|
|
больше ...
Термины запроса в документе
Реферат
[RU] В настоящей заявке раскрыты устройства и способы, которые в целом используют основанный на двух пинч-точках критерий для оптимизации регенеративных циклов Ренкина. В некоторых вариантах реализации такие рабочие параметры, как давление при отборе текучей среды и массовый расход потока при отборе текучей среды выбраны таким образом, что две пинч-точки получены в нагревателе питающей воды, что, тем самым, улучшает эффективность цикла Ренкина. В частности, первая пинч-точка получена в начале конденсации отобранной текучей среды, а вторая пинч-точка получена при выходе отобранной текучей среды из нагревателя питающей воды. Минимальная разность температур при сближении кривых в первой пинч-точке может быть приблизительно равной минимальной разности температур при сближении кривых во второй пинч-точке. Устройства, использующие регенеративные циклы Ренкина, способы работы таких устройств и способы оптимизации работы таких устройств раскрыты в настоящей заявке в связи с основанным на двух пинч-точках критерием. 
Полный текст патента
(57) Реферат / Формула:
В настоящей заявке раскрыты устройства и способы, которые в целом используют основанный на двух пинч-точках критерий для оптимизации регенеративных циклов Ренкина. В некоторых вариантах реализации такие рабочие параметры, как давление при отборе текучей среды и массовый расход потока при отборе текучей среды выбраны таким образом, что две пинч-точки получены в нагревателе питающей воды, что, тем самым, улучшает эффективность цикла Ренкина. В частности, первая пинч-точка получена в начале конденсации отобранной текучей среды, а вторая пинч-точка получена при выходе отобранной текучей среды из нагревателя питающей воды. Минимальная разность температур при сближении кривых в первой пинч-точке может быть приблизительно равной минимальной разности температур при сближении кривых во второй пинч-точке. Устройства, использующие регенеративные циклы Ренкина, способы работы таких устройств и способы оптимизации работы таких устройств раскрыты в настоящей заявке в связи с основанным на двух пинч-точках критерием.
Евразийское (21) 201391728 (13) A1
патентное
ведомство
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОЙ ЗАЯВКЕ
(43) Дата публикации заявки 2014.06.30
(22) Дата подачи заявки 2012.05.18
(51) Int. Cl.
F01K 25/08 (2006.01) F01K 23/10 (2006.01) F01K 7/16 (2006.01)
(54) ОСНОВАННЫЙ НА ДВУХ ПИНЧ-ТОЧКАХ КРИТЕРИЙ ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ РЕГЕНЕРАТИВНЫХ ЦИКЛОВ РЕНКИНА
(31) 61/488,371
(32) 2011.05.20
(33) US
(86) PCT/US2012/038703
(87) WO 2012/162187 2012.11.29
(88) 2013.03.21
(71) Заявитель:
МАССАЧУСЕТС ИНСТИТЬЮТ ОФ ТЕКНОЛОДЖИ (US)
(72) Изобретатель:
Зебиан Хуссам, Митсос Александр
(US)
(74) Представитель:
Нилова М.И. (RU) (57) В настоящей заявке раскрыты устройства и способы, которые в целом используют основанный на двух пинч-точках критерий для оптимизации регенеративных циклов Ренкина. В некоторых вариантах реализации такие рабочие параметры, как давление при отборе текучей среды и массовый расход потока при отборе текучей среды выбраны таким образом, что две пинч-точки получены в нагревателе питающей воды, что, тем самым, улучшает эффективность цикла Ренкина. В частности, первая пинч-точка получена в начале конденсации отобранной текучей среды, а вторая пинч-точка получена при выходе отобранной текучей среды из нагревателя питающей воды. Минимальная разность температур при сближении кривых в первой пинч-точке может быть приблизительно равной минимальной разности температур при сближении кривых во второй пинч-точке. Устройства, использующие регенеративные циклы Ренки-на, способы работы таких устройств и способы оптимизации работы таких устройств раскрыты в настоящей заявке в связи с основанным на двух пинч-точках критерием.
ОСНОВАННЫЙ НА ДВУХ ПИНЧ-ТОЧКАХ КРИТЕРИЙ ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ РЕГЕНЕРАТИВНЫХ ЦИКЛОВ РЕНКИНА
Ссылки на родственные заявки
[0001] Настоящая заявка испрашивает приоритет согласно предварительной заявке на патент США № 61/488 371, поданной 20 мая 2011 г. под названием "Основанный на двух пинч-точках критерий для оптимизации регенеративных циклов Ренкина: работа и моделирование/оптимизация энергетической установки" (A Double Pinch Criterion For Optimization Of Regenerative Rankine Cycles: Powerplant Operation and Simulation/Optimization). Все содержание этой предварительной заявки включено в настоящую заявку.
Область техники
[0002] В некоторых вариантах реализации настоящее изобретение относится к устройствам, использующим регенеративные циклы Ренкина, к способам работы таких устройств и способам оптимизации работы таких устройств. В частности, настоящее изобретение относится к основанному на двух пинч-точках критерию для оптимизации регенеративных циклов Ренкина.
Уровень техники
[0003] Известный цикл Ренкина и различные его разновидности (например, циклы Калины или органические циклы Ренкина) находят применение при выработке приблизительно 80% электроэнергии по всему миру. Циклы Ренкина могут быть использованы для широкого диапазона источников электроэнергии, включая ископаемые виды топлива, ядерное, геотермальное, солнечное топливо и биотопливо. Потребление электроэнергии постоянно возрастает и соответственно растет использование циклов Ренкина.
[0004] В основном цикле Ренкина рабочую текучую среду, такую как воду, закачивают в паровой котел, где происходит ее нагревание внешним источником тепла с образованием пара. Пар высокого давления
направляют к турбине, где происходит его расширение с возможностью поворота турбины и выработки выходной мощности. По мере расширения пара в турбине происходит уменьшение его давления и температуры. Пар затем выходит из турбины и входит в конденсатор, где происходит его обратная конденсация в насыщенную жидкость. Затем происходит закачивание этой "питающей" жидкости назад в паровой котел и повторение цикла.
[0005] Большинство циклов Ренкина содержит одну или более дополнительных особенностей для увеличения эффективности. Например, в регенеративном цикле Ренкина происходит предварительное нагревание питающей жидкости, возвращаемой из конденсатора, до ее подачи в паровой котел. Предварительное нагревание питающей жидкости происходит в нагревателе питающей воды (НПВ) при использовании отобранного потока нагретого пара из другого места устройства, например из турбины. Хотя отбор текучей среды приводит к небольшим потерям в выходной мощности турбины, преимущества от предварительного нагревания питающей жидкости в результате дают увеличение эффективности.
[0006] Циклы Ренкина известны в течение долгого времени, и их расчет и работа подверглись такому обширному изучению, что можно полагать, что их работа близка к оптимальной. Даже небольшое увеличение эффективности этих циклов, особенно при приемлемых для практического применения и реалистических рабочих условиях, способно привести к большим экономическим и экологическим преимуществам. В соответствии с этим существует потребность в циклах Ренкина с улучшенной эффективностью.
Раскрытие изобретения
[0007] В настоящей заявке раскрыты устройства и способы, использующие основанный на двух пинч-точках критерий для оптимизации регенеративных циклов Ренкина. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения такие рабочие параметры, как давление при отборе текучей среды и расход потока при отборе текучей
среды, выбраны таким образом, что две пинч-точки получены в нагревателе питательной воды, улучшая, таким образом, эффективность цикла Ренкина. В частности, первая пинч-точка получена в начале конденсации отобранной текучей среды, а вторая пинч-точка получена на выходе отобранной текучей среды из нагревателя питающей воды. Минимальная разность температур при сближении кривых в первой пинч-точке может быть приблизительно равной минимальной разности температур при сближении кривых во второй пинч-точке. Устройства, использующие регенеративные циклы Ренкина, способы работы таких устройств и способы оптимизации работы таких устройств раскрыты в настоящей заявке в связи с основанным на двух пинч-точках критерием.
[0008] В некоторых вариантах реализации настоящее изобретение может быть выполнено посредством моделирующего программного обеспечения, посредством которого глобальный оптимум секций регенерации цикла Ренкина может быть получен без необходимости пространственной дискретизации.
[0009] Согласно одному аспекту настоящего изобретения предложен способ работы устройства выработки электроэнергии, включающий нагревание рабочей текучей среды в парогенераторе и направление нагретой рабочей текучей среды в турбину для поворота турбины, причем эта рабочая текучая среда образует питающую жидкость после выхода из турбины. Способ также включает извлечение отобранной текучей среды из турбины и использование отобранной текучей среды для нагревания питающей жидкости (например, после ее выхода из конденсатора, после ее выхода из дегазатора, или после ее выхода из размещенного выше по течению нагревателя питающей воды). Питающая жидкость нагрета в нагревателе питающей воды, выполненном с возможностью теплообмена между первым путем потока, по которому течет питающая жидкость, и вторым путем потока, по которому течет отобранная текучая среда. Способ также включает регулировку по меньшей мере одной величины из массового расхода потока отобранной текучей среды и давления при отборе отобранной текучей среды таким образом, чтобы две пинч-точки были получены в
нагревателе питающей воды.
[0010] Способ также может включать регулировку по меньшей мере одной величины из массового расхода потока отобранной текучей среды и давления при отборе отобранной текучей среды таким образом, чтобы температура отобранной текучей среды, выходящей из нагревателя питающей воды, была приблизительно равной температуре питающей жидкости, входящей в нагреватель питающей воды. Способ может включать нагревание питающей жидкости в парогенераторе после ее выхода из нагревателя питающей воды. Питающая жидкость может быть образована посредством конденсации рабочей текучей среды в конденсаторе после выхода рабочей текучей среды из турбины. Парогенератор может быть выполнен в виде сверхкритического парогенератора, а нагретая рабочая текучая среда может быть в сверхкритическом состоянии. Парогенератор может быть выполнен в виде парового котла субкритического давления, а нагретая рабочая среда может быть перегретым паром. Две пинч-точки могут представлять собой первую пинч-точку в начале конденсации отобранной текучей среды и вторую пинч-точку на выходе отобранной текучей среды из нагревателя питающей воды. Минимальная разность температур при сближении кривых в первой пинч-точке может быть приблизительно равной минимальной разности температур при сближении кривых во второй пинч-точке. Давление (Ре) при отборе текучей среды и массовый
расход (те) потока при отборе текучей среды, выбранные для заданной
величины тепловой нагрузки (ф) при теплообмене в нагревателе питающей воды, могут быть аппроксимированы выражениями
. = . ^sa%PB)-hL(TFii + AmTAT,PB) (tm)в rnF К1{Т^(рв) _ AmjtaTi Рр) _ hi{Tn> Рр)
[ООН] и
Q = rhB(hT(Pg) - h(TFA 4- ЬМ1ТАТ> РВ)У [0012] Такой выбор значений давления (Ре) при отборе текучей
среды и массового расхода (тв) потока при отборе текучей среды обеспечивает возможность устранения необходимости дискретизации при численных расчетах или обеспечивает возможность устранения необходимости проверки на наличие пинч-точек во время реальной работы. Наименьшее значение давления при отборе, которое обеспечивает возможность наличия пинч-точки в выходном отверстии для отобранной текучей среды в нагревателе питающей воды, может быть выбрано в качестве давления при отборе текучей среды. Наименьшее значение массового расхода потока, которое обеспечивает возможность наличия пинч-точки в начале фазового превращения отобранной текучей среды, может быть выбрано в качестве массового расхода потока при отборе текучей среды. Регулировка значения массового расхода потока отобранной текучей среды может включать операции открытия или закрытия клапана. Регулировка значения давления при отборе текучей среды может содержать регулировку сети клапанов для выбора места в турбине, где следует извлекать отобранную текучую среду. Турбина может содержать множество ступеней турбины, а сеть клапанов может быть выполнена с возможностью выбора, из какой ступени следует извлекать отобранную текучую среду. Во время переходных режимов работы энергетической установки способ может также включать регулировку по меньшей мере одной величины из массового расхода потока отобранной текучей среды и давления при отборе текучей среды таким образом, чтобы две пинч-точки имели место в нагревателе питающей воды. Переходные режимы работы энергетической установки могут включать ввод энергетической установки в действие.
[0013] Согласно другому аспекту настоящего изобретения предложен способ расчета устройства выработки электроэнергии. Способ включает использование процессора, получение множества входных параметров расчета и занесение этих входных параметров расчета в запоминающее устройство, связанное с процессором. Способ также включает, посредством использования процессора и на основании полученных входных параметров расчета, вычисление выходных
параметров расчета, включающих по меньшей мере один параметр из давления при отборе текучей среды и массового расхода потока при отборе текучей среды для нагревателя питающей воды, причем нагреватель питающей воды выполнен с возможностью подогрева питающей воды, полученной из рабочей текучей среды, посредством использования отобранной текучей среды, извлеченной из турбины. Способ также включает вывод рассчитанного значения выходного параметра расчета. Выходной параметр расчета рассчитан для получения двух пинч-точек в нагревателе питающей воды.
[0014] В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения входные параметры расчета включают по меньшей мере один параметр из расхода главного потока через турбину, температуры парогенератора, давления в парогенераторе и рабочего давления в конденсаторе. Способ может также включать построение устройства выработки электроэнергии согласно выходному параметру расчета. Две пинч-точки могут представлять собой первую пинч-точку в начале конденсации отобранной текучей среды и вторую пинч-точку на выходе отобранной текучей среды из нагревателя питающей воды. Минимальная разность температур при сближении кривых в первой пинч-точке может быть приблизительно равна минимальной разности температур при сближении кривых во второй пинч-точке. Выходные параметры расчета могут включать давление (Ре) при отборе текучей среды и массовый расход
(гпе) потока при отборе текучей среды, которые приблизительно
вычислены при заданном значении тепловой нагрузки (ф) при теплообмене в нагревателе питающей воды:
m* тр hl(T^(PB) ~ АШГАТ, PF) - к^, PF) [0015] и
Q -- mB(hT(PB) - h(Tn + Лмгг/Г, Рв))
[0016] Выходной параметр расчета может представлять собой давление при отборе текучей среды, вычисленное как наименьшее давление при отборе, обеспечивающее возможность наличия пинч-точки
К заявке № 201391728
-7в выходном отверстии для отобранной текучей среды в нагревателе питающей воды. Выходной параметр расчета может представлять собой массовый расход потока при отборе текучей среды, вычисленный как наименьший массовый расход потока, обеспечивающий возможность наличия пинч-точки в начале фазового превращения отобранной текучей среды. Выходной параметр расчета может быть определен посредством итерационного расчета, а основанный на двух пинч-точках критерий может быть наложен на каждом шаге итерации.
[0017] Согласно другому аспекту настоящего изобретения предложено устройство выработки электроэнергии, содержащее парогенератор, в котором происходит нагревание рабочей текучей среды, и турбину, связанную по текучей среде с парогенератором, выполненную с возможностью поворота посредством нагретой рабочей текучей среды, причем эта рабочая текучая среда образует питающую жидкость после выхода из турбины. Устройство также содержит по меньшей мере один нагреватель питающей воды, выполненный с возможностью нагревания питающей жидкости посредством использования отобранной текучей среды, извлеченной из турбины, причем нагреватель питающей воды выполнен с возможностью теплообмена между первым путем потока, по которому течет питающая жидкость, и вторым путем потока, по которому течет отобранная текучая среда. По меньшей мере один параметр из массового расхода потока отобранной текучей среды и давления при отборе текучей среды выбран таким образом, что температура отобранной текучей среды, выходящей из нагревателя питающей воды, приблизительно равна температуре питающей жидкости, входящей в нагреватель питающей воды, и таким образом, что две пинч-точки получены в нагревателе питающей воды.
[0018] В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения питающая жидкость может быть нагрета в парогенераторе после ее выхода из нагревателя питающей воды. Питающая жидкость может быть образована посредством конденсации рабочей текучей среды в конденсаторе после выхода рабочей текучей среды из турбины. Парогенератор может быть выполнен в виде сверхкритического
парогенератора, а нагретая рабочая текучая среда может быть в сверхкритическом состоянии. Парогенератор может быть выполнен в виде парового котла субкритического давления, а нагретая рабочая текучая среда может быть перегретым паром. Две пинч-точки могут представлять собой первую пинч-точку в начале конденсации отобранной текучей среды и вторую пинч-точку на выходе отобранной текучей среды из нагревателя питающей воды. Минимальная разность температур при сближении кривых в первой пинч-точке может быть приблизительно равной минимальной разности температур при сближении кривых во второй пинч-точке. Минимальная разность температур при сближении кривых в первой пинч-точке и минимальная разность температур при сближении кривых во второй пинч-точке могут быть отличны друг от друга приблизительно на 5 градусов по Цельсию. Отобранная текучая среда может выходить из нагревателя питающей воды в виде недогретой жидкости. Отобранная текучая среда может быть извлечена из турбины в виде перегретого пара или двухфазной текучей среды. Рабочая текучая среда может содержать по меньшей мере один материал из воды, гептана, толуола, изобутана и аммиака.
[0019] Давление (Ре) при отборе текучей среды и массовый расход
(гпе) потока при отборе текучей среды, выбранные для заданной величины тепловой нагрузки при теплообмене в нагревателе питающей
воды (Q), могут быть аппроксимированы выражениями
. = . h^AT(P^-hL(TFII + AMITATFPB) ШВ mFhXT^(PB) - АМ!ТАТ,Рр) ~ hL(TFTI,PF)
[0020] и
Q = rhBChT(PB) - h(TFii + AMITATtPB)).
[0021] Наименьшее значение давления при отборе, которое обеспечивает возможность наличия пинч-точки в выходном отверстии для отобранной текучей среды в нагревателе питающей воды, может быть выбрано в качестве давления при отборе текучей среды. Наименьшее значение массового расхода потока, которое обеспечивает
возможность наличия пинч-точки в начале фазового превращения отобранной текучей среды, может быть выбрано в качестве массового расхода потока при отборе текучей среды. Устройство может содержать клапан, выполненный с возможностью регулировки значения массового расхода потока при отборе текучей среды. Устройство может содержать сеть клапанов для выбора места в турбине, где следует извлекать отобранную текучую среду, для регулировки значения давления при отборе текучей среды. Турбина может содержать множество ступеней турбины, а сеть клапанов может быть выполнена с возможностью выбора, из какой ступени следует извлекать отобранную текучую среду.
[0022] Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предложено устройство выработки электроэнергии, содержащее парогенератор, в котором происходит нагревание рабочей текучей среды, и турбину, связанную по текучей среде с парогенератором, выполненную с возможностью поворота посредством нагретой рабочей текучей среды, причем эта рабочая текучая среда образует питающую жидкость после выхода из турбины. Устройство также содержит по меньшей мере один нагреватель питающей воды, выполненный с возможностью нагревания питающей жидкости посредством использования отобранной текучей среды, извлеченной из турбины. По меньшей мере один параметр из давления (Рв) при отборе текучей среды
и массового расхода (ткв) потока при отборе текучей среды, выбранный
при заданном значении тепловой нагрузки (?) при теплообмене в нагревателе питающей воды, аппроксимирован выражениями
ШВ ГПР kl(Tsat{ip8) _ Am[TaTj рг) _ pf) [0023] и
Q - mB(hT(PB) - h(TFii+6MITAT,PB))
[0024] таким образом, что две пинч-точки получены в нагревателе питающей воды.
[0025] Согласно другому аспекту настоящего изобретения предложено устройство выработки электроэнергии, использующее
регенеративный цикл Ренкина, в котором по меньшей мере один нагреватель питающей воды использует отобранную текучую среду для подогрева питающей воды, полученной из рабочей текучей среды, прежде, чем рабочая текучая среда будет нагрета в парогенераторе. Первая пинч-точка получена в нагревателе питающей воды в начале конденсации отобранной текучей среды, а вторая пинч-точка получена в нагревателе питающей воды на выходе отобранной текучей среды из нагревателя питающей воды. Парогенератор может быть сверхкритическим парогенератором, выполненным с возможностью нагревания рабочей текучей среды до сверхкритического состояния.
[0026] Настоящее изобретение кроме того предлагает устройства, системы и способы в соответствии с пунктами формулы.
Краткое описание чертежей
[0027] Изобретение будет более полно понято на основании последующего подробного описания, выполненного в сочетании с сопровождающими чертежами, на которых:
[0028] на фиг. 1 схематически показана диаграмма устройства выработки электроэнергии, использующего регенеративный цикл Ренкина;
[0029] на фиг. 2 показана пинч-диаграмма для нагревателя питающей воды;
[0030] на фиг. 3 показана пинч-диаграмма для нагревателя питающей воды, в котором получены две пинч-точки;
[0031] на фиг. 4 показана пинч-диаграмма, демонстрирующая единственность двойного пинча;
[0032] на фиг. 5А схематически показана диаграмма нагревателя питающей воды, в котором сток откачивают назад или вниз;
[0033] на фиг. 5В показана диаграмма нагревателя питающей воды, в котором сток откачивают вперед или вверх;
[0034] на фиг. 6 показана технологическая схема для численного подтверждения основанного на двух пинч-точках критерия;
[0035] на фиг. 7 показана карта контуров эффективности для
технологической схемы по фиг. 6;
[0036] на фиг. 8 показана карта контуров скорости производства энтропии для технологической схемы по фиг. 6;
[0037] на фиг. 9 показана карта контуров эффективности для фиксированной области нагревателя питающей воды;
[0038] на фиг. 10 показана контуров скорости производства энтропии для фиксированной области нагревателя питающей воды;
[0039] на фиг. 11 показан график оптимальной эффективности в рамках четырех различных методик расчета в зависимости от полной площади нагревателя питающей воды для технологической схемы по фиг. 6;
[0040] на фиг. 12 схематически показана диаграмма устройства выработки электроэнергии, использующего регенеративный цикл Ренкина с использованием четырех закрытых нагревателей питающей воды;
[0041] на фиг. 13 схематически показана диаграмма архитектуры вычислительной системы; и
[0042] на фиг. 14 показана блок-схема способа расчета или оптимизации цикла Ренкина при использовании основанного на двух пинч-точках критерия.
Подробное описание изобретения
[0043] В настоящей заявке раскрыты устройства и способы, в целом использующие основанный на двух пинч-точках критерий для оптимизации регенеративных циклов Ренкина. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения такие рабочие параметры, как давление при отборе текучей среды и массовый расход потока при отборе текучей среды выбраны таким образом, что две пинч-точки получены в нагревателе питающей воды, улучшая, тем самым, эффективность цикла Ренкина. В частности, первая пинч-точка получена в начале конденсации отобранной текучей среды, а вторая пинч-точка получена на выходе отобранной текучей среды из нагревателя питающей воды. Минимальная разность температур при сближении
кривых в первой пинч-точке может быть приблизительно равной минимальной разности температур при сближении кривых во второй пинч-точке. Устройства, использующие регенеративные циклы Ренкина, способы работы таких устройств и способы оптимизации работы таких устройств раскрыты в настоящей заявке в связи с основанным на двух пинч-точках критерием.
[0044] Некоторые взятые в качестве примера варианты реализации настоящего изобретения будут теперь описаны для обеспечения полного понимания принципов структуры, действия, производства и использования раскрытых в настоящей заявке устройств и способов. Один пример или большее количество примеров реализации иллюстрированы на сопровождающих рисунках. Специалисты в данной области техники понимают, что конкретно описанные в настоящей заявке и иллюстрированные на сопровождающих рисунках устройства и способы представляют собой неограничивающие, взятые в качестве примера, варианты реализации и что объем настоящего изобретения определен исключительно пунктами формулы изобретения. Характеристики, показанные или описанные в связи с одним взятым в качестве примера вариантом реализации настоящего изобретения, могут быть скомбинированы с характеристиками других вариантов реализации. Такие модификации и изменения входят в объем настоящего изобретения.
[0045] На фиг. 1 показан один взятый в качестве примера вариант реализации устройства 100 выработки электроэнергии, использующего регенеративный цикл Ренкина. Цикл может быть подкритическим или сверхкритическим. Как показано, устройство 100 содержит парогенератор 102, турбину 104, конденсатор 106, насос 108 и нагреватель 110 питающей воды.
[0046] Парогенератор 102 содержит источник тепла и по-существу замкнутый сосуд, в котором происходит нагревание рабочей текучей среды источником тепла. Взятые в качестве примера источники тепла представляют собой геотермальные устройства, ядерные устройства, газовые или отапливаемые углём горелки и т.д. Любая из множества
рабочих текучих сред может быть использована с устройством, например, вода, аммиак, гептаны, толуол, изобутан или их комбинации. Парогенератор 102 может представлять собой или может содержать субкритический паровой котел или сверхкритический парогенератор.
[0047] Турбина 104 содержит узел ротора, содержащий вал с одной или несколькими лопастями турбины, прикрепленными к валу. При протекании перегретого пара, выработанного в парогенераторе 102, через турбину 104 происходит его расширение и воздействие на лопасти для поворота вала, что, тем самым, вырабатывает полезную работу. Выходной вал турбины 104 может быть присоединен к электрогенератору таким образом, что при повороте турбины 104 происходит выработка электрической энергии.
[0048] При выходе рабочей текучей среды из турбины 104 она течет в конденсатор 106, где происходит ее охлаждение теплообменником. Охлаждающая текучая среда подана на теплообменник для охлаждения текучей среды, выходящей из турбины 104, что приводит к ее конденсации в виде переохлажденной жидкости. Любая из множества охлаждающих текучих сред, например, окружающий воздух, вода, и т.д., может быть использована в конденсаторе 106.
[0049] Переохлажденная жидкость, выходящая из конденсатора 106, подана через механический насос 108 к нагревателю 110 питающей воды. В нагреватель 110 питающей воды может также быть подана текучая среда, выходящая из дегазатора, расположенного выше по течению нагревателя питающей воды или из другого компонента, размещенного между нагревателем 110 питающей воды и конденсатором 106. Нагреватель 110 питающей воды содержит теплообменник, переносящий теплоту от отобранной текучей среды 112, выходящей из турбины 104, к переохлажденной питающей жидкости, выходящей из конденсатора 106. Таким образом, нагреватель 110 питающей воды выполняет функцию регенерации устройства 100 посредством подогрева питающей жидкости, прежде чем она будет подана назад к парогенератору 102 для продолжения цикла.
[0050] Хотя на фиг. 1 показано и описано лишь по одному парогенератору, конденсатору, потоку отобранной текучей среды и нагревателю питающей воды и одна турбина, это сделано просто ради краткости и устройство 100 может содержать любое количество таких составляющих. Кроме того, хотя термин "питающая вода" использован для описания различных компонентов устройства 100, следует понимать, что питающая жидкость может, как отмечено выше, представлять собой или содержать рабочие текучие среды, отличные от воды.
[0051] Следует также иметь в виду, что устройство 100 может содержать различные клапаны, каналы, трубопроводы, датчики, регуляторы и т.д., предназначенные для содействия контролю и регулировке различных рабочих параметров устройства 100. Например, регулируемый клапан может быть размещен в потоке отобранной текучей среды 112 для регулировки массового расхода потока отобранной текучей среды 112, входящей в нагреватель 110 питающей воды. Устройство 100 может также содержать сеть клапанов, трубопроводы и т.д., которые могут быть отрегулированы для выбора места в устройстве 100, из которого извлекают отобранную текучую среду 112. Это может позволить давлению при отборе быть различным, например, посредством извлечения отобранной текучей среды 112 из различных каскадов турбины 104.
[0052] На фиг. 2 показана пинч-диаграмма для нагревателя 110 питающей воды, на которой температура отложена в зависимости от скорости переноса тепловой энергии. Как показано, имеют место две возможных точки, в которых может возникнуть пинч. Сплошная линия 114 описывает питающую воду при массовом расходе М = 100,0 кг/с и давлении Р = 100 бар. Пунктирная линия 116 описывает отобранную текучую среду при массовом расходе М = 30,0 кг/с и давлении Р = 15 бар. Пунктирная линия 118 описывает отобранную текучую среду при массовом расходе М = 25,5 кг/с и давлении Р = 25 бар.
[0053] Поскольку питающая вода представляет собой переохлажденную жидкость, происходит подъем температуры питающей воды согласно гладкой кривой между входом теплообменника (правая
сторона пинч-диаграммы) и выходом теплообменника (левая сторона пинч-диаграммы). Отобранная текучая среда входит в теплообменник в виде перегретого пара и изменяет свою фазу на переохлажденную жидкость прежде, чем выйти из теплообменника. В соответствии с этим отобранная текучая среда содержит перегретый участок, на котором уменьшение температуры отобранной текучей среды происходит вдоль гладкой кривой. Отобранная текучая среда также содержит участок конденсации, на котором температура отобранной текучей среды по-существу постоянна. После полной конденсации отобранной текучей среды в переохлажденную жидкость происходит повторное уменьшение температуры отобранной текучей среды согласно гладкой кривой на переохлажденном участке.
[0054] Участок конденсации представляет собой горизонтальную линию для отобранной текучей среды, то есть, происходит уменьшение энтальпии без изменения температуры. В предположении, что скорость расхода питающей жидкости выше скорости расхода потока отобранной текучей среды и для перегретого и переохлажденного участков, две другие кривые, соответствующие отобранной текучей среде, имеют более высокий коэффициент наклона, чем кривая, соответствующая питающей жидкости. Поэтому, в направлении потока отобранной текучей среды от входа до выхода, наличие перегретого и переохлажденного участков приводит к схождению кривых для отобранной текучей среды и питающей жидкости, тогда как на участке конденсации имеет место расхождение между двумя кривыми.
[0055] Таким образом, существуют только два возможных места, где может иметь место пинч-точка, то есть точка, в которой разность температур между питающей водой и отобранной текучей средой минимальна, когда чистый материал использован в качестве рабочей текучей среды. Одна возможная пинч-точка, "р-пинч-точка", может быть расположена в начале конденсации отобранной текучей среды. Вторая возможная пинч-точка,"о-пинч-точка", может быть расположена на холодном конце теплообменника (например, при выходе отобранной текучей среды из нагревателя питающей воды). При размещении
входного отверстия для отобранной текучей среды на двухфазном участке начало конденсации совпадает с входным отверстием.
[0056] Скорость, с которой происходит уменьшение температуры отобранной текучей среды и во время стадии перегретого пара и во время стадии переохлажденной жидкости может быть отрегулирована посредством регулировки массового расхода потока при отборе текучей среды. (Необходимо больше времени для охлаждения отобранной текучей среды, когда больше массы отобранной текучей среды входит в теплообменник).
[0057] Кроме того, температура, при которой отобранная текучая среда входит в теплообменник, и температура, при которой отобранная текучая среда начинает конденсацию, могут быть отрегулированы посредством регулировки давления отобранной текучей среды. (При повышенных давлениях отобранная текучая среда входит в теплообменник при более высокой температуре и начинает свою конденсацию при более высокой температуре).
[0058] Таким образом, даже при фиксированных значениях площади поверхности теплообмена в теплообменнике и массового расхода потока и давления питающей воды, входящей в теплообменник, обеспечена возможность регулировки перепада температур между отобранной текучей средой и питающей водой посредством регулировки массового расхода потока и/или давления отобранной текучей среды.
[0059] В обычных устройствах выработки электроэнергии рабочие параметры выбраны с целью минимизации р-пинч-точки. Таким образом, давление и/или расход потока при отборе текучей среды установлены так, чтобы температура, при которой отобранная текучая среда начинает свою конденсацию в теплообменнике, была приблизительно равной или очень близкой к температуре питающей воды в этой точке. Это показано на фиг. 2 пунктирной линией 116, которая показывает, что массовый расход М потока отобранной текучей среды может быть увеличен, а давление Р отобранной текучей среды может быть уменьшено для получения очень небольшой разницы температур в р-пинч-точке. При таком подходе перепад температур между отобранной текучей средой и
питающей водой на холодном конце теплообменника (потенциальном месте расположения о-пинч-точки) весьма велик. Другими словами, в обычных устройствах перепад температур в р-пинч-точке минимизирован и не приложено никаких усилий для получения о-пинч-точки, и тем более речь не идет о минимизации перепада температур в о-пинч-точке.
[0060] Пунктирная линия 118 на фиг. 2 показывает, как рабочие параметры устройства выработки электроэнергии могут быть выбраны для минимизации перепада в о-пинч-точке. Как показано, массовый расход М потока отобранной текучей среды может быть уменьшен, а давление Р отобранной текучей среды увеличено для получения очень небольшого перепада температур в о-пинч-точке. При таком подходе перепад температур между отобранной текучей средой и питающей водой в начале конденсации отобранной текучей среды (потенциальном месте расположения р-пинч-точки) весьма велик. По общему мнению такая конфигурация нежелательна и неэффективна.
[0061] В некоторых вариантах реализации настоящего раскрытия массовый расход М потока отобранной текучей среды и/или ее давление Р могут быть отрегулированы для минимизации перепада температур между отобранной текучей средой и питающей водой и в р-пинч-точке и в о-пинч-точке. Предпочтительно, чтобы один или оба из этих параметров были установлены таким образом, чтобы перепад температур между отобранной текучей средой и питающей водой в р-пинч-точке был почти равен перепаду температур в о-пинч-точке. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения перепад температур в р-пинч-точке может быть равным перепаду температур в о-пинч-точке. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения различие между минимальной разностью температур при сближении кривых в р-пинч-точке и минимальной разностью температур при сближении кривых в о-пинч-точке может быть меньше, чем приблизительно 20 градусов по Цельсию, меньше, чем приблизительно 15 градусов по Цельсию, меньше, чем приблизительно 10 градусов по Цельсию, меньше, чем приблизительно 5 градусов по Цельсию, меньше, чем приблизительно 3
градуса по Цельсию, и/или меньше, чем приблизительно 1 градус по Цельсию.
[0062] На фиг. 3 показана пинч-диаграмма для нагревателя 110 питающей воды в случае получения двух пинч-точек, на которой температура отложена как функция скорости передачи тепловой энергии. Как показано, имеет место минимизация перепадов температур и в р-пинч-точке и в о-пинч-точке. Как отмечено выше, общее мнение состоит в том, что переохлаждение стока отобранной текучей среды (необходимое для получения двойного пинча) представляет собой потерю энергии, поскольку отобранная текучая среда, выходящая из нагревателя 110 питающей воды, обычно использована для питания одного или большего количества каскадных, расположенных вниз по течению, нагревателей питающей воды. Однако, приведенное ниже раскрытие показывает, что переохлаждение стока отобранной текучей средой для получения двух пинч-точек неожиданно приводит к увеличенным значениям эксплуатационной эффективности.
[0063] Ниже подробно обсужден основанный на двух пинч-точках критерий для закрытых нагревателей питающей воды в регенеративных циклах Ренкина. Нагреватели питающей воды смоделированы как противоточные теплообменники. Таким образом, как отмечено выше, имеют место два потенциальных положения пинч-точки в нагревателе питающей воды: (1) на выходе отобранной текучей среды (сток) и (2) в начале конденсации отобранной текучей среды. При заданной тепловой нагрузке в нагревателе питающей воды температура и расход потока на входе питающей жидкости, массовый расход потока и/или давление при отборе могут быть выбраны для получения одинакового значения минимальной разности температур при сближении кривых в двух потенциальных точках пинча и, таким образом, для оптимизации эффективности цикла. Ниже приведено основанное на слабых предположениях аналитическое доказательство для фиксированного значения перепада температур в пинч-точке в случае вхождения стока в конденсатор. Кроме того, критерий численно продемонстрирован для фиксированного значения перепада температур в пинч-точке и для
фиксированной площади поверхности теплообмена в теплообменнике при использовании наиболее распространенных конфигураций: подача стока в конденсатор, подача стока на дегазатор и каскадная подача стока на следующий нагреватель питающей воды. Аналогичный критерий развит ниже для случая накачки стока (вверх или вниз) и его смешивания с питающей водой. Раскрытый в настоящей заявке основанный на двух пинч-точках критерий упрощает процедуру оптимизации и приводит к значительному увеличению эффективности при фиксированной площади поверхности теплообмена в теплообменнике. По численным и вычислительным причинам давление может быть использовано в качестве переменной оптимизации, а тепловая нагрузка и массовый расход потока могут быть вычислены.
разность температур при сближении кривых [С,К]
онпв
Открытый нагреватель питающей воды
пинч
Пинч-точка при выходе отобранной текучей среды из нагревателя питающей воды
пинч
Пинч-точка в начале конденсации отобранной текучей среды
Нижние индексы
Отобранная текучая среда
В, i
Вход отобранной текучей среды
В, о
Выход отобранной текучей среды
Питающая жидкость
F, i
Вход питающей жидкости
F, о
Выход питающей жидкости
Относящийся к о-пинч-точке
Относящийся к р-пинч-точке
Расширительная линия турбины
Верхние индексы
Пар
Жидкость
Испарение
sat
Насыщенное состояние
[0065] Циклы Ренкина находят широкое применение при выработке электроэнергии, причем при этом обычно использованы меры для увеличения эффективности, например, предварительный подогрев, перегрев и регенерация. Дополнительная информация о циклах Ренкина может быть найдена в книгах A. Bejan, Расчет и оптимизация тепловых установок, John Wiley & Sons, Inc., 1996; R. W. Haywood, Анализ инженерных циклов, 3-е изд., Elsevier, 1980; и MJ. Moran, H.N. Shapiro, Принципы инженерной термодинамики, 6-е изд., John Wiley ans Sons, 2007, все содержание которых включено в настоящую заявку. Доступны коммерческие пакеты программ, обеспечивающие возможность высоконадежного моделирования энергетических циклов, например,
THERMOFLEX, ASPENPLUS и GATECYCLE. Эти пакеты программ предлагают инструменты для выполнения исследования параметров и оптимизации заданных циклов (последовательности технологических операций) или способны построить энергетические циклы для заданного приложения.
[0066] Все циклы, кроме самых простых, представляют собой регенеративные циклы, то есть, они включают предварительное нагревание питающей жидкости (возврат из конденсатора) посредством извлечения отобранной текучей среды из турбины. Это предварительное нагревание выполнено в закрытых и/или открытых нагревателях питающей воды. Существуют различные конфигурации нагревателей питающей воды, отличающиеся тем, куда направлена отобранная текучая среда, то есть, сток из закрытого нагревателя питающей воды. Производительность энергетического цикла обычно возрастает при увеличении количества нагревателей питающей воды. Таким образом, количество нагревателей питающей воды обычно выбирают на основании соображений стоимости, то есть, уравновешивая капитальные затраты и эксплуатационные расходы. Известный приближенный критерий расчета состоит в поддержании равного значения возрастания энтальпии при прохождении через каждый нагреватель питающей воды в регенеративной секции цикла Ренкина. Точнее, при некоторых идеализациях, для достижения максимальной эффективности установки при отсутствии промежуточного нагревания и сверхкритических параметров пара возрастание энтальпии питающей воды вплоть до точки насыщения должно, в первом приближении, быть одинаковым во всех нагревателях и в экономайзере.
[0067] Закрытые нагреватели питающей воды по-существу представляют собой многофазные теплообменники. Расчет сетей теплообменников представляет собой известную методику, дополнительные подробности которой можно найти в публикациях: L.T. Biegler, I.E. Grossmann, A.W. Westerberg, Систематические методы расчета химического процесса, Prentice Hall, Нью-Джерси, 1997; J. Cerda, A. W. Westerberg, D. Mason, B. Linnhoff, Использование минимального
сервиса при синтезе цепей теплообменника. Задача о перевозках, Chemical Engineering Science 38 (3) (1983) 373-387; J. Cerda, A.W. Westerburg, Синтез сетей теплообменников, имеющих ограниченные соответствия потоков, посредством использования формулировки задачи о перевозках, Chemical Engineering Science 38 (10) (1983) 1723-1740; В. Linnhoff, Е. Hindmarsh, Способ пинч-расчета для сетей теплообменников, Chemical Engineering Science 38 (5) (1983) 745-763; S.A. Papoulias, I.E. Grossmann, Способ структурной оптимизации в синтезе процесса 2. Сети восстановления теплоты, Computers & Chemical Engineering 7 (6) (1983) 707-721; и I.С. Kemp, Пинч-анализ и интегрирование процесса, 2-ое изд., Elsevier, 2007, причем все содержание каждой из упомянутых публикаций включено в настоящую заявку. Расчет как энергетических циклов, так и сетей теплообменников может быть выполнен или посредством упрощенных способов, или при использовании более строгих моделей. Весьма общий упрощенный способ представляет собой так называемый пинч-анализ, в рамках которого следует выбрать минимальную разность температур при сближении кривых (MITA) и затем вычислить условия на входе и тепловую нагрузку для каждого теплообменника. Этот упрощенный способ имеет преимущество отделения вопросов о капитальных затратах и о детальном расчете теплообменников от вопроса об эксплуатационных расходах. Неявное предположение в пинч-анализе состоит в том, что необходимая площадь поверхности теплообмена в теплообменнике точно определяема минимальной разностью температур при сближении кривых. Однако, точный расчет площади поверхности теплообмена необходим для экономической оптимизации.
[0068] В настоящей заявке раскрыт новый критерий для оптимизации регенеративных энергетических циклов. В последующем обсуждении этот критерий приложен как к пинч-анализу, так и к оптимизации при фиксированном значения площади поверхности теплообмена. Закрытые нагреватели питающей воды обычно рассмотрены в настоящей заявке как противоточные теплообменники. Следовательно, есть две возможных пинч-точки, а именно, в начале
конденсации и на выходе отобранной текучей среды (сток). В настоящей заявке основной результат состоит в том, что для большинства конфигураций нагревателя питающей воды оптимальная работа получена посредством одновременного достижения обеих пинч-точек. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения предположено, что возможность соединения между блоками (технологическая схема) и линия расширения (температура конденсатора, давление и температура на входе турбины и полный массовый расход потока) сохранены постоянными. В некоторых вариантах реализации предположено, что рабочая текучая среда представляет собой чистый материал с возможностью фазового превращения.
[0069] При обычном пинч-анализе минимальная разность температур при сближении кривых выбрана при использовании экономических критериев в качестве замены для значения площади поверхности теплообмена в теплообменнике. Как следствие, есть три степени свободы для каждого закрытого нагревателя питающей воды, а именно, значения тепловой нагрузки (как заменитель минимальной разности температур при сближении кривых), давления при отборе текучей средой (и таким образом, температуры), и массового расхода потока при отборе отобранной текучей среды. Таким образом, по меньшей мере в принципе, работа цикла может быть оптимизирована численным способом посредством рассмотрения одновременного изменения этих степеней свободы согласно ограничениям, налагаемым минимальной разностью температур при сближении кривых. При строгом исследовании площадь поверхности теплообмена выбрана посредством экономического анализа, остающиеся степени свободы представляют собой давление при отборе текучей средой и массовый расход потока при отборе текучей среды, а минимальная разность температур при сближении кривых представляет собой свободный параметр. Раскрытый в настоящей заявке критерий расчета, основанный на двух пинч-точках, исключает две переменные для каждого закрытого нагревателя питающей воды. Кроме того, в случае пинч-анализа раскрытый в
настоящей заявке критерий избавляет от необходимости проведения проверки на наличие ограничений, приводящих к нарушению пинча, и от необходимости, как таковой, в пространственно распределенной модели для нагревателя питающей воды. В целом раскрытые в настоящей заявке устройства и способы сильно упрощают оптимизацию цикла. Это вычислительное ускорение особенно важно при рассмотрении циклов Ренкина не самих по себе, а скорее как части сложного процесса, например, горения в среде кислорода, или в рамках другой процедуры, например, при выборе рабочей текучей среды в органическом цикле Ренкина. Дополнительные подробности о процессах горения в среде кислорода могут быть найдены в статье Н. Zebian, A. Mitsos, Многовариантная оптимизация сгорания прессованного угля в кислороде (в печати: Energy (HGY) http://dx.doi.Org/10.1016/j.cncrgy.2011.12.043, 2011), все содержание которой включено в настоящую заявку.
[0070] Оптимизация цикла Ренкина самого по себе может быть выполнена при использовании средств моделирования общего назначения. Однако, в отсутствие раскрытых в настоящей заявке критериев такая "оптимизация" фактически приводит к нахождению квазиоптимального локального оптимума. Раскрытые в настоящей заявке устройства и способы дают возможность более простого использования приблизительных критериев расчета, таких как вышеупомянутое одинаковое возрастание энтальпии при переходе через нагреватели питающей воды.
[0071] В Разделе 2 ниже рассмотрено упрощенное правило для минимальной разности температур при сближении кривых в отношении самой простой конфигурации нагревателя питающей воды, а именно, при направлении стока в конденсатор. Точная формулировка приведена при соответствующих граничных условиях и доказана аналитически. Кроме того, показано, как критерий с двумя пинч-точками может быть выполнен в рамках процедуры оптимизации, приводящей к значительно более простой формулировке оптимизации, чем при рассматриваемой как альтернатива одновременной оптимизации всех переменных. В Разделе 3 ниже обсуждена применимость критерия с двумя пинч-точками
к другим конфигурациям. В Разделах 4 и 5 ниже приведены примеры численных расчетов для различных конфигураций нагревателя питающей воды как в рамках упрощенного расчета, так и для постоянной площади поверхности теплообмена, с параллельным обсуждением вопроса о генерации энтропии в питающей воде. Раскрытые в настоящей заявке устройства и способы приводят к существенной экономии по сравнению с текущей практикой расчета и при упрощенном расчете и при строгом расчете.
[0072] Раздел 2 - Аналитическое доказательство для двух пинч-точек в рамках упрощенного расчета
[0073] В последующем разделе на основании набора неограничивающих предположений развит и доказан основанный на двух пинч-точках критерий расчета. Во-первых, показано, что представляют интерес только две точки на пинч-диаграмме, а именно, точки в начале конденсации и при выходе отобранной текучей среды. Далее, для случая направления стока в конденсатор доказано, что при данной тепловой нагрузке две пинч-точки необходимы для достижения оптимальности. Кроме того, существует единственная пара значений давления при отборе и массового расхода потока, приводящая к двум пинч-точкам. Поэтому две пинч-точки также достаточны для достижения оптимальности. Затем раскрыто переупорядочение переменных вместе с процедурой для эффективной в вычислительном отношении оптимизации.
[0074] 2.1 Две возможности возникновения пинч-точек
[0075] Предположение 1 (Значения расходной теплоемкости): Отношение расхода потока питающей жидкости к массовому расходу потока при отборе принято достаточно высоким, чтобы расходная
теплоемкость (тср) питающей жидкости была выше расходной теплоемкости отобранной текучей среды и для перегретого и для переохлажденного участков. Предположение 1 выполнено для типичных циклов Ренкина.
[0076] Последующее утверждение показывает, что в пинч-диаграмме только две точки представляют интерес, как это показано
графически на фиг. 2.
[0077] Утверждение 1: При выполнении предположения 1 минимальная разность температур при сближении кривых между питающей жидкостью и отобранной текучей средой может иметь место только в двух точках, а именно, в начале конденсации и при выходе отобранной текучей среды.
[0078] Доказательство: Нагреватель питающей воды может быть смоделирован как противоточный теплообменник. Питающая жидкость всегда может быть переохлаждена и поэтому гладкая кривая получена на пинч-диаграмме. Напротив, для отобранной текучей среды кривая в общем случае может состоять из трех участков, а именно, из перегретого участка, участка конденсации и переохлажденного участка, что приводит к появлению двух изгибов в точках перехода. Участок конденсации представляет собой горизонтальную линию для отобранной текучей среды, то есть, уменьшение энтальпии происходит без изменения температуры. При выполнении предположения 1 две другие кривые, соответствующие отобранной текучей среде, имеют более высокий коэффициент наклона, чем коэффициент наклона кривой, соответствующей питающей жидкости. Поэтому, в направлении перемещения отобранного потока от входа до выхода, перегретый и переохлажденный участки приводят к схождению кривых для отобранной текучей среды и питающей жидкости, тогда как на участке конденсации имеет место расхождение этих двух кривых. Следовательно, имеют место две потенциальных точки для пинча, а именно, начало конденсации и выход отобранной текучей среды. При расположении входа отобранной текучей среды на двухфазном участке начало конденсации совпадает с входом.
[0079] Как отмечено выше, на фиг. 2 показана пинч-диаграмма для иллюстративного варианта нагревателя питающей воды. Есть только две возможности для возникновения пинч-точек при регенерации теплоты в нагревателе питающей воды для чистого вещества: на холодном конце теплообменника (сток, пунктирная линия для отобранной текучей среды, показана о-пинч-точка), или в начале конденсации отобранной текучей
среды (штриховая линия для отобранной текучей среды, показана р-пинч-точка).
[0080] 2.2 Аналитическое доказательство необходимости
[0081] В этом разделе упрощенный способ получения минимальной разности температур при сближении кривых рассмотрен для случая направления стока в конденсатор. Показано, что при заданных
значениях массового расхода rhf потока питающей жидкости, входной
температуры Tfr\ питающей жидкости и тепловой нагрузки q при теплообмене две пинч-точки оптимальны, за исключением тривиальных случаев. Это основано на относительно слабых предположениях.
[0082] Предположение 2 (Энтальпия насыщения отобранной текучей среды): Предположено, что энтальпия h9,sat влажного пара при давлении Рв отобранной текучей среды не ниже, чем энтальпия hr(P0) в выходном отверстии турбины:
h^at(PB)> hT{P0)f
[0083] где нижний индекс Т обозначает турбину (линия расширения), а Р0 обозначает давление на выходе из турбины.
[0084] Предположение 2 выполнено для обычных линий расширения. Его нарушение может иметь место только при сильном перегреве состояния на выходе из турбины, а тепловая нагрузка очень мала, приводя к очень низкому давлению Рв при отборе. Такая работа квазиоптимальна.
[0085] Предположение 3 (Энтальпия на выходе отобранной текучей среды): Предположено, что энтальпия Ьв,0 отобранного потока в выходном отверстии нагревателя питающей воды выше энтальпии hr(P0) в выходном отверстии турбины
[0086] Предположение 3 выполнено для обычных линий расширения и обычных рабочих текучих сред, например, воды и аммиака, гептана и толуола.
[0087] Предположение 4 (Давление отобранной текучей среды): Предположено, что оптимальное значение давления Рв отбора строго
выше давления Р0 на выходе турбины. Предположение 4 может быть нарушено только при чрезвычайно низкой тепловой нагрузке нагревателя питающей воды и сильного перегрева на выходе турбины. Другими словами, рекуператоры не рассмотрены в этом разделе.
[0088] Предположение 5 (Давление отобранной текучей среды): Предположено, что оптимальное значение давления Рв отбора строго ниже давления на входе турбины. Предположение 5 выполнено для обычных циклов Ренкина.
[0089] Предположение 6 (Теплоемкость и насыщенный пар): Следующее соотношение предположено выполненным для рассматриваемых давлений:
[0090] Предположение 6 выполнено для обычных рабочих текучих сред, таких как вода, толуол и аммиак. Для интересующих нас условий выражение с левой стороны уравнения представляет собой или отрицательную или небольшую положительную величину, тогда как выражение с правой стороны всегда положительно.
[0091] Предположение 7 (Положительная зависимость энтальпии жидкости от давления): Производная жидкой энтальпии по давлению представляет собой положительную величину:
[0092] Отметим, что Предположение 7 выполнено для несжимаемой жидкости, представляющей собой хорошую аппроксимацию для жидкостей. Кроме того, оно выполнено для обычных рабочих текучих сред, таких как вода, толуол и аммиак.
[0093] В некоторых частях последующего рассмотрения для простоты исключены операции промежуточного нагревания, и рассмотрена фиксированная линия расширения, что по существу предполагает, что изоэнтропическая эффективность турбины не затронута условиями отбора.
[0094] Теорема 1 (Необходимость двух пинч-точек): Рассмотрим регенеративный цикл Ренкина без операций промежуточного нагревания и с положительной величиной изоэнтропической эффективности турбины. Пусть температура на входе турбины, давление на входе, температура на выходе, и давление Р0 на выходе фиксированы, то есть, не подвержены влиянию отбора. Рассмотрим произвольный нагреватель питающей воды, определенный произвольным, но фиксированным
массовым расходом тр потока питающей жидкости, температурой Tfr\
питающей жидкости на входе и тепловой нагрузкой Q при теплообмене. Предположим, что давление Pf питающей жидкости выбрано так, что поток питающей жидкости остается переохлажденным. Предположим, что нагреватель питающей воды может быть смоделирован как противоточный теплообменник с минимальной разностью Дм/таТ температур при сближении кривых и без перепада давления. Предположим, что режим отбора насыщенный или перегретый, то есть, температура при отборе не меньше, чем температура насыщения при давлении отбора. Предположим, что сток направлен в конденсатор.
Выберем пару массовый расход тв потока при отборе и давление Рв таким образом, что характеристики цикла оптимизированы. Тогда при выполнении Предположений 1-7 имеют место две пинч-точки, то есть, минимальная разность температур при сближении кривых имеет место и в начале конденсации и в выходном отверстии для потока отобранной текучей среды.
[0095] Доказательство: Последующее доказательство проведено способом от противного, то есть, посредством предположения, что
оптимальная пара тЕ,рЕ имеет место при отсутствии двух пинч-точек, с последующим заключением, что данная пара не оптимальна. Это сделано в рамках трех этапов: сначала исключен случай с полным отсутствием пинч-точек, затем исключен случай с образованием пинч-точки только в начале конденсации, и наконец, исключен случай с образованием пинч-точки только в выходном отверстии для отобранной текучей среды.
[0096] На основании предположения об отсутствии промежуточного нагревания мощность, которую отобранный поток мог бы выработать в турбине, задана выражением WB=mB{hT{PB)~hT{P0)). (1)
[0097] Величина Ьт (Рв) представляет собой энтальпию на входе отобранной текучей среды в нагревателе питающей воды Ьт (Рв) = Ьв,\. Оптимальный отбор минимизирует эту потерянную мощность И/е .
[0098] Если извлеченный пар представляет собой насыщенный пар или попадает на двухфазный участок (Ьт(Рв) < h9,sat(PB)), то пинч-точка в начале конденсации тривиально удовлетворена. Кроме того, пинч-точка в выходном отверстии для отобранной текучей среды минимизирует
величину те, минимизируя, таким образом, величину И/е для заданного давления, поскольку предположено, что Рв > Р0- Таким образом, может быть принято, что /7г(Яе) > h9,sat (Рв).
[0099] 1. Для доказательства от противного предположим, что минимальная разность температур при сближении кривых не достигнута
в питающей воде для пары iPBrrhB). Тогда бесконечно малое уменьшение или массового расхода потока или давления при отборе (или даже обоих параметров одновременно) обеспечивает возможность той же самой тепловой нагрузки при теплообмене без нарушения минимальной разности температур при сближении кривых. С другой стороны, такое уменьшение означает, что больше мощности выработано турбиной, см. Уравнение (1), или первоначальная пара не оптимальна.
[00100] 2. Предположим теперь, что для пары (PBrmB) МЬ| имеем пинч-точку в начале конденсации, но не в выходном отверстии для отобранной текучей среды. Поддержание пинч-точки в начале конденсации означает, что изменение значения давления при отборе приводит к изменению в массовом расходе потока при отборе. Это возможно без нарушения каких-либо ограничений, заданных Предположением 4. Производная массового расхода потока при отборе по давлению отобранной текучей среды в пинч-точке при начале
гдтвл
конденсации обозначена как
, где нижний индекс р обозначает
р-пинч-точку.
[00101] Предположим, что частная производная невыработанной в турбине мощности по давлению отбора в соответствии с пинч-точкой в
начале конденсации, оцененной для пары (Рв,т.в), равна
(ht(PB)-ht(P0))+mB^- (2)
[00102] где мы использовали тот факт, что состояния на входе и выходе турбины фиксированы. Оптимальная работа означает
минимальную мощность И/е, или если мы находим, что
ф 0 , то
пара (Рв,тв) не оптимальна.
[00103] В правой стороне Уравнения (2) второй член положителен
f 6mf Л
производная
V SPb jp
> 0, поскольку турбина производит работу. Таким образом, если , оцененная для Рв, неотрицательна, мы также имеем
дР"
> 0, или пара (Рв,тв) не оптимальна. Это подразумевало бы, что
мы можем уменьшать и давление и массовый расход потока при отборе и поддерживать то же самое предварительное нагревание. Отметим, что
V SPb jp
< 0 может быть непосредственно доказано. [00104] Мы, таким образом, должны рассмотреть только случай
< 0.
(3)
[00105] Ниже показано, что производная потерянной мощности относительно давления при отборе отрицательна, или увеличение давления при отборе увеличивает эффективность.
-33-
гдтвл
[00106] Выражение для
получено ниже. Условие для
пинч-точки в начале конденсации имеет вид
rhF(hFi0 - hl(Tsat{PB) - LMlTATtPF) = mB(hT(PB) - №*"*(РВУ).
[00107] Взятие производной относительно Рв и оценка при (Рв,тв)
дает
тРсР(Т*"{Рв)- &MlTAT,PF)
- (DNIB\ ~\dPj
f PR
[00108] или
дк9
\dPjw
(/lr(Pfl) - hW{PB))
+ m
(4)
B dp
-mFcPQrsaXPB)-bMITAT,PF)
Pg "Г 'Рв
[00109] При выполнении Предположения 2 мы имеем hT(P0) < h9,sat (Рв) и, таким образом,
hT(PB) - h^at(PB) < hT(PB) - hT(P0).
[00110] Учитывая Неравенство (3) мы, таким образом, получаем
(hT(pB) - hT(p0)) (^) I < (hT(pB) - Ь^(РВ)) (^)
[00111] и таким образом, комбинируя Уравнения (2) и (4), мы получаем
dPf
_ dh3^
rhFcP(TЈaC(PB) - АМ!ТАТ, PF)-jp-
[00112] Замечая, что mB < mF в соответствии с Предположением 6,
-34-
мы получаем
< 0. В соответствии с Предположением 5 это
dWB
обеспечивает возможность увеличения давления и, таким образом, мы показали, что пара (_Рв,гпв) не оптимальна.
[00113] 3. Предположим, наконец, что для пары (Ps,rn.B) мы имеем пинч-точку в выходном отверстии для отобранной текучей среды, но не в начале конденсации.
[00114] Аналогично предыдущему случаю мы рассмотрим изменение давления при отборе посредством поддержания пинч-точки в выходном отверстии для отобранной текучей среды, то есть,
производной
массового расхода потока при отборе по давлению
отобранной текучей среды в пинч-точке в выходном отверстии для отобранной текучей среды, где нижний индекс о обозначает о-пинч-точку.
[00115] Аналогично предыдущему случаю мы получаем
[00116] и
(^)\ < 0. (6)
[00117] Мы затем покажем, что производная потерянной мощности относительно давления при отборе положительна, что означает, что давление при отборе должно быть уменьшено.
(dm Л
[00118] Выражение для -S- получено ниже. Тепловая нагрузка
I дРВ Jo
при теплообмене, поддерживающая пинч-точку в выходном отверстии для отобранной текучей среды, может быть вычислена как
Q - mB(hT(PB) - hl(TTri 4- АШТАТ, Рв))
[00119] Замечая, что полный теплообмен постоянен, получаем
нулевую производную относительно Рв ¦ Оценка производной в правой стороне при (Рв, т0)таким образом дает
_ dhl
[00120] или
4- mK
dk1
В'ТТА+ЬМ1ТАТ,РВ
(7)
Рв) =
[00121] При выполнении Предположения 3 мы имеем Н{ТтГ1 +AMITAT, he,o < hriPo) и таким образом
hT(PB) - /1'(7> д + АМ1ТАТ,Р9) > hT(PB) - hT(P0).
[00122] Учитывая Неравенство (6), мы таким образом получаем
MITAT,PВ)) an J
& о р" & о
[00123] и поэтому в соответствии с (7)
/дтв\
> -тп,
dhl ~дР
ТТл + &М1ТАТ,РВ
[00124] что вместе с выражением (5) дает
dWK
дР*
_ dhl
-+rh°JF
ТТ1 + Ьм1ТАТ.Рв
[00125] и при выполнении Предположения 7 мы получаем
0. В соответствии с Предположением 4 обеспечена возможность уменьшения давления и, таким образом, мы показали, что пара
(fB,rhB) не оптимальна.
[00126] 2.3 Графическое доказательство единственности и достаточности
[00127] Теорема 1 доказывает, что наличие двух пинч-точек представляет собой необходимое условие для достижения
оптимальности. В принципе, это обеспечивает возможность наличия множества пар пинч-точек, некоторые из которых могут быть квазиоптимальными. При выполнении двух дополнительных предположений можно доказать, что при заданной тепловой нагрузке
существует лишь одна пара (PBrrhB) , дающая две пинч-точки.
[00128] Предположение 8 (слабая зависимость переохлажденного состояния от давления): Производная энтальпии жидкости по давлению меньше, чем производная энтальпии на линии расширения
(8)
dhl\ . dhT
T,PB ЭР
[00129] Кроме того, предположено, что теплоемкость на переохлажденном участке слабо зависит от давления для интересующих нас значений температуры и давления, или, точнее, для любых двух значений давления PBI, РВ2, таких, что PBI > Рв2 , мы имеем
СуУ.Рвл) ПТ(Р01)-П1(Г.РВ,)
[00130] Оба пункта Предположения 8 выполнены, если только эффективность турбины не чрезвычайно низка.
[00131] Предположение 9 (Уменьшение энтальпии испарения): Производная энтальпии испарения по давлению отрицательна
< 0.
[00132] Предположение 9 выполнено для чистых материалов. Это подробно обсуждено в книге В. Е. Poling, J.M. Prausnitz, J. P. O'Connell, Свойства газов и жидкостей, 5-ое изд., McGraw Hill, Нью-Йорк, 2001, все содержание которой включено в настоящую заявку.
[00133] Лемма 1 (единственность пары пинч-точек): Рассмотрим условия и предположения Теоремы 1. При выполнении дополнительных Предположений 8 и 9 существует уникальная пара значений массового
расхода шв потока при отборе и давления Рв при отборе, дающая две пинч-точки.
[00134] Доказательство: Рассмотрим пару (PBI, rhei) , приводящую к возникновению двух пинч-точек. Пусть существует вторая пара (Рв2,
?пв2 ) с Рв2 < PBI , приводящая к возникновению пинч-точки в выходном отверстии для отобранной текучей среды. Мы покажем, что это нарушает минимальную разность температур при сближении кривых в начале конденсации.
[00135] Рассмотрим пинч-диаграмму, показанную на фиг. 4, и отметим, что никакая линейность не предположена (что потребовало бы постоянной теплоемкости на некоторых участках). При выполнении предположения 1 коэффициенты наклона кривых на участке переохлаждения больше, чем коэффициенты наклона кривых для питающей жидкости для обоих отобранных текучих сред.
[00136] Пусть точки Вц, В^, Bisat и В,0 обозначают, соответственно, вход отобранной текучей среды, начало конденсации, начало переохлаждения, и выход отобранной текучей среды. Кроме того,
nlsat _
пусть ^> 2шах обозначает точку пересечения линии температуры
насыщения при давлении Рв2 с кривой переохлаждения для отобранной
текучей среды 1. Наконец, пусть обозначает точку пересечения
линии температуры насыщения при давлении Рв2С линией, параллельной кривой переохлаждения для отобранной текучей среды 1, проходящей через точку Bfsat .
[00137] Чтобы отобранная текучая среда 2 давала пинч-точку в выходном отверстии для отобранной текучей среды, ее выход должен совпадать с точкой В\0. Отметим, что наличие пинч-точки в выходном отверстии для отобранной текучей среды означает, что
Q = r7iB1(hT(PB1) -hl(TTX+ &"lTAT,PBl))
Q = rhB2(hT(PB2) - hl(TTil + &ШТАт,рВ2)). [00138] Используем эти два неравенства в Предположении 8. При использовании (8) эти два условия для $ непосредственно дают, что тв2 > rhei- Кроме того, при использовании (9) видно, что то же самое
предположение, то есть начало переохлаждения для отобранной текучей среды 2, имеет место слева от точки В\s^aK . Наконец, при выполнении
предположения 9 начало конденсации имеет место слева от точки В^х .
Вспоминая, что коэффициент наклона кривой для отобранной текучей среды выше, чем коэффициент наклона для питающей жидкости, можно видеть, что эта точка размещена слева от точки с минимальной разностью температур при сближении кривых.
[00139] Поскольку давления PBI, РВ2 отобранных текучих сред произвольны, мы можем также исключить случай с двумя пинч-точками при более высоком давлении, чем PBI , например, при давлении Рвз-Действительно, предположим, что имеют место две пинч-точки для давления Рвз отобранной текучей среды. При использовании вышеуказанных аргументов можно видеть, что величина PBI нарушает условие минимальной разности температур при сближении кривых, что приводит к противоречию.
[00140] Теорема 2: При выполнении предположений Теоремы 1 и
Леммы 1 единственная пара значений (Рв, гпв), приводящая к образованию двух пинч-точек, оптимальна. Доказательство Теоремы 2 тривиально и опущено в настоящей заявке ради краткости. Отметим, что мы считаем существование такой пары само собой разумеющимся; это доказано посредством замены переменных в следующем подразделе. [00141] 2.4 Процедуры для оптимизации цикла [00142] Теоремы 1 и 2 доказывают, что две пинч-точки оптимальны при фиксированной тепловой нагрузке. Однако, в вычислительном отношении более эффективно изменять давление при отборе как при упрощенном способе пинч-анализа, так и при подходе с фиксированным значением площади.
[00143] 2.4.1 Процедуры пинч-анализа
[00144] В рамках подхода на основе пинч-анализа обеспечена возможность непосредственного вычисления пары величин, включающих
массовый расход mg потока при отборе и тепловую нагрузку Q, приводящих к появлению двух пинч-точек
-39- = • ^(Р5)"^(^ + ДМ/ГЛГ,РВ) Шв тр h4T** <(PB) - АШТАТ, Рр) - Ы(ТРЛ, Рр)
Q = mB(hT(P3) - h(TFit + АШТАТ, Рв)) (10)
[00145] Поскольку эти выражения явные относительно тв и Q, существует лишь одна пара пинч-точек для данного значения давления Рв при отборе. Одно из преимуществ такого изменения независимой переменной состоит в том, что явные уравнения, применяемые для расчета пинч-точек, избавляют от необходимости использования пространственно распределенной модели нагревателя питающей воды. Однако, мы еще не доказали, оптимальны ли две пинч-точки для фиксированного значения давления. Поэтому необходимо показать, что изменение набора переменных не приводит к сходимости к фиктивным решениям при их использовании в программе оптимизации. Ниже будет показано, что наличие глобального/локального оптимума в пространстве давлений, приводящих к возникновению двух пинч-точек, означает глобальную/локальную оптимизацию расчета и работы.
[00146] Утверждение 2 (Давление при отборе, выбранное в качестве независимой переменной, не вводит усложнений): Пусть верхний индекс к = 1..., п обозначает номер к нагревателя питающей воды. Предположим, что оптимизация выполнена относительно массовых
расходов РВ потока при отборе с тепловой нагрузкой $к v\ массовым
расходом потока при отборе т@, определенными выражениями (10), и
что величина Рв сочтена оптимальной во множестве ?к. Обозначим
соответствующие значения массового расхода ^потока при отборе и
тепловой нагрузки $к. Если множество ^содержит все возможные значения давления при отборе, то триплеты ^,mkB,Qk^дают глобально
оптимальную эффективность энергетического цикла. Если множество
Тк соседствует с Рв во внутренней области, эти триплеты дают локально оптимальную эффективность энергетического цикла.
[00147] Доказательство: Рассмотрим сначала случай, в котором
множества !Рк охватывают все возможные значения давления при
отборе. Это означает, что триплеты ^PB,mkB,Qk^j оптимальны относительно
всех триплетов, приводящих к возникновению двух пинч-точек, и поэтому в соответствии с Теоремой 1 также оптимальны относительно всех триплетов.
[00148] Рассмотрим теперь случай, при котором множества Тк
представляют собой окрестности с величинами Рв во внутренней области. Предположим сначала, что имеет место лишь один нагреватель питающей воды, то есть, к = п = 1. Пусть решение уравнения (10) в
виде функции давления Рв при отборе обозначено как твл(рв),^^(рв) . Локальная оптимальность означает, что
г\{Р^КЛРв), &рв)) <т\(Р~в> йкв> $к). V/tf ЕУ*
[00149] Непрерывность отображений в уравнении (10) означает,
что отображение 0?на множество Тк представляет собой некоторый интервал. Утверждение 1 гарантирует наличие лишь одной пары из двух пинч-точек для фиксированной тепловой нагрузки и, таким образом,
(}кие размещена на границе интервала. В соответствии с Теоремой 1 для любого значения Р? мы имеем
[00150] Таким образом, существует окрестность с триплетом Рк,mkB,Qk j во внутренней области, для которой триплет
Pk,mkB,Qk^ оптимален. Это соответствует определению локального минимума.
[00151] Рассмотрим теперь несколько нагревателей питающей воды для случая локальной оптимальности. Вспомним, что
технологическая схема имеет одну точку или несколько точек с фиксированной температурой, например, конденсатор. Продвинемся в направлении потока питающей жидкости и между каждой из этих точек попарно разместим нагреватели питающей воды и, при необходимости, дополнительный нагреватель питающей воды. Для этих пар рассмотрим
изменение давления Р? при отборе в окрестности, содержащей
внутреннюю область для первой величины РВ , и отрегулируем вторую
величину Pg+1 таким образом, чтобы сумма тепловых нагрузок
оставалась постоянной Q к+1 + фк = Qk+1 + Qk. Аналогично случаю лишь одного нагревателя питающей воды мы можем использовать единственность и непрерывность (относительно давления при отборе и температуры питающей жидкости на входе) для построения окрестности
с ()к,()к+1во внутренней области и доказательства локальной оптимальности. При условии постоянства суммы тепловых нагрузок для этой пары мы можем рассматривать добавочный (отдельный) нагреватель питающей воды аналогично случаю лишь одного нагревателя питающей воды.
[00152] 2.4.2 Процедуры при фиксированном значении площади поверхности теплообмена
[00153] Основанный на двух пинч-точках критерий может также быть применен в случае фиксированной площади поверхности теплообмена, но при этом может быть нужна некоторая итерационная процедура. Оптимальная процедура до некоторой степени зависит от программного обеспечения, используемого для построения технологической схемы. Существует несколько приемлемых вариантов и в настоящей заявке обсуждены только некоторые взятые в качестве примера варианты. Общая рекомендация состоит в использовании давления Рв при отборе в качестве главной переменной при оптимизации. Затем, при заданных значениях площади поверхности теплообмена и давления при отборе основанный на двух пинч-точках критерий полностью определяет работу нагревателя питающей воды
посредством исключения одной переменной, например, массового расхода потока отобранной текучей среды. Отметим, что значение пинч-точки неизвестно и что работа определена лишь неявно.
[00154] Первый основной выбор состоит в том, чтобы или позволить оптимизирующему устройству управлять дополнительной переменной для удовлетворения нелинейному ограничению или замаскировать эту пару от оптимизирующего устройства и включить ее в качестве спецификации расчета при оценке целевой функции. Первая из упомянутых возможностей описана в статье L. Т. Biegler, Нелинейное программирование: концепции, алгоритмы и применения к химическим процессам, Серия MPS-SIAM по оптимизации, SIAM-Общество промышленной и прикладной математики, 2010, все содержание которой включено в настоящую заявку. Однако, в некоторых вариантах реализации настоящего изобретения использование вложенных технических требований расчета может быть более благоприятным, поскольку оно может помочь избежать ошибок на уровне моделирования.
[00155] Второе соображение связано с тем, какую пару переменной и ограничения следует выбрать. В настоящей заявке,
массовый расход те отобранного потока отрегулирован так, чтобы соответствовать критерию с двумя пинч-точками. Это требует расчета теплообмена в нагревателе питающей воды для каждого шага итерации ("исследование теплообменника"). Как только этот расчет выполнен, значения для двух пинч-точек могут быть получены из температурных профилей или из решения (10). В качестве альтернативы можно изменять значение Дм/та7" в пинч-точке для достижения заданного значения площади поверхности теплообмена. При этом альтернативном подходе массовый расход отобранного потока и тепловая нагрузка при теплообмене могут быть вычислены явно из уравнения (10), но необходим расчет площади поверхности теплообмена ("расчет теплообменника").
[00156] Раздел 3. Другие конфигурации нагревателей питающей воды
[00157] Как указано выше, существует несколько конфигураций нагревателей питающей воды. Для большинства конфигураций основанный на двух пинч-точках критерий вероятен, но аналитическое доказательство этого выходит за пределы объема настоящего раскрытия. Как показано в Таблице 3 ниже, для некоторых конфигураций, критерий, возможно, не применим.
[00158] 3.1 Сток в открытый нагреватель питающей воды
[00159] В вышеупомянутых аналитических доказательствах предполагалось, что сток направлен в конденсатор. Для закрытого нагревателя питающей воды с высоким давлением лучший выбор в некоторых вариантах реализации настоящего изобретения состоит в направлении стока в следующий возможный дегазатор или открытый нагреватель питающей воды, поскольку это обеспечивает возможность восстановления некоторой части остающегося коэффициента готовности и уменьшает нагрузку на конденсатор и насосы. Доказательство, использованное в Теореме 1, предполагает, что сток не влияет на температуру питающей жидкости на входе, и поэтому не применимо непосредственно к случаю направления стока в конденсатор. Основанный на двух пинч-точках критерий также применим к этой конфигурации нагревателя питающей воды. Хотя аналитическое доказательство выходит за пределы объема настоящего раскрытия, числовые примеры приведены в Разделе 5.
[00160] 3.2 Каскадирование (вниз)
[00161] В высокоэффективных циклах с несколькими закрытыми нагревателями питающей воды общепринято каскадирование потоков отобранной текучей среды вниз, а именно, направление стока в последующий закрытый нагреватель питающей воды (непосредственно при более низком давлении) и смешивание его с входным потоком отобранной текучей среды. Аналогично случаю направления стока в закрытый нагреватель питающей воды, часть остающегося коэффициента готовности захвачена. Хотя аналитическое доказательство выходит за пределы объема настоящего раскрытия, числовые примеры, приведенные в Разделе 4 и Разделе 5 показывают,
что основанный на двух пинч-точках критерий также может быть применен к этой конфигурации.
[00162] 3.3 Подкачка к питающей жидкости
[00163] Одна конфигурация технологической схемы состоит в подкачке стока до давления питающей жидкости и его смешивания с питающей жидкостью, как показано на фиг. 5А-5В. Один альтернативный вариант, показанный на фиг. 5А, состоит в смешивании на входе в закрытый нагреватель питающей воды, что может быть названо закачкой назад (или вниз). Другой альтернативный вариант, показанный на фиг. 5В, состоит в закачке вперед (или вверх), то есть, в смешивании с питающей жидкостью в выходном отверстии для отобранной текучей среды в закрытом нагревателе питающей воды. Для любой из насосных конфигураций получение двух пинч-точек представляет собой оптимальный выбор величин давления отобранной текучей среды и массового расхода потока для проведения пинч-анализа, а не нахождение однозначно определенного оптимума. В подходе, основанном на постоянном значении площади теплообмена, две пинч-точки не желательны. Вообще говоря, оптимальный выбор состоит в достижении пинч-точки в начале конденсации и достаточного переохлаждения в выходном отверстии для отобранной текучей среды, чтобы гарантировать, что никакие технические трудности не будут возникать при накачке. Аналогично критерию с двумя пинч-точками, это дает две связи, которые могут быть использованы для исключения двух из этих трех переменных.
[00164] Предположение 10 (Энтальпия на входе питающей жидкости): Предположено, что энтальпия hfr, на входе питающей жидкости в нагреватель питающей воды не выше, чем энтальпия пт (Р0) на выходе турбины :
hfi 2S hT(P0).
[00165] Предположение 10 удовлетворено для обычных линий расширения и рабочих текучих сред, например, воды и аммиака, гептана и толуола.
[00166] Теорема 3 (р-пинч-точка для конфигурации подкачки): Рассмотрим регенеративный цикл Ренкина без промежуточных нагревов и с положительной величиной изоэнтропической эффективности турбины. Пусть температура на входе турбины, давление на входе турбины, температура на выходе турбины и давление Р0 на выходе турбины фиксированы, то есть, не подвержены влиянию отбора. Рассмотрим произвольный нагреватель питающей воды, определенный
произвольным, но фиксированным значением массового расхода TTIF потока питающей жидкости , температурой Tf,, на входе питающей
жидкости и тепловой нагрузкой питающей воды. Выберите пару из массового расхода тв потока при отборе и давления Рв при отборе таким образом, чтобы работа цикла была оптимизирована. При выполнении предположения 10 минимальная разность температур при сближении кривых имеет место в начале конденсации. Кроме того, переохлаждение стока для достижения двух пинч-точек увеличивает площадь поверхности теплообмена без увеличения эффективности.
[00167] Доказательство: Мы сначала покажем необходимость наличия пинч-точки в начале конденсации способом от противного.
Предположим, что пара (_Рв,гпв) оптимальна и пинч-точка не имеет место
в начале конденсации. Для любой пары (Ре, те) первый закон термодинамики в пренебрежении мощностью насоса дает
mFtlhFii + mB/iT(Ps) = mFohFiOI
[00168] где состояние на входе, обозначенное индексом /', имеет место перед смешиванием, а где состояние на выходе, обозначенное индексом о, имеет место после смешивания. Аналогично, баланс масс дает
(tm)F,I + (tm)в = mFi0.
[00169] Объединяя последние два уравнения, получаем (mFo - mB)hFii + rhBhT(PB) = mFohFi0
[00170] и таким образом
= О
\дРв)То
[00171] Дифференцируя и проводя оценку при (_FB,mB), имеем 'dm*
[hr(PB) - hFii) + rhB
PBWB
[00172] При выполнении предположения 10 получаем hF,i < пт(Р0) и таким образом
hr(P8) ~ hFii > hT(PB) - hT(P0)
[00173] Следовательно
dWB\ fdmB\
OPS\Pb ~ \dpB)To
{ht(PB)-bt(Po))+riR
(II
[00174] Как и при доказательстве Теоремы 1, мы имеем
> О,
и поэтому Рв не оптимально.
[00175] Мы теперь продемонстрируем, что две пинч-точки не желательны с точки зрения площади поверхности теплообмена.
Предположим, что пара iPBrrhB) оптимальна и пинч-точка имеет место и в начале конденсации и в выходном отверстии для стока. При сохранении
условий отбора разделите теплообменник на два сегмента: (/') сегмент, предназначенный для охлаждения пара и конденсации и (//') сегмент, предназначенный для переохлаждения. При удалении второго сегмента мы все же достигаем полной конденсации: в случае закачки назад входы в сегмент (/') не изменены; в случае закачки вперед вход питающей жидкости в сегмент (/') холоднее, что приводит к более высокому значению коэффициента теплообмена (влиянием более низкого расхода потока на коэффициент теплообмена пренебрегают). Кроме того, удаление второго сегмента не изменяет состояние на выходе питающей жидкости (после перемешивания); это очевидно при использовании первого закона термодинамики и баланса масс. В заключение отметим, что площадь поверхности теплообмена может быть уменьшена без ухудшения характеристик.
[00176] 3.4 Открытый нагреватель питающей воды [00177] Для полноты изложения рассмотрим также открытые нагреватели питающей воды. Очевидно, что открытые нагреватели питающей воды не попадают в ту же категорию, что закрытые нагреватели питающей воды и, таким образом, основанный на двух пинч-точках критерий не применим непосредственно. С другой стороны, все же имеет смысл оптимизировать давление и массовый расход потока при отборе. Для каждого открытого нагревателя питающей воды существуют три переменных оптимизации, а именно, рабочее давление, давление и массовый расход потока для отобранной текучей среды. Следуя той же самой процедуре, что при доказательстве Теоремы 3, можно показать, что оптимальное давление при отборе равно рабочему давлению дегазатора. Кроме того, массовый расход отобранного потока определен желательным увеличением температуры и требованием насыщения в выходном отверстии для питающей жидкости. Таким образом, аналогично случаю закрытых нагревателей питающей воды, должна быть оптимизирована только одна переменная.
[00178] 4 Численные примеры с простой технологической схемой
[00179] В этом Разделе обоснованность критерия расчета
продемонстрирована численно для лишь одного нагревателя питающей воды и множества нагревателей питающей воды. Рассмотрены энергетические циклы с каскадными и некаскадными нагревателями питающей воды. В дополнение к случаю предварительно указанной минимальной разности температур при сближении кривых критерий расчета продемонстрирован для случая предварительно указанного значения площади поверхности теплообмена. Для простоты и компактности одинаковый цикл использован для обоснования критерия и в случае лишь одного и в случае множества нагревателей питающей воды.
[00180] Простой цикл Ренкина, осуществленный в пакете программ ASPENPLUS, показан на фиг. 6 и использован для объяснения важности критерия с двумя пинч-точками. Питающая вода, выходящая из конденсатора при давлении конденсатора в 0,04 бар и с массовым расходом потока в 100 кг/с, сжата до давления котла в 100 бар до входа в нагреватели питающей воды. Давление в конденсаторе ниже атмосферного давления, что означает необходимость использования дегазатора, для простоты не смоделированного в настоящей заявке; это не влияет на результаты, и дегазатор рассмотрен в Разделе 5. Происходит увеличение температуры питающей воды по мере переноса тепловой энергии из отобранных текучих сред, проходящих через нагреватели. Питающая вода затем нагрета в котле до фиксированной выходной температуры в 500°С перед входом в линию расширения пара, где происходит выработка мощности посредством паровой турбины. Две точки отбора, по одной для каждой отобранной текучей среды, присутствуют на линии расширения. Показаны две конфигурации для отобранной текучей среды, каскадная и некаскадная. В обеих конфигурациях отобранный поток, выходящий из нагревателя 2 питающей воды, смешан с главным потоком питающей воды в конденсаторе. В каскадной конфигурации (отмеченной значками х на фиг. 6), отобранная текучая среда на выходе нагревателя питающей воды смешана с находящейся под более низким давлением отобранной текучей средой до входа в нагреватель 2 питающей воды. Напротив, в
некаскадной конфигурации (отмеченной значками ° на фиг. 6), выходящая из нагревателя 1 питающей воды отобранная текучая среда направлена непосредственно в конденсатор. Подтвержденная эффективность цикла равна отношению суммарной выработанной мощности (мощность турбины минус мощность насоса) к коэффициенту теплообмена в котле. Ради простоты мы не рассматриваем никаких перепадов давления и турбины, как предположено, необратимы. Отметим, что это нереалистическое предположение не воздействует на качественные результаты, а более реалистический пример дан в Разделе 5.
[00181] 4.1 Лишь один нагреватель питающей воды
[00182] Схема регенерации, показанная на фиг. 6, имеет два закрытых нагревателя питающей воды. Только некаскадная конфигурация обсуждена в этом подразделе, и только нагреватель 1 питающей воды (с высоким давлением) проанализирован. Напротив, нагреватель 2 питающей воды (с низким давлением) полагают фиксированным следующим образом:
РВ2 =0,158 бар, mB2=4J3 кг/с, Q2 = 9,50 МВт
[00183] Технические требования для нагревателя 2 питающей воды выбраны таким образом, чтобы приводить к двум пинч-точкам со значением 3°С. Эта произвольная спецификация не затрагивает результаты, представленные в этом подразделе, поскольку они относятся только к полной эффективности.
[00184] 4.1.1 Минимальная разность температур при сближении кривых
[00185] Как упомянуто выше, общий упрощенный способ анализа и оптимизации на уровне устройства представляет собой пинч-анализ. Предлагаемый основанный на двух пинч-точках критерий численно обоснован для этого упрощенного расчета. Тепловая нагрузка при
теплообмене в нагревателе 1 питающей воды установлена равной <2i = 60,7 МВт. Это значение выбрано на основании приблизительно оптимальной эффективности цикла. Как указано выше, это значение
тепловой нагрузки при теплообмене может быть достигнуто для различных комбинаций массового потока расхода и давления отобранного потока, что приводит к различным необходимым значениям минимальной разности температур при сближении кривых и площади поверхности теплообмена. Значения массового расхода и давления отобранного потока дискретизированы с 200 точками каждое в диапазонах
Рд1 е [13Д5]Ьаг, тВ1 е [22,24r]kg/s
[00186] а технологическая схема по фиг. 6 моделирована посредством пакета программ ASPENPLUS для каждого значения. Результаты показаны на фиг. 7, где отображены контуры эффективности как функции этих двух переменных. Эта функция соответствует целевой функции оптимизации, причем при уменьшении давления и массового расхода потока при отбора происходит ее увеличение. На фиг. 7 также показаны оптимизационные ограничения, а именно, две возможных пинч-точки в начале конденсации и в выходном отверстии для питающей воды при заданных значениях минимальной разности температур при сближении кривых. Эти пары линий определяют выполнимый участок для повышенных значений давления и/или массового расхода потока (участок направо вверх), и участок неосуществимых действий, то есть, действий, нарушающих заданное значение минимальной разности температур при сближении кривых (участок налево вниз). Пересечение этих пар линий происходит в месте наличия двух пинч-точек для данной минимальной разности температур при сближении кривых, а данные показывают множество всех точек пересечения. При заданном значении минимальной разности температур при сближении кривых две пинч-точки имеют место на контурной линии, расположенной выше любой из двух пинч-линий. Математически это может быть выражено как градиент целевой функции, лежащей в выполнимом конусе, определенном связями. Другими словами, при перемещении по любой из пинч-линий происходит увеличение эффективности при приближении к двойному пинчу и ее уменьшение при удалении от него. На основании этого графика очевидны еще два факта, которые могут также быть доказаны
аналитически: (/') давление отобранной текучей среды в двойном пинче представляет собой наименьшее давление при отборе, обеспечивающее возможность наличия пинч-точки в выходном отверстии нагревателя питающей воды; и (/'/') массовый расход потока отобранной текучей среды в двойном пинче представляет собой наименьший массовый расход потока, обеспечивающий возможность наличия пинч-точки в начале фазового превращения.
[00187] На фиг. 7 пинч-линий наложены друг на друга: пинч-точка в начале конденсации со значениями минимальной разности температур при сближении кривых, равными 0,1°С и 2,5°С (пунктирные линии, обозначенные как р-пинч-точка); пинч-точка в выходном отверстии нагревателя питающей воды со значениями минимальной разности температур при сближении кривых, равными 0,1°С и 2,5°С (пунктирные линии, обозначенные как о-пинч-точка); двойной пинч с переменными значениями минимальной разности температур при сближении кривых (пересечение двух пинч-линий).
[00188] Максимизация эффективности эквивалентна минимизации выработки полной энтропии в устройстве, или полному разрушению эксэргии. Известно, что минимальная выработка энтропии в устройстве не обязательно эквивалентна минимальной выработке энтропии для каждого компонента. Например, для минимальной выработки энтропии в нагревателе питающей воды предпочтительна нулевая тепловая нагрузка при теплообмене, что приводит к квазиоптимальной эффективности цикла. Однако, численные результаты дают возможность предположить, что для этой простой технологической схемы оптимальные расчет и работа нагревателя питающей воды совпадают с минимальной выработкой энтропии в нагревателе питающей воды при фиксированных значениях тепловой нагрузки при теплообмене и минимальной разности температур при сближении кривых. Это показано на фиг. 8, где изображены контуры скорости выработки энтропии при вышеупомянутых ограничениях. Минимальная выработка энтропии интуитивно верна, поскольку двойной пинч по-видимому приводит к меньшей средней температуре между питающей жидкостью и отобранной
текучей средой. Однако, как очевидно из фиг. 2 (пересечение линий для отобранной текучей среды) существует компромисс между значениями давления и массового расхода потока при отборе, так что доказательство обоснованности выработки энтропии не представляет собой тривиальную задачу. Кроме того, минимизация выработки энтропии в рамках расчета цикла не практична, поскольку она потребовала бы решения задачи оптимизации при наличии ограничений, включенной в моделирование или оптимизацию цикла. Например, оптимизация цикла могла бы установить/выбрать значение тепловой нагрузки при теплообмене, и выработка энтропии была бы минимизирована посредством изменения значений давления и массового расхода потока при отборе при минимальной разности температур при сближении кривых. Вложенные задачи об оптимизации представляют собой чрезвычайно трудные задачи, только недавно решенные для невыпуклых случаев. Смотри статью A. A. Mitsos, P. Lemonidis, P. I. Barton, Глобальное решение двухуровневых программ с невыпуклой внутренней программой, Journal of Global Optimization 42 (4) (2008) 475-513, все содержание которой включено в настоящую заявку. Другими словами, задачу минимизации выработки энтропии считают более сложной, чем первоначальную задачу об оптимизации на уровне устройства. С другой стороны, способ на основе двух пинч-точек устраняет две степени свободы и удовлетворяет расчетным ограничениям на каждом шаге итерации, выполняемой устройством оптимизации, избавляя от необходимости использования пространственно распределенной модели. Наконец, в случае фиксированного значения площади поверхности теплообмена выработка минимальной энтропии в нагревателе питающей воды не представляет собой хороший критерий, как будет обсуждено в дальнейшем.
[00189] На фиг. 8 показаны контуры скорости ^е?1 выработки
энтропии для регенерированной тепловой нагрузки температур при сближении кривых, равными 0,1°С и 2,5°С (пунктирные линии, обозначенные как р-пинч-точка); пинч-точка в выходном отверстии нагревателя питающей воды со значениями минимальной разности температур при сближении кривых, равными 0,1°С и 2,5°С (пунктирные линии, обозначенные как о-пинч-точка); двойной пинч с переменными значениями минимальной разности температур при сближении кривых (пересечение двух пинч-линий).
[00190] 4.1.2 Фиксированное значение площади поверхности теплообмена
[00191] Результаты, представленные в предыдущем подразделе, подтверждают аналитическое доказательство, полученное для упрощенного способа пинч-анализа. Этот анализ в принципе игнорирует капитальные затраты, связанные с увеличением площади поверхности теплообмена при достижении минимальной разности температур при сближении кривых в двух точках. Для выяснения вопроса о капитальных затратах технологическая схема, приведенная на фиг. 6, теперь проанализирована для заданной (постоянной) площади поверхности теплообмена нагревателя 2 питающей воды, принятой равной 2,516 м2. Для демонстрации общности результатов эта площадь выбрана отличной от площади, соответствующей выбранному значению тепловой нагрузки при минимальной разности температур при сближении кривых. Аналогично предыдущему анализу диапазоны изменения массового расхода и давления отобранного потока дискретизированы посредством 200 точек каждый, причем диапазоны таковы
РВ1 Е [11,13]Ьаг, rhBl 6 [21,23]k0/s.
[00192] Эти диапазоны подобны, но все же не идентичны приведенным ранее диапазонам для другого значения площади поверхности теплообмена / тепловой нагрузки. Результаты показаны на фиг. 9, где приведены контуры эффективности. Эффективность максимальна для средних значений давления и массового расхода потока при отборе. Для каждого значения давления при отборе существует значение массового расхода потока при отборе, которое максимизирует эффективность цикла (линия, обозначенная как "линия
К заявке № 201391728
максимальной эффективности"); эти пары почти оптимальны. Разность составляет величину порядка 10~5 (10~3 в шкале процентов), то есть, она заметна в численных результатах, но незначительна по сравнению с погрешностями модели и/или расчетов. В математических терминах, существует линейное многообразие в пространстве переменной оптимизации, вдоль которого производная по направлению очень мала. С точки зрения практики это обеспечивает возможность оптимизации цикла даже при невозможности выбора значения давления с произвольной точностью. Это, например, важно для потенциальной модификации существующих циклов; там, вероятно, нет возможности изменения давления при отборе, но существует возможность изменения массового расхода потока при отборе. Небольшая разница в эффективности между парами с двумя пинч-точками и абсолютным оптимумом означает, что при такой модификации обеспечена возможность получения почти такого же улучшения эффективности, как и для оптимальной конструкции.
[00193] При низких значениях давления при отборе и высоких значениях массового расхода потока при отборе (левый верхний угол) минимальная разность температур при сближении кривых в начале конденсации намного меньше минимальной разности температур при сближении кривых в выходном отверстии, причем противоположное утверждение верно при высоких значениях давления при отборе и низких значениях массового расхода потока при отборе (правый нижний угол). На фиг. 9 также показана линия (приближенная) двойного пинча (эта линия обозначена как "линия двойного пинча"), которая дает результаты эффективности в пределах 10~5 (10~3 в шкале процентов) от вышеупомянутой линии почти оптимальной эффективности. Эта разность так мала, что может быть приписана погрешностям модели и/или расчетов и незначительна с практической точки зрения. Также следует отметить, что эффективность, по-видимому, способствует большому пинчу в выходном отверстии, но не большому пинчу в начале конденсации. Это представляет собой возможное объяснение используемого в текущей практике расчетов лишь небольшого
переохлаждения стока, см. последующее обсуждение. Однако, оба несбалансированных значения минимальной разности температур при сближении кривых хуже сбалансированного значения минимальной разности температур при сближении кривых.
[00194] На фиг. 10 показаны контуры интенсивности выработки энтропии в нагревателе 2 питающей воды, как функции двух параметров отобранной текучей среды. Те же самые линии, что на фиг. 9, нанесены на фигуре. Очевидно, что минимальная выработка энтропии в нагревателе питающей воды не представляет собой хороший критерий для максимальной эффективности цикла. Это отлично от случая пинч-анализа при заданной тепловой нагрузке. Конкретнее, минимальная выработка энтропии имеет место при низком значении тепловой нагрузки при теплообмене, что происходит при низких значениях давления и массового расхода потока при отборе. Другими словами, минимизация выработки энтропии в нагревателе питающей воды игнорирует преимущества увеличенной регенерации до котла. Напротив, раскрытый в настоящей заявке и основанный на двух пинч-точках критерий представляет собой хороший критерий для достижения оптимальной эффективности.
[00195] На фиг. 9 показаны контуры эффективности для фиксированного значения площади поверхности теплообмена нагревателя питающей воды, составляющей 2,516 м2. "Линия максимальной эффективности" показывает оптимальное значение массового расхода потока при отборе при заданном значении давления при отборе, а "линия двойного пинча" показывает пары значений, приводящих к двойному пинчу; рабочие точки на этих двух линиях дают разности эффективности меньше, чем 10~5 (10~3 в шкале процентов). Крестик с указанием "максимальная эффективность на линии двойного пинча" отмечает оптимальное решение, а крестик с указанием "максимальная эффективность" отмечает наилучшую точку двойного пинча.
[00196] На фиг. 10 показаны контуры выработки энтропии ?деп для фиксированного значения площади поверхности теплообмена
нагревателя питающей воды, составляющей 2,516 м2. "Линия максимальной эффективности" показывает оптимальное значение массового расхода потока при отборе при заданном значении давления при отборе, а "линия двойного пинча" показывает пары значений, приводящих к двойному пинчу; рабочие точки на этих двух линиях дают разности эффективности меньше, чем 10~5 (10~3 в шкале процентов). Крестик с указанием "максимальная эффективность на линии двойного пинча" отмечает оптимальное решение, а крестик с указанием "максимальная эффективность" отмечает наилучшую точку двойного пинча.
[00197] 4.2 Отсутствие каскадирования, каскадирование и обычная практика
[00198] Высокоэффективные регенеративные циклы Ренкина содержат каскадные потоки отобранной текучей среды в цепочке нагревателей питающей воды, то есть, комбинируют сток от нагревателя питающей воды со входной отобранной текучей средой предыдущего нагревателя питающей воды (с последующим более низким давлением). На фиг. 6 текучая среда, выходящая из нагревателя 1 питающей воды, смешана с текучей средой, входящей в нагреватель 2 питающей воды (линия, отмеченная крестиками х). Преимущество этой конфигурации состоит в том, что отобранная текучая среда на выходе все же имеет значительно более высокую температуру, чем последующий дегазатор или конденсатор, и таким образом, наличие потока может быть использовано для предварительного нагревания питающей воды и, таким образом, для уменьшения необходимого массового расхода отобранного потока по направлению к предыдущему нагревателю питающей воды. Как правило, расположенные каскадом нагреватели питающей воды рассчитаны и работают так, чтобы достигать значения минимальной разности температур при сближении кривых в начале конденсации и переохлаждать отобранную текучую среду на выходе на несколько градусов Кельвина. Это, по-видимому, уменьшает площадь поверхности теплообмена, необходимую для работы без потери эффективности, поскольку отобранная текучая среда будет
использована далее. Однако, такой анализ может вводить в заблуждение, поскольку дальнейшее переохлаждение отобранной текучей среды означало бы, что предыдущий нагреватель питающей воды должен предварительно подогревать питающую жидкость до более низкой температуры.
[00199] В настоящей заявке не приведено никакого аналитического доказательства относительно оптимальности двойного пинча в каскадной конфигурации, а скорее, проведена численная проверка критерия для технологической схемы, показанной на фиг. 6. Сопоставление эффективности с подходом на основе пинч-анализа могло бы быть отмечено как несправедливое одобрение предложенного критерия с двумя пинч-точками из-за потенциально большой площади поверхности теплообмена. Поэтому сопоставление проведено при постоянной полной площади поверхности теплообмена. Сопоставлены следующие четыре конфигурации/конструкции: (/') каскадная конфигурация с предложенным критерием с двумя пинч-точками; (и) некаскадная конфигурация с предложенным критерием с двумя пинч-точками; (Mi) каскадная конфигурация в соответствии с текущей практикой построения конструкции с небольшим переохлаждением в выходном отверстии нагревателя 1 питающей воды и предложенным критерием с двумя пинч-точками для нагревателя 2 питающей воды (низкое давление); (iv) каскадная конфигурация в соответствии с текущей практикой построения конструкции с небольшим переохлаждением в выходном отверстии для обоих нагревателей питающей воды. Для каждого случая оптимизация эффективности на уровне цикла выполнена посредством изменения доли площади поверхности теплообмена между двумя нагревателями питающей воды, а также посредством изменения давлений при отборе. Для критерия с двумя пинч-точками при заданных значениях давления и площади поверхности теплообмена нагреватель питающей воды полностью определен посредством уравнения (10). В текущей практике расчетов при заданном значении рабочего давления температура на выходе отобранной текучей среды определена как У631 (Ре) - 2 К; поэтому при
заданном значении площади поверхности теплообмена нагреватель питающей воды полностью определен. Простой мысленный эксперимент для проверки этого состоит в том, чтобы заметить постоянство температуры питающей жидкости на входе, причем то же самое верно для температуры на входе и выходе отобранной текучей среды; величина расхода потока питающей жидкости также задана, так что выбрав значение массового расхода отобранного потока, мы получаем значение тепловой нагрузки при теплообмене и температуру на выходе питающей жидкости посредством энергетического баланса; корреляции теплообмена приводят к расчету площади поверхности теплообмена. В пакете программ ASPENPLUS значения массового расхода отобранного потока и тепловой нагрузки при теплообмене для каждого нагревателя питающей воды осуществлены техническими спецификациями, включенными в оптимизацию.
[00200] Расчеты выполнены со значениями коэффициента теплообмена, обусловленными различными состояниями, а именно, со значением U = 0,709 КВт / (м2К) для секции пар- текучая среда, со значением U = 3,975 кВт / м2К для секции конденсация и значением U = 1,704 кВт / (м2К ) для секции переохлаждения, причем эти значения взяты из примера, приведенного в книге М. М. El-Wakil, Техника энергетических установок, Международное издание, McGraw-Hill, 1985, все содержание которой включено в настоящую заявку. Значения коэффициентов теплообмена фактически зависят от геометрии нагревателя и условий потока, но в настоящей заявке для простоты они взяты в виде постоянной величины. Кроме того, расчеты выполнены и для постоянного значения полного коэффициента теплообмена, но поскольку они приводят к очень похожим в качественном отношении результатам, они не показаны в настоящей заявке ради лаконичности.
[00201] На фиг. 11 показаны графики оптимальной эффективности для каждой из этих четырех процедур расчета в зависимости от общей площади поверхности теплообмена нагревателей питающей воды. Как и ожидалось, все четыре кривые монотонно возрастают, отражая компромисс между капитальными затратами и эффективностью, включая
асимптоту к конечному значению для бесконечного значения площади поверхности теплообмена. Кроме того, как и ожидалось, каскадная технологическая схема с двумя пинч-точками лучше своего некаскадного эквивалента. Основной вывод состоит в том, что каскадный цикл с двумя пинч-точками в обоих нагревателях питающей воды значительно лучше общепринятой практики. При больших значений площади поверхности теплообмена улучшение эффективности составляет порядка 2 процентов по сравнению с небольшим переохлаждением в обоих нагревателях питающей воды и порядка 0,5 процентов в случае применения основанного на двух пинч-точках критерия к нагревателю питающей воды с низким давлением, а небольшое переохлаждение применено к нагревателю питающей воды с высоким давлением. При небольших значениях площади поверхности теплообмена улучшение эффективности не столь резкое, но все же существенное. Кроме того, некаскадный цикл с двумя пинч-точками лучше каскадного цикла без двух пинч-точек и очень близок к каскадной конфигурации с двумя пинч-точками в нагревателе 2 питающей воды. Наконец, имеет место увеличение разницы в эффективности между различными процедурами с увеличением площади, то есть, раскрытый в настоящей заявке критерий расчета более важен для больших значений площади поверхности теплообмена теплообменника.
[00202] На фиг. 11 оптимальная производительность в соответствии с четырьмя различными процедурами расчета отложена в зависимости от полной площади поверхности теплообмена нагревателей питающей воды для технологической схемы по фиг. 6: каскадирование с двумя пинч-точками для обоих нагревателей питающей воды (сплошная кривая, отмеченная как "каскадирование, 2 пинч-точки, 2 пинч-точки"); каскадирование с переохлаждением на 2 К для нагревателя 1 питающей воды и с двумя пинч-точками для нагревателя 2 питающей воды (штрих-пунктирная линия, отмеченная как "каскадирование, р-пинч-точка, 2 пинч-точки"); отсутствие каскадирования с двумя пинч-точками для обоих нагревателей питающей воды (линия с метками х, отмеченная как "каскадирования нет, 2 пинч-точки, 2 пинч-точки"); каскадирование с
переохлаждением на 2 К для обоих нагревателей питающей воды (линия с треугольными метками, отмеченная как " каскадирование, р-пинч-точка, р-пинч-точка").
[00203] 5 Численные примеры с расчетом реалистического цикла
[00204] В этом разделе рассмотрен реалистический цикл Ренкина, показанный на фиг. 12. Он содержит четыре закрытых нагревателя питающей воды и открытый нагреватель питающей воды, действующий как дегазатор. Эти четыре закрытых нагревателя питающей воды расположены в виде двух пар, выше и ниже дегазатора. Для каждой из двух пар закрытых нагревателей питающей воды использовано каскадирование, то есть, сток закрытого нагревателя питающей воды с высокой температурой объединен с отобранной текучей средой, входящей в закрытый нагреватель питающей воды. Сток с самым низким давлением закачан вверх. Технические требования цикла показаны в Таблице 1 ниже. Для простоты полагают, что линия расширения имеет постоянную изоэнтропическую эффективность. В противном случае оптимизация значительно усложнена.
[00205] Предложенный критерий оптимизации сравнен с текущей расчетной практикой с небольшим переохлаждением в стоке. Сначала отобранные текучие среды оптимизированы в соответствии со значением минимальной разности температур при сближении кривых, составляющей 2 К, для каждого закрытого нагревателя питающей воды (нагревателей 1,2,4 и 5 питающей воды) и с переохлаждением стока на 2 К. Затем значение площади поверхности теплообмена для каждого закрытого нагревателя питающей воды фиксировано и использовано для оптимизации технологической схемы посредством раскрытого в настоящей заявке подхода на основе двух пинч-точек для трех из четырех закрытых нагревателей питающей воды. Поскольку сток последнего закрытого нагревателя питающей воды закачан вверх, двойной питч не оптимален и сток переохлажден на 2 К. Кроме того, отобранная текучая среда представляет собой двухфазную жидкость (не перегретую), и таким образом пинч-точка имеет место на входе
отобранной текучей среды. Результаты показаны в Таблице 2; раскрытый в настоящей заявке критерий приводит к значительному увеличению эффективности, порядка 0,45 процента. Отметим, что это достигнуто простым изменением значений давления отобранной текучей среды и массового расхода потока без какого-либо увеличения площади поверхности теплообмена, без добавления компонентов и без изменения структуры технологической схемы. Кроме того, площадь поверхности теплообмена каждого нагревателя питающей воды выбрана на основании оптимизации с использованием обычного критерия расчета; обеспечение возможности перераспределения площади поверхности теплообмена привело бы к дальнейшему увеличению эффективности при использовании раскрытого в настоящей заявке критерия.
[00206] Таблица 1: Спецификации технологической схемы с 4+1 нагревателями питающей воды, показанными на фиг. 12
Название характеристики
Значение характеристики
Основной массовый расход потока питающей воды
108 кг/с
Давление в котле
150,3 бар
Температура перегрева в котле
542,9 С
Эффективность турбины
Изоэнтропическая 0,7 - Механическая 1
Давление дегазатора = давлению отобранной текучей среды 3
17,53 бар
Давление конденсатора
0,05 бар
Температура конденсата
33,0 С
Эффективность насосов
Изоэнтропическая 0,7 - Механическая 1
Давление на выходе насоса низкого давления
20,31 бар
Спецификация
Обычная
Двойной пинч
Нагреватель 1 питающей воды
Минимальная разность температур при сближении кривых = 2 С
Площадь поверхности теплообмена = 2165 м2
Нагреватель 2 питающей воды
Минимальная разность температур при сближении кривых = 2 С
Площадь поверхности теплообмена = 1667,8 м2
Нагреватель 4 питающей воды
Минимальная разность температур при сближении кривых = 2 С
Площадь поверхности теплообмена = 1486,8 м2
Нагреватель 5 питающей воды
Минимальная разность температур при сближении кривых = 2 С
Площадь поверхности теплообмена = 1048
[00207] Таблица 1: Результаты для технологической схемы с 4+1 нагревателями питающей воды, показанными на фиг. 12
Результаты оптимизации
Обычные
Двойной пинч
Эффективность
38,11 %
38,56 %
n(i)
71,3 бар
82,87 бар
<
14,9 кг/с
15,81 кг/с
р(2) ГВ
36,0 бар
35,21 бар
6,26 кг/с
6,736 кг/с
6,221 кг/с
8,418 кг/с
n(4) ГВ
5,883 бар
4,619 бар
<
9,120 кг/с
8,212 кг/с
p(5) rB
1,080 бар
0,7478 бар
7,162 кг/с
6,621 кг/с
[00208] 6 Выводы
[00209] Новый критерий расчета раскрыт выше в отношении расчета и работы нагревателей питающей воды в регенеративных циклах Ренкина. Основное положение состоит в наличии одинаковых пинч-точек в начале конденсации отобранной текучей среды и в выходном отверстии для отобранной текучей среды. Критерий доказан аналитически для простой конфигурации и иллюстрирован численно во взятых в качестве примера случаях для различных конфигураций (см. Таблицу 3 ниже). Применение критерия приводит к существенному улучшению эффективности при постоянном значении площади поверхности теплообмена (отражающей капитальные затраты). Кроме того, в настоящей заявке раскрыта процедура, сильно упрощающая расчет и оптимизацию регенеративных циклов Ренкина. В рамках пинч-анализа для каждого нагревателя питающей воды значения пинч-точки и давления при отборе (переменная при расчете) фиксированы или оптимизированы; значения массового расхода отобранного потока и
интенсивности теплообмена (эксплуатационные переменные) отрегулированы так, чтобы достигать двойного пинча. При строгом расчете значения давления при отборе и площади поверхности теплообмена (переменные при расчете) фиксированы или оптимизированы; значения массового расхода отобранного потока и значение пинч-точки отрегулированы так, чтобы достигать двойного пинча. Анализ примеров показывает, что при использовании предложенного критерия с двумя пинч-точками работа цикла не очень чувствительна к методу расчета и существенные улучшения эффективности могут быть достигнуты посредством регулировки только эксплуатационных переменных. При использовании для оптимизации средств поиска локальных оптимумов этот критерий увеличивает возможность нахождения глобального оптимума; а при использовании средств поиска глобального оптимума уменьшено количество переменных и связей, что, обычно, приводит к значительно меньшему расходу времени центрального процессора. Регенеративные циклы Ренкина весьма распространены в промышленности и в новых энергетических системах и поэтому у критерия, раскрытого в настоящей заявке, есть важные приложения для научных исследований и разработок.
[00210] Основанный на двух пинч-точках критерий может быть приложен к различным устройствам, таким как котлы и теплоутилизационные парогенераторы, и к случаям, где оба потока претерпевают фазовый переход. Основанный на двух пинч-точках критерий может также быть использован при расщеплении стока и каскадным и некаскадным способами.
[00211] Таблица 3: Применимость предложенного критерия
расчета для различных конфигураций и фактические данные, приведенные в настоящем раскрытии
Пинч-анализ с фиксированными значениями Q и
минимальной разности температур при сближении кривых
Фиксированное значение площади поверхности теплообмена
Сток в конденсатор
Уникальный оптимум двойного пинча (аналитическое доказательство + численные исследования на примерах)
Уникальный оптимум двойного пинча (численные исследования на примерах)
Сток в открытый нагреватель питающей воды
Уникальный оптимум двойного пинча (численные исследования на примерах)
Уникальный оптимум двойного пинча (численные исследования на примерах)
Каскадный сток в закрытый нагреватель питающей воды
Уникальный оптимум двойного пинча (численные исследования на примерах)
Уникальный оптимум двойного пинча (численные исследования на примерах)
Подкачка назад/вперед (вниз/ вверх
Неуникальный оптимум двойного пинча (аналитическое доказательство)
Двойной пинч не оптимален (аналитическое доказательство)
Открытый нагреватель питающей воды
Двойной пинч не применим; оптимальное давление при отборе равно рабочему давлению (аналитическое доказательство)
Двойной пинч не применим; оптимальное давление при отборе равно рабочему давлению (аналитическое доказательство)
[00212] Подробно рассмотренный выше способ описывает новую работу нагревателей питающей воды, приводящую к оптимальной работе циклов Ренкина. Для новых энергетических установок этот подход легко осуществим, причем подход также применим к уже работающим энергетическим установкам. Кроме того, выше раскрыт способ расчета, приносящий пользу моделирующему и оптимизирующему программному обеспечению, предназначенному для моделирования работы энергетической установки, устраняя ошибки и аварии, ускоряя сходимость, ослабляя требования ко времени расчета и объему памяти, уменьшая сложность задач посредством уменьшения количества переменных оптимизации и активного удовлетворения связям и избегая появления квазиоптимальных рабочих условий локального оптимума. Это может быть также воплощено посредством менее удобных процедур, требующих дискретизации теплообменников и/или использования итераций для удовлетворения предложенному критерию. Существенные улучшения, порядка 0,4 (4 в шкале процентов) достигнуты посредством использования различных значений давления при отборе и массового расхода потока отобранных текучих сред по сравнению с обычной практикой. Полное потребление электричества во всем мире составило в 2008 году 132 ООО ТВт-час, 105 600 ТВт-час (80%) из которых было произведено посредством энергетических циклов Ренкина. Рассматривая цену в 10 центов / кВтч (средняя цена в Соединенных Штатах), получим в результате отпускную цену, приблизительно составляющую 11 триллионов американских долларов во всем мире. Таким образом даже улучшение в 0,01 % эффективности работы цикла Ренкина может дать в годовом исчислении экономию в 1 миллиард долларов (улучшение на 0,4 % дает в годовом исчислении экономию в 40 миллиардов долларов). Вышеупомянутое исследование приписывает топливу всю стоимость электроэнергии; это не совсем точно, но поскольку топливо представляет собой существенную составляющую, экономия составляет тот же порядок величины в миллиарды долларов.
[00213] Работа, раскрытая в настоящей заявке, основана на критерии с двумя пинч-точками для закрытых нагревателей питающей
воды. Отбираемые текучие среды извлечены из турбины в виде перегретого пара или двухфазной текучей среды и выходят из закрытых нагревателей питающей воды в виде переохлажденной жидкости; с другой стороны, питающая вода всегда может быть переохлажденной жидкостью. Нагреватели питающей воды могут быть смоделированы в виде противоточных теплообменников и, таким образом, есть два места в нагревателе питающей воды, способных приводить к пинчу, а именно, i) на выходе отобранной текучей среды и и) в начале конденсации. При заданной величине тепловой нагрузки в нагревателе питающей воды температура и массовый расход потока на входе питающей жидкости, а также массовый расход потока и давление при отборе могут быть выбраны так, чтобы достигать одинаковой минимальной разности температур при сближении кривых в двух потенциальных пинч-точках. Этот результат аналитически доказан для упрощенного расчета при использовании предварительно определенного значения минимальной разности температур при сближении кривых, основанного на слабых предположениях о физических параметрах рабочей текучей среды и эффективности линии расширения. Критерий численно продемонстрирован для упрощенного расчета и для расчета, использующего предварительно определенное значение площади поверхности теплообмена для теплообменника. Наложение критерия с двумя пинч-точками может быть легко выполнено в рамках процедуры оптимизации, а также скомбинировано с известным критерием об одинаковости возрастания энтальпии при переходе через нагреватели питающей воды. В случае оптимизации давление взято в качестве переменной оптимизации, используемой при аналитическом расчете тепловой нагрузки и массового расхода потока. Изменение независимого переменного приводит к значительно более быстрым вычислениям без создания ложных локальных минимумов. Критерий применим к закрытым нагревателям питающей воды в следующих конфигурациях:
[00214] Некаскадные потоки отобранной текучей среды: поток отобранной текучей среды на выходе определенного нагревателя питающей воды направлен непосредственно в дегазатор или
конденсатор.
[00215] Каскадные потоки отобранной текучей среды: поток отобранной текучей среды на выходе определенного нагревателя питающей воды смешан с отобранной текучей средой последующего нагревателя питающей воды с пониженным давлением перед входом в последний.
[00216] Каждый отобранная текучая среда на выходе ее соответствующего нагревателя питающей воды может быть закачана и объединена с питающей водой до ее ввода в нагреватель питающей воды. Из спецификации на минимальную внутреннюю температуру при сближении кривых следует, что эффективность не зависима от степени переохлаждения и двойной пинч представляет собой надлежащий критерий расчета. Однако, для экономии площади поверхности теплообмена в теплообменнике отобранная текучая среда может быть извлечена из нагревателя питающей воды переохлажденной на пару градусов.
[00217] В конфигурации, в которой отобранная текучая среда на выходе нагревателя питающей воды подкачана и смешана с питающей водой в выходном отверстии нагревателя, работа может быть оптимальной при изотермическом перемешивании. Другими словами, температура подкачанной отобранной текучей среды равна температуре питающей воды при выходе из водонагревателя ледяной воды и, таким образом, на несколько градусов ниже первоначальной температуры насыщения отобранной текучей среды до подкачки. Поэтому, отобранная текучая среда (или каскадный отобранный поток) обычно на несколько градусов переохлаждена при выходе из нагревателя питающей воды для такой конфигурации.
[00218] Раскрытый в настоящей заявке критерий может быть выгодным для более, чем одной регенерации в цикле Ренкина. Например, он может дать существенный вклад в теплообмен и тепловую интеграцию при неидентичных или не представляющих собой чистые материалы рабочих текучих средах, например, отходящий газ и рабочая текучая среда цикла Ренкина при теплоутилизационной генерации пара,
теплоутилизационной генерации пара в цикле Ренкина с дополнительной
выработкой электроэнергии с использованием сбрасываемого тепла, и
при теплоутилизационной генерации пара с использованием множества
уровней давления рабочей текучей среды в цикле Ренкина и т.д.
Химические заводы и процессы могут также извлечь выгоду из этого
процесса тепловой интеграции.
[00219] Вообще говоря, затруднение при использовании
существующих методик оптимизации регенеративного цикла Ренкина
состоит в присутствии трех переменных для каждой регенеративной
отобранной текучей среды: (i) давление при отборе текучей среды, (и)
массовый расход потока при отборе текучей среды и (Mi) тепловая
нагрузка, переносимая от отобранной текучей среды в питающую воду в
нагревателе питающей воды, и невыпуклой целевой функции для этого
множества переменных. Обычная практика квазиоптимальна, что
следует из аналитического доказательства или из представленных
численных результатов. Это приводит к неэффективной работе и
существенным потерям. В раскрытой схеме две из этих трех переменных
могут быть исключены, что сильно упрощает задачу оптимизации,
увеличивая эффективность. Другое преимущество состоит в том, что
тепловая нагрузка при теплообмене и массовый расход отобранного
потока явно выражены через давление при отборе, что избавляет от
необходимости использования затратной пространственно
распределенной модели, еще больше упрощая задачу оптимизации:
. he*at(PB)-h,(TFA+ &MfTATtPB) F hl(Tsat(PB) - Д","7, PF) - hl {TFX> PF)
Q = mB(hT(_PB) - h(TF i + bMlTAT, PB))
[00220] В некоторых случаях, возможно, нет возможности точного выбора значения давления при отборе. Это, например, имеет место в случае модернизации существующих установок или при наличии технических трудностей (например, при возможности проведения отбора только между каскадами). Однако, как отмечено выше, даже при невозможности точной оптимизации значения давления при отборе то значение массового расхода потока массы, которое дает двойной пинч,
К заявке № 201391728
может привести к почти оптимальной эффективности. Эта почти оптимальная эффективность значительно лучше эффективности, достигаемой посредством текущей практики расчетов.
[00221] Раскрытая работа может быть использована любой организацией, работающей с регенеративными циклами Ренкина, и их производными, например, циклами Калины или органическими циклами Ренкина, а также при расчете и строительстве энергетических установок. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения раскрытый критерий может привести к непосредственному увеличению эффективности без дополнительных капитальных затрат. Снижение издержек вследствие такого увеличения эффективности может быть большим, порядка по меньшей мере миллиардов долларов США ежегодно. Кроме того, раскрытый критерий может быть использован на химических предприятиях, использующих регенерацию и интеграцию теплоты.
[00222] Раскрытый критерий и методики оптимизации могут также быть использованы в моделирующем программном обеспечении для определения параметров оптимальной работы энергетической установки или другого устройства, использующего цикл Ренкина. Критерий может обеспечить возможность оптимизированного расчета энергетической установки, в то время как методики оптимизации могут обеспечить свободную от ошибок и отказоустойчивую сходимость к оптимальному решению.
[00223] Раскрытые в настоящей заявке методики, способы оптимизации и расчеты могут быть выполнены посредством использования одного вычислительного устройства или большего их количества. На фиг. 13 показана взятая в качестве примера архитектура вычислительного устройства 200. Хотя здесь изображено и описано взятое в качестве примера вычислительное устройство 200, следует иметь в виду, что это сделано ради общности и удобства. В других вариантах реализации настоящего изобретения вычислительное устройство может быть выполнено отличным по архитектуре и работе от устройства, показанного и описанного в настоящей заявке.
[00224] Показанное вычислительное устройство 200 содержит процессор 202, управляющий работой вычислительного устройства 200, например, посредством управления операционной системой, драйверами устройств, приложениями и т.д. Процессор 202 может представлять собой любой тип микропроцессора или центрального процессора, включая программируемые микропроцессоры специального назначения или общего назначения и/или любое множество составляющих собственность или коммерчески доступных устройств с одним или несколькими процессорами. Вычислительное устройство 200 также содержит запоминающее устройство 204, обеспечивающее временное или постоянное хранение программы, выполняемой процессором 202, или данных, обработанных процессором 202. Запоминающее устройство 204 может представлять собой постоянное запоминающее устройство, запоминающее флеш-устройство, один или большее количество вариантов запоминающего устройства с произвольным порядком выборки, и/или комбинацию способов выполнения запоминающего устройства. Различные элементы вычислительной системы 200 присоединены к магистральной шине 206. Показанная магистральная шина 206 представляет собой абстракцию, отражающую одну физическую шину или несколько физических шин, коммуникационные линии/интерфейсы и/или многоканальные или двухточечные соединения, связанные соответствующими мостиками, адаптерами и/или регуляторами.
[00225] Вычислительное устройство 200 также содержит сетевой интерфейс 208, интерфейс 210 ввода - вывода, устройство 212 хранения данных и управляющее устройство 214 дисплея. Сетевой интерфейс 208 обеспечивает вычислительной системе 200 возможность связи с дистанционными устройствами (например, другие вычислительными устройствами) посредством сети. Интерфейс 210 ввода / вывода облегчает связь между одним или большим количеством устройств ввода, одним или большим количеством устройств вывода и различными другими компонентами вычислительной системы 200. Устройство 212 хранения данных может представлять собой любую обычную среду для
хранения данных энергонезависимым и/или непереходным образом. Устройство 212 хранения данных может таким образом содержать данные и/или команды в постоянном состоянии (то есть, значение сохранено несмотря на прерывание подачи электропитания к вычислительному устройству 200). Устройство 212 хранения данных может содержать один или большее количество накопителей на жестких дисках, флеш-карт, дисководов для флешек, накопителей на оптических дисках, различных медиа-дисков или карт и/или любую комбинацию этих устройств и может быть непосредственно связано с другими компонентами вычислительного устройства 200 или дистанционно связано с ним, например, посредством сети. Управляющее устройство 214 дисплея содержит видеопроцессор и видео-запоминающее устройство и вырабатывает изображения, предназначенные для показа на одном или множестве дисплеях в соответствии с командами, полученными от процессора 202.
[00226] Различные функции, выполняемые вычислительным устройством, могут быть логически описаны как выполняемые одним или несколькими модулями. Следует учитывать, что такие модули могут быть выполнены в аппаратном оборудовании, программном обеспечении или посредством их комбинации. Следует также учитывать, что при их выполнении в программном обеспечении модули могут быть частью одной программы или одной или большего количества отдельных программ и могут быть осуществлены во множестве контекстов (например, как часть операционной системы, драйвера устройства, автономного приложения и/или в качестве комбинации этих элементов). Кроме того, программное обеспечение, реализующее один или множество модулей, может быть сохранено как выполнимая программа в одной или множестве не носящих временного характера удобочитаемых компьютером запоминающих средах. Функции, раскрытые в настоящей заявке как выполняемые определенным модулем, могут также быть выполнены любым другим модулем или комбинацией модулей, причем вычислительное устройство может содержать меньше или больше модулей, чем показано и описано в настоящей заявке.
[00227] В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения вычислительное устройство может содержать модуль входа, выполненный с возможностью получения одного или множества параметров, относящихся к конструкции или работе устройства выработки электроэнергии. Взятые в качестве примера входные параметры могут включать расход главного потока через турбину, температуру парогенератора, давление парогенератора и рабочее давление конденсатора. Модуль входа может кроме того быть выполнен с возможностью сохранения полученных входных параметров в памяти. Входные параметры в вычислительном устройстве могут представлять собой желательные рабочие критерии силовой установки или модели энергетической установки, а не мгновенные значения. Это может уменьшить время сходимости и не требует так много измерений и отбора информации из цикла или его модели.
[00228] Вычислительное устройство может также содержать модуль оптимизации, выполненный с возможностью вычисления по меньшей мере одной из величин из давления отобранной текучей среды, массового расхода потока отобранной текучей среды и площади поверхности теплообмена теплообменника для нагревателя питающей воды, используемого в устройстве выработки электроэнергии, на основании значений входных параметров, полученных модулем входа и раскрытыми выше методиками. Давление отобранной текучей среды, массовый расход потока при отборе текучей среды и/или площадь поверхности теплообмена теплообменника могут, таким образом, быть вычислены модулем оптимизации для образования двойного пинча в нагревателе питающей воды.
[00229] Вычислительное устройство может также содержать выходной модуль, выполненный с возможностью вывода на дисплей или предоставления иным образом вычисленных результатов пользователю. Выходной модуль может также быть выполнен с возможностью управления работой устройства выработки электроэнергии, так что вычислительное устройство может автоматически устанавливать значения различных рабочих параметров, такие как давление
отобранной текучей среды и массовый расход потока отобранной текучей среды, для формирования устройства выработки электроэнергии с целью достижения значений, вычисленных модулем оптимизации.
[00230] Взятый в качестве примера способ расчета или оптимизации устройства выработки электроэнергии показан на блок-схеме по фиг. 14. Хотя различные раскрытые в настоящей заявке способы могут быть показаны в связи с блок-схемой или блок-схемами, следует отметить, что любое упорядочение операций способа, указываемое такими блок-схемами или их описанием, не должно быть рассмотрено как ограничивающее способ выполнением операций именно в этом порядке. Скорее различные операции каждого из способов, раскрытых в настоящей заявке, могут быть выполнены в любом разнообразии последовательностей. Кроме того, поскольку показанная(-ые) блок-схема(-ы) взяты лишь в качестве примера реализации настоящего изобретения, различные другие способы, включающие дополнительные операции или включающие меньше операций, чем показано, также попадают в объем настоящего изобретения.
[00231] Показанный способ, который в некоторых вариантах реализации настоящего изобретения может быть выполнен вычислительным устройством, берет начало с операции S1400, где получены один или множество входных параметров для устройства выработки электроэнергии. Как отмечено выше, взятые в качестве примера входные параметры могут включать массовый расход главного потока через турбину, температуру парогенератора, давление парогенератора и рабочее давление конденсатора. Последовательность операций может затем быть продолжена на операции S1402, в которой по меньшей мере одна величина из давления отобранной текучей среды, массового расхода потока отобранной текучей среды и площади поверхности теплообмена теплообменника вычислена для нагревателя питающей воды, используемого в устройстве выработки электроэнергии, на основании значений входных параметров, полученных на этапе S1400, и посредством раскрытых выше способов. Таким образом, давление отобранной текучей среды, массовый расход потока при
отборе текучей среды и/или площадь поверхности теплообмена теплообменника могут быть вычислены на этапе S1402 для образования двух пинч-точек в нагревателе питающей воды. Последовательность операций может затем быть продолжена на этапе S1404, на котором выполнена оптимизация операции S1402. На выходе может быть получено изображение на дисплее или другое предоставление рассчитанных результатов пользователю. Эти результаты могут быть использованы для расчета устройства выработки электроэнергии с достижением двух пинч-точек в нагревателе питающей воды, или для ручной регулировки существующего устройства выработки электроэнергии с достижением двух пинч-точек в нагревателе питающей воды. На выходе также могут быть получены управляющие сигналы, предназначенные для срабатывания одного или множества клапанов, управляющих устройств или других компонентов существующего устройства выработки электроэнергии, чтобы автоматически принуждать устройство выработки электроэнергии работать при наличии двух пинч-точек в нагревателе питающей воды. В соответствии с этим, при использовании показанного способа, расчет или работа устройства выработки электроэнергии могут быть оптимизированы при использовании основанного на двух пинч-точках критерия, раскрытого в настоящей заявке.
[00232] Хотя изобретение было описано со ссылками на конкретные варианты реализации, следует иметь ввиду, что многочисленные изменения могут быть внесены в пределах духа и объема описанных концепций изобретения. В соответствии с этим следует иметь ввиду, что изобретение не ограничено описанными вариантами реализации, но имеет полный объем, определенный формулировками следующих пунктов формулы.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ работы устройства для выработки электроэнергии, включающий операции
нагревания рабочей текучей среды в парогенераторе, направления нагретой рабочей текучей среды в турбину для поворота турбины,
причем рабочая текучая среда образует питающую жидкость после выхода из турбины,
извлечения отобранной текучей среды из турбины и использования отобранной текучей среды для нагревания питающей жидкости в нагревателе питающей воды, выполненном с возможностью обмена теплотой между первым путем потока, по которому течет питающая жидкость, и вторым путем потока, по которому течет отобранная текучая среда, и
регулировки значения по меньшей мере одной величины из массового расхода потока отобранной текучей среды и давления при отборе текучей среды таким образом, что температура отобранной текучей среды, выходящей из нагревателя питающей воды, приблизительно равна температуре питающей жидкости, входящей в нагреватель питающей воды, таким образом, что получены две пинч-точки в нагревателе питающей воды.
2. Способ по п. 1, дополнительно включающий
нагревание питающей жидкости в парогенераторе после ее выхода из нагревателя питающей воды.
3. Способ по п. 1, в котором
питающая жидкость образована посредством конденсации рабочей текучей среды в конденсаторе после выхода рабочей текучей среды из турбины.
4. Способ по п. 1, в котором
парогенератор
представляет
собой
сверхкритический
парогенератор, а
нагретая рабочая текучая среда находится в сверхкритическом состоянии.
5. Способ по п. 1, в котором
парогенератор представляет собой субкритический котел, а нагретая рабочая текучая среда представляет собой перегретый
пар.
6. Способ по п. 1, в котором
две пинч-точки представляют собой первую пинч-точку в начале конденсации отобранной текучей среды и вторую пинч-точку на выходе отобранной текучей среды из нагревателя питающей воды.
7. Способ по п. 6, в котором
минимальная разность температур при сближении кривых в первой пинч-точке приблизительно равна минимальной разности температур при сближении кривых во второй пинч-точке.
8. Способ по п. 1, в котором
Q =mB(hT(PB)-h(TFri+AMITAT,PB)).
9. Способ по п. 1, в котором
наименьшее давление при отборе, обеспечивающее возможность
давление (Рв) при отборе текучей среды и массовый расход {тв)потока при отборе текучей среды, выбранные для заданного
наличия пинч-точки в выходном отверстии для отобранной текучей среды нагревателя питающей воды, выбрано как давление при отборе текучей среды.
10. Способ по п. 1, в котором
наименьший массовый расход потока, обеспечивающий возможность наличия пинч-точки в начале фазового превращения отобранной текучей среды, выбран как массовый расход потока при отборе текучей среды.
11. Способ по п. 1, в котором
регулировка массового расхода потока при отборе текучей среды включает открытие или закрытие клапана.
12. Способ по п. 1, в котором
регулировка давления при отборе текучей среды включает регулировку сети клапанов для выбора места в турбине, из которого извлекают отобранную текучую среду.
13. Способ по п. 12, в котором
турбина содержит множество ступеней турбины, а сеть клапанов выполнена с возможностью выбора того, из какой ступени указанного множества ступеней извлекают отобранную текучую среду.
14. Способ по п. 1, дополнительно включающий
во время переходных режимов работы энергетической установки, регулировку по меньшей мере одной величины из массового расхода потока отобранной текучей среды и давления при отборе текучей среды таким образом, что получены две пинч-точки в нагревателе питающей воды.
15. Способ по п. 14, в котором
указанные переходные режимы имеют место во время запуска
энергетической установки.
16. Способ расчета устройства выработки электроэнергии, включающий
использование процессора, получение множества входных параметров расчета и занесение входных параметров расчета в запоминающее устройство, связанное с процессором,
использование процессора, основанное на полученных входных параметрах расчета, вычисление выходных параметров расчета, включающих по меньшей мере одну величину из давления при отборе текучей среды и массового расхода потока при отборе текучей среды для нагревателя питающей воды, причем
нагреватель питающей воды выполнен с возможностью предварительного нагревания питающей жидкости, полученной из рабочей текучей среды посредством использования отобранной текучей среды, извлеченной из турбины, и
вывод рассчитанного значения выходного параметра расчета, причем выходной параметр расчета вычисляют для образования двух пинч-точек в нагревателе питающей воды.
17. Способ по п. 16, в котором
входные параметры расчета включают по меньшей мере один параметр из расхода главного потока через турбину, температуры парогенератора, давления парогенератора и рабочего давления конденсатора.
18. Способ по п. 16, дополнительно включающий выполнение устройства выработки электроэнергии согласно
выходному параметру расчета.
19. Способ по п. 16, в котором
две пинч-точки представляют собой первую пинч-точку в начале конденсации отобранной текучей среды и вторую пинч-точку при выходе
отобранной текучей среды из нагревателя питающей воды.
20. Способ по п. 19, в котором
минимальная разность температур при сближении кривых в первой пинч-точке приблизительно равна минимальной разности температур при сближении кривых во второй пинч-точке.
21. Способ по п. 16, в котором
выходные параметры расчета включают давление (Рв) при отборе
текучей среды и массовый расход ((tm)в^потока при отборе текучей среды, которые приблизительно вычислены для заданной тепловой нагрузки
при теплообмене в нагревателе питающей воды:
. kB*atiPe)-h!(TPA+ &MITAT.pB)
F h4T^(PB) - AMtTAT, PF) - /i'CWf)
Q = rhB(hT{PB) - h(TPA + AMITAT,PB)).
22. Способ по n. 16, в котором
выходной параметр расчета представляет собой давление при отборе текучей среды, вычисленное как наименьшее давление при отборе, обеспечивающее возможность наличия пинч-точки в выходном отверстии для отобранной текучей среды в нагревателе питающей воды.
23. Способ по п. 16, в котором
выходной параметр расчета представляет собой массовый расход потока при отборе текучей среды, вычисленный как наименьший массовый расход потока, обеспечивающий возможность наличия пинч-точки в начале фазового превращения отобранной текучей среды.
24. Способ по п. 16, в котором
выходной параметр расчета определен посредством итерационного расчета, и
основанный на двух пинч-точках критерий в нагревателе питающей воды использован во время каждого шага итерации при расчете.
25. Устройство для выработки электроэнергии, содержащее: парогенератор, в котором происходит нагревание рабочей текучей
среды,
турбину, связанную по текучей среде с парогенератором и выполненную с возможностью поворота нагретой рабочей текучей средой, причем
рабочая текучая среда образует питающую жидкость после выхода из турбины, и
по меньшей мере один нагреватель питающей воды, выполненный с возможностью нагревания питающей жидкости с использованием отобранной текучей среды, извлеченной из турбины, причем
нагреватель питающей воды выполнен с возможностью
теплообмена между первым путем потока, по которому течет
питающая жидкость, и вторым путем потока, по которому течет
отобранная текучая среда,
в котором
по меньшей мере одна величина из массового расхода потока отобранной текучей среды и давления при отборе текучей среды выбрана таким образом, что температура отобранной текучей среды, выходящей из нагревателя питающей воды, приблизительно равна температуре питающей жидкости, входящей в нагреватель питающей воды, таким образом, что получены две пинч-точки в нагревателе питающей воды.
26. Устройство для выработки электроэнергии по п. 25, в котором происходит нагревание питающей жидкости в парогенераторе
после ее выхода из нагревателя питающей воды.
27. Устройство для выработки электроэнергии по п. 25, в котором
27.
питающая жидкость образована посредством конденсации рабочей текучей среды в конденсаторе после выхода рабочей текучей среды из турбины.
28. Устройство выработки электроэнергии по п. 25, в котором парогенератор представляет собой сверхкритический
парогенератор,а
нагретая рабочая текучая среда находится в сверхкритическом состоянии.
29. Устройство для выработки электроэнергии по п. 25, в котором парогенератор представляет собой субкритический котел, а нагретая рабочая текучая среда представляет собой перегретый
пар.
30. Устройство для выработки электроэнергии по п. 25, в котором две пинч-точки представляют собой первую пинч-точку в начале
конденсации отобранной текучей среды и вторую пинч-точку на выходе отобранной текучей среды из нагревателя питающей воды.
31. Устройство для выработки электроэнергии по п. 30, в котором минимальная разность температур при сближении кривых в первой
пинч-точке приблизительно равна минимальной разности температур при сближении кривых во второй пинч-точке.
32. Устройство для выработки электроэнергии по п. 30, в котором минимальная разность температур при сближении кривых в первой
пинч-точке и минимальная разность температур при сближении кривых во второй пинч-точке отличны друг от друга в пределах приблизительно 5 градусов по Цельсию.
33. Устройство для выработки электроэнергии по п. 25, в котором отобранная текучая среда выходит из нагревателя питающей воды
33.
-84в виде переохлажденной жидкости.
34. Устройство для выработки электроэнергии по п. 25, в котором отобранная текучая среда извлечена из турбины в виде
перегретого пара или двухфазной текучей среды.
35. Устройство для выработки электроэнергии по п. 25, в котором рабочая текучая среда включает по меньшей мере один материал
из воды, гептана, толуола, изобутана и аммиака.
36. Устройство для выработки электроэнергии по п. 25, в котором давление (Рв) при отборе текучей среды и массовый расход
{тв)потока при отборе текучей среды, выбранные для заданного
значения тепловой нагрузки (б) при теплообмене в нагревателе
питающей воды, аппроксимированы выражениями
. = . h°'sat(PB)-hl(TFil+AWTAT,PB) шв rnF hi(7.S(U(Ps) _ Ам1тдТ1 рр) _ ftI(7> рр)
Q = mB(hT(PB) - h(TFri + АШТАТ, PB)).
37. Устройство для выработки электроэнергии по п. 25, в котором наименьшее давление при отборе, обеспечивающее возможность
наличия пинч-точки в выходном отверстии для отобранной текучей среды в нагревателе питающей воды, выбрано как давление при отборе текучей среды.
38. Устройство для выработки электроэнергии по п. 25, в котором наименьший массовый расход потока, обеспечивающий
возможность наличия пинч-точки в начале фазового превращения отобранной текучей среды, выбран как массовый расход потока при отборе текучей среды.
-8539. Устройство для выработки электроэнергии по п. 25,
дополнительно содержащее
клапан, выполненный с возможностью регулирования массового
расхода потока при отборе текучей среды.
40. Устройство для выработки электроэнергии по п. 25,
дополнительно содержащее
сеть клапанов, предназначенную для установления места в турбине, из которого происходит извлечение отобранной текучей среды, для регулировки давления при отборе текучей среды.
41. Устройство для выработки электроэнергии по п. 40, в котором турбина содержит множество ступеней турбины, а сеть клапанов
выполнена с возможностью выбора того, из какой ступени указанного множества ступеней оказывается извлечена отобранная текучая среда.
42. Устройство для выработки электроэнергии, содержащее парогенератор, в котором происходит нагревание рабочей текучей
среды,
турбину, связанную по текучей среде с парогенератором и выполненную с возможностью поворота нагретой рабочей текучей средой, причем
рабочая текучая среда образует питающую жидкость после выхода из турбины, и
по меньшей мере один нагреватель питающей воды, выполненный с возможностью нагревания питающей жидкости с использованием отобранной текучей среды, извлеченной из турбины, причем
по меньшей мере одна величина из давления (Рв) при отборе текучей среды и массового расхода (тв) потока при отборе текучей среды, выбранных для заданного значения тепловой нагрузки
при теплообмене в нагревателе питающей воды, аппроксимированы выражениями
• = • HGSAT(PB)-hl(TFti+AM!TAT,PB) тв rnP hi{T^(PB) - АШТАТ, PF) - tt(TFtil PF)
Q = mB(hT(PB) - h(TFii + AMITAT, PB))
таким образом, что получены две пинч-точки в нагревателе питающей воды.
43. Устройство для выработки электроэнергии, содержащее регенеративный цикл Ренкина, в котором по меньшей мере один нагреватель питающей воды использует отобранную текучую среду для предварительного нагревания питающей жидкости, полученной из рабочей текучей среды, перед нагреванием рабочей текучей среды в парогенераторе, причем
первая пинч-точка получена в нагревателе питающей воды в начале конденсации отобранной текучей среды, а вторая пинч-точка получена в нагревателе питающей воды при выходе отобранной текучей среды из нагревателя питающей воды.
44. Устройство по п. 43, в котором
парогенератор представляет собой сверхкритический парогенератор, выполненный с возможностью нагревания рабочей текучей среды до сверхкритического состояния.
: ",: Отобранная текучая среда, М=25,5 кг/с, Р=25 бар - - _ Отобранная текучая среда, М=30,0 кг/с, Р=15 бар -"- Питаю1цая вода, М= 100,0 кг/с, Р = 100 бар
Тепловая нагрузка при переносе термической энергии (кдЖ/с)
ФИГ. 3
Тепловая нагрузка при переносе термической энергии (кдЖ/с)
Отобранная текучая среда 1
Питающая
вода ч-
: АН :
Выход для питающей воды = Вход для питающей воды =
вход для отобранной текучей выход для отобранной
среды текучей среды
ФИГ 6
C^wKOTeJ1
Нагреватель 1 ^ питающей воды
f Конденсатор Каскадная конфигурация
WO 2012/11.21X"
r4"JVi;S2H12'i"jS7(lj
WO 2012/162187
РСГ/l S2IH2/0.J87IU
re *
о 5
L- Q.
Ct О
о "
re С
8 o
I 4
13.5 14 14.5
Давление при отборе текучей среды (бар)
WO > 1> 12/1 <> 21К~
P( T <1 S2HI > ¦¦"!> jSTtiJ
i_ 22 t.
с о
re "9
О _ d2..i
ct Q. 22 U
о о
x > s
0 ф
°- >
1 •
Л I- О г f
Ш я) ~ ' -
О Q.
Область р-пинча
Максимальная эффективность на линии двойного пинча
Линия двойного пинча
Максимальная эффективность
46,0
|4Ъ.0о
4D.U I
45.95:
Линия максимальной эффективности
Область о-пинча
Давление при отборе текучей среды (бар)
WO '012/1(0!*"
P( T/l S2012/iti87llj
Область р-пинча
Q. ^
С О
ь л
с 4
с a,
d Q.
0 о
x > s
1 •
Л I-
Ш л)
О Q.
О О
Максимальная эффективность на линии двойного пинча
Линия двойного пинча
Максимальная эффективность
Линия максимальной эффективности
Область о-пинча
1141
Давление при отборе текучей среды (бар)
WO 21112/1(0
PCT/l S2(ll2/l"JS7(lj
WO 2012/K.2187
PCT/US2lU2/i"iS7(lj
Отобранная Отобранная (текучая текучая соела 1 средаЗ Отобранная f i Отобранная текучая среда 2 текучая среда 4
Нагреватель 2 питающей воды
Нагреватель 3
питающей f А-'
Насос отобранной текучей среды
воды, дегазатор ^=г &
(открытый)
К заявке № 201391728
К заявке № 201391728
(19)
К заявке № 201391728
К заявке № 201391728
(19)
К заявке № 201391728
К заявке № 201391728
(19)
-2-
-2-
К заявке № 201391728
К заявке № 201391728
К заявке № 201391728
К заявке № 201391728
-6-
К заявке № 201391728
-8-
-8-
К заявке № 201391728
К заявке № 201391728
-32-
-32-
К заявке № 201391728
К заявке № 201391728
-32-
-32-
К заявке № 201391728
К заявке № 201391728
-32-
-32-
К заявке № 201391728
К заявке № 201391728
-32-
-32-
К заявке № 201391728
К заявке № 201391728
-32-
-32-
К заявке № 201391728
К заявке № 201391728
-32-
-32-
К заявке № 201391728
К заявке № 201391728
К заявке № 201391728
К заявке № 201391728
К заявке № 201391728
К заявке № 201391728
К заявке № 201391728
К заявке № 201391728
К заявке № 201391728
К заявке № 201391728
К заявке № 201391728
К заявке № 201391728
К заявке № 201391728
К заявке № 201391728
К заявке № 201391728
К заявке № 201391728
К заявке № 201391728
К заявке № 201391728
К заявке № 201391728
К заявке № 201391728
-35-
-35-
К заявке № 201391728
К заявке № 201391728
-35-
-35-
К заявке № 201391728
К заявке № 201391728
-35-
-35-
К заявке № 201391728
К заявке № 201391728
-35-
-35-
К заявке № 201391728
К заявке № 201391728
-35-
-35-
К заявке № 201391728
К заявке № 201391728
-35-
-35-
К заявке № 201391728
К заявке № 201391728
-35-
-35-
К заявке № 201391728
К заявке № 201391728
-38-
К заявке № 201391728
К заявке № 201391728
-41-
-41-
К заявке № 201391728
К заявке № 201391728
-46-
-46-
К заявке № 201391728
К заявке № 201391728
-46-
-46-
К заявке № 201391728
К заявке № 201391728
-46-
-46-
К заявке № 201391728
К заявке № 201391728
-53-
-52-
К заявке № 201391728
-55-
-55-
К заявке № 201391728
К заявке № 201391728
-69-
-70-
К заявке № 201391728
-72-
-72-
К заявке № 201391728
К заявке № 201391728
-78-
-78-
К заявке № 201391728
К заявке № 201391728
-78-
-78-
К заявке № 201391728
К заявке № 201391728
К заявке № 201391728
К заявке № 201391728
-86-
-86-
К заявке № 201391728
К заявке № 201391728
WO 2012/162187
1/11
ФИГ. 1
PCT/US2012/0J8703
WO 2012/162187
1/11
ФИГ. 1
PCT/US2012/0J8703
2/11
ФИГ. 2
PC1YUS2012/038703
2/11
ФИГ. 2
PC1YUS2012/038703
WO 2012/162187
3/11
ФИГ 4
PCT/US2012/038703
WO 2012/162187
3/11
ФИГ 4
PCT/US2012/038703
WO 2012/162187
4/11
ФИГ 5A
PCT/US2012/038703
WO 2012/162187
4/11
ФИГ 5A
PCT/US2012/038703
WO 2012/162187
4/11
ФИГ 5A
PCT/US2012/038703
WO 2012/162187
4/11
ФИГ 5A
PCT/US2012/038703
WO 2012/162187
4/11
ФИГ 5A
PCT/US2012/038703
WO 2012/162187
4/11
ФИГ 5A
PCT/US2012/038703
5/11
ФИГ. 7
5/11
ФИГ. 7
6/11
ФИГ. 8
6/11
ФИГ. 8
6/11
ФИГ. 8
6/11
ФИГ. 8
6/11
ФИГ. 8
6/11
ФИГ. 8
7/11
ФИГ 9
7/11
ФИГ 9
7/11
ФИГ 9
7/11
ФИГ 9
7/11
ФИГ 9
7/11
ФИГ 9
8/11
ФИГ 10
8/11
ФИГ 10
8/11
ФИГ 10
8/11
ФИГ 10
8/11
ФИГ 10
8/11
ФИГ 10
8/11
ФИГ 10
8/11
ФИГ 10
9/11
ФИГ 11
9/11
ФИГ 11
9/11
ФИГ 11
9/11
ФИГ 11
10/11
ФИГ 12
10/11
ФИГ 12
10/11
ФИГ 12
10/11
ФИГ 12
WO 2012/162187
11/11
ФИГ 13
200
PCT/US2012/038703
WO 2012/162187
11/11
ФИГ 13
200
PCT/US2012/038703
$1404
$1404
|
