CZ305163B6

CZ305163B6 - Thermal cycle apparatus for conversion of thermal energy to mechanical energy and electric power

Info

Publication number: CZ305163B6
Application number: CZ2005-31A
Authority: CZ
Inventors: Stanislav Kubiš
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2005-01-17
Filing date: 2005-01-17
Publication date: 2015-05-27
Also published as: CZ200531A3

Abstract

The thermal cycle apparatus for conversion of thermal energy to mechanical energy and electric power according to the present invention comprises a compressor (10) and a gas turbine (1). The compressor (10) discharge is connected through the mediation of a medium-pressure piping (14) with a heat-exchange apparatus (5), a liquefying unit (6) and a cryogenic feeding pump (7), the high-pressure piping (15) of which is connected to the liquefying unit (6), the heat-exchange apparatus (5), a combustion chamber (3), and the gas turbine (1), wherein said gas turbine (1) outlet is connected through the mediation of a low-pressure piping (13) with combustion products exhaust (12).

Description

Vynález se týká zařízení s tepelným oběhem pro přeměnu tepelné energie na mechanickou energii a elektrickou energii. Vynález se všeobecně týká oblasti výroby mechanické energie a elektrické energie, popřípadě zařízení pro zkapalňování plynů, v oblasti petrochemie a dalších technologických zařízení.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thermal circulation apparatus for converting thermal energy into mechanical energy and electrical energy. The invention relates generally to the field of production of mechanical energy and electric energy, or gas liquefaction equipment, in the field of petrochemistry and other technological equipment.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

Princip výroby mechanické energie z tepelné energie je založen na několika tepelných obězích neboli cyklech. Společné všem těmto oběhům je to, že pracovní látka se v plynném nebo tekutém stavu nejprve stlačí, potom se zahřeje na požadovanou teplotu a při pracovním procesu, neboli expanzním procesu proběhne přeměna tepelné energie na mechanickou energii.The principle of mechanical energy production from thermal energy is based on several thermal cycles or cycles. Common to all these cycles is that the working substance is first compressed in a gaseous or liquid state, then heated to the desired temperature, and in the working process or expansion process, the thermal energy is converted to mechanical energy.

U pístových spalovacích motorů a u spalovacích turbín se používá jako pracovní látka vzduch. Tento vzduch se stlačuje při kompresním zdvihu pístu. U spalovacích turbín probíhá stlačování vzduchu v kompresoru. Po přivedení tepelné energie vzniklé spálením paliva v prostoru válce, popřípadě ve spalovací komoře spalovací turbíny, čímž nastane zvýšení teploty pracovní látky, následuje expanzní proces, neboli expanzní takt ve spalovacím motoru, popřípadě expanze v plynové turbíně.For piston combustion engines and combustion turbines air is used as the working medium. This air is compressed during the compression stroke of the piston. In combustion turbines, the air is compressed in the compressor. After the introduction of the thermal energy generated by the combustion of the fuel in the cylinder space or in the combustion chamber of the combustion turbine, whereby the temperature of the working substance is increased, the expansion process or expansion cycle in the internal combustion engine or expansion in the gas turbine follows.

Na kompresi se spotřebují až dvě třetiny práce, generované v expanzním procesu.Up to two thirds of the work generated in the expansion process is used for compression.

Podobně je tomu u parního oběhu neboli cyklu. Zde se zvyšuje tlak vody na vstupu do kotle napájecími čerpadly. Potom se tato voda v kotli zahřeje a odpaří a takto vzniklá tlaková pára se přivádí do parní turbíny, kde proběhne expanzní proces za vzniku mechanické energie. Nevýhodou tohoto procesuje to, že teplo, jehož je nutně zapotřebí na odpaření vody, není v turbíně využito a musí být odváděno do okolí.The same is true of the steam cycle or cycle. Here the water pressure at the boiler inlet is increased by the feed pumps. Then the water in the boiler is heated and evaporated and the pressure steam thus generated is fed to a steam turbine where an expansion process takes place to produce mechanical energy. The disadvantage of this process is that the heat required to evaporate the water is not used in the turbine and must be dissipated into the environment.

Jak kompresní práce, tak i přiváděné popřípadě odváděné výpamé teplo, podstatně snižují účinnost těchto obou oběhů, takže účinnost se pohybuje na průměrné hodnotě 35 %.Both the compression work and the exhaust heat supplied or dissipated considerably reduce the efficiency of the two cycles, so that the efficiency is on average 35%.

Podstata vynálezuSUMMARY OF THE INVENTION

Výše uvedené nedostatky částečně odstraňuje zařízení s tepelným oběhem pro přeměnu tepelné energie na mechanickou energii a elektrickou energii, obsahující kompresor a plynovou turbínu, podle vynálezu, jehož podstatou je, že výtlak kompresoru je propojen středotlakým potrubím s tepelným výměníkem, se zkapalňovací jednotkou a s kryogenním napájecím čerpadlem, jehož vysokotlaké potrubí je napojeno na zkapalňovací jednotku, tepelný výměník, spalovací komoru a plynovou turbínu, jejíž výstup je spojen nízkotlakým potrubím s výfukem spalin.The aforementioned drawbacks are partially eliminated by the heat circulation apparatus for converting thermal energy into mechanical energy and electrical energy, comprising a compressor and a gas turbine according to the invention, the principle of which is that the compressor discharge is interconnected by medium pressure piping with heat exchanger, liquefaction unit and a pump whose high-pressure pipe is connected to a liquefaction unit, a heat exchanger, a combustion chamber and a gas turbine, the outlet of which is connected by a low-pressure pipe to an exhaust gas outlet.

Tím, že se vzduch nejprve zkapalňuje ve zkapalňovací jednotce a jeho tlak se zvyšuje v kryogenním napájecím čerpadle, a tím, že se vzduch odpařuje nízkopotenciálním teplem z okolí, popřípadě odpadním teplem z tepelného oběhu, se podstatně sníží množství tepla, popřípadě velikost mechanické energie pro získání tlakového pracovního média.By first liquefying the air in the liquefaction unit and increasing its pressure in the cryogenic feed pump, and by vaporizing the air with low-potential ambient heat or waste heat from the heat circulation, the amount of heat or the amount of mechanical energy for obtaining a pressurized working medium.

Aby se co nejlépe využila tepelná energie, která je do oběhu přiváděna, je v regeneračním výměníku vzduch dále ohříván teplem, které obsahují spaliny vystupující z plynové turbíny.In order to make the best use of the thermal energy supplied to the circulation, the air in the regenerative heat exchanger is further heated by heat, which contains the flue gas exiting the gas turbine.

- 1 CZ 305163 B6- 1 GB 305163 B6

Ve spalovací komoře se spaluje palivo přiváděné potrubím se vzduchem, čímž se teplota spalin zvyšuje na požadovanou úroveň. V k ní připojené plynové turbíně probíhá expanzní proces a vyrobená mechanická práce je využívána ve spotřebiči mechanické energie, například v elektrickém generátoru.In the combustion chamber, the fuel supplied by the air duct is burned, thereby raising the flue gas temperature to the desired level. In the gas turbine connected to it there is an expansion process and the mechanical work produced is used in a mechanical energy consumer, for example an electric generator.

Zvýšení výkonu a tepelné účinnosti oproti výše popsanému případu je možno dosáhnout rozdělením expanze na větší počet částí, například na dvě části, zejména na vysokotlakou část, tvořenou vysokotlakou plynovou turbínou, a nízkotlakou část, tvořenou nízkotlakou plynovou turbínou. Před těmito oběma částmi může být umístěna vždy alespoň jedna další spalovací komora, která může být nahrazena vysokoteplotním tepelným výměníkem. Každá plynová turbína může pracovat samostatně, popřípadě hřídele turbín mohou být propojeny, například prostřednictvím převodovky.An increase in power and thermal efficiency over the above-described case can be achieved by dividing the expansion into a plurality of parts, for example two parts, in particular a high pressure gas turbine section and a low pressure gas turbine section. At least one further combustion chamber may be placed in front of these two parts, which may be replaced by a high temperature heat exchanger. Each gas turbine may operate independently or the turbine shafts may be interconnected, for example by means of a gearbox.

Odpadní teplo z tepelného oběhu může být rovněž využíváno pro další potřebu zařazením technologického tepelného výměníku za plynovou turbínu. Prostřednictvím rekuperační armatury a spalinové armatury lze nastavovat plynule množství tepla, které je využíváno v regeneračním výměníku a v technologickém tepelném výměníku, aniž by byl ovlivňován výkon plynové turbíny.Waste heat from the heat circulation can also be utilized for further use by incorporating a technological heat exchanger after the gas turbine. Through the recuperation flue and the flue gas fitting, the amount of heat used in the regenerative heat exchanger and the technological heat exchanger can be adjusted continuously without affecting the performance of the gas turbine.

Objasnění výkresůClarification of drawings

Vynález bude blíže objasněn podle připojených výkresů, na nichž obr. 1 znázorňuje schéma zapojení zařízení s tepelným oběhem, s kryogenním čerpadlem a plynovou turbínou, s tepelnými výměníky a propojovacím potrubím, obr. 2 znázorňuje obdobné schéma s alespoň dvěma plynovými turbínami a s alespoň jednou spalovací komorou, která může být nahrazena vysokoteplotním tepelným výměníkem, a obr. 3 znázorňuje schéma zapojení zařízení s tepelným oběhem s technologickým tepelným výměníkem.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 shows a circuit diagram of a heat circulating, cryogenic pump and gas turbine apparatus with heat exchangers and interconnecting piping; FIG. 2 shows a similar diagram with at least two gas turbines and at least one combustion plant; a chamber that can be replaced by a high temperature heat exchanger, and FIG. 3 shows a circuit diagram of a heat-circulating device with a technological heat exchanger.

Příklady uskutečnění vynálezuDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Na obr. 1 je znázorněno schematicky jedno provedení zařízení s tepelným oběhem pro přeměnu tepelné energie na mechanickou energii a elektrickou energii, které obsahuje kompresor 10, který je sacím potrubím spojen se sacím ústrojím 11 vzduchu. Kompresor 10 je poháněn elektromotorem 8. Výtlačná strana kompresoru 10 je spojena středotlakým potrubím 14 s tepelným výměníkem 5 a dále se zkapalňovací jednotkou 6 a se vstupem kryogenního napájecího čerpadla 7. Vysokotlaké potrubí 15 kryogenního napájecího čerpadla 7 je napojeno na zkapalňovací jednotku 6 a na tepelný výměník 5, odkud je napojeno na regenerační výměník 4. Regenerační výměník 4 je vysokotlakým potrubím 15 spojen se spalovací komorou 3 a se vstupem plynové turbíny L Plynová turbína I je propojena hřídelem se spotřebičem 2 energie. Výstup plynové turbíny i je nízkotlakým potrubím 13 spojen s regeneračním výměníkem 4 a s výfukem 12 spalin.FIG. 1 schematically depicts one embodiment of a heat circulating device for converting thermal energy into mechanical energy and electrical energy, comprising a compressor 10 which is connected by suction line to an air suction device 11. The compressor 10 is driven by an electric motor 8. The discharge side of the compressor 10 is connected by a medium pressure line 14 to a heat exchanger 5 and further to a liquefaction unit 6 and a cryogenic feed pump inlet 7. The high pressure line 15 of the cryogenic feed pump 7 is connected to the liquefaction unit The regenerative heat exchanger 4 is connected via a high pressure line 15 to the combustion chamber 3 and to the gas turbine inlet. The gas turbine 1 is connected by a shaft to an energy consumer 2. The outlet of the gas turbine 1 is connected to the regeneration exchanger 4 and the exhaust gas exhaust 12 via a low pressure line 13.

Zvýšení výkonu a zvýšení tepelné účinnosti oproti tomuto výše uvedenému zařízení s tepelným oběhem pro přeměnu tepelné energie na mechanickou energii a elektrickou energii je možno dosáhnout rozdělením expanze na alespoň dvě části. Na obr. 2 je znázorněno další provedení zařízení s tepelným oběhem pro přeměnu tepelné energie na mechanickou energii, v němž je plynová turbína I nahrazena alespoň dvěma plynovými turbínami, v tomto případě jednou vysokotlakou plynovou turbínou i, tvořící vysokotlakou část, a další, nízkotlakou plynovou turbínou 17, tvořící nízkotlakou část. Vysokotlaká plynová turbína I je přitom opatřena vysokotlakou spalovací komorou 3 a nízkotlaká plynová turbína 17 je opatřena nízkotlakou spalovací komorou 16. Tyto spalovací komory 3,16 mohou být nahrazeny příslušnými vysokoteplotními tepelnými výměníky, tj. vysokotlakým tepelným výměníkem a nízkotlakým tepelným výměníkem.An increase in performance and an increase in thermal efficiency over the above-mentioned thermal circulation apparatus for converting thermal energy into mechanical energy and electrical energy can be achieved by dividing the expansion into at least two parts. FIG. 2 shows a further embodiment of a thermal circulation apparatus for converting thermal energy into mechanical energy in which the gas turbine I is replaced by at least two gas turbines, in this case one high pressure gas turbine 1 forming the high pressure part and another low pressure gas turbine. a turbine 17 forming a low pressure portion. The high-pressure gas turbine 1 is provided with a high-pressure combustion chamber 3 and the low-pressure gas turbine 17 is provided with a low-pressure combustion chamber 16. These combustion chambers 3,16 can be replaced by corresponding high-temperature heat exchangers, i.e. high-pressure heat exchanger and low-pressure heat exchanger.

-2CZ 305163 B6-2GB 305163 B6

Každá z těchto plynových turbín 1,17 může být použita k samostatnému pohonu různých zařízení. Alternativně mohou být hřídele plynových turbín 1, 17 vzájemně propojeny, například prostřednictvím převodovky J_8, a mohou pohánět jeden spotřebič 2 energie, jak je znázorněno na obr. 2.Each of these gas turbines 1.17 can be used to separately drive various equipment. Alternatively, the shafts of the gas turbines 1, 17 may be interconnected, for example by means of a gear 18, and may drive a single energy sink 2 as shown in Fig. 2.

Odpadní teplo z tepelného oběhu může být rovněž využito pro další potřebu zařazením technologického tepelného výměníku 20 za plynovou turbínu 1, jak je znázorněno u ještě dalšího provedení zařízení s tepelným oběhem pro přeměnu tepelné energie na mechanickou práci na obr. 3. V tomto případě je možno rekuperační armaturou 21 a spalinovou armaturou 22, které jsou uspořádány v příslušném nízkotlakém potrubí 13 z plynové turbíny 1, plynule nastavovat množství tepla, které je využíváno v regeneračním výměníku 4 a v technologickém tepelném výměníku 20, aniž by byl ovlivněn výkon plynové turbíny 1. To znamená, že plynová turbína 1 může pracovat nezávisle na spotřebě tepla s maximální účinností a s maximálním výkonem. Technologický tepelný výměník 20 je napojen na výfuk 23 spalin.Waste heat from the heat cycle can also be utilized for further use by incorporating the process heat exchanger 20 after the gas turbine 1, as shown in yet another embodiment of the heat transfer device for converting heat energy to mechanical work in Fig. 3. through the recuperation fitting 21 and the flue gas fitting 22, which are arranged in the respective low pressure line 13 of the gas turbine 1, to continuously adjust the amount of heat that is used in the regeneration exchanger 4 and in the technological heat exchanger 20 without affecting the gas turbine performance. means that the gas turbine 1 can operate independently of heat consumption with maximum efficiency and maximum output. The technological heat exchanger 20 is connected to the exhaust gas outlet 23.

PATENTOVÉ NÁROKYPATENT CLAIMS

Claims

A heat circulation apparatus for converting thermal energy into mechanical energy and electrical energy, comprising a compressor (10) and a gas turbine (1), characterized in that the discharge of the compressor (10) is connected by a medium pressure line (14) to the heat exchanger ( 5), with a liquefaction unit (6) and a cryogenic feed pump (7), the high pressure piping (15) of which is connected to the liquefaction unit (6), the heat exchanger (5), the combustion chamber (3) and the gas turbine (1), the outlet of which is connected by a low pressure line (13) to an exhaust gas outlet (12).

Apparatus according to claim 1, characterized in that a regenerative exchanger (4) is arranged downstream of the heat exchanger (5) in the high-pressure line (15), the high-pressure line (15) of which is connected to the combustion chamber (3). the exchanger (4) is connected to the gas turbine (1) and the flue gas exhaust (12) via a low pressure line (13).

Apparatus according to claim 1, characterized in that a regenerative heat exchanger (4) is connected downstream of the heat exchanger (5) into the high-pressure line (15), the outlet high-pressure line (15) of which is connected to the high-temperature heat exchanger, 4) is connected to the gas turbine (1) and the flue gas exhaust (12) via a low pressure line (13).

Apparatus according to claim 1, characterized in that the gas turbine (1) is designed in at least a two-stage configuration, the high-pressure part of which is formed by a high-pressure gas turbine (1) upstream of at least one high-pressure combustion chamber (3); its low-pressure part is formed by a low-pressure gas turbine (17), upstream of which is at least one low-pressure combustion chamber (19).

Apparatus according to claim 1, characterized in that the gas turbine (1) is designed in at least a two-stage configuration, the high-pressure part of which is formed by a high-pressure gas turbine (1), preceded by at least one high-temperature high-pressure heat exchanger and low pressure. the part comprises a low-pressure gas turbine (17), in front of which at least one high-temperature low-pressure heat exchanger (16) is placed.

Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the gas turbine outlet (1) or the gas turbine outlet (17) is connected via a regeneration exchanger (4) to the flue gas exhaust (12) or via a technological heat exchanger (20). ) to the exhaust gas outlet (23).