Устройство для отделения и удаления масла из органической рабочей жидкости - RU2675987C2

Чертежи

Описание

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к устройству для отделения и удаления масла из рабочей жидкости испарительной установки и, в частности, установки, работающей по органическому циклу Ренкина (далее цикл ОЦР, англ. ORC - organic Rankine Cycle).

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известно, что установка, работающая по циклу Ренкина (установка ОЦР), включает в себя по меньшей мере подающий насос, по меньшей мере теплообменник (как правило, один или более испаритель, в том числе один или более подогреватель и один или более перегреватель), расширительную турбину, конденсатор и, в зависимости от обстоятельств, регенератор. Осуществляемый термодинамический цикл, органический цикл Ренкина, характеризуется тем, что рабочая жидкость в нем является органической жидкостью. Цикл состоит из двух по существу адиабат и двух изобар с фазовыми переходами для обеспечения тепла (испаритель) и отъема тепла (конденсатор). Насос нагнетает сконденсированную жидкость и подает ее в испаритель, а турбина превращает тепловую энергию в механическую работу. Соответственно, целью такого термодинамического цикла является превращение по мере возможности тепла в механическую работу. Органический цикл Ренкина обычно используют в термоэлектрических установках для получения электрической энергии.

В характерных областях применения скорости вращения и давление обычно указывают на необходимость использования вращающихся механических уплотнений, имеющих масляный барьер для предохранения рабочей жидкости от внешней среды. Площадь контакта между компонентами, движущимися относительно друг друга, требует постоянной и централизованной смазки для обеспечения точного функционирования и большого срока службы. Фактически, такая смазка уменьшает износ, возникающий в результате непосредственного контакта между двумя компонентами. На подобных установках имеется масляный цилиндр для снабжения всех уплотнений маслом под давлением. Указанный масляный цилиндр должен иметь значительный объем, как правило, от 100 до 300 л, для каждого мегаватта электрической энергии для обеспечения смазкой уплотнений и подшипников турбин.

Как правило, вращающиеся уплотнения чувствительны к незначительным потерям масла. Кроме того, в некоторых случаях могут происходить существенные потери в результате механического разрушения уплотнения вследствие технических неполадок, например, термических или механических перегрузок.

Характерные небольшие потери на установке ОЦР составляют приблизительно от 0,1 до 0,5 л в день. Находясь под давлением, более высоким, чем рабочее давление процесса, масло также затекает внутрь трубопровода установки ОЦР и смешивается с рабочей жидкостью, изменяя тем самым физические и химические характеристики рабочей жидкости. Например, в результате такого смешивания изменяется упругость пара органической жидкости и, следовательно, также и ее давление конденсации. Более того, изменяется химический состав рабочей жидкости и суммарный расход (являющийся суммой расходов рабочей жидкости и масла). Такие изменения влияют на тепловой коэффициент и давление выполняемого цикла, ухудшая общую эффективность.

Таким образом, существует необходимость в отделении и удалении масла из рабочей жидкости внутри установки для обеспечения высокой эффективности на протяжении всего срока службы.

Известным примером является патентный документ JPS 59119003A, описывающий маслоотделитель, в котором сжиженную среду Ренкина, смешанную с маслом, разделяют на среду Ренкина и масло, используемый в криогенной силовой установке, работающей на сжиженном природном газе (СПГ, англ. LNG - liquefied natural gas) по циклу Ренкина. Другим примером может служить патентный документ JP 2009138684, описывающий устройство, работающее по органическому циклу Ренкина, оборудованное детандером (расширителем) и насосом, смазываемыми смазочным маслом, отдельно накапливающее смазочное масло, смешивающееся с рабочей жидкостью в детандере и насосе, и подающее соответствующее количество смазочного масла в детандер и насос. Еще одним примером является патентный документ JP 2006283674, в котором описано энергетическое устройство, оборудованное средством для извлечения смазочного масла, при помощи которого смазочное масло, отделившееся от системы смазочного масла и смешавшееся с рабочей средой из системы рабочей среды, извлекают и возвращают в систему смазочного масла, а также описан способ извлечения смазочного масла. Другим примером является генерирующее устройство бинарного типа по патентному документу JPH 09088503 с регулированием концентрации смазочного масла в испарителе. По меньшей мере в патентном документе DE 102011089929 описан сепаратор, имеющий разделительный блок с входным устройством для подачи смеси смазочного материала и рабочей жидкости в устройство ввода разделительного блока; внутренний диаметр разделительного блока постепенно уменьшается от устройства ввода к выходу смазочного материала; внутренняя область разделительного блока имеет меньший внутренний диаметр, чем устройство ввода, для направления смазочного материала из смеси к выходу смазочного материала; периферическая область разделительного блока, окружающая внутреннюю область, предназначена для направления рабочей жидкости из смеси к выходу рабочей жидкости.

В настоящее время отсутствует информация об устройствах, в достаточной мере предназначенных для удаления смазочного масла, происходящего из уплотняющих средств, а также других высококипящих жидкостей (например, жидких теплоносителей или жидких компонентов остатков машинной обработки) из рабочей жидкости установки ОЦР.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является новое устройство для удаления масла (обусловленного потерями из динамических уплотнений или другими потерями) из рабочей жидкости во время работы установки и в режиме реального времени, то есть без выключения установки.

Важно подчеркнуть, что отделяемое масло движется по установке вместе с рабочей жидкостью: по этой причине масло может обнаруживаться в любой части установки и, как следствие, вместе с жидкостью ОЦР - в жидкой и паровой фазе, увлекаемое рабочей жидкостью. Таким образом, настоящее изобретение относится к устройству для отделения и удаления масла из рабочей жидкости установки ОЦР, причем рабочая жидкость находится в жидкой и паровой фазе.

В соответствии с первым аспектом, изобретение представляет собой устройство для отделения и удаления масла из рабочей жидкости установки ОЦР, при этом указанная установка включает в себя по меньшей мере подающий насос, по меньшей мере испаритель, по меньшей мере расширительную турбину и по меньшей мере конденсатор, где указанное устройство включает в себя сепаратор и средство сбора, расположенные между испарителем и конденсатором (или регенератором, если используется) установки ОЦР.

Преимущество данного аспекта заключается в том, что такое устройство может легко применяться также и в существующих установках без значительных их изменений.

Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления, устройство также включает в себя обводную (байпасную) линию между частью испарителя, в которой находится паровая фаза органической жидкости, и входом в конденсатор (или регенератор), при этом сепаратор и средство сбора расположены вдоль обводной линии, где указанный сепаратор является циклоном.

Преимуществом такого варианта осуществления является возможность отделения и удаления масла из рабочей жидкости в тех случаях, когда рабочая жидкость находится в паровой фазе.

Согласно другому варианту осуществления, обводная линия включает в себя первый клапан после выхода из испарителя и второй клапан перед входом в конденсатор для отключения обводной линии от установки.

Преимуществом такого варианта осуществления является то, что при необходимости обвод (байпас) может быть изолирован от установки с возможностью его удаления.

Согласно еще одному из вариантов осуществления, первый клапан или диск, имеющий калиброванное отверстие, расположенный после выхода из испарителя регулирует в непрерывном режиме расход через обвод в диапазоне от 1/10000 до 1/1000 от общего расхода через установку. Давление в обводной линии устанавливают с помощью регулирования вторым клапаном, расположенным перед входом в конденсатор.

В соответствии с обязательными требованиями и сообразно с разновидностью установки преимуществом такого варианта осуществления является возможность легкой калибровки расхода через обвод при помощи простого клапана или диска, имеющего калиброванное отверстие. Указанный расход должен быть отрегулирован таким образом, чтобы величины скорости соответствовали режиму давления и температуры, предусмотренному в сепараторе и средстве сбора.

Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления, перед входом в средство сбора расположен третий клапан для подачи воздуха или азота под давлением из резервуара в случае, когда это необходимо для опорожнения средства сбора.

Этот вариант осуществления позволяет осуществлять быстрое опорожнение средства сбора масла.

Согласно другому предпочтительному варианту осуществления, между сепаратором и средством сбора расположен четвертый клапан для изоляции указанного средства сбора, чтобы сепаратор продолжал работать во время опорожнения средства сбора.

Преимуществом такого варианта осуществления является возможность опорожнения средства сбора без остановки сепаратора.

Согласно еще одному варианту осуществления, указанные средства сбора устанавливают в качестве добавочного оборудования в головной части испарителя при помощи крепежных средств или посредством приварки к головной части испарителя для облегчения контроля температуры собираемой жидкости. В качестве альтернативы, указанные средства сбора представляют собой отдельное устройство, автономно нагреваемое и регулируемое при помощи жидкого теплоносителя или иного источника тепла.

Данный вариант осуществления позволяет монтировать такое устройство на любых установках ОЦР без существенного изменения установки.

Согласно еще одному варианту осуществления, сепаратор основан на фракционной перегонке и принимает смесь из той части испарителя, в которой находится жидкая фаза загрязненной органической жидкости.

Преимуществом такого варианта осуществления является возможность отделения и удаления масла из рабочей жидкости в случае, когда ОЦР жидкость находится в жидкой фазе.

Согласно еще одному аспекту, описан способ отделения и удаления масла из рабочей жидкости установки, работающей по органическому циклу Ренкина, при этом способ действует при посредстве устройства, такого как описано выше, и включает в себя следующие стадии:

- ввод масла и рабочей жидкости в сепаратор;

- отделение масла от рабочей жидкости в сепараторе,

- подачу масла в средство сбора;

- опорожнение средства сбора.

Предпочтительно, если рабочая жидкость находится в паровой фазе, отделение масла в сепараторе осуществляют под действием центробежной силы или под влиянием инерции.

Кроме того, в конце стадии отделения способ может включать в себя стадию коалесценции (слияния) масляных капель при помощи коалесцирующего фильтра на выходе из сепаратора.

Преимуществом является тот факт, что способ может применяться для отделения и удаления масла из рабочей жидкости на любой ОЦР установке, при этом рабочая жидкость может находиться в паровой фазе.

Еще одним преимуществом является то, что способ позволяет отделять не только смазочное масло, происходящее из механических уплотнений, но также и другие высококипящие масла в случае, если они попадают в цикл рабочей жидкости.

Предпочтительно, если рабочая жидкость находится в жидкой фазе, отделение происходит в сепараторе при посредстве фракционной перегонки.

Преимущество данного способа заключается в том, что способ может применяться на любой ОЦР установке для отделения и удаления масла из рабочей жидкости, при этом и рабочая жидкость, и масло находятся в жидкой фазе.

Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления, проводят стадию опорожнения средства сбора, изолируя обводную линию путем перекрывания клапанов после выхода из испарителя и перед входом в конденсатор и открывания клапана, расположенного на стоке средства сбора.

Преимущество этого способа заключается в возможности изолирования установки с помощью всего лишь трех клапанов.

Согласно другому варианту осуществления, стадию опорожнения средства сбора выполняют путем перекрывания четвертого клапана, который изолирует установку с возможностью продолжения работы сепаратора, и открывания клапана, расположенного на стоке средства сбора.

Преимуществом такого варианта осуществления является возможность изолирования сепаратора от сливного трубопровода, так что сливной трубопровод может работать автономно. Согласно еще одному варианту осуществления, стадия опорожнения средства сбора протекает при открывании третьего клапана для подачи воздуха или азота под давлением, которые проталкивают масло в направлении стока средства сбора.

Преимуществом такого варианта осуществления является возможность слива масла при помощи средства сбора быстрым и эффективным способом.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Далее будут описаны различные варианты осуществления изобретения при посредстве неограничивающих примеров со ссылкой на прилагаемые графические материалы, где:

На Фиг. 1 изображена принципиальная схема цикла ОЦР.

Фиг. 2 представляет собой схему, изображенную на Фиг. 1, для регенеративного цикла ОЦР.

На Фиг. 3 показано обводное устройство, расположенное между испарителем и конденсатором цикла ОЦР, согласно первому варианту осуществления изобретения.

На Фиг. 4 показано обводное устройство, изображенное на Фиг. 3, расположенное между испарителем и регенератором цикла ОЦР.

На Фиг. 5 показано обводное устройство, расположенное между испарителем и конденсатором цикла ОЦР, согласно еще одному из вариантов осуществления изобретения, с многоходовым (отсечно-перепускным) клапаном сепаратора.

На Фиг. 6 показано обводное устройство, изображенное на Фиг. 5, расположенное между испарителем и регенератором цикла ОЦР.

На Фиг. 7 представлена схема, в соответствии с которой устройство нагревают за счет конвективного теплообмена испарителя.

На Фиг. 8 изображена схема еще одного устройства, где сепаратор нагревают автономно.

На Фиг. 9 схематически изображено устройство в сборе, где действие сепаратора основано на фракционной перегонке.

На Фиг. 10 схематически изображен центробежный сепаратор, содержащий коалесцирующий фильтр.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Первый вариант осуществления изобретения представляет собой устройство для удаления масла из рабочей жидкости в паровой фазе цикла ОЦР (Фиг. 1). Как известно, установка ОЦР включает в себя по меньшей мере подающий насос 6, по меньшей мере теплообменник 1, как правило, испаритель, расширительную турбину 5, конденсатор 4 и, при определенных обстоятельствах, регенератор 16 (Фиг. 2). Соответствующий термодинамический цикл, органический цикл Ренкина, включает в себя стадию подачи органической рабочей жидкости в жидкой фазе при помощи подающего насоса; затем стадию нагревания и испарения указанной рабочей жидкости, далее стадию расширения, возможную стадию регенерации и после этого - стадию конденсации данной рабочей жидкости.

Отделение и удаление масла из рабочей жидкости в паровой фазе осуществляют при помощи устройства, расположенного между испарителем 1 и конденсатором 4, или в качестве альтернативы, между испарителем 1 и регенератором 16. Такое устройство (Фиг. 3, 4) включает в себя сепаратор 2, например, циклонного типа или центробежного типа (Фиг. 10), имеющий с одного конца коалесцирующий фильтр 20, который должен поддерживаться в нагретом состоянии во избежание конденсации органической жидкости в паровой фазе. Отделение масла - это физическое явление, основанное на различии центробежных сил, действующих на ОЦР жидкость в паровой фазе и на масло в жидкой фазе. После поступления в сепаратор 2 двухфазная жидкость совершает вынужденное круговое движение, во время которого масляные капли, подвергающиеся воздействию большей центробежной силы, отделяются с помощью парообразного потока ОЦР жидкости и объединяются внутри соответствующего коалесцирующего фильтра 20 до достижения размеров, позволяющих им падать под действием силы тяжести в средство 3 сбора. Поток, движущийся через циклон 19, будет изменять направления движения для облегчения (в том числе и благодаря инерции) отделения масляных капель от пара, который будет возвращаться в рабочий цикл.

Средство 3 сбора представляет собой резервуар, принимающий частицы масла, отделенные от парообразного потока, и может соприкасаться с высокотемпературной частью испарителя, например с головной часть испарителя 1 (Фиг. 7), при этом испаритель является кожухотрубным теплообменником. В частности, устройство может быть скомпоновано в виде дополнительного оборудования на существующих установках при помощи крепежных средств, например, зажимов. Более того, устройство может быть непосредственно приварено к головной части испарителя. В качестве альтернативы, устройство может быть отдельным устройством, нагреваемым автономно, например, при помощи электричества, причем такое решение подходит для облегчения контроля температуры собранной жидкости. Устройство также включает в себя обводную линию 7, гидравлически соединяющую испаритель с конденсатором. Внутри такой обводной линии установлены сепаратор 2 и средство 3 сбора. Как правило, через обводную линию протекает приблизительно 1/1000 от общего расхода жидкости через установку. Как упоминалось выше, отделенное масло собирают в резервуар 3 (средство сбора), из которого по истечении определенного времени масло должно быть выгружено. Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления, опорожнение средства 3 сбора может осуществляться путем изолирования обводной линии установки с помощью перекрывания первого и второго клапанов 8 и 9 (соответственно, после выхода из испарителя и перед входом в конденсатор) и открывания третьего клапана 10. Последний клапан 10 расположен перед входом в средство 3 сбора и обеспечивает подачу воздуха или азота под давлением из резервуара 11, при этом указанные воздух или азот толкают жидкость в направлении стока 14 средства сбора.

Согласно альтернативному варианту осуществления, опорожнение средства 3 сбора может осуществляться под действием силы тяжести при открывании клапана 13, расположенного на стоке 14 средства 3 сбора. В соответствии с этим вариантом осуществления, резервуар 11 для воздуха или азота и соответствующий клапан 10 уже не нужны.

Согласно другому варианту осуществления, может присутствовать четвертый клапан 15 между сепаратором 2 и средством 3 сбора (Фиг. 5, 6), указанный клапан отключает средство сбора от установки, так что сепаратор продолжает работать, а в это время средство сбора может быть опорожнено за счет давления или под действием силы тяжести.

Расход через обвод устанавливают регулированием с помощью первого клапана 8, расположенного после выхода из испарителя 1. Как правило, расход может регулироваться в непрерывном режиме в диапазоне от 1/10000 до 1/1000. Для улучшения технических возможностей клапан можно заменить диском, имеющим одно или более калиброванное отверстие, или капиллярной трубкой либо другим запирающим средством. Все такие средства определяют нерегулируемый расход через обвод. Давление в обводной линии устанавливают путем регулирования второго клапана 9, расположенного перед входом в конденсатор 4 или регенератор 16.

Как показано на Фиг. 9, еще одно исполнение изобретения представляет собой устройство для удаления масла из рабочей жидкости в жидкой фазе. Указанный вариант осуществления отличается от предыдущего в сепараторе и основан на фракционной перегонке. Как известно, фракционная перегонка позволяет разделить два или более вещества. В случае двухкомпонентной перегонки компоненты смеси разделяют на основании различия их летучести (или температуры кипения): фактически, в самой высокой части ректификационной колонны (так называемой "головке") будет повышенная концентрация наиболее летучих веществ, тогда как в нижней части (так называемом "кубе") - более высокая концентрация наименее летучих соединений. Ректификационную колонну называют фракционирующей колонной. Фракционная перегонка основана на целой серии испарений-конденсаций, происходящих в устройстве. Температурный режим в колонне характеризуется более высокими температурами вблизи бойлера (где смесь кипит) и более низкими температурами вблизи конденсатора.

Отделение масла при нахождении рабочей жидкости в жидкой фазе не может быть реализовано в режиме "реального времени", указывая на необходимость периодических циклов в ограниченном объеме сепаратора 2, скомпонованного в виде ректификационной колонны. Указанный объем заполняют жидкой рабочей жидкостью при посредстве клапана 8, расположенного на трубе, выходящей из испарителя и заполненной жидкостью. Жидкость, загруженная в сепаратор 2, нагревают при помощи нагревательных элементов (например, теплообменника с жидким теплоносителем или электронагревателем). Высококипящий компонент (масло) накапливается в сепараторе 2, который может быть отключен и разгружен после закачивания воздуха или азота.

Следует понимать, что помимо вариантов осуществления, раскрытых выше, существует большое количество вариантов. Следует также иметь в виду, что иллюстративный вариант осуществления или иллюстративные варианты осуществления являются лишь примерами и не предназначены для ограничения каким-либо образом объема, применимости или конфигурации. Скорее, предшествующее краткое содержание и подробное описание обеспечат специалистам в данной области удобный план развития для воплощения по меньшей мере одного иллюстративного варианта осуществления, при этом следует понимать, что различные изменения могут быть внесены в функции и расположения элементов, описанные в иллюстративном варианте осуществления, без отклонения от объема, как указано в прилагаемой формуле изобретения и ее правовых эквивалентах.

Реферат

Изобретение относится к энергетике. Устройство для отделения и удаления масла из рабочей жидкости предназначено для установки, работающей по органическому циклу Ренкина. Установка содержит по меньшей мере подающий насос, по меньшей мере теплообменник, расширительную турбину, конденсатор. Устройство оснащено сепаратором и средством сбора, расположенными между испарителем и конденсатором или между испарителем и регенератором установки, работающей по органическому циклу Ренкина. Изобретение позволяет повысить эффективность отделения и удаления масла из рабочей жидкости. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 10 ил.

Формула