CZ28099U1

CZ28099U1 - Tepelně energetické zařízení obsahující parní turbínu

Info

Publication number: CZ28099U1
Application number: CZ2014-30226U
Authority: CZ
Inventors: František Rosecký
Original assignee: Tt Design, S.R.O.; František Rosecký
Priority date: 2014-08-08
Filing date: 2014-08-08
Publication date: 2015-04-20
Also published as: CZ2014535A3; WO2016019927A1

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká tepelně energetického zařízení obsahujícího parní turbínu.

Dosavadní stav techniky

Parní turbíny jsou základním typem pohonu v tepelných i jaderných elektrárnách jako součást tepelně energetických zařízení. Přihláška vynálezu podaná v České republice č. PV 2013-679, popisuje tepelně energetické zařízení, jehož schéma ukazuje obr. 1.

Tepelně energetické zařízení z obr. 1 obsahuje kompresor 7, který nasává vlhkou, sytou nebo přehřátou vodní páru. Tlak vodní páry na vstupu do kompresoru 7 odpovídá tlaku za kondenzátorem 8. Výstupní tlak se rovná pracovnímu tlaku před turbínou 4. V parním kotli 1 nebo výměníku se přivádí teplo. Přívod teplaje ukončen v přehřívači 2 dosažením pracovní teploty před turbínou

4. Vodní pára expanduje z pracovního tlaku před turbínou 4 na tlak za turbínou 4, který odpovídá tlaku v kondenzátoru 8. V kondenzátoru 8 se odvádí teplo a předává se do okolí.

Výhodou uvedeného řešení z obr. 1, které však dosud není v praxi používáno, je dosažení vysoké účinnosti v porovnání se všemi dosavadními v praxi používanými tepelně energetickými zařízeními obsahujícími parní turbínu. Řešení však má rovněž nevýhodu spočívající v tom, že se kompresory pro tak vysoké stlačení nevyráběly a nepoužívaly se při realizaci tepelných oběhů s vodní párou (Rankinův tepelný oběh vylučoval použití kompresorů). Další nevýhodou je odvod tepla při konstantním tlaku, neboť tento způSób odvodu tepla podstatně zhoršuje termickou účinnost a vynucuje si značné zvýšení pracovních tlaků a pracovní pole se posouvá do nadkritických tlaků. Další nevýhodou je to, že teplota odpadního tepla neumožňuje použití tohoto tepla pro vytápění, protože je příliš nízká.

Cílem předkládaného technického řešení je navrhnout takové řešení tepelně energetického zařízení obsahujícího parní turbínu, které dosahuje vysoké technologické účinnosti v porovnání se všemi v praxi dosud používanými tepelně energetickými zařízeními obsahujícími parní turbínu, a které nemá výše zmiňované nevýhody známého řešení.

Podstata technického řešení

Nevýhody stavu techniky odstraňuje tepelně energetické zařízení podle předkládaného technického řešení, obsahující turbínu pro expanzi vstupního pracovního média a odevzdání práce, kompresní prostředek pro stlačení pracovního média na hodnotu tlaku, která odpovídá tlaku pracovního média před turbínou, a přehřívač pro přívod tepla do pracovního média před jeho vstupem do turbíny, jehož podstata spočívá v tom, že kompresní prostředek je uspořádaný tak, že je do něj přiváděna alespoň část pracovního média, které vystoupilo z turbíny, přičemž tato část pracovního média je vedena do kompresního prostředku, aniž by se po výstupu z turbíny a před vstupem do kompresního prostředku pracovní médium ochladilo v nějakém ochlazovacím zařízení jako je chladič nebo kondenzátor, a dále v tom, že se z pracovního média odvádí teplo záměrně - tedy nikoli prostřednictvím tepelných ztrát - ven z tepelně energetického zařízení výlučně pouze v úseku mezi vstupem pracovního média do kompresního prostředku a jeho výstupem z kompresního prostředku.

Výše uvedeným „záměrným“ odvodem tepla máme na mysli cílený tedy chtěný odvod tepla v protikladu s odvodem tepla, k němuž ve všech reálných (tedy nikoli teoreticky ideálních) zařízeních dochází ztrátami přestupem tepla, kterým v praxi nelze zabránit. Jinými slovy, kjedinému záměrnému odvodu tepla z tepelně energetického zařízení dojde v úseku mezi vstupem do kompresního prostředku a výstupem z něho. Přitom, jak vyplyne z následujícího textu, kompresní prostředek může s výhodou zahrnovat několik kompresorů, a pak vstupem do kompresního prostředku míníme vstup do prvního kompresoru a výstupem z kompresního prostředku míníme výstup z posledního kompresoru obsaženého v kompresním prostředku.

- 1 CZ 28099 U1

Uvedený záměrný odvod má s výhodou podobu odvodu k jeho dalšímu využití, například do horkovodu pro vytápění. To je umožněno tím, že díky uspořádání tepelně energetického zařízení podle tohoto technického řešení má odváděné teplo takové parametry, že jej lze využít i například pro vytápění.

Podle jednoho z možných výhodných provedení se do kompresního prostředku přivádí nikoli pouze část, ale veškeré pracovní médium vystupující z turbíny.

Podle výhodného provedení kompresní prostředek zahrnuje alespoň jeden izotermický kompresor pro izotermickou kompresi pracovního média, přičemž jeden z těchto izotermických kompresorů je uspořádán na vstupu do kompresního prostředku, a alespoň jeden adiabatický kompresor pro adiabatickou kompresi pracovního média.

Podle dalšího z výhodných provedení zahrnuje kompresní prostředek právě jeden izotermický kompresor a právě jeden adiabatický kompresor, který má vstup pracovního média napojen na výstup pracovního média z izotermického kompresoru a je konfigurován pro adiabatickou kompresi pracovního média na hodnotu tlaku, která odpovídá tlaku pracovního média před turbínou, přičemž teplo vzniklé v izotermickém kompresoru se odvádí mimo tepelně energetické zařízení.

Podle jednoho z výhodných provedení jsou turbína, turbínou poháněný generátor, izotermický kompresor a adiabatický kompresor umístěny na společném hřídeli, jímž jsou poháněny.

Podle dalšího z výhodných provedení je turbína dvojstupňová, přičemž její druhý stupeň leží na společném hřídeli s jejím prvním stupněm, pohání generátor, a je uspořádán s jedno či vícenásobným přihříváním pracovního média ke zvýšení termické účinnosti tepelně energetického zařízení.

Podle dalšího z výhodných provedení je turbína dvojstupňová, přičemž její druhý stupeň pohání generátor prostřednictvím druhého hřídele, a její první stupeň pohání pomocí prvního hřídele izotermický kompresor a adiabatický kompresor, k umožnění použití optimálních otáček kompresorů.

Mezi turbínou a generátorem může být umístěna převodovka pro umožnění práce generátoru v synchronních otáčkách.

Pracovním médiem je s výhodou vodní pára, může jím však být například i kysličník uhličitý nebo vzduch.

Jak bylo výše uvedeno, podle výhodného provedení kompresní prostředek obsahuje izotermický kompresor, adiabatický kompresor, zařízení pro přívod tepla při konstantním tlaku a turbínu, jejíž parametry na konci expanze jsou shodné s parametry na vstupu do izotermického kompresoru.

Technické řešení odstraňuje výše uvedené nevýhody a dosahuje nové kvality tím, že dodané teplo se převede na mechanickou práci s termickou účinností, která přesahuje 60 %, přičemž navíc se využije i odvedené teplo, které má tak vysokou teplotu, že se dá přímo použít v horkovodu na vytápění.

Objasnění výkresů

Předkládané technické řešení bude blíže popsáno s odkazem na výkresy, na nichž znázorňuje:

- obr. 1 schematické uspořádání tepelně energetického zařízení podle přihlášky vynálezu PV 2013-679,

- obr. 2 první příklad provedení tepelně energetického zařízení podle technického řešení,

- obr. 3 a 4 diagram Tlak - Entalpie pro kompresní parní tepelný oběh s odvodem tepla s izotermickou kompresí podle technického řešení,

- obr. 5 logP-H diagram Tlak - Entalpie ukazující porovnání Rankinova cyklu s kompresním parním tepelným oběhem s izotermickou kompresí podle tohoto technického řešení,

- obr. 6 druhý příklad provedení tepelně energetického zařízení podle technického řešení,

-2CZ 28099 U1

- obr. 7 třetí příklad provedení tepelně energetického zařízení podle technického řešení,

- obr. 8 čtvrtý příklad provedení tepelně energetického zařízení podle technického řešení.

Příklady uskutečnění technického řešení

Obr. 1 schematicky zobrazuje již výše popsané uspořádání tepelně energetického zařízení 5 z PV 2013-679.

Obr. 2 zobrazuje schematicky první příklad provedení tepelně energetického zařízení podle nyní předkládaného technického řešení. Tepelný parní oběh lze popsat takto:

1) Izotermický kompresor 7a nasává vodní páru, která po expanzi vystoupila z turbíny 4. Tlak vodní páry na vstupu do izotermického kompresoru 7a odpovídá tlaku za turbínou 4. Při izoter- ío mické kompresi se vyvíjí teplo, které se s výhodou odvádí mimo tepelně energetické zařízení, například do horkovodu pro vytápění

2) Pára z izotermického kompresoru postupuje dále do adiabatického kompresoru 7b, kde se pára adiabaticky stlačí na tlak odpovídající tlaku páry na vstupu do turbíny 4

3) Z adiabatického kompresoru pára postupuje do přehřívače 2, kde se do páry za stálého tlaku 15 přivádí teplo

4) Z přehřívače 4 se pára vede do turbíny 4, kde dojde k expanzi páry a odevzdání práce v podobě například pohánění generátoru 5 k výrobě elektrické energie.

Podle prvního příkladu provedení z obr. 2 jsou turbína 4, turbínou poháněi.ý generátor 5, izotermický kompresor 7a a adiabatický kompresor 7b poháněny společným hnacím hřídelem.

Obr. 3 a 4 ukazují diagram pro kompresní parní tepelný oběh s izotermickou kompresí podle předkládaného technického řešení. Diagramy zahrnují tyto děje:

1- 2 izotermická komprese s odvodem tepla z tepelného oběhu

2- 3 adiabatická komprese

3- 4 izobarický přívod tepla

4-1 adiabatická expanze

Přívod tepla může být také realizován vícenásobně dělenou expanzí, jak naznačují body A-B-C na obrázku 3.

Základní rozdíl oproti řešení z obr. 1 je to, že komprese 1-2 začíná okamžitě po ukončení expanze 4-1, a dále pak, že odvod tepla se uskutečňuje pouze při izotermické kompresi. Nejdůleži30 tější přínos předkládaného technického řešení oproti řešení z obr. 1 je ten, že přivedené teplo se přemění v užitečnou práci a odvedené teplo, které lze přímo využít v horkovodu na vytápění a celkové využití dodaného tepla, silně překročí 90 %, přičemž termická účinnost je podstatně větší než u klasického Rankinova cyklu, jak ukazuje srovnání na obr. 5.

Jak již bylo uvedeno, obr. 5 ukazuje porovnání Rankinova cyklu s kompresním parním tepelným 35 oběhem s izotermickou kompresí podle tohoto technického řešení. Konkrétně je dosaženo následujících hodnot:

Rankin	Tepelný oběh podle
Ohřívání vody	384	předkládaného technického řešení 0
Vypařování vody	1999	0
Přehřívání páry	809	787
Výkon turbíny	766	766

-3CZ 28099 U1

Příkon kompresoru	0	383
Výkon generátoru	766 kj/kg	383 kj/kg
Dodané teplo v kotli	3192	787
Termická účinnost	0,24	0,48
Průtok páry pro 7,5 MW	35 t/h	70t/h
Tepelný výkon kotle	31 MW	15 MW

Uvedené hodnoty platí pro ideální tepelný oběh beze ztrát.

Obr. 6 zobrazuje schematicky druhý příklad provedení tepelně energetického zařízení podle technického řešení, u něhož je oproti prvnímu příkladu provedení navíc přidána mezi turbínu 4 a generátor 5 převodovka 3, která umožňuje, aby generátor 5 pracoval v synchronních otáčkách.

Obr. 7 zobrazuje schematicky čtvrtý příklad provedení tepelně energetického zařízení podle technického řešení, u něhož je turbína 4 dvoustupňová, přičemž její druhý stupeň 4b pohání generátor 5 prostřednictvím druhého hřídele 9, a její první stupeň 4a pohání pomocí prvního hřídele 6 izotermický kompresor 7a a adiabatický kompresor 7b. Toto uspořádání umožňuje použití optimálních otáček kompresorů 7a, 7b.

Obr. 8 zobrazuje schematicky čtvrtý příklad provedení tepelně energetického zařízení podle technického řešení, u něhož je turbína 4 dvojstupňová. Druhý stupeň 4b turbíny 4 pohání generátor 5. První stupeň 4a turbíny 4, druhý stupeň 4b turbíny 4, generátor 5, izotermický kompresor 7a a adiabatický kompresor 7b jsou poháněny společným hnacím hřídelem. Druhý stupeň 4b turbíny 4 je proveden s přihříváním pracovního média, které může být i vícenásobné, což ještě více zvyšuje termickou účinnost.

Jak již bylo výše uvedeno, pracovním médiem je s výhodou vodní pára, předkládané technické řešení lze však použít i s jinými pracovními médii jako je například kysličník uhličitý nebo vzduch.

Claims

NÁROKY NA OCHRANU

1. Tepelně energetické zařízení obsahující turbínu (4) pro expanzi vstupního pracovního média a odevzdání práce, kompresní prostředek (7) pro stlačení pracovního média na hodnotu tlaku, která odpovídá tlaku pracovního média před turbínou (4), a přehřívač (2) pro přívod tepla do pracovního média před jeho vstupem do turbíny (4), vyznačující se tím, že vstup kompresního prostředku (7) je propojen s výstupem turbíny (4) pro přivádění alespoň části pracovního média, které vystoupilo z turbíny (4), do kompresního prostředku (7), aniž by tato část pracovního média byla po výstupu z turbíny (4) a před vstupem do kompresního prostředku (7) ochlazena v nějakém ochlazovacím zařízení jako je chladič nebo kondenzátor, přičemž v úseku mezi vstupem pracovního média do kompresního prostředku (7) a jeho výstupem z kompresního prostředku (7) je uspořádán prostředek pro záměrný odvod tepla z pracovního média ven z tepelně energetického zařízení, aniž by tepelně energetické zařízení obsahovalo jakýkoli další prostředek pro záměrný odvod tepla z pracovního média ven z tepelně energetického zařízení.
2. Tepelně energetické zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že prostředek pro záměrný odvod tepla je uspořádán pro odvod tepla ven z tepelně energetického zařízení k jeho dalšímu využití, zejména do horkovodu pro vytápění.
3. Tepelně energetické zařízení podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že vstup kompresního prostředku (7) je propojen s výstupem turbíny (4) pro přívod veškerého pracovního média vystupujícího z turbíny (4).

-4CZ 28099 U1
4. Tepelně energetické zařízení podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že kompresní prostředek (7) zahrnuje alespoň jeden izotermický kompresor (7a) pro izotermickou kompresi pracovního média, přičemž jeden z těchto izotermických kompresorů (7a) je uspořádán na vstupu do kompresního prostředku (7), a dále zahrnuje alespoň jeden adiabatický kompresor (7b) pro adiabatickou kompresi pracovního média.
5. Tepelně energetické zařízení podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že kompresní prostředek (7) zahrnuje jeden izotermický kompresor (7 a) a jeden adiabatický kompresor (7b), který má vstup pracovního média napojen na výstup pracovního média z izotermického kompresoru (7a) a je konfigurován pro adiabatickou kompresi pracovního média na hodnotu tlaku, která odpovídá tlaku pracovního média před turbínou (4), přičemž kompresní prostředek (7) je opatřen prostředkem pro záměrný odvod tepla pro odvedení tepla vzniklého v izotermickém kompresoru (7a) ven z tepelně energetického zařízení k jeho dalšímu využití, zejména do horkovodu pro vytápění.
6. Tepelně energetické zařízení podle nároku 5, vyznačující se tím, že turbína (4), turbínou poháněný generátor (5), izotermický kompresor (7a) a adiabatický kompresor (7b) jsou umístěny na společném hřídeli, jímž jsou poháněny.
7. Tepelně energetické zařízení podle nároku 6, vyznačující se tím, že turbína (4) je dvojstupňová, přičemž její druhý stupeň (4b) leží na společném hřídeli s jejím prvním stupněm (4a), je uzpůsoben pro pohon generátoru (5) a je uspořádán s jedno, či vícenásobným přihříváním pracovního média ke zvýšení termické účinnosti tepelně energetického zařízení.
8. Tepelně energetické zařízení podle kteréhokoliv z nároků laž5, vyznačující se tím, že turbína (4) je dvojstupňová, přičemž její druhý stupeň (4b) je uzpůsoben pro pohon generátoru (5) prostřednictvím druhého hřídele (9) a její první stupeň (4a) je uzpůsoben pro pohon izotermického kompresoru (7a) a adiabatického kompresoru (7b) pomocí prvního hřídele (6) za tím účelem, aby mohlo být dosaženo optimálních otáček kompresorů (7a, 7b).
9. Tepelně energetické zařízení podle kteréhokoliv z nároků 6 až 8, vyznačující se tím, že mezi turbínou (4) a generátorem (5) je umístěna převodovka pro umožnění práce generátoru (5) v synchronních otáčkách.
10. Tepelně energetické zařízení podle kteréhokoli z předchozích nároků, vyznačující se t í m, že pracovním médiem je vodní pára.
11. Tepelně energetické zařízení podle kteréhokoli z nároků laž9, vyznačující se tím, že pracovním médiem je kysličník uhličitý nebo vzduch.