CZ304338B6 - Integrovaný energetický zdroj s využitím odpadního tepla - Google Patents

Abstract

Turbínový zdroj (1) je opatřen propojovacím chladičem (22), přes který je k němu připojen motorový zdroj (2). Propojovací chladič (22) má pracovní vstup (5001) a pracovní výstup (5002) připojeny do chladicího okruhu (16) motorového zdroje (2), přičemž jeho pracovní vstup (5001) je připojen ke spojovacímu potrubí (21), v němž při provozním stavu cirkuluje motor-chladicí médium. Vodní vstup (2001) propojovacího chladiče (22) je připojen k vodnímu potrubí (13) pro vstřikovanou vodu. Vodní výstup (2002) propojovacího chladiče (22) je připojen na vodní vstupy (2001) směšovacích chladičů (5, 6) turbínového zdroje (1) buď přímo, nebo přes vodní ohřívák (29). V případě obsažení vodního ohříváku (29) je užitkový výměník (9) připojen v sérii za ním, nebo paralelně vůči němu.

Description

Integrovaný energetický zdroj s využitím odpadního tepla

Oblast techniky

Vynález se týká oblasti energetiky. Je vyřešen integrovaný energetický zdroj na bázi energetického okruhu plynové turbíny s nepřímým ohřevem, připojeného na motorový zdroj obsahující pístový spalovací motor opatřený vlastním chladicím okruhem, přičemž připojení motorového zdroje je vyřešeno tak, že na rozdíl od již známého připojení umožňuje navíc využít odpadní teplo z chladicího okruhu pístového motoru.

Dosavadní stav techniky

V současné době jako energetický zdroj často slouží motorový zdroj zahrnující pístový spalovací motor pro spalování plynných paliv, například zemního plynu, bioplynu, degazačního plynu nebo skládkového plynu. Pistovy' spalovací motor je v počtu jeden, nebo více, připojen k elektrickému generátoru. Tento motor má obvykle připojen chladicí okruh, v němž cirkuluje motor-chladicí médium, zpravidla kapalina, kterou tvoří obvykle voda nebo nemrznoucí směs. Chladicí okruh zahrnuje ke spalovacímu motoru připojený alespoň jeden vzduchový chladič, se vstupem pro motor-chladicí médium připojeným na adekvátní výstup spalovacího motoru přes spojovací potrubí, opatřené odbočkou s regulační dělicí armaturou pro regulaci průtoku a usměrnění toku buď do vzduchového chladiče a/nebo do odbočky, například ventilem. Výstup vzduchového chladiče pro motor-chladicí médium je připojen ke spalovacímu motoru přes čerpadlo, nazývané dále z důvodu potřeby odlišení jako chladicí čerpadlo. Motorový zdroj energie dále obsahuje plynový kanál pro odvod spalin, tj. výfukové potrubí. To je u větších zařízení opatřeno odvodním spalinovým potrubím připojeným ke komínu. Ke spalinovému potrubí pro proudění spalin bývá v úseku mezi spalovacím motorem a komínem paralelně připojen užitkový tepelný výměník sloužící pro užitečné využití tepla ze spalin, například ohřívák páry pro dodávku tepla, nebo ohřívák vody pro dodávku teplé vody. Nevýhodou uvedeného motorového zdroje je, že teplo chladicí kapaliny, která cirkuluje v chladicím okruhu, lze využít jen v ojedinělých případech a většinou se vyzařuje ze vzduchového chladiče do ovzduší. To proto, že chladicí kapalina cirkulující v chladicím okruhu má nízkou teplotu, protože v motorovém zdroji se ohřívá například z 80 °C na 90 °C. Další nevýhodou je značně omezená možnost využívat teplo odchozích spalin. To je možno využívat pro dodávku tepla nebo teplé vody v tepelném výměníku před komínem pouze podle lokálních podmínek, obvykle jen zčásti nebo pouze sezónně.

CZ PV 2007-340 popisuje flexibilní energetický systém s plynovou turbínou s nepřímým ohřevem, umožňující využití tepla odpadních spalin pro kogenerační výrobu elektřiny a tepla. Je popsán okruh, který obsahuje plynovou turbínu s nepřímým ohřevem pracovního média, kterým je paroplynová směs, nejčastěji směs vytvořená ze vzduchu dodávaného kompresorem a z páry vznikající odpařením vstřikované vody. Dále tento okruh obsahuje ohřívák pracovního média tvořený tepelným výměníkem, v němž se pracovní médium ohřívá na pracovní teplotu teplem odpadních spalin. Dále je obsažen regenerativní výměník pro využití tepla vystupujícího pracovního média z plynové turbíny. Jsou obsaženy také výměníky tepla pro předehřev vstřikované vody teplem odchozího pracovního média, vstřikové chladiče a nutné armatury a spojovací potrubí. Plynová turbína je spřažena s kompresorem, majícím vstup na sací potrubí a výstup na směšovací chladič. Ten je připojen na regenerační výměník. Plynová turbína má svůj vstup paroplynové směsi připojen na paroplynový ohřívák, sloužící pro ohřev paroplynové směsi, jenž je připojen k výstupu z regeneračního výměníku, a jenž má spalinový vstup i spalinový výstup připojeny na odvod spalin z tohoto okruhu, například do komína. Plynová turbína má současně výstup paroplynové směsi připojen na výše již zmíněný regenerační výměník.

CZ PV 2007-340 obsahuje také detailní vyobrazení zapojení popisovaného systému. Z obsaženého popisu a vyobrazení je z CZ PV 2007-340 znám integrovaný energetický zdroj s využitím

- 1 CZ 304338 B6 odpadního tepla, zahrnující alespoňjeden turbínový zdroj a alespoňjeden motorový zdroj, z čehož turbínový zdroj obsahuje plynovou turbínu typu s nepřímým ohřevem, kompresor, dva směšovací chladiče s vodním vstupem, vzduchovým vstupem a paroplynovým výstupem, regenerační výměník se dvěma paroplynovými vstupy a dvěma paroplynovými výstupy, paroplynový ohřívák pro ohřev paroplynové směsi s paroplynovým vstupem a paroplynovým výstupem a spalinovým vstupem a spalinovým výstupem a užitkový výměník pro odvod tepla ze systému k užitečnému využití, s paroplynovým vstupem a paroplynovým výstupem. Je ukázána plynová turbína mající paroplynový vstup a paroplynový výstup, která je spřažena s kompresorem, majícím vzduchový vstup připojený na sací potrubí a vzduchový výstup připojený na vzduchový vstup prvního směšovacího chladiče, přičemž první směšovací chladič má paroplynový výstup připojený na první paroplynový vstup regeneračního výměníku, regenerační výměník má první paroplynový výstup připojený přes druhý směšovací chladič na paroplynový vstup paroplynového ohříváku, paroplynový ohřívák má paroplynový výstup připojený na paroplynový vstup plynové turbíny. Plynová turbína má paroplynový výstup připojený na druhý paroplynový vstup regeneračního výměníku, regenerační výměník má druhý paroplynový výstup připojený na paroplynový vstup užitkového výměníku a paroplynový ohřívák má spalinový vstup a spalinový výstup, připojené paralelně na spalinové potrubí motorového zdroje. První i druhý směšovací chladič mají oba svůj vodní vstup připojen na vstřikovací potrubí, navazující na vodní potrubí pro přivádění vstřikované vody. Motorový zdroj integrovaného energetického zdroje podle CZ PV 2007-340 obsahuje v příkladném provedení pístový spalovací motor se spalinovým vývodem připojeným na spalinové potrubí ústící do komína, přičemž spalovací motor má pracovní vstup a pracovní výstup pro motor-chladicí médium, k nimž má připojen vlastní chladicí okruh. Tento chladicí okruh obsahuje vzduchový chladič s pracovním vstupem a pracovním výstupem pro motor-chladicí médium, alespoň jednu regulovatelnou první dělicí armaturu s odbočkou a chladicí čerpadlo. Spalovací motor má pracovní výstup pro motor-chladicí médium připojen prostřednictvím spojovacího potrubí přes první dělicí armaturu na pracovní vstup vzduchového chladiče, vzduchový chladič má pracovní výstup pro motor-chladicí médium připojen přes chladicí čerpadlo na pracovní vstup spalovacího motoru a odbočka je zaústěna za vzduchový chladič, uvažováno ve směru průchodu motorchladicího média. Výše uvedená připojení prvků integrovaného energetického zdroje jsou provedena prostřednictvím potrubí pro příslušná média.

Nevýhodou energetického okruhu podle CZ PV 2007-340 je, že neumožňuje využívat odpadní teplo z chladicího okruhu pístového motoru.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nevýhody odstraňuje ve značné míře vynález. Je navržen nový, výhodnější, integrovaný energetický zdroj s využitím odpadního tepla, uspořádaný na bázi vůči sobě navzájem připojených dvou energetických zdrojů turbínového zdroje a motorového zdroje. Integrovaný energetický zdroj s využitím odpadního tepla zahrnuje alespoň jeden turbínový zdroj a alespoň jeden motorový zdroj. Z toho turbínový zdroj obsahuje plynovou turbínu typu s nepřímým ohřevem, kompresor, dva směšovací chladiče mající každý vodní vstup pro vodu a paroplynový výstup pro paroplynovou směs. Kromě vodního vstupu a paroplynového výstupu obsahuje první směšovací chladič ještě vzduchový vstup a druhý směšovací chladič obsahuje paroplynový vstup. Turbínový zdroj obsahuje dále regenerační výměník se dvěma paroplynovými vstup a dvěma paroplynovými výstupy pro paroplynovou směs, paroplynový ohřívák pro ohřev paroplynové směsi s paroplynovým vstupem a paroplynovým výstupem pro paroplynovou směs a spalinovým vstupem a spalinovým výstupem pro spaliny z motoru, a dále obsahuje alespoň jeden užitkový výměník pro odvod tepla ze systému k užitečnému využití, s paroplynovým vstupem a paroplynovým výstupem pro paroplynovou směs. Plynová turbína turbínového zdroje má paroplynový vstup a paroplynový výstup pro paroplynovou směs aje mechanicky spřažena s kompresorem, jenž má vzduchový vstup pro vzduch, připojený na sací potrubí, a dále má vzduchový výstup pro vzduch, připojený na vzduchový vstup prvního směšovacího chladiče. Zapojení prvků turbínového zdroje je následující. První směšovací chladič turbínového zdroje má paroplynový výstup

-2 CZ 304338 B6 připojen na první paroplynový vstup regeneračního výměníku, regenerační výměník má první paroplynový výstup připojen přes druhý směšovací chladič na paroplynový vstup paroplynového ohříváku, paroplynový ohřívák má paroplynový výstup připojen na paroplynový vstup plynové turbíny. Plynová turbína má paroplynový výstup připojen na druhý paroplynový vstup regeneračního výměníku. Regenerační výměník má druhý paroplynový výstup připojen na paroplynový vstup užitkového výměníku. Paroplynový ohřívák má spalinový vstup a spalinový výstup připojeny paralelně na spalinové potrubí motorového zdroje. První i druhý směšovací chladič mají oba svůj vodní vstup připojen na vstřikovací potrubí, navazující na vodní potrubí pro přivádění vstřikované vody z vodního zdroje. Druhý energetický zdroj integrovaného energetického zdroje, motorový zdroj, obsahuje pístový spalovací motor se spalinovým výstupem pro vyvíjení spaliny, takzvaným výfukem, připojeným na spalinové potrubí ústící do komína. Tento spalovací motor má na svůj pracovní vstup a pracovní výstup pro motor-chladicí médium připojen vlastní chladicí okruh. Vlastní chladicí okruh spalovacího motoru obsahuje vzduchový chladič s pracovním vstupem a pracovním výstupem pro motor-chladicí médium, alespoň jednu regulovatelnou první dělicí armaturu s odbočkou a chladicí čerpadlo. Jako dělicí armatura se dále z důvodu odlišení nazývá každá regulační armatura typu pro rozdělení toku média zjednoho potrubí do dvou různých větví potrubí, a/nebo ke změně toku média do jedné nebo do druhé větve rozděleného potrubí. Může to být například větvící regulační ventil, řízená soustava uzávěrů nebo škrticích klapek na jednotlivých větvích, apod. Chladicí okruh spalovacího motoru má následující zapojení prvků. Spalovací motor má pracovní výstup připojen prostřednictvím potrubí, dále nazývaného z důvodu odlišení od jiných potrubí v systému jako spojovací potrubí, přes první dělicí armaturu na pracovní vstup vzduchového chladiče. Vzduchový chladič má pracovní výstup pro motorchladicí médium připojený přes chladicí čerpadlo na pracovní vstup spalovacího motoru a odbočka je zaústěna za vzduchový chladič, uvažováno ve směru průchodu motor-chladicího média. Výše uvedená připojení prvků integrovaného energetického zdroje jsou provedena prostřednictvím potrubí pro příslušná média. Podstatou nového řešení je, že turbínový zdroj je opatřen propojovacím chladičem, majícím pracovní vstup a pracovní výstup pro motor-chladicí médium a vodní vstup a vodní výstup pro vodu a je připojen k motorovému zdroji přes tento propojovací chladič. Uvedené připojení je provedeno následovně. Pracovní vstup a pracovní výstup propojovacího chladiče jsou připojeny do chladicího okruhu motorového zdroje. Vodní vstup propojovacího chladiče je připojen k vodnímu potrubí pro vstřikovanou vodu. Detaily optimálního připojení do chladicího okruhu a alternativy připojení vodního výstupu propojovacího chladiče jsou pak podrobně popsány níže.

Propojovací chladič má svůj pracovní vstup pro motor-chladicí médium s výhodou připojen na spojovací potrubí, jež propojuje pracovní výstup z motoru s pracovním vstupem vzduchového chladiče. Číslování armatur jako první nebo druhá je dále uvedeno pouze z důvodu odlišení těchto armatur při čtení v textu a na obrázcích a není míněno jako pořadí jejich umístění, ani jako dimenzace počtu kolik má být těchto armatur celkem v zařízení. Samozřejmě se má za to, že kromě zde jmenovitě uvedených armatur existují další armatury stejného nebo podobného druhu v zařízení na obvyklých místech tak, jak je obvyklé.

Integrovaný energetický zdroj s využitím odpadního tepla podle vynálezu má následující tři alternativy připojení vodního výstupu propojovacího chladiče. První z nich je alternativa, že propojovací chladič má svůj vodní výstup připojen prostřednictvím vstřikovacího potrubí přímo k vodním vstupům směšovacích chladičů turbínového zdroje. Jedná se o alternativu z hlediska počtu prvků jednodušší.

Druhá a třetí výhodná alternativa jsou následující. Jedná se o výhodné alternativy, při nichž má regenerační výměník na svůj druhý paroplynový výstup připojen vodní ohřívák pro ohřev vstřikované vody, mající paroplynový vstup a paroplynový výstup a vodní vstup a vodní výstup. Při vložení tohoto vodního ohříváku do okruhu turbínového zdroje je pro druhou a třetí alternativu společné, že propojovací chladič má s výhodou svůj vodní výstup připojen na vodní vstup vodního ohříváku a vodní výstup vodního ohříváku je připojen prostřednictvím vstřikovacího potrubí

-3 CZ 304338 B6 k vodním vstupům směšovacích chladičů turbínového zdroje, přičemž na druhý paroplynový výstup regeneračního výměníku je připojen paroplynový vstup vodního ohříváku.

Druhá alternativa představuje řešení, při němž je užitkový výměník připojen v sérii za vodní ohřívák. Tj. užitkový výměník má paroplynový vstup připojen k paroplynovému výstupu vodního ohříváku.

Třetí alternativa představuje řešení, při němž jsou užitkový výměník a vodní ohřívák připojeny paralelně. Užitkový výměník a vodní ohřívák mají paroplynové vstupy propojeny a propojeny jsou i paroplynový výstup užitkového výměníku a vodního ohříváku.

Integrovaný energetický zdroj podle vynálezu je využitelný zejména jako energetický systém k výrobě elektřiny. Jeho hlavní výhoda spočívá v tom, že umožňuje využívat nejen teplo odpadních spalin z motorového zdroje, ale i část odpadního tepla z chladicího okruhu motorového zdroje.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález je objasněn pomocí výkresů, kde znázorňují obrázky nej lepší provedení vynálezu, z toho obr. 1 první variantu příkladného integrovaného energetického zdroje, u níž má propojovací chladič svůj vodní výstup připojen přímo k vodním vstupům směšovacích chladičů turbínového zdroje, obr. 2 druhou variantu příkladného integrovaného energetického zdroje, u níž je mezi vodní výstup propojovacího chladiče a vodní vstupy směšovacích chladičů turbínového zdroje připojen vodní ohřívák, připojený současně k paroplynovému výstupu regeneračního výměníku a mající v sérii připojený užitkový výměník, obr. 3 třetí variantu příkladného integrovaného energetického zdroje, u nížje mezi vodní výstup propojovacího chladiče a vodní vstupy směšovacích chladičů turbínového zdroje zapojen vodní ohřívák, připojený současně k paroplynovému výstupu regeneračního výměníku a mající paralelně připojený užitkový výměník a obr. 4. A až D varianty dalších možných připojení pracovního vstupu a pracovního výstupu propojovacího chladiče ke chladicímu okruhu spalovacího motoru.

Příklady provedení vynálezu

Příklad 1

Názorným příkladem provedení vynálezu je integrovaný energetický zdroj s využitím odpadního tepla podle obr. 1.

Integrovaný energetický zdroj s využitím odpadního tepla zahrnuje dva energetické okruhy, a to turbínový zdroj i energie a motorový zdroj 2 energie.

Turbínový zdroj 1 zahrnuje plynovou turbínu 3 typu s nepřímým ohřevem, kompresor 4, dva směšovací chladiče 5, 6, regenerační výměník 7, paroplynový ohřívák 8 pro ohřev paroplynové směsi a užitkový výměník 9 pro odvod tepla ze systému k užitečnému využití. Pro srozumitelnost jsou u jednotlivých prvků uvedeny a označeny vstupy a výstupy vesměs podle druhu procházejícího média, což je v případě názvů provedeno přídavným jménem odvozeným z druhu média a v případě značení provedeno čtyřmístným číslem, kde první číslo ze čtveřice ukazuje na druh média a poslední ukazuje, zda jde o vstup nebo výstup. Předposlední číslo ve čtveřici označuje v případě výskytu dvojice, zda se jedná o první nebo druhý prvek adekvátně k textu popisu. Plynový turbína 3 má paroplynový vstup 1001 a paroplynový výstup 1002. Směšovací chladiče 5, 6 mají každý jeden vodní vstup 2001 a jeden paroplynový výstup 1002. První směšovací chladič 5 má kromě toho vzduchový vstup 3001. zatímco druhý směšovací chladič 6 má paroplynový vstup

-4CZ 304338 B6

1001. Regenerační výměník 7 má dva paroplynové vstupy 1011, 1021 a dva paroplynové výstupy 1012, 1022. Paroplynový ohřívák 8 pro ohřev paroplynové směsi má paroplynový vstup 1001 a paroplynový výstup 1002 a spalinový vstup 4001 a spalinový výstup 4002. Užitkový výměník 9, pro odvod tepla ze systému k užitečnému využití, má paroplynový vstup 1001 a paroplynový výstup 1002. Zapojení těchto prvků turbínového zdroje 1 je provedeno následovně. Plynová turbína 3 je mechanicky, prostřednictvím hřídele 10, spřažena s kompresorem 4, jenž má vzduchový vstup 3001 připojený na sací potrubí JJ_ a vzduchový výstup 3002 připojený na vzduchový vstup 3001 prvního směšovacího chladiče 5. První směšovací chladič 5 má paroplynový výstup 1002 připojený na první paroplynový vstup 1011 regeneračního výměníku 7. Regenerační výměník 7 má první paroplynový výstup 1012 připojený na paroplynový vstup 1001 druhého směšovacího chladiče 6, a ten má paroplynový výstup 1002 připojený na paroplynový vstup 1001 paroplynového ohříváku 8. Paroplynový ohřívák 8 má paroplynový výstup 1002 připojený na paroplynový vstup 1001 plynové turbíny 3. Plynová turbína 3 má paroplynový výstup 1002 připojený na druhý paroplynový vstup 1021 regeneračního výměníku 7. Regenerační výměník 7 má druhý paroplynový výstup 1022 připojený na paroplynový vstup 1001 užitkového výměníku 9. Paroplynový ohřívák 8 má spalinový vstup 4001 a spalinový výstup 4002 připojeny paralelně na spalinové potrubí 12 motorového zdroje 2. První i druhý směšovací chladič 5, 6 mají oba svůj vodní vstup

2001 připojen na vstřikovací potrubí 28, navazující na vodní potrubí 13 pro přivádění vstřikované vody.

Motorový zdroj 2 zahrnuje pístový spalovací motor 14 se spalinovým výstupem 4002, výfukem, připojeným na spalinové potrubí 12 ústící do komína 15. Spalovací motor 14 má na svůj pracovní vstup 5001 a pracovní výstup 5002 pro motor-chladicí médium připojen vlastní chladicí okruh 16. Tento chladicí okruh 16 obsahuje vzduchový chladič Π s pracovním vstupem 5001 a pracovním výstupem 5002 pro motor-chladicí médium a alespoň jednu regulovatelnou první dělicí armaturu JJ s odbočkou 19. Je zde také zařazena pohonná jednotka média, mající podobu chladicího čerpadla 20, jež je zde takto nazváno pro odlišení, z důvodu příslušnosti do chladicího okruhu 16. Spalovací motor 14 má pracovní výstup 5002 pro motor-chladicí médium připojený prostřednictvím spojovacího potrubí 21 přes první dělicí armaturu J_8 na pracovní vstup 5001 vzduchového chladiče 17. Vzduchový chladič 17 má pracovní výstup 5002 pro motor-chladicí médium připojený přes chladicí-čerpadlo 20 na pracovní vstup 5001 spalovacího motoru 14. Odbočka 19 je zaústěna prvním koncem ve spojovacím potrubí 21 před vzduchový chladič 17 a druhým koncem za vzduchový chladič 17, uvažováno ve směru průchodu motor-chladicího média.

Turbínový zdroj 1 je opatřen propojovacím chladičem 22. Ten má jednak pracovní vstup 5001 a pracovní výstup 5002 pro motor-chladicí médium, a jednak vodní vstup 2001 a vodní výstup

2002 pro vstřikovanou vodu. Propojení obou zdrojů 1, 2 je provedeno přes tento propojovací chladič 22. Pracovní vstup 5001 a pracovní výstup 5002 propojovacího chladiče 22 pro motorchladicí médium jsou připojeny do chladicího okruhu J_6 motorového zdroje 2. Vodní vstup 2001 propojovacího chladiče 22 je připojen k vodnímu potrubí 13 pro vstřikovanou vodu. Připojení propojovacího chladiče 22 do chladicího okruhu 16 motorového zdroje 2 je uskutečněno následovně.

Propojovací chladič 22 má svůj pracovní vstup 5001 a pracovní výstup 5002 pro motor-chladicí médium připojeny prostřednictvím pracovního potrubí 23 paralelně na potrubní úsek chladicího okruhu 16, již výše z důvodu možnosti odlišení nazvaný jako spojovací potrubí 21. Jako spojovací potrubí 21 se zde rozumí výhradně jen potrubní úsek pro motor-chladicí médium, propojující pracovní výstup 5002 ze spalovacího motoru 14 s pracovním vstupem 5002 vzduchového chladiče 17. Spojovací potrubí 21 je v úseku mezi pracovním výstupem 5002 spalovacího motoru 14 a první dělicí armaturou 18 opatřeno regulovatelnou primární uzavírací armaturou 24 a pracovní vstup 5001 propojovacího chladiče 22 je připojen ke spojovacímu potrubí 21 mezi pracovním výstupem 5002 spalovacího motoru 14 a primární uzavírací armaturou 24, přičemž pracovní výstup 5002 propojovacího chladiče 22 je připojen ke spalovacímu potrubí 21 mezi primární uzavírací armaturou 24 a první dělicí armaturou 18.

-5CZ 304338 B6

Propojovací chladič 22 má přívodní a odvodní pracovní potrubí 23 pro motor-chladicí médium navzájem propojeny obtokovým potrubím 25, opatřeným regulovatelnou druhou dělicí armaturou 26. Přívodní a odvodní pracovní potrubí 23 propojovacího chladiče 22 je současně opatřeno regulovatelnými sekundárními uzavíracími armaturami 27.

Výhodou takového provedení integrovaného zdroje je i to, že integrovaný zdroj lze provozovat i při vyřazení propojovacího chladiče 22 z provozu při zachovaném vstřikování vody do směšovacích chladičů 5, 6 turbínového zdroje i. Propojovací chladič 22 může být vyřazen z provozu dvojím způsobem. Uzavřou se sekundární uzavírací armatury 27 v přívodním a odvodním pracovním potrubí 23 motor-chladicího média a otevře se primární uzavírací armatura 24 ve spojovacím potrubí 21. Vodní potrubí 13 vstřikované vody je připojeno k propojovacímu chladiči 22, voda propojovacím chladičem 22 protéká, ale neohřívá se.

Jiná možnost, neznázoměná na obrázcích je, že se propojovací chladič 22 demontuje, například z důvodu opravy. Pak se opět uzavřou sekundární uzavírací armatury 27 a otevře se primární uzavírací armatura 24. Vodná potrubí 13 vstřikované vody se odpojí od vodního vstupu 2001 a vodního výstupu 2002 propojovacího chladiče 22 a zkratuje se náhradním potrubím. Přes vodní potrubí 13 vstřikovaná voda protéká, ale v propojovacím chladiči 22 se neohřívá.

Na obr. 1 předvedená alternativa integrovaného energetického zdroje se od následujících alternativ liší v tom, že propojovací chladič 22 má svůj vodní výstup 2002 připojen, prostřednictvím vstřikovacího potrubí 28 pro vstřikovanou vodu, přímo k vodním vstupům 2001 směšovacích chladičů 5, 6 turbínového zdroje 1. Na druhý paroplynový výstup 1022 regeneračního výměníku 7 je připojen užitkový výměník 9 pro užitečné využití získaného tepla, například pro ohřev užitkové vody, pro topení v budovách apod.

Vstupní energii pro motorový zdroj 2 u tohoto příkladného provedení integrovaného energetického zdroje dodává palivo, přiváděné do spalovacího motoru 14. Vstupní energii pro připojený turbínový zdroj i dodává teplo odpadních spalin ze spalovacího motoru 14. Zařízení může obsahovat i dva nebo více spalovacích motorů 14, výsledkem je větší produkce elektřiny. V takovém případě je propojovací chladič 22 připojen alespoň k jednomu ze spalovacích motorů 14. V případě, že propojovacími chladiči 22 je vybaveno několik z obsažených spalovacích motorů 14 nebo všechny, tak propojovací chladiče 22 jsou na straně motor-chladicího média připojeny paralelně nebo v sérii. Při provozu zařízení jsou spaliny ze spalovacího motoru 14 odváděny spalinovým potrubím 12 do paroplynového ohříváku 8. V něm se větší část odpadního tepla využije pro ohřev paroplynové směsi na pracovní teplotu plynové turbíny 3, do níž se paroplynová směs z paroplynového ohříváku 8 přivádí. Předáváním tepla paroplynové směsi se spaliny v paroplynovém ohříváku 8 ochlazují a po ochlazení se odvádějí do komína j_5. Připojovacími místy mezi turbínovým zdrojem 1 a motorovým zdrojem 2 jsou tedy paroplynový ohřívák 8 připojený jak je známo z dosavadního stavu a nově obsažený a podle vynálezu připojený propojovací chladič 22. Paroplynová směs pro pohon plynové turbíny 3 se připravuje ve směšovacích chladičích 5, 6. V prvním směšovacím chladiči 5 vznikne tato směs smísením vzduchu, který se přivádí z kompresoru 4 a vody, která se přivádí vstřikovacím potrubím 28. Množství vstřikované vody se reguluje tak, aby se teplota paroplynové směsi na paroplynovém vstupu 1001 regeneračního výměníku 7 snížila na požadovanou hodnotu, která by měla být co nejnižší, ale vyšší než saturační teplota vodní páry ve směsi. Ve druhém směšovacím chladiči 6 vznikne tato směs smísením již ohřáté paroplynové směsi z regeneračního výměníku 7 a vody, která se přivádí vstřikovacím potrubím 28. Množství vstřikované vody se reguluje tak, aby se teplota paroplynové směsi na paroplynovém vstupu 1001 paroplynového ohříváku 8 snížila na požadovanou hodnotu, která by rovněž měla být co nejnižší, ale vyšší než saturační teplota vodní páry ve směsi. Snížením teploty paroplynové směsi na paroplynovém vstupu 1001 regeneračního výměníku 7 a paroplynovém vstupu 1001 paroplynového ohříváku 8 se zvýší teplotní spád těchto zařízení, což povede ke zmenšení jejich teplosměnné plochy. Také se tím zvýší podíl páry v paroplynové směsi na paroplynovém vstupu 1001 plynové turbíny 3, čímž se zvýší její výkon. Vstřikovaná voda z vodního zdroje, například odebíraná, z vodní nádrže 30, je poháněna vodním čerpadlem 31 a dodávána

-6CZ 304338 B6 přes vodní potrubí 13 do propojovacího chladiče 22. Zde se ohřeje odpadním teplem chladicího okruhu 16 na co nejvyšší možnou teplotu, a takto ohřátá se vstřikovacím potrubím 28 vede do směšovacích chladičů 5, 6. Při vyšší teplotě vstřikované vody se zvýší množství vody vstřikované do směšovacích chladičů 5, 6, a zvýší se i podíl páry v paroplynové směsi na paroplynovém vstupu 1001 plynové turbíny 3. Motor-chladicí směs chladicího okruhu 16 se chladicím čerpadlem 20 po uzavření primární uzavírací armatury 24 a otevření sekundárních uzavíracích armatur 27 dopravuje přes propojovací chladič 22 dále do vzduchového chladiče J/7. Pokud je tepelný výkon propojovacího chladiče 22 nižší než požadovaný chladicí výkon chladicího okruhu 16, tak potřebný chybějící chladicí výkon zajišťuje vzduchový chladič 17. Pokud je tepelný výkon propojovacího chladiče 22 vyšší než požadovaný chladicí výkon chladicího okruhu 16, tak potřebný chladicí výkon chladicího okruhu 16 zajišťuje propojovací chladič 22, přičemž vzduchový chladič 12 je mimo provoz. Teplo odpadní paroplynové směsi přiváděné od paroplynového výstupu 1002 plynové turbíny 3 se částečně využívá v regeneračním výměníku 7 pro předehřev paroplynové směsi před paroplynovým ohřívákem 8 a po ochlazení v regeneračním výměníku 7 se odpadní paroplynová směs přivádí do užitkového výměníku 9 pro dodávku tepla, v němž se využije její zbytkové teplo. Odpadní paroplynová směs se následně vychlazuje na saturační teplotu vodní páry a odfukuje do ovzduší. Vznikající kondenzát se svádí do vodní nádrže 30 a vrací se tak do okruhu vstřikované vody pro směšovací chladiče 5, 6. Voda se přídavně doplňuje a případně chemicky upravuje obvyklým způsobem.

Toto uspořádání zařízení je vhodné pro případ, kdy tepelný výkon užitkového výměníku 9 pro dodávku teplaje trvalý, to je nemá sezónní charakter, a zajistí ochlazení zněj odcházející paroplynové směsi před místem její kondenzace na teplotu blízkou nebo nižší, než je saturační teplota paroplynové směsi. Vychází se z toho, že u kondenzačního zařízení, jež je připojeno jako poslední zařízení za užitkovým výměníkem 9, se již neuvažuje s využitím zbytkového tepla paroplynové směsi, ale požaduje se snížení teploty paroplynové směsi před odfukem do ovzduší pod saturační teplotu paroplynové směsi, tak aby se odseparovalo co nejvíce kondenzátu a snížily se tak provozní náklady na dodávku a úpravu dodávané přídavné vody. Po předehřev vstřikované vody lze v tomto případě s výhodou využít odpadní teplo z chladicího okruhu 16, a to v propojovacím chladiči 22. Při vyšší teplotě vstřikované vody se zvýší koncentrace vodní páry v paroplynové směsi před plynovou turbínou 3 a zvýší se tak čistá účinnost transformace vstupní energie spalovacího paliva na energii elektrickou.

Obr. 4 A až D demonstruje varianty dalších možných připojení pracovního vstupu 5001 a pracovního výstupu 5002 propojovacího chladiče 22 ke chladicímu okruhu 16 spalovacího motoru 14.

Na obr. 4A předvedená alternativa se od provedení na obr. 1 odlišuje v tom, že druhá dělicí armatura 26 je umístěna přímo ve spojovacím potrubí 21, chybí obtokové potrubí 25 a primární uzavírací armatura 24.

Na obr. 4B předvedená alternativa se od provedení na obr. 1 liší v tom, že propojovací chladič 22 a vzduchový chladič 17 jsou řazeny paralelně tak, že propojovací chladič 22 je zařazen před vzduchovým chladičem 17.

Na obr. 4C předvedené provedení se od provedení na obr. 4B liší v tom, že propojovací chladič 22 je zařazen za vzduchovým chladičem J/7.

Na obr. 4D předvedená alternativa se od předchozích provedení liší tím, že propojovací chladič 22 je zařazen v sérii před vzduchovým chladičem 17.

-7CZ 304338 B6

Příklad 2

Jiným příkladem provedení vynálezu je integrovaný energetický zdroj s využitím odpadního tepla podle obr. 2.

Na obr. 2 předvedená alternativa integrovaného energetického zdroje se od předchozí alternativy liší v tom, že regenerační výměník 7 má na svůj druhý paroplynový výstup 1022 navíc připojen vodní ohřívák 29 pro ohřev vstřikované vody. Tento vodní ohřívák 29 obsahuje paroplynový vstup 1001 a paroplynový výstup 1022 a vodní vstup 2001 a vodní výstup 2002, připojené následovně. Propojovací chladič 22 má svůj vodní výstup 2002 připojen na vodní vstup 2001 vodního ohříváku 29 a vodní výstup 2002 vodního ohříváku 29 je připojen, prostřednictvím vstřikovacího potrubí 28, k vodním vstupům 2001 směšovacích chladičů 5, 6 turbínového zdroje i. Na druhý paroplynový výstup 1022 regeneračního výměníku 7 je připojen paroplynový vstup 1001 vodního ohříváku 29. Užitkový výměník 9 má paroplynový vstup 1001 připojen k paroplynovému výstupu 1002 vodního ohříváku 29. Užitkový výměník 9 je u této varianty provedení tedy připojen v sérii za vodním ohřívákem 29.

Vstupní energii pro motorový zdroj 2 dodává palivo, přiváděné do spalovacího motoru 14, případně do více spalovacích motorů j_4 motorového zdroje 2. Vstupní energii pro připojený turbínový zdroj i opět dodává teplo odpadních plynů ze spalovacího motoru 14 motorového zdroje 2. Připojovacími místy motorového zdroje 2 a turbínového zdroje i jsou opět propojovací chladič 22 a paroplynový ohřívák 8. Vstřikovaná voda je odebírána z vodní nádrže 30 a dopravována vodním čerpadlem 31 přes napájecí vodní potrubí 13 do propojovacího chladiče 22. Zde se ohřeje odpadním teplem chladicího okruhu J_6 spalovacího motoru J4 na co nejvyšší možnou teplotu. Od propojovacího chladiče 22 je takto předehřátá vstřikovaná voda přiváděna do vodního ohříváku 29, kde se dále ohřívá teplem odpadní paroplynové směsi vystupující z regeneračního výměníku 7 na výstupní teplotu. Takto ohřátá voda se vstřikovacím potrubím 28 vede do směšovacích chladičů 5, 6. Při uspořádání zařízení podle tohoto příkladu se na vodním vstupu 2001 do směšovacích chladičů 5, 6 dosáhne nejvyšší možná teplota, a tedy i všechny výhody popsané u předchozího příkladu provedení.

Toto uspořádání je vhodné zejména pro případ, když odběr tepla z užitkového výměníku 9 pro dodávku tepla má sezónní charakter, nebo je jeho tepelný výkon tak nízký, že se nedosáhne vychlazení paroplynové směsi odcházející z užitkového výměníku 9 na co nejnižší teplotu. Toto zapojení preferuje elektrárenský provoz, kogenerační provoz je možný, ale dodávka teplaje limitována teplotou paroplynové směsi na výstupu z vodního ohříváku 29.

Příklad 3

Dalším příkladem provedení vynálezu je integrovaný energetický zdroj s využitím odpadního tepla podle obr. 3.

Na obr. 3 předvedená alternativa se od předchozí alternativy se liší v tom, že regenerační výměník 7 má na svůj druhý paroplynový výstup 1022 navíc připojen vodní ohřívák 29 pro ohřev vstřikované vody s paralelně připojeným užitkovým výměníkem 9. Také tento vodní ohřívák 29 obsahuje paroplynový vstup 1001 a paroplynový výstup 1022 a vodní vstup 2001 a vodní výstup 2002. Propojovací chladič 22 má svůj vodní výstup 2002 připojen na vodní vstup 2001 vodního ohříváku 29 a vodní výstup 2002 vodního ohříváku 29 je připojen, prostřednictvím vstřikovacího potrubí 28, k vodním vstupům 2001 směšovacích chladičů 5, 6 turbínového zdroje 1. Na druhý paroplynový výstup 1022 regeneračního výměníku 7 je připojen paroplynový vstup 1001 vodního ohříváku 29. Užitkový výměník 9 má paroplynový vstup 1001 připojen k paroplynovému vstupu 1001 vodního ohříváku 29. Paroplynový výstup 1001 užitkového výměníku 9 je připojen k paroplynovému výstupu 1002 vodního ohříváku 29. Užitkový výměník 9 je u na obr. 3 předve-8CZ 304338 B6 děné varianty provedení připojen paralelně k vodnímu ohříváku 29 a alternativně je možné i provedení, že vodní ohřívák 29 je paralelně připojen k užitkovému výměníku 9.

Vstupní energii pro toto příkladné provedení integrovaného energetického zdroje dodává opět palivo přiváděné do spalovacího motoru 14, případně do více spalovacích motorů 14, motorového zdroje 2. Energii pro připojený turbínový zdroj I opět dodává teplo odpadních plynů ze spalovacího motoru 14. Připojovacími místy motorového zdroje 2 a turbínového zdroje 1 jsou opět propojovací chladič 22 a paroplynový ohřívák 8. Vstřikovaná voda, odebíraná z vodní nádrže 30 a dopravovaná napájecím vodním potrubím 13 do propojovacího chladiče 22 se opět, po předehřevu odpadním teplem z chladicího okruhu 16 spalovacího motoru 14, v propojovacím chladiči 22 dále ohřívá na nejvyšší možnou teplotu. Tento ohřev se uskutečňuje ve vodním ohříváku 29 odpadním teplem paroplynové směsi, odváděné z regeneračního výměníku 7. Odpadní teplo paroplynové směsi odváděné z regeneračního výměníku 7 se využije buď k ohřevu vstřikované vody ve vodním ohříváku 29, a to na nejvyšší možnou teplotu pro směšovací chladiče 5, 6, nebo se využije pro ohřev topné vody v užitkovém výměníku 9 pro dodávku tepla. Je také možno současně část odpadního tepla paroplynové směsi odváděné z regeneračního výměníku 7 využít k dohřevu vstřikované vody ve vodním ohříváku 29 na nejvyšší možnou teplotu, a další část zbývajícího tepla využít pro ohřev topné vody pomocí užitkového výměníku 9 pro dodávku tepla.

Toto uspořádání zařízení umožňuje preferovat podle potřeby elektrárenský provoz, přičemž kogenerační provoz je také možný, dodávka tepla se řídí podle potřeby. Je proto vhodné pro lokality se sezónním a proměnlivým odběrem tepla.

Claims (6)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Integrovaný energetický zdroj s využitím odpadního tepla, zahrnující alespoň jeden turbínový zdroj (1) a alespoň jeden motorový zdroj (2), z čehož turbínový zdroj (1) obsahuje plynovou turbínu (3) typu s nepřímým ohřevem, kompresor (4), dva směšovací chladiče (5, 6) s vodním vstupem (2001) a paroplynovým výstupem (1002), první směšovací chladič (5) kromě toho se vzduchovým vstupem (3001) a druhý směšovací chladič (6) s paroplynovým vstupem (1001), regenerační výměník (7) se dvěma paroplynovými vstupy (1011, 1021) a dvěma paroplynovými výstupy (1012, 1022), paroplynový ohřívák (8) pro ohřev paroplynové směsi s paroplynovým vstupem (1001) a paroplynovým výstupem (1002) a spalinovým vstupem (4001) a spalinovým výstupem (4002) a užitkový výměník (9) pro odvod tepla ze systému k užitečnému využití, s paroplynovým vstupem (1001) a paroplynovým výstupem (1002), kde plynová turbína (3) má paroplynový vstup (1001) a paroplynový výstup (1002) a je mechanicky spřažena s kompresorem (4), jenž má vzduchový vstup (3001) připojený na sací potrubí (11) a vzduchový výstup (3002) připojený na vzduchový vstup (3001) prvního směšovacího chladiče (5), přičemž první směšovací chladič (5) má paroplynový výstup (1002) připojený na první paroplynový vstup (1011) regeneračního výměníku (7), regenerační výměník (7) má první paroplynový výstup (1012) připojený přes druhý směšovací chladič (6) na paroplynový vstup (1001) paroplynového ohříváku (8), paroplynový ohřívák (8) má paroplynový výstup (1002) připojený na paroplynový vstup (1001) plynové turbíny (3), plynová turbína (3) má paroplynový výstup (1002) připojený na druhý paroplynový vstup (1021) regeneračního výměníku (7), regenerační výměník (7) má druhý paroplynový výstup (1022) připojený na paroplynový vstup (1001) užitkového výměníku (9), a přičemž paroplynový ohřívák (8) má spalinový vstup (4001) a spalinový výstup (4002) připojeny paralelně na spalinové potrubí (12) motorového zdroje (2) a první i druhý směšovací chladič (5, 6) mají oba svůj vodní vstup (2001) připojen na vstřikovací potrubí (28) pro vstřikovanou vodu, navazující na vodní potrubí (13) pro přivádění vstřikované vody a z čehož motorový zdroj (2) obsahuje alespoň jeden pístový spalovací motor (14) se spalinovým výstupem (4002) připojeným na spalinové potrubí (12) ústící do komína, přičemž spalovací motor (14) má pracovní vstup (5001) a

   -9CZ 304338 B6 pracovní výstup (5002) pro motor-chladicí médium, knimž má připojen vlastní chladicí okruh (16) obsahující vzduchový chladič (17) s pracovním vstupem (5001) a pracovním výstupem (5002) pro motor-chladicí médium, alespoň jednu regulovatelnou první dělicí armaturu (18) s odbočkou (19) a chladicí čerpadlo (20), kde spalovací motor (14) má pracovní výstup (5002) připojený prostřednictvím spojovacího potrubí (21) přes první dělicí armaturu (18) na pracovní vstup (5001) vzduchového chladiče (17), vzduchový chladič (17) má pracovní výstup (5002) pro motor-chladicí médium připojený přes chladicí čerpadlo (20) na pracovní vstup (5001) spalovacího motoru (14) a odbočka (19) je zaústěna za vzduchový chladič (17), uvažováno ve směru průchodu motor-chladicího média, přičemž výše uvedená připojení prvků integrovaného energetického zdroje jsou provedena prostřednictvím potrubí pro příslušná média, vyznačující se tím, že integrovaný zdroj je opatřen propojovacím chladičem (22) majícím pracovní vstup (5001) a pracovní výstup (5002) pro motor-chladicí médium a vodní vstup (2001) a vodní výstup (2002) pro vodu a turbínový zdroj (1) je připojen k motorovému zdroji (2) přes tento propojovací chladič (22), což je provedeno tak, že pracovní vstup (5001) a pracovní výstup (5002) propojovacího chladiče (22) jsou připojeny do chladicího okruhu (16) motorového zdroje (2), přičemž vodní vstup (2001) propojovacího chladiče (22) je připojen k vodnímu potrubí (13) pro dodávku vstřikované vody.
2. 2. Integrovaný energetický zdroj s využitím odpadního tepla podle nároku 1, vyznačující se tím, že propojovací chladič (22) má svůj pracovní vstup (5001) pro motor-chladicí médium připojen na spojovací potrubí (21) propojující pracovní výstup (5001) ze spalovacího motoru (14) s pracovním vstupem (5001) vzduchového chladiče (17).
3. 3. Integrovaný energetický zdroj s využitím odpadního tepla podle nároků 1 a 2, vyznačující se tím, že propojovací chladič (22) má na svůj vodní výstup (2002) připojen, přes vstřikovací potrubí (28), k vodním vstupům (2001) směšovacích chladičů (5, 6) turbínového zdroje (1).
4. 4. Integrovaný energetický zdroj s využitím odpadního tepla podle nároků 1 a 2, vyznačující se tím, že regenerační výměník (7) má na svůj druhý paroplynový výstup (1022) připojen vodní ohřívák (29) pro ohřev vstřikované vody, mající paroplynový vstup (1001) a paroplynový výstup (1002) a vodní vstup (2001) a vodní výstup (2002), a to tak, že propojovací chladič (22) má svůj vodní výstup (2002) připojen na vodní vstup (2001) tohoto vodního ohříváku (29) a vodní výstup (2002) vodního ohříváku (29) je připojen prostřednictvím vstřikovacího potrubí (28) k vodním vstupům (2001) směšovacích chladičů (5, 6) turbínového zdroje (1), přičemž na druhý paroplynový výstup (1022) regeneračního výměníku (7) je připojen paroplynový vstup (1001) vodního ohříváku (29).
5. 5. Integrovaný energetický zdroj s využitím odpadního tepla podle nároku 4, vyznačující se tím, že užitkový výměník (9) má paroplynový vstup (1001) připojen k paroplynovému výstupu (2002) vodního ohříváku (29).
6. 6. Integrovaný energetický zdroj s využitím odpadního tepla podle nároku 4, vyznačující se tím, že užitkový výměník (9) a vodní ohřívák (29) mají navzájem propojené paroplynové vstupy (1001) a navzájem propojené paroplynové výstupy (1002).