CZ200531A3

CZ200531A3 - Tepelný obeh s kryogenním cerpadlem a plynovou turbinou

Info

Publication number: CZ200531A3
Application number: CZ20050031A
Authority: CZ
Inventors: Kubis@Stanislav
Original assignee: Siemens Industrial Turbomachinery S. R. O.
Priority date: 2005-01-17
Filing date: 2005-01-17
Publication date: 2006-09-13
Also published as: CZ305163B6

Abstract

U tepelného obehu s plynovou turbínou a kryogenním cerpadlem je výtlak kompresoru (1) propojen prostrednictvím stredotlakového potrubí (14) s výmeníkem tepla (5), zkapalnovacího jednotkou (6) a kryogenním napájecím cerpadlem (7) jez je napojeno vysokotlakovým potrubím (15) na výmeníky zkapalnovací jednotky (6), tepelný výmeník (5), spalovací komoru (3) a plynovou turbínu (1) jejíz výstupní hrdlo je napojeno prostrednictvím nízkotlakového potrubí(13) na výfuk spalin (12). Do vysokotlakového potrubí (15) muze být za výmeník tepla (5) zarazen regeneracní výmeník (4) jehoz výstupní vysokotlakovépotrubí (15) je spojeno se spalovací komorou (3),pricemz nízkotlakové potrubí (13) spojuje tento výmeník s plynovou turbínou (1) a výfukem spalin (12).

Description

Zařízení spadá do oblasti výroby mechanické - elektrické energie resp. mechanické energie a tepla, případně zařízení pro zkapalňování plynů, petrochemii a další technologická zařízení.

Dosavadní stav techniky

Princip výroby mechanické energie z tepelné spočívá na několika málo termodynamických obězích ( cyklech ). Společné všem těmto oběhům je to, že pracovní látka je v plynném nebo tekutém stavu nejprve stlačena, potom ohřátá na požadovanou teplotu a v pracovním - expanzním procesu proběhne přeměna tepelné energie na energii mechanickou.

U pístových spalovacích motorů se pracovní látka - vzduch stlačuje při kompresním zdvihu pístu, u spalovacích turbín probíhá stlačování vzduchu v kompresoru. Po přivedení tepelné energie - spálení paliva v prostoru válce, resp. ve spalovací komoře spalovací turbíny a tím zvýšení teploty pracovní látky, následuje expanzní proces - expanzní takt ve spalovacím motoru, resp. expanze v plynové turbíně.

Na kompresi je spotřebováno až 2/3 práce, generované v expanzním procesu.

Podobně je tomu u parního cyklu. Zde se zvýší tlak vody na vstupu do kotle napájecími čerpadly. Následně se tato voda v kotli ohřeje a vypaří a takto vzniklá tlaková pára je přivedena do parní turbíny, kde proběhne expanzní proces za vzniku mechanické energie. Nevýhodou tohoto procesu je to, že teplo, které je nutné na vypaření vody, není v turbíně využito a je nutné ho odvést do okolí.

Jak práce kompresní, tak i přiváděné resp. odváděné výparné teplo významně snižuje účinnost obou těchto oběhů, takže se pohybuje na průměrné úrovni 35 %.

Podstata vynálezu

Výše uvedené problémy částečně řeší tepelný oběh podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že výtlak kompresoru je propojen středotlakovým potrubím s tepelným výměníkem, na nějž navazuje zkapalňovací jednotka a kryogenní napájecí čerpadlo, jež je napojeno vysokotlakovým potrubím na výměník zkapalňovací jednotky a dále na tepelný výměník, který je spojen s regeneračním výměníkem, přičemž tento je propojen se spalovací komorou a plynovou turbínou jejíž výstupní hrdlo je spojeno nízkotlakovým potrubím, přes regenerační výměník, s výfukem spalin.

Tím, že je vzduch nejprve zkapalněn ve zkapalňovací jednotce a jeho tlak je zvýšen v kryogenním čerpadle a odpařen nízkopotenciálním teplem z okolí, resp. odpadním teplem z oběhu, je významně sníženo množství tepla, resp. mechanické práce na získání tlakového pracovního media.

Aby byla co nejlépe využita tepelná energie, která je do oběhu přiváděna, je v regeneračním výměníku vzduch dále ohříván teplem, které obsahují spaliny odcházející z plynové turbíny.

·· ···· • · • ··· ····

Ve spalovací komoře je spalováno palivo přiváděné potrubím se vzduchem, čímž je zvýšena teplota spalin na požadovanou úroveň. V následné plynové turbíně proběhne expanzní proces a vyrobená mechanická práce, je využívána ve spotřebiči mechanické energie, např. v elektrickém generátoru.

Zvýšení výkonu a tepelné účinnosti oproti výše popsanému případu, je možné dosáhnout rozdělením expanze na dvě části, např. na vysokotlakovou a nízkotlakovou část. Před oběma částmi může být umístěna alespoň jedna další spalovací komora, která může být nahrazena vysokoteplotním výměníkem. Každé těleso turbiny může pracovat samostatně, nebo mohou být jejich hřídele propojeny např. prostřednictvím převodovky.

Odpadní teplo z oběhu je možné také využít pro další potřebu zařazením technologického výměníku za plynovou turbinu. Rekuperační a spalinovou armaturou lze nastavovat plynule množství tepla, které je využíváno v regeneračním a technologickém výměníku, aniž by byl ovlivněn výkon plynové turbiny.

Přehled obrázků ^r

Na přiloženém obrázku obr. 1 je znázorněno schéma zapojení oběhu s kryogenním čerpadlem a plynovou turbínou, tepelnými výměníky a propojovacím potrubím, na obr. 2 je obdobné schéma s vícetělesovou turbinou a alespoň jednou spalovací komorou, která může být nahrazena vysokoteplotním výměníkem tepla. Obrázek obr. 3 ukazuje zapojení tepelného oběhu s technologickým výměníkem.

Příklad provedení

Na obrázku 1 je uvedeno stručné schéma tepelného oběhu s kryogenním čerpadlem a plynovou turbínou, který se skládá z kompresoru 10, který je spojen sacím potrubím se sáním vzduchu 11 a prostřednictvím spojky s elektromotorem 8, jehož výtlak je spojen prostřednictvím středotlakového potrubí 14 s tepelným výměníkem 5 a dále se zkapalňovací jednotkou 6 a se vstupem kryogenního napájecího čerpadla 7. Vysokotlakové potrubí 15 kryogenního napájecího čerpadla je napojeno na výměníky zkapalňovací jednotky 6 a tepelného výměníku odkud je napojeno na regenerační výměník 4. Vysokotlakové potrubí 15 dále spojuje tento regenerační výměník 4 se spalovací komorou 3 a vstupem plynové turbíny 1, která je propojena hřídelem se spotřebičem energie 2. Výstup plynové turbíny 1 je nízkotlakovým potrubím 13 propojen s regeneračním výměníkem 4 a výfukem spalin 12.

Zvýšení výkonu a tepelné účinnosti oproti výše popsanému případu, je možné dosáhnout rozdělením expanze alespoň na dvě části. Na obr. 2 je uveden příklad tepelného oběhu, v němž je plynová turbína 1 nahrazena vícetělesovou turbínou v tomto případě dvoutělesovou s vysokotlakovou částí 1 a nízkotlakovou částí 17 , se dvěmi spalovacími komorami vysokotlakovou 3 a nízkotlakovou 1_6, které mohou být nahrazeny dvěmi vysokoteplotními výměníky, vysokotlakovým 3^ resp. nízkotlakovým 16.

Každá část turbíny může být použita k samostatnému pohonu různých zařízení, nebo jak je uvedeno na obrázku, mohou být jejich hřídele propojeny např. prostřednictvím převodovky 18 a pohánět spotřebič energie 2.

Odpadní teplo z oběhu je možné také využít pro další potřebu zařazením technologického výměníku 20 za plynovou turbinu podle obrázku obr. 3. Rekuperační armaturou 21 a spalinovou armaturou 22 lze nastavovat plynule množství tepla, které je využíváno v regeneračním 4 a technologickém výměníku 20, aniž by byl ovlivněn výkon plynové turbiny 1 . Znamená to, že turbina může pracovat nezávisle na spotřebě tepla s maximální účinností a výkonem.

Claims

1. Tepelný oběh s plynovou turbínou a kryogenním čerpadlem vyznačují se tím, že výtlak kompresoru (1) je propojen prostřednictvím středotlakového potrubí (14) s výměníkem tepla (5), zkapalňovací jednotkou (6) a kryogenním napájecím čerpadlem (7) jenž je napojeno vysokotlakovým potrubím (15) na výměníky ’ zkapalňovací jednotky (6), tepelný výměník (5), spalovací komoru (3) a plynovou turbínu (1) jejíž výstupní hrdlo je napojeno prostřednictvím nízkotlakového potrubí (13) na výfuk spalin (12).

2. Tepelný oběh podle bodu 1, vyznačují se tím, že do vysokotlakového potrubí (15) je za výměník tepla (5) zařazen regenerační výměník (4) jehož výstupní vysokotlakové potrubí (15) je spojeno se spalovací komorou (3), přičemž nízkotlakové potrubí (13) spojuje tento výměník s plynovou turbínou (1) a výfukem spalin (12).

3. Tepelný oběh podle bodu 1 vyznačující se tím,'že místo spalovací komory (3) je zařazen vysokoteplotní výměník, který je propojeri vysokotlakým potrubím s tepelným výměníkem (5) a plynovou turbínou (1).

4. Tepelný oběh podle bodu 1 vyznačují se tím, že plynová turbína (1) je provedena alespoň ve 2stupňovém uspořádání, přičemž před vysokotlakovou část plynové turbíny (1) je zařazena alespoň jedna vysokotlaková spalovací komora (3), která může být nahrazena vysokoteplotním vysokotlakovým výměníkem tepla a před nízkotlakovou Část (17) je zařazena alespoň jedna nízkotlaková spalovací komora (19), která může být nahrazena nízkotlakovým vysokoteplotním výměníkem (16).

5. Tepelný oběh podle bodu 1 vyznačující se tím, že výfuk plynové turbíny (1) resp. (17) je napojen přes regenerační výměník (4) na výfuk spalin (12) a přes technologický výměník (20) na výfuk výměníku (23).

£ooT'ii