FI111288B - Kattilan ja höyryturbiinin välinen kytkentärakenne ja menetelmä höyryturbiinin syöttöveden esilämmityksessä ja sen säädössä - Google Patents

Description

111288

Kattilan ja höyryturbiinin välinen kytkentärakenne ja menetelmä höyryturbiinin syöttöveden esi lämmityksessä ja sen säädössä Kopplingskonstruktion mellan en panna och en ängturbin och förfarande vid förvärmningen av ängturbinens matarvatten och dess regiering 5

Keksinnön kohteena on höyrykattilan ja höyryturbiinin välinen kytkentärakenne ja 10 menetelmä höyryturbiinin syöttöveden esilämmityksessä ja sen säädössä.

Höyrykattilan viimeinen lämpöpinta ennen savupiippua on joko savukaasuluvo tai ekonomaiseri. Savukaasuluvolla tarkoitetaan tässä hakemuksessa savukaasun ja pa-lamisilman välistä lämmönvaihdinta, jossa lämpö siirtyy savukaasusta palamisil-15 maan palamisilman esilämmittämiseksi. Ekonomaiserilla tässä hakemuksessa tarkoitetaan lämmönvaihdinta, jossa lämpöenergiaa siirretään savukaasuista syöttöve-teen.

Savukaasuluvoa käytettäessä voidaan kattilan syöttövesi esilämmittää höyryturbiinin 20 väliottohöyryllä, jolloin höyryturbiiniprosessin hyötysuhde paranee. Savukaasuluvoa eli lämmönvaihdinta, jossa lämpöenergiaa siirretään savukaasuista suoraan pala-misilmaan, ei yleensä käytetä pienissä höyryvoimalaitoksissa sen kalleuden vuoksi.

Kun savukaasuluvoa ei käytetä, jäähdytetään höyrykattilan savukaasut ennen savu-25 piippuun johtamista ekonomaiserin avulla. Tällöin syöttövettä ei voida esilämmittää höyryturbiinin väliottohöyryn avulla, koska esilämmitys nostaisi savukaasujen lop-pulämpötilaa ja siten heikentäisi kattilan hyötysuhdetta.

Höyrykattilan ekonomaiserissa lämpöä siirtyy savukaasuista syöttöveteen. Höyry-30 kattilana on tulipesällä vamstettu höyrykattila. Syöttöveden lämpötilan muutos ekonomaiserissa on pienempi kuin savukaasupuolen lämpötilanmuutos. Syöttöveden 2 111288 lämpötilannousu on yleensä 40...50 % vastaavasta lämpötilan laskusta savukaasu-puolella. Sen vuoksi lämpötilaero ekonomaiserin kuumassa päässä on huomattavasti suurempi kuin kylmässä päässä. Tästä havainnosta seuraa, että syöttöveteen voidaan savukaasuista saatavan lämmön lisäksi siirtää muuta lämpöä. Höyryturbiinip-5 rosessissa on edullista hyödyntää väliottohöyryä syöttöveden esilämmitykseen.

Höyryvoimalaitoksen höyrykattilan ekonomaiseri on jaettu kahteen tai useampaan osaan, joiden väliin asetetuissa korkeapainepuolen esilämmittimissä syöttö vettä esi-lämmitetään höyryturbiinin väliottohöyryllä.

10

Kytkennän avulla tehostetaan höyrykattilan ja höyryturbiimprosessin integrointia. Höyrykattilan savukaasut voidaan järjestelyllä jäähdyttää tehokkaasti samalla, kun höyryturbiimprosessin hyötysuhde paranee.

15 Halvempi investoinniltaan kuin savukaasuluvollinen vaihtoehto: säädettävyys ja kattilahyötysuhde paranevat kattilarakennus pienenee kattila halpenee.

20 Kun savukaasuluvoratkaisu ei ole kannattava, saadaan rakenteen avulla toteutettua parempi prosessi, kun väliottohöyryn käyttöä voidaan lisätä.

Järjestely on edullinen varsinkin silloin, kun höyrykattilan palamisilma lämmitetään yhdessä tai useammassa sarjaan kytketyssä ja väliottohöyryä hyödyntävässä höyry-25 luvossa.

Hakijan aiemmasta FI-patentista nro 101 163 tunnetaan edellä mainittu edullinen kattilan ja höyryturbiinin välinen kytkentärakenne. On osoittautunut tarpeelliseksi voida säätää savukaasukanavassa olevien ekonomaiserien läpivirtautetun syöttöve-30 den lämpötilaa. Hakemuksessa on esitetty parannus FI 101 163:ssa esitettyyn kyt-kentärakenteeseen.

3 111288 Tässä hakemuksessa esitetään, että jaetun ekonomaiserin esilämmittimen ensimmäisen ekonomaiserin ohivirtausta säätämällä ja mahdollisesti myös ohitusyhteessä olevan syöttöveden esilämmittimen väliottohöyryn määrää säätämällä voidaan säätää 5 höyryturbiiniprosessin rakennusastetta. Esilämmitystä rajoittaa kuumimman ekonomaiserin kiehumislämpötila ja alarajana on välioton sulkeminen. Säätötapa vaikuttaa tehokkaasti sähköntuotantoon, mutta huonontaa hieman kattilan hyötysuhdetta, kun väliottohöyrynkäyttö on suunnitteluarvoa suurempaa. Rakennusasteen muutos on suuruusluokaltaan 10 %. Kattilan hyötysuhteen muutos on suurimmillaan 10 2-3%.

Ekonomaiserin ohi virtaavan syöttöveden virtausosuutta säätämällä voidaan a) kattilan savukaasun loppulämpötilaa säätää kattilan tehon muuttuessa ja polttoaineen laadun vaihdellessa 15 b) syöttöveden loppulämpötilaa säätää niin, että ekonomaiserin jälkeinen syöttöveden loppulämpötila on haluttu (= esim. 10 - 20 °C alle kiehumislämpötilan).

Varsinkin kun kyseessä on soodakattila ovat savukaasut hyvin likaavia ja korro-doivia ja siksi soodakattiloita ei voida varustaa savukaasuluvolla. Kattilan savukaa-20 sut jäähdytetään syöttämällä kattilaan n. 120°C syöttövettä. Palamisilman esilämmi-tys on mustalipeän polton vuoksi tärkeää ja siksi palamisilmaa lämmitetään teh-dashöyryn avulla tyypillisesti n. 150°C:een.

Edellä kuvattu kytkentä ei ole höyryturbiiniprosessin kannalta optimaalinen ja siksi 25 vastapaineturbiinista saatava sähköteho jää pieneksi. Kattilan kannalta optimaalinen tilanne on silloin, kun siitä poistuvien savukaasujen lämpötila on mahdollisimman alhainen eikä lämpöpintojen liiallista likaantumista ja korroosiota vielä tapahdu. Kun kattilaan menevä syöttö vesi on vakiolämpötilaista, vaihtelee savukaasujen lämpötila tehotason, polttoaineen laadun ja lämpöpintojen likaantumistilanteen mukaan. Opti-30 milämpötila saavutetaan vain hetkittäin osatehoilla.

4 111288

Edellä selostetusti optimaaliseen kattilan ajotapaan päästään kytkemällä soodakattila ja höyryturbiiniprosessi seuraavasti. Palamisilma esilämmitetään tehdashöyryn sijasta höyryturbiinin väliottohöyryillä n. 200°C:een ja kattilan savukaasukanavassa olevien ekonomaiserien väliin liitetään yhde väliottohöyryä käyttävästä syöttöveden 5 esilämmittimestä. Säätämällä kattilaan menevän syöttöveden lämpötilaa syöttöveden esilämmittimeen ohivirtauskanavan kautta menevän väliottohöyryn määrän avulla ja/tai samanaikaisesti säätämällä syöttöveden lämpötilaa esilämmittimeen menevän väliottohöyryn määrää säätämällä voidaan kattilan savukaasujen loppulämpötila säätää halutuksi kaikissa ajotilanteissa.

10

Keksinnön mukaiselle kattilan ja höyryturbiinin väliselle kytkentärakenteelle ja menetelmälle höyryturbiinin syöttöveden lämpötilan säädössä on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksissa.

15 Keksintöä selostetaan seuraavassa viittaamalla oheisien piirustuksien kuvioissa esitettyihin keksinnön edullisiin suoritusmuotoihin, joihin keksintöä ei ole tarkoitus kuitenkaan yksinomaan rajoittaa.

Kuviossa 1 on esitetty kaavioesityksenä kattilan ja höyryturbiinin välinen kytkentä-20 rakenne.

Kuviossa 2 on esitetty savukaasulämpötilan lasku savukaasukanavassa ja ekonomaiserin syöttövedessä tapahtuva lämpötilan nousu keksinnön mukaisessa säädössä.

25

Kuviossa 1 on esitetty keksinnön mukainen kattilan ja höyryturbiinin välinen kyt-kentärakenne käsittää höyrykattilan, esimerkiksi soodakattilan, johon tuodaan polttoaine nuolella M) esitetysti. Kattilaa on merkitty viitenumerolla 10. Höyrystintä on esitetty viitenumerolla 190 ja tämän jälkeistä tulistinta yhteessä 12aj viitenume-30 rolla 120. Savukaasut poistuvat kakkosvedon 10a kautta kattilasta 10 savupiipun 100 ja sen kautta ulkoilmaan nuolella Li esitetysti. Kakkosveto 10a on se osa kattilaa, 5 111288 joka käsittää lämpöpinnat ennen savupiippua 100. Höyryturbiinille 11 johdetaan tulistettu höyry yhdettä 12aj pitkin ja höyryturbiini 11 on sovitettu pyörittämään sähköä tuottavaa generaattoria G. Höyryturbiinilta 11 on väliottohöyryille yhteet 13a] ja 13a2 sekä yhde 13a3 lauhduttimeen 18 poistohöyrylle tai teollisuusproses-5 siin menevälle vastapainehöyrylle Yhde 13ai on haarautettu haarayhteisiin 13ai.i ja 13ai .2, joista yhde 13au johtaa yhteessä 19 virtaavan syöttöveden esilämmitti-melle 14 ja yhde 13ai.2 johtaa palamisilman esilämmittimelle 15a1? josta on paluu-yhde 13b2 syöttövesisäiliöön 17. Syöttöveden esilämmittimeltä 14 on paluuyhde 132 syöttövesisäiliöön 17. Palamisilma johdetaan yhdettä tai ilmakanavaa 16 pitkin 10 sarjassa olevien palamisilman esilämmittimien 15aj ja 15a2 kautta kattilan tuli-pesään K.

Kytkentärakenteessa syöttöveden lämpötilaa nostetaan jatkuvasti syöttöveden virratessa ensimmäisessä ekonomaiseriosassa 20ai ja ensimmäisestä ekonomaiseriosasta 15 20aj toiseen ekonomaiseriosaan 20a2. Esilämmittimessä 14 syöttövettä lämmitetään väliottohöyryistä saatavan lämpöenergian avulla.

Höyryturbiinilta 11 on edelleen väliottohöyrylle yhde 13a2, joka haarautuu haarayhteisiin 13a2.i, 13a2.2· Yhde 13a2.i johtaa toiselle palamisilman esilämmittimelle 20 15a2. Ilman esilämmittimeltä 15a2 on poistoyhde 13b3 syöttövesisäiliöön 17. Yhde 13a2.2 johtaa syöttövesisäiliöön 17. Höyryturbiinin 11 poistohöyryn yhde 13a3 on johdettu lauhduttimelle 18. Lauhduttimen 18 jättöpuolella yhteessä 13a3 on pumppu P], joka pumppaa vettä syöttövesisäiliöön 17 lauhduttimelta 18.

25 Pumppu P2 on liitetty yhteeseen 19, joka johtaa syöttö vesisäiliöstä 15 savukaasu-kanavassa 10a olevan ekonomaiserin 20 ensimmäiseen ekonomaiseriosaan 20ai, joka ensimmäinen ekonomaiseriosa 20ai on edelleen liitetty toiseen ekonomaiseriosaan 20a2, jotka ekonomaiseriosat 20ai ja 20a2 ovat siten sarjassa toisiinsa nähden ja joiden ekonomaiseriosien 20a] ja 20a2 väliin on kytketty haarapis-30 teeseen D2 väliottohöyrystä energian ottava syöttöveden esilämmittimeltä 14 johdettu yhde 21'. Ekonomaiseri 20 on ainakin kaksiosainen. Syöttöveden virtaussuun- 6 111288 taa yhteessä 19 on merkitty nuolella L2. Syöttövesi yhteessä 19 virtautetaan ensimmäiseen ekonomaiseriosaan 20ai ja siitä toiseen ekonomaiseriosaan 20a2 tai ohi-tusyhteen 21 kautta syöttö veden esilämmittimelle 14 ja siltä ensimmäisen ekonomaiseriosan 20ai ja toisen ekonomaiseriosan 20a2 väliseen yhteeseen 19. En-5 simmäinen ekonomaiseriosa 20ai ja toinen ekonomaiseriosa 20a2 on kytketty sarjaan toisiinsa nähden.

Ennen ekonomaiseriosaa 20ai käsittää yhde 19 haarapisteen D) ohitusyhteelle tai ohituskanavalle 21, jonka avulla ohitetaan syöttövesivirtaukseen nähden ensimmäi-10 senä oleva ekonomaiseriosa 20ai. Kyseinen ekonomaiseriosa 20a! on siten ohitettavissa ja syöttövesi on johdettavissa suoraan toiseen ekonomaiseriosaan 20a2 ja edullisesti syöttöveden esilämmittimen 14 kautta. Haarapiste Di käsittää edullisesti syöttövesivirtauksen jakoventtiilin 22, joka voi olla kolmitieventtiili eli se säätää virtausta ekonomaiseriosan 20ai ja ohituskanavan eli ohitusyhteen 21 välillä. Käyt-15 tämällä venttiiliä 22 voidaan siten säätää ekonomaiseriosaa 20ai ohitusvirtausta ha-lutusti kattilan ajo-olosuhteiden mukaisesti. Yhde 19 liittyy siten jako venttiiliin 22, josta on ulostulo ohitusyhteeseen 21, joka liittyy esilämmittimeen 14 ja toinen ulostulo, joka liittyy ensimmäiseen ekonomaiseriosaan 20ai. Esilämmittimeltä 14 yhde 21' on liitetty haarapisteen D2 kautta ekonomaiseriosien 20ai ja 20a2 väliseen yhtee-20 seen 19.

Venttiili 22 voi olla rakenteeltaan on/off -tyylinen venttiili, jolloin virtautetaan koko yhteen 19 syöttövesimäärä joko ohivirtausyhteen 21 kautta tai ekonomaiseriosan 20ai kautta tai venttiili 22 voi olla rakenteeltaan ns. proportionaaliventtiili, jolloin 25 lisättäessä ohivirtausta ohitusyhteen 21 kautta vastaavalla määrällä vähennetään virtausta ekonomaiseriosan 20ai kautta kuitenkin niin, että osa virtauksesta kulkee ekonomaiseriosan 20ai kautta ja osa ohitusyhteen 21 kautta.

Esilämmittimelle 14 menevän väliottohöyryn määrää säätämällä venttiilillä 23 voi-30 daan säätää tehostetusti syöttöveden lämpötila halutuksi useaosaisen ekonomaiserin 20 eri osissa kattilan 10 eri ajo-olosuhteissa. Esilämmittimessä 14 siirtyy lämpöener- 7 111288 gia väliottohöyrystä suoraan syöttöveteen tai välillisesti väliaineen esimerkiksi veden kautta. Esilämmitin 14 on siten lämmönvaihdin, jossa lämpöenergiaa siirretään syöttöveteen.

5 Kuvassa 2 kylmän ekonomaiserin nousukulma muuttuu säädön päävaikutuksena. Ohitusvirtaus on kuvattu vaakasuoralla kuvaajalla. Syöttö veden lämpötila on säädettävissä halutuksi ekonomaiseriosien 20ai, 20a2 eri kohdissa. Ekonomaiseriosan 20a] tulopuolella ja savukaasukanavan 10a lähtöpuolella on merkitty savukaasun lämpötilaa Ti' ja syöttöveden lämpötilaa Ti". Toisen ekonomaiseriosan 20a2 lähtö-10 puolella ja savukaasukanavan tulopuolella ovat kuvion 2 merkinnät seuraavat: savu kaasun lämpötila on T2'ja syöttöveden lämpötila on T2". Savukaasukanava 10a voi käsittää lämpötila-anturit; lämpötila-anturin E2, joka mittaa lämpötilaa savukaasu-kanavan tulopuolella (savukaasun virtaussuuntaan Li katsottaessa) ja lämpötila-anturin Ei, joka mittaa savukaasun lämpötilaa savukaasukanavan 10a lähtöpuolella. 15 Lisäksi laitteisto voi käsittää lämpötila-anturit itse syöttöveden 19 yhteessä. Lämpötilaa voidaan mitata syöttövedestä ensimmäisen ekonomaiseriosan 20ai jälkeen ennen toista ekonomaiseriosaa 20a2 ja syöttövedestä toisen ekonomaiseriosan 20a2 jälkeen syöttöveden virtaussuuntaan L2 katsottaessa. Syöttöveden virtaussuuntaa yhteessä 19 on merkitty nuolella L2.

20

Menetelmässä höyryturbiinin syöttöveden esilämmityksessä ja sen säädössä menetellään seuraavasti. Syöttövesi johdetaan tulipesällä K varustetun höyrykattilan 10 ekonomaiseriin 20, jossa lämpöä siirretään lämmönvaihtimessa savukaasuista syöttöveteen. Ekonomaiseri 20 on sovitettu lämpöpinnoiltaan sijaitsemaan ainakin 25 osittain höyrykattilan 10 savukaasukanavassa 10a. Käytetään ainakin kaksiosaista ekonomaiseria 20ai, 20a2 syöttöveden lämmitykseen, jotka ovat sarjassa. Väliot-tohöyryjen avulla esilämmitetty syöttövesi johdetaan toiseen ekonomaiseriosaan 20a2 ja edelleen höyrystimelle 190 ja tulistuneen 120 ja edelleen höyrynä höyry-turbiinille 11 sähkögeneraattorin G pyörittämiseksi ja sähkön tuottamiseksi. Me-30 netelmässä esilämmitetään myös palamisilma väliottohöyryistä otetun energian avulla. Menetelmässä säädetään ekonomaiserin 20 syöttöveden ohivirtausmäärää 8 111288 venttiilillä 22. Ohivirtauksen lisäksi säädetään syöttöveden esilämmittimeen 14 virtautettua väliottohöyryvirtausmäärää venttiilillä 23. Menetelmässä säädetään venttiiliä 22 ja/tai 23 savukaasujen lämpötilamittauksen ja/tai ekonomaiserin 20 läpi virtautetun syöttöveden lämpötilamittauksen pemsteella.

Claims (7)

111288

1. Tulipesällä varustetun höyrykattilan ja höyryturbiinin välinen kytkentärakenne, jossa 5. höyry johdetaan höyrykattilasta (10) yhdettä pitkin höyryturbiinille (11) sähköä tuottavan sähkögeneraattorin (G) pyörittämiseksi höyrykattilan (10) kautta kierrätetty syöttö vesi höyrystetään höyrykattilassa (10) sijaitsevassa höyrystimessä (190) ja tulistetaan tulistimessa (120), 10. syöttövesi johdetaan kattilaan lämmönvaihtimena toimivan ekonomaiserin (20) kautta, jossa lämpöä siirretään kattilan savukaasuista syöttöveteen, ekonomaiseri (20) on ainakin kaksiosainen käsittäen ainakin yhden ensimmäisen ekonomaiseriosan (20ai) ja ainakin yhden toisen 15 ekonomaiseriosan (20a2), jotka ovat saij assa, höyryturbiinin väliottohöyryillä esilämmitetty syöttövesi johdetaan höyrykattilassa (10) edelleen höyrystimelle (190) ja tulistimelle (120) ·, ja sen kautta höyrynä höyryturbiinille (11), ; ‘; - ja jossa kytkentärakenteessa höyrykattila (10) on soodakattila 20 tunnettu siitä, että ekonomaiseriosille (20ai, 20a2) johtava yhde (19) käsittää haarapisteen (Di) syöttöveden ohitusyhteelle (21), jolloin ekonomaiseriosa (20ai) on ohitettavis-. ; sa ainakin osalta syöttövesivirtausta ja että ohivirtausventtiiliä (22) säädetään savukaasujen lämpötilamittauksen ja/tai ekonomaiserin (20) läpi virtautetun 25 syöttöveden lämpötilamittauksen perusteella, jolloin laiteratkaisu käsittää an turit savukaasun lämpötilan mittaamiseksi tai syöttöveden lämpötilan mittaamiseksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kytkentärakenne, tunnettu siitä, että ohi- 30 tusyhde (21) on liitetty syöttöveden esilämmittimeen (14) ja että esilämmitti- meltä (14) yhde (2Γ) johtaa haarapisteen (D2) kautta ekonomaiseriosien (20ai ja ίο 20a2) väliseen yhteeseen (19) ja että syöttöveden esilämmittimelle (14) johdetaan väliottohöyryä höyryturbiinilta (11). H IZöö

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen kytkentärakenne, tunnettu siitä, että haara- 5 piste (Di) käsittää jako venttiilin (22), jonka avulla voidaan säätää syöttövesivir- tausta ekonomaiseriosan (20ai) ja ohitusyhteen (21) välillä.

4. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen kytkentärakenne, tunnettu siitä, että syöttöveden esilämmittimelle (14) johtava yhde (13au) käsittää vent- 10 tiilin (23) väliottohöyryvirtausmäärän säätämiseksi esilämmittimelle (14).

5. Menetelmä höyryturbiinin syöttöveden esilämmityksessä ja sen säädössä, jossa syöttövesi johdetaan tulipesällä (K) varustetun höyrykattilan (10) 15 ekonomaiseriin (20), jossa lämpöä siirretään lämmön-vaihtimessa savukaa suista syöttöveteen - ekonomaiseri (20) on sovitettu lämpöpinnoiltaan sijaitsemaan ainakin osittain ; höyrykattilan (10) savukaasukanavassa (10a), käytetään ainakin kaksiosaista ekonomaiseria (20ai, 20a2) syöttöveden läm-20 mitykseen, jotka ovat toisiinsa nähden sarjassa, - menetelmässä esilämmitetään myös palamisilma väliottohöyryistä otetun energian avulla, - ja että menetelmässä käytetty höyrykattila (10) on soodakattila, tunnettu siitä, että menetelmässä säädetään ekonomaiserin (20) syöttöveden 25 ohivirtausmäärää venttiilillä (22) ja että menetelmässä säädetään venttiiliä (22) savukaasujen lämpötilamittauksen ja/tai ekonomaiserin (20) läpi virtautetun syöttöveden lämpötilamittauksen perusteella.

6. Edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ohi- 30 virtauksen lisäksi säädetään ohivirtausyhteessä (21) olevan syöttöveden esi- lämmittimeen (14) virtautettua väliottohöyryvirtausmäärää venttiilillä (23) ja että 111288 esilämmittimeltä (14) on yhde (2Γ) ekonomaiseriosien (20ai ja 20a2) väliseen linjaan (19) haarapisteen (D2) kautta.

7. Patenttivaatimuksen 5 tai 6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että menetel-5 mässä säädetään venttiiliä (23) savukaasujen lämpötilamittauksen ja/tai ekonomaiserin (20) läpi virtautetun syöttöveden lämpötilamittauksen perusteella. 111288