CZ296199B6

CZ296199B6 - Paroplynové zarízení s transformátorem tepla

Info

Publication number: CZ296199B6
Application number: CZ20013331A
Authority: CZ
Inventors: Kubis@Stanislav
Original assignee: Siemens Industrial Turbomachinery S.R.O.
Priority date: 2001-09-17
Filing date: 2001-09-17
Publication date: 2006-02-15
Also published as: CZ20013331A3

Abstract

U paroplynového zarízení podle vynálezu, je mezi výstup z vysokotlakové cásti (2) paroplynové turbíny a vstup do nízkotlakové cásti (3) paroplynové turbíny zarazen transformátor (5) tepla, jehoz vysokotlakový prostor teplosmenné steny je napojen potrubím na výstup vysokotlakové cásti (2) paroplynové turbíny, na odvádecí potrubí (16) oxidu uhlicitého a na potrubí, kterým je propojen s odvadecem (7) kondenzátu, který je napojen pres cerpadlo (9) paroplynové cásti s odpoustecím potrubím vody (17) a potrubím (12) vstrikovací vody s generátorem (1)paroplynové smesi, jenz je spojen paroplynovým potrubím (13) paroplynové smesi s vysokotlakovou cástí (2) paroplynové turbíny, jejíz výfuk je zaústenzpet do vysokotlakového prostoru teplosmenné steny transformátoru (5) tepla. Nízkotlakový prostor teplosmenné steny transformátoru (5) tepla, je propojen nízkotlakovým parním potrubím (21) s odbernýmzarízením a napájecím potrubím (20) s cerpadlem (8) parní cásti. Odberné zarízení je bud tvoreno nízkotlakovou cástí (3) paroplynové turbíny, která je propojena parním nízkotlakovým potrubím (21) s nízkotlakovým prostorem teplosmenné steny transformátoru (5) tepla, a jejíz výfuk je spojen pres kondenzátor (18), cerpadlo (8) parní cásti a napájecímpotrubím (20) rovnez s prostorem nízkotlakové plochy teplosmenné steny transformátoru (5) tepla, nebo technologickým provozem, který je napojen nízkotlakovým parním potrubím (21) a napájecím potrubím(20) na transformátor (5) tepla.

Description

(57) Anotace:

U paroplynového zařízení podle vynálezu, je mezi výstup z vysokotlakové části (2) paroplynové turbíny a vstup do nízkotlakové části (3) paroplynové turbíny zařazen transformátor (5) tepla, jehož vysokotlakový prostor teplosměnné stěny je napojen potrubím na výstup vysokotlakové části (2) paroplynové turbíny, na odváděči potrubí (16) oxidu uhličitého a na potrubí, kterým je propojen s odvaděčem (7) kondenzátu, který je napojen přes čerpadlo (9) paroplynové části s odpouštěcím potrubím vody (17) a potrubím (12) vstřikovací vody s generátorem (1) paroplynové směsi, jenž je spojen paroplynovým potrubím (13) paroplynové směsi s vysokotlakovou částí (2) paroplynové turbíny, jejíž výfuk je zaústěn zpět do vysokotlakového prostoru teplosměnné stěny transformátoru (5) tepla. Nízkotlakový prostor teplosměnné stěny transformátoru (5) tepla, je propojen nízkotlakovým parním potrubím (21) s odběrným zařízením a napájecím potrubím (20) s čerpadlem (8) parní části. Odběrné zařízení je buď tvořeno nízkotlakovou částí (3) paroplynovéturbíny, která je propojena parním nízkotlakovým potrubím (21) s nízkotlakovým prostorem teplosměnné stěny transformátoru (5) tepla, a jejíž výfuk je spojen přes kondenzátor (18), čerpadlo (8) parní části a napájecím potrubím (20) rovněž s prostorem nízkotlakové plochy teplosměnné stěny transformátoru (5) tepla, nebo technologickým provozem, který je napojen nízkotlakovým parním potrubím (21) a napájecím potrubím (20) na transformátor (5) tepla.

Paroplynové zařízení s transformátorem tepla

Oblast techniky

Paroplynové zařízení s transformátorem tepla spadá do oblasti výroby tepelné, mechanické či elektrické energie.

Dosavadní stav techniky

Koncem 80. let přišla PBS Brno s myšlenkou tepelného oběhu s paroplynovou turbínou, o které je blíže pojednáno v Čs patentovém spise č. 276 485. V roce 1996 se objevila tatáž myšlenka v USA, pod označením tepelného oběhu s čistými pracovními látkami (CES) %. Podrobně je tento oběh popsán v časopise Turbomachinery Intemational May/June 2000. Podstatou uvedeného zařízení je náhrada vzduchu, jako nositele tepelné energie v oběhu kyslíkem, tím prakticky eliminaci jeho komínové ztráty a využití energie obsaženého v palivu na hranici horní výhřevnosti. Oproti standardním oběhům s parní nebo spalovací turbínou, či spalovacím motorem se zvyšuje množství tepla v oběhu cca o 20 %.

V oběhu s paroplynovou turbínou je uhlovodíkové palivo spalováno v generátoru paroplynové směsi s kyslíkem za vysokého tlaku a teploty, za současného vstřikování vody. Množství vstřikované vody se řídí přípustnou teplotou, na niž jsou dimenzovány tzv. horké části vysokotlakové turbíny. Takto vzniklá směs přehřáté vodní páry a oxidu uhličitého je vedena do turbíny, kde vykoná práci. Po expanzi je směs vedena do výměníku tepla, případně do kondenzátoru, v němž zkondenzuje vodní pára. Oxid uhličitý je nutné z výměníku odvádět do okolí, případně do technologického procesu.

Pokud expanze končí v oblasti syté páry může reagovat vznikající oxid uhličitý s vodou a vzniklá kyselina může poškozovat některé průtočné části turbíny. Navíc v případě kondenzační turbíny je nutné oxid uhličitý odsávat z kondenzátoru, v němž je hluboké vakuum, a stlačovat na požadovaný tlak. Zařízení na odsávání - vývěvy, případně kompresory pracují s velkými vstupními měrnými objemy, proto mají velké rozměry. Jejich stlačení je rovněž vysoké, a proto musí být použity mnohostupňové stroje. V současnosti se kompresory pro takovéto extrémní podmínky nevyrábějí a musely by být vyvinuty. Z načrtnutých problémů je vidět, že tento systém klade zvýšené nároky na spotřebu energie, což snižuje účinnost celého oběhu a vyžaduje zvýšené finanční náklady na jeho vybudování.

Podstata vynálezu

Uvedené nevýhody odstraňuje paroplynového zařízení s transformátorem tepla podle vynálezu, které spočívá v tom, že mezi výstup z vysokotlakové části paroplynové turbíny a vstup do nízkotlakové části paroplynové turbíny je zařazen transformátor tepla, jehož vysokotlakový prostor teplosměnné stěny je napojen potrubím na výstup vysokotlakové části paroplynové turbíny, na odváděči potrubí oxidu uhličitého a na potrubí, kterým je propojen s odváděčem kondenzátu, který je napojen přes čerpadlo paroplynové části s odváděcím potrubím vody a potrubím s generátorem paroplynové směsi, jež je spojen potrubím paroplynové směsi s vysokotlakovou částí paroplynové turbíny, jejíž výfuk je zaústěn zpět do vysokotlakového prostoru teplosměnné stěny transformátoru tepla, přičemž nízkotlakový prostor teplosměnné stěny transformátoru tepla je propojen nízkotlakovým parním potrubím s odběrným zařízením a napájecím potrubím s čerpadlem parní části.

-1 CZ 296199 B6

Odběrné zařízení může představovat technologický provoz, nebo nízkotlakovou část paroplynové turbíny.

V případě technologického provozu transformátor tepla dodává páru pro jeho potřebu a odebírá z něj nebo dalšího zařízení napájecí vodu pro svůj provoz.

V případě nízkotlakové části paroplynové turbíny je její vstup napojen na transformátor tepla, přičemž její výfuk je spojen přes kondenzátor, čerpadlo parní části a napájecí potrubí s nízkotlakovým prostorem teplosměnné stěny transformátoru tepla.

Hlavním úkolem transformátoru tepla je převést - transformovat tepelnou energii paroplynové směsi, včetně kondenzačního tepla, do parní - nízkotlakové části a zde ji využít pro výrobu nízkotlakové páry. Druhým, stejně důležitým úkolem je separovat, či vydělit z oběhu oxid uhličitý a odvést ho mimo oběh.

Tím, že je expanze paroplynové směsi v turbíně přerušena na tlaku vyšším, než je tlak, či teplota sytosti paroplynové směsi, případně než je tlak okolí, vysokotlaková část paroplynové turbíny pracuje v oblasti přehřáté páry. Nedojde v ní proto ke kondenzaci páry a možnému vzniku kyseliny, která by mohla ohrožovat korozí některé její části. Není proto nutné speciálně upravovat, nebo chránit některé její části, případně používat dražších materiálů pro její výrobu, které by ji před možnou korozí ochránily.

Ve vysokotlakovém prostoru transformátoru tepla se paroplynová směs ochlazuje a přes teplosměnnou stěnu předává svůj tepelný obsah, včetně kondenzačního tepla, vodě v nízkotlakovém prostoru transformátoru tepla, která se odpařuje. Zkodenzovaná pára z paroplynové směsi - voda, je z transformátoru tepla odváděna prostřednictvím čerpadel paroplynové části přímo, nebo alespoň přes jeden regenerační výměník, do generátoru páry, čímž se oběh vysokotlakové části turbíny uzavře. Protože množství kondenzátu je větší o vodu, vznikající při spalování, je z oběhu odváděna pro další využití, nebo pro krytí ztrát nízkotlakové části oběhu.

Nezkondenzovaný oxid uhličitý je odváděn z transformátoru tepla podobně jako jsou odváděny nezkondenzované plyny ze standardních kondenzátorů parních oběhů do okolí nebo pro další využití.

Pára generovaná v transformátoru tepla již neobsahuje oxid uhličitý, proto je možné navrhnout nízkotlakovou část paroplynové turbíny běžným postupem. V nízkotlakové části paroplynové turbíny pára expanduje na tlak, který je dán teplotou vody v kondenzátorů. Před přívodem do nízkotlakové části může být pára přehřátá paroplynovou směsí, která odchází z vysokotlakové části turbíny, obdobně jako je tomu v případě utilizačních parních kotlů, které jsou zařazovány za spalovacími turbínami.

Z kondenzátorů, za nízkotlakovou částí paroplynové turbíny, je zkondenzovaná pára odváděna přes regenerační výměník zpět do transformátoru tepla, čímž se uzavírá nízkotlakový oběh.

Přehled obrázků na výkresu

Funkce paroplynového zařízení s transformátorem teplaje blíže osvětlena na přiložených obrázcích, kde na obr. 1 je uvedeno schéma oběhu s paroplynovou turbínou v jednohřídelovém a na obr. 2, ve dvouhřídelovém provedení s převodovkou.

U obou typů oběhů může být spotřebičem energie elektrický generátor, kompresor, čerpadlo, případně další zařízení.

-2 CZ 296199 B6

Příklad provedení vynálezu

Na obr. 1 je uvedeno schéma paroplynového zařízení s transformátorem tepla, které se skládá z vysokotlakové části 2 a nízkotlakové části 3 paroplynové turbíny, které jsou spojeny hřídelem a přes spojku se spotřebičem 4 mechanické energie, v tomto případě s elektrickým generátorem. Na generátor 1 paroplynové směsi je napojeno potrubí 11 paliva, potrubí 10 kyslíku a potrubí 12 vstřikovací vody. Paroplynové potrubí 13 spojuje generátor paroplynové směsi 1 s vysokotlakovou částí 2 paroplynové turbíny, která je spojena s vysokotlakovým prostorem teplosměnné stěny transformátoru 5 tepla. Tento prostor je kondenzátním potrubím 22 propojen s odvaděčem 7 kondenzátu, ohřívákem 6, čerpadlem 9 paroplynové části a generátorem 1 paroplynové směsi. Na vysokotlakový prostor teplosměnné stěny transformátoru 5 tepla navazuje potrubí 16 oxidu uhličitého. Přebytečná voda je odváděna prostřednictvím potrubí 17 odpouštěcí vody.

Na výše uvedenou vysokotlakovou část navazuje část nízkotlaková, která sestává z nízkotlakové části 3 paroplynové turbíny, která je spojena s kondenzátorem 18, který je spojen potrubím s čerpadlem 8 parní části a přes ohřívák 6, resp. výměník 14 tepla, který je odvodněn prostřednictvím nízkotlakového odvaděče 15 vody, s nízkotlakovým prostorem teplosměnné stěny transformátoru 5 tepla, který je propojen nízkotlakovým parním potrubím 21 se vstupem nízkotlakové části 3 paroplynové turbíny.

Na obr. 2 je nakreslen zjednodušený oběh paroplynového zařízení s transformátorem tepla, bez ohříváku 6 a výměníku 14 tepla, s vysokotlakovou částí 2 a nízkotlakovou částí 3 paroplynové turbíny, které jsou spojeny prostřednictvím převodovky 19.

Paroplynová turbína může být uspořádána i tím způsobem, že vysokotlaková část 2 paroplynové turbíny je spojena přímo, nebo přes převodovku 19 se spotřebičem 4 mechanické energie, nízkotlaková část paroplynové turbíny s ním může být spojena rovněž přímo, nebo přes převodovku.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Paroplynové zařízení s transformátorem tepla, v y z n a č u j í c í se t í m , že mezi výstup z vysokotlakové části (2) paroplynové turbíny a vstup do nízkotlakové části (3) paroplynové turbíny je zařazen transformátor (5) tepla, přičemž jeho vysokotlakový prostor teplosměnné stěny je jednak napojen potrubím na výstup vysokotlakové části (2) paroplynové turbíny, jednak na odváděči potrubí (16) oxidu uhličitého a jednak na potrubí, kterým je propojen s odvaděčem (7) kondenzátu, který je napojen přes čerpadlo (9) paroplynové části s odváděcím potrubím (17) vody a potrubím (12) s generátorem (1) paroplynové směsi, jenž je spojen potrubím (13) paroplynové směsi s vysokotlakovou částí (2) paroplynové turbíny, jejíž výfuk je zaústěn zpět do vysokotlakového prostoru teplosměnné stěny transformátoru (5) tepla, přičemž nízkotlakový prostor teplosměnné stěny transformátoru (5) tepla, je propojen nízkotlakovým parním potrubím (21) s odběrným zařízením a napájecím potrubím (20) s čerpadlem (8) parní části.
2. Paroplynové zařízení podle nároku 1,vyznačující se tím, že odběrné zařízení je tvořeno nízkotlakovou části (3) paroplynové turbíny, jejíž výfuk je spojen přes kondenzátor (18), čerpadlo (8) parní části a napájecí potrubí (20) rovněž s prostorem nízkotlakové plochy teplosměnné stěny transformátorem (5) tepla.
3. Paroplynové zařízení podle nároku 1,vyznačující se tím, že odběrné zařízení je představeno technologickým provozem, který je napojen nízkotlakovým parním potrubím (21) a napájecím potrubím (20) na transformátor (5) tepla.
4. Paroplynové zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že do napájecího potrubí (20) vstupní vody je zařazen alespoň jeden ohřívák (6), případně alespoň jeden výměník (14) tepla.
5. Paroplynové zařízení podle nároku 1,vyznačující se tím, že vysokotlaková část (2) paroplynové turbíny a nízkotlaková část (3) paroplynové turbíny je přímo spojena se spotřebičem (4) mechanické energie.
6. Paroplynové zařízení podle nároku 1,vyznačující se tím, že vysokotlaková část (2) paroplynové turbíny, případně i nízkotlaková část (3) paroplynové turbíny je spojena přes převodovku, nebo přímo se spotřebičem (4) mechanické energie.