холода. NH₃-хладагент у потребителей расширяют, испаряют, и в испаренном состоянии возвращают на сжатие в компрессор 5 по линии 32. Также из линии 31 производят отбор жидкого NH₃, который по линии 38 через расширительное устройство 18 подают в охладитель хладоносителя 22. В охладителе 22 парожидкостной смесью NH₃, образующейся в расширительном устройстве 18, охлаждают возвращаемый от потребителей по линии 34 отепленный хладоноситель. Охлажденный в охладителе 22 хладоноситель по линии 33 отпускают дальним и ближним потребителям холода, потребляющим холод в виде промежуточного хладоносителя, а испаренный NH₃ из охладителя 22 подают на сжатие в компрессор 5.

Недоотбираемый потребителями холода жидкий NH₃ с помощью ТХРК 17 по линии 39 направляют в расширительное устройство 19. Образующуюся в расширителе 19 парожидкостную смесь NH₃ с пониженной температурой подают в теплообменник 23, в котором жидкую фазу смеси при благоприятных погодных условиях испаряют теплообменом с окружающей средой, а при неблагоприятных - накопленным теплом. Образующийся при этом пар NH₃ направляют на вход компрессора 5, обеспечивая подачу на вход компрессора 5 суммарного расхода паров хладагента равного расходу NH₃, поступающему на вход ТХРК 17.

Источники информации

1. System Design and Application of Supercritical and Transcritical CO₂ Power Cycles: A Review, Enhua Wang, Ningjian Peng and Mengru Zhang, School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing, China, published: 10 November 2021. стр. 6. https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fenrg.2021.723875/full.

2. Калнинь И.М., Пустовалов С.Б., Кривцов Д.В., Масштабы и перспективы применения тепловых насосов на R744, журнал Холодильная техника, №3, 2013, с. 25.

3. Experimental investigation on the CO₂ transcritical power cycle, Lisheng Pan, Teng Li, Bo Li, Article in Proceedings of the ICE - Energy, January 2016.

https://www.researchgate.net/publication/288889441_Experimental_investigation_on_the_CO₂_transcritical_power_cycle.

4. Euro Green Deal «a golden opportunity» for cooling, https://www.coolingpost.com/world-news/euro-green-deal-a-golden-opportunity-for-cooling/.

5. Калнинь И.М., Савицкий И.К., Тепловые насосы: вчера, сегодня, завтра, журнал Холодильная техника, №10, 2000, с. 5, https://journals.eco-vector.com/0023-124X/article/view/107352

6. Система от «Isentropic», https://proagregat.com/energetika/akkummulirovanie-tepla-za-etim-buduschee/.

7. Siemens запустила первую станцию хранения энергии в камнях, https://hightech.plus/2019/06/13/siemens-zapustila-pervuyu-stancii-hraneniya-energii-v-kamnyah.

8. Фетисова Е.А., Жердев А.А., Смородин А.И., Разработка теплового насоса для нагрева регенерирующего газа в воздухоразделительных установках, Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». 2012, с. 87.

https://cyberleninka.ru/article/n/razrabotka-teplovogo-nasosa-dlya-nagreva-regeneriruyuschego-gaza-v-vozduhorazdelitelnyh-ustanovkah.

Изобретение относится к энергетике и предназначено для централизованной выработки электричества, тепла и холода на ТЭС, производящих преимущественно постоянную по величине электрическую мощность, например, на атомных электростанциях. В соответствии со способом в энергетическом CO₂-цикле с транскритическими параметрами СО₂ конденсируют искусственным охлаждением, производимым машиной, осуществляющей обратный термодинамический цикл, рабочее тело которого конденсируют отводом тепла в нагреваемый теплоноситель. При этом теплоноситель отпускают потребителям тепла в соответствии с их текущими потребностями, а нагретый теплоноситель, не требующийся для текущего потребления, передают на накопление. Это, совместно с другими усовершенствованиями, позволяет полезно использовать подводимое к циклу тепло и повысить за счет этого термический КПД и энергоэффективность. Кроме того, способ обеспечивает выработку холода с помощью теплового двигател, и экономию электрической энергии на холодоснабжении. 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ осуществления транскритического энергетического цикла на диоксиде углерода (СО₂), включающий повышение температуры СО₂ в нагревателе, расширение выходящего из нагревателя СО₂ с преобразованием тепла в механическую работу в расширительной машине, конденсацию расширенного СО₂ в СО₂-конденсаторе отводом тепла из конденсатора при помощи искусственного охлаждения, повышение насосом давления жидкого CO₂, отбираемого из СО₂-конденсатора, подачу жидкого СО₂ с выхода насоса в нагреватель, отличающийся тем, что искусственное охлаждение производят машиной, осуществляющей обратный термодинамический цикл, включающий сжатие рабочего тела, конденсацию сжатого рабочего тела отводом тепла в нагреваемый теплоноситель, а также тем, что нагретый теплоноситель отпускают потребителям тепла в соответствии с их текущими потребностями, а нагретый теплоноситель, не требующийся для текущего потребления, передают на накопление для последующего использования.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что от конденсата рабочего тела отводят тепло теплообменом с дополнительным потоком теплоносителя, который после теплообмена присоединяют к потоку теплоносителя, нагреваемым конденсируемым сжатым рабочим телом, и температуру объединенного потока повышают теплообменом со сжатым рабочим телом, подаваемым на конденсацию.

3. Способ по пп. 1, 2, отличающийся тем, что конденсат рабочего тела после отвода от него тепла дополнительным потоком теплоносителя, доохлаждают отводом тепла в окружающую среду.

4. Способ по пп. 1, 2, отличающийся тем, что конденсат рабочего тела после отвода от него тепла дополнительным потоком теплоносителя, доохлаждают в доохладителе теплообменом с жидкой фазой парожидкостной смеси, получаемой расширением части конденсата рабочего тела, отбираемого с выхода доохладителя и в испаренном виде подаваемого на вход компрессора.

5. Способ по пп. 1-4, отличающийся тем, что из потока СО₂, выходящего из расширительной машины, рекуперируют остаточное тепло теплообменом с рекуперирующим потоком, отбираемым с выхода насоса СО₂, рекуперирующий поток, нагретый рекуперированным теплом, расширяют с преобразованием тепла в механическую работу, если целесообразно, из расширенного первого рекуперирующего потока рекуперируют остаточное тепло теплообменом со вторым рекуперирующим потоком, отбираемым с выхода насоса СО₂, второй рекуперирующий поток, нагретый рекуперированным теплом, расширяют с преобразованием тепла в механическую работу, и т.д., пока сохраняется целесообразность рекуперации остаточного тепла из расширенного предыдущего рекуперирующего потока, следующим рекуперирующим потоком, отбираемым с выхода насоса СО₂, расширенные рекуперирующие потоки присоединяют к расширенному потоку СО₂, направляемому из расширительной машины в СО₂-конденсатор.

6. Способ по пп. 1-5, отличающийся тем, что компрессор, сжимающий рабочее тело в обратном термодинамическом цикле, и генератор электрического тока приводят в действие расширительной машиной.

7. Способ по пп. 1-6, отличающийся тем, что часть сконденсированного рабочего тела обратного термодинамического цикла отпускают постоянным расходом в качестве хладагента на нужды потребителей холода, потребляемую долю хладагента, отпускаемого постоянным расходом, у потребителей расширяют, испаряют, и в испаренном состоянии возвращают на сжатие в обратный цикл, отпускаемый потребителям, но не потребляемый хладагент расширяют с образованием парожидкостной смеси, парожидкостную смесь подают в испаритель, в котором при благоприятных погодных условиях ее испаряют теплообменом с окружающей средой, а при неблагоприятных - накопленным теплом, и в испаренном состоянии подают на сжатие в обратный цикл.

8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что сконденсированное рабочее тело обратного термодинамического цикла, отпущенное на нужды потребителей холода, используют для охлаждения хладоносителя, поступающего от потребителей холода, который после охлаждения возвращают потребителям холода.

9. Способ по пп. 1-8, отличающийся тем, что при снижении потребления электрической мощности потребителями, высвобождаемую электрическую мощность используют для повышения температурного потенциала накапливаемого тепла.