CZ307962B6 - Zařízení pro využití kompresního tepla - Google Patents

Abstract

Zařízení skompresorem a vodními chladiči (51, 52, 53) komprimovaného plynu má na vodní chladiče (51, 52, 53) připojen primární expandér (6) s parním výstupem, na který je připojena parní turbína (8) s připojeným elektrickým generátorem (9), přičemž v zařízení je zapojen také akumulátor (16) horké vody. Vodní potrubí (2) je opatřeno čerpadlem (3). Mezi primárním expandérem (6) a parní turbínou (8) je zařazen přehřívák (11) páry a případně za ním přídavný expandér. Mezi kompresorovými stupni (41, 42, 43) jsou vodní chladiče (51, 52). Zařízení je dále vybaveno regulačním ventilem (12), uzavíracími armaturami (19, 20, 23), regulačními armaturami (21, 22) a odváděcím vodním potrubím (203). Akumulátor (16) má horní a dolní část opatřenou připojovacími hrdly (17, 18), která jsou horním vodním potrubím (201), resp. dolním vodním potrubím (202) připojena k vodnímu potrubí (2).

Description

Vynález se týká oblasti energetiky. Je navrženo zařízení pro využití kompresního tepla, vytvořené vyřešením efektivnějšího zapojení prvků před parní turbínou s elektrickým generátorem.

Dosavadní stav techniky

Současná zařízení pro využití kompresního tepla jsou uspořádána pro možnost využít teplo z chlazení komprimovaného plynu pro tepelné výměníky. K chlazení komprimovaného plynu se nejčastěji používá voda. Tato zařízení zahrnují alespoň jednu napájecí nádrž, vodní potrubí pro přívod chladicí vody, alespoň jedno čerpadlo, alespoň jeden kompresor, alespoň jeden plynový chladič pro chlazení komprimovaného plynu, opatřený vodním vstupem a vodním výstupem a plynovým vstupem a plynovým výstupem, přičemž vodní přívod plynového chladiče je připojen na čerpadlo.

Jsou známé vícestupňové kompresory, které jsou pro zvýšení své účinnosti vybaveny chladiči komprimovaného plynu mezi jednotlivými kompresními stupni. K chlazení komprimovaného plynu se obvykle používá voda. Může se ale použít i jiné vhodné chladicí médium. U některých aplikací kompresorů se požaduje, vzhledem k technologickému využití stlačeného plynu, snížit teplotu vzduchu na výstupu z kompresoru, a i v tomto případě se na výstup z kompresoru zařazuje chladič.

Výše uvedená zařízení mají nevýhodu v tom, že neumožňují využít teplo z chlazení komprimovaného plynu pro pohon parní turbíny. Tato nevýhoda je způsobena tím, že dosud nebylo vyřešeno zapojení, v němž by byl zařazen chladič pro chlazení komprimovaného plynu před parní turbínu s elektrickým generátorem tak, aby teplo z chladiče pro chlazení komprimovaného plynu mohlo být efektivně odváděno k přívodu pro parní turbínu.

V dokumentu US 2005235625 AI je popsáno zařízení pro využití odpadního tepla kompresorů, využívající teplo z chlazení komprimovaného plynu pro parní generátor, zapojený před parní turbínou s elektrickým generátorem a kondenzátorem. Zařízení zahrnuje vícestupňový kompresor, nebo několik v sérii zapojených kompresorů, kde mezi jednotlivými kompresorovými stupni nebo kompresory jsou na plynovém potrubí zapojeny vodní chladiče, zde uvedené jako mezichladič a dochlazovač. Zařízení zahrnuje nutný vodní přívod, vodní potrubí a čerpadlo pro zajištění proudění vody ve vodním potrubí. Uvedený US dokument uvádí možnost využití tepla z chlazení komprimovaného plynu alternativně pro dva typy parního generátoru, pro vysokotlaký parní generátor a pro nízkotlaký parní generátor. V obou případech je uvedena podmínka, že generátor musí být opatřen předehrivačem napájecí vody, výpamíkem přehřívákem, kondenzátorem, odplyňovacím zařízením a čerpadlem pro dopravu napájecí vody dané parní turbíny.

První alternativa podle US 2005235625 AI uvádí možnost využít teplo z komprese plynu pro vysokotlaký parní generátor v klasickém uspořádání. Zařízení obsahuje kromě parní turbíny ještě i plynovou turbínu s vlastní spalovací komorou, přičemž za plynovou turbínou je připojena pomocná spalovací jednotka. Plynová turbína je zde určena pro pohon kompresoru. V zařízení se nachází parní generátor, který je připojený na pomocnou spalovací jednotku a je rozdělen na vysokotlakou část a nízkotlakou část, která každá má předehrivač napájecí vody, sběrný buben páry, výpamík a přehřívák. Dochlazovač je na vodním potrubí zapojen v sérii za mezichladičem. Vodní potrubí z mezichladiče obsahující vodu, ohřátou kompresním teplem, je připojeno na předehrivač napájecí vody, který je umístěn v kanálu naplněném horkými spalinami přivedenými od pomocné spalovací jednotky, tzv. spalinovém tahu. V předehrivači se teplem, přivedeným z

- 1 CZ 307962 B6 komprimovaného plynu, voda ohřeje, a odtud ohřátá voda proudí do sběrného bubnu, připojeného za předehrivačem Ze sběrného bubnu vede další vodní potrubí do výpamíku a parní potrubí do přehrivače, odkud je vedeno do parní turbíny. Přehriváky i výpamíky parního generátoru jsou rovněž umístěny ve spalinovém tahu. V tomto zařízení je teplo z komprese kompresního plynu využito pro výrobu elektřiny málo efektivně, protože slouží pouze pro předehřátí vody, přiváděné do předehriváku parního generátoru, přičemž hlavní ohřev, umožňující výrobu páry, je nutno zajišťovat topením ve spalovací jednotce. Přítomnost spalovací jednotky představuje zátěž pro životní prostředí a technologickou zátěž. Je nutné zajišťovat mnoho procesů spojených s přítomností přídavné spalovací jednotky před parním generátorem, jako přívodu paliva pro topení, přívod vzduchu umožňujícího spalování, čištění spalin podle ekologických předpisů před vypouštěním do ovzduší aj.

Druhá alternativa podle US 2005235625 AI uvádí možnost využít teplo z komprese plynu pro nízkotlaký parní generátor. Je zde předveden parní generátor, který sestává z výpamíků, přehříváků páry a sběrného parního bubnu. Výpamíky a přehriváky jsou po jednom od každého umístěny přímo v mezichladiči a dochlazovači.

U obou alternativ zařízení podle US 2005235625 AI je zařízení následkem nutné přítomnosti parního generátoru značně konstrukčně složité. Vyžaduje pro instalaci relativně velký prostor a jeho pořízení je ekonomicky náročné. Přítomnost mnoha prvků, jež jsou součástí parního generátoru, znamená potřebu časté a náročné údržby. Z důvodu přítomnosti parního generátoru je nutné kompresor uvádět do provozu složitými a časově náročnými postupy, což prakticky znemožňuje použít toto zařízení u kompresorů s požadovaným častým a rychlým startem. Další nevýhodou je, že zařízení podle US 2005235625 AI umožňují teplo získané chlazením komprimovaného plynu využít pouze pro výrobu elektřiny a neumožňují kogenerační výrobu tepla a elektřiny. Zejména v lokalitách s potřebou odběru teplaje tato nevýhoda značná, protože pro odběr tepla musí být tyto lokality vybaveny přídavnými nebo samostatnými náročnými systémy a zařízením, což vyžaduje další náklady, další prostory a další potřebné technické a personální vybavení.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nevýhody odstraňuje ve značné míře vynález. Navržené zařízení pro využití kompresního tepla zahrnuje alespoň jednu napájecí nádrž, vodní potrubí pro přívod chladicí vody, alespoň jedno čerpadlo, alespoň jeden kompresor, alespoň jeden vodní chladič pro chlazení komprimovaného plynu vodou, zapojený na plynovém potrubí a opatřený vodním vstupem a vodním výstupem a plynovým vstupem a plynovým výstupem. Vodní přívod vodního chladiče pro chlazení komprimovaného plynu je připojen na čerpadlo. Zařízení dále zahrnuje parní potrubí, na kterém je zapojen alespoň jeden přehrivák páry a za ním parní turbína s elektrickým generátorem. Podstatou nového řešení je, že alespoň jeden z obsažených vodních chladičů pro chlazení komprimovaného plynu má na svůj vodní výstup připojen primární expandér, kde před tímto primárním expandérem je zapojen alespoň jeden akumulátor horké vody. Další podmínky vynálezu jsou uvedeny následovně. Primární expandér má parní výstup do parního potrubí před přehřívákem páry, přičemž přehrivák páry má vodní vstup, který je připojen připojovací větví k vodnímu potrubí nacházejícímu se před primárním expandérem. Akumulátor horké vody má horní část a dolní část, každou opatřenou jedním připojovacím hrdlem pro připojení k vodnímu potrubí, z toho výše situovaným horním hrdlem pro horní část a níže situovaným dolním hrdlem pro dolní část akumulátoru. Tento akumulátor je zapojen následovně. Horní hrdlo je připojeno horním vodním potrubím k úseku vodního potrubí pro přívod vody do primárního expandéru, dolní hrdlo je připojeno dolním vodním potrubím k úseku vodního potrubí mezi čerpadlem a prvním chladičovým přípojem v zařízení, přičemž jako dolní vodní potrubí se rozumí takové potrubí, které je vůči hornímu vodnímu potrubí níže situované.

-2CZ 307962 B6

S výhodou je připojovací větev před přehřívákem opatřena alespoň jedním regulačním ventilem pro nastavení průtoku vody přes přehřívák.

Přehřívák má s výhodou na vodní výstup připojen přídavný expandér mající parní výstup, jenž je připojen k parnímu potrubí v úseku mezi primárním expandérem a přehřívákem.

Horní vodní potrubí i dolní vodní potrubí je opatřeno uzavíracími armaturami, přičemž úsek vodního potrubí mezi přípojem horního vodního potrubí a přípojem připojovací větve je s výhodou rovněž opatřen regulační armaturou, a také nejbližší úsek vodního potrubí za přípojem dolního vodního potrubí je s výhodou opatřen další regulační armaturou. K dolnímu vodnímu potrubí je před jeho uzavírací armaturou připojeno odváděči vodní potrubí, opatřené uzavírací armaturou a připojené k napájecí nádrži.

Zařízení podle vynálezu je konstrukčně podstatně jednodušší než dosavadní zařízení s parními generátory. Umožňuje podstatně jednodušeji a ekonomičtěji než dosavadní zařízení využít kompresní teplo, získané v chladiči chlazením komprimovaného plynu chladicí kapalinou, nejen pro pohon parní turbíny s elektrickým generátorem, ale kromě toho i pro dodávku tepla. Umožňuje přizpůsobit provoz zařízení s ohledem na to, zda je nebo není energetická špička, a zejména umožňuje snížit odběr elektřiny z dodavatelské sítě v době energetické špičky, a tak velmi efektivně zajišťovat stabilní dodávku elektřiny a tepla jak v době energetické špičky, tak i mimo ni. Při nižším odběru elektřiny je možno část ohřáté chladicí kapaliny akumulovat v akumulátoru a využít později, v případě potřeby zvýšené výroby elektřiny. Dalšími výhodami zařízení podle vynálezu je, že v něm mohou být použity i kompresory s častým a rychlým startem a že zařízení lze zhotovit jako inovaci dosavadních kompresorových stanic přístavbou k dosavadním kompresorům.

Objasnění výkresů

Vynález je blíže objasněn pomocí výkresů, kde znázorňuje obr. 1 schéma příkladného provedení

Příklady uskutečnění vynálezu

Příkladem nej lepšího provedení vynálezu je zařízení pro využití kompresního tepla podle obr. 1. a obr. 2.

Zařízení zahrnuje nutné obvyklé prvky, jako je napájecí nádrž 1, vodní potrubí 2 pro přívod chladicí vody, čerpadlo 3, plynové potrubí 4, vícestupňový kompresor se třemi kompresorovými stupni 41, 42, 43. Je obsaženo také několik vodních chladičů 51, 52, 53 pro chlazení komprimovaného plynu vodou, které jsou zapojeny na plynovém potrubí 4 a opatřeny vodním vstupem a vodním výstupem a plynovým vstupem a plynovým výstupem. Vodní přívod těchto vodních chladičů 51, 52, 53 pro chlazení komprimovaného plynuje připojen na čerpadlo 3.

V případě, že je zvolen více než třístupňový kompresor znázorněný ve zde uvedeném příkladu, pak je úměrně větší i počet vodních chladičů 51, 52 mezi kompresorovými stupni 41. 42, 43.

Zařízení dále zahrnuje parní potrubí 7, na které je připojena parní turbína 8 s elektrickým generátorem 9 a kondenzátorem 10. Před plynovou turbínou 8 je předřazen přehřívák 11 páry, jehož přívod je připojen k vodnímu potrubí 2 a jehož výstup je připojen na parní potrubí 7. Alespoň jeden z obsažených vodních chladičů 51, 52, 53 pro chlazení komprimovaného plynu, v tomto příkladném provedení druhý vodní chladič 52 a třetí vodní chladič 53, má na svůj vodní výstup připojen primární expandér 6. Před tímto primárním expandérem 6 je v zařízení zapojen akumulátor 16, uzpůsobený konstrukčně pro akumulaci horké vody, přičemž primární expandér 6 a akumulátor 16 horké vody tvoří kombinaci prvků zapojenou následovně. Primární expandér 6

-3 CZ 307962 B6 má parní výstup do parního potrubí 7 před přehřívákem 11 páry. Přehřívák 11 páry má vodní vstup, který je připojen připojovací větví 200 k vodnímu potrubí 2, a to v místě nacházejícím se před primárním expandérem 6. Akumulátor 16 horké vody má horní část a dolní část, každou opatřenou jedním připojovacím hrdlem 17, 18 pro připojení k vodnímu potrubí 2, z toho výše situovaným horním hrdlem 17 pro horní část a níže situovaným dolním hrdlem 18 pro dolní část akumulátoru 16 horké vody.

Horní hrdlo 17 akumulátoru 16 je připojeno horním vodním potrubím 201 k úseku vodního potrubí 2 pro přívod vody do primárního expandéru 6. Dolní hrdlo 18 je připojeno dolním vodním potrubím 202 k úseku vodního potrubí 2 nacházejícím se mezi čerpadlem 3 a prvním chladičovým přípojem v zařízení, tedy v tomto příkladu před odbočkou do prvního vodního chladiče 51. Jako dolní vodní potrubí 202 se zde rozumí takové potrubí, které je vůči hornímu vodnímu potrubí 201 níže situované, tedy se tím rozhodně nemíní, že by muselo být umístěno dole v zařízení.

Připojovací větev 200 před přehřívákem 11 páry je opatřena alespoň jedním regulačním ventilem 12, umožňujícím nastavení potřebného průtoku vody přes přehřívák 11.

Horní vodní potrubí 201 i dolní vodní potrubí 202 jsou opatřena uzavíracími armaturami 19, 20. Úsek vodního potrubí 2 mezi přípojem horního vodního potrubí 201 a přípojem připojovací větve 200 je opatřen první regulační armaturou 21. Nejbližší úsek vodního potrubí 2 za přípojem dolního vodního potrubí 202 je opatřen druhou regulační armaturou 22. K dolnímu vodnímu potrubí 202 je před jeho uzavírací armaturou 20 připojeno odváděči vodní potrubí 203, které je opatřeno rovněž uzavírací armaturou 23 a které je připojeno k napájecí nádrži H

Pro fúnkci takto zapojeného zařízení je potřeba, aby pro parní turbínu 8 o vstupním tlaku páry, který označíme například jako hodnotu x, bylo do zařízení zvoleno čerpadlo 3 o výstupním tlaku větším než x.

Kompresor je opatřen běžnými prvky, jako sacím potrubím 24 a výtlačným potrubím 25.

Při provozu zařízení kompresor nasává plyn sacím potrubím 24 a plyn, komprimovaný v prvním kompresorovém stupni 41, se ochladí v prvním vodním chladiči 51 na požadovanou teplotu před druhým kompresorovým stupněm 42. Po stlačení na vyšší tlak ve druhém kompresorovém stupni 42 se plyn ochladí ve druhém vodním chladiči 52 na požadovanou teplotu před posledním, třetím kompresorovým stupněm 43. Na teplotu požadovanou ve výtlačném potrubí 25 se komprimovaný plyn ochladí ve třetím vodním chladiči 53. Pro chlazení komprimovaného plynu ve vodních chladičích 51, 52, 53 se používá jako chladicí kapalina voda. Případně lze použít jinou chladicí kapalinu. Zdrojem chladicí vody pro vodní chladiče 51, 52, 53 je napájecí nádrž 1, přičemž potřebná cirkulace vody je zajišťována čerpadlem 3. Tlak na výstupu čerpadla 3 se volí takový, aby se zajistil požadovaný tlak před primárním expandérem 6. Množství chladicí vody se napájecím čerpadlem 3 reguluje tak, aby se na výstupu z druhého a třetího vodního chladiče 52, 53 dosáhla teplota vody odpovídající saturační teplotě při tlaku v primárním expandéru 6. Ohřátá voda se z prvního vodního chladiče 51 odvádí vodním potrubím 2 k dalšímu využití, nebo pokud tato možnost není, tak se teplo maří, například do vzduchu, a ochlazená voda se pak vede zpět do napájecí nádrže 1. Množství odváděné vody se vhodně reguluje, například podle hladiny vody v primárním expandéru 6. Při odběru vody pro další využití se odebraná voda doplňuje do napájecí nádrže 1. z na obrázku neznázoměného vnějšího zdroje a stejně se doplňuje i ztrátová voda z okruhu. Teplo v horké vodě, které nelze využít pro výrobu elektřiny na parní turbíně 8, se akumuluje v akumulátoru 16 a lze je odtud čerpat v jinou dobu, v případě potřeby zvýšené výroby elektřiny. Dodávka elektřiny vyrobené parní turbínou 8 tak není závislá na okamžitém výkonu kompresoru.

Obrázek obr. 2 ukazuje výhodnou variantu, která se liší od zařízení podle obrázku obr. 1 tím, že je obsažen přídavný expandér 13. Přídavný expandér 13 má svůj vodní vstup připojen

-4CZ 307962 B6 prostřednictvím vodního potrubí 2 na vodní výstup přehříváku 11 páry. Parní výstup přídavného expandéru 13 je připojen k parnímu potrubí 7 v úseku nacházejícím se mezi primárním expandérem 6 a přehřívákem 11 páry. Výhodou zařízení podle obrázku obr. 2 je, že umožňuje další zvýšení výroby elektřiny. Toho je dosaženo s pomocí využití další části tepla, nacházejícího se v horké vodě a získaného z kompresního tepla stlačeného plynu. Využitím tohoto tepla v uvedeném příkladném provedení pro výrobu syté páry se po přehřátí v přehříváku 11 páry dosáhne zvýšení výroby elektřiny na parní turbíně 8.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims (4)

1. Zařízení pro využití kompresního tepla, zahrnující alespoň jednu napájecí nádrž (1), vodní potrubí (2) pro přívod chladicí vody, alespoň jedno čerpadlo (3), alespoň jeden kompresor, alespoň jeden vodní chladič (51, 52, 53) pro chlazení komprimovaného plynu vodou, zapojený na plynovém potrubí (4) a opatřený vodním vstupem a vodním výstupem a plynovým vstupem a plynovým výstupem, přičemž vodní přívod vodního chladiče (51, 52, 53) pro chlazení komprimovaného plynuje připojen na čerpadlo (3) a přičemž zařízení dále zahrnuje parní potrubí (7), na kterém je zapojen alespoň jeden přehrivák (11) páry a za ním parní turbína (8) s elektrickým generátorem (9), vyznačující se tím, že alespoň jeden z obsažených vodních chladičů (51, 52, 53) pro chlazení komprimovaného plynu má na svůj vodní výstup připojen primární expandér (6), kde před tímto primárním expandérem (6) je zapojen alespoň jeden akumulátor (16) horké vody, přičemž

- primární expandér (6) má parní výstup do parního potrubí (7) před přehřívákem (11),

- přehrivák (11) má vodní vstup, který je připojen připojovací větví (200) k vodnímu potrubí (2) nacházejícímu se před primárním expandérem (6),

- akumulátor (16) horké vody má horní část a dolní část, každou opatřenou jedním připojovacím hrdlem (17, 18) pro připojení k vodnímu potrubí (2), z toho výše situovaným horním hrdlem (17) pro horní část a níže situovaným dolním hrdlem (18) pro dolní část akumulátoru (16), kde

- horní hrdlo (17) je připojeno horním vodním potrubím (201) k úseku vodního potrubí (2) pro přívod vody do primárního expandéru (6),

- dolní hrdlo (18) je připojeno dolním vodním potrubím (202) k úseku vodního potrubí (2) mezi čerpadlem (3) a prvním chladičovým přípojem v zařízení, přičemž jako dolní vodní potrubí (202) se rozumí takové potrubí, které je vůči hornímu vodnímu potrubí (201) níže situované.

2. Zařízení pro využití kompresního tepla podle nároku 1, vyznačující se tím, že připojovací větev (200) před přehřívákem (11) je opatřena alespoň jedním regulačním ventilem (12) pro nastavení průtoku vody přes přehrivák (11).

3. Zařízení pro využití kompresního tepla podle nároků 1 a 2, vyznačující se tím, že přehrivák (11) má na vodní výstup připojen přídavný expandér (13), mající parní výstup, jenž je připojen k parnímu potrubí (7) v úseku mezi primárním expandérem (6) a přehřívákem (11).

4. Zařízení pro využití kompresního tepla podle nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že horní vodní potrubí (201) i dolní vodní potrubí (202) jsou opatřena uzavíracími armaturami (19, 20), přičemž

- úsek vodního potrubí (2) mezi přípojem horního vodního potrubí (201) a přípojem připojovací větve (200) je opatřen první regulační armaturou (21),

- nejbližší úsek vodního potrubí (2) za přípojem dolního vodního potrubí (202) je opatřen druhou regulační armaturou (22),

- k dolnímu vodnímu potrubí (202) je před jeho uzavírací armaturou (20) připojeno odváděči vodní potrubí (203), opatřené uzavírací armaturou (23) a připojené k napájecí nádrži (1).