CZ26344U1 - Zařízení pro výrobu elektřiny z pevných paliv, využívající plynovou turbínu - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká oblasti energetiky, je navrženo zařízení pro výrobu elektřiny z pevných paliv, využívající plynovou turbínu zapojenou v okruhu zařízení.

Dosavadní stav techniky

Pro využití primární energie tuhých fosilních paliv, alternativních paliv a odpadů k výrobě elektřiny je znám tzv. Rankinův parní cyklus, nazývaný dříve též Rankinův-Clausiův. Jedná se o okruh pro cyklický proces, který byl pojmenován podle svého vynálezce Williama Rankina. Okruh zahrnuje zásobník vody s výstupním vodním potrubím opatřeným napájecím čerpadlem pro nasávání vody, připojeným na tepelný výměník pro ohřev vody s připojeným výpamíkem nebo přehřívačem, kde z vody odpařováním vzniká pára. Vznikající páraje vedena do dalšího prvku Rankinova cyklu, parní turbíny opatřené generátorem. Tato pára pohání turbínu a pomocí generátoru se vyrábí elektřina. Za parní turbínou je připojeno chladicí a kondenzační zařízení, v němž pára kondenzuje zpět na vodu a tato voda je vodním potrubím odváděna zpět do zásobní nádrže. Vzhledem k tomu, že se voda za atmosférických podmínek vypařuje při 100 °C, nelze často teplotu, která je nižší, použít k výrobě elektřiny. Takovéto zařízení popisuje například EP 1816318.

Pro výrobu elektřiny z pevných paliv se používají různá zařízení, připojená na spalovací komory typu s chlazenou stěnou. Sténaje provedena z trubek, které jsou chlazeny vodou, nebo plynem, například vzduchem. V případě, že se k chlazení používá voda, tak se tato při průtoku stěnou odpařuje a vzniká pára, která se pak vede parním potrubím na parní turbínu. Ze spalovací komory je vyvedeno jednak spalinové potrubí, pro odvod spalin, a jednak parní potrubí, které je připojeno na parní turbínu opatřenou generátorem. Stávající zařízení pro výrobu elektřiny z pevných paliv mající stěny spalovací komory chlazené plynem, například vzduchem, mají ve svém okruhu zapojenu plynovou turbínu, která je potrubím spojena s výstupem z chlazené spalovací komory. Takováto zařízení s plynovou turbínou mají velice drahou a složitou konstrukci chlazených stěn spalovací komory se zvýšenými nároky na údržbu a zvýšenými provozními náklady. Značnou nevýhodou stávajících zařízení s plynovou turbínou je méně efektivní využití tepla předávaného, nebo odebíraného plynem jakožto pracovním médiem, a tím i nižší účinnost na plynové turbíně.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nevýhody odstraňuje navržené technické řešení. Je navrženo zařízení pro výrobu elektřiny z pevných paliv, využívající plynovou turbínu, které zahrnuje alespoň jednu spalovací komoru chlazeného typu, z níž je vyvedeno jednak spalinové potrubí, a jednak parní potrubí, a dále zahrnující alespoň jednu plynovou turbínu opatřenou generátorem. Podstata nového řešení spočívá vtom, že za spalovací komorou je na spalinovém potrubí zapojen alespoň jeden paroplynový ohřívák a na parním potrubí je zapojen alespoň jeden směšovač pro výrobu paroplynové směsi s připojeným alespoň jedním kompresorem, kde z tohoto směšovače vyvedené paroplynové potrubí je dále vedeno přes paroplynový ohřívák do plynové turbíny opatřené generátorem.

S výhodou je za plynovou turbínou připojen okruh Rankinova parního cyklu, tedy zařízení zahrnující parní turbínu, kondenzátor, parogenerátor na odpadní teplo s paroplynovým potrubím, vyvedeným do paroplynového odfuku pro vypouštění paroplynové směsi ze zařízení, a také zahrnující alespoň jednu zásobní nádrž pro doplňování napájecí vody.

V případě, že je připojen Rankinův cyklus, tak s výhodou je za paroplynovým ohřívákem na spalinovém potrubí připojen vzduchový ohřívák pro ohřev spalovacího vzduchu a za parogenerátorem je na paroplynovém potrubí připojen alespoň jeden vzduchový předehřívač pro předehřev spalovacího vzduchu. Vzduchové potrubí, přivedené do vzduchového předehřívače, je z

- 1 CZ 26344 U1 alespoň jednoho vzduchového předehřívače dále vedeno přes vzduchový ohřívák do vzduchového přívodu spalovací komory. V případě, že tepelný výkon vzduchového předehřívače je tak velký, že teplota paroplynové směsi klesne pod teplotu saturace, tak s výhodou je ze vzduchového předehřívače kromě toho vyvedeno kondenzátové potrubí pro odvod kondenzátu odloučeného z paroplynové směsi.

Před vstupem do paroplynového ohříváku, v případě vícedílného paroplynového ohříváku před vstupem do alespoň jednoho jeho dílu, je s výhodou na paroplynovém potrubí zapojen alespoň jeden směšovací chladič s připojeným vodním potrubím, tedy vstřikový chladič.

Navržené zařízení je vhodné k využití jako elektrárenský zdroj nebo jako kogenerační energetický zdroj. Umožňuje využít primární energii spalovaných fosilních paliv, alternativních paliv i odpadů pomocí plynové turbíny s nepřímým ohřevem, případně kombinovaného oběhu s takovou plynovou turbínou a parním oběhem. Výhodou navrženého zařízení je i to, že výše uvedená pevná paliva umožňuje spalovat v osvědčených běžně používaných typech spalovacích zařízení, například s roštovým, práškovým nebo fluidním ohništěm. Spalovací zařízení mohou být v běžném provedení a mohou být chlazená jako u klasických kotlů vodou. Značnou výhodou zařízení je vysoce efektivní využití tepla předávaného, nebo odebíraného pracovními médii v zařízení při jeho provozu, čímž se, při stejné teplotě pracovního média před plynovou turbínou, zvýší výroba elektřiny. Zařízení umožňuje využít teplo odpadních spalin z plynové turbiny, teplo chladícího média spalovací komory, isotermickou kompresi při stlačení plynu kompresorem, a rovněž i teplo získané chlazením pro dosažení potřebného tepelného příkonu pracovního média plynové turbíny.

Přehled obrázků na výkresech

Technické řešení je objasněno pomocí výkresů, kde znázorňují Obr. 1 příklad zapojení prvků v zařízení s chlazenou spalovací komorou, plynovou turbínou a Rankinovým cyklem, obr. 2 příklad zařízení obohaceného o prvky pro předehřev a ohřev spalovacího vzduchu a obr. 3 detail schéma zapojení pro regulaci teploty paroplynové směsi dosycováním paroplynové směsi vodou při použití vícedílného paroplynového ohříváku.

Příklad provedení technického řešení

Názorným příkladem provedení navrženého technického řešení je zařízení pro výrobu elektřiny z pevných paliv podle obr. 1.

Výchozím prvkem zařízení je spalovací komora 1, která je chlazeného typu, tedy s chlazenou stěnou. Může být v tomto příkladném provedení s ohništěm roštovým, práškovým nebo fluidním na spalování různých druhů z uhlí, alternativních paliv i odpadů, nebo s jakýmkoliv jiným vhodným ohništěm. Spalovací komora má palivový přívod 2, pro dávkování paliva a vzduchový přívod 3, pro přivádění spalovacího vzduchu. Spalovací komora 1 je chlazena chladicím médiem na bázi vody, a tedy je do jejích chlazených stěn přivedena jako chladicí médium voda, prostřednictvím připojeného vodního potrubí 4. Odváděna je pára vznikající odpařováním vody působením tepla ze spalování paliv, prostřednictvím ze stěn spalovací komory 1 vyvedeného parního potrubí 5. Z vnitřního prostoru spalovací komory 1 je vyvedeno spalinové potrubí 6, pro odvod spalin vyvíjených z paliva, kde na tomto spalinovém potrubí 6 je zapojen paroplynový ohřívák 7. Na parním potrubí 5 je zapojen směšovač 8 pro výrobu paroplynové směsi, v tomto případě v podobě směsi vzduchu a páry, odváděné prostřednictvím odtud vyvedeného paroplynového potrubí 9. Pro zajištění dodávky vzduchu má směšovač 8 připojen kompresor 10. Ze směšovače 8 vyvedené paroplynové potrubí 9 je vedeno přes paroplynový ohřívák 7 do plynové turbíny 11 opatřené generátorem 12. Za plynovou turbínou 11 je připojen okruh o Rankinova parního cyklu, s pro něj charakteristickými prvky, tedy okruh o, který zahrnuje parogenerátor 13 na odpadní teplo připojený na paroplynovém potrubí 9, kde paroplynové potrubí 9 je od parogenerátoru 13 na odpadní teplo vyvedeno do paroplynového odfuku 14 pro vypouštění paroplynové směsi ze

-2CZ 26344 Cl zařízení. Okruh o také zahrnuje zásobní nádrž 15 pro doplňování napájecí vody, s čerpadlem 16 na vodním potrubí 4, parní turbínu 17 rovněž s generátorem 12, a dále kondenzátor 18 s chladicí věží 19.

U tohoto zařízení se palivo, jako fosilní paliva, například uhlí, i alternativní paliva, například biomasa, i odpady, přivádí palivovým přívodem 2 do chlazené spalovací komory L Velikost spalovací komory je navržena tak, aby teplota spalin na jejím výstupu byla větší než 900 °C, ale nepřekročila teplotu tání popela, tedy například 1.000 až 1.100 °C. Z hlediska emisí jsou u použitého typu ohniště realizována běžně používaná opatření pro omezení vzniku škodlivin a pro jejich snížení. Spaliny se dále, v paroplynovém ohříváku 7, výrazně ochladí na výstupní teplotu a opouští zařízení přes komín 20. Chladící médium přiváděné do spalovací komory 1, jímž je voda, se odpaří a vzniklá pára se ve směšovači 8 mísí s tlakovým vzduchem přiváděným z kompresoru 10 což způsobí, že tlak v chladicím systému chlazené spalovací komory 1 je v souladu s výstupním tlakem kompresoru 10. Vzniklá paroplynová směs se vede do paroplynového ohříváku 7, kde se ohřeje na teplotu vhodnou pro plynovou turbínu 11, což je alespoň 800 °C. Po expanzi v plynové turbině 11 se teplo paroplynové směsi dále využije v okruhu o Rankinova cyklu pro výrobu další elektřiny, případně tepla. Konkrétně se teplo předané v parogenerátoru 13 na odpadní teplo, zapojeném před parní turbínou 17 využije k výrobě páry, která se dále použije v parní turbíně 17 k výrobě elektřiny. Kondenzát vzniklý v tomto okruhu o Rankinova cyklu, mající nízkou teplotu, se odvádí z kondenzátoru 18 a následně se pomocí napájecího čerpadla 16 přivádí zpět do parogenerátoru 13 na odpadní teplo. Vzhledem k nízké teplotě kondenzátu část paroplynové směsi na studeném konci parogenerátoru 13 může zkondenzovat, v tom případě se kondenzát z parogenerátoru 13 odvádí z okruhu o Rankinova cyklu vodním potrubím 4.

Jiným příkladem provedení navrženého technického řešení, optimálního provedení, je zařízení pro výrobu elektřiny z pevných paliv podle obr. 2.

Toto zařízení se liší od předchozího tím, že navíc je za paroplynovým ohřívákem 7, na spalinovém potrubí 6, připojen vzduchový ohřívák 21 pro ohřev spalovacího vzduchu a za parogenerátorem 13 na odpadní teplo je na paroplynovém potrubí 9 připojen alespoň jeden vzduchový předehřívač 22 pro předehřev spalovacího vzduchu. Vzduchový předehřívač 22 může být připojen na kterémkoliv úseku paroplynového potrubí 9 nacházejícím se v zařízení za parogenerátorem 13. Vzduch je do těchto přídavných prvků zařízení přiváděn prostřednictvím vzduchového potrubí 23, které je zapojeno následovně. Vzduchové potrubí 23 je přivedeno do vzduchového předehřívače 22 například z vnějšího prostředí, z něj je pak dále vedeno do vzduchového ohříváku 21 a odtud do vzduchového přívodu 3 spalovací komory 1. Ze vzduchového předehřívače 22 je kromě toho vyvedeno také kondenzátové potrubí 24, pro odvod kondenzátu odloučeného z paroplynové směsi. Za parogenerátorem 13 na odpadní teplo mohou být na paroplynovém potrubí 9 zapojeny dva nebo více vzduchové předehřívače 22, například v sérii za sebou. Za vzduchovým ohřívákem 21 mohou být na spalinovém potrubí 6 zapojeny obvyklé prvky pro odvádění, čištění a úpravu spalin, například odlučovač 25 tuhých látek, jako je například elektroodlučovač, případně jiný čistič 26 spalin, jako je například odsiřovací zařízení, dále ventilátor 27 apod. jak ukazuje obrázek Obr. 2.

U této alternativy zařízení je primárním zdrojem energie spalované palivo podobně jako u předchozího příkladu. Spaliny vystupující z chlazené spalovací komory 1 se výrazně ochladí v paroplynovém ohříváku 7 a poté se dochladí na výstupní teplotu ve vzduchovém ohříváku 21. Odtah spalin do komína 20 zajišťuje spalinový ventilátor 27, čištění spalin probíhá v odlučovači 25 tuhých látek a čističi 26 spalin. Spalovací vzduch nasávaný z vnějšího zdroje do vzduchového potrubí 23 se na teplotu, potřebnou alespoň pro vyloučení nízkoteplotní koroze u vzduchového ohříváku 21, ohřívá ve vzduchovém předehřívači 22 a na teplotu potřebnou pro spalování se ohřívá ve vzduchovém ohříváku 21, případně se teplota ohřevu vzduchu volí pro dosažení potřebné teploty spalin za paroplynovým ohřívákem 7. Pára vzniklá chlazením spalovací komory i odváděná z výstupu chladicího média, tedy přiváděné vody, z chlazené spalovací komory 1 parním potrubím 5, se ve směšovači 8 mísí s tlakovým vzduchem z kompresoru 10 s tím účinkem, že tlak v chladicím systému chlazené spalovací komory 1 je v souladu s výstupním tlakem kompre

-3CZ 26344 U1 soru 10. Takto ve směšovači 8 vyrobená paroplynová směs se odvádí do paroplynového ohříváku 7, jehož teplosměnná plocha může být rozdělena do více dílů, kde se ohřeje na teplotu vhodnou pro plynovou turbínu U_, což je alespoň na teplotu 800 °C a při této teplotě se vede na vstup plynové turbíny 11 s generátorem 12. Po expanzi v plynové turbíně 11 se teplo paroplynové směsi dále využije v okruhu o Rankinova cyklu pro výrobu další elektřiny, případně tepla, konkrétně v parogenerátoru 13 na odpadní teplo. V něm vyrobená pára se využije v parní turbíně 17 a vzniklý kondenzát o nízké teplotě se z kondenzátoru 18 napájecím čerpadlem 16 napájí zpět do parogenerátoru 13. Vzhledem k nízké teplotě kondenzátu část páry z paroplynové směsi na studeném konci parogenerátoru 13 může zkondenzovat, v tom případě se kondenzát odvádí. K dalšímu využití zbytkového tepla paroplynové směsi a k získání dalšího kondenzátu dojde ve vzduchovém předehřívači 22 pro předehřev spalovacího vzduchu, v němž se spalovací vzduch předehřeje alespoň na teplotu potřebnou pro vyloučení nízkoteplotní koroze na vzduchovém ohříváku 21. ale především v něm může s výhodou zkondenzovat další část páry z paroplynové směsi. Kondenzát vzniklý ve vzduchovém předehřívači 22 se odvádí kondenzátovým potrubím 24 do sběrného vodního potrubí 4 vyvedeného z parogenerátoru 13. Zbytkové teplo paroplynové směsi se může dále využít, například k ohřevu topné resp. užitkové vody.

Alternativu pro navržené zařízení ukazuje obrázek Obr. 3.

Před vstupem do paroplynového ohříváku 7, v předvedeném případě vícedílného paroplynového ohříváku 7, je před vstupem do každého jeho dílu na paroplynovém potrubí 9 zapojen alespoň jeden vstřikový chladič 28 s připojeným potrubím vstřikovaného média, tedy vodním potrubím 4. Přitom paroplynový ohřívák 7 může mít více dílů než dva znázorněné, například membránové stěny, díly konvekční části, díly sálavé části, přičemž mezi těmito díly může být více vstřikových chladičů 28, než je znázorněno. Tyto vstřikové chladiče 28 slouží pro regulaci teploty paroplynové směsi u vybraných dílů paroplynového ohříváku 7.

Claims (4)

NÁROKY NA OCHRANU

1, vyznačující se tím, že za plynovou turbínou (11) je připojen okruh o Rankinova parního cyklu zahrnující parogenerátor (13) na odpadní teplo s paroplynovým potrubím (9), vyvedeným do paroplynového odfuku (14) pro vypouštění paroplynové směsi ze zařízení, a také zahrnující alespoň jednu parní turbínu (17), kondenzátor (18) a zásobní nádrž (15) pro doplňování napájecí vody.

1. Zařízení pro výrobu elektřiny z pevných paliv, využívající plynovou turbínu zahrnující alespoň jednu spalovací komoru (1) chlazeného typu, z níž je vyvedeno jednak spalinové potrubí (6), a jednak parní potrubí (5), a dále zahrnující alespoň jednu plynovou turbínu (11) opatřenou generátorem (12), vyznačující se tím, že za spalovací komorou (1) je na spalinovém potrubí (6) zapojen alespoň jeden paroplynový ohřívák (7) a na parním potrubí (5) je zapojen alespoň jeden směšovač (8) pro výrobu paroplynové směsi s připojeným alespoň jedním kompresorem (10), kde z tohoto směšovače (8) vyvedené paroplynové potrubí (9) je dále vedeno přes paroplynový ohřívák (7) do plynové turbíny (11) opatřené generátorem (12).

2, vyznačující se tím, že za paroplynovým ohřívákem (7) je na spalinovém potrubí (6) připojen vzduchový ohřívák (21), pro ohřev spalovacího vzduchu a za parogenerátorem (13) na odpadní teplo je na paroplynovém potrubí (9) připojen alespoň jeden vzduchový předehřívač (22), pro předehřev spalovacího vzduchu, kde vzduchové potrubí (23) přivedené do vzduchového předehřívače (22) je z alespoň z jednoho vzduchového předehřívače (22) dále vedeno přes vzduchový ohřívák (21) a odtud do vzduchového přívodu (3) spalovací komory (1), přičemž ze vzdu

-4CZ 26344 U1 chového předehřívače (22) je vyvedeno také kondenzátové potrubí (24) pro odvod kondenzátu odloučeného z paroplynové směsi.

2. Zařízení pro výrobu elektřiny z pevných paliv, využívající plynovou turbínu podle nároku

3. Zařízení pro výrobu elektřiny z pevných paliv, využívající plynovou turbínu podle nároku

4. Zařízení pro výrobu elektřiny z pevných paliv, využívající plynovou turbínu podle nároků 2 a 3, vyznačující se tím, že před vstupem do paroplynového ohříváku (7), v případě 5 vícedílného paroplynového ohříváku (7) před vstupem do alespoň jednoho jeho dílu, je na paroplynovém potrubí (9) zapojen alespoň jeden vstřikový chladič (28) s připojeným vodním potrubím (4).,