Elektráreň s Rankinovým cyklom

Číslo patentu: 283796

Dátum: 29.12.2003

Autor: Bronicki Lucien

Stiahnuť PDF súbor.

Zhrnutie / Anotácia

Elektráreň s Rankinovým cyklom zahrnuje odparovací člen (12) na dodávanie tepla na odparovanie pracovnej tekutiny prítomnej v tomto odparovacom člene (12) a na výrobu pary pracovnej tekutiny, ďalej turbogenerátor (22) na výrobu elektrickej energie pomocou pary pracovnej tekutiny vystupujúcej z odparovacieho člena (12) a privádzanej do turbogenerátora (22) prostredníctvom prívodných prostriedkov tejto pary na výrobu pracovnej tekutiny zbavenej tepla, ďalej kondenzačný člen (24) na spracovanie tepla zbavenej pracovnej tekutiny vystupujúcej z turbogenerátora (22) a privádzanej do kondenzačného člena (24) prostredníctvom prívodných prostriedkov tejto tepla zbavenej pracovnej tekutiny na jej skondenzovanie a výrobu kondenzátu, ďalej prostriedky na vracanie kondenzátu vystupujúceho z kondenzačného člena (24) do odparovacieho člena (12), ďalej doplňovaciu nádrž (30) na zásobnú kvapalinu, ktorá má viac frakcií, ďalej prívodné prostriedky na prívod uvedenej kvapaliny z doplňovacej nádrže (30) do elektrárne (10), ďalej ventil (V1) spojený s odparovacím členom (12) na odstraňovanie frakcií z kvapaliny prítomnej v odparovacom člene (12), ktorých bod varu je vyšší ako napred stanovená hodnota, a na prívod uvedených frakcií do zásobnej nádrže (32) odparovacieho člena (12) na skladovanie týchto frakcií v kvapalnom stave, a konečne ventil (V3), spojený s kondenzačným členom (24) na odstraňovanie frakcií z tekutiny v kondenzačnom člene (24), ktorých bod varu je nižší ako napred stanovená hodnota, a na prívod týchto frakcií do zásobnej nádrže (34) kondenzačného člena (24) na skladovanie týchto frakcií v kvapalnom stave, pričom v elektrárni (10) potom z kvapaliny obsahujúcej veľa frakcií zostane ako pracovná tekutina tekutina obsahujúca frakcie so stredným bodom varu.

Text

Pozerať všetko

Vynález sa týka elektráme, založenej na Rankinovom cykle, V ktorej sa používajú organické tekutiny ako pracovne látky.Elektrárne, založené na Rankinovom cykle, sú dobre známe. Organícká tekutina sa v nich vyparuje V odparovacom člene (kotle) pomocou tepla, získaného spaľovaním paliva, z geotermálneho zdroja alebo z priemyselného procesu. Para pracovnej tekutiny expanduje v turbogenerátore,kde sa získava elektrická energia a tepla zbavená pracovná tekutina, ktorá vystupuje z turbogenerátora, sa chladí vzduchom alebo vodou V kondenzačnom zariadení, čím vzniká pracovná tekutina v kvapalnej forme a tá sa vracia pomocou čerpadla do odparovacieho člena.Ako pracovná tekutina sa volí látka, ktorá má pre cyklus výhodné termodynamické vlastnosti, ako memé teplo,je stabilná pri prevádzkových teplotách a podobne, a nenarušuje kovy, používané v zariadení turbíny. Ďalej musí mať pracovná tekutina dobre mazacie vlastností, keďže väčšinou je turbína spolu s generátorom uzatvorená v hennetickom obale, vnútri ktorého sa používa ako mazadlo. Na mazanie sa väčšinou privádza skvapalnená pracovná tekutina,odchádzajúca z kondenzačného zariadenia.Bežne sa používa ako pracovná tekutina uhľovodík,napríklad to môže byť pentán, hexán alebo ich izomér, ako izopentán či izohexán. Sú používané mnohé ďalšie látky,ale vo všetkých prípadoch ide o obchodne dostupné čisté materiály, ktoré majú dobre definované a známe vlastnosti,na základe ktorých je možné navrhnúť zariadenie elektrárne. V niektorých prípadoch sa používajú zmesí uhľovodíkov, ktoré majú určité výhody, typické pre zmesi, ako napríklad v patente US 3 842 593, kde sú opísané uhľovodíkové zmesí, umožňujúce činnosť elektrárne v podmiekach,ktoré nedovoľujú použitie čistých látok .Vzhľadom na to, že výrobca elektráme musi garantovať určitý elektrický výkon na výstupe, dosiahnuteľný pri danom zdroji tepla na jednotku času, musí mať zvolená tekutina alebo zmes tekutín, dobre definované fyzikálne vlastnosti. To je možne zaistiť použitím obchodne čistej tekutiny, ktorá zodpovedá medzinárodným normám. Tie sú dostupne vo väčšej častí sveta, ale sú miesta, kde čisté tekutiny, použiteľné na tento cieľ, sú neúmerne drahe alebo ich použitie v elektrárenskom zariadení naráža na problémy rôznych obmedzení, napríklad motivovaných obavami o životne prostredie, vzhľadom na to, že chýba precedens na použitie V ich podmienkach.Niektoré tekutiny, teoreticky použiteľné v zariadení elektráme, sú menej drahé a ľahšie dostupné ako látky obvykle používané, ale sú to obvykle zmesi, ktorých P-V-T charakteristiky sú neznáme alebo premenlivé v mieste a čase. Z toho vyplýva, že pri návrhu zariadenia elektrárne nie je istota, že sa budú chovať dopredu určeným spôsobom, ako čisté látky. Tak napríklad benzín, určený ako palivo do motorov, je jednou z najbežnejších kvapalín na svete. Je rozšírený tak vo vyspelých priemyselných krajinách, ako aj v najchudobnejších krajinách tretieho sveta. V niektorých kmjinách je benzín dostupnejší ako voda, je verejnosťou bežne prijímaný a predpisy na jeho skladovanie a používanie sú dobre ujasnenć v porovnaní s mnohými tekutínami,používanými v elektrárňach s Rankinovým cyklom, ktoré sú v očiach laikov toxické.Ale použitie benzínu alebo iných uhľovodíkových zmesí, zložených z mnohých frakcií, v elektrárňach s Rankinovým cyklom nie je možné, vzhľadom na premenlivosť termodynamických vlastností jednotlivých látok, na rôznych miestach na svete a v rôznom čase. Konštruktér zariadenia na využitie Rankinovho cyklu nemôže dopredu vedieť, ake termodynamické vlastnosti bude mať príslušná várka, do podniku dodaná, čo je ďalej komplikovaná tým, že vlastnosti pracovnej kvapaliny na začiatku a po nejakom čase nie sú rovnaké. Pri návrhu elektrárne nie je možné počítať s tak širokou variabilitou a v dôsledku toho je benzín úplne vylúčený z mnohých tekutín použiteľných pre elektrárne založené na Rankinovom cykle.Úlohou vynálezu je nájdenie technických prostriedkov,ktoré umožnia používať známe, ľahko dostupné, prijateľné,obchodne ľahko získateľné tekutiny, ako je benzín, v elektrárňach s Rankinovým cyklom a to bez ohľadu na možne odchýlky v termodynamických vlastnostiach v rôznom čase a mieste, Uvedenú úlohu spĺňa elektráreň s Rankinovým cyklom,podľa vynálezu, ktorého podstatou je, že elektráreň zahrnuje odparovací člen na dodávanie tepla na odparovanie pracovnej tekutiny prítomnej v tomto odparovacom člene a na výrobu pary pracovnej tekutiny, ďalej turbogenerátor na výrobu elektrickej energie pomocou pary pracovnej tekutiny vystupujúcej z odparovacieho člena a privádzanej do turbogenerátora prostredníctvom prívodných prostriedkov tejto pary na výrobu pracovnej tekutiny zbavenej tepla,ďalej kondenzačný člen na spracovanie tepla zbavenej pracovnej tekutiny vystupujúcej z turbogenerátora a privádzanej do kondenzačného člena prostredníctvom prívodných prostriedkov tejto tepla zbavenej pracovnej tekutiny na jej skondenzovanie a výrobu kondenzátora, ďalej prostriedky na vracanie kondenzátu vystupujúceho z kondenzačnćho člena do odparovacieho člena, ďalej dopĺňaciu nádrž na zásobnú kvapalinu, ktorá má viac frakcií, ďalej prívodné prostriedky na prívod uvedenej kvapaliny z dopĺňajúcej nádrže do elektrárne, ďalej ventil spojený s odparovacím členom na odstraňovanie frakcií z kvapaliny prítomnej v odparovacom člene, ktorých bod varu je vyšší ako napred stanovená hodnota, a na prívod uvedených frakcií do zásobnej nádrže odparovacieho člena na skladovanie týchto frakcií v kvapalnom stave, a konečne ventil spojený s kondenzačným členom na odstraňovanie frakcií z tekutiny v kondenzačnom člene, ktorých bod varu je niäí ako napred stanovená hodnota, a na prívod týchto frakcií do zásobnej nádrže kondenzačného člena na skladovanie týchto frakcií v kvapalnom stave, pričom v elektrámi potom z kvapaliny obsahujúcej veľa frakcií zostane ako pracovná tekutina obsahujúca frakcie so stredným bodom varu.Elektráreň ďalej výhodne zahmuje snímače na monitorovanie teploty a tlaku V odparovacom člene a kondenzačnom člene a riadiacu jednotku na selektívnu výmenu kvapaliny medzi zásobnou nádržou odparovacieho člena a odparovacím členom v závislosti od monitorovanej teploty na udržiavanie výstupného výkonu turbogenerátora.Pracovnou tekutinou je výhodne uhľovodík, najmä benzín.Pracovná tekutina je v pracovnej fáze zložená z mnohých frakcií. Podľa vynálezu sa aspoň jedna lŤakcia z tejto kvapaliny destiluje za vzniku destilovanej tekutiny a touto destilovanou tekutinou sa nahrádza pracovná tekutina V cykle elektráme.Destilovaná tekutina sa ako kvapalina zavedie do elektrárne a zariadenie sa s touto tekutinu potom prevádzkuje. Ďalej sa aspoň jeden člen, bud odparovací, alebo kondenzačný člen, alebo obidva, využíva na oddestilovanie frakcie od uvedenej tekutiny, čím vzniká uvedená destilovaná tekutina. V tomto prípade sa uvedená frakcia odstraňuje a elektráreň sa ďalej prevádzkuje s destilovanou tekutinou. Výsledkom je, že v ustálenom stave prevádzky je pracovnou tekutinou hlavná frakcia kvapaliny, ktorej termodynamickć vlastnosti sú dobre známe a reprodukovateľné.Výhodne je kvapalinou benzín. Odstraňovanie frakcíí s nízkou teplotou varu v odparovacom člene a frakcíí s vysokou teplotou varu v kondenzačnom člene vedie k tekutine,ktorej vlastnosti sú dobre známe. Altematívne je možné odstraňovať frakcie s vysokou teplotou varu v odparovacomi člene a frakcie s nízkou teplotou varu v kondenzačnom člene. Teda, napriek tomu, že na začiatku sú vlastnosti kvapalíny úplne alebo čiastočne známe, tak po destilácii, uskutočnenej pomocou odparovacieho a kondenzačného člena ako destilačných kolón a po odstránení vysokovriacich a nízkovriacich frakcíí umožňuje zvyšná pracovná tekutina dosiahnuť patričný výkon, keďže sa chová predvídateľnými spôsobom.Jedna z možných realizácii vynálezu je taká, pri ktorej sa sleduje teplota a tlak v členoch a množstvo uvedených frakcíí v destiláte sa nastavuje podľa získaných údajov tak.,že objemový prietok cyklom elektrárne sa udržiava v pod state konštantný.Prehľad obrázkov na výkresochKonkrétna realizácia vynálezu je znázomená prostred níctvom príkladov na priložených výkresoch, kdeObr. l je bloková schéma elektrárne s Rankinovýrn cyklom podľa vynálezu, využívajúca organickú pracovnú tekutinu.Obr. 2 schematicky znázorňuje techniku, ktorú je možné použiť podľa vynálezu na udržanie menovitćho výkonu elektrárne, znázornenej na obr. l, ktorá spočíva v regulácii hmotnostného prietoku pracovnej tekutiny.Obr. 3 schematicky znázorňuje inú techniku podľa predloženého vynálezu, pri ktorej sa dosahuje udržanie menovitého výkonu elektráme, znázornenej na obr. l, pri kto rej sa nastavujú výstupné uhly jednotlivých sústav dýz.Na obr. l je znázomená elektráreň 10 s Rankinovým cyklom využívajúca organickú tekutinu podľa vynálezu. Elektráreň 10 zahrnuje odparovaci člen 12 na výrobu pary organickej pracovnej tekutiny 16 pomocou tepla produkovaného horákom 14, pričom výstup odparovacieho člena 11 je potrubím 18 cez uzol 19 pripojený na potrubie 20, ktoré ústi do vstupu turbíny 21 tirrbogenerzitora 22. Para pracovnej tekutiny expanduje v turbíne 21 a odchádzajúca tepla zbavená pracovná tekutina sa skvapalňuje v kondenzačnom člene 24. Ten môže byť chladený vzduchom alebo vodou. Kondenzát 25 sa odtiaľ vracia čerpadlem 26 do odparovacieho člena 12, čím sa uzatvára cyklus, v ktorom obieha organická tekutina. Týmto procesom je poháňaný generátor 23, pripojený k turbíne 21, takže energia, odovzdaná pri expanzii pracovnej tekutiny V turbíne 21 sa využíva na výrobu elektrickej energie.Opísaríć časti zariadenia a prebiehajúee procesy sú známe, s výnimkou zloženia pracovnej tekutiny. Pracovnoutekutinou mohla byť napríklad podľa známeho stavu pred vynálezom čistá organická látka, ako je pentán alebo izopentán, ktorá musela mať dobre definované tennodynamicke vlastností, ktoré dovoľovali navrhnúť elektráreň na zvolený výkon podľa daného príkonu tepla, ktorému zodpovedá určíté množstvo pary, ktorú je možné vyrobiť na využitie V turbíne. Podľa vynálezu pracovnou tekutinou môže byť uhľovodík, tvorený množstvom frakcíí, ako je napríklad benzín, ktorého vlastnosti a samozrejme aj zložky sú premenlivé v mieste a čase, keďže závisia od množstva jednotlivých frakcíí, prítomných v benzíne.Aby bolo možné použiť takýto uhľovodík, ako je napríklad benzin, je pripojená doplňovacia nádrž 30. Do tejto nádrže sa dopĺňa množstvo kvapalnćho uhľovodíka, ktoré dovoľuje naplnenie pracovných priestorov V začínajúcej fáze. V tejto vetve je umiestený medzi doplňovaciu nádrž 30 a čerpadlo 26 ventil V 5. Tento ventil V 5 je zo začiatku,keď sú priestory na pracovnú tekutinu prázdne, otvorený a čerpadlom 26 sa prečerpá do odparovacieho člena 12, ktorý je chladný, dostatočne množstvo kvapaliny, tvoriacej náplň zariadenia elektráme 10.Potom sa otvorí ventil V 6, čím sa začne zahrievať odparovací člen 12. Frakcie s nízkou teplotou varu prítomné v kvapaline v odparovacom člene 12 sa pri vare tejto kvapaliny vyparujú ako prvé, pričom sa výhodne udržiava teplota v odparovacom člene 12 na nižšej hodnote ako je teplota varu kvapaliny, s ktorou počíta projekt, a to tak dlho, dokiaľ prakticky všetky frakcie s nižšími teplotami varu nie sú oddestilované. Počas tohto času je ventil V 1 otvorený a väčšina nízkovríacich frakcíí sa odvádza do zasobnej nádrže 32. Prídavný ventil (nie je znázornený) môže úplne zabrániť vstupu týchto frakcíí do turbíny.V odparovacom člene 12 môžu byť umiestené teplotné a tlakové snímače 33 na získanie digitálneho údaju, čo umožňuje detekciu a reguláciu odparovania nízkovriacich frakcíí. Hneď ako sa zvýšia hodnoty tlaku a teploty, indikované snímačmi 33, znamená to, že nízkovriace frakcie sú už z kvapaliny v odparovacom člene 12 odstránené a preto sa ventil V 1 uzatvorí, takže vznikajúca para je vedená do kondenzačného člena 24 otvoreným ventilom V 7.Para, ktorá vstupuje do kondenzačného člena 24, má tlak a teplotu takmer rovnakú, ako para V odparovacom člene 12. Kondenzačný člen 24 mení paru pracovnej tekutiny na kvapalinu. Prvý podiel kvapaliny, ktorý kondenzuje,predstavujú frakcie s vyššou teplotou varu. Tieto frakcie sa vedú do zásobnej nádrže 34 cez otvorený ventil V 3. Uzatvorenie tohto ventilu V 3 sa potom môže uskutočniť na základe hodnôt tlaku a teploty, získaných pomocou snímačov 35, digitálne indíkovaných. V tomto okamihu je možné začať prevádzku elektrárne. Pritom Ventily V 1, V 2, V 3, V 4,V 5 a V 7 sú uzatvorené a cez odparovací člen 12, turbínu a kondenzačný člen 24 obieha pracovná tekutina, tvorená strednými frakciami pôvodného uhľovodíka, ktorý je v doplňovacej nádrži 30.Aby elektráreň pracovala efektívne a s príslušnou účinnosťou, je možne podľa požadovaného hmotnostného prietoku nastavovať teploty a tlaky v jednotlivých členoch. Tieto parametre sú snimane snímačmi 33 a 35 a údaje sú vedené do riadiacej jednotky 36, cez ktorú môže riadiť aj ventily V celej sústave počítač. Tekutiny zo zásobných nádrží 32 a 34 sa pripúšťajú do cyklu počas jeho činnosti, ak je potrebné upraviť teploty a tlaky s cieľom dosiahnuť optimálny výkon elektrárne. Toto opatrenie je možné uskutočniť napríklad počas letných alebo zimných podmienok,keď sa môže teplota okolia dosť podstatne meniť a teplota chladiaceho média, to znamená vody alebo vzduchu, sa tiežmení. Uskutočňuje sa to podobne ako v US 3 842 593, na ktorého obsah týmto odkazujeme.Tak napríklad v lete, keď teplota okolia narastá, čo spôsobuje určite zvýšenie teploty chladiaceho média, je možné do sústavy napustiť frakcie s vyššou teplotou varu. Naopak v zime, keď teplota okolia klesá a tým dôjde k poklesu teploty chladiaceho média v chladiči, je možne zaviesť do sústavy frakcie s nižšou teplotou varu.Alternatívne alebo navyše, je možné použiť usporiadanie znázomené na obrázku 2. V tomto prípade je privádzacia časť turbíny tvorená niekoľkými oddelenými sústavami 51, 52, 53 dýz, do ktorých sa para z odparovacíeho člena privádza cez samostatne, individuálne uzatvárateľnć ventily Va, Vb, Vc. Tieto ventily sú ovládané riadiacou jednotkou 36 tak, aby vstup pary do turbíny bol stále nastavený optimálne z hľadiska výkonu.Iná altematíva, ktorá môže byť použitá, je znázomená na obr. 3. Tu je prvý stupeň 22 B turbíny vybavený sústavou 51 B dýz, do ktorej sa privádza para vyrobená v odparovacom člene 12. Para odchádzajúca z prvého stupňa 22 B sa vedie cez sústavu 51 C dýz na ďalší stupeň 22 C turbíny. Para vystupujúca z tohto stupňa sa vedie do stupňa 22 D cez sústavu 51 D dýz, Výstupné uhly jednotlivých sústav 51 B,51 C, 51 D sú nastaviteľné pomocou regulátorov 3 GB, 36 C,36 D, čo sa využíva na kompenzáciu poklesu tlaku a v súvislosti s tým aj prietoku v jednotlivých stupňoch.Ako príklad je uvedený zdroj tepla tvorený bežným horakom, kde sa spaľuje palivo, ale elektráreň podľa vynálezu môže využívať iné tepelné zdroje, ako napr. geotermálne a podobne.Výhody a účinky, dosahované spôsobom a zariadením podľa vynálezu, vyplývajú z uvedeného opisu výhodnej realizácie. Rôzne obmeny a modifikácie spôsobu aj zariadení môžu byť uskutočnené bez toho, aby sa opustila základná myšlienka vynálezu a takéto zmeny neznamenajú únik z rozsahu ochrany, ako je vyjadrená V nasledujúcich patentových nárokoch.l. Elektráreň s Rankinovým cyklom, v y z n a č u j ú c a s a t ý m , že zahŕňa a) odparovací člen (12) na dodávanie tepla na odparovanie pracovnej tekutiny prítomnej v tomto odparovacom člene (12) a na výrobu pary pracovnej tekutiny, b) turbogenerátor (22) na výrobu elektrickej energie pomocou pary pracovnej tekutiny vystupujúcej z odparovacieho člena (2) a privádzanej do turbogenerátora (22) prostrednictvom prívodných prostriedkov tejto pary na výrobu pracovnej tekutiny zbavenej tepla, c) kondenzačný člen (24) na spracovanie tepla zbavenej pracovnej tekutiny vystupujúcej z turbogenerátora (22) a privádzanej do kondenzačného člena (24) prostredníctvom prívodných prostriedkov tejto tepla zbavenej pracovnej tekutiny na jej skondenzovanie a výrobu kondenzátu, d) prostriedky na vracanie kondenzátu vystupujúceho z kondenzačného člena(24) do odparovacíeho člena (12), e) doplňovaciu nádrž(30) na zásobnú kvapalinu, ktorá má viac frakcií, f) prívodné prostriedky na prívod uvedenej kvapaliny z doplňovacej nádrže (30) do elektráme (10), g) ventil (V l) spojený s odparovacím členom (12) na odstraňovanie frakcií z kvapaliny prítomnej v odparovacom člene (12), ktorých bod varu je vyšší ako napred stanovená hodnota, a na prívod uvedených frakcií do zásobnej nádrže (32) odparovacieho člena(12) na skladovanie týchto frakcíí v kvapalnom stave. h) ventil (V 3) spojený s kondenzačným členom (24) na odstraňovanie frakcií z tekutiny v kondenzačnom člene (24), ktorých bod varu je nižší ako napred stanovená hodnota, a na prívod týchto frakcií do zásobnej nádrže (34) kondenzačnćho člena (24) na skladovanie týchto frakcií v kvapalnom stave, pričom zostane ako pracovná tekutina obsahujúca frakcie so stredným bodom varu.2. Elektráreň podľa nároku l, v y z n a č u j ú c a s a t ý m , že zahŕňa a) snímače (33, 35) na monitorovanie teploty a tlaku V odparovacom člene (12) a kondenzačnom člene (24) a b) riadiacu jednotku (36) na selektívnu výmenu kvapaliny medzi zásobnou nádržou (32) odparovacieho člena (12) a odparovacím členom (12) V zavislosti od monitorovanej teploty na udržiavanie výstupného výkonu turbogenerátora (22).3. Elektráreň podľa nároku 2, v y z n a č u j ú c a s a t ý m , že pracovnou tekutinou je uhľovodík.4. Elektráreň podľa nároku 3, v y z n a č u j ú c a s a t ý m , že pracovnou tekutinouje benzín.

MPK / Značky

MPK: F01K 25/06

Značky: elektráren, rankinovým, cyklom

Odkaz

<a href="http://skpatents.com/6-283796-elektraren-s-rankinovym-cyklom.html" rel="bookmark" title="Databáza patentov Slovenska">Elektráreň s Rankinovým cyklom</a>

Podobne patenty