NL8203126A - Krachtinstallatie met gebruik van meertrapsturbines. - Google Patents

Description

» * * - 1 - /

Kraohtinstallatie met gebruik van meertrapsturbines.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een verbeter-de krachtinsiaLlatie met gebruik van een meertrapsturbine, hierna genoemd een kraohtinstallatie van het beschreven soort, waarbij het uitgaande vermogen van βέη trap het ingaande vermogen voor de 5 volgende trap vormt.

Bij vele industriele krachtinstallaties van het beschreven soort, worden cyclische elektrische belastingen opgenomen door het regelen van hetzij de mate waarin stoom voortgebracht wordt door de stoomketel ketzij de. inlaatdruk naar de turbinetrappen. Indien de 10 elektrische belasting van de kraohtinstallatie de nominale belasting daarvan is, brengt de stoomketel stoom bij nominale temperatuur, druk en massastroom voort. Anderzijds moet, indien de elektrische belasting op de kraohtinstallatie onder de nominale waarde daalt, het uitgangsvermogen van de turbines verminderd worden. Omdat het 15 maximale turbinerendement bij nominale belasting optreedt, bexnvloedb elke werking bij minder dan de nominale belasting op negatieve wijze de kosten van het elektrisch vermogen dat door de kraohtinstallatie voortgebracht wordt. Bovendien brengt de gebruikelijke benadering voor het verminderen van het uitgangsvermogen van de turbine verdere 20 rendements-verliezen in het gehele systeem. Het verminderen van de inlaatdruk van de turbine (smoten) teneinde het uitgaande vermogen van de turbine te verminderen, leidt tot een onomkeerbaar proces dat brandstof verspilt; en het laten werken van de stoomketel bij minder dan de toestand waarvoor deze ontworpen is-teneinde de massa-25 stroom te verminderen, heeft ook een minder nuttig gebruik van brandstof tot gevolg.

Het is daarom een doel van de onderhavige uitvinding om een nieuwe en verbeterde kraohtinstallatie van het beschreven type te verschaffen, welke de bovenbeschreven gebrken overwint of wezenlijk 50 vermindert.

In een kraohtinstallatie volgens de onderhavige uitvinding wordt een stoomketel bedreven om een nominale hoeveelheid onder hoge druk staande stoom bij nominale temperatuur en druk te leveren aan een stoomturbine, die een hoge-druktrap en ten minste een lage-55 druktrap heeft, welke laatste aangedreven wordt door stoom met lage kwaliteit die uit de hoge-druktrap uitgelaten wordt. Een hoofdgenera-tor aangedreven door de stoomturbine, 1evert elektriciteit aan een 8203126 - 2 - variabele belasting. Indien de belasting onder de nominale waarde daalt, wordt het bedrijf van de stoomketel gehandhaafd, maar de stoom met lage kwaliteit die uit de hoge-druktrap van de turbine uitgelaten wordt, wordt voor de lage-druktrap afgetakt naar een 5 warmte-accumulator, zoals een hoeveelheid water, die groot genoeg is om de warmte in de onder lage druk staande stoom gedurende de tijd dat de krachtinstallatie bij minder dan de nominale belasting werkt, op te slaan. Een afvalwarmte-omzetter, die een eigen generator heeft, werkt met de warmte met lage kwaliteit die opgeslagen is 10 in de warmte-accumulator, en kan naar keuze bedreven worden om elek-triciteit aan de belasting te. verschaffen om het uitgaande vermogen van de krachtinstallatie aan te vullen. Het uitgaande vermogen van de afvalwarmte-omzetter kan gebruikt worden voor piekbelastingdoel-einden, waardoor de grootte van de hoofdkrachtinstallatie verminderd 15 wordt, alsmede voor het verschaffen van vermogen op laag niveau tijdens het stopzetten van de hoofdkrachtinstallatie. Bovendien werken de stoomketel en de hoge-druktrap van de turbine indien deze in bedrijf zijn bij maximaal rendement, wat het verminderen van de brandstofkosten van de krachtinstallatie volgens de onderhavige uit-20 vinding tot onder de brandstofkosten van een gebruikelijke krachtinstallatie van dezelfde grootte tot gevolg heeft.

Een uitvoering van de uitvinding is in de bijgaande teke-ningen afgebeeld, waarin: fig. 1 een blokdiagram van een krachtinstallatie van het 25 beschreven type is, waatin de onderhavige uitvinding opgenomen is; en fig. 2A-2B tijdsdiagrammen zijn, welke de wisseling in belasting en het bedrijf van de stoomketel en de afvalwarmte-omzetter tonen.

50 In fig. 1 van de tekeningen, heeft verwijzingsnummer 10 betrekking op een krachtinstallatie volgens de onderhavige uitvinding, omvattende een krachtinstallatie 11 van het beschreven type waaraan een afvalwarmte-omzetter 12 gekoppeld is. Be krachtinstallatie 11 omvat een gebruikelijke stoomketel 15, een meertrapsstoom-55 turbine 14 die generator 15 aandrijft, welke elektriciteit levert aan een bij de krachtinstallatie behorende net (niet afgebeeld), een condensor 16, en een voedingspomp 17· Be warmte die toegevoerd wordt aan de stoomketel 15 maakt het de stoomketel mogelijk om onder hogedruk staande stoom te verschaffen aan de hoge-drukturbinetrap 40 18, waarvan de uitlaat via een afsluiter 19 op de lage-drukstoomtur- 8203126 m- * * > - 3 - bine 20 aangesloten is, welke in een condensor 16 uitlaat. Koel-water dat door de pijjpenbundels 21 toegevoerd wordt, koelt het uit-gaande medium nit de lage-drukturbine 20, en het daarbij ontstane vloeibare water wordt door een pomp 17 terug in de stoomketel ge-5 bracht waardoor de kringloop gesloten wordt.

Indien nominale warmte aan de stoomketel 13 toegevoerd wordt, zal deze een nominale massastroom stoom bij nominale tem-peratuur en druk voortbrengen, en de krachtinstallatie 11 werkt zodanig, dat generator 15 nominaal vermogen welke verschaft wordt 10 door de krachtinstallatie aan het bij een krachtinstallatie beho-rende net toevoert. Onder deze omstandighad werkt turbine' 14 op zijn ontworpen vermogen, en het rendement daarvan, alsmede het ren-dement van de gehele krachtinstaEbbie zal maximaal zijn. Indien de belasting verschaft door generator 15 vermindert tot onder de nomi-15 nale waarde, is de gebruikelijke benadering voor het verminderen van het uitgaande vermogen van turbine 14 om de stoom die aan de hoge-drukturbine toegevoerd wordt te smoren, en misschien om de stoom die aan de lage-drukturbine toegevoerd wordt te smoren. Dit zal de hoeveelheid arbeid die door de turbine voortgebracht wordt 20 verminderen, maai het rendement daarvan zal ook dalen. Bovendien vormt behalve de verliezen die plaatsvinden door deze afname in rendement van de turbine indien deze onder omstandigheden anders dan de nominale belasting werkt, het smoren in de stoomleidingen een onomkeerbaar proces dat het rendement van de krachtinstallatie 25 verder vermindert. Als gevolg daarvan zal het brandstofaandeel van de kosten van de elektriciteit die voortgebracht wordt door de krachtinstallatie toenemen indien het systeem boven of onder de nominale omstandigheden werkt.

Om dit in-efficiente bedrijf, indien de belasting van het 30 systeem verschilt van de nominale waarde van de krachtinstallatie, te overwinnen, zijn een afvalwarmte-omzetter 12 en een warmte-accu-mulator 22 in de krachtinstallatie 11 opgenomen. Meer in het bij-zonder kan de warmte-accumulator 22 de vorm van een grote hoeveelheid water hebben, welke verwarmd wordt, indien een naar keuze te 55 bedienen omloopafsluiter 19 geschakeld wordt van de lage-drukturbine 20 naar de warmte-accumulator 22. Dat wil zeggen indien de afsluiter 19 de onder lage druk staande stoom die uitgelaten wordt uit de hoge-drukturbine 18 van de lage-drukturbine 20 naar de warmte-accumulator 22 overschakelt, de warmte die aanwezig is in de onder 40 lagedruk staande stoom overgebracht wordt naar het water dat zich 8203126 - 4 - in de warmte-accumulator bevindt, in plaats van omgezet te worden in arbeid door de lage-drukturbine 20.

Indien gewenst kan de werking van de afsluiter 19 geauto-matiseerd worden. In een dergelijk geval zou een belastingsaftaster 5 40, die reageert op het uitgaahde vermogen van generator 15, een stuursignaal kunnen voortbrengen, dat de afsluiter 19 stroming van de turbine 20 naar accumulator 22 doet aftakken als reactie op een van tevoren bepaalde vermindering in belasting op krachtinstallatie 11.

10 De hoeveelheid water die aan de warmteaccumulator 22 toege- voerd wordt door het slectieve bedrijf van de omloopafsluiter 19, wordt via de leiding 23 die verbonden is aan een mengafsluiter 24 door de werking van de voedingspomp 17 nit de warmteaccumulator verwijderd. De stroming van water naar de stoomketel 13 blijft ζό 15 gehandhaafd. Op deze wijze blijven zowel de hoge-drukstoomturbine 18 en de stoomketel 13 onder de omstandigheden waarvoor deze ont-worpen zijn werken, waardoor het rendement van deze twee onderdelen dus zo groot mogelijk gemaakt wordt. Uiet gebruikte warmte in turbine 14 wordt zo opgeslagen in accumulator 22.

20 De hierboven beschreven toestand is in fig. 2 afgebeeld, waarin kromme A van fig. 2A de wisseling van de belasting in de tijd tijdens een typische 24-uursperiode voorstelt, waarbij opge-merkt moet worden dat kromme A alleen illustratief is voor een typische vraagkromme voor een bij een krachtinstallatie behorende 25 net. In de afgebeelde situatie moet krachtinstallatie 10 ongeveer twee uur, van ongeveer 10 uur ' s morgens tot tussen de middag nominale belasting leveren en de volgende tien uren moet krachtinstallatie 10 minder dan de nominale belasting verschaffen. Aan-nemende dat de te verschaffen belasting door de krachtinstallatie 30 10 tijdens het interval vanaf tussen de middag tot 10 uur ’ s avonds het nominale uitgaande vermogen van de hoge-druktrap 18 van turbine 14 is, wordt de overmaat warmte die voortgebracht wordt door de stoomketel 13 in plaats van door de lage-druktrap 20 in arbeid omgezet te worden, afgevoerd door de werking van de omloopafsluiter 35 19 naar warmteaccumulator 22. De volgende tien uur blijven stoom ketel 13 en turbine 18 ζό bij maximaal rendement werken.

0m ongeveer 10 uur ' s avonds, indien de te verschaffen belasting door krachtinstallatie 10 tot op het laagste niveau daarvan daalt, hetgeen in afbeelding van fig. 2 het vermogen van de afval-40 warmtegenerator 25 is, wordt de werking van stoomketel 13 tijdelijk 8203126 - 5 - gestaakt en wordt de afvalwarmteomze11er 12 gebruikt.

Zoals in fig. 1 afgebeeld is, omvat de afvalwarmteomzetter 12 bij voorkeur een krachtinstallatie 26 met een gesloten Rankine-cyclus met een organised fluidum in de vorm van een verdamper 27 > 5 een turbine voor het organisohe fluldum 28 en een condensor 29·

Voor het beginnen van de werking van de afvalwarmteomzetter 12, wordt de pomp 32 ingeschakeld voor het onttrekken van warm water nit de warmteaccnmulator 22 en voor het door de warmtewisselaar 30 . in de verdamper leiden van dit water. Een organisch fluxdum, zoals 10 freon of dergelijke, dat gevat is in verdamper 27, wordt verdampt door het vermde water, en omgezet in damp, die toegevoerd wordt aan de inlaat van de turbine voor het organisohe fluldum 28, welke een generator 25 op een gebruikelijke wijze aandrijft. De damp die uit de turbine 28 uitgelaten wordt, wordt aan de condensor 29 15 toegevoerd, waarin koelwater dat door pijpenbundels 31 gaat, de dampen die door turbine 28 uitgelaten worden, condenseert; en voe-dingspomp 32 doet het gecondenseerde organisohe fluldum naar de verdamper 27 terugkeren om de krinloop te sluiten.

Door het bedrijf van stoomketel 13 gedurende de tijd dat 20 de belasting op de krachtinstallatie 10 onder de nominale waarde ligt, wordt voldoende warmte opgeslagen in de warmteaccumulator 22 om het de warmteomzetter 12 mogelijk te maken om van ongeveer 10 uur ’ savonds tot ongeveer de volgende dag 6 uur 's morgens te wer-r ken, door met het uitgaande vermogen van de generator 25 aan de 25 behoeften van het bij de krachtinstallatie behorende net te vol-doen. Om ongeveer 6 uur *s ochtends wordt het bedrijf van de afvalwarmteomzetter 12 beeindigd door pomp 32 buiten gebruik te stel-len en afsluiter 19 zodanig te bedienen dat op hetzelfde moment dat de krachtinstallatie 11 opnieuw in bedrijf gebraoht wordt door het 30 toevoeren van warmte aan stoomketel 13, de uitlaat van turbine 18 verbonden wordt met de inlaat van turbine 20. De energie die ver-schaft wordt door krachtinstallatie 10 wordt zi 0vergeschakeld van de generator 25 naar de generator 15, en de nominale belasting wordt weer door de krachtinstallatie verschaft.

35 Zoals in fig. 2 afgebeeld is, is om ongeveer 8 uur 's mor gens de werkelijke belasting die geleverd moet worden door krachtinstallatie 10 gedurende ongeveer twee uur moximaal; en gedurende deze piektijd, wordt de afvalwarmteomzetter 12 opnieuw in bedrijf gebraoht zodat de generatoren 15 en 25 gelijktijdig energie aan 40 het bij de krachtinstallatie behorende net leveren.

8203126 - 6 -

De kromme in fig. 2B geeft de tijdsduur aan gedurende welke de afvalwarmteomzetter 12 in bedrijf is, terwijl de kromme in fig. 2C de werkzame periode van de hoge-druktrap van turbine 18 aangeeft.

5 De kromme van fig. 2D tenslotte geeft de tijdsduur aan gedurende welke de lage-druktrap van de turbine in bedrijf is.

Het gevolg van de werking van de afvalwarmteomzetter en de werking van de trappen van de meer-trapsturbine 14 verschaft de belas-tingkarakteristiek, die door kromme A in fig. 2 aangegeven wordt.

10 De warmteaccumulator 22 kan een open iservoir met water zijn, dat zodanig ingericht is dat onder lagedruk staande stoom die uitgelaten wordt uit de hoge-drukturbine 18 in rechtstreekse aanraking met het water in de warmteaccumulator gebmcht wordt. Alternatief kan de warmteaccumulator een vloeistof anders dan 15 water zijn, en warmte kan uit de onder lagedruk staande stoom in de warmteaccumulatorvloeistof overgebracht worden door een passende warmtewisselaar (niet afgebeeld).

Hoewel een krachtinstallatie met een gesloten Rankine-cyclus met een organisch fluldum in fig. 1 afgebeeld is, kunnen 20 ook andere typen krachtinstallaties gebruikt worden. Een lage-drukstoomturbine zou bijvoorbeeld gebruikt kunnen worden als deel van de afvalwarmteomzetter; en in dat geval zou de verdamper de vorm van een flashverdamper kunnen hebben, welke water dat uit warmteaccumulator 22 onttrokken is, in staat zou stellen om te 25 verdampen tot stoom, welke stoom dan aan een stoomturbine die generator 25 aandrijft, toegevoerd zou kunnen worden.

Verondersteld wordt dat de voordelen en de verbeterde resul-taten die verschaft worden door de werkwijze en de inrichting vol-gens de onderhavige uitvinding duidelijk zijn uit de voorgaande be-30 schrijving van de voorkeursuitvoering van de uitvinding. Yerschil-lende veranderingen en wijzigingen kunnen aangebracht worden zonder buiten het bereik van de uitvinding te geraken.

8203126

Claims (10)

1. Krachtinstallatie met een stoomketel voor het leveren van een nominale hoeveelheid onder hogedruk staande stoom bij nominal e druk en temperatuur aan een meertrapsstoomturbine die een 5 hoofdgenerator aandrijft welke elektriciteit levert aan een wisse-lende belasting, met het kenmerk, dat deze vender omvat: een naar keuze te bedrijven omloop voor het naar keuze af-takken van stoom met lage kwaliteit van ten minste een tussenlig- 10 gende trap van de stoomturbine naar een warmteaccumulator indien de elektrisohe belasting onder de nominale waarde van de hoofdgenerator daalt, waardoor de stoomketel de nominale hoeveelheid stoom bij nominale temperatuur en druk blijft leveren aan de stoomturbine onafhankelijk van de elektrisohe belasting en een 15 afvalwarmteomzetter welke werkt met warmte een lage kwaliteit in de warmteaccumulator voor het naar keuze verschaffen van elektriciteit aan die belasting.

2. Inrichting volgens cinclusie 1, met het kenmerk, dat de afvalwarmteomzetter een krachtinstallatie 20 met een gesloten Rankine-cyclus met een organiseh fluidum is.

3· Inrichting volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de stoom met lage kwaliteit automatisch afge-takt wordt naar de warmteaccumulator reagerend op de elektrisohe belasting. 25

4· Inrichting volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de warmteaccumulator een hoeveelheid water is.

5* Samengestelde krachtinstallatie, m e t h e t kenmerk, dat deze omvat: (a) een stoomketel die te bedrijven is om een nominale 30 hoeveelheid onder hogedruk staande stoom bij nominale temperatuur en nominale druk aan een toomturbine, die een hoge-druktrap en ten minste een lage-druktrap heeft welke aangedreven wordt door de stoom met lage kwaliteit die uit de hoge-druktrap uitgelaten wordt; toe te voeren; 35 (b) een hoofdgenerator die aangedreven wordt door de stoom turbine voor het verschaffen van elektriciteit aan een variabele belasting; (c) een warmteaccumulator voor het opslaan van warmte met lage kwaliteit; 40 (d) te bedienen middelen voor het naar keuze leiden van de 8203126 - 8 - stoom met lage kwaliteit naar de warmteaccumulator; en (e) een afvalwarmteomzetter die werkt met warmte met lage kwaliteit in de warmteaccumulator voor het verschaffen van elektri-citeit aan de wisselende belasting.

6. Samengestelde krachtinstallatie volgens conclusie 5> met het kenmerk, dat de afvalwarmteomzetter een krachtinstallatie met een gesloten Rankine-cyclus met een organisch fluldum is.

7. Samengestelde krachtinstallatie volgens conclusie 6, 10 met het kenmerk, dat deze middelen omvat voor het registreren van de elektrische belasting en het automatisch bedie-nen van de te hedienen middelen voor het naar keuze afleiden van stoom met lage kwaliteit naar de warmteaccumulator als reactie op grootte van de elektrische belasting.

8. Werkwijze voor het opwekken van elektriciteit, met het kenmerk, dat deze de volgende stappen omvat: (a) voortbrengen van nominale onder hogedruk staande stoom onafhankelijk van de elektrische belasting; (b) verschaffen van die stoom aan de hogedrukinlaat van een 20 meertrapsstoomturbine welke een lagedruktrap heeft; (c) het naar keuze wegleiden van stoom van de lagedruktrap naar een warmteaccumulator; en (d) het naar keuze bedrijven van een afvalwarmteomzetter om elektriciteit op te wekken met gebruik van de warmte uit de 25 warmteaccumulator.

• 9* Werkwijze volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de stoom van de lagedruktrap onttrokken wordt uit de warmteaccumulator reagerend op de elektrische belasting.

10. Werkwijze volgens conclusie 8, met het 30 kenmerk, dat de afvalwarmteomzetter bedreven wordt indien de elektrische belasting het nominale vermogen van de meertraps-turbine te boven gaat. 8203126