SE518504C2 - Förfarande och system för kraftproduktion, samt anordnigar för eftermontering i system för kraftproduktion - Google Patents

Description

u»«» 518 504 2 värmet till en bottencykel i form av en Rankine-cykel eller en Kalina-cykel. Ur bottencykeln kan sedan bàde ytterligare kraft och nyttig värmeenergi produceras om sä önskas.

Intern värmeàtervinning används exempelvis i den s k rekuperativa gasturbincykeln, STIG-cykeln, Cheng-cykeln, samt i befuktade cykler av typen HAT (Humid Air Turbine) eller HAM (Humid Air Motor), vilka också kan utnyttjas för att förbättra kraftutbytet per inmatad bränsleenhet, såsom exempelvis är känt genom det svenska patentet 94oo652-5. føz/*-~2f-,72=: s' Gemensamt för alla dessa kraftprocesser är att de ger en förhållandevis làg bränsleutnyttjningsgrad, typiskt ca 90% räknat på bränslets undre värmevärde. För àstadkommande av största möjliga produktion av kraft mäste i princip all värmeenergi kylas bort vid en tempe- ratur strax ovanför anläggningens omgivningstillstànd.

Därmed uppnås visserligen ett högt kraftutbyte, men pà bekostnad av att produktionen av nyttig värmeenergi upp- hör. Därmed sjunker bränsleutnyttjningsgraden fràn ca 90% till ca 55% samtidigt som kraftproduktionsutbytet stiger fràn ca 30-45% upp till ca 55%. I dessa typer av för- bränningsanläggningar skulle bränsleutnyttjningsgraden kunna ökas genom nyttiggörande av även små temperatur- skillnader över omgivningstillstàndet. Detta är dock tämligen omständligt och ofta helt omöjligt.

Ett annat problem uppkommer när rökgaserna skall renas fràn miljöskadliga föroreningar, exempelvis medelst en skrubber eller en katalysator, eftersom reningsåtgär- derna leder till en minskad kraftproduktion och ibland också en minskad bränsleutnyttjningsgrad, bland annat pà grund av att tryckfallet i processen ökar och att hjälp- kraftbehovet tilltar. Miljöförbättrande utrustning till förbränningsanläggningar av ovan nämnt slag är dessutom både investeringstung och förenad med en tämligen hög rörlig kostnad. 513' 504 3 Ovannämnda HAT- och HAM-tekniker förbrukar dessutom mycket vatten för befuktning av arbetsfluiden före förbränningen, något som kan vara ett problem i vissa tillämpningar och/eller i vissa delar av världen. HAM- tekniken, vid vilken arbetsfluiden tillförs vätska för befuktning av arbetsfluiden efter dess trycksättning men före dess förbränning i en förbränningsmotor, uppvisar dessutom nackdelen, åtminstone vid eftermontering på befintliga turboöverladdade förbränningsmotorer, att förbränningsmotorns turbin mottager ett större flöde av rökgaser än vad den är dimensionerad för, varför en del av dessa rökgaser måste ledas förbi turbinen till omgiv- ningen och mekaniskt arbete därigenom gär förlorat.

Känd teknik innehåller också tekniker för värmepro- duktion. Inom teknikomràdet trycksatt förbränning har exempelvis rena pannor konstruerats som producerar värme med en mycket hög bränsleutnyttjningsgrad. Dessa pannor används dock inte för kraftproduktion.

Det finns således ett behov av en förbättrad teknik för kraftproduktion.

Sammanfattning av uppfinningen Ett ändamål med föreliggande uppfinning är att helt eller åtminstone delvis övervinna de ovan relaterade problem som är förknippade med känd teknik. Närmare bestämt syftar uppfinningen till att anvisa en enkel teknik för åstadkommande av förbättrade miljöegenskaper vid produktion av kraft i ett öppet system med väsent- ligen fullständig förbränning av bränsle. De förbättrade miljöegenskaperna inkluderar renare rökgaser och/eller högre bränsleutnyttjningsgrad.

Dessa och andra ändamål, som kommer att framgå av följande beskrivning, har nu uppnåtts genom uppfinningen genom ett förfarande och ett system för kraftproduktion, samt anordningar för eftermontering i befintliga system, enligt efterföljande, självständiga patentkrav. Före- dragna utföringsformer av uppfinningen definieras i efterföljande, osjälvständiga patentkrav. av-o -18 504 4 Uppfinningen grundar sig pà den grundläggande insikten att, efter det att arbetsfluiden har tillförts en första värmemängd genom förbränningen och har tillå- tits expandera för produktion av mekaniskt arbete, en andra värmemängd skall avledas fràn den expanderade arbetsfluiden vid ett tryck över atmosfärstryck. Däri- genom möjliggörs en mycket hög bränsleutnyttjningsgrad, av följande skäl.

Det uppfinningsenliga förfarandet och systemet kan nämligen användas för produktion av enbart kraft, eller kraft och värmeenergi, eller kraft och kyla, eller kraft, värmeenergi och kyla. Produktion av kyla uppnås genom ytterligare expansion av arbetsfluiden, företrädesvis till atmosfärstryck, efter avledningen av den andra värmemängden. Sistnämnda expansion möjliggör produktion av ytterligare mekaniskt arbete. Efter denna ytterligare expansion kommer arbetsfluidens temperatur, med ett lämp- ligt tillstànd hos arbetsfluiden efter avledningen av den andra värmemängden, att markant underskrida omgivnings- temperaturen. Exempelvis kan ett sàdant lämpligt till- stånd uppnås genom att den andra värmemängden vid avled- ningen åtminstone delvis överförs till ett fjärrvärmenät.

Genom att arbetsfluidens temperatur efter denna ytterli- gare expansion understiger omgivningstemperaturen kan arbetsfluiden bringas att uppta en tredje värmemängd fràn en kylfluid, vilken därigenom kyls. Kylfluiden kan sedan uträtta nyttigt kylarbete, exempelvis i klimatanlägg- ningar, kylrum, frysar, snökanoner, isrinkar etc. Det inses att den uppfinningsenliga tekniken möjliggör en mycket hög bränsleutnyttjningsgrad, typiskt mer än 120%, om den producerade kylan anses som en nyttig storhet.

Det bör i detta sammanhang också noteras att alla idag arbetande kylmaskiner förbrukar kraft och/eller värmeenergi för produktion av kyla. Vid värmepumpar kan visserligen, i vissa fall, den värmeenergi som produceras pà pumpens varma sida nyttiggöras samtidigt som den kyla som produceras pà pumpens kalla sida utnyttjas för kyl- 518 504 ning. Dock mäste alltid någon form av högvärdig driv- energi tillföras för drift av värmepumpen. Vid produktion av kyla med en värmepump är det därför, till skillnad från vid förfarandet och systemet enligt föreliggande uppfinning, väsentligen omöjligt att påverka miljöpres- tanda för de processer som har skapat den högvärdiga drivenergin.

En ytterligare fördel med det uppfinningsenliga förfarandet och systemet ligger i att arbetsfluiden kan bringas att bilda ett kondensat vid avledningen av den andra värmemängden. I mànga fall, t ex vid förbränning av väteinnehàllande och/eller fukthaltiga bränslen, inne- häller rökgaserna nämligen vattenånga. Tack vare att den andra värmemängden avleds vid ett tryck över atmosfärs- tryck, kan fasomvandlingsenergin utvinnas ur rökgaserna i betydligt större omfattning än med dagens teknik eftersom daggpunkten är förhöjd vid ett högre totaltryck. Genom att avleda kondensatet fràn arbetsfluiden via en renings- anordning kan dessutom det renade kondensatet, typiskt vatten, användas för allehanda ändamàl. Detta är spe- ciellt fördelaktigt i områden där vatten är en bristvara.

Den uppfinningsenliga tekniken gör det dessutom möj- ligt att ge den värmeàtervinningsenhet som avleder den andra värmemängden frán arbetsfluiden en kompaktare ut- formning än vid kraftproduktion enligt känd teknik, tack vare att arbetsfluidens tryck är förhöjt, d v s översti- ger atmosfärstryck. I vissa kända anläggningar, t ex stationära gasturbiner, är det oönskat att uppnà en hög expansionsverkningsgrad hos den expansionsenhet som gene- rerar det mekaniska arbetet efter förbränningen, eftersom arbetsfluidens temperatur efter expansionen då tenderar att bli så làg att avledningen av den andra värmemängden försvåras. Med den uppfinningsenliga tekniken finns det inget behov av att försämra expansionsverkningsgraden för att öka arbetsfluidens temperatur efter expansionen, varför expansionsenheten kan tillverkas med maximal verk- ningsgrad. v. «»- v. u u v-w u-v ao.. u.. n . - . . .- u un. ...n e... - .v- av u. 50048 504 6 Det mà också påpekas att trycket vid avledningen av den andra värmemängden lämpligen är betydligt större än typiskt minst ca 50 kPa och företrä- I kända omgivningstrycket, desvis minst ca 100 kPa över atmosfärstryck. kraftproduktionssystem, såsom beskrivits ovan, expanderas däremot arbetsfluiden till atmosfärstryck innan den andra värmemängden avleds från densamma. I dessa kända system kan visserligen minimala avvikelser frän atmosfärstryck, typiskt om ca l-5 kPa, förekomma som resultat av det eventuella strömningsmotstànd som altras av nedströms anordnade komponenter. Dessa avvikelser är dock så små att den andra värmemängden kan anses avledas fràn arbets- fluiden vid atmosfärstryck.

Enligt en föredragen utföringsform omfattar den värmeàtervinningsenhet som avleder den andra värmemängden fràn arbetsfluiden en skrubber. Vid arbetsfluidens passage genom denna skrubber ástadkommes bàde avledning av åtminstone en del av den andra värmemängden från arbetsfluiden och en rening av arbetsfluiden, typiskt med avseende pà vattenlösliga föroreningar i denna.

Skrubbern, dessutom ges en kompakt utformning eftersom den arbetar som är en robust och driftsäker komponent, kan vid ett tryck över atmosfärstryck.

Enligt en föredragen utföringsform införes en vätska, företrädesvis vatten, i arbetsfluiden innan denna genom förbränningen tillförs den första värmemängden.

Därmed kan mängden NOX som bildas vid förbränningen mins- kas, tack vare en minskad förbränningstemperatur, samti- digt som bränsleutnyttjningsgraden ökas, bland annat genom att arbetsfluidens temperatur sänks och att flödet genom systemet ökas. Det är i detta sammanhang föredraget att en del av arbetsfluiden bildar ett kondensat vid avledningen av den andra värmemängden. Därmed övervinnes en av de inledningsvis redovisade nackdelarna med HAM- tekniken, framförallt vid eftermontering pà en turboöver- laddad förbränningsmotor, nämligen att förbrännings- motorns turbin mottager ett större flöde av rökgaser än av vv a.v. nu un-1 . u-. -.- -uy: -_ . - . 4 > av. o|| » » ns» v v uw . .-.a m_- ~ 518 50.4 7 vad den är dimensionerad för. Tack vare att den del av rökgaserna kondenseras, och avleds, kan flödet av rök- gaser hållas på en sådan nivå att behovet av att leda rökgaser förbi turbinen minskar. Det är också föredraget att kondensatet åtminstone delvis återförs till arbets- fluiden innan denna tillåts expandera för produktion av mekaniskt arbete. Därmed övervinns den andra av de inled- ningsvis redovisade nackdelarna med HAT- och HAM- teknikerna, nämligen att stora mängder vätska förbrukas.

Uppfinningen möjliggör således ett slutet vätskekrets- lopp, vilket kan vara fördelaktigt i vissa tillämpningar och/eller i vissa delar av världen. Företrädesvis avleds kondensatet från arbetsfluiden via en reningsanordning.

Därigenom kan vattenlösliga föroreningar, såsom svavel, stoft, Lämpligen värms kondensatet innan det återförs till tungmetaller etc, avlägsnas från kondensatet. arbetsfluiden, företrädesvis åtminstone delvis genom att kondensatet bringas att uppta en del av den andra värme- mängden. Därmed kan kraftutbytet ökas.

Enligt ett ytterligare föredraget utförande styrs fördelningen av den producerade mängden mekaniskt arbete i relation till den andra värmemängden, och i före- kommande fall till den tredje värmemängden, genom styr- ning av storleken av den andra värmemängden och/eller nämnda tryck. Därmed är det möjligt att anpassa det upp- finningsenliga förfarandet och systemet till de tillkopp- lade förbrukarnas behov av kraft, värmeenergi och kyla.

Det är också möjligt att styra rökgasernas utlopps- temperatur så, att systemet inte efterlämnar något temperaturspår via rökgaserna, något som kan vara av intresse i vissa tillämpningar.

Såsom redan nämnts ovan är det även, inom ramen för uppfinningen, möjligt att genom installation av en anord- ning för eftermontering i en befintlig förbränningsmotor eller gasturbin bilda ett system för kraftproduktion enligt uppfinningen, med åtföljande fördelar. so. nova lO 518 504 8 Kort beskrivning av ritningarna Uppfinningen beskrivs nedan i exemplifierande syfte med hänvisning till bifogade ritningar, vilka åskådliggör föredragna utföringsformer.

Fig la visar ett övergripande kopplingsschema för ett system för kraftproduktion uppbyggt kring en gas- turbin och syftar till att ge en samlad bild av olika utföranden av föreliggande uppfinning, och fig lb visar (T), för arbetsfluiden i systemet enligt Fig la. ett tillstàndsdiagram över temperatur entropi (s) och tryck (p) Fig 2a visar ett kopplingsschema för ytterligare en utföringsform av systemet enligt uppfinningen, uppbyggt och fig 2b visar ett tillstàndsdia- (T), arbetsfluiden i systemet enligt Fig 2a. kring en gasturbin, gram över temperatur entropi (s) och tryck (p) för Fig 3-5 visar kopplingsscheman för ytterligare utfö- ringsformer av systemet enligt uppfinningen, var och en uppbyggd kring en gasturbin.

Fig 6-9 visar kopplingsscheman ytterligare utfö- ringsformer av systemet enligt uppfinningen, var och en uppbyggd kring en förbränningsmotor.

Beskrivning av föredragna utföringsformer I det följande illustreras uppfinningens grund- läggande principer i anslutning till fig la-lb som visar ett kopplingsschema respektive ett tillstàndsdiagram (T-S) en gasturbin. för ett system för kraftproduktion uppbyggt kring Systemet enligt fig la innehåller dels en gaskrets, i vilken en arbetsfluid strömmar för generering av kraft, värmeenergi och kyla, dels en vätskekrets, i vilken vatten strömmar mellan olika i systemet ingående enheter.

I kopplingsschemat i fig la, liksom i övriga efterföljande kopplingsscheman, indikeras gaskretsen med tjocka pilar och vätskekretsen med tunna pilar. Till- stånden i olika positioner längs gaskretsen i fig la är indikerade med hänvisningsbeteckningar 1-13, och motsva- rande tillstånd har samma beteckningar i tillstånds- gçg 518 504 9 diagrammet i fig lb, vilket indikerar arbetsfluidens temperatur (T), entropi (s) och tryck (p).

Gaskretsen omfattar, sett i arbetsfluidens ström- ningsriktning i fig la, en första kompressor Cl, en mellankylare IC, en andra kompressor C2, en efterkylare AC, en befuktningsenhet HT, en rekuperator REC, en bränn- kammare CC, en första turbin Tl, en ekonomiser ECO, en rökgaskondensor FGC, en andra turbin T2 och en värme- växlare HXC.

Under drift av systemet i fig la sker följande förändringar av arbetsfluidens tillstànd, sàsom också visas i fig lb.

Arbetsfluiden, som är en syreinnehàllande gas, typiskt luft, komprimeras polytropt i den första kom- pressorn Cl fràn tillstànd l till tillstànd 2, varigenom arbetsfluidens tryck ökas fràn atmosfärstryck pæf till ett förhöjt tryck pz. Därefter avkyles arbetsfluiden isobart i mellankylaren IC fràn tillstànd 2 till till- stånd 3, varpå arbetsfluiden komprimeras polytropt i den andra kompressorn C2 fràn tillstànd 3 till tillstànd 4, varigenom arbetsfluidens tryck ökas ytterligare fràn trycket p2 till trycket p4. Sedan avkyls den komprimerade arbetsfluiden isobart fràn tillstànd 4 till tillstànd 5 i efterkylaren AC, varefter arbetsfluiden tillförs vatten- ånga under isobara förhållanden i befuktningsenheten HT, här ett befuktningstorn av motströmstyp, med både mass- och energitransport fràn tillstànd 5 till tillstànd 6.

Det bör för fullständighetens skull noteras att T-s- diagrammet i fig lb här inte längre illustrerar processen pà ett fullständigt korrekt vis, eftersom stora mängder vatten tillförs arbetsfluiden. Förutsättningen för T-s- diagrammets giltighet är att arbetsfluiden inte förändras i någon större utsträckning vare sig i sammansättning eller massflöde då den genomlöper cykeln. Efter befukt- ningen sker sedan en isobar värmeátervinning från till- stànd 6 till tillstànd 7 i rekuperatorn REC. I den efter- följande brännkammaren CC tillföres arbetsfluiden energi 518 504 (Qmæl) isobariskt från tillstànd 7 till tillstånd 8 genom frigöring av kemisk bunden energi i ett bränsle, närmare bestämt genom väsentligen fullständig förbränning av bränslet i arbetsfluiden. Efter brännkammaren CC består arbetsfluiden av varma rökgaser (typiskt innehållande förbränningsprodukter, tillförd vätskeànga och eventuell överskottsluft). Efter energitillförseln i brännkammaren CC expanderas arbetsfluiden polytropt i turbinen Tl från tillstånd 8 till tillstànd 9, d v s ned till ett tryck pg över omgivningstrycket pmf..Även om det inte framgår av ritningen, kan självfallet denna expansion ske i flera steg, såsom är väl känt vid gasturbinanläggningar. Vid expansionen genereras mekaniskt arbete, som beroende på tillämpning kan omvandlas till nyttigt axelarbete, t ex för framdrivning, eller elektrisk energi medelst en gene- rator eller liknande. Efter expansionen avkyles arbets- fluiden isobart från tillstånd 9 till tillstånd 10 i rekuperatorn REC, och den därvid avledda värmeenergin överförs till arbetsfluiden mellan befuktningsenheten HT och brännkammaren CC (intern värmeàtervinning). Denna tillståndsförändring följs sedan av ytterligare en isobar avkylning av arbetsfluiden från tillstånd 10 till till- stånd ll i ekonomisern ECO. Därefter sker en isobar av- kylning av arbetsfluiden från tillstånd ll till tillstånd 12 i rökgaskondensorn FGC, varvid den därvid avledda värmemängden via vätskekretsen överförs till en extern värmesänka, t ex ett fjärrvärmesystem, för produktion av nyttig värmeenergi. I det visade exemplet år rökgaskon- densorn FGC en skrubber som förmår kyla arbetsfluiden, och därmed kondensera en del av denna, och samtidigt rena densamma från eventuella vattenlösliga föroreningar och stoft. Tack vare att avkylningen från tillstånd ll till tillstànd 12 sker vid det förhöjda trycket pg kommer daggpunkten för fukten i arbetsfluiden också att vara förhöjd. Därmed är det möjligt att kondensera ut nästan all förekommande fukt från arbetsfluiden vid en sådan temperaturnivå att den därvid frigjorda fasomvandlings- 518 504 ll energin kan nyttiggöras, t ex i ett fjärrvärmesystem.

Detta får till följd att systemets bränsleutnyttjnings- grad kan förbättras kraftigt jämfört med konventionella system.

Efter denna isobara avkylning följer en polytrop expansion av arbetsfluiden från tillstànd 12 till till- stånd 13 i den andra turbinen T2, för produktion av ytterligare mekaniskt arbete som, beroende på tillämp- ning, kan omvandlas till nyttigt axelarbete, t ex för framdrivning, eller elektrisk energi medelst en generator eller liknande. Normalt sker expansionen till atmosfärs- tryck prü. Med tillgång till en normal värmesänka för mottagningen av den mellan tillstånd 11 och tillstånd 12 avledda värmeenergin, t ex ett fjärrvärmesystem vid en temperatur av ca 45-55°C, kan expansionen från tillstånd 12 till tillstånd 13 avslutas så, att arbetsfluiden har en lägre temperatur än omgivningen, även en temperatur som understiger O°C. Vid en dylik utläggning kommer energiinnehållet i den arbetsfluid (rökgaserna) som läm- nar systemet att understiga omgivningens energiinnehåll, vilket medför att energi har överförts från omgivningen till systemet, likt en värmepump, som därmed omvandlar denna energi till nyttig energi i arbetsfluiden. Därige- nom torde systemet ha en betydligt bättre bränsleutnyttj ningsgrad än alla konventionella kraftproduktionssystem, även de som utnyttjar befuktning av arbetsfluiden och kondensering av rökgaserna ned till en temperatur av ca °C. Den låga temperatur som återfinns i arbetsfluiden efter slutförd expansion till tillstånd 13 kan sedan utnyttjas för produktion av nyttig kyla (Qüml) via en isobar uppvärmning av arbetsfluiden från tillstånd 13 till tillstånd 1 innan arbetsfluiden lämnar systemet. Det beskrivna systemet producerar således tre nyttigheter, nämligen mekaniskt arbete, värmeenergi och kyla, med en bränsleutnyttjningsgrad som vida överskrider den hos konventionella gasturbinanläggningar. ~nuf a »ua o44< 518 504 12 För fullständighetens skull följer en beskrivning av systemets vätskekrets. Det vatten som kondenseras ut från arbetsfluiden i rökgaskondensorn FGC, samt det vatten som drivs genom densamma, matas medelst en pump Pl till befuktningenheten HT. Vattnet matas dock via ekonomisern ECO, efterkylaren AC och mellankylaren IC för förvärmning av vattnet före befuktningen. När vattnet har passerat befuktningsenheten HT matas det medelst en pump P2 till- baka till rökgaskondensorn FGC via en vàrmeväxlare HXH, i vilken nyttig värmeenergi överföres från vattnet till en värmesänka, såsom ett fjàrrvärmesystem.

Det må dock påpekas att åtskilliga komponenter, markerade med streckade linjer, hos systemet i fig 1 kan utelämnas. Dessutom kan rökgaskondensorn FGC, liksom rekuperatorn REC och ekonomisern ECO, ersättas med någon annan värmeåtervinningsenhet HR, såsom kommer att framgå av nedanstående diskussion kring de alternativa utfö- ringsformer som visas i fig 2-10. Följande beskrivning kommer att fokusera på relevanta skillnader mellan dessa utföranden och systemet i fig 1.

I fig 2a visas ett system enligt uppfinningen, upp- byggt kring en gasturbin, vilket arbetar utan såväl intern värmeåtervinning som tillförsel av vätska till arbetsfluiden före brännkammaren CC. Fig 2b visar ett tillståndsdiagram för systemet i fig 2a. Delar med mot- svarighet i fig la har samma hänvisningsbeteckningar.

Såsom framgår av fig 2b komprimeras först arbets- fluiden polytropt från tillstånd 1' till tillstånd 2' i kompressorn Cl, varpå den komprimerade arbetsfluiden vid trycket py tillförs värmeenergi (Qfiæl) från tillstånd 2' till tillstånd 3' i brännkammaren CC. Därefter följer en polytrop expansion i turbinen T1 från tillstånd 3' till tillstånd 4', motsvarande en tryckförändring från py till pp, varvid trycket p4 är högre än atmosfärstrycket pæf.

Under expansionen i turbinen T1 genereras mekaniskt ar- bete. Därefter sker en isobar avledning av nyttig värme- energi (Qmmt) från den expanderade, men fortfarande .- .. v~un v; n - a now u u -. v.. ...v v.. n ~ »nu »- ~....4 ~..

A518 504 13 trycksatta, arbetsfluiden mellan tillstànd 4' och till- stànd 5' i en värmeätervinningsenhet HR omfattande en ytvärmeväxlare HXH. Om fukthalten i arbetsfluiden är tillräcklig kan även fasomvandlingsenergi utvinnas, och ett kondensat avledes från värmeväxlaren, såsom indikeras vid D. Sedan följer, liksom i systemet i fig la-b, en andra polytrop expansion av arbetsfluiden till atmosfärs- (pæf) fràn tillstànd 5' till tillstànd 6' nen T2. Därvid genereras ytterligare mekaniskt arbete. tryck i turbi- Arbetsfluidens làga temperatur efter slutförd expansion utnyttjas sedan för produktion av nyttig kyla (Qaml) via en isobar uppvärmning av arbetsfluiden frän tillstànd 6' till tillstànd 7' I fig 3 visas en variant av systemet i fig 2a. En i värmeväxlaren HXC. värmeàtervinningsenhet HR omfattande en rökgaskondensor FGC, energi fràn arbetsfluiden vid ett förhöjt tryck efter typiskt en skrubber, är anordnad att avleda värme- expansionen i den första turbinen Tl. Den frän skrubbern FGC avledda vätskan pumpas genom en värmeväxlare HXH för överföring av nyttig värmeenergi till en extern värme- sänka. Vid behov kan kondensat avtappas, såsom indikeras vid D. Utförandet i fig 3 har fördelen att arbetsfluiden renas i skrubbern FGC samtidigt som nyttig värmeenergi Vid behov kan den från skrubbern FGC avledda vätskan, innan den àterförs till skrubben FGC, passera en avleds. reningsanordning (ej visad).

I fig 4 visas ytterligare en variant av systemet i fig 2a. En värmeätervinningsenhet HR omfattande en avgas- panna HRB är anordnad att avleda värmeenergi från arbets- fluiden vid ett förhöjt tryck efter expansionen i den första turbinen Tl. Vid behov kan kondensat avtappas, såsom indikeras vid D. Avgaspannan HRB driver sedan en àngturbin ST för produktion av elkraft. Ångturbinen ST ingår tillsammans en kondensor SC och en pump SP i en ängcykel. I detta fall kopplas således den avledda värme- energin in i en bottencykel för produktion av ytterligare 518 504 14 kraft och värmeenergi. Arrangemanget i fig 4 bildar följ- aktligen en kombicykel.

I fig 5 visas en ytterligare utföringsform av det uppfinningsenliga systemet. Systemet innehåller här en befuktningsenhet HT som är anordnad mellan kompressor- steget Cl, C2 och brännkammaren CC och som tillför arbetsfluiden vattenånga. Det vatten som tillförs befukt- ningsenheten HT förvärms i en mellankylare IC och en efterkylare AC, såsom beskrevs i anslutning till fig la.

Vidare är en värmeátervinningsenhet HR omfattande en avgaspanna HRB anordnad att avleda värmeenergi fràn arbetsfluiden vid ett förhöjt tryck efter expansionen i den första turbinen Tl. Avgaspannan HRB driver sedan en àngturbin ST för produktion av elkraft. Liksom i fig 4 kopplas således den avledda värmeenergin in i en botten- cykel för produktion av ytterligare kraft. Arrangemanget, som bildar en hybrid mellan en kombicykel och en HAT- cykel, är utformat för produktion av kraft, värmeenergi och kyla. Vid behov kan kondensat avtappas fràn avgas- pannan HRB, såsom indikeras vid D. Därvid kan en sluten vätskekrets bildas genom àterledning av det avtappade kondensatet till befuktningsenheten HT, eventuellt via en reningsanordning (ej visad). Efter sin passage av avgas- pannan HRB tillàts arbetsfluiden expandera till atmos- färstryck i turbinen T2, för generering av ytterligare mekaniskt arbete. Arbetsfluidens låga temperatur efter slutförd expansion utnyttjas sedan för produktion av nyttig kyla i värmeväxlaren HXC.

I fig 6-9 illustreras olika utföringsformer av det uppfinningsenliga systemet för kraftproduktion uppbyggt kring en förbränningsmotor E. Dessa utföringsformer arbetar enligt samma principer som utföringsformerna i fig 1-5, varför följande beskrivning är fokuserad pà relevanta skillnader.

I fig 6, som motsvarar fig 2a, komprimeras först arbetsfluiden polytropt i kompressorn Cl och leds sedan in i motorns E förbrànningsrum där den komprimeras ytter- u. 518 504 ligare. Därefter tar arbetsfluiden upp värmeenergi (QFuel) 1 och expanderas polytropt till ett tryck som är högre än som skapas vid förbränningen av ett bränsle däri, atmosfärstrycket. Under expansionen i motorn E genereras mekaniskt arbete som, beroende pà tillämpning, kan omvandlas till nyttigt axelarbete, t ex för framdrivning, eller elektrisk energi medelst en generator eller lik- nande. Därefter sker isobar avledning av nyttig värme- energi (Qmmt) från den expanderade, men fortfarande trycksatta, arbetsfluiden i en värmeàtervinningsenhet HR omfattande en ytvärmeväxlare HXH. Om fukthalten i arbets- fluiden är tillräcklig kan även fasomvandlingsenergi utvinnas, och ett kondensat avledas från värmeväxlaren, såsom indikeras med D. Sedan följer en andra polytrop expansion av arbetsfluiden till atmosfärstryck i en turbin T2, vilken lämpligen driver kompressorn Cl. Ett eventuellt överskott av genererat mekaniskt arbete kan omvandlas till elkraft medelst en generator eller lik- nande. Arbetsfluiden har efter slutförd expansion en làg temperatur som utnyttjas för produktion av nyttig kyla (Qcmfl) via en isobar uppvärmning av arbetsfluiden i en värmeväxlare HXC.

I fig 7, systemet i fig 6. Värmeàtervinningsenheten HR omfattar som motsvarar fig 3, visas en variant av här en rökgaskondensor FGC, typiskt en skrubber, som avleder värmeenergi fràn arbetsfluiden vid ett förhöjt tryck efter expansionen i förbränningsmotorn E. För detaljer kring utförande och fördelar hänvisas till beskrivningen av fig 3.

I fig 8 visas en variant med en befuktningsenhet HT som är anordnad mellan kompressorn Cl och förbrännings- motorn E och som tillför arbetsfluiden vattenånga. Arran- gemanget bildar sàledes en HAM-cykel. Befuktningsenheten HT, som ingår i en vattenkrets, avger ett kondensat som medelst pumpen P2 matas tillbaka till befuktningsenheten HT via motorblocket för förvärmning av kondensatet. Vid sidan av den fördelaktiga möjligheten att kunna producera uu- ~ n-. -~ -n-u ..- .- lO 518 504 l6 tre nyttigheter, nämligen mekaniskt arbete, värmeenergi och kyla, uppnås fördelen att det vatten som i befukt- ningsenheten HT införs i arbetsfluiden àterförs till vattenkretsen genom avtappning av ett kondensat från värmeåtervinningsenheten HR, i detta fall en värmeväxlare HXH. Därmed behöver inget vatten tillföras vattenkretsen.

Vid förbränning av väterika bränslen och/eller fuktiga bränslen behöver istället vatten avtappas från vatten- kretsen.

I fig 9 visas en variant av utförandet i fig 8. En värmeåtervinningsenhet HR omfattande en rökgaskondensor FGC, typiskt en skrubber, är anordnad att avleda värme- energi från arbetsfluiden vid ett förhöjt tryck efter expansionen i förbränningsmotorn E. Den från skrubbern FGC avledda, varma vätskan matas medelst pumpen P1 via motorblocket till befuktningsenheten HT, eventuellt via en reningsanordning (ej visad). Den från befuktnings- enheten HT avledda vätskan pumpas tillbaka till rökgas- kondensorn FGC via en värmeväxlare HXH, i vilken nyttig värmeenergi överförs till en extern värmesänka. En sluten vätskekrets àstadkommes, från vilken vätska vid behov kan avtappas, såsom indikeras vid D.

Det förtjänar att påpekas att kompressorn Cl i vissa fall kan uteslutas i systemen enligt fig 6-9, eftersom arbetsfluiden i viss mån komprimeras genom volymföränd- ringen av motorns E förbränningsrum.

Det må också påpekas att uppfinningen är tillämplig vid såväl stationära som mobila system för kraftproduk- tion. Det uppfinningsenliga systemet kan anpassas, beroende på tillämpning, för optimal rening av rökgaserna och/eller för åstadkommande av en given relation mellan den producerade mängden mekaniskt arbete och den produce- rade mängden värmeenergi och/eller kyla. Exempelvis kan den ”nyttiga värmeenergin” kylas bort i ett kyltorn eller motsvarande för det fall att endast produktion av kraft och kyla är av intresse. Alternativt kan arbetsfluiden, efter avledningen av den andra värmemängden vid det ,18 504 17 förhöjda trycket, expanderas till atmosfärstryck i en strypning eller motsvarande för det fall att produktion av kyla och begränsad produktion av kraft med effektiv rening av rökgaserna är av intresse. Den effektiva reningen av rökgaserna verkställs genom avledning och rening av det kondensat som bildas vid expansionen i strypningen.

Det torde inses att ett system enligt uppfinningen kan åstadkommas genom nykonstruktion, men även genom ombyggnation av en befintlig kraftproduktionsanläggning innehållande en förbränningsmotor eller en gasturbin, genom installation av eftermonteringsanordning_ En sådan eftermonteringsanordning innehåller åtminstone en värme- àtervinningsenhet, t ex en ytvärmeväxlare eller en skrubber, som är anslutbar nedströms förbränningsmotorn eller gasturbinen för avledning av en värmemängd fràn arbetsfluiden vid ett tryck över atmosfärstryck. Med en sådan värmeàtervinningsenhet kan rökgaserna renas från vattenlösliga föroreningar och stoft, vilka medföljer det kondensat som avtappas från värmeàtervinningsenheten.

Sådan ombyggnation är speciellt enkel, och önskvärd, i en turboöverladdad förbränningsmotor, speciellt en diesel- motor, eftersom det normalt finns plats att installera eftermonteringsanordningen mellan motorn och turboaggre- gatet. Ombyggnationen låter sig också göras vid en gas- turbin, speciellt en fleraxlig sådan.

Eftermonteringsanordningen innehåller också lämp- ligen en befuktningsenhet som är anslutbar till ett inlopp hos förbränningsmotorn, eller mellan kompressorn och brännkammaren hos gasturbinen, i syfte att införa en vätska, företrädesvis vatten, i den trycksatta arbets- fluiden. Därmed möjliggörs en förhöjd verkningsgrad, en sänkt NOX-halt i rökgaserna, samt en sluten vattenkrets.

Det må också påpekas att ovanstående eftermonte- ringsenhet möjliggör produktion av tre nyttigheter, d v s mekaniskt arbete, värmeenergi och kyla.

Claims (24)

10 15 20 25 30 35 u n | - »- 518 504 18 PATENTKRAV

1. Förfarande för kraftproduktion omfattande de successiva stegen att trycksätta en syreinnehàllande arbetsfluid, fullständig förbränning av ett bränsle i arbetsfluiden företrädesvis luft, att genom väsentligen tillföra arbetsfluiden en första värmemängd, att tillåta arbetsfluiden expandera för produktion av mekaniskt ar- bete, expanderade arbetsfluiden vid ett tryck över atmosfärs- att avleda en andra värmemängd från den sålunda tryck, och att efter avledningen av den andra värmemäng- den ytterligare expandera arbetsfluiden, företrädesvis till atmosfärstryck, företrädesvis för produktion av ytterligare mekaniskt arbete.

2. Förfarande enligt krav l, omfattande steget att efter nämnda ytterligare expandering bringa arbetsfluiden att uppta en tredje värmemängd från en kylfluid, för kylning av densamma.

3. Förfarande enligt krav l eller 2, varvid den andra värmemängden vid avledningen åtminstone delvis överförs till en extern värmesänka, såsom ett fjärr- värmenät eller ett kyltorn. omfattande

4. Förfarande enligt krav 1, 2 eller 3, steget att införa en vätska, företrädesvis vatten, i arbetsfluiden innan denna genom förbränningen tillförs den första värmemängden.

5. Förfarande enligt något av föregående krav, varvid en del av arbetsfluiden bildar ett kondensat vid avledningen av den andra värmemängden.

6. Förfarande enligt krav 5, varvid kondensatet av- leds från arbetsfluiden via en reningsanordning.

7. Förfarande enligt krav 5 eller 6, varvid konden- satet àtminstone delvis àterförs till arbetsfluiden innan denna tillàts expandera för produktion av mekaniskt arbete.

8. Förfarande enligt krav 7, varvid kondensatet värms innan det àterförs till arbetsfluiden, företrädes- lO 15 20 25 30 35 518 504 annons 1 uu.. n n sons u n 1 0 0 u o o 1 o.. unc u 0 oonao n sno 0 nu o 1 u nunnan 19 vis åtminstone delvis genom att kondensatet bringas att uppta en del av den andra värmemängden.

9. Förfarande enligt något av föregående krav, om- fattande steget att styra fördelningen av den producerade mängden mekaniskt arbete i relation till den andra värme- mängden, och i förekommande fall till den tredje värme- mängden, genom styrning av storleken av den andra värme- mängden och/eller nämnda tryck.

10. System för kraftproduktion omfattande en kompri- meringsenhet (Cl, C2; Cl, E) för trycksättning av en syreinnehàllande arbetsfluid, företrädesvis luft, en för- bränningsenhet (CC; E) som nedströms komprimeringsenheten (Cl, C2; Cl, E), ning, är anordnad att genom väsentligen fullständig för- sett i arbetsfluidens strömningsrikt- bränning av ett bränsle i arbetsfluiden tillföra arbets- fluiden en första värmemängd, en expansionsenhet (Tl; E) som är anordnad att under expansion av arbetsfluiden pro- (HR) som nedströms expansionsenheten (Tl; E) är anordnad att ducera mekaniskt arbete, en värmeàtervinningsenhet avleda en andra värmemängd från arbetsfluiden vid ett tryck över atmosfärstryck, och en underordnad expansions- enhet (T2), vilken är anordnad att mottaga arbetsfluiden från värmeåtervinningsenheten (HR) och ytterligare expan- dera arbetsfluiden, företrädesvis till atmosfärstryck, företrädesvis för produktion av ytterligare mekaniskt arbete.

11. ll. System enligt krav 10, vidare omfattande en kylenhet fluiden från den underordnade expansionsenheten (T2) och (HXC), vilken är anordnad att mottaga arbets- överföra en tredje värmemängd från en kylfluid till arbetsfluiden.

12. System enligt krav 10 eller 11, varvid värme- återvinningsenheten (HR) omfattar en värmeväxlare (HXH), vilken är anordnad att åtminstone delvis avleda den andra värmemängden från arbetsfluiden, företrädevis till en extern värmesänka, såsom ett fjärrvärmenät eller ett kyltorn. lO 15 20 25 30 35 518 504 n n c ~ n. n n v e « - . , ,' r u 20 11 eller 12, varvid omfattar en skrubber

13. System enligt krav 10, (HR) (FGC), vilken är anordnad att rena arbetsfluiden och åtminstone värmeåtervinningsenheten delvis avleda den andra värmemängden från arbetsfluiden, företrädevis till en extern värmesänka, såsom ett fjärr- värmenät.

14. System enligt något av kraven 10-13, varvid värmeátervinningsenheten (HR) omfattar en avgaspanna (HRB), vilken är anordnad att åtminstone delvis avleda den andra värmemängden från arbetsfluiden för produktion av ytterligare mekaniskt arbete, företrädesvis genom drivning av minst en ångturbin (ST).

15. System enligt något av kraven 10-14, varvid (HR) delvis bringa arbetsfluiden att kondensera vid avled- värmeåtervinningsenheten är anordnad att åtminstone ningen av den andra värmemängden, för bildande av ett kondensat.

16. System enligt något av kraven 10-15, vidare (HT), att i anslutning till förbränningsenheten (CC; E) införa omfattande en befuktningsenhet vilken är anordnad en vätska, företrädesvis vatten, i den företrädesvis trycksatta arbetsfluiden.

17. System enligt kraven 15 och 16, varvid värme- återvinningsenheten (HR) är ansluten till befuktningsen- heten (HT) för återföring av åtminstone en del av konden- satet till arbetsfluiden, företrädevis via en eller flera värmningsenheter (IC, AC, ECO).

18. System enligt något av kraven 10-17, varvid åtminstone komprimeringsenheten (C1, C2), förbrännings- enheten (CC) och expansionsenheten (T1) ingår i en gas- turbinanläggning.

19. System enligt något av kraven 10-17, varvid förbränningsenheten och åtminstone en del av expansions- enheten ingår i en förbränningsmotor (E), vilken är anordnad att generera nyttigt axelarbete, och varvid komprimeringsenheten (C1) företrädesvis är driven medelst 10 15 20 25 30 35 ~ o ø | oc 518 504 šïïfifgïfinz 21 minst en nedströms värmeåtervinningsenheten (HR) anord- nad, av arbetsfluiden genomströmmad turbin (T2).

20. System enligt krav 19, varvid förbränningsmotorn (E) är anordnad att driva en generator för omvandling av det av förbränningsmotorn (E) genererade axelarbetet till elkraft.

21. Anordning för eftermontering i ett system för kraftproduktion, vilket system omfattar en förbrännings- motor (E) som är anordnad att trycksätta en syreinne- hållande arbetsfluid, genom förbränning av ett bränsle i arbetsfluiden tillföra arbetsfluiden en första värmemängd och under expansion av denna arbetsfluid producera meka- niskt arbete, vilken anordning omfattar en värmeàtervinn- ingsenhet (HR) som är anslutbar nedströms förbrännings- motorn (E) för avledning av en andra värmemängd från arbetsfluiden vid ett tryck över atmosfärstryck och som (T2), nad att driva minst en uppströms förbränningsmotorn (E) är anslutbar till minst en turbin vilken är anord- anordnad kompressor (Cl) genom ytterligare expansion av arbetsfluiden.

22. Anordning enligt krav 21, vidare omfattande en befuktningsenhet (HT) som är anslutbar till ett inlopp hos förbränningsmotorn (E), i syfte att införa en vätska, företrädesvis vatten, i den företrädesvis trycksatta arbetsfluiden.

23. Anordning enligt krav 22, varvid värmeàter- vinningsenheten (HR) är utformad att åtminstone delvis bringa arbetsfluiden att kondensera vid avledningen av den andra värmemängden, för bildande av ett kondensat, och varvid befuktningsenheten (HT) är ansluten till värmeåtervinningsenheten (HR) för mottagning av åtmins- tone en del av kondensatet, företrädevis via en eller flera värmningsenheter.

24. Anordning enligt något av kraven 21-23, varvid värmeätervinningsenheten (HR) omfattar en skrubber (FGC), vilken är anordnad att rena arbetsfluiden och åtminstone delvis avleda den andra värmemängden från arbetsfluiden.