CZ163492A3 - Combined gas/steam power plant - Google Patents

Description

Kombinované plynové/parní elektrárenské zařízení

Oblast techniky

Vynález se týká kombinovaného plynového/parního elektrárenského zařízení, sestávajícího v podstatě z alespoň jedné plynové turboskupiny, vytápěné fosilně, alespoň jednoho parního oběhu a alespoň jednoho kotle na odpadní teplo, zařazeného za plynovou turboskupinou, který je zásobován odpadními plyny z plynové turboskupiny.

Dosavadní stav techniky

Pod pojmem kombinované plynové/parní elektrárenské zařízení - které bude dále zkráceně označováno jako kombinovaná elektrárna - je nutno rozumět vždy vzájemnou spolupráci alespoň jedné plynové turboskupiny s alespoň jedním oběhem s parní turbínou, přičemž odpadní plyny z provozu plynové turboskupiny se vedou vyvíječem páry z odpadního tepla (= kotel na odpadní teplo), ve kterém je využit zbytkový tepelný potenciál odpadních plynů pro výrobu páry potřebné pro napájení parní turbíny. Tento přídavný parní výkon způsobuje vyšší tepelný stupeň účinnosti zařízení. Tyto kombinované elektrárny mají velmi dobrý převodní stupeň účinnosti, pohybující se řádově v rozmezí asi 50 až 55 %. Zvýšení stupně účinnosti tohoto zařízení podstatným způsobem je možno provést zvýšením teploty horkého plynu. Tím však vyvstanou další nevýhody, které mají vliv na stupeň účinnosti zařízení a na hospodárnost vyráběného elektrického proudu, to jest na specifické náklady zařízení, takže jde o kontrapunktivní opatření. Je tedy nutno poukázat na to, že při přípravě horkého plynu o teplotě nad 1400 °C se narazí na oblast, ve které emise NO z tohoto spalování skokem vzrosX tou, což opět činí nutným vstřikování,například vody nebo páry, které opět zlepšení stupně účinnosti, teoreticky očekávané ze zvýšení teploty, prakticky vyruší, takže příslušný zisk stupně účinnosti není v žádném vztahu k vynaloženým nákladům, nehledě na to, že s každým zvýšením teploty je zapotřebí provést drahá přizpůsobení týkající se vysokohodnotných materiálů a drahá opatřeni pro chlazení, zejména pokud se týká lopatek.

Úkolem vynálezu je odstranit výše uvedené nedostatky a u kombinovaného plynového/parního elektrárenského zařízení uvedeného druhu zvýšit stupeň účinnosti, aniž by se musela zvýšit teplota horkých plynů.

Podstata vynálezu

Tento úkol splňuje kombinované plynové/parní elektrárenské zařízení, sestávající v podstatě z alespoň jedné plynové turboskupiny, vytápěné fosilně, alespoň jednoho parního oběhu a alespoň jednoho kotle na odpadní teplo, zařazeného za plynovou turboskupinou, který je zásobován odpadními plyny z plynové turboskupiny, podle vynálezu, jehož podstatou je, že plynová turboskupina sestává z alespoň dvou plynových turbín, a alespoň dvou kompresorů, že za výstupem z prvního kompresoru je upraven mezichladič a na chladicí stranu tohoto mezichladiče je připojen výparník, že množství páry z výparníku se přivádí do parní turbíny parního oběhu, a že za výstupem z první plynové turbíny jsou upravena zařízení na výrobu horkého plynu.

Podle výhodného provedení je zařízením na výrobu horkého plynu spalovací komora.

Podle dalšího výhodného provedení sestává plynová turboskupina ze základní jednotky s prvním kompresorem, spalovací komorou a plynovou turbínou a z jednotky pro zvyšování tlaku s kompresorem, spalovací komorou a první plynovou turbínou. Výhodné je,když je uvedená základní jednotka vůči jednotce pro zvýšení tlaku provedena jako dvouhřídelová. Spalovací komory mohou být isobarickými nebo isochorickými zařízeními.

Podstatnou výhodou vynálezu je, že při snížených specifických nákladech zařízení může být stupeň účinnosti kombinované elektrárny podle vynálezu při směšovací teplotě 1200 °C před plynovou turbínou zvýšen na asi 60 %. Toho je dosaženo tím, že kompresor je za prvé doplněn mezichladičem, který s sebou přináší zvýšení specifického výkonu. To by mělo za následek podstatné snížení stupně účinnosti kombinované elektrárny. Toto negativní působení se však odstraní pomocí zapojení podle vynálezu tím, že teplo z mezichladiče je využitelné takovým způsobem, že vznikne tlaková voda, která se ve výparníku z části přemění v páru, tato pára se potom na vhodném místě zavádí do plynové turbíny, a přitom participuje, podle tlakového poměru, 2 až 4 body na kombinovaném stupni účinnosti.

Za druhé se provede takové přídavné opatření, které slouží k přídavnému zvýšení stupně účinnosti tím, že se stlačený vzduch, jak je obvyklé, nejprve ohřeje ve spalovací komoře z asi 300 °C na asi 1350 °C před tím, než expanduje ve vysokotlaké turbíně. Při tomto postupu se teplota ze směšovací teploty 1200 °C sníží na asi 1000 °C. Potom se opět v mezioperaci přehřívá takovým způsobem, že v následující nízkotlaké turbíně se nastaví i střední vstupní teplota na 1200 °C. To vede k tomu, že spaliny přiváděné do kotle na odpadní teplo mají teplotu asi 600 °C. Touto vzájemnou závislostí obou uvedených opatření je možno v popsané míře stupeň účinnosti kombinovaného zařízení zvýšit na maximum.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude dále blíže objasněn na příkladech provedení podle přiložených výkresů, přičemž pro lepší pochopení vynálezu byly nepotřebné elementy vypuštěny. Směr proudění médií je naznačen šipkami. Přitom na výkresech obr. 1 znázorňuje schéma oběhu kombinované elektrárny s mezipřehříváním a mezichlazením a obr. 2 dvouhřídelové koaxiální uspořádání plynové turbí ny s mezipřehříváním a s mezichlazením.

Příklady provedení vynálezu

Obr. 1 znázorňuje schéma oběhu kombinované elektrárny s mezichlazením a mezipřehříváním. Kompresorový stupeň je u této kombinované elektrárny rozdělen do dvou dílčích kompresorů 1_ a 2_. Mezi těmito oběma kompresory 1_, _2, tedy na výstupu z prvního kompresoru 1_ a před vstupem do druhého kompresoru 2_ je zapojen mezichladič 3_, ve kterém se částečně stlačený vzduch mezioperačně chladí. Horká voda, vzniklá v tomto mezichladiči uvedeným chladicím procesem, se přivádí do připojeného výparníku £, který může být jedno- nebo vícestupňový. Zde nastává vypařování, přičemž takto získaná pára 20 se přivádí do plynové turbíny 6_, zapojené za plynovou turboskupinou, přičemž přívod je proveden na vhodném místě. Tato pára 20 participuje nejprve na kombinovaném stupni účinnosti 2 až 4 body, podle tlakového poměru.

Stlačený vzduch z kompresoru 2. se s tlakem například

4,5 MPa přivádí do prvního zařízení na výrobu horkého plynu, kterým je s výhodou spalovací komora T_, ve které se vzduch ohřívá z asi 350 °C na asi 1350 °C horkého plynu. Tento horký plyn se potom přivádí do vysokotlaké turbíny 8_, ve které nastává expanze plynu z 4,5 MPa na asi 1,4 MPa. Teplota horkého plynu způsobí v této vysokotlaké turbíně 8.

snížení ze směšovací hodnoty 1200 °C na asi 850 °C. Spaliny z této vysokotlaké turbíny 8_ se potom ve druhém zařízení na výrobu horkého plynu, kterým je s výhodou rovněž spalovací komora 9_, ohřejí na asi 1400 °C, aby tak bylo dosaženo střední vstupní teploty 1200 °C i pro nízkotlakou turbínu 10, zařazenou za druhou spalovací komoru 9_. Jak první spalovací komora J_, tak i druhá spalovací komora 9. jsou napájeny kapalným a/nebo plynovým palivem.

Proudy chladicího vzduchu pro obě turbíny 8_ a 10 činí vždy asi 10 až 15 % a jsou odebírány, což není na obr. 1 znázorněno, na vhodných místech z kompresorů _1, 2.. V nízkotlaké turbíně 10 se provádí expanze s tlakovým poměrem asi 14, přičemž odpadní plyny proudící z nízkotlaké turbíny 10 do kotle 11 na odpadní teplo mají teplotu asi 600 °C. Tam se ve dvou tlakových stupních vyrábí pára a potom se přivádí do dále zařazené parní turbíny 6^. Je možno použít i trojtlakový kotel na odpadní teplo.

Za parní turbínou 6_ je zapojen kondenzátor 12, kde je jako chladicí médium 13 použita voda nebo vzduch. Kondenzát z odpadní páry z parní turbíny 6_ se potom dělí do dvou dílčích proudů 14, 16. První dílčí proud 14 se vede přes dopravní čerpadlo 15 do kotle 11 na odpadní teplo a druhý dílčí proud 16 se vede přes další dopravní čerpadlo 17 mezichladičem _3 a výparníkem 4_. V mezichladiči 3. se vzduch stlačený v prvním kompresoru 1^ zpětně ochlazuje na 70 °C, přičemž se voda ohřívá na asi 180 až 200 °C. Zpětné chlazení vody se provádí ve výparníku 4. odtahem výparného tepla. Výparník 4_ může být použit i jako odplyňovač.

Jak plynová turboskupina, sestávající z kompresorů _1 a 2_ a turbín 8. a 10, tak i parní turbína 6_ pohánějí vždy jeden generátor 18, 19. Posledně popsané zapojení s druhou spalovací komorou 2 zařazenou za vysokotlakou turbínou 8. a před nízkotlakou turbínou 10 participuje neboli se účastní na kombinovaném stupni účinnosti minimálně 5 body, takže vycházíme-li z výtěžku stupně účinnosti kombinované elektrárny podle dosavadního stavu techniky, který činí asi 55 %, je možno dosáhnout zlepšení stupně účinnosti zaváděním páry 20, získané ve výparníku 4_, do parní turbíny 6_ na stupeň účinnosti u popsaného zapojení alespoň 60 %.

Pokud se týká uspořádání zapojení podle obr. 1, požaduje se, aby vzhledem k vysokému tlakovému poměru asi 4,5 MPa nebo i více byla použita dvouhřídelová plynová turbína, protože změna objemů při oběhu je velmi velká. Aby bylo dále možno udržovat výstupní teplotu z kompresorů v potřebném rámci, je upraveno mezichlazení, popsané již podle obr. 1. Ideální uspořádání pokud se týká kapalinové logiky je přirozeně takové opatření, které je znázorněno na obr. 2 a označuje se jako Core Engine (jádrový motor). Přitom se jedná o centrální vložení výkonově vyvážené plynové turboskupiny s kompresorem 2., spalovací komorou 7_ a turbínou £.

Obr. 2 znázorňuje v zásadě stejné zapojení plynové turboskupiny jako obr. 1, ve stejném ideálním uspořádání pokud se týká kapalinové logiky. Přitom u tohoto dvouhřídelového koaxiálního uspořádání jde v první řadě o to, aby byla eliminována vedení horkého plynu za první spalovací komorou 7_ a před druhou spalovací komorou £. Řešení by mohlo být provedeno tak, že obě spalovací komory 7_, 9. by byly vytvořeny jako prstencové spalovací komory. Toto platí samozřejmě i pro spalovací komory, které by nebyly isobarickými nýbrž isochorickými spalovacími komorami, přičemž u isochorických spalovacích komor by jako spalovací prostor mohly být použity jednotlivé komůrky komůrkového kola.

Zmíněné vložení výkonově vyvážené plynové turboskupiny s kompresorem 2, spalovací komorou Ί_ a turbínou £ tvoří jednotku, jejíž frekvence otáčení je nezávislá na frekvenci otáčení nízkotlaké skupiny s kompresorem 1, spalovací komorou 9 a turbínou 10, a je zpravidla vyšší, takže o první plynové nízkotlaké skupině je možno hovořit jako o jednotce zvyšování tlaku. Nízkotlaká jednotka tvoří základní jednotku.

Taková konfigurace je ideální pro stavebnicový systém. Základní jednotka může být dimenzována na napájení přibližně stejným proudem 50 Hz nebo 60 Hz, čímž je možno stavebnicový systém maximálně rozšířit.

Samozřejmě není z technického hlediska vyloučeno upravit jednohřídělové uspořádání. Potom se nutno poukázat na to, že takovým uspořádáním je nutno oproti optimálnímu uspořádání obětovat v tlakovém poměru 2 až 3 body stupně účinnosti. Vzhledem ke specifickému výkonu může činit zpětný chod asi 15 %. Potom vzniknou provozní výhody, jako jednoduchý regulační a zabezpečovací systém. Chování při částečném zatížení není z hlediska účinnosti jednohřídelovým uspořádáním vážně poškozeno, nebot předehřívání nasávaného vzduchu, eventuálně ve spojení se zařazením kompresorů za sebou, vznikne velmi dobrý stupeň účinnosti i při tomto částečném zatížení. Dále je nutno dodržet, aby prostá plynová turbína, tedy bez dále zařazené parní turbíny, neznamenala meziohřev se sníženým stupněm účinnosti. Naproti tomu je nutno dodržet spád.

Mezichlazení s nebo bez mezipřehřívání však zlepšuje u velkých tlakových poměrů stupeň účinnosti ve výše uvedeném rozsahu. Specifický výkon však stoupá už i při mezipřehřívání samotném o asi 20 %, s mezipřehříváním a mezichlazením dokonce o dvě třetiny.

Claims (6)

1. ZJ\

   PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Kombinované plynové/parní elektrárenské zařízení, sestávající v podstatě z alespoň jedné plynové turboskupiny, vytápěné fosilně, alespoň jednoho parního oběhu a alespoň jednoho kotle na odpadní teplo, zařazeného za plynovou turboskupinou, který je zásobován odpadními plyny z plynové turboskupiny, vyznačující se tím, že plynová turboskupina sestává z alespoň dvou kompresorů (1,2) a z alespoň dvou plynových turbín (8, 10), že za výstupem z prvního kompresoru (1) je upraven mezichladič (3) a na chladicí stranu tohoto mezichladiče (3) je připojen výparník (4), že množství páry (20) z výparníku (4) se přivádí do parní turbíny (6) parního oběhu, a že za výstupem z první plynové turbíny (8) jsou upravena zařízení (9) na výrobu horkého plynu.
2. 2. Kombinované plynové/parní elektrárenské zařízeni podle nároku 1,vyznačující se tím, že zařízení na výrobu horkého plynu je tvořeno spalovací komorou (9) .
3. 3. Kombinované plynové/parní elektrárenské zařízení podle nároků la2,vyznačující se tím, že plynová turboskupina sestává ze základní jednotky s prvním kompresorem (1), spalovací komorou (9) a plynovou turbínou (10) a z jednotky pro zvyšování tlaku s kompresorem (2), spalovací komorou (7) a první plynovou turbínou (8).
4. 4. Kombinované plynové/parní elektrárenské podle nároku 3,vyznačující se t zařízení í m, že základní jednotka (1, 9, 10) je oproti jednotce pro zvyšování tlaku provedena jako dvouhřídělová.
5. 5. Kombinované plynové/parní elektrárenské zařízení podle nároku 3,vyznačující se t ím, že spalovací komory (7, 9) jsou isobarickými nebo isochorickými zařízeními.
6. 6. Kombinované plynové/parní elektrárenské zařízení podle nároku 3,vyznačující se tím, že základní jednotka (1, 9, 10) je provozovatelná při přibližně stejném proudu s 50 Hz nebo 60 Hz.