CZ27575U1 - Zařízení pro výrobu elektřiny s využitím paroplynové směsi - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká oblasti energetiky. Je navrženo zařízení pro výrobu elektřiny z pevných paliv s využitím paroplynové směsi, zahrnující okruh s plynovou turbínou a předřazenou parní turbínou.

Dosavadní stav techniky

Jsou známa různá zařízení pro výrobu elektřiny z pevných paliv. V případě, že toto zařízení zahrnuje plynovou turbínu, je pracovním médiem plynové turbíny obvykle paroplynová směs. Tato zařízení využívají kombinovaný paroplynový cyklus, a tudíž je v nich za plynovou turbínou zapojen vhodný okruh, například okruh Rankinova parního cyklu.

Specifický typ takového zařízení popisují CZ PV 2007-340 a CZ U 26344. Základním prvkem těchto zařízení je spalovací komora pro spalování tuhých paliv jež je chlazeného typu, tedy se stěnami chlazenými vodou. Zařízení podle obou uvedených dokumentů zahrnuje také plynovou turbínu opatřenou elektrickým generátorem a spřaženou s kompresorem, směšovač, paroplynový ohřívák a nutné propojovací potrubí. Spalovací komora, jež je vhodná například pro spalování uhlí, má vodní přívod pro chlazení vodou. Ze spalovací komory je vyvedeno jednak spalinové potrubí, které je dále vyvedené ze zařízení přes paroplynový ohřívák, a jednak parní potrubí pro odvod chlazením vyvíjené páry. Parní potrubí je od spalovací komory vyvedeno do směšovače. Do směšovače je zaústěno také vzduchové potrubí přivedené od kompresoru. Ve směšovací se přiváděná pára mísí se vzduchem z kompresoru a vzniká paroplynová směs, jež je pracovním médiem pro plynovou turbínu. Ze směšovače je tudíž vyvedeno paroplynové potrubí, na němž je dále připojena plynová turbína. Mezi směšovačem a plynovou turbínou je na paroplynovém potrubí připojen paroplynový ohřívák. Za plynovou turbínou je připojen okruh Rankinova parního cyklu. Ten zahrnuje parogenerátor na odpadní teplo s paroplynovým potrubím, vyvedeným do paroplynového odfuku pro vypouštění paroplynové směsi ze zařízení, a dále zahrnuje alespoň jednu parní turbínu, kondenzátor a zásobní nádrž pro doplňování napájecí vody. Za paroplynovým ohřívákem je na spalinovém potrubí případně připojen vzduchový ohřívák pro ohřev spalovacího vzduchu. Za parogenerátorem na odpadní teplo je v tom případě na paroplynovém potrubí připojen vzduchový předehřívač pro předehřev spalovacího vzduchu a do něj je přivedeno vzduchové potrubí, které je odtud dále vedeno přes vzduchový ohřívák do vzduchového přívodu spalovací komory. Ze vzduchového předehřívače je vyvedeno také 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 na paroplynovém potrubí zapojen vstřikový chladič s připojeným vodním potrubím.

Nevýhodou stávajících zařízení výše uvedeného typu je, že chlazením spalovací komory se vyrobí sytá pára, jejíž tlak je stejný jako tlak vzduchu dodávaného kompresorem a nelze ji tudíž energeticky využít. Další nevýhodou je to, že pro nízkotlakou sytou páru se obtížně hledá možné využití, takže veškeré množství takto vyrobené páry se musí použít pro výrobu paroplynové směsi a nelze tedy řídit obsah vodní páry v paroplynové směsi.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nevýhody podstatně omezuje navržené technické řešení. Navržené zařízení pro výrobu elektřiny s využitím paroplynové směsi zahrnuje alespoň jednu spalovací komoru chlazeného typu, alespoň jednu plynovou turbínu opatřenou prvním elektrickým generátorem a kompresorem, alespoň jeden směšovač a alespoň jeden paroplynový ohřívák. Ze spalovací komory je vyvedeno jednak spalinové potrubí, které je vyvedené ze zařízení přes paroplynový ohřívák, a jednak parní potrubí. Toto parní potrubí má konec zaústěný do směšovače. Do směšovače je zaústěno také vzduchové potrubí, které do něj vede z kompresoru. Ze směšovače je přes paroply-1 CZ 27575 Ul nový ohřívák vyvedeno paroplynové potrubí, na němž je dále, uvažováno ve směru toku média, připojena plynová turbína. Podstatou nového řešení je, že mezi spalovací komorou a směšovačem je na parním potrubí připojena alespoň jedna parní turbína opatřená druhým elektrickým generátorem. Parní turbína je připojena svým vstupem na úsek parního potrubí vedoucí ze spalovací komory a svým výstupem na úsek parního potrubí vedoucí do směšovače, vše uvažováno ve směru proudění média.

S výhodou je na parním potrubí připojen alespoň jeden přehřívák páry. Podle navrženého technického řešení je přehřívák páry umístěn ve spalovací komoře a je připojen na úseku parního potrubí nacházejícím se před parní turbínou.

Pro variantu okruhu s přehřívákem i pro variantu bez přehříváku může být s výhodou z parního potrubí, a to konkrétně mezi spalovací komorou a směšovačem, vyvedeno odběrové potrubí pro odvod přebytečné páry, například k energetickému využití.

Všechny výše uváděné směry a připojení, jako za, před apod., se rozumí podle směru průchod u média při provozním stavu zařízení.

Řešení podle navrženého řešení je vhodné k využití jako elektrárenský zdroj nebo jako kogenerační energetický zdroj s výrobou elektřiny spalováním z pevných paliv. Zařízení podle navrženého technického řešení může spalovat fosilní paliva, jako uhlí, nebo alternativní paliva jako pelety, nebo případně odpady. Optimálně může být navržené technické řešení pro zařízení podle CZ PV 2007-340 a CZ U 26344. Výhodou zařízení podle navrženého řešení je, že umožňuje energeticky využít páru vznikající vodním chlazením spalovací komory. Další jeho podstatnou výhodou je to, že při provozu zařízení je možno řídit obsah vodní páry v paroplynové směsi a je možné odvádět přebytečné množství vyrobené páry k dalšímu využití, například k využití v energetice.

Přehled obrázků na výkresech

Navržené řešení je objasněno pomocí výkresů, kde znázorňují Obr. 1 příkladné zařízení podle prvního příkladu provedení. Obr. 2 příkladné zařízení jako na předchozím obrázku a navíc s odběrovým potrubím. Obr. 3 příkladné provedení s přehřívákem, podle druhého příkladu provedení a Obr. 4 příkladné provedení jako na předchozím obrázku a navíc s odběrovým potrubím.

Příklady provedení technického řešení

Příklad 1

Názorným příkladem provedení navrženého technického řešení je zařízení pro výrobu elektřiny s využitím paroplynové směsi podle Obr. 1 a Obr. 2.

Základním prvkem zařízení podle obrázku Obr. 1 je spalovací komora I chlazeného typu, tedy se stěnami chlazenými vodou přiváděnou vodním potrubím 2. Spalovací komora 1 může být s jakýmkoliv používaným ohništěm pro spalování fosilních i alternativních paliv. Má palivový přívod 3 pro přivádění paliva a vzduchový přívod 4 pro přivádění spalovacího vzduchu. Z vnitřního prostoru spalovací komory I je vyvedeno spalinové potrubí 5, sloužící pro odvod spalin vzniklých spalováním paliva. Na spalinovém potrubí 5 je připojen paroplynový ohřívák 6, z něhož se pak spaliny odvádějí k dalšímu využití zbytkového tepla, například pro ohřev spalovacího vzduchu, nebo pro výrobu horké či teplé vody sloužící jako médium k ohřevu teplovodního systému budov, apod. Okruh tohoto zařízení dále zahrnuje plynovou turbínu 7 opatřenou prvním elektrickým generátorem 8 a kompresorem 9 a směšovač W. Ze spalovací komory i je kromě spalinového potrubí 5 vyvedeno i parní potrubí 11, jehož konec je zaústěn do směšovače 10. Do směšovače 10 je zaústěno také vzduchové potrubí 12 vyvedené z kompresoru 9. Ze směšovače 10 je vyvedeno paroplynové potrubí 13, to je vedeno přes paroplynový ohřívák 6 a za paroplynovým ohřívákem 6 je na paroplynovém potrubí 13 v okruhu zařazena plynová turbína 7. Mezi spalovací komorou i a směšovačem 10 je na parním potrubí 11 připojena parní turbína 14 opatřená druhým

-2CZ 27575 Ul elektrickým generátorem 15. Připojení parní turbíny 14 v okruhu je následující. Parní turbína 14 je svým vstupem připojena na úsek parního potrubí 11 vedoucí od spalovací komory I a svým výstupem je připojena na úsek parního potrubí 11 pokračující odtud do směšovače 10.

Při provozu zařízení se působením tepla ze spalovaného paliva chladicí voda, přivedená vodním potrubím 2, ve stěnách spalovací komory I odpařuje a vzniklá pára se parním potrubím Π. vede přes parní turbínu 14 do směšovače 10. Ve směšovači 10 se pára mísí se vzduchem, přiváděným pomocí kompresoru 9 vzduchovým potrubím 12, za vzniku paroplynové směsi. Vyrobená paroplynová směs se ze směšovače 10 odvádí paroplynovým potrubím 13 přes paroplynový ohřívák 6, kde dojde k jejímu ohřevu na pracovní teplotu plynové turbíny 7, načež se v takto ohřátém stavu paroplynová směs z paroplynového ohříváku 6 vede do plynové turbíny 7. Po expanzi v plynové turbíně 7 se paroplynová směs odvádí k dalšímu využití, například k výrobě elektřiny v připojeném, na Obr. 1 neznázoměném okruhu Rankinova parního cyklu, a/nebo do teplovodního systému k dodávce tepla.

U tohoto zařízení se spaliny vzniklé spálením paliva typu fosilních paliv, například uhlí, a/nebo alternativního paliva, ochladí v chlazené spalovací komoře i na výstupní teplotu spalin ve spalinovém potrubí 5 vždy nižší, než jaká je teplota tání popelovin. Například se zde spaliny mohou ochladit na 1.100 °C. Chladicí voda je přiváděna vodním potrubím 2 do spalovací komory i s vyšším tlakem, než jaký je tlak vzduchu vystupujícího z kompresoru 9. Přiváděná voda může mít tlak například 4 MPa při tlaku vzduchu přiváděného z kompresoru 1,2 MPa. Teplem z chlazení spalin se tato chladicí voda odpaří a vzniklá sytá pára, například o tlaku 4 MPa expanduje v parní turbíně 14, u tohoto provedení s výhodou v protitlakové parní turbíně 14, na tlak vzduchu stejným jako je ve směšovači 10, to je například na 1,2 MPa. Tlak páry vyrobené v chladicím systému stěn chlazené spalovací komory I, tedy i tlak páry na vstupu do protitlakové parní turbíny 14, se vždy nastaví v závislosti na tlaku vzduchu dodávaného kompresorem 9. To má za účinek, že chladicí systém stěn chlazené spalovací komory 1 i parní turbína 14 pracují s tzv. klouzavým tlakem. Chlazením spalovací komory i se získá nejen pára pro výrobu paroplynové směsi ve směšovači 10, ale následkem jejího vyššího tlaku se vyrobí navíc i elektřina. Tato přídavná elektřina se vyrobí během expanze páry v parní turbíně 14 v připojeném druhém elektrickém generátoru 15. Uvedená varianta provedení má nevýhodu v tom, že tlak syté páry před parní turbínou 14, a tedy i množství elektřiny vyrobené ve druhém elektrickém generátoru 15, jsou omezeny limitem přípustné vlhkosti páry vystupující z parní turbíny 14.

Zařízení může být navíc opatřeno odběrovým potrubím 16 pro odvod přebytečné páry, jak ukazuje obrázek Obr. 2.

Odběrové potrubí 16 je vyvedeno z parního potrubí H, a to z jeho úseku mezi spalovací komorou 1 a směšovačem 10. Na demonstrovaném příkladu je odběrové potrubí 16 připojeno mezi protitlakovou parní turbínou 14 a směšovačem 10. Alternativně může být připojeno mezi spalovací komorou 1 a parní turbínou 14. Pokud se chlazením spalovací komory i vyrobí více páry, než je zapotřebí pro výrobu paroplynové směsi ve směšovači 10, pak se přebytečné množství páry odvede odběrovým potrubím 16 mimo směšovač 10 a následně se využije, například pro dodávku tepla, nebo jako technologická pára, apod. Vodním potrubím 2 se v tomto případě přivádí takové množství chladicí vody, aby bylo zajištěno bezpečné vychlazení spalovací komory 1. Pokud je takto vyrobené množství páry vyšší, než je množství páry potřebné pro výrobu paroplynové směsi ve směšovači 10, tak se přebytečné množství páry odebere mimo směšovač 10.

Příklad 2

Příklad jiné varianty provedení znázorňují Obr. 3 a Obr. 4.

Zařízení podle obrázku Obr. 3 se od provedení předvedeného na obrázku Obr. 1 liší tím, že navíc je obsažen přehřívák 17 páry. Ten je připojen na parním potrubí 11, a přitom je umístěn uvnitř spalovací komory 1. Přehřívák 17 páry je připojen na úseku parního potrubí 11 nacházejícím se před parní turbínou 14, uvažováno ve směru proudění média. V takto umístěném a zapojeném přehříváku 17 páry se přivedená sytá pára, vyrobená chlazením stěn spalovací komory 1, pře-3CZ 27575 Ul hřeje na vyšší teplotu a takto získaná mírně přehřátá pára se pak vede do protitlakové parní turbíny 14. Pokud zůstane teplota spalin na vstupu do spalinového potrubí 5 stejná jako v předchozím příkladu, tedy například uvedených 1.100 °C, zůstane stejné i množství tepla předaného pro výrobu syté páry a pro přehřátí této syté páry na vyšší teplotu. Přehřívák 17 páry se proto musí zvolit v takovém provedení, aby se zajistilo požadované mírné přehřátí veškeré vyrobené syté páry vzniklé chlazením spalovací komory I. Výhodou této alternativy zařízení je, že umožňuje zvýšit tlak páry před parní turbínou 14, čímž je dosaženo zvýšení výroby elektřiny ve druhém elektrickém generátoru 15.

I u této varianty provedení může být z parního potrubí 11 vyvedeno odběrové potrubí 16, jak ukazuje obrázek Obr. 4.

Také v případě varianty zařízení podle obrázku Obr. 4 je odběrové potrubí 16 vyvedeno z parního potrubí 11 mezi spalovací komorou 1 a směšovačem 10. Na demonstrovaném příkladu je odběrové potrubí 16 připojeno rovněž mezi protitlakovou parní turbínou 14 a směšovačem 10. Také v tomto případě může být alternativně připojeno mezi spalovací komorou i a parní turbínou 14. Pokud se chlazením spalovací komory 1 vyrobí více páry, než je zapotřebí pro výrobu paroplynové směsi ve směšovači 10, pak se přebytečné množství páry odvede odběrovým potrubím 16 mimo směšovač 10 a následně se využije, například pro dodávku tepla, nebo jako technologická pára, apod. Vodním potrubím 2 se přivádí takové množství chladicí vody, aby bylo zajištěno bezpečné vychlazení spalovací komory 1. Pokud je takto vyrobené množství páry vyšší, než je množství páry potřebné pro výrobu paroplynové směsi ve směšovači 10, tak se přebytečné množství páry odebere mimo směšovač 10.

Claims (3)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Zařízení pro výrobu elektřiny s využitím paroplynové směsi zahrnující alespoň jednu spalovací komoru (1) chlazeného typu, alespoň jednu plynovou turbínu (7) opatřenou prvním elektrickým generátorem (8) a kompresorem (9), alespoň jeden směšovač (10) a alespoň jeden paroplynový ohřívák (6), kde ze spalovací komory (1) je vyvedeno jednak spalinové potrubí (5) jež dále vede přes paroplynový ohřívák (6) ven ze zařízení, a jednak parní potrubí (11), kde toto parní potrubí (11) má konec zaústěný do směšovače (10), přičemž do směšovače (10) je zaústěno také vzduchové potrubí (12), jež je sem přivedeno z kompresoru (9), přičemž ze směšovače (10) je vyvedeno paroplynové potrubí (13) jež dále vede přes paroplynový ohřívák (6), za nímž je dále na tomto paroplynovém potrubí (13) připojena plynová turbína (7), vyznačující se tím, že mezi spalovací komorou (1) a směšovačem (10) je na parním potrubí (11) připojena alespoň jedna parní turbína (14) opatřená druhým elektrickým generátorem (15), přičemž tato parní turbína (14) je připojena svým vstupem na úsek parního potrubí (11) vedoucí od spalovací komory (1) a výstupem na úsek parního potrubí (11) vedoucí do směšovače (10).
2. 2. Zařízení pro výrobu elektřiny s využitím paroplynové směsi podle nároku 1, vyznačující se tím, že na parním potrubí (11) je připojen alespoň jeden přehřívák (17) páry, přičemž tento přehřívák (17) páry je umístěn ve spalovací komoře (1) a je připojen na úseku parního potrubí (11) nacházejícím se před parní turbínou (14).
3. 3. Zařízení pro výrobu elektřiny s využitím paroplynové směsí podle nároků 1 a 2, vyznačující se tím, že z parního potrubí (11) je mezi spalovací komorou (1) a směšovačem (10) vyvedeno odběrové potrubí (16) pro odvod přebytečné páry, například k energetickému využití.