Спосіб одержання енергії з вихлопних газів газової турбіни, спосіб і система регенерації енергії з тепла вихлопних газів

1 Спосіб одержання енергії з вихлопних газів газової турбіни, що включає перетворення тепла гарячих вихлопних газів турбіни на електричну енергію за допомогою робочого текучого органічного середовища, який відрізняється тим, що перетворення здійснюють шляхом нагрівання проміжного текучого середовища за допомогою вихлопних газів, перетворення на пару органічного рідкого робочого текучого середовища з вказаним нагрітим проміжним текучим середовищем у випарнику для утворення пароподібного робочого текучого середовища та проміжного охолодженого текучого середовища, розширення вказаного пароподібного робочого текучого середовища у турбіні, що працює на пароподібному органічному робочому текучому середовищі, для генерування енергії і одержання розширеного пароподібного робочого текучого середовища, з наступною конденсацією вказаного розширеного пароподібного робочого текучого середовища для одержання конденсату і передачею конденсату назад до вказаного випарника 2 Спосіб за п 1, який відрізняється тим, що додатково включає попереднє нагрівання вказаного конденсату за допомогою вказаного охолодженого проміжного текучого середовища перед вказаним етапом пароутворення 3 Спосіб за п 2, який відрізняється тим, що додатково включає контроль КІЛЬКОСТІ вказаного конденсату, який є підігрітим попередньо і складає певний відсоток від загальної КІЛЬКОСТІ вказаного проміжного текучого середовища 4 Спосіб за п 2, який відрізняється тим, що додатково включає наступний етап попереднього нагрівання вказаного конденсату шляхом нагрівання цього конденсату за допомогою вказаного розширеного пароподібного робочого текучого середовища перед тим, як вказаний конденсат буде нагрітий за допомогою вказаного збідненим на тепло охолодженого проміжного текучого середовища 5 Спосіб за п 1, який відрізняється тим, що вказане органічне текуче середовище є пентаном 6 Спосіб за п 1, який відрізняється тим, що вказане проміжне текуче середовище є водою, що знаходиться під тиском 7 Спосіб регенерації енергії з тепла вихлопних газів, що включає перетворення тепла гарячих вихлопних газів від турбін на електричну енергію за допомогою робочого текучого органічного середовища, який відрізняється тим, що утворюють гаряче проміжне текуче середовище, що нагрівається теплом вихлопних газів, утворюють газоподібну пару робочого органічного текучого середовища, яка була одержана шляхом пароутворення з рідини за допомогою вказаного гарячого проміжного текучого середовища у випарнику, в якому утворюється охолоджене проміжне текуче середовище, одержують електричну енергію з вказаної газоподібної пари робочого органічного текучого середовища за допомогою електричного генератора, що приводиться у дію турбіною, що працює на органічній парі, яка, у свою чергу, приводиться у дію вказаною газоподібною парою робочого органічного текучого середовища, яка утворює розширену пару робочого текучого середовища, при цьому конденсат, що утворився у конденсаторі з вказаної пари робочого органічного текучого середовища після її використання у турбіні, що працює на парі органічного робочого текучого середовища, повертають до вказаного випарника 8 Спосіб за п 7, який відрізняється тим, що додатково включає утворення попередньо нагрітого конденсату перед тим, як цей конденсат подається на вказаний випарник із вказаним охолодженим проміжним текучим середовищем після того, як проміжне текуче середовище випарює органічне текуче середовище 9 Спосіб за п 8, який відрізняється тим, що додатково включає утворення попередньо нагрітого конденсату з вказаною розширеною газоподібною парою робочого текучого середовища перед тим, як вказаний конденсат попередньо нагрівається за О 1 Ю о> (О 61957 17 Система регенерації тепла за п 13, яка відріздопомогою вказаного охолодженого проміжного няється тим, що додатково включає нагрівач, у текучого середовища якому вищевказаний конденсат нагрівається охо10 Спосіб за п 7, який відрізняється тим, що вкалодженим проміжним середовищем перед надхозаний конденсат попередньо нагрівається за додженням до вказаного випарника помогою вказаного розширеного пароподібного 18 Система регенерації тепла за п 13, яка відрізробочого текучого середовища няється тим, що додатково включає нагрівач, що 11 Спосіб за п 7, який відрізняється тим, що вкамає первинний контур, який містить текуче серезане проміжне текуче середовище є водою, що довище, що забезпечує тепло, і вторинний контур, знаходиться під тиском який містить текуче середовище, що приймає теп12 Спосіб за п 7, який відрізняється тим, що вило, причому вказаний нагрівач з'єднаний з вказащевказане робоче текуче середовище є пентаном ним випарником, щоб одержувати від нього вказа13 Система регенерації енергії з тепла вихлопних не охолоджене проміжне текуче середовище з газів, що утворюється джерелом генерування побоку первинного контуру, і з'єднаний з вказаною тужності, таким як вузол газової турбіни, що вклюпомпою для конденсату, щоб приймати від неї чає джерело виробництва енергії, від якого подаконденсат з боку вторинного контуру і щоб забезється тепло, турбіну, що працює на пароподібному печити подальшу подачу охолодженого проміжноорганічному робочому ТІЛІ, яка приводиться у дію го текучого середовища для вказаного теплообза допомогою пароподібного органічного робочого мінника регенерації тепла текучого середовища і яка має вихід для розширеного пароподібного робочого середовища, яка 19 Система регенерації тепла за п 13, яка відрізвідрізняється тим, що додатково містить теплоняється тим, що теплообмінник регенерації тепла обмінник регенерації тепла, який приймає подачу включає нижній перший комплект ЗМІЙОВИКІВ, ЩО тепла і у якому проміжне текуче середовище намає вхід та вихід, верхній другий комплект ЗМІЙОгрівається за допомогою подачі тепла, систему ВИКІВ, що має вхід та вихід, і ЛІНІЮ перехресного проміжного текучого середовища, яка містить з'єднання, що з'єднує вихід вказаного першого проміжне текуче середовище і включає помпу для комплекту ЗМІЙОВИКІВ з вказаним входом вказаного проміжного текучого середовища, що має вхід та другого комплекту ЗМІЙОВИКІВ, і у якій вказаний вивипуск і лінії, підключені до входу та випуску вкахід вказаної помпи для проміжного текучого серезаної помпи, причому вказані лінії містять та подовища є з'єднаним з вказаним каналом перехредають вказане проміжне текуче середовище, висного з'єднання, і у якій вказана помпа для парник, у якому пароподібне органічне робоче проміжного текучого середовища здійснює випуск текуче середовище утворюється з рідкого органіччерез клапан на вказану ЛІНІЮ перехресного з'єдного робочого текучого середовища за допомогою нання тепла, яке міститься у вказаному проміжному те20 Система регенерації тепла за п 14, яка відрізкучому середовищі, причому вказані лінії з'єднують няється тим, що вказана система проміжного тевказаний теплообмінник регенерації тепла з вкакучого середовища додатково включає нагрівач, заним випарником та проміжним текучим середоз'єднаний з першою ЛІНІЄЮ, розташованою між вищем із зниженим вмістом тепла, яке випускаєтьвипуском вказаної помпи проміжного текучого сеся з вказаного випарника, конденсатор, у якому редовища та вказаним теплообмінником вказане розширене пароподібне органічне робоче 21 Система регенерації тепла за п 16, яка відрізтекуче середовище конденсується з утворенням няється тим, що вказана система проміжного теконденсату, основну помпу для конденсату, яка кучого середовища додатково включає резервуар має вхід для одержання конденсату з вказаного для зберігання, який має вхід та вихід, і підживлюконденсатора і вихід для подачі конденсату на вальну помпу для рідини, з'єднану з каналами між вказаний випарник резервуаром для зберігання та вказаною першою 14 Система регенерації тепла за п 13, яка відрізЛІНІЄЮ няється тим, що вказане органічне робоче текуче 22 Система регенерації тепла за п 20, яка відрізсередовище є пентаном няється тим, що додатково включає резервуар для зберігання, що має вхід та вихід, і помпу, з'єд15 Система регенерації тепла за п 13, яка відрізнану з ЛІНІЯМИ між резервуаром для зберігання і няється тим, що вказане проміжне текуче середопершим каналом, розташованим між випуском вище є водою вказаної помпи для проміжного текучого середо16 Система регенерації тепла за п 13, яка відрізвища і вказаним теплообмінником, у якій вказаний няється тим, що вказане проміжне текуче середонагнітач включає вентиляційне з'єднання, яке зв'явище є водою під тиском, таким, що вказана вода зане із вказаним резервуаром для зберігання не буде замерзати при температурах, що мають місце в зонах планети з холодним кліматом Даний винахід стосується системи регенерації тепла вихлопних газів та способу її використання Більш конкретно, він стосується системи регенерації тепла газової турбіни та способу здійснення циклу регенерації тепла вихлопних газів, що виро бляються газовою турбіною В усьому СВІТІ газові турбіни, у яких спалюється паливо, використовуються для вироблення енергії Ця енергія може бути використана, наприклад, для роботи паливної помпи, для роботи га зових компресорів, для роботи іншого обладнання та для вироблення електрики Часто ці турбіни розташовані у віддалених місцях земної кулі в екстремальних кліматичних умовах, включаючи температури замерзання При роботі газові турбіни викидають вихлопні гази, які звичайно є надзвичайно гарячими і також часто ці гази просто викидаються до атмосфери замість їх використання для вироблення додаткової енергії Наприклад, трубопроводи для передачі газу під високим тиском традиційно використовуються для транспортування газу з родовищ споживачам, які віддалені від родовищ Газові компресори, що живлять такі трубопроводи, звичайно постачаються енергією за допомогою газової турбіни, і додатково може бути використаний цикл регенерації тепла для зменшення вимог до корисної потужності шляхом перетворювання тепла вихлопних газів з гарячих вихлопних газів турбіни на електрику Установка такого типу описана у патенті США № 5632143, виданому 27 травня 1997 рокуФішерута іншим, який згадується у даному описі як посилання Загалом, у цьому патенті представлена енергетична установка з газовою турбіною За одним з варіантів здійснення цього винаходу представлена турбінна енергетична установка з нижнім підведенням пари, у той час як за іншим варіантом його здійснення енергетична установка з нижнім підведенням пари та органічним циклом Ренкіна використовує тепло, яке міститься у вихлопних газах газової турбіни Звичайно температура вихлопних газів становить приблизно 450°С Згідно з цим патентом температура газів, тепло від яких передається на енергетичну установку з нижнім підведенням пари, контролюється за допомогою навколишнього повітря, яке додається до вихлопних газів системи газової турбіни При холодній погоді навколишні температури можуть падати нижче температури замерзання, примушуючи пару конденсуватись до замерзання, таким чином, несприятливо впливаючи на роботу системи регенерації тепла З іншого боку, органічні рідкі середовища, які виконують функцію робочого рідкого середовища у таких системах, що мають відносно високі температури, можуть бути нестабільними Отже, існує необхідність в удосконаленні циклу регенерації тепла системи газової турбіни, яка, з одного боку, може бути використана у кліматі з екстремальними температурами, а з іншого боку, мати удосконалений цикл регенерації тепла Даний винахід забезпечує регенерацію тепла, яке виробляється таким джерелом тепла, як газова турбіна У системі регенерації тепла як робоче рідке середовище використовується органічне рідке середовище, так що ця система регенерації тепла може бути використана у кліматі з екстремальними температурами, коли температури падають нижче точки замерзання води На додаток до цього, даний винахід забезпечує підвищений запас МІЦНОСТІ шляхом використання проміжного рідкого середовища для передачі тепла від гарячих вихлопних газів до органічного робочого рідкого середовища У кращому варіанті здійснення даного винаходу між собою з'єднані чотири основні системи 61957 Перша система є газовою турбіною, яка є первинною рушійною силою для якогось певного застосування, такого як включення газового компресора, географічно віддаленого, який використовується на трубопроводі для природного газу Газова турбіна генерує велику КІЛЬКІСТЬ тепла, яке звичайно видаляється до атмосфери по трубам для вихлопних газів Друга система є системою регенерації тепла вихлопних газів, яка відводить вихлопний газ від вихлопних труб з тим, щоб відібрати тепло, що міститься у ньому і, таким чином, відібрати ту енергію, що раніше втрачалась Третя система є системою проміжного рідкого середовища, яка у кращому варіанті втілення даного винаходу є системою води, що находиться під тиском, і якій передається тепло вихлопних газів, видалене з вихлопного газу турбіни Четверта система є системою з органічною робочою рідиною, якій передається тепло від проміжного середовища для генерування пари органічного рідкого середовища, яка використовується для включення турбіни, що працює на органічному рідкому середовищі для вироблення енергії, краще, за допомогою електричного генератора, підключеного до турбіни, яка працює на органічному рідкому середовищі Даний винахід, таким чином, включає систему регенерації тепла вихлопних газів, яка передає тепло від первинного джерела тепла, таке як тепло від вихлопу газової турбіни, до проміжного рідкого середовища, систему з проміжним рідким середовищем, яка передає тепло до органічної робочої рідини для генерування пари, і систему органічного робочого рідкого середовища, пара від якої подається на турбіну для додаткового генерування енергії за рахунок тепла вихлопних газів Варіанти здійснення даного винаходу описані на прикладі з посиланням на креслення, що додається, на якому фіг 1 є блок-схемою системи регенерації тепла вихлопних газів, яка має перетворювач енергії з органічною робочою рідиною з використанням циклу з проміжним рідким середовищем З посиланням на фіг1, позицією 10 позначений вузол газової турбіни згідно з даним винаходом Вузол газової турбіни приводить енергопристрій чи механічний енергопристрій, такий як електричний генератор 14 для одержання електричної енергії чи газовий компресор Вихлопні гази, що виходять з газової турбіни 13, подаються на систему 20 регенерації тепла вихлопних газів Система 20 регенерації вихлопних газів включає нагрівальні змійовики 36 та 40, розташовані у корпусі 24 теплообмінника 22 для передачі тепла, що міститься у вихлопних газах, до системи 60 проміжного рідкого середовища Коли тепло передається до системи 60 проміжного рідкого середовища, вихлопні гази газової турбіни по лінії 18 надходять до входу 26 системи 20 регенерації тепла вихлопних газів і далі на змійовики 36 та 40 відкриття клапана 32 і закриття клапана ЗО Після цього вихлопні гази із зниженим тепловмістом виходять з теплообмінника 22 через вихід 52 і потрапляють до атмосфери по трубі 56 Якщо це потрібно, шлях вихлопних газів може бути змінений у ВІДПОВІДНОСТІ з особливою ділянкою Якщо, за будь-якої причини, теплообмінник 22 має бути обі йденим, вихлопні гази подаються до атмосфери шляхом закриття клапана 32 і відкриття клапана ЗО для викиду вихлопних газів до атмосфери Рідке середовище, що передає тепло, краще вода, яка надходить до системи 60 проміжного рідкого середовища, що є закритою системою подачі води підтиском, одержує тепло від вихлопних газів, які протікають у теплообміннику 22 Рідке середовище, що передає тепло, яке протікає у системі 60 проміжного рідкого середовища, виходить з теплообмінника 22 у точці 48 і передає тепло органічному рідкому середовищу, яке присутнє у системі 90 з органічним робочим тілом, що працює за циклом Ренкіна, шляхом використання випарника 62 Частина охолодженого рідкого середовища, що передає тепло, яке виходить з випарника 62, подається за допомогою помпи 64 на теплообмінник 22 у точці 44, у той час як інша частина охолодженого рідкого середовища, що передає тепло, подається на підігрівник 68 для попереднього нагрівання органічного робочого рідкого середовища у системі 90 з органічним робочим рідким середовищем, що працює за циклом Ренкіна У кращій конструкції помпа 64 реально є двома відцентровими помпами, підключеними паралельно, причому кожна помпа є здатною виконувати 100 % вимог, що пред'являються до помпи, що при повному навантаженні та стабільному режимі складає приблизно біля 130 кілограмів за секунду (кг/сек) Співвідношення об'єму потоку рідкого середовища, що передає тепло, яке повертається на теплообмінник 22 у точці 44, і об'єму рідкого середовища, що передає тепло, яке подається на нагрівач 68, визначається клапаном 66 Звичайно це співвідношення становить 70%, які поступають до теплообмінника 22 у точці 44, і 30%, які поступають на нагрівач 68, а краще від 72,5% до 27,5% Далі, охолоджене рідке середовище, що передає тепло, яке виходить з нагрівача 68, подається на теплообмінник 22 на вхід 42 змійовика 36 для передачі великої КІЛЬКОСТІ тепла від вихлопних газів У кращому варіанті здійснення, теплообмінник 22 має здатність до передачі (тобто до утилізації) приблизно 33000 кіловат (кВт) енергії 61957 8 чиком рівня 84 Датчик 84 також підключений до контролера 86 рівня для контролю роботи помпи 74 При необхідності, рідина, що передає тепло, яка присутня у системі 60 проміжного рідкого середовища, може бути вилита до резервуарасховища 72 Така робота може зменшити ризик замерзання рідкого середовища, що передає тепло Система 90 з органічним робочим рідким середовищем, яка працює за циклом Ренкіна, включає випарник 62 для одержання пари органічного робочого рідкого середовища, яка подається на турбіну 92, що працює на пароподібному органічному робочому рідкому середовищі Краще, органічне робоче рідке середовище є пентаном Турбіна для роботи на пароподібному органічному робочому рідкому середовищі, краще, включає модуль 94 турбіни з високим тиском, який приймає пару органічного робочого рідкого середовища, що утворюється випарником 62, модуль 96 турбіни для роботи на пароподібному органічному робочому рідкому середовищі з низьким тиском, який приймає розширену пару органічного робочого рідкого середовища, що виходить з модуля 96 турбіни з високим тиском Як модуль 94 турбіни з високим тиском, так і модуль 96 турбіни з низьким тиском виробляють енергію і, краще, обертають електричний генератор 98, який може бути розташований між цими модулями турбіни Далі, розширена пара органічного робочого рідкого середовища, що виходить з модуля 96 турбіни низького тиску, подається на конденсатор 102 через рекуператор 100, де рідке органічне робоче рідке середовище, що виходить з конденсатора 102, охолоджує ще більш розширену пару органічного робочого рідкого середовища Кожна турбіна 92 та 94 може представляти собою турбіну 3,75МВт, що обертається зі швидкістю 1800 обертів на хвилину При використанні води тиск води чи рідкого середовища, що передає тепло, що поступає до системи 60 проміжного рідкого середовища, підтримується за допомогою нагнітача 76 Нижня з рідинних магістралей нагнітача 76 з'єднана з ЛІНІЄЮ 70 у системі 60 проміжного рідкого середовища через ЛІНІЮ 78 та помпу або помпи 80 разом з клапаном 82 Клапан 82 сприймає тиск робочого середовища, що передає тепло, яке протікає у лінії 63, для підтримування необхідного тиску Звичайно цей тиск підтримується приблизно на рівні 3500кПа у діапазоні від 3000 до 4000кПа, щоб забезпечити такі умови, при яких вода не кипить Резервуар-сховище 72 також підключений до каналу 70 для накопичення надлишкового стисненого рідкого середовища, що передає тепло, з якого також при необхідності подаються СВІЖІ порції рідкого середовища Свіжа порція рідкого середовища для передачі тепла подається до системи 60 проміжного рідкого середовища у ВІДПОВІДНОСТІ ДО рівня рідини у нагнітачі 76, який визначається дат Нагріте рідке органічне робоче рідке середовище, що включає рекуператор 100, краще, подається на нагрівач 68 для прийому тепла, що передається від рідкого середовища, яке передає тепло, проміжному рідкому середовищу, що протікає у системі 60 Далі, нагріте рідке органічне робоче рідке середовище, що вийшло з нагрівача 68, подається на випарник 62, таким чином, завершуючи цикл органічного робочого рідкого середовища У описаній вище системі регенерації тепла, що втрачається, достатня КІЛЬКІСТЬ тепла, що міститься у вихлопних газах газової турбіни, утилізується, і температура газу знижується від приблизно 463°С до приблизно 92°С Це утилізоване тепло дозволяє одержати за допомогою генератора 98 мережної потужності приблизно 5,8МВт при загальній потужності приблизно 6,5МВт, причому ця різниця потужності є необхідною для роботи компонентів системи В описаному вище варіанті здійснення цикл регенерації тепла використовується для одержання електрики Проте, корисна потужність, що виробляється турбінами 94 та 96, які працюють на пароподібному органічному робочому рідкому середовищі, може альтернативно використовуватись для безпосереднього включення обладнання, такого як газові компресори, або для роботи виробничих механізмів без перетворення корисної поту 61957 10 жності на електрику яка має конденсатор з повітряним охолодженням, Більш ТОГО, у той час як у представленому виповітря може бути доданим до вихлопних газів ще описі визначена газова турбіна, можуть бути газової турбіни для контролю температури газів, з також використані ІНШІ джерела тепла, такі як яких відводиться тепло під час циклу регенерації промислове тепло, двигуни внутрішнього згорянтепла При використанні для регенерації тепла ня, такі як дизельні двигуни, газові поршневі двиенергетичної установки з замкненим циклом Ренгуни і т д На додаток до цього, у той час як у кіна, а не парової турбіни, конструкція, робота та представленому вище описі показаний одиничний обслуговування усієї системи спрощується, дозвоцикл регенерації тепла з органічним робочим рідляючи здійснювати надійну та самостійну роботу ким середовищем, даний винахід також включає систем довгий час та на великому віддаленні використання каскадних чи паралельних робочих Переваги та поліпшені результати, що забезвузлів у циклі регенерації тепла Якщо використопечуються способом та пристроєм, які є предмевуються каскадні вузли, турбіни чи турбіна з більш том даного винаходу, є очевидними на основі високим тиском можуть використовувати воду як представленого вище опису кращого варіанта виробоче рідке середовище у замкнених циклах конання даного винаходу РІЗНІ ЗМІНИ та модифікації можуть бути внесені у межах обсягу та суті даБільш ТОГО, у той час як у представленому виного винаходу, як представлено у формулі ще описі показано силову установку з використанвинаходу ням органічного робочого рідкого середовища по простому замкненому циклу чи циклам Ренкіна, Повітря Теплодбмшт для тепла вихлопних газів E 1 Q ФІГ Комп'ютерна верстка М Клюкш Підписне Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119