RU2013573C1

RU2013573C1 - Power plant and its working medium preparation process

Info

Publication number: RU2013573C1
Authority: RU
Inventors: А.В. Аваков; С.А. Аваков
Original assignee: Фирма "Новые системы"
Priority date: 1992-04-29
Filing date: 1992-04-29
Publication date: 1994-05-30

Abstract

FIELD: power engineering industry. SUBSTANCE: power plant has reactor 1 with emulsifier 2 in bottom part. Circulating loop 5 is connected to reactor 1 for cooling warm heated due to heat liberation as gas/hydrate compound is formed. The latter is supplied over piping 8 through set of valves in turn to chambers 12 and 13 fed with warm water. In the process gas is separated from compound and passed through separator 19 to turbine 27. Gas blower 32 provides recirculation of nonresponsive gas its mixing with exhaust gases of turbine 27. EFFECT: improved design. 4 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к энергомашиностроению, в частности к энергетическим установкам для преобразования тепловой энергии в механическую и электрическую. The invention relates to power engineering, in particular to power plants for converting thermal energy into mechanical and electrical.

Известна теплосиловая установка, содержащая замкнутый контур, заполненный жидкостью, с силовой турбиной, теплообменники для нагрева рабочего тела [1] . Known heat power installation containing a closed loop filled with liquid, with a power turbine, heat exchangers for heating the working fluid [1].

Основные недостатки такой установки - невысокий КПД, сложность, потребность в источниках высоких температур, невозможность использования низкопотенциального тепла, например, от естественных, природных источников. The main disadvantages of such an installation are low efficiency, complexity, the need for high temperature sources, the inability to use low-grade heat, for example, from natural sources.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является энергетическая установка, содержащая по крайней мере две камеры, заполненные рабочим телом и подключенные трубопроводами к турбине и охладителю, нагреватель, подключенный к нижней части камер, циркуляционный насос, подключенный к охладителю, регулируемую запорную арматуру [2] . The closest in technical essence and the achieved result is a power plant containing at least two chambers filled with a working fluid and connected by pipelines to the turbine and cooler, a heater connected to the bottom of the chambers, a circulation pump connected to the cooler, adjustable shut-off valves [2 ].

Основные недостатки известной установки - невысокий КПД из-за непроизводительных потерь тепла на образование и конденсацию пара легкокипящей жидкости, который используется для вытеснения вспомогательной жидкости из камеры, невозможность использования в цикле низкопотенциального тепла для производства, например, электроэнергии, и образования экологически чистой системы преобразования тепла. The main disadvantages of the known installation is its low efficiency due to unproductive heat losses due to the formation and condensation of low-boiling liquid vapor, which is used to displace auxiliary liquid from the chamber, the inability to use low-grade heat in the cycle to produce, for example, electricity, and the formation of an environmentally friendly heat conversion system .

Изобретение устраняет эти недостатки. The invention eliminates these disadvantages.

Технический результат достигается тем, что энергетическая установка, содержащая по крайней мере две камеры, заполненные рабочим телом и подключенные трубопроводами к турбине и охладителю, нагреватель, подключенный к нижней части камер, циркуляционный насос, подключенный к охладителю, регулируемую запорную арматуру, при использовании в качестве рабочего тела газгидратного соединения дополнительно снабжена реактором, сепаратором, газовым нагнетателем и дополнительными циркуляционными насосами, при этом нагреватель выполнен в виде теплообменника с низкопотенциальным теплоносителем и подключен по нагреваемой среде через дополнительный насос к камерам и сепаратору в их нижней части, сепаратор подключен трубопроводом к верхней части камер и турбине, реактор подключен трубопроводом с дополнительным насосом к нижней части камер и к выхлопному трубопроводу турбины, а нагнетатель установлен на трубопроводе, соединяющем последний с верхней частью реактора. Кроме того, установка может быть снабжена дополнительным теплообменником с высокопотенциальным теплоносителем, установленным перед турбиной. The technical result is achieved in that a power plant containing at least two chambers filled with a working fluid and connected by pipelines to the turbine and cooler, a heater connected to the bottom of the chambers, a circulation pump connected to the cooler, adjustable shut-off valves, when used as the working fluid of the gas hydrate compound is additionally equipped with a reactor, a separator, a gas supercharger and additional circulation pumps, while the heater is made in the form of a heat exchanger with a low-grade coolant and is connected via a heated medium through an additional pump to the chambers and a separator in their lower part, the separator is connected by a pipeline to the upper part of the chambers and the turbine, the reactor is connected by a pipeline with an additional pump to the lower part of the chambers and to the exhaust pipe of the turbine, and a supercharger is installed on the pipeline connecting the latter with the upper part of the reactor. In addition, the installation can be equipped with an additional heat exchanger with a high potential coolant installed in front of the turbine.

Известен способ приготовления рабочего тела теплосиловой установки путем заполнения контура промежуточного теплоносителя легкокипящей жидкостью с последующим испарением ее в теплообменнике воздухом, сжатым в компрессоре, и подачей пара на турбину [1] . A known method of preparing the working fluid of a heat power plant by filling the intermediate coolant circuit with a low-boiling liquid, followed by its evaporation in the heat exchanger with air compressed in the compressor, and steam supply to the turbine [1].

Недостатки такого способа - невысокий КПД, реализуемый в установке с таким рабочим телом, невозможность использования низкопотенциального тепла от естественных источников и сбросного тепла. The disadvantages of this method are the low efficiency implemented in the installation with such a working fluid, the inability to use low-grade heat from natural sources and waste heat.

Наиболее близким способом является способ приготовления рабочего тела энергетической установки путем заполнения одной из камер жидкостью, повышения давления в последней, нагрева образовавшегося рабочего тела и сепарации его, а после подачи рабочего тела из этой камеры в турбину - этих же операций в другой камере [2] . The closest way is the method of preparing the working fluid of the power plant by filling one of the chambers with liquid, increasing the pressure in the latter, heating the formed working fluid and separating it, and after supplying the working fluid from this chamber to the turbine, the same operations in another chamber [2] .

Основные недостатки такого способа - невысокий КПД, который реализуется при работе установки, из-за непроизводительных потерь тепла и невозможность использования в цикле низкопотенциального тепла. The main disadvantages of this method is the low efficiency, which is realized during the operation of the installation, due to unproductive heat losses and the inability to use low-grade heat in the cycle.

Технический результат достигается тем, что в способе приготовления рабочего тела энергетической установки путем заполнения одной из камер жидкостью, повышения давления в последней, нагрева образовавшегося рабочего тела и сепарации его, а после подачи рабочего тела из этой камеры в турбину осуществление этих же операций в другой камере в качестве жидкости используют воду, одновременно заполняют ею другую камеру, реактор и соединяющие камеры и реактор трубопроводы. После этого в реактор через эмульгатор-газ, например метано-пропановую смесь, до установления в нем необходимого давления при непрерывной рециркуляции заполненной им воды через охладитель и непрореагировавшего газа с помощью нагнетателя до образования газгидрата в виде эмульсии. Давление повышают сначала в одной из камер путем подачи в нее из реактора газгидрата с вытеснением им из камеры излишков воды и пропуска оставшейся через теплообменник с низкотемпературным теплоносителем до стабилизации ее температуры. Давление в другой камере повышают после начала подачи рабочего тела в турбину из первой камеры. Кроме того, рабочее тело после сепарации дополнительно нагревают высокотемпературным теплоносителем. The technical result is achieved by the fact that in the method of preparing the working fluid of the power plant by filling one of the chambers with liquid, increasing the pressure in the latter, heating the formed working fluid and separating it, and after supplying the working fluid from this chamber to the turbine, the same operations are performed in another chamber water is used as a liquid; at the same time, it fills another chamber, the reactor, and pipelines connecting the chambers and the reactor. After that, into the reactor through an emulsifier gas, for example a methane-propane mixture, until the necessary pressure is established in it during continuous recirculation of the water it has filled through the cooler and unreacted gas with the help of a supercharger until the formation of gas hydrate in the form of an emulsion. First, the pressure is increased in one of the chambers by supplying gas hydrate to it from the reactor with displacing excess water from the chamber and passing the remainder through the heat exchanger with a low-temperature coolant to stabilize its temperature. The pressure in the other chamber is increased after the start of the supply of the working fluid to the turbine from the first chamber. In addition, the working fluid after separation is additionally heated with a high-temperature coolant.

На фиг. 1 показана энергетическая установка, общий вид; на фиг. 2 - график термодинамического равновесного состояния газгидратного соединения на примере метано-пропановой смеси типа СH₄+C₃H₂ ˙6H₂O c относительным удельным весом 0,6.In FIG. 1 shows a power plant, a general view; in FIG. 2 is a graph of the thermodynamic equilibrium state of a gas hydrate compound using an example of a methane-propane mixture of type CH ₄ + C ₃ H ₂ ˙ 6H ₂ O with a relative specific gravity of 0.6.

Энергетическая установка содержит реактор 1 с эмульгатором 2 в нижней части, входным и выходным патрубками 3 и 4, циркуляционный контур 5 реактора 1, включающий охладитель 6, циркуляционный насос 7. Реактор 1 трубопроводом 8 с насосом 9 подключен через регулируемые вентили 10 и 11 к нижней части камер 12 и 13. Камеры 12 и 13 через вентили 14 и 15 подключены к трубопроводу 16 и охладителю 6. Верхние части камер 12 и 13 через вентили 17 и 18 подключены к сепаратору 19. Нижние части сепаратора 19 и камер 12 и 13 через вентили 20 и 21 по прямой магистрали подключены через насос 24, вентили 22 и 23 к теплообменнику 25 низкопотенциального тепла. Температура нагретой среды в теплообменнике на 25-30^oC должна больше температуры охлаждающего теплоносителя. В качестве внешнего теплоносителя в теплообменнике 25 может быть использована вода из верхних слоев водоемов, жидкость, нагретая каким-либо бросовым теплом промышленных предприятий, либо от солнечных преобразователей, теплонасосных, термосорбционных установок и т. п. Сепаратор 19 трубопроводом 26 подключен к газовой турбине 27, подключенной к потребителю, например электрогенератору 28. Дополнительно на трубопроводе 25 для повышения кинетической энергии газа может быть установлен дополнительный теплообменник 29 с высокопотенциальным теплоносителем, например, в виде выхлопных газов от двигателей внутреннего сгорания, промышленных установок и т. п. На трубопроводе 30, соединяющем верхнюю часть реактора 1 с выхлопным трубопроводом 31 турбины 27, установлен газовый нагнетатель 32 для рециркуляции непрореагировавшего газа в реакторе 1. В реакторе 1 может быть выполнен кольцевой сборник 33 (сепаратор). В качестве рабочего тела в установке использовано газгидратное соединение, например, метано-пропановой смеси типа СH₄+C₃Н₂ ˙6H₂O c относительным удельным весом 0,6 с химически чистой водой, преимущественно дистиллятом. Дополнительно для интенсификации процессов образования и распада газгидратного соединения могут быть использованы ингибиторы (активаторы), например метанол, этиленгликоль, йодистое серебро и т. п.The power plant contains a reactor 1 with an emulsifier 2 in the lower part, inlet and outlet pipes 3 and 4, a circulation loop 5 of the reactor 1, including a cooler 6, a circulation pump 7. The reactor 1 is connected by a pipe 8 with a pump 9 through adjustable valves 10 and 11 to the bottom parts of chambers 12 and 13. Chambers 12 and 13 are connected through the valves 14 and 15 to the pipe 16 and cooler 6. The upper parts of chambers 12 and 13 are connected through the valves 17 and 18 to the separator 19. The lower parts of the separator 19 and chambers 12 and 13 through the valves 20 and 21 in a straight line are connected through a pump with 24, valves 22 and 23 to the heat exchanger 25 of low potential heat. The temperature of the heated medium in the heat exchanger by 25-30 ^o C should be higher than the temperature of the cooling fluid. As an external coolant in the heat exchanger 25, water can be used from the upper layers of reservoirs, liquid heated by some waste heat from industrial enterprises, or from solar converters, heat pump, thermosorption plants, etc. The separator 19 is connected by a pipeline 26 to a gas turbine 27 connected to a consumer, for example, an electric generator 28. Additionally, an additional heat exchanger 29 with high potential heat can be installed on the pipeline 25 to increase the kinetic energy of the gas a carrier, for example, in the form of exhaust gases from internal combustion engines, industrial plants, etc. On the pipe 30 connecting the upper part of the reactor 1 with the exhaust pipe 31 of the turbine 27, a gas blower 32 is installed to recycle the unreacted gas in the reactor 1. In the reactor 1, an annular collector 33 (separator) may be provided. A gas hydrate compound, for example, a methane-propane mixture of type CH ₄ + C ₃ H ₂ ˙ 6H ₂ O with a relative specific gravity of 0.6 with chemically pure water, mainly distillate, was used as a working fluid in the installation. In addition, inhibitors (activators), for example methanol, ethylene glycol, silver iodide, etc., can be used to intensify the processes of formation and decomposition of a gas hydrate compound.

Способ приготовления рабочего тела состоит в том, что заполняют водой от постороннего источника (не показано) реактор 1 и всю систему трубопроводов 16 и камер 12 и 13. После заполнения системы водой в реактор 1 закачивают через эмульгатор 2 (например в виде решетки) газовую смесь, например, метано-пропановую, до установления давления в реакторе 1, например, равного 15 ата, при закрытых вентилях 10, 11, 14 и 15. Одновременно осуществляют непрерывную циркуляцию воды через охладитель 6, а непрореагировавший газ с помощью нагнетателя 30, приводимого от постороннего источника, а в процессе работы от турбины 27. В конкретных условиях (фиг. 2) - в условиях термодинамического равновесия образуется твердый раствор - соединение с кристаллической структурой более упорядоченной, чем у исходных веществ. Образование газгидрата (относящегося к классу клатратных соединений - соединений включений) осуществляет с выделением тепла (60-130 КДж/моль, которое и отводится с помощью охладителя 6. The method for preparing the working fluid consists in filling reactor 1 and the entire system of pipelines 16 and chambers 12 and 13 with water from an extraneous source (not shown). After filling the system with water, the gas mixture is pumped into the reactor 1 through emulsifier 2 (for example, in the form of a grate) , for example, methane-propane, until the pressure in the reactor 1 is established, for example, equal to 15 atm, with the valves 10, 11, 14 and 15 closed. At the same time, water is continuously circulated through the cooler 6, and the unreacted gas is supplied by means of a supercharger 30, driven from postor the same source, and during operation from the turbine 27. Under specific conditions (Fig. 2), under conditions of thermodynamic equilibrium, a solid solution forms — a compound with a crystalline structure more ordered than that of the starting materials. The formation of gas hydrate (belonging to the class of clathrate compounds - inclusion compounds) is carried out with the release of heat (60-130 KJ / mol, which is removed using a cooler 6.

Затем образовавшийся газгидрат в виде суспензии насосом 9 закачивается в одну из камер, например 13, при открытых вентилях 11 и 15 и закрытом вентиле 18. Газгидрат по мере заполнения камеры 13 вытесняет излишек воды в трубопровод 16. Затем открывают вентили 21 и 23, закрывают вентили 11 и 15 и осуществляют прокачку воды насосом 24 через теплообменник 25, в который непрерывно поступает теплоноситель (низкопотенциальный). В камере 13 происходит диссоциация газгидрата, выделившаяся газовая смесь скапливается в верхней части камеры 13, При стабилизации температуры воды, прокачиваемой через теплообменник 25, т. е. прекращения теплообмена, вентиль 18 открывают и газовая смесь при давлении, соответствующем температуре (фиг. 2, например 300 атм), через сепаратор 19, где осушается, по трубопроводу 26 поступает в газовую турбину 27. При выделении газовой смеси из камеры 13 продолжают прокачку теплой воды через теплообменник 25. После окончания выхода смеси, который осуществляется при постоянном давлении, вентили 21 и 23 закрывают. При наличии высокопотенциального источника тепла установка теплообменника 29 позволяет повысить температуру холодного газа. Отработавший газ по трубопроводу 3 подводится в эмульсатор 2 реактора 1, барботирует через слой воды в реакторе 1, в котором в процессе работы установки газгидрат образуется постоянно. После полного выделения газовой смеси из камеры 13 закрывают вентиль 18 и заполняют камеру газгидратом, как указано выше. Then, the resulting gas hydrate in the form of a suspension is pumped by pump 9 into one of the chambers, for example 13, with valves 11 and 15 open and valve 18 closed. Gas hydrate displaces excess water into pipeline 16 as the chamber 13 is filled, then valves 21 and 23 are opened, valves are closed 11 and 15 and carry out the pumping of water by the pump 24 through the heat exchanger 25, which continuously receives the coolant (low potential). In the chamber 13, the gas hydrate dissociates, the evolved gas mixture accumulates in the upper part of the chamber 13. When the temperature of the water pumped through the heat exchanger 25 is stabilized, i.e., the heat exchange stops, valve 18 is opened and the gas mixture at a pressure corresponding to the temperature (Fig. 2, for example 300 atm), through a separator 19, where it is drained, through a pipe 26 it enters a gas turbine 27. When the gas mixture is separated from the chamber 13, warm water is pumped through the heat exchanger 25. After the mixture has finished, at constant pressure, valves 21 and 23 close. In the presence of a high potential heat source, the installation of a heat exchanger 29 allows you to increase the temperature of the cold gas. The exhaust gas through the pipeline 3 is supplied to the emulsifier 2 of the reactor 1, sparges through a layer of water in the reactor 1, in which gas hydrate is constantly formed during the operation of the installation. After complete separation of the gas mixture from the chamber 13, the valve 18 is closed and the chamber is filled with gas hydrate, as described above.

При функционировании камеры 13 одновременно производят заполнение и диссоциацию газгидрата вышеуказанным образом в камере 12. После закрытия вентиля 18 вентиль 17 камеры 12 открывают. Равномерность подачи смеси в турбину 27 и исключение пульсаций давления зависят и обеспечиваются потребным количеством таких камер в установке. During the operation of the chamber 13, the gas hydrate is filled and dissociated at the same time in the above manner in the chamber 12. After closing the valve 18, the valve 17 of the chamber 12 is opened. The uniformity of the mixture in the turbine 27 and the exclusion of pressure pulsations depend on and are provided by the required number of such chambers in the installation.

Использование предлагаемой установки позволяет повысить удельную мощность в 4-5 раз по сравнению с установками, работающими в заданном интервале рабочих температур. Using the proposed installation allows to increase the specific power by 4-5 times in comparison with installations operating in a given range of operating temperatures.

Claims

1. A power plant comprising a circuit including a turbine with an exhaust pipe, a cooler, at least two chambers with a working fluid connected to them via pipelines, a heater, a circulation pump connected to the cooler, and also adjustable shut-off valves located in the connecting pipes, characterized in that it is equipped with a reactor, a separator, a gas supercharger and at least two additional circulation pumps, the heater being made in the form of a heat exchanger with a low-grade coolant and connected through a heated medium through pipelines with adjustable shut-off valves through its outlet through one of the additional circulation pumps to the lower parts of the chambers and the cooler, and the inlet to the lower parts of the chambers and the separator, the latter being placed in the pipeline connecting the upper parts of the chambers a turbine, and the reactor is connected through a pipeline with a second additional circulation pump to the bottom of the chambers, and is connected to the exhaust pipe urbine and its upper part through a pipeline through a gas supercharger is additionally connected to the exhaust pipe.

2. Installation according to claim 1, characterized in that it is equipped with an additional heat exchanger with a high-temperature coolant placed in the circuit in front of the turbine.

3. The method of preparation of the working fluid of the power plant, which consists in filling one of the chambers with liquid, increasing the pressure in the latter, heating and separating the resulting working fluid with its subsequent supply to the turbine, as well as performing these operations in another chamber, characterized in that as liquids use water, the process of filling both chambers is carried out simultaneously, moreover, the reactor and the pipelines connecting the latter to the chambers are additionally filled with water, after which g h, for example, a methane-propane mixture, until the necessary pressure is established in it, while unreacted gas is recycled with a gas blower and water is circulated through the cooler until gas hydrate is formed in the form of an emulsion, and the pressure in the chambers is increased alternately by supplying the reactor from the reactor gas hydrate with the ousting of excess water from the latter, while the water remaining in the chamber is passed through a heat exchanger with a low-grade coolant until its temperature stabilizes, and The indicated operations to increase the pressure in another chamber are conducted from the moment the supply of the working fluid from the first chamber to the turbine begins.

4. The method according to p. 3, characterized in that the working fluid is additionally heated in a heat exchanger with a high-temperature coolant before being fed to the turbine.