(13) B1 PL B1 F01K 17/02. (54) Sposób i układ wymiany ciepła w obiegu cieplnym elektrociepłowni. (73) Uprawniony z patentu:

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) POLSKA (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: (5 1) IntCl7 F01K 17/02 Urząd Patentowy (22) Data zgłoszenia: Rzeczypospolitej Polskiej (54) Sposób i układ wymiany ciepła w obiegu cieplnym elektrociepłowni (73) Uprawniony z patentu: Instytut Maszyn Przepływowych PAN, (43) Zgłoszenie ogłoszono: Gdańsk, PL Drożyński Zbigniew, Gdańsk, PL BUP 05/98 (72) Twórcy wynalazku: Zbigniew Drożyński, Gdańsk, PL (45) Oudzieleniu patentu ogłoszono: WUP 10/01 (74) Pełnomocnik: Kwapich Anna PL B1 ( 5 7 ) 1. Sposób wymiany ciepła w obiegu cieplnym elektrociepłowni polegający na tym, że część pary, o najwyższym ciśnieniu i temperaturze, po wyprowadzeniu upustami z turbiny, wykorzystuje się w procesie regeneracji ciepła, natom iast parą wyprowadzoną z wylotu turbiny i sprzed jej ostatnich stopni ogrzewa się w powierzchniowych wymiennikach sieciowych wodę wprowadzaną następnie do sieci ciepłowniczej, znam ienny tym, że reguluje się masowe natężenie przepływu wody sieciowej przez kolejne wymienniki (XA, XB) rozdzielając jej strumień (m w) przed wymiennikiem (XB) przy pomocy bloku regulacyjnego (6, 7) na dwa strumienie, z których je - den (α m w) ogrzewa się w wym ienniku (XB), a drugi (β m w) prowadzi się równolegle bez ogrzewania, natomiast za wymiennikiem (XB) oba strumienie ponownie miesza się, przy czym w pierwszym wymienniku sieciowym (XA), wykorzystującym parę z wylotu turbiny (4), ogrzewa się cały, nie podzielony strumień wody (mw). 3 Układ wymiany ciepła w obiegu cieplnym elektrociepłowni, w którym upusty regeneracyjne turbiny połączone są z blokiem regeneracji, którego wyjście połączone jest z wytwornicą pary dołączoną do wlotu turbiny, a wylot turbiny oraz upusty ciepłownicze dołączone są do komór co najmniej dwóch wymienników sieciowych połączonych ze sobą szeregowo w sieci ciepłowniczej, przy czym pierwszy wymiennik połączony jest z wylotem turbiny i z dopływem wody sieciowej do turbozespołu, a wyjście ostatniego wymiennika dołączone jest do wypływu wody sieciowej z turbozespołu, znam ienny tym, że równolegle do każdego wymiennika (XB), za wyjątkiem pierwszego (XA), dołączony jest blok regulacyjny (6, 7).

2 Sposób i układ wymiany ciepła w obiegu cieplnym elektrociepłowni Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób wymiany ciepła w obiegu cieplnym elektrociepłowni polegający na tym, że część pary, o najwyższym ciśnieniu i temperaturze, po wyprowadzeniu upustami z turbiny, wykorzystuje się w procesie regeneracji ciepła, natomiast parą wyprowadzoną z wylotu turbiny i sprzed jej ostatnich stopni ogrzewa się w powierzchniowych wymiennikach sieciowych wodę wprowadzaną następnie do sieci ciepłowniczej, znamienny tym, że reguluje się masowe natężenie przepływu wody sieciowej przez kolejne wymienniki (XA, XB) rozdzielając jej strumień (mw) przed wymiennikiem (XB) przy pomocy bloku regulacyjnego (6, 7) na dwa strumienie, z których jeden (αmw) ogrzewa się w wymienniku (XB), a drugi (βmw) prowadzi się równolegle bez ogrzewania, natomiast za wymiennikiem (XB) oba strumienie ponownie miesza się, przy czym w pierwszym wymienniku sieciowym (XA), wykorzystującym parę z wylotu turbiny (4), ogrzewa się cały, nie podzielony strumień wody (m w). 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że zwiększa się przepływ wody sieciowej w strumieniach nieogrzewanych (βmw) mierząc jednocześnie produkowaną i zużywaną energię elektryczną i cieplną, aż do uzyskania maksymalnej sprawności turbozespołu określanej w bloku pomiarowym (9) jako η = A/B gdzie: A - wartość produkowanej mocy energii elektrycznej i cieplnej, B - wartość zużytego paliwa i energii własnej. 3. Układ wymiany ciepła w obiegu cieplnym elektrociepłowni, w którym upusty regeneracyjne turbiny połączone są z blokiem regeneracji, którego wyjście połączone jest z wytwornicą pary dołączoną do wlotu turbiny, a wylot turbiny oraz upusty ciepłownicze dołączone są do komór co najmniej dwóch wymienników sieciowych połączonych ze sobą szeregowo w sieci ciepłowniczej, przy czym pierwszy wymiennik połączony jest z wylotem turbiny i z dopływem wody sieciowej do turbozespołu, a wyjście ostatniego wymiennika dołączone jest do wypływu wody sieciowej z turbozespołu, znamienny tym, że równolegle do każdego wymiennika (XB), za wyjątkiem pierwszego (XA), dołączony jest blok regulacyjny (6, 7). 4. Układ według zastrz. 4, znamienny tym, że blok regulacyjny (6, 7) stanowi odcinek rurowy (6) z zasuwą regulacyjną (7) dołączony do głównego kolektora (K) wody sieciowej przed wlotem do wymiennika (XB) i za wylotem z niego. * * * Przedmiotem wynalazku jest sposób i układ wymiany ciepła w obiegu cieplnym elektrociepłowni. Znajduje on zastosowanie w siłowniach z obiegami skojarzonymi, których zadaniem jest równoczesna produkcja energii elektrycznej, cieplnej oraz pary upustowej, zwłaszcza w siłowniach produkujących między innymi energię cieplną przeznaczoną na cele komunalne. Znany sposób wymiany ciepła w obiegu cieplnym elektrociepłowni polega na tym, że część pary, o najwyższym ciśnieniu i temperaturze, wyprowadza się upustami z turbiny i wykorzystuje do podgrzewania wody zasilającej wytwornicę pary, tzn. wykorzystywana jest ona w procesie regeneracji ciepła. Natomiast parę wyprowadzoną z wylotu turbiny i sprzed jej ostatnich stopni wykorzystuje się do ogrzewania wody sieciowej przeznaczonej do celów komunalnych. Wymiany ciepła między tą parą z turbiny a wodą miejskiej sieci ciepłowniczej dokonuje się w powierzchniowych sieciowych wymiennikach ciepła w ten sposób, że do pierwszego z nich

3 wprowadza się parę z wylotu turbiny, a do drugiego i następnych, jeśli są stosowane - parę sprzed ostatniego i ewentualnie wcześniejszych stopni. Natomiast wodę sieciową ogrzewa się przeprowadzając ją kolejno przez pierwszy i następne wymienniki, tzn. w każdym z nich ogrzewa się cały strumień wody sieciowej, bez żadnej regulacji. Najczęściej stosowane są dwa lub trzy wymienniki sieciowe, co oznacza dwu lub trójstopniowy podgrzew wody sieciowej. W znanym układzie wymiany ciepła w obiegu cieplnym elektrociepłowni upusty regeneracyjne turbiny połączone są z blokiem regeneracji, którego wyjście połączone jest z wytwornicą pary połączoną z wlotem turbiny. Wylot turbiny natomiast i jej upusty ciepłownicze dołączone są do komór dwóch lub więcej sieciowych wymienników ciepła, które włączone są szeregowo w obieg wody sieciowej, przy czym pierwszy wymiennik połączony jest z dopływem powracającej wody sieciowej i z wylotem turbiny, natomiast wyjście ostatniego wymiennika połączone jest z wypływem wody sieciowej z turbozespołu. W układzie turbozespołu znajduje się jeszcze szereg elementów, takich jak: membranowe zawory bezpieczeństwa, rozprężacz odwodnień, odgazowywacz próżniowy - połączone z wylotem turbiny oraz pompa skroplin włączona między blok regeneracji a odgazowywacz próżniowy i zbiornik i kondensatu, połączone z komorami wymienników, rozprężaczem odwodnień i blokiem regeneracji. Elementy te są niezbędne do prawidłowej pracy turbozespołu, jednakże nie mają zasadniczego wpływu na wymianę ciepła między parą z turbiny a wodą sieciową. Dla uproszczenia więc, podstawowy układ wymiany ciepła można ograniczyć do turbiny z blokiem regeneracji ciepła oraz wymienników sieciowych. Znany sposób i układ wymiany ciepła w obiegu cieplnym elektrociepłowni zapewnia prawidłowe parametry procesu tylko wówczas, gdy turbozespół pracuje z nominalnym obciążeniem, dla którego dana turbina została zaprojektowana i dla którego osiąga swoją maksymalną sprawność, tzn. gdy największa wymiana ciepła zachodzi w pierwszym wymienniku. Jednakże w rzeczywistych warunkach pracy, gdy zapotrzebowanie na różne formy energii wytwarzanej w elektrociepłowni kształtuje się różnie w różnych porach doby, tygodnia i roku, pracę w różnych obiegach cechuje wysoka niestabilność. W szczególności znany sposób i układ nie umożliwia żadnej regulacji procesu wymiany ciepła, czego skutkiem jest daleka od optymalnej wymiana ciepła w wymiennikach przy mniejszym od nominalnego obciążeniu turbiny, ponieważ zwiększa się wówczas nadmiernie wypływ pary sprzed ostatniego stopnia turbiny. Prowadzi to do zwiększonej wymiany ciepła w kolejnych, a nie w pierwszym wymienniku sieciowym. Sposób wymiany ciepła w obiegu cieplnym elektrociepłowni według wynalazku, polegający na tym, że część pary, o najwyższym ciśnieniu i temperaturze, po wyprowadzeniu upustami z turbiny, wykorzystuje się w procesie regeneracji ciepła, natomiast parą wyprowadzoną z wylotu turbiny i sprzed jej ostatnich stopni ogrzewa się w powierzchniowych wymiennikach sieciowych wodę wprowadzaną następnie do sieci ciepłowniczej, charakteryzuje się tym, że reguluje się masowe natężenie przepływu wody sieciowej przez kolejne wymienniki rozdzielając jej strumień przed wymiennikiem przy pomocy układu regulacyjnego na dwa strumienie, z których jeden ogrzewa się w wymienniku, a drugi prowadzi się równolegle bez ogrzewania, natomiast za wymiennikiem oba strumienie ponownie miesza się, przy czym w pierwszym wymienniku sieciowym, wykorzystującym parę z wylotu turbiny, ogrzewa się cały, nie podzielony strumień wody. Korzystnie jest, gdy zwiększa się przepływ wody sieciowej w strumieniach nieogrzewanych mierząc jednocześnie produkowaną i zużywaną energię elektryczną i cieplną, aż do uzyskania maksymalnej sprawności turbozespołu określanej w bloku pomiarowym jako η = A/B gdzie: A - wartość produkowanej mocy energii elektrycznej i cieplnej, B - wartość zużytego paliwa i energii własnej. W układzie wymiany ciepła w obiegu cieplnym elektrociepłowni według wynalazku upusty regeneracyjne turbiny połączone są z blokiem regeneracji, którego wyjście z kolei połączone jest z wytwornicą pary dołączoną do wlotu turbiny. Wylot turbiny natomiast oraz upusty ciepłow-

4 nicze dołączone są do komór co najmniej dwóch wymienników sieciowych połączonych ze sobą szeregowo w sieci ciepłowniczej, przy czym pierwszy wymiennik połączony jest z wylotem turbiny i z dopływem wody sieciowej do turbozespołu, a wyjście ostatniego wymiennika dołączone jest do wypływu wody sieciowej z turbozespołu. Układ ten charakteryzuj e się tym, że równolegle do każdego wymiennika, za wyjątkiem pierwszego, dołączony jest blok regulacyjny. Szczególnie korzystną jest postać układu, w którym blok regulacyjny stanowi odcinek rurowy z zasuwą regulacyjną dołączony do głównego kolektora wody sieciowej przed wlotem do wymiennika i za wylotem z niego. Sposób i układ według wynalazku, dzięki wprowadzeniu możliwości regulacji strumienia wody sieciowej przepływającej przez wymienniki, zapewnia możliwość regulacji procesu wymiany ciepła w elektrociepłowni. Pozwala to na regulację rozkładu wymiany ciepła między wymiennikami i automatycznie przepływu pary przez ostatnie stopnie turbiny, gdy przy zmniejszonym przepływie pary przez całą turbinę, przez ostatni jej stopień płynie mniej czynnika, niż przewidywały obliczenia projektowe. Wynalazek jest bliżej objaśniony na przykładzie zilustrowanym rysunkiem, który przedstawia schemat układu wymiany ciepła w obiegu cieplnym elektrociepłowni. Wymiana ciepła w obiegu cieplnym elektrociepłowni z turbiną upustowo-ciepłowniczą T typu 13UP55 i dwoma wymiennikami sieciowymi XA, XB przebiega w taki sposób, że parę o najwyższym ciśnieniu i temperaturze, wyprowadzaną z upustów regeneracyjnych 1, przeprowadza się przez blok regeneracji 2, wykorzystując jej ciepło do podgrzewania wody zasilającej wytwornicę pary 3. Natomiast parą wyprowadzaną z wylotu 4 turbiny T i z upustu ciepłowniczego 5 sprzed ostatniego stopnia turbiny ogrzewa się w tych wymiennikach XA, XB wodę sieciową zasilającą miejską sieć ciepłowniczą. W pierwszym wymienniku XA, do którego wprowadzana jest para z wylotu 4 turbiny, ogrzewa się cały strumień wody sieciowej mw. Proces wymiany ciepła w tym wymienniku decyduje o całkowitym spadku entalpii właściwej w turbinie oraz o całkowitej produkcji energii elektrycznej. Kondensująca się w tym wymienniku X A para wodna powoduje podgrzanie wody sieciowej od temperatury tw1do temperatury tw2. Natomiast wymianę ciepła w drugim wymienniku XB kontroluje się regulując masowe natężenie przepływu wody sieciowej przez ten wymiennik. Realizuje się to w ten sposób, że strumień wody mw przed tym wymiennikiem XB rozdziela się na dwa strumienie, z których jeden αmw ogrzewa się w tym wymienniku od temperatury tw2 do temperatury tw3, a drugiego strumienia βmw nie ogrzewa się, lecz prowadzi się równolegle przez blok regulacyjny 6, 7. Za drugim wymiennikiem XB oba strumienie wody αm w, βmw łączy się i wymieszany strumień o temperaturze tw4 wprowadza do miejskiej sieci ciepłowniczej. Przy zmniejszonym przepływie pary przez turbinę T, co ma miejsce podczas zmniejszonego obciążenia turbozespołu, np. w okresie letnim lub przy zmniejszonym zapotrzebowaniu na energię elektryczną, zwiększa się masowe natężenie przepływu wody w strumieniu nieogrzewanym βm w. Zmniejszony wskutek tego strumień wody αm w przepływającej przez drugi wymiennik XB powoduje zmniejszenie się ilości pary kondensującej się w tym wymienniku, kierując resztę czynnika obiegowego przez ostatni stopień turbiny T do wymiennika pierwszego XA. Zwiększenie napływu pary do tego wymiennika, skraplającego parę wypływającą z wylotu turbiny, powoduje tam intensyfikację procesu wymiany ciepła, czego skutkiem jest obniżenie temperatury i ciśnienia w tym punkcie obiegu. Przepływ wody w strumieniu nieogrzewanym βm w zwiększa się stopniowo, mierząc jednocześnie moc produkowanej energii elektrycznej, energii cieplnej w obu wymiennikach, energii pary technologicznej oraz ilość zużytego paliwa i energii własnej i obliczając na tej podstawie w bloku pomiarowym 9 sprawność turbozespołu, jako η = A/B gdzie: A - wartość produkowanej energii elektrycznej i cieplnej B - wartość zużytego paliwa i energii własnej.

5 Strumień wody nieogrzewanej zwiększa się aż do uzyskania maksymalnej sprawności turbozespołu. Dla przykładowej turbiny T typu 13UP55 proces wymiany ciepła jest optymalny, gdy w pierwszym wymienniku XA zachodzi 75%, a w drugim wymienniku XB - 25% wymiany ciepła. W układzie wymiany ciepła w obiegu cieplnym elektrociepłowni pracującej z turbiną upustowo-ciepłowniczą T typu 13UP55 upusty regeneracyjne 1 tej turbiny T połączone s ą blokiem regeneracji 2, z którym połączona jest wytwornica pary 3 połączona z wlotem do turbiny T. Wylot turbiny 4 połączony jest z komorą pierwszego powierzchniowego wymiennika sieciowego XA, a upust ciepłowniczy 5 sprzed ostatniego stopnia turbiny T połączony jest z kom orą drugiego powierzchniowego wymiennika sieciowego XB. Wymienniki te włączone są szeregowo w sieć ciepłowniczą w ten sposób, że do wlotu pierwszego wymiennika XA dołączony jest dopływ Z do turbozespołu zimnej, przeznaczonej do podgrzania wody sieciowej, a wylot drugiego wymiennika XB połączony jest z wypływem S z turbozespołu ciepłej wody do miejskiej sieci ciepłowniczej. Równolegle do drugiego wymiennika XB włączone jest dodatkowe, bocznikujące ten wymiennik ramię zawierające blok regulacyjny. Stanowi go odcinek rurowy 6 o średnicy 410 mm z zasuwą regulacyjną 7 sterowaną silnikiem elektrycznym 8, dołączony do głównego kolektora K wody sieciowej o średnicy 600 mm przed wlotem do drugiego wymiennika XB i za wylotem z niego. Regulacja położenia zasuwy regulacyjnej 7 odbywa się na podstawie pomiarów i obliczeń wykonywanych w bloku pomiarowym 9. Wylot z turbiny T połączony jest ponadto z membranowymi zaworami bezpieczeństwa 10 oraz z rozprężaczem odwodnień 11 i odgazowywaczem próżniowym 12. Układ zawiera też zbiorniki kondensatu 13, do których dołączone są komory wymienników XA, XB, blok regeneracji 2, a także rozprężacz odwodnień 11. Zbiorniki te 13 i odgazowywacz próżniowy 12 połączone są z pompą skroplin 14 dołączoną do bloku regeneracji 2.

6 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz. Cena 2,00 zł.