PL224462B1 - Method and ORC circuit, steam reheated to the effective use of waste heat from the power unit - Google Patents

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest układ turbiny parowej z organicznym obiegiem Rankine'a (ORC) do wykorzystania ciepła odpadowego mający zastosowanie zwłaszcza w urządzeniach bloków energetycznych.The subject of the invention is a steam turbine system with an organic rankine cycle (ORC) for the use of waste heat, especially in power unit devices.

Znany jest sposób dostarczania ciepła do obiegu Clausiusa-Rankine'a z czynnikiem organicznym jako czynnikiem roboczym za pomocą ciepła kondensującej się pary lub też ciepła oddanego przez przepływający strumień jednofazowy. Istotę dotychczasowych sposobów doprowadzania ciepła do obiegu Clausiusa-Rankine'a przedstawiono na rys. 1 i rys. 2.It is known to supply heat to the Clausius-Rankine cycle with an organic medium as a working medium by means of the heat of condensing steam or the heat given off by a flowing single-phase stream. The essence of the methods of heat supply to the Clausius-Rankine cycle so far is presented in Fig. 1 and Fig. 2.

Ciepło odpadowe generowane w procesie ciągłym w urządzeniach bloków energetycznych odprowadzane jest do atmosfery za pośrednictwem spalin. Ciepło to jest tracone ze względu na niskie parametry temperaturowe, niewystarczające do wykorzystania do wstępnego podgrzania czynnika roboczego w instalacji ORC.The waste heat generated in a continuous process in the devices of power units is discharged to the atmosphere by means of exhaust gases. This heat is lost due to low temperature parameters, insufficient to be used for preheating the working medium in the ORC installation.

Układ turbiny parowej z organicznym obiegiem Rankine'a (ORC) do wykorzystania ciepła odpadowego charakteryzuje się według wynalazku tym, że wymiennik ciepła odpadowego połączony jest z wymiennikiem dogrzewającym zainstalowanym na upuście pary z turbiny parowej i połączonym z wymiennikiem regeneracyjnym obiegu parowego.The steam turbine system with an organic rankine cycle (ORC) for the utilization of waste heat is characterized according to the invention in that the waste heat exchanger is connected to a reheating exchanger installed on the steam exhaust steam from the steam turbine and connected to the regenerative exchanger of the steam cycle.

Korzystnie turbina parowa jest turbiną parową bloku energetycznego.Preferably the steam turbine is a power unit steam turbine.

Czynnik roboczy ogrzewany jest w dwóch wymiennikach ciepła. W pierwszym wymienniku doprowadzone jest ciepło odpadowe, natomiast w drugim, dogrzewającym, wykorzystywane jest ciepło skraplającej się pary pochodzącej z upustu turbiny parowej. Para, po oddaniu części ciepła w drugim wymienniku, kierowana jest do wymiennika regeneracyjnego obiegu parowego.The working medium is heated in two heat exchangers. Waste heat is supplied in the first exchanger, while in the second, additional heat exchanger, the heat of condensing steam coming from the steam turbine outlet is used. The steam, after giving up some of the heat in the second exchanger, is directed to the regenerative exchanger of the steam circuit.

Dogrzanie czynnika roboczego parą z upustu turbiny bloku energetycznego, w układzie według wynalazku, umożliwia efektywne wykorzystanie ciepła odpadowego ogrzewającego czynnik roboczy w obiegu ORC poprzez podwyższenie parametrów temperaturowych czynnika roboczego przed turbiną parową. Uzyskane w ten sposób parametry obiegu ORC są znacząco wyższe niż w przypadku wykorzystania samego tylko ciepła odpadowego, co bezpośrednio przekłada się na wzrost sprawności konwersji energii.Heating the working medium with steam from the power unit turbine outlet, in the system according to the invention, enables effective use of the waste heat heating the working medium in the ORC cycle by increasing the temperature parameters of the working medium before the steam turbine. The ORC parameters obtained in this way are significantly higher than in the case of using only waste heat, which directly translates into an increase in energy conversion efficiency.

Przedmiot wynalazku jest bliżej przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat ideowy współpracy obiegu ORC z blokiem energetycznym turbiny parowej, a fig. 2 przedstawia schemat ideowy dogrzania i odparowania czynnika roboczego w układzie współrzędnych termodynamicznych.The subject of the invention is presented in more detail in the drawing, in which Fig. 1 shows a schematic diagram of the cooperation of the ORC cycle with a steam turbine power unit, and Fig. 2 shows a schematic diagram of the heating and evaporation of the working medium in the thermodynamic coordinate system.

Układ do efektywnego wykorzystania ciepła odpadowego z bloku energetycznego, polega tym, że obieg ORC dogrzewany jest parą. Źródłem pary może być upust turbiny parowej bloku energetycznego lub niezależne inne źródło.The system for the effective use of waste heat from the power unit consists in the fact that the ORC cycle is heated with steam. The steam source may be a steam turbine exhaust from a power unit or an independent other source.

W obiegu ORC wymiennik ciepła odpadowego WC1 połączony jest ze źródłem ciepła odpadowego. W obieg ORC włączony jest wymiennik dogrzewający WC2 między wymiennikiem ciepła odpadowego WC1 a turbiną ORC. Wymiennik dogrzewający WC2 zainstalowany jest na upuście pary z turbiny parowej bloku energetycznego pomiędzy turbiną ORC generatorem prądu i dalej połączony jest z wymiennikiem regeneracyjnym obiegu parowego. Do wymiennika dogrzewającego WC2 doprowadzone jest ciepło skraplającej się pary pochodzącej z upustu turbiny parowej. Para, która oddała część ciepła w wymienniku WC2 kierowana jest w dalszej kolejności do wymiennika regeneracyjnego obiegu parowego, oddając w ten sposób resztę ciepła do wody zasilającej kocioł.In the ORC circuit, the WC1 waste heat exchanger is connected to a waste heat source. The ORC circuit includes a reheating exchanger WC2 between the waste heat exchanger WC1 and the ORC turbine. The WC2 reheating exchanger is installed on the steam outlet from the steam turbine of the power unit between the ORC turbine and the power generator and is further connected with the regenerative exchanger of the steam cycle. The heat of condensing steam from the steam turbine outlet is supplied to the WC2 reheating exchanger. The steam, which gave up some of the heat in the WC2 exchanger, is then directed to the regenerative exchanger of the steam circuit, thus transferring the rest of the heat to the boiler feed water.

W przypadku dogrzewania obiegu ORC czynnikiem zmieniającym fazę, stosunek natężeń przepływu wody podgrzewającej układ ORC do przepływu czynnika roboczego w instalacji ORC mw/mORC jest funkcją różnicy temperatur w punkcie „pinch”, to znaczy w punkcie minimalnej różnicy temperatur pomiędzy czynnikiem grzewczym a ogrzewanym.In the case of reheating the ORC circuit with a phase changing agent, the ratio of the ORC system heating water flow rates to the working medium flow in the ORC mw / mORC system is a function of the temperature difference at the pinch point, i.e. at the point of minimum temperature difference between the heating medium and the heated medium.

Wraz z obniżaniem temperatury T1 (temperatury pary przed turbiną w obiegu ORC) wymagany stosunek m_w/m_ORC maleje. Strumień pary wodnej dogrzewającej obieg ORC nie jest już tak duży jak w przypadku dostarczania ciepła za pomocą czynnika jednofazowego. Wynosi on mniej więcej 35% ilości czynnika w obiegu ORC. Im mniejsza AT_min tym mniejszy jest wymagany strumień medium dogrzewającego obieg ORC. Im wyższa jest temperatura pary czynnika roboczego przed turbiną oraz im większa jest różnica w punkcie „pinch”, tym wyższa jest średnia różnica temperatur pomiędzy źródłami ciepła a ogrzewanym czynnikiem w obiegu ORC.As the temperature T1 decreases (steam temperature upstream of the turbine in the ORC cycle), the required m _w / m _ORC ratio decreases. The stream of steam heating the ORC cycle is not as high as in the case of heat supply with a single-phase medium. It is approximately 35% of the amount of refrigerant in the ORC cycle. The smaller the AT _min, the lower the required flow of the ORC heating medium. The higher the temperature of the working medium vapor in front of the turbine and the greater the difference in the pinch point, the higher the average temperature difference between the heat sources and the heated medium in the ORC cycle.

Kondensująca się para wodna lepiej dopasowuje się do charakterystyki grzania czynnika roboczego w obiegu ORC umożliwiając w ten sposób mniejszą różnicę temperatur między czynnikiemCondensing water vapor adapts better to the heating characteristics of the working medium in the ORC circuit, thus enabling a lower temperature difference between the medium

PL 224 462 B1 grzewczym i czynnikiem roboczym ORC, co zmniejsza straty nieodwracalności w układzie. Dodatkowo, umożliwia osiągnięcie wyższych temperatur czynnika roboczego przed turbiną. Można wówczas w pełni wykorzystać potencjał ciepła odpadowego. Ma to odzwierciedlenie w poprawie sprawności procesu konwersji energii.Heating medium and ORC working medium, which reduces irreversibility losses in the system. Additionally, it enables higher temperatures of the working medium in front of the turbine to be achieved. The waste heat potential can then be fully exploited. This is reflected in the improved efficiency of the energy conversion process.

Claims (2)

Zastrzeżenia patentowePatent claims 1. Układ turbiny parowej z organicznym obiegiem Rankine'a (ORC) do wykorzystania ciepła odpadowego, znamienny tym, że wymiennik ciepła odpadowego (WC1) połączony jest z wymiennikiem dogrzewającym (WC2) zainstalowanym na upuście pary z turbiny parowej i połączonym z wymiennikiem regeneracyjnym obiegu parowego.1. A steam turbine system with an organic rankine cycle (ORC) for the use of waste heat, characterized in that the waste heat exchanger (WC1) is connected to a reheating exchanger (WC2) installed on the steam exhaust from the steam turbine and connected to the regenerative exchanger of the cycle steam. 2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że turbina parowa jest turbiną parową bloku energetycznego.2. The system according to claim The process of claim 1, wherein the steam turbine is a power unit steam turbine.