CZ2013679A3 - Tepelně energetické zařízení obsahující parní turbinu a způsob činnosti tepelně energetického zařízení - Google Patents

Abstract

Tepelně energetické zařízení obsahuje parní turbínu (4) pro expanzi vstupní páry a odevzdání práce, chladicí prostředek (8) pro odvod tepla z výstupní páry turbíny (4), vodní zásobník nebo parní kotel (1) pro výrobu páry a přehřívač (2) páry pro přívod tepla do páry před jejím vstupem do parní turbíny (4). Zařízení dále zahrnuje kompresní prostředek (7) uspořádaný pro odběr alespoň části výstupní páry z parní turbíny (4) a/nebo alespoň části páry ochlazené v chladicím prostředku (8). Před přivedením páry do parního kotle (1) nebo přehřívače (2) se alespoň část z celkového množství výstupní páry prošlé po expanzi turbínou (4) stlačí v kompresním prostředku (7) na hodnotu tlaku, která odpovídá tlaku páry před turbínou (4), a takto stlačená pára se přivede do parního kotle (1) a/nebo přehřívače (2).

Description

Tepelně energetické zařízení obsahující parní turbinu a způsob činnosti tepelně energetického zařízení

Oblast techniky

Vynález se týká tepelně energetického zařízení obsahujícího parní turbinu pro expanzi vstupní páry a odevzdání práce, kondenzátor nebo chladič pro odvod tepla z výstupní páry parní turbiny, vodní zásobník nebo parní kotel pro výrobu páry a přehřívač páry pro přívod tepla do páry před vstupem do parní turbiny. Vynález se dále týká způsobu činnosti tepelně energetického zařízení.

Dosavadní stav techniky

Práci z tepelné energie získáváme v tepelných strojích. Pracovní látka vykoná práci tím, že prochází účelně seřazenými změnami, takže se vrací do původního stavu jinou cestou, než jakou procházela v první části pochodu. Tyto změny tvoří tepelný oběh. Parní oběh má některé charakteristické vlastnosti. Především užívá pracovní látky, která se v průběhu jeho stavových změn vyskytuje ve dvou skupenstvích a řešení tohoto oběhu je komplikovanější než tepelného, kde se pracovní látka vyskytuje v jednom skupenství.

Dalším charakteristickým rysem je, že právě pomocí parního oběhu, a to s jedinou pracovní látkou (vodou), se mění naprostá většina tepelné energie (v elektrárnách) na energii elektrickou.

Jednoduchý parní oběh lze popsat následně. Napájecí voda je vtlačena do výměníku (kotle), kde se udržuje pracovní tlak

- 2 a kde se ohřívá na bod varu při daném pracovním tlaku a potom se odpařuje a přehřívá na pracovní teplotu. Pára pak vstupuje do turbiny, kde odevzdá užitečnou práci a odchází do kondenzátoru, ve kterém odevzdá kondenzační teplo.

Z termodynamického hlediska je důležité, že teplo se z oběhu odvádí zcela ideálně, izotermicky, máme-li na mysli uzavřený tepelný oběh při teplotě okolí, která je navýšena o teplotní spád výměníku. Přívod tepla se děje isobaricky v celém rozsahu teplot v oblasti mokré páry, kde souhlasí izobara s izotermou. Podíl izobarického a izotermického přívodu tepla závisí na maximálním zvoleném tlaku oběhu. Platí obecně, že u všech parních oběhů je přívod tepla z termodynamického hlediska méně příznivý než jeho odvod. Míra této diference závisí na zvolené pracovní látce.

Další důležitou skutečností je, že u parních oběhů se komprimuje vždy tekutina. V důsledku toho je kompresní práce malá v porovnání s prací turbiny, někdy dokonce téměř zanedbatelná. Užitečná práce je proto téměř totožná s prací parní turbiny, což spolu s vysokými expanzními poměry má za následek, že měrný výkon pracovní látky je v porovnání se všemi ostatními cykly velmi vysoký. Ze všech uvedených důvodů je také poměrně vysoká i tepelná účinnost oběhu.

Podobně jako u oběhu plynové turbiny je i v případě parní turbiny optimální tlak funkcí teploty vstupní páry, přičemž hladina optimálních tlaků je značně vysoká; se vrůstající teplotou optimální tlak rychle roste. Reálný oběh se liší od ideálního tím, že v důsledku tlakových ztrát překonává napájecí čerpadlo větší tlakový rozdíl než teoretický. V důsledku nevratné komprese je potřebná napájecí práce větší

- 3 než adiabatická. V důsledku nevratné expanze je užitečná práce turbiny menši než adiabaticka a v důsledků nevratnosti vyměny tepla při kondenzaci leží dolní teplota oběhu nad teplotou okolí. Přes celkově výhodné vlastnosti základního jednoduchého oběhu lze jeho termodynamické ukazatele dále zlepšovat užitím karnotizačních úprav, z nichž se zejména uplatňuje regenerační ohřev napájecí vody a přirozeně také jejich kombinace.

Regenerační ohřev pracuje tak, že část páry se odebírá z turbiny a užívá se k ohřevu napájecí vody. Tím se vyloučí termodynamicky nepříznivý přívod tepla při nízkých teplotách, takže průměrná teplota přívodu tepla parnímu oběhu se zvýší. Regenerační ohřev napájecí vody je velmi významný, a proto se u moderních parních oběhů zcela zásadně užívá.

Přihřívání páry se používá tak, že se do pracovní látky přivede teplo po částečné expanzi a v důsledku toho se zvyšuje jak celková tepelná účinnost tak zejména měrný výkon pracovní látky. Kromě toho se posouvá konec expanze do oblastí vyšších suchostí, což je velmi příznivé z hlediska koroze lopatek posledních stupňů turbiny.

Parní turbiny jsou základním typem pohonu v tepelných i jaderných elektrárnách jako součást tepelně energetických zařízení. Jak ukazuje obr. 1, známá tepelně energetická zařízení elektráren jsou tvořena uzavřeným zapojením parní turbiny £, kondenzátoru 8^, napájecího čerpadla 10, parního kotle 1 a přehřívače 2 páry, pracujícími v uzavřeném tepelném cyklu, ve kterém v turbině 4 izoentropicky expanduje vstupní pára a odevzdává práci, výstupní pára turbiny £ proudí do kondenzátoru 8^, v kondenzátoru 8_ se při stálém tlaku odvádí teplo z výstupní páry turbiny _4 do chladící vody kondenzátoru

- 4 8 a pára kondenzuje, kondenzát se odsává napájecím čerpadlem 10, dopravuje se do parního kotle U ^v parním kotli 2 se voda při stálém tlaku ohřívá na teplotu varu až do odpaření, pára postupuje do přehřívače 2, v přehřívači 2_ se při stálém tlaku přivádí páře další teplo a poté se vháněním páry do turbiny 4 a izoentropickou expanzí páry v turbině 4_ uzavírá oběh vodní páry v tepelně energetickém zařízení.

Tepelná účinnost tepelně energetického zařízení, uvažovaná bez ztrát v turbině (tzv. ideálního tepelně energetického zařízení), je dána poměrem práce, kterou lze získat v jednom cyklu z 1 kg páry a množství tepla, které se přivede vodě i páře v průběhu jednoho cyklu.

Snahy o zvýšení tepelné účinnosti ideálního energetického zařízení se soustřeďují na zvětšení teplotního rozdílu v ideálním tepelném cyklu, tedy na zvětšení rozdílu mezi střední hodnotou teploty, při níž se v parním kotli a v přehřívači přivádí teplo vodě a páře, a teplotou, při které se v kondenzátoru odvádí teplo z výstupní páry parní turbiny. Kromě toho se snahy soustřeďují na zvýšení termodynamické účinnosti samotné parní turbiny, zejména na maximálně možné snížení všech ztrát v parní turbině. Dosavadní snahy vedly k dosažení tepelné účinnosti cyklu tepelně energetických zařízení v mezích 45 - 52 % a možnosti dalšího zvýšení se hledají převážně v termodynamické účinnosti a konstrukci samotných parních turbin.

Nevýhodou zařízení podle dosavadního stavu techniky se obecně jeví jejich dosud neuspokojivá účinnost, a proto je trvalým cílem pracovat na zvýšení této účinnosti.

- 5 Cílem vynálezu je podstatně zvýšit tepelnou účinnost cyklu tepelně energetických zařízení a umožnit zvýšení tepelné účinnosti u tepelně energetických zařízení, která jsou již v provozu.

Podstata vynálezu

Nevýhody dosavadního stavu techniky podstatnou měrou odstraňuje a cíl vynálezu splňuje tepelně energetické zařízení podle předkládaného vynálezu, obsahující parní turbinu pro expanzi vstupní páry a odevzdání práce, chladicí prostředek pro odvod tepla z výstupní páry turbiny, vodní zásobník nebo parní kotel pro výrobu páry a přehřívač páry pro přívod tepla do páry před jejím vstupem do parní turbiny, jehož podstata spočívá v tom, že zahrnuje kompresní prostředek uspořádaný pro odběr alespoň části výstupní páry z parní turbiny a/nebo alespoň části páry ochlazené v chladicím prostředku, její stlačení na hodnotu tlaku, která odpovídá tlaku páry před turbinou, a přivedení stlačené páry do parního kotle a/nebo přehřívače.

Podle jednoho z výhodných provedení je kompresním prostředkem kompresor, přičemž výstup turbiny generátoru je přes směšovač spojen se vstupem kompresoru, výstup kompresoru je spojen se vstupem do přehřívače a výstup přehřívače je spojen se vstupem turbiny přes rozdělovač pro odvedení části vstupní páry vyšlé z přehřívače ke vstupu turbiny kompresoru spojené mechanicky s kompresorem a výstup turbiny kompresoru je spojen s jedním ze vstupů směšovače. Mezi výstupem směšovače a vstupem kompresoru může být umístěn chladič, anebo zde může být umístěn rozdělovač, jehož jeden výstup je spojen se vstupem kompresoru a druhý výstup je spojen se vstupem

- 6 kondenzátoru pro odváděni tepla, jehož výstup je spojen se vstupem napájecího čerpadla, jehož výstup je spojen se vstupem parního kotle.

Podle jednoho z výhodných provedení může být výstup z kompresoru také spojen se vstupem parního kotle a/nebo připojen k vnitřnímu vinutí parního kotle a výstup napájecího čerpadla může být také spojen se vstupem přehřívače a/nebo připojen k vnitřnímu vinutí parního kotle.

Podle dalšího výhodného provedení tepelně energetické zařízení obsahuje kondenzátor a kompresní prostředek zahrnující alespoň dva kompresory či kompresní stupně, přičemž do kondenzátoru se přivádí část z celkového množství výstupní páry, která po expanzi vystoupila z turbíny, a zbývající část výstupní páry z tohoto celkového množství se přivádí do prvního kompresoru či kompresního stupně, přičemž kompresory či kompresní stupně jsou uspořádány pro postupné stlačování páry tak, že pára stlačená v přecházejícím kompresoru či stupni na určitou hodnotu tlaku se stlačuje v následujícím kompresoru či stupni z této hodnoty tlaku na tlak vyšší, přičemž do páry stlačené předcházejícím kompresorem či stupněm se před jejím přivedením do následujícího kompresoru či stupně přivede alespoň část kondenzátu vzniklého v kondenzátoru.

Tepelně energetické zařízení dále může obsahovat zásobník kondenzátu pro umístění kondenzátu vzniklého v kondenzátoru a čerpadlo pro přivádění alespoň části kondenzátu ze zásobníku kondenzátu do páry stlačené v předcházejícím kompresoru před jejím vstupem do následujícího kompresoru.

- 7 Tepelně energetické zařízení dále může obsahovat čerpadlo pro odvod části kondenzátu ze zásobníku kondenzátu do parního kotle.

Podle jednoho z výhodných provedení tepelně energetické zařízení obsahuje první turbínu generátoru uspořádanou na výstupu z parního kotle, jejíž výstup je přes přehřívač napojen na vstup druhé turbíny generátoru, která je svým výstupem napojena přes chladič a rozdělovač na vstup kondenzátoru, přičemž druhý výstup rozdělovače je napojen na vstup prvního kompresoru, na který navazuje druhý kompresor následovaný třetím kompresorem, a z třetího kompresoru jde pára, stačená na hodnotu tlaku, který odpovídá tlaku vstupní páry turbiny, do parního kotle a/nebo přehřívače.

Je výhodné, aby výstupní pára vystupující z turbíny měla hodnotu vlhkosti větší než 0,32 a pára před začátkem komprese v kompresním prostředku hodnotu vlhkosti větší než 0,18.

Předmětem vynálezu je rovněž způsob činnosti tepelně energetického zařízení podle vynálezu.

Výše uvedené nevýhody stavu techniky odstraňuje a cíle vynálezu splňuje rovněž způsob činnosti tepelně energetického zařízení obsahujícího parní turbinu pro expanzi vstupní páry a odevzdání práce, chladicí prostředek pro odvod tepla z výstupní páry turbiny, vodní zásobník nebo parní kotel pro výrobu páry a přehřívač páry pro přívod tepla do páry před jejím vstupem do parní turbiny, kde podstata způsobu podle vynálezu spočívá v tom, že před přivedením páry do parního kotle nebo přehřívače se alespoň část z celkového množství výstupní páry prošlé po expanzi turbinou stlačí v kompresním

- 8 prostředku na hodnotu tlaku, která odpovídá tlaku páry před turbinou, a takto stlačená páry se přivede do parního kotle a/nebo přehřívače.

Podle výhodného provedení tepelně energetické zařízení obsahuje kondenzátor a kompresní prostředek zahrnuje alespoň dva kompresory či kompresní stupně, přičemž do kondenzátoru se přivede část z celkového množství výstupní páry vyšlé po expanzi z turbíny, a zbývající část výstupní páry z tohoto celkového množství se přivede do prvního kompresoru či kompresního stupně, kde se pára stlačí na určitou hodnotu tlaku, přičemž další postup této páry je takový, že před přivedením páry stlačené v předcházejícím kompresoru nebo kompresním stupni do následujícího kompresoru či kompresního stupně se do této stlačené páry vstříkne alespoň část kondenzátu, který vzniknul kondenzací páry, která byla přivedena do uvedeného kondenzátoru, takto obohacená pára se přivede do uvedeného následujícího kompresoru či kompresního stupně, kde se stlačí na tlak, který je vyšší než tlak, na který byla stlačena v předcházejícím kompresoru či kompresním stupni, přičemž v posledním kompresoru či kompresním stupni se pára stlačí na hodnotu tlaku, který odpovídá tlaku vstupní páry před vstupem do turbiny, a pára o tomto tlaku se přivede do parního kotle a/nebo přehřívače.

Část kondenzátu vzniklého v kondenzátoru se může v rámci regulační funkce přivádět přímo do parního kotle.

Podle dalšího z výhodných provedení se před přivedením páry do kondenzátoru a do prvního kompresoru či kompresního stupně pára ochladí v chladiči.

- 9 Podle dalšího výhodného provedení zahrnuje tepelně energetické zařízení alespoň dvě turbiny uspořádané za sebou tak, že pára se z parního kotle nebo přehřívače přivádí do první turbíny, odkud je přes další přehřívač vedena do následující turbíny, přičemž po expanzi páry v poslední turbině se část páry odvádí do prvního kompresoru či kompresního stupně a zbývající část páry se vede do kondenzátoru.

Výhoda tepelného energetického zařízení s parní turbinou podle vynálezu spočívá v podstatném zvýšení tepelné účinnosti cyklu až na hranici 60 % beze změny teploty vstupní páry před turbinou a na hranici 65 % při zvýšení teploty vstupní páry před turbinou na hranici 610 °C a snížení tlaku na hranici 50 bar. Při použití vícestupňové komprese s proměnným množstvím pracovní látky během stlačování lze dosáhnout termickou účinnost přes 70 %.

Přehled obrázků na výkresech

Předkládaný vynález bude blíže popsán s odkazem na výkresy, na nichž znázorňuje:

- obr. 1 schematické uspořádání tepelně energetického zařízeni podle dosavadního stavu techniky obr. 2 první příklad provedení tepelně energetického zařízení podle vynálezu s kompresorem uspořádaným pro odběr páry ochlazené v kondenzátoru,

- obr. 3 diagram teplota - entropie (T-s) ideálního cyklu tepelně energetického zařízení ze stavu techniky z obr. 1 v porovnání s tepelně energetickým zařízením podle prvního příkladu provedení schematicky zobrazeného na obr. 2,

- obr. 4 diagram tlak - entalpie (log p-h) ideálního cyklu tepelně energetického zařízení ze stavu techniky z obr. 1 v porovnání s tepelně energetickým zařízením podle prvního příkladu provedení schematicky zobrazeného na obr. 2, - obr. 5 druhý příklad provedení tepelně energetického zařízení podle vynálezu, obr. 6 třetí příklad provedení tepelně energetického zařízení podle vynálezu, obr. 7 čtvrtý příklad provedení tepelně energetického zařízení podle vynálezu,

- obr. 8 diagram tlak - entalpie (log p-h) ideálního cyklu tepelně energetického zařízení z obr. 7.

Příklady provedení vynálezu

Obr. 1 schematicky zobrazuje uspořádání ze stavu techniky známého tepelně energetického zařízení, které bylo popsáno v odstavci „Dosavadní stav techniky.

Obr. 2 zobrazuje schematicky první příklad provedení tepelně energetického zařízení podle vynálezu. Je použit jednoduchý, uzavřený ideální parní oběh, kde pracovní látkou je voda. Nej jednodušší tepelný parní oběh lze popsat takto : 1) Kompresor 2 nasává vlhkou, sytou nebo přehřátou vodní páru. Vlhká vodní pára musí mít suchost být větší než x=0,18. Tlak vodní páry na vstupu do kompresoru 2 odpovídá tlaku za kondenzátorem 2· Výstupní tlak se rovná pracovnímu tlaku před turbinou £.

2) V parním kotli 2 nebo výměníku se přivádí teplo. V oblasti vlhké páry se suchostí větší než x=0,18 je to izotermickým i izobarickým způsobem. Přívod tepla je ukončen v přehřívači 2 dosažením pracovní teploty před turbinou £.

- 11 a ·

3) Vodní pára expanduje z pracovního tlaku před turbinou 4 na tlak za turbinou 4, který odpovídá tlaku v kondenzátoru 8.

4) V kondenzátoru 8_ se odvádí teplo a předává se do okolí. Odvod tepla je ukončen a omezen suchostí páry, která musí být větší než x=0,18.

5) Expanze v turbině 4 bude ukončena při suchosti páry větší než 0,32.

Jak vyplývá z výše uvedeného, u tepelně energetického zařízení podle vynálezu z obr. 2 se do parního kotle 1. vtlačuje pára (narozdíl od stavu techniky, kdy se do parního kotle vtlačuje pouze voda). Napájecí čerpadlo 10 může a nemusí převzít regulační funkci.

Na obr. 3 lze sledovat vliv parametrů na tepelnou účinnost v diagramu teplota - entropie (T-s) ideálního cyklu tepelně energetického zařízení ze stavu techniky podle obr. 1 v porovnání s prvním příkladem provedení tepelně energetického zařízení podle předkládaného vynálezu, jehož uspořádání je zobrazeno na obr. 2.

Popis cyklu v tepelně energetickém zařízeni z obr. 1 (dále uváděné vztahové značky viz obr. 1 a 3)

V tepelně energetickém zařízení podle obr. 1 se přívod tepla v ideálním cyklu uskutečňuje ve třech etapách. Podle obr. 3 probíhá podle diagramu T-s ohřev napájecí vody na teplotu sytosti při stálém tlaku podle čáry ab a odpaření vody při stálé teplotě podle čáry bc v parním kotli 1_ a přívod tepla v oblasti přehřáté páry v přehřívači 2 při stálém tlaku podle čáry cd.

- 12 U turbiny pracující beze ztrát a bez výměny tepla s okolním prostředím probíhá expanze izoentropicky. Expanze je znázorněna na obr. 3 v T-s diagramu průběhem čáry de. Pára, která expandovala v turbině 4, vystupuje jako výstupní pára z turbiny 4 a postupuje do kondenzátoru 8. Zde při stálém tlaku dochází k odvodu tepla z páry do chladící vody (do okolí), pára kondenzuje, kondenzát se odsává napájecím čerpadlem 10 a dopravuje se do parního kotle 1.

Přívod tepla v parním kotli _1 a v přehřívači 2_ probíhá při stálém tlaku, takže množství tepla přivedené vodě i páře se spotřebuje výhradně na zvýšení entalpie páry. Teplo předané páře v parním kotli 1 i v přehřívači 2_ je na obr. 3 v Ts diagramu znázorněn plochou 1' ^zabcd2' '1' ' .

Popis cyklu v tepelně energetickém zařízeni z obr. 2 (dále uváděné vztahové značky viz obr. 2 a 3)

Podle prvního příkladu provedení vynálezu schematicky zobrazeného na obr. 2 probíhá přeměna tepelné energie na mechanickou podle diagramu na obr. 3. V T-s diagramu je vymezena plocha ohraničenou čárou cdef. Stlačení páry v kompresoru 7 probíhá podle čáry fc, přívod tepla v přehřívači 2 probíhá podle čáry cd, expanze v turbině 4_ probíhá podle čáry de a odvod tepla v kondenzátoru 8^ probíhá podle čáry ef.

Plocha dcef znázorňuje práci, kterou lze získat z 1 kg páry (izoentropická práce). Teplo předané páře podle vynálezu znázorňuje v diagramu T-s plocha cd2' ' 3' ' .

- 13 Tepelná účinnost ideálního oběhu tepelně energetického zařízení je dána poměrem práce, kterou lze získat z 1 kg páry a tepla předaného páře.

Poměr velikosti plochy dcef (práce) a plochy cd2 3 (předané teplo) podle vynálezu je větší, než poměr velikosti plochy abcdea a plochy 1' 'abcd2' '.

Tepelná účinnost ideálního oběhu podle vynálezu je tudíž vyšší, než tepelná účinnost ideálního oběhu dle dosavadního stavu techniky.

Na obr. 4 jsou porovnány pracovní cykly tepelně energetického zařízení ze stavu techniky z obr. 1 a tepelně energetického zařízení z obr. 2 podle vynálezu pomocí závislosti tlaku p na entalpii. V diagramu na obr. 4 je tlak uváděn v barech a jednotkou entalpie jsou kJ/kg.

Popis cyklu v tepelně energetickém zařízeni z obr. 1 (dále uváděné vztahové značky viz obr. 1 a 4)

Cyklus ze stavu techniky známého tepelně energetického zařízeni je v diagramu vyznačen přerušovanou čarou. Expanze na turbině _4 začíná na tlaku 120 barů a teplotě před turbinou 4 540 st.C. Počátek expanze je vyznačen bodem B, kde je v tomto bodě entalpie 3395 kJ/kg. Expanze probíhá adiabaticky, to je bez přívodu nebo odvodu tepla. Konec expanze je vyznačen bodem C s enthalpií 1953 kJ/kg. Rozdíl na počátku a na konci expanze je expanzní užitečná práce turbiny 4_. Užitečná práce turbiny 4_ je tedy 3395-1953=1442 kJ/kg.

- 14 Z bodu C s enthapií 1953 kJ/kg do bodu A s entalpii 163 kJ/kg se v kondenzátoru 8^ odvádí teplo do chladicí vody a pára zkondenzuje na vodu. Odvedené teplo je tedy rozdíl 1953163= 1790 kJ/kg.

Zkondenzovaná voda se napájecím čerpadlem vtlačí do parního kotle a z bodu A o entalpii 163 kJ/kg. Přívod tepla probíhá z bodu A do bodu B S enthalpií 3395 kJ/Kg. Přivedené teplo je tedy rozdíl 3395-163= 3232 kJ/kg.

Užitečná práce je dána rozdílem přivedeného tepla minus odvedené teplo 3232-1790= 1442 kJ/kg.

Termická účinnost je dána podílem užitečné práce a dodaného tepla to je 1442/3232= 0,446. Tento výraz říká, že 44,6% dodaného tepla se přemění v užitečnou práci.

Popis cyklu v tepelně energetickém zařízeni z obr. 2 (dále uváděné vztahové značky viz obr. 2 a 4)

Cyklus tepelně energetického zařízení podle vynálezu je vyznačen plnou čarou. V tomto případě jsou parametry turbiny 4_ stejné jak u známého parního oběhu tak u tepelného parního oběhu podle vynálezu a užitečná práce je tedy 1442 kJ/kg. Z bodu 3' s entalpii 1953 kJ/kg do bodu 4^z s entalpii 1232 kJ/kg. Odvedené teplo je tedy rozdíl 1953-1232= 721 kJ/kg. Odvod tepla je při konstantním tlaku a v oblasti vlhké páry i konstantní teplotě.

Z bodu 4' s entalpii 1232 do bodu 1' entalpii 1813 kJ/kg probíhá adiabatická komprese, kde se vlhká pára stlačuje na pracovní tlak turbiny 4. Kompresní práce je tedy 1232-1813=

- 15 581 kJ/kg. Kompresní práce je tedy záporná a musí se odečítat od užitečné práce. Komprese musí začínat v oblasti, kde vlhkost x je větší než 0,18. To zaručuje, že konec komprese bude v oblasti, kde voda vyloučená z vlhké páry neznemožní průběh komprese.

Z bodu Γ s entalpií 1813 kJ/kg do bodu 2 s entalpií 3395 kJ/kg probíhá přívod tepla 3395-1813=1582 kJ/kg při konstantním tlaku ve vlhké a později v přehřáté páře.

Užitečná práce je rozdíl mezi přivedeným a odvedeným teplem 1582-721= 861 kJ/kg, samozřejmě je také rozdílem užitečné práce turbiny £ a prací kompresoru 8_ 1442-581= 861 kJ/Kg.

Termická účinnost parního oběhu podle vynálezu je podíl užitečné práce a přivedeného tepla ETA= 861/1582 =0,544 a tedy 54,4% přivedeného tepla se přemění v užitečnou práci. Po optimalizaci pracovního pole a použitím nových materiálů na lopatky parních turbin lze dosáhnout porovnávací termickou účinnost parního oběhu podle vynálezu až 70%.

Použiti tepelně energetického zařízeni podle vynálezu snižuje spotřebu paliva nejméně o jednu třetinu.

Při použití obvyklé teploty před turbinou £ 600 st.C a přihřívání páry se dosahuje u tepelně energetického zařízení podle vynálezu termické účinnost 64,2% při pracovním tlaku menším jak 5 MPa. Při použití perspektivních materiálů na lopatky turbiny £ lze očekávat termickou účinnost okolo 70% a paroplynový tepelný oběh se přiblíží 80%.

- 16 Obr. 5 zobrazuje druhý přiklad provedení tepelně energetického zařízení podle vynálezu. Ze zásobníku la vody se doplňuje voda do přehřívače 2. V přehřívači 2 se přivádí teplo do vodní páry. V rozdělovači 3 se vodní pára rozděluje do turbiny 4_ generátoru a turbiny 5_ kompresoru 7. Ve směšovací 6 se spojuje vodní pára po expanzi v turbině £ generátoru a v turbině 5 kompresoru 7, Kompresor 7 stlačuje vodní páru na pracovní tlak před turbinami 4, 5. V chladiči 16 se odvádí teplo. Uvedené uspořádání představuje první možnost. Alternativní druhou možností je, že kompresor je přímo napojen mechanicky na parní turbinu generátoru. Uvedené první možnosti uspořádání lze s výhodou využit pro realizaci přídavného zařízení, které bude zavedeno do stávajících - již pracujících tepelně energetických zařízení známých ze stavu techniky, aniž by bylo zapotřebí zásadní přestavby těchto stávajících tepelně energetických zařízení.

Obr. 6 zobrazuje třetí příklad provedení tepelně energetického zařízení podle vynálezu. Tepelný parní oběh obsahuje dva okruhy toku vodní páry. První okruh je výkonnostní, kde přehřátá vodní pára jde z parního kotle 1 přes přehřívač 2· V rozdělovači 2 přehřáté páry se pára rozdělí na průtok přes parní turbinu £ generátoru a na průtok přes parní turbinu 5 kompresoru 2 do směšovače 2 ^a následně do rozdělovače 3a, kde se oddělí patřičné regulační množství vodní páry. V kompresoru 7 turbokompresoru se vodní pára stlačí z tlaku za parní turbinou 4_ generátoru a stejného tlaku za turbinou 5 turbokompresoru na pracovní tlak v parním kotli 2·

- 17 Stlačená vodní pára z kompresoru 7 turbokompresoru vstupuje do potrubí před parní kotel 1_, do parního kotle 1 a za parní kotel 1 před přehřívač 2. Tím je výkonnostní okruh uzavřen.

Druhý okruh je regulační. Z rozdělovače 3a regulace jde regulační množství vodní páry do kondenzátoru 8 regulace a poté je kondenzát dopraven napájecím čerpadlem 10 před parní kotel _1, do parního kotle 1 a za parní kotel ji.

Popis činnosti tepelně energetického zařízení podle tohoto třetího příkladu provedení je následující. V parním kotli 1. se ohřívá voda (kondenzát i stlačená vodní pára) při konstantním tlaku a teplotě až na mez sytosti. Poté proudí do přehřívače 2, kde se přehřívá až na pracovní teplotu před turbinami £ a 5. V turbinách £, 5 expanduje na počáteční tlak. V turbině £ generátoru odevzdá užitečnou práci obvykle na výrobu elektrické energie. Turbina 5 turbokompresoru stlačuje vodní páru, která vychází z turbiny 4 generátoru a turbiny 5 turbokompresoru na pracovní tlak parního kotle _1. Regulační množství vodní páry, které se oddělí v rozdělovači 3a regulace, zkondenzuje v kondenzátoru 8^ a přes napájecí čerpadlo 10 se vtlačuje pracovním tlakem turbin 4, 5 do parního kotle 1 a přehřívače 2_. Regulační okruh automaticky udržuje tepelně energetické zařízení v činnosti.

Obr. 7 zobrazuje čtvrtý příklad provedení tepelně energetického zařízení podle vynálezu. Tepelně energetické zařízení realizuje v tomto provedení kompresní parní tepelný oběh s proměnnou hmotností náplně s následujícím průběhem.

V parním kotli 1b, který s výhodou obsahuje i přehřívač, se dodá teplo, které ohřeje vodní páru na pracovní teplotu

- 18 před začátkem expanze v první parní turbině 4a. V první parní turbině 4a dojde k vykonání užitečné práce. V přehřívači 2a se opět přivede teplo do vodní páry. V druhé parní turbině 4b vodní pára expanduje až na tlak v kondenzátoru 8_. Kompresní prostředek použitý v tepelně energetickém zařízení zahrnuje 3 kompresory: první kompresor 7a, druhý kompresor 7b, a třetí kompresor 7c. V rozdělovači 3 se ochlazená vodní pára rozdělí na část, která proudí do prvního kompresoru 7a a druhá část proudí do kondenzátoru 8^. Vodní pára proudící do prvního kompresoru 7a pokračuje do prvního směšovače 6a, kde se smísí s kondenzátem, který dodá první napájecí čerpadlo 10a. Poté se stlačí v druhém kompresoru 7b a pokračuje do druhého směšovače 6b, kde se smísí s kondenzátem, který dodá druhé napájecí čerpadlo 10b a poté vodní pára pokračuje do třetího kompresoru 7c, který vtlačí vodní páru do parního kotle 1b a na vstupní tlak před první turbinou 4a.

Vodní pára, která proudí do kondenzátoru 8_, se ochladí a ve formě kondenzátu se dopraví do zásobníku j) kondenzátu. Kondenzát ze zásobníku 9 kondenzátu dopravuje první napájecí čerpadlo 10a do prvního směšovače 6a, kde se mísí se stlačenou vodní párou, která vychází z prvního kompresoru 7a. Druhé napájecí čerpadlo 10b dopravuje kondenzát ze zásobníku 2 kondenzátu do druhého směšovače 6b, kde se mísí s vodní párou, která vychází z druhého kompresoru 7b. Třetí napájecí čerpadlo 10c dopravuje kondenzát do parního kotle lb. Tím je celý cyklus uzavřen.

Obr. 8 zobrazuje diagram tlak - entalpie (log p-h) ideálního cyklu tepelně energetického zařízení z obr. 7 neboli výše popsaného čtvrtého příkladu provedení vynálezu. V tomto obrázku je popsán cyklus - tepelný oběh vodní páry

- 19 v souřadnicích entalpie h(kJ/kg) v závislosti na tlaku log(p) v barech. Jako příklad je dáno to, že se v rozdělovači 2 rozděluje vodní pára rovnoměrně na polovinu, přičemž jedna polovina proudí do prvního kompresoru 7a a druhá polovina do kondenzátoru 8, kde se odvede jedna část tepla. Vodní pára, která vychází z kotle lb obsahujícího přehřívač, expanduje v první turbině 4a z bodu 21 do bodu 22 a vykoná expanzní práci Lei 330 kJ/kg. V přehřívači 2a se přivede teplo z bodu 22 do bodu 23. Z bodu 23 do bodu 24 expanduje vodní pára v druhé turbině 4b a vykoná užitečnou práci. Mezi bodem 24 a bodem 25 se odvede druhá část tepla. První kompresor 7a stlačí vodní páru z bodu 25 do bodu 26 a spotřebuje kompresní práci 134 kJ/kg. Této první komprese se zúčastní 1/2 pracovní náplně. V prvním směšovači 6a mezi bodem 26 a 27 se nastříkne 1/4 studeného kondenzátu a tím se úměrně zmenší vlhkost vodní páry. Z bodu 27 do bodu 28 proběhne druhá komprese se 3/4 náplně vodní páry a spotřebuje se kompresní práce 278 kJ/kg. Mezi bodem 28 a 29 se vstříkne druhá 1/4 studeného kondenzátu a opět úměrně poklesne vlhkost. Mezi bodem 29 a 30 se uskuteční třetí část komprese s celým množstvím náplně.

Termická účinnost je podíl užitečné práce a přivedeného tepla. Užitečná práce je rozdíl expanzní práce a kompresní práce.

V našem příkladu je expanzní práce Lel=330 kJ/kg, Le2=1215 kJ/kg, kompresní práce Lkl=134 kJ/kg, Lk2=278 kJ/kg, Lk3=247 kJ/kg, přivedené teplo Qp=1340 kJ/kg. Celková expanzní práce je 1545 kJ/kg a celková kompresní práce je 659 kJ/kg. Užitečná práce je tedy 886 kJ/kg. Výsledkem je termická účinnost 66%.

Seznam vztahových značek

1, 1b - parní kotel la - zásobník vody 2, 2a - přehřívač 3, 3a - rozdělovač , 4a, 4b, 5 - turbina 6 - směšovač

6a - první směšovač 6b - druhý směšovač 7 - kompresor

7a - první kompresor 7b - druhý kompresor 7c - třetí kompresor 8 - kondenzátor

- zásobník kondenzátu

- vodní čerpadlo

10a - první vodní čerpadlo 10b - druhé vodní čerpadlo 11c - třetí vodní čerpadlo 16 - chladič

Claims (15)

1. Patentové nároky

   1. Tepelně energetické zařízeni obsahující parní turbinu (4, 4a, 4b) pro expanzi vstupní páry a odevzdání práce, chladicí prostředek (8, 16) pro odvod tepla z výstupní páry turbiny (4, 4a, 4b), vodní zásobník (la) nebo parní kotel (1, lb) pro výrobu páry a přehřívač (2, 2a) páry pro přívod tepla do páry před jejím vstupem do parní turbiny (4, 4a, 4b), vyznačující se tím, že zahrnuje kompresní prostředek (7, 7c) uspořádány pro odběr alespoň části výstupní páry z parní turbiny (4, 4b) a/nebo alespoň části páry ochlazené v chladicím prostředku (8, 16), její stlačení na hodnotu tlaku, která odpovídá tlaku páry před turbinou (4, 4a), a přivedení stlačené páry do parního kotle (1, lb) a/nebo přehřívače (2, 2a).
2. 2. Tepelně energetické zařízení podle nároku 1, vyzná čující se tím, že kompresním prostředkem je kompresor (7), přičemž výstup turbiny (4) generátoru je přes směšovač (6) spojen se vstupem kompresoru (7), výstup kompresoru (7) je spojen se vstupem do přehřívače (2) a výstup přehřívače (2) je spojen se vstupem turbiny (4) přes rozdělovač (3) pro odvedení části vstupní páry vyšlé z přehřívače (2) ke vstupu turbiny (5) kompresoru (7) spojené mechanicky s kompresorem (7) a výstup turbiny (5) kompresoru (7) je spojen s jedním ze vstupů směšovače (6).
3. 3. Tepelně energetické zařízení podle nároku 2, vyznačující se tím, že mezi výstupem směšovače (6) a vstupem kompresoru (7) je umístěn chladič (16).
4. 4. Tepelně energetické zařízení podle nároku 2, vyznačující se tím, že mezi výstupem směšovače (6) a vstupem kompresoru (7) je umístěn rozdělovač (3a), jehož jeden výstup je spojen se vstupem kompresoru (7) a druhý výstup je spojen se vstupem kondenzátoru (8) pro odvádění tepla, jehož výstup je spojen se vstupem napájecího čerpadla (10), jehož výstup je spojen se vstupem parního kotle (1).
5. 5. Tepelně energetické zařízení podle nároku 4, vyzná čující se tím, že výstup z kompresoru (7) je rovněž spojen se vstupem parního kotle (1) a/nebo připojen k vnitřnímu vinutí parního kotle (1) a výstup napájecího čerpadla (10) je rovněž spojen se vstupem přehřívače (2) a/nebo připojen k vnitřnímu vinutí parního kotle (1).
6. 6. Tepelně energetické zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že obsahuje kondenzátor (8) a kompresní prostředek zahrnující alespoň dva kompresory (7a, 7b, 7c) či kompresní stupně, přičemž do kondenzátoru (8) se přivádí část z celkového množství výstupní páry, která po expanzi vystoupila z turbíny (4b), a zbývající část výstupní páry z tohoto celkového množství se přivádí do prvního kompresoru (7a) či kompresního stupně, přičemž kompresory (7a, 7b, 7c) či kompresní stupně jsou uspořádány pro postupné stlačování páry tak, že pára stlačená v přecházejícím kompresoru (7a, 7b) či stupni na určitou hodnotu tlaku se stlačuje v následujícím kompresoru (7b, 7c) či stupni z této hodnoty tlaku na tlak vyšší, přičemž do páry stlačené předcházejícím kompresorem (7a, 7b) či stupněm se před jejím přivedením do následujícího kompresoru (7b, 7c) či stupně přivede alespoň část kondenzátu vzniklého v kondenzátoru (8).
7. 7. Tepelně energetické zařízení podle nároku 6, vyzná čující se tím, že obsahuje zásobník (9) kondenzátu pro umístění kondenzátu vzniklého v kondenzátoru (8) a čerpadlo (10a, 10b) pro přiváděni alespoň časti kondenzátu ze zásobníku (9) kondenzátu do páry stlačené v předcházejícím kompresoru (7a, 7b) před jejím vstupem do následujícího kompresoru (7b, 7c).
8. 8. Tepelně energetické zařízení podle nároku 7, vyznačující se tím, že obsahuje čerpadlo (10c) pro odvod části kondenzátu ze zásobníku (9) kondenzátu do parního kotle (lb) .
9. 9. Tepelně energetické zařízení podle kteréhokoliv z nároků 6 až 8, vyznačující se tím, že obsahuje první turbínu (4a) generátoru uspořádanou na výstupu z parního kotle (lb), jejíž výstup je přes přehřívač (2a) napojen na vstup druhé turbíny (4b) generátoru, která je svým výstupem napojena přes chladič (16) a rozdělovač (3) na vstup kondenzátoru (8), přičemž druhý výstup rozdělovače (3) je napojen na vstup prvního kompresoru (7a), na který navazuje druhý kompresor (7b) následovaný třetím kompresorem (7c), a z třetího kompresoru (7c) jde pára, stačená na hodnotu tlaku, který odpovídá tlaku vstupní páry turbiny (4a), do parního kotle (lb) a/nebo přehřívače.
10. 10. Tepelně energetické zařízení podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že je uspořádáno tak, aby výstupní pára vystupující z turbíny (4, 4b) měla hodnotu vlhkosti větší než 0,32 a pára před začátkem komprese v kompresním prostředku (7, 7a) hodnotu vlhkosti větší než 0,18.
11. 11. Způsob činnosti tepelně energetického zařízení obsahujícího parní turbinu (4, 4a, 4b) pro expanzi vstupní páry a odevzdání práce, chladicí prostředek (8, 16) pro odvod tepla z výstupní páry turbiny (4, 4a, 4b), vodní zásobník (la) nebo parní kotel (1, lb) pro výrobu páry a přehřívač (2, 2a) páry pro přívod tepla do páry před jejím vstupem do parní turbiny (4, 4a, 4b) , vyznačující se tím, že před přivedením páry do parního kotle (1, lb) nebo přehřívače (2, 2a) se alespoň část z celkového množství výstupní páry prošlé po expanzi turbinou (4, 4b) stlačí v kompresním prostředku (7, 7c) na hodnotu tlaku, která odpovídá tlaku páry před turbinou (4, 4a) , a takto stlačená pára se přivede do parního kotle (1, lb) a/nebo přehřívače (2, 2a).
12. 12. Způsob činnosti tepelně energetického zařízení podle nároku 11, vyznačující se tím, že tepelně energetické zařízení obsahuje kondenzátor (8) a kompresní prostředek zahrnuje alespoň dva kompresory (7a, 7b, 7c) či kompresní stupně, přičemž do kondenzátoru (8) se přivede část z celkového množství výstupní páry vyšlé po expanzi z turbíny (4b), a zbývající část výstupní páry z tohoto celkového množství se přivede do prvního kompresoru (7a) či kompresního stupně, kde se pára stlačí na určitou hodnotu tlaku, přičemž další postup této páry je takový, že před přivedením páry stlačené v předcházejícím kompresoru (7a, 7b) nebo kompresním stupni do následujícího kompresoru (7b, 7c) či kompresního stupně se do této stlačené páry vstříkne alespoň část kondenzátu, který vzniknul kondenzací páry, která byla přivedena do uvedeného kondenzátoru (8), takto obohacená pára se přivede do uvedeného následujícího kompresoru (7b, 7c) či kompresního stupně, kde se stlačí na tlak, který je vyšší než

    - 25 tlak, na který byla stlačena v předcházejícím kompresoru (7a, 7b) či kompresním stupni, přičemž v posledním kompresoru (7c) či kompresním stupni se pára stlačí na hodnotu tlaku, který odpovídá tlaku vstupní páry před vstupem do turbiny (4, 4a), a pára o tomto tlaku se přivede do parního kotle (lb) a/nebo přehřívače.
13. 13. Způsob činnosti tepelně energetického zařízení podle nároku 12, vyznačující se tím, že část kondenzátu vzniklého v kondenzátoru se přivádí přímo do parního kotle (lb).
14. 14. Způsob činnosti tepelně energetického zařízení podle kteréhokoliv z nároků 12 a 13, vyznačuj ící se t i m , že před přivedením páry do kondenzátoru (8) a do prvního kompresoru (7a) či kompresního stupně se pára ochladí v chladiči (16) .
15. 15. Způsob činnosti tepelně energetického zařízení podle kteréhokoliv z nároků 12 až 14, vyznačující se tím, že zahrnuje alespoň dvě turbiny (4a, 4b) uspořádané za sebou tak, že pára se z parního kotle (lb) nebo přehřívače přivádí do první turbíny, odkud je přes další přehřívač (2a) vedena do následující turbíny (4b), přičemž po expanzi páry v poslední turbině se část páry odvádí do prvního kompresoru (7a) či kompresního stupně a zbývající část páry se vede do kondenzátoru (8).