Электростанция

 

Использование: в энергетике на геотермальных многомодульных электростанциях. Сущность изобретения: электростанция включает несколько модулей, работающих на низкотемпературной рабочей текучей среде, в качестве которой может быть использовано органическое вещество, по циклу Ренкина. Каждый модуль содержит турбогенератор, конденсатор, средство для циркуляции рабочей среды, предварительный нагреватель и испаритель, подключенный по греющей среде к геотермальному источнику воды. Испарители всех модулей по греющей среде соединены последовательно, а выход испарителя последнего модуля соединен с входами предварительных преобразователей всех модулей. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к энергетическим установкам, в частности к каскадным электростанциям с использованием низко- и среднетемпературной текучей среды.

Низко- и среднетемпературные исходные текучие среды, в дальнейшем называемые исходные текучие среды, представляют собой жидкости с температурой менее 350^оF (176,67^оС), такие как геотермальные воды из различных производственных скважин и промышленные жидкости, получаемые после технологических процессов. В настоящее время Участок Развития Восточного Меса, расположенный в Долине Империал, Южная Каролина, недалеко от Холтвилля, имеет шесть скважин, способных давать около 4 млн. фунтов (1,814 млн. килограммов) геотермальных вод в час с температурой 324^оF (162,2^оС). Такие геотермальные воды являются примером текучих сред описываемого типа.

Обычно электричество производится с помощью исходных текучих сред с использованием теплового двигателя замкнутого цикла Рэнкина, в котором в качестве рабочей жидкой среды используются органические жидкости (например, фреон), такие системы будем называть электростанцией. Исходная текучая среда подается в испаритель электростанции, содержащий жидкую органическую среду, в котором последняя превращается в пар. Пар расширяется в турбогенераторе, где от него отбирается часть тепла и превращается в работу, в результате образуя отработанный пар, который конденсируется в конденсаторе. Конденсированная органическая текучая среда возвращается в испаритель, и цикл повторяется.

В конденсаторе тепло, оставшееся в отработанном паре, отдается окружающему воздуху, если используются конденсаторы с воздушным охлаждением, или воде, если применяются конденсаторы с водяным охлаждением. Обычно испаритель работает при таком давлении, которое обеспечивает получение насыщенного или немного перегретого пара, при этом существующие давления относительно низки, и упрощаются конструкции теплообменника, который образует испаритель, магистралей для провода пара и турбины. Для того, чтобы максимально увеличить выходную мощность электростанции, следует оптимизировать падение температуры исходной текучей среды во всей системе теплообменника, а также температуру испарения в испарителе.

В обычных электростанциях каскадного типа применяют несколько модулей электростанций замкнутого цикла Рэнкина, каждый из которых имеет соответствующий теплообменник, при этом исходная текучая среда последовательно подается в теплообменник каждого модуля. Независимо от того, какая именно система используется, первостепенное значение придается увеличению ее выходной мощности. Одним из путей повышения выходной мощности является увеличение количества отбираемого от исходных текучих сред тепла за счет увеличения температурного перепада. Однако и в случае одноступенчатой станции, и в случае эксплуатации каскадной системы увеличение количества отбираемого от исходной текучей среды тепла за счет увеличения температурного перепада исходной текучей среды в теплообменнике снижает мощность электростанции из-за снижения средней температуры исходной текучей среды. В результате происходит снижение температуры испарения рабочей жидкости в теплообменнике, что уменьшает коэффициент Карно электростанции.

С целью повышения производительности электростанций и для извлечения большей мощности из текучей среды предлагалось осуществлять работу при сверхкритических температурах и давлениях. В этом варианте температура полученного в теплообменнике пара текучей среды оказывается выше, чем в вышеописанной типичной электростанции с циклом Рэнкайна. Хотя такой подход дает эффект в повышении производительности электростанции и в увеличении ее рабочего выхода, достигнутые преимущества нивелируются более высоким потреблением мощности циклового насоса, а также увеличением сложности и стоимости электростанции, в которой резервуары давления должны быть рассчитаны на параметры в диапазоне 500-600 psia (35,16-42,19 кг/см²).

Наиболее близкой к изобретению является электростанция, включающая несколько замкнутых модулей, каждый из которых работает на низкотемпературной рабочей среде по циклу Рэнкина и содержит последовательно размещенные по ходу рабочей среды турбогенератор, конденсатор, средство для циркуляции рабочей среды и подключенный по греющей среде к источнику геотермальной воды испаритель, при этом модули, начиная с второго, дополнительно содержат предварительный нагреватель, размещенный перед испарителем, причем выход испарителя последнего модуля по греющей среде соединен с входом в его предварительный нагреватель. Данная энергетическая установка обладает всеми вышеперечислеными недостатками, наиболее существенным из которых является снижение мощности.

Целью изобретения является создание электростанции, которая обеспечивала бы большую производительность, чем обычные электростанции низкого давления.

Цель в электростанции, включающей несколько замкнутых модулей, каждый из которых работает на низкотемпературной рабочей среде по циклу Рэнкина и содержит последовательно размещенные по ходу рабочей среды турбогенератор, конденсатор, средство для циркуляции рабочей среды и подключенный по греющей среде к источнику геотермальной воды испаритель, при этом модули, начиная с второго, дополнительно содержат предварительный нагреватель, размещенный перед испарителем, причем выход испарителя последнего модуля по греющей среде соединен с входом в его предварительный нагреватель, решена благодаря тому, что она содержит дополнительно предварительный нагреватель в первом модуле, при этом по греющей среде испарители всех модулей соединены последовательно, а выход испарителя последнего модуля по греющей среде дополнительно параллельно подсоединен к входам предварительных нагревателей остальных модулей.

Согласно варианту изобретения в качестве низкотемпературной рабочей среды использовано органическое текучее вещество.

Возможна модификация устройства, у которой низкотемпературная рабочая среда одинакова для каждого модуля.

Согласно варианту исполнения в качестве низкотемпературной рабочей среды в каждом модуле использовано одинаковое органическое вещество.

Предлагаемая электростанция в сравнении с обычными каскадными электростанциями обладает преимуществом, поскольку температурный перепад текучей среды может быть увеличен без снижения производительности. В другом случае температурный перепад может оставаться без изменений, а производительность увеличиваться, таким образом, достигаемая в изобретении мощность электростанции повышается.

На фиг. 1 показана схема температур теплового входа теплообменника в электростации, иллюстрирующая взаимосвязь между перепадом температуры текучей среды и температурой испарения рабочей жидкости; на фиг. 2 - блок-схема каскадной электростанции в соответствии с изобретением; на фиг. 3 - схема, аналогичная показанной на фиг.1, иллюстрирующая температуру в различных точках блок-схемы по фиг.2; на фиг. 4 - схема, аналогичная показанной на фиг.3, для обычных каскадных электростанций с такой же площадью теплообменника, что и в электростанции по фиг.3; на фиг. 5 - пример реализации каскадной электростанции по изобретению, иллюстрирующий ряд модульных преобразователей энергии, расположенных на нескольких уровнях.

Схема согласно фиг.1 показывает изменение температуры текучей среды как функции расхода тепла в теплообменнике одноступенчатой электростанции. Кривая А отражает охлаждение текучей среды в теплообменнике с температурой Т_вх. на входе в теплообменник до температуры Т_вых.1, на выходе из теплообменника, где Т_вх-Т_вых.1 = =Δ Т₁. Известным способом температура испарения Т_исп.1 рабочей жидкости, изменение которой показано кривой В, определяется с помощью температуры рабочей жидкости, вводимой в теплообменник Т_конд. и Δ Т₁. Отношение а₁/b₁ выражает процент предварительного тепла для теплообменника, который представляет собой отношение количества, необходимого для подогрева рабочей жидкости от температуры конденсатора до температуры точки испарения (оставаясь в жидкой фазе) на единицу времени, к общему количеству тепла, необходимого для испарения рабочей жидкости за единицу времени. Для текучих сред такое отношение может колебаться от 25 до 55%.

Разность между температурой Т_пер.1 текучей среды в точке перегиба кривой В и Т_исп. называется температурой пинч-точки, такая температура обычно составляет 8-12^оF (-13,34)-(-11,11^оС). Снижение температуры пинч-точки с целью повышения температуры испарения оказывает влияние на повышение производительности системы, поскольку коэффициент Карно пропорционален отношению разности температур испарения и конденсации к температуре испарения в абсолютных единицах. Однако можно показать, что повышение коэффициента Карно таким способом осуществляется за счет непропорционально большого увеличения площади поверхности теплообменника.

Для увеличения выходной мощности электростанции, в которой используются рабочие жидкости в соответствии с кривой В и исходная текучая среда, охлаждаемая в соответствии с кривой А, увеличение перепада температуры текучей среды оказывается достаточным. В этом случае исходная текучая среда охлаждается в соответствии с кривой С от Т_вх. до Т_вых.2, а рабочая жидкость характеризуется кривой D. Другими словами, Т_исп.2 ниже Т_исп.1. С увеличением извлекаемого из исходной текучей среды тепла и соответствующим охлаждением в большей степени исходной текучей среды производительность системы уменьшается. Увеличение выходной мощности зависит от скорости охлаждения исходной текучей среды в теплообменнике. Проблема увеличения выходной мощности рассматривается и решается в изобретении.

Электростанция 1 содержит ряд независимых модулей 2,3,4 электростанций замкнутого цикла Рэнкина (фиг.2). Проиллюстрированы три модуля электростанций, однако изобретение можно отнести и к двум или более независимым модулям электростанций. Все эти модули идентичны между собой, поэтому подробно описывается только один модуль 2. В этот модуль входит содержащий органическую жидкость испаритель 5, на который через вход 6 из источника 7 подается низко- или среднетемпературная исходная текучая среда. Содержащаяся внутри испарителя 5 органическая жидкость испаряется, образуя весьма насыщенный или слегка перегретый пар, который подается на турбину 8 турбогенератора 9. В турбине 8 пар расширяется и часть отбираемого от него тепла превращается в работу, а генератор 10 производит электроэнергию. Выходящий из турбины 8 пар отдается в конденсатор 11, где с помощью поступающей в конденсатор охлаждающей воды конденсируется в жидкую фазу. Вместо водяного охлаждения может быть использован конденсатор с воздушным охлаждением.

С помощью насоса (не показан) конденсат с конденсатора 11 подается в предварительный нагреватель 12, который может быть непосредственно встроен в испаритель или располагаться отдельно от него. Отработанная исходная текучая среда, полученная с выхода испарителя третьего модуля, через вход 13 подается в предварительный нагреватель 12, охлажденная исходная текучая среда подается на выход 14. При использовании в качестве текучей среды геотермальных вод охлажденная текучая среда может подаваться на слив, а при использовании в качестве исходной текучей среды отходов химических производств охлажденная жидкость может вновь возвращаться в рабочий процесс.

Как показано на фиг.2, исходная текучая среда, выходящая из испарителя 5, через выход 15 подается на вход 16 испарителя 5' модуля 3 электростанции, текучая среда, выходящая из испарителя 5', через выход 17 подается на вход 18 испарителя 5" модуля 4. Текучая среда, выходящая из испарителя 5" через выход 19, в дальнейшем именуется отработанной текучей средой из-за потерь тепла, забранного в испарителях 5, 5' и 5". Эта отработанная текучая среда параллельно подается на каждый предварительный нагреватель 12, 12' и 12". Другими словами, изобретение обеспечивает последовательную подачу низко- или среднетемпературной исходной среды от источника 7 на испарители 5, 5' и 5" модулей 2, 3 и 4, на выходе 19 которого получается отработанная текучая среда из испарителя 5". Эта отработанная текучая среда параллельно подается на все предварительные нагреватели, после которых текучая среда подается на слив, если в качестве нее используются геотермальные воды.

На фиг.3 показана типичная температурная диаграмма нагрева в электростанциях по фиг.2, способных работать на геотермальных источниках упомянутого Восточного Меса. Значения температур и скоростей потока соответствуют производительности источников Восточного Меса и приводятся с целью сравнения производительности электростанции по изобретению с обычными каскадными электростанциями при равных площадях теплообменников.

Приблизительно около 3,7 млн.фунтов геотермальных вод могут последовательно подаваться на входы испарителей 5, 5' и 5", около половины отработанных геотермальных вод, выходящих из испарителя 5", подается на предварительный нагреватель 12, около 1/3 подается на предварительный нагреватель 12', а остальное - на предварительный нагреватель 12". Предполагается, что условия конденсации таковы, что температура органической жидкости, выходящей из конденсатора каждого модуля электростанции, составляет 100^оF (37,78^оС), температура отработанных геотермальных вод, выходящих с испарителя 5", составляет 175^оF (79,44^оС), и при прохождении через каждый предварительный нагреватель отработанная геотермальная вода охлаждается до 130^оF (54,44^оС). Геотермальная жидкость входит в испаритель 5 при температуре 324^оF (162,2^оС) и при проходе через испаритель охлаждается до температуры 247^оF (119,4^оС). Органическая жидкость, содержащаяся в испарителе 5, нагревается с 75,5 до 131,1^оС, которая является температурой испарения в модуле 2. Это обеспечивает температуру пинч-точки около 8^оF (-13,34^оС). Выходящая с испарителя 5" геотермальная жидкость имеет температуру 175^оF (79,44^оС), которая падает до 130^оF (54,44^оС) в результате прохождения через предварительные нагреватели 12, 12' и 12". Таким образом, в модуле 2 электростанции геотермальная жидкость охлаждается с 175 до 130^оF (с 79,44 до 54,44^оС), а органическая жидкость в предварительных нагревателях подогревается с 100 до 168^оF (с 37,78 до 75,5^оС).

Температура испарения в модуле 3 электростанции составляет 203^оF (95^оС), что, конечно, меньше, чем температура испарения в модуле 2. Следовательно, рабочее давление в модуле 3 меньше, чем рабочее давление в модуле 2. Соответственно температура испарения в модуле 4 составляет 168^оF (75,5^оС), что является самой низкой температурой из всех трех модулей.

Общая регистрируемая разность средних температур (РРСТ) для теплообменников модулей 2, 3 и 4 составляет соответственно 23 (-5), около 19 (-7,22) и около 16^оF (-8,89^оС). Коэффициент Карно для электростанции, показанной на фиг.3, составляет около 18,5%. Обычная трехступенчатая каскадная электростанция, имеющая теплообменники с той же площадью, что и электростанция, показанная на фиг.3, имеет температурную диаграмму, аналогичную показанной на фиг.4. В таких обычных электростанциях геотермальная жидкость охлаждается с температуры 324^оF (162,2^оС) до температуры 130^оF (54,44^оС) при одном проходе через теплообменники. При наличии трех модулей температура испарения составляет соответственно 272, 178 и 129^оF (133,3, 81,1, 53,8^оС). Геотермальные жидкости на входе в теплообменник второго модуля имеют температуру 225^оF (107,22^оС), на входе в третий модуль - 168^оF (75,5^оС). В этом случае можно показать, что РРСТ каждого модуля такой каскадной системы составляет соответственно около 23, 19 и 17^оF (-5, -7,22, -8,33^оС). Отсюда следует, что площадь поверхности теплообменника обычной системы почти идентична площади поверхности теплообменников электростанции по изобретению. Однако в обычных каскадных электростанциях коэффициент Карно составляет около 16,7%. Электростанция по изобретению, имеющая те же самые размеры теплообменника, что и обычная каскадная электростанция, дает более 10% повышения мощности без существенного увеличения стоимости.

Второй пример реализации изобретения показан на фиг.5, где ряд модульных преобразователей энергии, аналогичных показанным на фиг.2, устанавливаются таким образом, чтобы посредством выбора их количества можно было бы создать электростанцию почти любой производительности. Электростанция 20, показанная на фиг.5, содержит ряд модулей, установленных в ряде уровней. Показаны три уровня, хотя и количество уровней, и число модулей в каждом из них выбираются в зависимости от требуемой мощности электростанции. В качестве примера на фиг.5 показано девять модулей, размещенных в трех уровнях по три модуля в каждом. Каждый модуль 21, 22, 23 в уровне 24, каждый модуль 25, 26, 27 в уровне 28 и каждый модуль 29, 30, 31 в уровне 32 содержит испаритель 33, предварительный нагреватель 34, турбогенератор органической жидкости (не показан) и конденсатор (не показан), размещенных так, как проиллюстрировано на фиг.2. Так, в модуле 21, например, органическая жидкость, такая как фреон или ей подобная, нагревается и подается в испаритель 33, где происходит испарение. Испаренная органическая жидкость по трубопроводу подается в турбогенератор, где происходит расширение, в результате которого задействуется электрогенератор, производящий энергию, отработанный пар конденсируется в конденсаторе модуля и подается на предварительный нагреватель.

В соответствии с изобретением геотермальная вода из скважины (не показана) параллельно подается через распределитель 35 в каждый испаритель модулей уровня 24, собирается на выходе этих модулей и затем параллельно направляется через распределитель 36 в испарители модулей уровня 28 и т.д. Отработанная геотермальная вода в распределителе 37 на выходе испарителей уровня 32 параллельно подается на все предварительные нагреватели. Таким образом, каждая колонна из трех вертикально расположенных модулей на фиг.5 соответствует установке, показанной на фиг.2. Электростанция, составленная так, как показано на фиг.5, особенно полезна там, где геотермальные жидкости имеются в достаточном количестве, чтобы питать ряд ступеней, расположенных так, как показано на фиг.2.

Допускаются различные изменения и модификации без нарушения цели и объема изобретения.

Формула изобретения

1. ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ, включающая несколько замкнутых модулей, каждый из которых работает на низкотемпературной рабочей среде по циклу Ренкина и содержит последовательно размещенные по ходу рабочей среды турбогенератор, конденсатор, средство для циркуляции рабочей среды и подключенный по греющей среде к источнику геотермальной воды испаритель, при этом модули, начиная с второго, дополнительно содержат предварительный нагреватель, размещенный перед испарителем, причем выход испарителя последнего модуля по греющей среде соединен с входом в его предварительный нагреватель, отличающаяся тем, что, с целью повышения КПД, она содержит дополнительно предварительный нагреватель в первом модуле, при этом по греющей среде испарители всех модулей соединены последовательно, а выход испарителя последнего модуля по греющей среде дополнительно параллельно подсоединен к входам предварительных нагревателей остальных модулей.

2. Электростанция по п.1, отличающаяся тем, что в качестве низкотемпературной рабочей среды использовано органическое текучее вещество.

3. Электростанция по п.1, отличающаяся тем, что использованная низкотемпературная рабочая среда одинакова для каждого модуля.

4. Электростанция по п.1, отличающаяся тем, что в качестве низкотемпературной рабочей среды в каждом модуле использовано одинаковое органическое текучее вещество.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5