CZ20002093A3 - Parní rekuperační generátor a způsob jeho ovládání - Google Patents

Abstract

Parní rekuperační generátor, určený pro zapojení s plynovou turbinou (12), obsahuje skříň (16) pro příjem spalin z plynové turbiny (12), v níž je umístěna první rekuperační jednotka (24) s horizontálně směrovanými teplosměnnými trubkami (25), jednotka (30) pro řízení znečištění vzduchu s katalyzátorem a druhá rekuperační jednotka (26) s vertikálně směrovanými teplosměnnými trubkami (33). Tento parní rekuperační generátor (14) se spojí s plynovou turbinou (12) a vznikne soustava (10) s kombinovaným cyklem. Při způsobu ovládání této soustavy (10) s kombinovaným cyklem se vyvíjí proud (13) spalin v plynové turbině (12), dále se provádí nucený oběh teplosměnného média horizontálně skrze první rekuperační jednotku (24), přirozený oběh teplosměnného média vertikálně skrze druhou rekuperačníjednotku (26), první ochlazování proudu (13) spalin průchodem skrze první rekuperační jednotku (24), snížení obsahu emisí ze spalin průchodem proudu (13) spalinjednotkou (30) pro řízení znečišťování vzduchu a nakonec se provádí druhé ochlazování proudu (13) spalin průchodem tohoto proudu (13) spalin druhou rekuperační jednotkou (26).

Description

Parní rekuperační generátor a způsob jeho ovládání

Oblast techniky

Vynález se týká soustav plynových turbin s kombinovaným cyklem, majících parní rekuperační generátor s katalyzátorem ke snižování výstupu emisí.

Dosavadní stav techniky

Plynové turbiny se dalekosáhle používají k vytváření elektrické energie, obvykle jako záložní zařízení, jak pro požadavky výkonu ve špičce, tak rezervního výkonu pro potřeby průmyslu. Plynovým turbinám se dává přednost z důvodů jejich schopnosti rychlého spouštění a nízkých kapitálových nákladů. Běžné plynové turbiny však pracují se sníženou tepelnou účinností, způsobenou vysokou výstupní teplotou proudu spalin a z toho vyplývajících tepelných ztát. Proto se plynové turbiny často kombinují s parním rekuperačním generátorem, pro zlepšení celkové účinnosti soustavy.

Parní rekuperační generátor se může použít k řízení výkonu parní turbiny nebo k vytváření páry pro průmyslové účely v tzv. kogeneračních cyklech. V technických zařízeních, kde se vyžadují parní cykly nad 140 barů provozního tlaku, se obvykle používají průtlačné parní rekuperační generátory, s vertikálně směrovaným průtokem spalin. V průtlačném parním rekuperačním generátoru,.....s vertikálně směrovaným průtokem spalin, proudí spaliny od plynové turbiny nahoru stupňovitým uspořádáním rekuperačních jednotek a jednotek k řízení znečištění vzduchu.

·· ··»· i»· • · · * fc-·· * • · ·♦· · * «· ·

Tyto rekuperační jednotky používají horizontálně směrované teplosměnné trubky a nucený oběh teplosměnného média.

Způsoby spalování fosilních paliv, používané v plynových turbinách, přinášejí potenciální nebezpečí tvorby znečisťujících látek, obsahujících oxid dusnatý a oxid uhelnatý v proudu spalin. V proudu spalin plynové turbiny mohou být uspořádány vysokoteplotní katalytické materiály pro selektivní katalytickou redukci (SCR) pro snižování tohoto nežádoucího výstupu emisí. Komerčně dostupné vysokoteplotní katalytické materiály pro selektivní katalytickou redukci (SCR) jsou obvykle limitovány na maximální provozní teplotu 565°C. Běžné středněteplotní katalytické materiály jsou limitovány na provozní teplotou 400°C. Avšak teplota vystupujících spalin technologicky vyspělých plynových turbin je obvykle vyšší než 620°C. Proto katalyzátor pro řízení znečištění vzduchu u těchto jednotek musí být instalován směrem alespoň za některou teplosměnnou plochou, obvykle mezi rekuperačními jednotkami, pro snížení maximálních provozních teplot, které se vyskytují v těchto katalytických materiálech. Proto je reakční komora katalyzátoru uložena ve vertikální dráze průtoku spalin parního rekuperačního generátoru.

Jeden typ parního rekuperačního generátoru je vertikálně směrovaný a má vertikální průtok spalin. V takovém uspořádání jsou teplosměnné trubky orientovány horizontálně a v úseku výparníku se obvykle používají oběhová čerpadla. Parní rekuperační generátory mohou střídavě používat horizontální průtok spalin. Parní rekuperační generátory mající horizontální průtok spalin, používají rekuperační jednotky s vertikálně směrovanými teplosměnnými trubkami s přirozeným oběhem teplosměnného média. Přirozený oběh redukuje nebo eliminuje požadavky na oběhová čerpadla. Parní rekuperační generátory » ···* • 9' • · ··

9,

999, ·· 9 9 • 4 9 »

9 9 9• 4 9 9 s vertikálně směrovanými teplosměnnými trubkami a s přirozeným oběhem teplosměnného média mohou prodělat tepelný šok během rychlého spouštění, zejména u připojených tlustostěnných tlakových nádob. Tyto tlustostěnné tlakové nádoby, t.j. bubny, oddělují páru a vodu, recirkulací vody rekuperační jednotkou.

Podstata vynálezu

Stručně řečeno, parní rekuperační generátor podle vynálezu má obecně horizontálně směrovanou dráhu průtoku spalin. Tato obecně horizontálně směrovaná dráha průtoku spalin skrze rekuperační jednotku a jednotku pro řízení znečištění vzduchu je vymezena skříní. Tato skříň má část tvořenou difuzorem, upevněným obvykle u výstupu připojené plynové turbiny a část s plným průřezem, obsahující rekuperační jednotku a jednotku pro řízení znečištění vzduchu.

První rekuperační jednotka, mající průtlačný úsek vysokotlakých horizontálních teplošměnných trubek, je umístěna těsně u části skříně, tvořené difuzorem. Horizontální teplosměnné trubky mají nucený oběh teplosměnného média. Jednotka pro řízení znečištění vzduchu je umístěna směrem za první rekuperační jednotkou ve směru průtoku spalin. Jednotka pro řízení znečištění vzduchu je tvořena katalyzátorem pro snížení obsahu emisí CO a N0_x, obsažených ve spalinách. Druhá rekuperační jednotka je umístěna směrem za jednotkou pro řízení znečištění vzduchu ve směru průtoku spalin. Druhá rekuperační jednotka je tvořena obecně vertikálně směrovanými teplosměnnými trubkami a má přirozený oběh teplosměnného média. Použití přirozeného oběhu pro druhou rekuperační jednotku eliminuje potřebu oběhových čerpadel, a tím snižuje náklady na soustavu.

9 9 9 ·' »9 ·'

4 9 9>

9 9 9

9' 9 9 9

- 4 ► 9 9 9 4

9

9 99

9 9 · > 9- 9 » 9 999

Použití průtlačného nuceného oběhu (žádný parní buben) v první rekuperační jednotce, která je nejprve v kontaktu s - p ^ro¹¹ rtem__ho kébíynu^z^pl-yn?vč=t urb-iny ,^^=vy t vá řír^rychlé spuštění soustavy s kombinovaným cyklem, protože zde neexistují omezení z důvodu tepelného napětí, vyvolaná tlustostěnnými tlakovými nádobami, t.j. bubny. Buben, obvykle spojený , se druhou rekuperační jednotkou, není vystaven vysokému tepelnému napětí, protože průtok spalin vstupující do této druhé rekuperační jednotky má nižší teplotu, způsobenou jeho ochlazováním první rekuperační jednotkou. Proto tato celá soustava s kombinovaným cyklem umožňuje rychlé spuštění, vlivem snížení omezení z důvodu tepelného napětí. Parní rekuperační generátor podle vynálezu se zejména dobře hodí pro technická použití s parními cykly přes 140 barů provozního tlaku.

A dále, obecně vertikálně směrované teplosměnné trubky druhé rekuperační jednotky umožňují jednodušší ruční mytí, pro odstranění nahromaděných čpavkových solí. Horizontální směrování dráhy průtoku spalin zmenšuje problém ochrany katalyzátoru během mytí teplosměnných trubek, při němž se mohou vytvářet kyseliny, které mohou ovlivnit katalyzátor. Kyseliny vytvořené mytím druhé rekuperační jednotky se mohou snadno vyplavit ze dna skříně, bez podstatné pravděpodobnosti, že voda na mytí bude kontaminovat katalyzátor jednotky pro řízení znečištění vzduchu. Zlepšená schopnost čištění první a druhé rekuperační jednotky dovoluje zlepšenou použitelnost celé soustavy s kombinovaným cyklem.

A dále, druhá rekuperační jednotka může být vytvořena s odstupem od vertikálních úseků trubek, vymezujících dutiny. Tyto dutiny vytvářejí přídavný přístup pro čištění a údržbu uvnitř druhé rekuperační jednotky. Tyto dutiny ve druhé rekuperační jednotce však nezvyšují výšku celé soustavy, ·» 4444 44 44 44' 44 * 4 4. 4 4 4 4' 4'4 4

4 444 4 4 4 44 4 i 4 4>

♦ · · · 4' 44 4 4 4 4 φ 4 • 4 4 4 444 4 444 •4 444 44 44 «· 4· z důvodu horizontálního směrování dráhy průtoku spalin. Kromě toho hmotnost první rekuperační jednotky, jednotky pro řízení ^^zhěčTštěnr^vzdůchu a druhé rekuperační jednotky je’ směrována podél horizontální dráhy. Důsledkem tohoto horizontálního uspořádání je nižší požadavek na podpěrnou konstrukci pro celý parní rekuperační generátor.

obrázků na vykresecfe

Vynález bude blíže osvětlen pomocí výkresu, kde na obr. 1 je v perspektivním pohledu a v částečném řezu znázorněna plynová turbina v kombinaci parním rekuperačním generátorem 14, podle vynálezu, na obr. 2 je ve schematickém zobrazení a v řezu znázorněn parní rekuperační generátor z obr. 1 a na obr. 3 je ve zvětšeném měřítku, částečně schematicky, v řezu a v částečném bokorysu znázorněn parní rekuperační generátor z obr. 1.

Příklady provedení vynálezu

Na obr. 1 je znázorněna soustava plynové turbiny s kombinovaným cyklem, s plynovou turbinou 12 a s parním rekuperačním generátorem 14, podle vynálezu, kde tato soustava je obecně označena vztahovou značkou 10. Plynová turbína 12 vypouští proud 13 spalin do parního rekuperačního generátoru 14 potrubím 15. Plynová turbina 12 má obvykle výstupní teplotu spalin vyšší než 620°C (1150°F), čímž je umožněno, aby v parním rekuperačním generátoru 14 bylo absorbováno značné množství energie. Pára, vznikajíc! z provozu parního rekuperačního ·· «»·> 99 99 99

9· 9 i · 9-9 9« 9 9

9'9 99 9 9 999 9 9,9 9>

9- 9 · · 9i 9 9 9 9 9 99 9

9 9 99· 9 9 9 9

999 99' 99- ·· »« generátoru 14, může být použita k pohonu elektrického generátoru prostřednictvím neznázorněné parní turbiny nebo může být póuž ita já kó pára pro prúmyslovéúčely. ⁼ ”

Parní rekuperační generátor 14 má skříň 16, která je opatřena difuzorem nebo vstupní přechodovou částí 18 a přilehlou částí 20 s plným průřezem. Skříň 16 obecně vymezuje horizontální dráhu spalin pro proud 13 spalin. Horký proud 13 spalin z plynové turbiny 12 je směrován potrubím 15 do vstupní přechodové části 18, kde proud spalin expanduje z potrubí 15 do oblasti části 20 s plným průřezem. K provozu parního rekuperačního generátoru 14, může být vhodné použita běžná doplňková topná soustava, s využitím alespoň části přebytku vzduchu ve spalinách z plynové turbiny 12. Ve vstupní přechodové části 18 mohou být umístěny běžné trubkové hořáky a/nebo neznázorněná zařízení pro řízení průtoku.

V části 20 s plným průřezem je umístěna jednotka 22 pro rekuperaci tepla a řízení znečištění vzduchu, pro rekuperaci tepelné energie ze spalin. Jednotka 22 pro rekuperaci tepla a řízení znečištění vzduchu je složena z první rekuperační jednotky 24 a z odstupem uspořádané druhé rekuperační jednotky 26. Druhá rekuperační .jednotka 26 je umístěna ve směru proudu 13 spalin směrem za první rekuperační jednotkou 24. První a druhá rekuperační jednotka 24 a 26 vymezují mezi sebou dutinu 28, pro uložení jednotky 30 pro řízení znečištění vzduchu. První rekuperační jednotka 24, druhá rekuperační jednotka 26 a jednotka 30 pro řízení znečištění vzduchu jsou umístěny přes nebo napříč proudu 13 spalin.

První rekuperační jednotka 24 je tvořena vysokotlakými horizontálně směrovanými teplosměnnými trubkami 25 s průtlačným nuceným oběhem. Teplosměnné trubky 25 jsou s výhodou podepřeny ·· »>·· 00 ·* • 0 0 0 0 0 9' 0

0 000 0 0'0«· 0. 0/0 0| 0’ 0 * 0 01' 0 0 0 * 0 0 , · 9 '

0' 0 0 0' 0 0 0 0 0‘0 * ··· 00 «0 *·. *· shora. Čerpadlo 27 zajišťuje nucený oběh teplosměnného média, obvykle vody, skrze první rekuperační jednotku 24, s recirkulací nebo bez řecíTkuiače. Použití nuceného oběhu pro průtlačný průtok teplosměnného média v první rekuperační jednotce 24 umožňuje rychlé spuštění parního rekuperačního generátoru 14. Použití nuceného oběhu skrze : horizontálně směrované teplosměnné trubky 25 zabrání omezení z důvodu tepelného napětí vyvolaného použitím tlustostěnných tlakových nádob, například bubnů, alternativních rekuperačních jednotek.

Druhá rekuperační jednotka 26 je tvořena běžnými nízkotlakými trubkovými sekcemi 32, s přirozeným nebo tepelným oběhem, s vertikálně směrovanými teplosměnnými trubkami 33. Vertikální trubkové sekce 32 jsou s výhodou podepřeny shora. Ke druhé rekuperační jednotce 26 je dále připojený buben 34 pro oddělování páry a vody. Vertikální trubkové sekce 32 s přirozeným oběhem s výhodou mezi sebou vymezují dutiny 35, umožňující přístup pro údržbu á čištění.

Jednotka 30 pro řízení znečištění vzduchu má katalyzátor pro CO a/nebo katalyzátor pro NO_X v selektivní katalytické redukční soustavě. Jednotka 30 pro řízení znečištění vzduchu je umístěna v dutině 28 mezi první a druhou rekuperační jednotkou 24 a 26. Horizontální směrování proudu 13 spalin zmenšuje obtížnost ochrany katalyzátoru jednotky 30 pro řízení znečištění vzduchu během mytí, zejména druhé rekuperační jednotky 26. Vertikální trubkové sekce 32 druhé rekuperační jednotky 26 umožňují jednodušší mytí pro odstraňování čpavkových solí, které se usadí během provozu parního rekuperačního, generátoru 14. Voda na mytí ze druhé rekuperační jednotky 2_6 se může snadno vyplavit ze dna skříně 16, bez kontaminace katalyzátoru v jednotce 30 pro řízení znečištění vzduchu.

Φφ φφφφ φ φ φ • φφφφ φ φ · φ φ φ φφ φφφ φφ φφ

Φ Φ.| Φ φ φ φφφ φ φ φ « φ φ φ « φφ φφ φφ φφ ΦΊ 1' Φ: Φ

Φ Φ Φ φ

Φ Φ Φ Φ

Φ Φ/ Φ: φ φφ φφ

Jednotka 22 pro rekuperaci tepla a řízení znečištění vzduchu dále s výhodou používá třetí rekuperační jednotku 36 umístěnou směrem za první a druhou rekuperační jednotkou 24 a 26 a za jednotkou 30 pro řízení znečištění vzduchu. Třetí rekuperační jednotka 36 průtlačným ekonomizérem směrovanými trubkami.

Horizontální průtok proudu 13 spalin také zmenšuje konstrukci požadovanou pro podepření jednotky 30 pro řízení znečištění vzduchu, a první a druhé rekuperační jednotky 24 a 26, v porovnání s konstrukcí, která by byla obvykle vyžadována pro vertikálně směrovaný parní rekuperační generátor 14. Snížení výšky a hmotnosti materiálu, jako důsledek horizontálního průtoku parního rekuperačního generátoru 14 může mít za následek nižší kapitálové náklady v porovnání s běžným vertikálním průtokem u průtlačných parních rekuperačních generátorů, opatřených katalyzátory ke snížení obsahu nečistot. Parní rekuperační generátor 14 má dále zvýšenou použitelnost v porovnání s běžnými parními rekuperačními generátory, jako výsledek zlepšené možnosti čištění druhé rekuperační jednotky 26, pro odstraňování .nečistot, jako jsou čpavkové soli, ve směru za katalyzátorem.

I když bylo podrobně zobrazeno a popsáno přednostní provedení, mělo by být zdůrazněno, že odborník v oboru by mohl provést řadu úprav a změn. Proto jsou přiložené nároky určeny k pokrytí jakýchkoliv úprav, které spadají do podstaty a rozsahu vynálezu.

je s výhodou tvořena , nízkotlakým s nucenou cirkulací, s vertikálně

Claims (11)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   PV 2000-3093 ·Φ*&ΦΦ· »· ** φφ φφ φ φ • ··· φφ φφφ φ * • ·. φφφ

   4 6, Φ « • · Φ « ·· ΦΦ

   Φ- Φ ί”' φ · Φ'Φ φ.

   Φ Φ φ φ ♦ Φ Φ φ •Φ ΦΦ

   1. Parní rekuperační generátor^ k použití společně se spalinami plynové turbiny, vyznačuj ící sestává:

   tím, že ze skříně pro příjem spalin z plynové turbiny, vymezující obecně horizontální dráhu proudu spalin touto skříní, směrem proti proudu a po proudu;

   dále z první rekuperační jednotky v této skříni, směrované napříč této dráhy proudu spalin, a mající obecně horizontálně směrované první teplosměnné trubky a nucený průtlačný oběh teplosměnného média;

   dále z jednotky pro řízení znečištění vzduchu umístěné v této skříni, směrované napříč této dráhy proudu spalin, a směrem za první rekuperační jednotkou, kde jednotka pro řízení znečištění vzduchu obsahuje katalyzátor ke snižování emisí ze spalin;

   dále sestává ze druhé rekuperační jednotky v této skříni, směrované napříč této dráhy proudu spalin, směrem za jednotkou pro řízení znečištění vzduchu, a mající obecně vertikálně směrované druhé teplosměnné trubky pro přirozený oběh teplosměnného média.
2. 2. Parní rekuperační generátor podle nároku 1, vyznačující se tím, že druhá rekuperační jednotka sestává z řady vzájemně oddělených trubkových sekcí, kde každá sekce obsahuje řadu uvedených druhých teplosměnných trubek, přičemž tyto trubkové sekce vymezují mezi sebou vertikálně směrované dutiny.

   - 10 9 9 999 9

   9 9 9 * 9 999 ·· 9 9 .9 9- 9 9

   9 9 9 9 9'9 «

   9 9 9 99 9 9'9 · • 9 9 9 99 9 9,9.9 · »· 999 99 ·· 9 9t 44
3. 3. Parní rekuperační generátor podle nároku 1, vyznačující se tím, že dále sestává ze třetí rekuperační jednotky v uvedené skříni, napříčtéto dráhy proudu spalin, směrem za druhou rekuperační jednotkou, a opatřené ekonomizérem s vertikálně směrovanými teplosměnnými trubkami.
4. 4. Parní rekuperační generátor podle nároku 3, vyznačující se tím, že druhá rekuperační jednotka sestává z řady vzájemně oddělených trubkových sekcí, kde každá sekce obsahuje řadu uvedených druhých teplosměnných trubek, přičemž tyto trubkové sekce vymezují mezi sebou vertikálně směrované dutiny.
5. 5. Parní rekuperační generátor podle nároku 1, vyznačující se tím, že druhá rekuperační jednotka dále sestává z bubnu pro oddělování páry a vody.
6. 6. Způsob ovládání soustavy plynové turbiny s kombinovanými cyklem, přičemž soustava plynové turbiny s kombinovaným cyklem sestává z plynové turbiny a parního rekuperačního generátoru, opatřeného první teplosměnnou jednotkou, druhou teplosměnnou jednotkou, a jednotkou pro řízení znečištění vzduchu, opatřenou katalyzátorem, vyznačující se tím, že se vyvíjí proud spalin z uvedené turbiny, dále se provádí nucený oběh teplosměnného média obecně horizontálně skrze uvedenou první teplosměnnou jednotku, dále se provádí přirozený oběh teplosměnného média obecně vertikálně skrze uvedenou druhou teplosměnnou jednotku, dále se provádí první ochlazování uvedeného proudu spalin průchodem uvedeného proudu spalin skrze uvedenou první teplosměnnou jednotku, dále se po provedení prvního ochlazování snižuje obsah emisí ze spalin průchodem

   - 11 99 9··9 *9. 9· • · · · * 9 • · 9 · 9 · ti*· • · * · 9 9 *

   4 9 ··< ·9 99

   9)9

   93.9 uvedeného ochlazeného proudu spalin uvedenou jednotkou pro řízeni znečištění vzduchu, a nakonec se provádí druhé ochiAzdvárfrTIVedeného“přóůdú^spáTin po uvedeném snížéní^obsahu emisí ze spalin, průchodem uvedeného proudu spalin uvedenou druhou teplosměnnou jednotkou.
7. 7. Soustava s kombinovaným cyklem, vyznačující se tím, že sestává z plynové turbiny pro vyvíjení proudu spalin a z parního rekuperačního generátoru pro rekuperaci tepla z proudu spalin, opatřeného skříní pro příjem proudu spalin a vymezující obecně horizontální dráhu proudu spalin z plynové turbiny touto skříní, kde uvedená dráha proudu spalin má směr proti proudu a po proudu, dále sestává z první rekuperační jednotky v této skříni, směrované napříč této dráhy proudu spalin, a mající obecně horizontálně směrované první teplosměnné trubky a nucený průtlačný oběh teplosměnného média, dále sestává z jednotky pro řízení znečištění vzduchu umístěné v této skříni, směrované napříč této dráhy proudu spalin, a směrem za první rekuperační jednotkou, kde jednotka pro řízení znečištění vzduchu obsahuje katalyzátor ke snižování emisí ze spalin a dále sestává ze druhé rekuperační jednotky v této skříni, směrované napříč této dráhy proudu spalin, směrem za jednotkou pro řízení znečištění vzduchu, a mající obecně vertikálně směrované druhé teplosměnné trubky pro přirozený oběh teplosměnného média.
8. 8. Soustava s kombinovaným cyklem podle nároku 7, vyznačující se tím, že druhá rekuperační jednotka sestává z řady vzájemně oddělených trubkových sekcí, kde každá sekce obsahuje řadu uvedených druhých teplosměnných trubek, přičemž tyto trubkové sekce vymezují mezi sebou vertikálně směrované dutiny.

   • 99 ♦ 4999 • 9 ♦ » • • 9 9'- ,99 • 9 9 • • • 99 • « »99 • • Ϊ9 • • • • * 9 9 9 9’ 9 99 • 9 9 99 • 9 99

   - 12
9. 9. Soustava s kombinovaným cyklem podle nároku 7, vyznačující se tím, že dále sestává ze třetí rekuperační=₌jednotky_=iiv₌u vedeném skříni ,-=napří č=této=dráhy=prcudu= = spalin, směrem za druhou rekuperační jednotkou, a opatřené ekonomizérem s vertikálně směrovanými teplosměnnými trubkami.
10. 10. Soustava s kombinovaným cyklem podle nároku 9, vyznačující se tím, že druhá rekuperační jednotka sestává z řady vzájemně oddělených trubkových sekcí, kde každá sekce obsahuje řadu uvedených druhých teplosměnných trubek, přičemž tyto trubkové sekce vymezují mezi sebou vertikálně směrované dutiny.
11. 11. Soustava s kombinovaným cyklem podle nároku 7, vyznačující se tím, že druhá rekuperační jednotka dále sestává z bubnu pro oddělování páry a vody.