CZ28320U1 - Energetické zařízení umožňující regulaci teploty před plynovou turbínou - Google Patents

Description

Energetické zařízení umožňující regulaci teploty před plynovou turbínou

Oblast techniky

Navržené řešení se týká oblasti energetiky. Je navrženo energetické zařízení, umožňující provádění regulace teploty plynného média před v něm obsaženou plynovou turbínou s nepřímým ohřevem.

Dosavadní stav techniky

Jsou známa různá zařízení pro výrobu elektřiny z fosilních paliv nebo využívající jako primární zdroj energie odpadní teplo z různých tepelných agregátů, například teplo odpadních spalin. V případě, že tato zařízení zahrnují plynovou turbínu, je pracovním médiem plynové turbíny horký plyn. Tato zařízení využívají kombinovaný paroplynový cyklus, a proto je v nich za plynovou turbínou zapojen například okruh Rankinova parního cyklu.

Výše uvedený typ zařízení je popsán například v CZ PV 2007-340 a CZ U 27575. Základním prvkem těchto zařízení je spalovací komora pro spalování tuhých paliv, která je chlazeného typu, tedy se stěnami chlazenými vodou. Zařízení zahrnuje okruh s kompresorovou plynovou turbínou, provedenou jako plynová turbína spřažená s kompresorem a mající připojen elektrický generátor. Zařízení zahrnuje směšovač, paroplynový ohřívák a nezbytné propojovací potrubí. Spalovací komora je nepřímo chlazená, neboť má stěny chlazené vodou. Je opatřena vodním přívodem, zaústěným do její stěny a palivovým přívodem, zaústěným dovnitř jejího spalovacího prostoru. Ze spalovacího prostoru spalovací komory je vyvedeno spalinové potrubí pro odvod horkých spalin, které je dále vedeno přes paroplynový ohřívák ven ze zařízení. Ze stěny spalovací komory je vyvedeno pamí potrubí, sloužící pro odvod páry vyrobené ohřevem přiváděné chladicí vody. Parní potrubí je od spalovací komory přivedeno do směšovače. U obou výše uvedených spisů je do směšovače kromě parního potrubí zaústěno také vzduchové potrubí, přivedené od kompresoru. Ve směšovací se přiváděná pára mísí se vzduchem přivedeným z kompresoru a vzniká paroplynová směs, jež je pracovním médiem pro kompresorovou plynovou turbínu. Ta je zapojena následovně. Ze směšovače je vyvedeno paroplynové potrubí, na něm je připojen paroplynový ohřívák a za ním je připojena kompresorová plynová turbína. Za ní je připojeno další vhodné energetické zařízení, v případě CZ PV 2007-340 je to okruh Rankinova parního cyklu. Okruh Rankinova parního cyklu podle citované PV zahrnuje parogenerátor na odpadní teplo s paroplynovým potrubím, vyvedeným do paroplynového odíuku pro vypouštění paroplynové směsi ze zařízení, a jako další prvky zahrnuje pamí turbínu, kondenzátor a zásobní nádrž pro doplňování napájecí vody.

Nevýhodou stávajících zařízení výše uvedeného typu je, že neumožňují dostatečnou regulaci teploty před kompresorovou plynovou turbínou.

Zařízení výše uvedeného typu mají v praxi kompresorovou plynovou turbínu provedenou ve dvou alternativách. První možnost je, že kompresor, turbína i elektrický generátor jsou na společné hřídeli. Druhá možnost je tzv. dělená plynová turbína. Kompresor je mechanicky spřažen pomocí hřídele s první plynovou turbínou a poháněný generátor je spřažen s druhou plynovou turbínou. Tyto dvě turbíny jsou na potrubí pro jejich pracovní médium zapojeny za sebou, jako první kompresorová turbína, to je turbína spřažená s kompresorem, a za nijako druhá je zapojena výkonová turbína, tedy turbína spřažená s generátorem. Pracovní médium potom při provozu zařízení protéká přes kompresorovou turbínu do výkonové turbíny. V dokumentaci dosavadního stavu není uvažována ani naznačena možnost, že by ke kompresorové turbíně mohla být paralelně připojena plynová výkonová turbína. V případě první alternativy, když jsou kompresor, plynová turbína i elektrický generátor na společné hřídeli, tak jsou otáčky všech těchto strojů stejné a konstantní a odpovídají frekvenci v elektrizační soustavě, do níž elektrický generátor dodává elektřinu. Při snížení výkonu celého zařízení se sníží příkon v palivovém přívodu do spalovací komory, tím se sníží množství spalin vystupujících ze spalovací komory a sníží se i množství tepla, předaného v paroplynovém ohříváku spalinami do paroplynové směsi. Množství syté páry, vyrobené chlazením stěny spalovací komory, se při sníženém příkonu v palivovém přívodu rovněž sníží, ale pokles je menší, než je snížení příkonu v palivovém přívodu, takže vy- 1 CZ 28320 Ul robené množství páry je při snižování výkonu relativně vyšší. Protože množství vzduchu dodávaného kompresorem je, vzhledem ke konstantním otáčkám, stejné jako při jmenovitém výkonu, tak je množství paroplynové směsi proudící přes paroplynový ohřívák jen nepatrně nižší, než při jmenovitém výkonu. Při sníženém příkonu v palivovém přívodu proto prudce klesne teplota paroplynové směsi na vstupu do plynové turbíny. Tím výrazně klesne účinnost této turbíny a provoz při nižším výkonu je pak neekonomický. Nevýhody má i alternativní provedení, kdy kompresor se svojí turbínou a poháněný generátor se svojí turbínou jsou každý uspořádán na vlastním hřídeli, přičemž pracovní médium protéká přes kompresorovou turbínu do výkonové turbíny generátoru, 1 v tomto případě dojde k výraznému poklesu teploty paroplynové směsi a nehospodámému provozu při nižším výkonu, 1 v případě, že se otáčky kompresoru při nižším výkonu energetického zdroje sníží, takže dodávané množství vzduchu z kompresoru bude nižší než při jmenovitém výkonu zdroje, i tak bude množství paroplynové směsi před plynovou turbínou výrazně vyšší než optimální, 1 v tomto případě tedy dochází k neekonomickému provozu při snížení výkonu energetického zdroje. Další nevýhodou u obou popisovaných provedení je, že takto provozovaný kompresor pro svůj pohon spotřebuje větší část výkonu plynové turbíny, než je pro optimální provoz nutné, takže množství elektřiny dodávané elektrickým generátorem do rozvodné sítě bude menší.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nevýhody odstraňuje navržené řešení. Zařízení zahrnuje plynovou kompresorovou turbínu, tedy plynovou turbínu spřaženou s kompresorem. Tato kompresorová turbína je připojena na plynovém potrubí, umožňujícím přivádět a odvádět její pracovní médium, přičemž na plynovém potrubí před vstupem této kompresorové turbíny je zapojen alespoň jeden ohřívák pro předehřev jejího pracovního média. Tento ohřívák je současně zapojen na spalinovém potrubí, jež je vyvedeno ze spalovací komory. Podstatou nového řešení je, že ke kompresorové turbíně je paralelně připojena plynová výkonová turbína, čímž se zde rozumí plynová turbína opatřená hřídelí, k níž je připojeno vhodné poháněné zařízení, například elektrický generátor. Podle navrženého řešení je paralelní připojení výkonové turbíny provedeno pomocí rozvětvení plynového potrubí, z nichž první rozvětvení, rozdělující přiváděné médium, se nachází v úseku mezi výstupem z ohříváku a vstupem do kompresorové turbíny a druhé rozvětvení, spojující odváděné médium, se nachází za výstupem z kompresorové turbíny. Je obsažena také alespoň jedna regulační armatura, například regulační klapka, uspořádaná pro zajištění zvýšení toku plynného média přes výkonovou turbínu současně se snížením toku plynného média přes kompresorovou turbínu, a pro snížení toku plynného média přes výkonovou turbínu současně se zvýšením toku plynného média přes kompresorovou turbínu.

Regulační armatura je s výhodou situována v té z obou rozdělených tras plynného média, která zahrnuje kompresorovou turbínu.

První výhodná alternativa provedení navrženého řešení je, že regulační armatura se nachází na přívodním a/nebo odvodním plynovém potrubí kompresorové turbíny.

Druhá výhodná alternativa provedení navrženého řešení je, že regulační armatura je součástí vstupu a/nebo výstupu kompresorové turbíny.

Zařízení podle navrženého řešení má s výhodou regulační armaturu opatřenu ovládacím zařízením s řídicím systémem, jež je vybaven softwarem pro stanovení požadované hodnoty teploty na vstupu kompresorové turbíny v závislosti na velikosti výkonu výkonové turbíny a/nebo množství tepla na-vstupu do ohříváku. Zařízení je opatřeno rovněž i nutnými měřicími prvky, například alespoň jedním teplotním čidlem pro zjišťování teploty plynného média před turbínami.

Ovládací zařízení zahrnuje zadávací jednotku se součtovým členem, připojeným jednak na měřicí prvky pro měření teploty plynného média před turbínami, a jednak na regulátor pro ovládání regulační armatury,

Navržené zařízení eliminuje ve značné míře nedostatky dosavadního stavu. Je určeno k využití v energetice, pro připojení k různým typům spalovacího zařízení. Může být využito pro spalovací zařízení ke spalování alternativních paliv, jako je například biomasa, i pro spalovací zařízení ke

-2CZ 28320 U1 spalování klasických fosilních paliv a kogenerační jednotky. Jako pracovní médium plynových turbín může být použita paroplynová směs, nebo vzduch. Podle toho, k jakému typu spalovacího zařízení se navržené zařízení připojí, se také k zařízení připojí zdroj vody, nebo zdroj vzduchu sloužící k výrobě pracovního média pro obsažené turbíny.

Přehled obrázků na výkresech

Navržené řešení je objasněno pomocí výkresů, kde znázorňují obr. 1 schematicky pohled na celé navržené zařízení, přičemž regulační armatura je umístěna na odvodním potrubí kompresorové turbíny a následující obrázky obr. 2 až 4 znázorňují výhodné alternativy umístění regulační armatury, z toho obr. 2 příklad s regulační armaturou umístěnou na přívodním potrubí kompresorové turbíny, obr. 3 příklad s regulační armaturou umístěnou na vstupu kompresorové turbíny a obr. 4 příklad s regulační armaturou umístěnou na výstupu kompresorové turbíny.

Příklad uskutečnění technického řešení

Příklad nejlepšího provedení navrženého řešení je názorně předveden pomocí zařízení podle obrázků obr. 1 až obr. 4 a níže uvedeného vysvětlení uspořádání a provozu tohoto zařízení.

Zařízení zahrnuje plynovou kompresorovou turbínu i, která je spřažená pomocí hřídele s kompresorem 2, umožňujícím dodávku vzduchu nebo vhodného plynu do za ním připojeného směšovače 3, v němž vzniká plynné médium, jež je pracovním médiem kompresorové turbíny i. Tímto pracovním médiem je buď paroplynová směs, nebo vzduch. Kompresorová turbína I je připojena na plynovém potrubí 4, paroplynovém nebo vzduchovém podle toho, co je jejím pracovním médiem. Na úseku plynového potrubí 4 nacházejícím se před vstupem kompresorové turbíny 1 je zapojen ohřívák 5 pro předehřev jejího pracovního média. Přes ohřívák 5 je současně vedeno i spalinové potrubí 6 vyvedené ze spalovacího zařízení 7, jehož prostřednictvím se přivádí horké spaliny, jež ohřívají pracovní médium pro kompresorovou turbínu 1. Ke kompresorové turbíně i je paralelně připojena plynová výkonová turbína 8 opatřená hřídelí, k níž je jako poháněné zařízení připojen elektrický generátor 9. Paralelní připojení výkonové turbíny 8 je provedeno pomocí rozvětvení plynového potrubí 4 pomocí potrubních odboček, z nichž první odbočka tvoří rozdělení plynového potrubí 4 na dvě větve a je umístěna v úseku plynového potrubí 4 nacházejícím se mezi výstupem z ohříváku 5 a vstupem do kompresorové turbíny 1 a druhá odbočka, tvořící spoj obou větví, je umístěna za výstupem z kompresorové turbíny i. Je obsažena také regulační armatura 10, například regulační klapka nebo regulační ventil. Tato regulační armatura 10 je uspořádaná pro zajištění zvýšení toku plynného média přes výkonovou turbínu 8 současně se snížením toku plynného média přes kompresorovou turbínu i a naopak, tedy pro snížení toku plynného média přes výkonovou turbínu 8 se současným zvýšením toku plynného média přes kompresorovou turbínu 1.

Regulační armatura 10 se s výhodou nachází v té z obou rozdělených tras plynného média, která zahrnuje kompresorovou turbínu I. Konkrétně je regulační armatura 10 vmontována buď na přívodním a/nebo odvodním plynovém potrubí 4 kompresorové turbíny i, nebo’ přímo na vstupu a/nebo výstupu kompresorové turbíny i. Regulační armatura 10 je opatřena elektronickým ovládacím zařízením s řídicím systémem, jež je vybaven softwarem pro stanovení požadované hodnoty teploty na vstupu kompresorové turbíny i v závislosti na velikosti výkonu výkonové turbíny 8 a/nebo množství tepla na vstupu do ohříváku 5. Zařízení je opatřeno rovněž i nutnými měřicími prvky, jako je teplotní čidlo 1_1 v podobě teploměru, umístěného na přívodním plynovém potrubí 4 před turbínami i, 8, pro zjišťování teploty plynného média před turbínami i, 8. Ovládací zařízení zahrnuje zadávací jednotku 12 se součtovým členem 13, připojeným jednak na teplotní čidlo H pro měření teploty plynného média před turbínami 1, 8, a jednak na regulátor 14 pro ovládání regulační armatury 10. Součtový člen 13 má dva vstupy a jeden výstup. Jeden vstup součtového členu 13 je připojen k teplotnímu čidlu H a druhý vstup k zadávací jednotce 12, jeho výstup je připojen ke vstupu regulátoru 14 pro ovládání regulační armatury JO.

Spalovací zařízení i je v tomto konkrétním případě provedeno jako spalovací komora chlazeného typu, tedy se stěnami chlazenými vodou, přiváděnou vodním potrubím. Spalovací komora může

-3CZ 28320 Ul být s jakýmkoliv používaným ohništěm pro spalování fosilních i alternativních paliv. Má palivový přívod 16 pro přivádění paliva a vzduchový přívod 17 pro přivádění spalovacího vzduchu.

Při provozu zařízení se vodním potrubím 15 přivádí voda, která se ve stěnách spalovacího zařízení 1 působením tepla ze spalovaného paliva odpařuje a vzniklá pára se parním potrubím 18 vede do směšovače 3. Ve směšovači 3 se pára mísí se vzduchem, přiváděným pomocí kompresoru 2 vzduchovým potrubím 19 za vzniku paroplynové směsi. Vyrobená paroplynová směs je pracovním plynným médiem pro kompresorovou turbínu I. Ze směšovače 3 se odvádí plynovým potrubím 4 přes paroplynový ohřívák 5, kde dojde k jejímu ohřátí na pracovní teplotu kompresorové turbíny 1 a výkonové turbíny 8 teplem spalin přiváděných spalinovým potrubím 6 ze spalovacího zařízení i. Z ohříváku 5 se pak spaliny odvádějí k dalšímu využití zbytkového tepla, například pro ohřev spalovacího vzduchu, nebo pro výrobu horké či teplé vody. Plynné médium, jež je pracovním médiem kompresorové turbíny 1, v tomto případě paroplynová směs, se z ohříváku 5 v ohřátém stavu rozvádí do obou větví rozvětveného plynového potrubí 4, a jejich prostřednictvím protéká současně přes kompresorovou turbínu I i přes výkonovou turbínu 8. Po expanzi v kompresorové turbíně i a ve výkonové turbíně 8 se plynné médium z obou větví plynového potrubí 4 směšuje a společně se odvádí k dalšímu využití, například k výrobě elektřiny v připojeném, na obrázku obr. 1 neznázoměném okruhu Rankinova parního cyklu, anebo do teplovodního systému k dodávce tepla.

Během provozu zařízení se při změně jeho výkonu nebo při změně výhřevnosti přiváděného paliva palivovým přívodem 16 může změnit teplota plynného média v plynovém potrubí 4 vystupujícím z ohříváku 5. Pro udržení optimální účinnosti kompresorové turbíny 1 i výkonové turbíny 8 je žádoucí udržovat teplotu plynného média na jejich vstupu na požadované hodnotě, mělo by tedy být možné teplotu regulovat. Na základě navrženého řešení je této možnosti dosaženo Regulaci umožňuje paralelní připojení kompresorové turbíny i a výkonové turbíny 8 s možností měnit tlakovou ztrátu proudění plynného média ve větvi s kompresorovou turbínou L V příkladném provedení podle obrázků obr. 1 až obr. 4 lze zmíněnou tlakovou ztrátu plynného média měnit pomocí regulační armatury 10. Při uzavírání nebo otevírání regulační armatury 10 se tlaková ztráta plynného média u kompresorové turbíny i bude měnit a adekvátně se změní poměr rozdělení přiváděného plynného média do turbín I, 8.

Požadovaná teplota na vstupu kompresorové turbíny I se při provozu zařízení udržuje na stejné nebo klesající hodnotě v závislosti na změně výkonu výkonové turbíny 8 a/nebo množství tepla přiváděného do ohříváku 5. To se provádí tak, že při snižování výkonu výkonové turbíny 8 a/nebo množství tepla přiváděného do ohříváku 5 se škrcení regulační armaturou 10 zvyšuje, a při zvyšování výkonu výkonové turbíny 8 a/nebo množství tepla přiváděného do ohříváku 5 se škrcení regulační armaturou 10 snižuje.

Pro zvýšení teploty před kompresorovou turbínou i se sníží průtok přes kompresorovou turbínu 1 a zvýší průtok přes výkonovou turbínu 8 a pro snížení teploty před kompresorovou turbínou i se zvýší průtok přes kompresorovou turbínu 1 a sníží průtok přes výkonovou turbínu 8. Tak například při snížení výkonu výkonové turbíny 8, pokud by se žádná regulace neprovedla, by se snížila teplota plynného média v plynovém potrubí 4 před oběma turbínami I, 8, protože ohřívané množství plynného média by pro snížený výkon bylo velké. Proti tomu při využívání navrženého řešení, pokud regulátor 14 přivře regulační armaturu 10, tak se sníží průtok plynného média přes kompresorovou turbínu I, její otáčky klesnou a sníží se množství vzduchu dodávaného kompresorem 2. Tím se sníží i množství plynného média přiváděného k ohřevu do ohříváku 5, takže ohřívák 5 ohřeje toto množství na vyšší teplotu. To umožní, že teplota plynného média na teplotním čidle H před turbínami 1, 8 se zvýší na požadovanou hodnotu stanovenou zadávací jednotkou 12 v závislosti na řídícím signálu zadanému do zadávací jednotky 12. Jako řídící signál se zadá okamžitý výkon nebo požadovaný výkon elektrického generátoru 9 a/nebo množství paliva přiváděného palivovým přívodem 16. Při snížení průtoku přes kompresorovou turbínu i se úměrně zvýší průtok plynného média přes výkonovou turbínu 8 a zvýší se množství elektřiny vyráběné elektrickým generátorem 9.

-4CZ 28320 Ul

Alternativy umístění regulační armatury 10 znázorněné na obrázcích obr. 1 a obr. 4 jsou ekonomicky nej výhodnější. Z hlediska funkce regulace jsou varianty podle obr. 1 až obr. 4 rovnocenné.

Claims (6)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Energetické zařízení umožňující regulaci teploty před plynovou turbínou, jež zahrnuje plynovou kompresorovou turbínu (1) spřaženou mechanicky s kompresorem (2) a připojenou na plynovém potrubí (4) pro její pracovní, plynné médium, kde na plynovém potrubí (4) nacházejícím se před vstupem této kompresorové turbíny (1) je zapojen alespoň jeden ohřívák (5) pro předehřev jejího pracovního plynného média, přičemž tento ohřívák (5) je současně zapojen na spalinovém potrubí (6) přivedeném ze spalovacího zařízení (7), vyznačující se tím, že ke kompresorové turbíně (1) je paralelně připojena plynová výkonová turbína (8) k níž je připojeno poháněné zařízení, například elektrický generátor (9), kde toto paralelní připojení výkonové turbíny (8) je provedeno pomocí paralelní větve plynového potrubí (4), odbočené mezi výstupem z ohříváku (5) a vstupem do kompresorové turbíny (1) a připojené za výstupem z kompresorové turbíny (1), přičemž v zařízení je uspořádána alespoň jedna regulační armatura (10), například regulační klapka, pro zajištění zvýšení toku plynného média přes výkonovou turbínu (8) současně se snížením toku plynného média přes kompresorovou turbínu (1), a pro snížení toku plynného média přes výkonovou turbínu (8) současně se zvýšením toku plynného média přes kompresorovou turbínu (1).
2. 2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že regulační armatura (10) se nachází v té z obou rozdělených tras plynného média, která zahrnuje kompresorovou turbínu (1).
3. 3. Zařízení podle nároku 2, vyznačující se tím, že regulační armatura (10) se nachází na přívodním a/nebo odvodním plynovém potrubí (4) kompresorové turbíny (1).
4. 4. Zařízení podle nároku 2, vyznačující se tím, že regulační armatura (10) je součástí vstupu a/nebo výstupu kompresorové turbíny (1).
5. 5. Zařízení podle některého z nároků laž4, vyznačující se tím, že regulační armatura (10) je opatřena ovládacím zařízením s řídicím systémem, jež je vybaven softwarem pro stanovení požadované hodnoty teploty na vstupu kompresorové turbíny (1) v závislosti na velikosti výkonu výkonové turbíny (8) a/nebo množství tepla na vstupu do ohříváku (8), přičemž je zařízení opatřeno rovněž i nutnými měřicími prvky, například teplotním čidlem (11) pro zjišťování teploty plynného média před turbínami (1,8).
6. 6. Zařízení podle nároku 5, v y z n a č u j í c í se tím, že ovládací zařízení zahrnuje zadávací jednotku (12) se součtovým členem (13), připojeným jednak na měřicí prvky, například teplotní čidlo (11), pro měření teploty plynného média před turbínami (1, 8), a jednak na regulátor (14) pro ovládání regulační armatury (10).