CS266824B1 - Způsob regulace dodávky tepla - Google Patents

Abstract

Způsob řešení regulaci dodávky tepla pro spotřebitele a/nebo spotřebitelskou oblast se spotřebou tepla v páře, kde energetický zdroj dodává teplo v horké vodě a převáděcí st;nice je osazena zdrojem páry, např. uvolňovačem páry nebo parním generátorem a za ním uspořádaným termokompresorem. Regulace se provádí kvalitativně, to je změnou teploty teplonosného prostředí, a/nebo kvantitativně, to je změnou průtočné hmotnosti teplonosného prostředí přiváděného ke zdroji páry. Tato změna teploty a/nebo průtočné hmotnosti teplonosného prostředí se s výhodou provádí před zdrojem páry. Lze ji provádět i na vstupním teplonosném prostředí, oddělením od vznikající a v kompresoru stlačované páry, například stěnou výměníku.

Description

Vynález se týká způsobu regulace dodávky tepla pro spotřebitele a/nebo spotřebitelskou oblast se spotřebou tepla v páře, kde energetický zdroj dodává teplo v horké vodě a převáděcí stanice je osazená zdrojem páry, např. uvolňovačem páry nebo parním generátorem, a za ním uspořádaným kompresorem páry. Oblast využití tohoto způsobu je provoz a ekonomická regulace parního kompresoru, tj. kompresoru, resp. kompresorového agregátu na stlačování a současné přehřívání vodní páry. Tento děj, tzv. termokomprese, lze využít především pro účely energe- . tiky, teplárenství i v rozmanitých průmyslových technologiích při zajištění a racionalizaci spotřeby tepla.

Princip práce termokompresoru se zpravidla značně liší od známé činnosti klasického kompresoru, pracujícího v typickém kompresorovém či exhaustorovém režimu. Je to dáno tím, že uvažovaný termokompresor je výrazně ovlivňován chováním, tj. charakteristikami předřazených i návazných prvků technologie, které zajišťují výrobu nasávané, zpravidla skoro syté páry a využití přehřáté, v kompresoru zpracované páry. Výjimkou tvoří v podstatě dva případy. V prvním případě zpracovává kompresor odpadní, ochlazenou páru z průmyslové technologie, např. z velkých kováren či metalurgických provozů, která bývá zpravidla sváděna do rozměrných kolektorů, takže její parametry, tj. tlak a teplota, jsou v podstatě konstantní, poměry na výtlaku jsou určeny klasickou kompresorovou charakteristikou stroje. Zpracování proměnného množství páry podle intenzity technologického procesu, tj. např. rozdíly v provozu v první a druhé směně, se pak z hlediska kompresoru děje regulací průtočného množství pracovního prostředí, tj. páry, obvyklými prostředky. Ve druhém případě je zpracovávána obvykle poněkud přehřátá pára z parovodu, kterým je přiváděna z energetického zdroje k běžné potřebě, např. vytápění, průmyslové technologie' apod. o nějaké tlakové a teplotní hladině, která se zpravidla v průběhu roku, tj. v období léto - zima mění, přičemž zimní parametry bývají vyšší. Ojedinělý spotřebitel, vyžadující technologickou páru o vyšší a obvykle trvale konstantní tlakové a teplotní hladině pak s výhodou použije termokompresoru k dotlačení přiváděné páry na požadované parametry. Charakteristika takového kompresoru pak bude exhaustorová, neboř poměry na výtlaku stroje budou téměř či zcela konstantní, zatímco poměry na sání se budou v určitém rozmezí měnit. Tyto a podobné případy jsou však charakterizovány tím, že objem, tj. nádoba, kolektor, parovod apod., ze kterého kompresor saje, je zpravidla značně veliký a navíc, pára v tomto objemu nevzniká, tj. nevyvíjí se, ale je do něj přiváděna a má dané parametry.

Hlavní nevýhody uvedených skutečností spočívají v tom, že situace se zcela změní tehdy, kdy nádoba konečného objemu, ze které termokompresor nasává, je současně prvkem, kde je pára vyráběna ze své kapalné fáze, tj. vody či vodního nebo jiného roztoku. To je případ parogenerátoru, tj. vyvíječe páry, expandéru, tj. uvolňovače, ale i elementů rozmanitých technologií, např. v potravinářství či chemickém průmyslu, jako je odparka, varna, atd. Zapojení takového zařízení s kompresorem a návazným spotřebičem zpracované páry, tj. další etapa technologie, parní centrální vytápění, výroba teplé užitkové vody, atd., tvoří v podstatě systém vysokopotencionálního, tj. vysokoteplotního tepelného čerpadla, resp. chladicího zařízení. To značí, že vstupní nádoba, ve které je pára vyráběna a odkud je kompresorem nasávána plní zde funkci výparníku, spotřebič zpracované páry se pak chová jako kondenzátor, i když třeba ke kondenzaci nedojde. Okruh tohoto tepelného čerpadla bude zpravidla otevřený, případně i uzavřený přes další prvky technologického zařízení. Podstatnou skutečností zde je, že kompresor na stlačování páry, zapojený v systému uvedeného vysokopotencionálního tepelného čerpadla se naprosto nebude chovat jako běžný kompresor. Navíc, jeho zapojení do okruhu může být značně rozmanité, jmenovitě, jde-li o agregát o více tělesech, tj. sekcích. V takovém případě, s cílem snížit vklad mechanické práce pro pohon kompresoru, lze podobně jako u vzduchových či jiných strojů použít mezichlazení, které je však v daném případě řešeno jako přisávání, tj. vstřik kapalné fáze pracovního média, zpravidla vody, bud přímo do tělesa stroje, spojovacího potrubí, nebo do samostatné nádoby mezi tělesy. Tím dojde k uvolnění další části syté páry na účet ochlazení již zpracované, přehřáté páry. Takové mezichlazení je přirozeně energeticky nejvýhodnější, neboř ze soustavy není vyváděna a následně mařena, např. v chladicí věži, žádná tepelná energie. Ještě výhodnější situace nastane tam, kde bude možné použití tzv. kaskádního zapojení

CS 266 824 Bl se dvěma či třemi vypařovacími teplotami, které má rovněž svou analogii v chladicí technice. Předností tohoto zapojení je především výrazné snížení příkonu pohonu kompresorů, nebot teplotní potenciál ze zdroje, to je z přivedené horké vody, je uvolňován a zpracován postupně, což je termodynamicky výhodnější.

parametry, t].

^{kde G}prot Aí kde i_D

Avšak i prostý, jednotělesový kompresor bez mezichlazení se bude, jak bylo uvedeno, chovat jinak než klasický stroj, pracující v typickém kompresorovém režimu. Podstatou této skutečnosti je, že skutečným cílem práce termokompresoru z hlediska potřeb provozovatele není zajistit nasávání, kompresi a dodávku určitého objemu pracovního média, v daném případě vodní páry, ale dodat určité množství, tepla, zpracované na požadované termodynamické .ak a teplotu. Toto množství tepla je dána vztahem = ^Gprof ^Δί<

je dodávaná hmotnost páry na výtlaku kompresoru, je rozdíl entalpií, tj.

Ái = i_D - i_v(2) je entalpie dodávané páry je entalpie vratné páry či kondenzátu, tj. entalpie odcházejícího pracovního média, .které svou energii předalo..

Kompresor však pracuje na základě svého základního vztahu, tj. charakteristiky, dané relací tlaku ve výtlaku, resp. stlačení, k nasávanému objemu média. To však značí, že při změně pracovního bodu kompresoru, např. zásahem klapky ve výtlaku stroje, či změnou zatížení navazujícího spotřebiče páry podél charakteristiky dojde ke změně hltnosti kompresoru. Kompresor je tedy v tomto okamžiku schopen nasát jiné množství, tj. objem média, tj. páry, než dodává vstupní výparník. Není-li cílem tohoto principu udržovat práci kompresoru trvale v jediném pracovním návrhovém bodě, musí se této změně přizpůsobit výparník, tj. musí uvolnit stejné množství, tj. objem média, kolik odpovídá hltnosti kompresoru. Při konstantním průběhu procesu ve výparníku, tj. konstantnímu množství přiváděného tepla, resp. teplonosného média o daných parametrech, dojde tedy ke změně parametrů, tj. tlaku, teploty a hustoty vyvíjené páry, a to takovému, aby i její množství, tj. objem odpovídalo hltnosti kompresoru. Prakticky to značí, že při poklesu nasávaného objemu dojde k růstu tlaku a tedy i teploty syté páry. Poklesne i nasávaná hmotnost, avšak méně než objem, neboř je dána vztahem ^Gs ^{+ Q}s' ^ps ⁽³⁾ kde G_s ^Qs

- Ps je nasávaná hmotnost, je nasávaný objem a je hustota páry, a hustota páry s růstem tlaku poroste a naopak. Výsledkem bude, že skutečná charakteristika termokompresoru bude jen procházet návrhovým bodem typické kompresorové charakterstiky, bude však daleko strmější. To platí pro jednoduchý případ jednotělesového kompresoru; analogická charakteristika vícetělesového kompresoru s mezichlazením, tj. přisáváním, bude ještě strmější. K daleko výraznější strmosti dojde i u charakteristiky vícetělesového kompresoru v kaskádním zapojení.

Z uvedeného je tedy patrné, že pro návrh a konstrukci termokomprésoru nestačí znát jen parametry v návrhovém bodě, ale je třeba zadat současně charakteristiku vstupního výparníku, tj. závislost tlaku páry v sání na objemu páry v sání, případně tlaku páry v sání na nasávané hmotnosti na sání kompresoru. Odtud též vyplývá, že pro dva shodné případy návrhových stavů, ale jiné průběhy strmosti této vstupní charakteristiky může dojít i k nezbytnosti návrhu dvou odlišných strojů.

CS 266 824 Bl

Z těchto skutečností vyplývají základní poznatky pro regulaci termokompresoru. Z rozboru použití termokompresorů, zejména v teplárenství, vyplývají požadavky na mimořádně široký rozsah regulace dodávaného tepla v páře, tj. i hmotnosti dodávané páry. Běžně je třeba počítat s rozsahem

G_p = (20 Ť 120) %.G_{p náv} ⁽⁴⁾ kde G P G < p nav je hmotnost páry nasávané kompresorem a je návrhová hmotnost páry nasávané kompresorem, přičemž tlak dodávané páry je vyžadován téměř konstantní nebo poněkud roste s rostoucím množstvím. Podobná situace nastává u průmyslových technologií, kde požadované rozsahy regulace sice nejsou tak veliké, ale zpravidla je vyžadováno dodržení konstantního tlaku páry v celé regulované oblasti dodávaných množství. Zajistit takové rozsahy spojité a bezztrátové regulace u jediného agregátu při použití konvenčních prostředků regulace, např. změnou průtočné části radiálního turbokompresoru natáčením rozváděčích či difusorových lopatek, je nemožné proto se předpokládá provoz několika paralelně zapojených zařízení a základní, tj. hrubá regulace je zajišťována počtem pracujících strojů. Při požadavku spojité regulace hmotnosti dodávané páry to.však stejně znamená zajistit u jediného stroje regulaci cca

G_s (50 4 110) %.G_{S náv} (5) kde G je nasávaná hmotnost a ^s G , je návrhová nasávaná hmotnost.

s náv ^J

Tento případ totiž odpovídá z hlediska regulace nejhoršímu režimu, kdy dva agregáty snižují svůj výkon tak, aby jeden mohl být odstaven a další provoz bude zajišťovat jen jedno, zbývající zařízení plným výkonem, příp. opačně. .

Klasické způsoby regulace turbokompresoru či turbokompresorového soustrojí však až na vyjímky naprosto vylučují dosažení takových regulačních rozsahů. Pro regulaci je zpravidla užíváno škrcení v sání turbokompresoru, regulace změnou otáček pohonu, nebo regulace změnou průtočné části.

Pro termokompresor, tj. kompresor na stlačování páry však v tomto směru existují nevelké možnosti. Regulace škrcením v sání je sice v principu možná. Nadto, jev škrcení je charakterizován jako izoentalpický proces, tj. nasávaná sytá pára přejde škrcením do stavu o nižším tlaku a teplotě, ale celkově do stavu mírně přehřáté ,páry. Toto však je jen teorie, uvažující pouze stavy před a za škrticím orgánem. Skutečný průběh škrcení je jiný a může vést, a to je podstatné, až k místnímu překročení meze sytosti, tj. i ke vzniku kapalné fáze. Tato kapalná fáze při dalším průběhu škrcení se však okamžitě neodpaří. Vznikne heterogenní směs mírně přehřáté páry a vodních kapiček o podstatně menším objemu. Výsledkem může být, zejména pracuje-li kompresor s menším množstvím v sání, tj. v blízkosti pumpovní meze, že stroj rychle dosáhne pracovního bodu až na pumpovní hranici, což vede k zásahu antipumpážní ochrany a znemožnění dalšího ustáleného provozu stroje. Nadto dojde vlivem škrcení ke značné ztrátě tepelné energie v celém systému, což je zásadně nežádoucí. Opomenout nelze ani erozní účinek vodních kapiček na prvky průtočné části kompresoru. Regulace změnou otáček pohonu je v principu možná. Změna, např. snížení otáček při konstantním režimu vstupní technologie, však vyvolá i již naznačenou změnu, např. zvýšení tlaku v sání, takže skutečný pokles nasávané hmotnosti páry bude malý. Tepelný výkon i příkon kompresoru tedy poklesne málo, zato výkon pohonné jednotky klesá s poklesem otáček velmi značně, jde-li např. o parní či plynovou turbínu. Výsledná regulační charakteristika bude tedy jednak velmi strmá, a to je nežádoucí, a navíc velmi úzká a omezená. Ve skutečnosti však je třeba počítat spis s tím, že pro pohon termokompresoru je nutno uvažovat především elektromotor o konstantních otáčkách. Použití parní turbíny pro pohon zařízení na kompresi

CS 266 824 Bl páry se uplatní jen výjimečně v některých technologických aplikacích nebo v existujících teplárnách, nejinak tomu patrně bude i u pohonu spalovací turbínou. Regulace parního turbokompresoru změnou průtočné části je v principu nejefektivnější. Jenže, jak již bylo uvedeno, změna hltnosti kompresoru, i zásahem do průtočné části, vyvolává změnu poměrů na předřazeném výparníku, t j . i na sání kompresoru. Výsledkem opět bude, že výrazná změna hltnosti, tj. nasávaného objemu kompresoru nastavením rozváděči nebo difuzorové řady lopatek u radiálního turbokompresoru, či změnou nastavení statorových lopatek osového turbokompresoru vyvolá odpovídající změnu tlaku v předřazeném aparátu, např. výparníku. Výsledkem bude, že změna nasávané hmotnosti bude jen velmi malá, tj. malá bude i celková změna dodávaného tepla.

Hlavní nevýhody známých řešení tedy souhrně spočívají v tom, že regulace termokompresorii klasickými prostředky bude jen málo účinná a rozhodně se nepodaří dosáhnout očekávaných, v daném případě naopak velmi velkých regulačních rozsahů stroje. Příčina spočívá v tom, že mezi prací vlastního kompresoru a tím, co se děje v předřazené i navazující technologii je velmi úzká vazba, z hlediska účelu termokompresoru jde tedy o to, že v celém systému existuje určitý tok tepla, tj. od jednoho prvku k druhému je předáváno určité množství tepla prostřednictvím teplonosných látek za daný časový úsek. Funkce termokompresoru zde spočívá v tom, že toto teplo ve formě nasávané syté páry daných parametrů přijímá, zpracovává a předává dalšímu prvku systému, přičemž zpracování zmíněného tepla spočívá ve zvýšení termodynamického potenciálu, tj. entalpie a částečném zvětšení hodnoty množství tepla, a to vše na účet vkládané mechanické práce. Za předpokladu, že množství tepla, vyváděného z předřazeného prvku systému je takřka stálé a předcházející technologický proces pracuje s konstantními vstupy, není možné, aby zásahem dalšího prvku, tj. regulací termokompresoru, byl výrazným způsobem ovlivně průchod tohoto tepelného toku kompresorem. Odtud plyne, že regulace dodávaného tepla kompresorem do dalších prvků technologie bude za těchto podmínek možná jen ve velmi malém rozsahu.

Vynález se klade za úkol v podstatě odstranit výše uvedené nedostatky a zajistit ekonomickou regulaci parního kompresoru.

Podstata způsobu regulace podle vynálezu spočívá v tom, že regulace se provádí kvalitativní to je změnou teploty teplonosného prostředí, a/nebo kvantitativně, to je změnou průtočné hmotnosti teplonosného prostředí přiváděného ke zdroji páry, přičemž tato změna teploty a/nebo průtočné hmotnosti teplonosného prostředí se s výhodou provádí před zdrojem páry. Lze ji provádět i na vstupním teplonosném prostředí, odděleném od vznikající a v kompresoru stlačované páry např. stěnou výměníku. Regulaci vytčeným způsobem lze provádět bud zcela nebo alespoň v rozhodující míře.

Hlavní výhody řešení podle vynálezu spočívají v tom, že změna množství tepla procházejícího celou soustavou umožní velmi dobrou, rozsáhlou a ekonomicky výhodnou regulaci.

Vynález je v dalším podrobněji vysvětlen na příkladech provedení ve spojení s výkresovou částí.

Na obr. 1 jsou znázorněny regulační charakteristiky termokompresoru, obr. 2 zobrazuje schéma teplárenského okruhu při změně tepelného výkonu kvalitativní regulací horké vody ve zdroji, obr. 3 schéma teplárenského okruhu při změně tepelného výkonu kvantitativní regulací horké vody ve zdroji, obr. 4 schéma teplárenského okruhu při změně tepelného výkonu kombinovanou, tj. jak kvalitativní, tak i kvantitativní regulací horké vódy ve zdroji a obr. 5 schéma teplárenského okruhu při změně tepelného výkonu kombinovanou regulací horké vody před kompresorovou stanicí.

Z hlediska kompresoru, jehož vztažným parametrem je mimo jiné nasávaný objem Q_g, ne přímo nasávaná hmotnost G_s, to tedy znamená, že při udržení jen málo se měnícího nasávaného objemu Q$ v rozsahu charakteristiky se může poměrně značně měnit zpracovávaná nasávaná hmotnost G_s pracovního média a tedy i množství dodávaného tepla v páře, jestliže úměrně

CS 266 824 Bl změněn nasávané hmotnosti G_g se bude měnit i tlak páry v sání temokompresoru P_g a tedy i další termodynamické parametry média. Bude pak vlastně navozen stav, podobný regulaci stroje škrcením. Na rozdíl od škrcení, 'což je jev spojený se ztrátami, zde však ke ztrátám nebude docházet, neboř kompresor bude regulován celým systémem, tj. množstvím tepla, tj. tepelné energie, procházejícím prvkem předřazeným kompresoru, např. výparníkem. Toto množství tepla může měnit s ohledem na vlastnosti technologických prvků velmi výrazně, přičemž skutečný nasávaný objem Q_g na sání kompresoru se může měnit málo, nebo vůbec ne. Regulační prvek systému, který bude takto kompresor ovlád může být rozmanitý a opět závisí na vlastnostech provozované technologie.

Při výrobě topné a technologické páry z horké vody, například v expandéru či parogenerátoru, a její následnou kompresí v termokompresoru, se tak může dít regulací množství přiváděné horké vody konvenční regulační armaturou či regulací přiváděné vody, tj. teploty a tím zmenšení podílu uvolňované páry bud směšováním s chladnější vodou či přímo přívodem a odběrem chladnější vody z energetického zdroje, např. v rámci regulace tohoto zdroje v období léto - zima, nebo v průběhu dne. Možná je i regulace intenzity probíhajícího technologického procesu v předřazeném prvku technologie snížením přívodu tepla a dalších médií do tohoto prvku a/nebo snížením teploty, tj. i tlaku, při kterých tento proces provozujeme .

Ve skutečnosti se ovšem pracovní bod kompresoru na charakteristice měnit bude, neboř se bude měnit tlak v sání, avšak tlak na výtlaku P_v, procházející návrhovým bodem NB, bude zpravidla vyžadován konstantní. To je vidět z obr. 1, kde je v diagramu tlak na výtlaku P_v a nasávaná hmotnost G_g znázorněná sít klasických kompresorových charakteristik a skutečné charakteristiky termokompresoru při návrhovém množství tepla $ ^náv kde q je množství tepla a q_ná_v je navrhované množství tepla i nenávrhových hodnotách , qj, kde ^l ^náv'

Přitom termokompresor bude regulován podél linie p = P , = konst.

v v náv (6) $2 ^náv kde P_v p

v náv je tlak na výtlaku a je návrhový tlak na výtlaku, a vlastní regulace bude realizována regulačním orgánem na předřazeném prvku technologie. Návrhovému bodu NB samozřejmě odpovídá i návrhová nasávaná hmotnost G_{g náv}· Na obrázku jsou vyznačeny i pumpovní hranice PH, mez MO odfuku, kompresorové charakteristiky KOP pro konstantní tlak páry v sání P_gi a skutečné charakteristiky KC termokompresoru. Rovněž je zde vyznačen skutečný regulační rozsah SR.

Pokud by pak byla vyžadována i regulace podél charakteristiky, tj. nastavení i nekonstantního tlaku na výtlaku P_y, bude tento provoz zajištěn bu3 změnou odporové charakteristiky navazujícího spotřebiče, nebo konvenční regulační klapkou ve výtlaku termokompresoru.

Z uvedených případů však vyplývá, že výše popsaná, značně strmá charakteristika termokompresoru je ve skutečnosti, z hlediska regulace značně výhodná, neboř umožňuje regulaci při konstantním tlaku na výtlaku P_y ve značném rozsahu průtočných hmotností a tedy i intenzity provozované technologie, tj. dodávaného tepla a regulaci při měnícím se tlaku na výtlaku P_v ve značném rozsahu při téměř stálé intenzitě provozované technologie.

CS 266 824 Bl uvažujme nyní podstatně obecnější systém, zahrnující nejen soustavu s termokompresorem a spotřebitelskou technologií, ale i vlastní, mnohdy značně vzdálený energetický zdroj se svými příslušnými návaznostmi.

Při popisu celého termodynamického oběhu, teplárenského způsobu dodávky tepla pomocí páry z parovodní sítě PS a horké vody z horkovodní sítě HS v podmínkách kombinované výroby elektrické energie a tepla (obr. 2) se ukazuje, že v systému, kde regulace dodávky tepla spotřebiteli je realizována změnou teploty teplonosného média, např. teplotou horké vody v energetickém zdroji E, je termodynamická účinnost celého systému téměř konstantní, a to za předpokladu, že změna teploty teplonosného média způsobí nižší nebo vyšší tlak genero váné syté páry v sání termokompresoru Kp. Při uvedené transformaci tepla se celkový úbytek mechanické energie teplárenského oběhu prakticky nemění, jak vyplývá z dále uvedených vztahů. Nominální stav je dán vztahem (9) kde ·\) vc 9 E óc $KS je celkový měrný úbytek mechanické energie v systému, je měrný úbytek mechanické energie ve zdroji, je měrný úbytek mechanické energie v čerpací stanici a je měrný úbytek mechanické energie v kompresorové stanici.

Stav při regulaci je dán vztahem = 9; +P_e'+i)_K;, (10) přičemž za předpokladu, že kde q_e ^QP ^qhv jsou rozdíly $E $E' $P %' je teplota z energetického zdroje, je spotřeba tepla v páře a je spotřeba tepla v horké vodě, ^qhv ^qhv^; C (11) > 0;AÍ)_KS = Ό - i) ' Z o £i £j £ι ΛΡ ΛΟ X\D (12) a při kvalitativní regulaci platí, že (13) z čehož vyplývá, že (14)

Na tomto schematickém obrázku (obr. 2), stejně tak jako v následujících obrázcích, je pro názornost vyznačen okruh páry silnou čarou, okruh horké vody slabou čarou a okruh kondenzátu páry čárkovaně. Je zde rovněž znázorněna čerpací stanice C, generátor páry GP, případně uvolňovač páry UP, škrticí regulační orgán š, spotřebič tepla v páře a spotřebič tepla v horké vodě S_HV. Hmotnostní tok horké vody v teplovodu G je v daném případě konstantní, stejně tak jako tlak páry ve výtlaku kompresoru P^, teplota vratného kondenzátu T_v„ a účinnost kompresoruM_v. Teplota horké vody v přívodní větvi teplovodu T„„ se mění v určitých mezích od nominální hodnoty až k minimální hodnotě, stejně tak jako tlak páry vsání kompresoru P„ a teplota horké vody ve vratné větvi teplovodu T„„_. Označena je rovněž —b ^—JtlVK teplota horké vody ve vratné větvi horkovodní sítě T„-_n a teplota vody v horkovodní síti T_tt_. ' “HoK —HS

CS 266 824 Bl

V daném případě tedy například nižší teplota teplonosného prostředí vyvolává nižší měrný úbytek elektrické energie v energetickém zdroji E, a to z titulu nižší teploty na vstupu do transportního teplovodu a většího vychlazení vratné vody, tj. teplonosného prostředí, který do určité míry kompenzuje zvýšené požadavky na měrnou spotřebu mechanické energie termokompresoru K_p při vyšším poměrném stlačení páry, když výstupní tlak páry je požadován konstantní. Termodynamická účinnost kompresoru za regulace se téměř nemění, protože dopravovaný objem nasávané páry se mění jen v malém rozsahu.

Z hlediska energetického, to je celkové ztráty mechanické energie, je tedy uvedený způsob regulace výhodný především při dopravě tepla, kdy vzdálenost mezi energetickým zdorjem E a transformační kompresorovou stanicí KS je relativně malá. Při větší vzdálenosti energetického zdroje E od kompresorové stanice KS je vhodné použít kvantitativní regulace přímo v energetickém'zdroji E při konstantní teplotě teplonosného prostředí (obr. 3), protože zvýšená měrná spotřeba mechanické energie, tj. práce termokompresoru K_p je pak kompenzována změnou, tj. snížením velikosti čerpací práce teplonosného prostředí v teplovodu mezi energetickým zdrojem E a kompresorovou stanicí KS. V tomto případě je opět nominální stav dán vztahem (9) . ’

Stav při regulaci je dán vztahem (10), přičemž za předpokladu, že $e °e^{! q}p Qp^{; q}hv ®hv^; Te Ve t¹·⁵' kde Q_£ je teplo energetického zdroje,

Qp je spotřeba tepla v páře a q_hv je spotřeba tepla v horké vodě, jsou rozdíly

-^v'c> ^{0; Δν}κ_Ξ = ^S -^KS< ° (16) a při kvantitativní regulaci platí, že ^<17) z čehož vyplývá, že opět platí vztah (14).

Popsaný příklad provedení se tedy od předcházejícího příkladu liší zejména tím, že konstantní je zde teplota horké vody v přívodní větvi teplovodu T^ a naopak hmotnostní tok horké vody v teplovodu G se mění v určitých mezích od nominální hodnoty až k minimální hodnotě. Ostatní parametry bud zůstávají konstantní nebo se mění stejně, jako u předcházejícího příkladu provedení.

Nejvýhodnější regulace při dálkové dodávce tepla v hybridním nebo parním teplárenském systému z hlediska celkových ztrát mechanické energie je kombinovaná, tj. jak kvalitativní, tak i kvantitativní regulace teplonosného prostředí ve zdroji E (obr. 4). Tento způsob regulace šetří nejen absolutní úbytek elektrické energie ve zdroji E, ale i mechanickou práci v čerpací stanici C teplovodu. V některých případech může kombinovaný způsob regulace nejen vykompenzovat zvýšený přírůstek mechanické energie, tj. práce termokompresoru K_p, ale může i zmenšit celkový poměrný úbytek mechanické energie celého systému, než který nastane při nominálním provozu, jak je to patrno z dále uvedených vztahů.

Nominální stav je opět dán vztahem (9) a stav při regulaci vztahem (10).

Za předpokladu, že ^QE > ^QE^{! Q}P ^{7 Q}P^{! Q}HV > ^QHV (18)

CS 266 824 Bl kde Q_e je teplo energetického zdroje,

Qp je spotřeba tepla v páře a

Q_hv je spotřeba tepla v horké vodě, jsou rozdíly '

A^e⁼^e^e ⁼ c °'^^ks ⁼^ks ”^ks ⁰ <¹⁹>

a při kombinované regulaci platí, že (20) XU L. ΛΟ z čehož vyplývá, že

Ό _c £ ^<21)

V daném případě je tedy opět konstantní tlak páry ve výtlaku kompresoru teplota vratného kondenzátu T_v_ a účinnost kompresoru ja_v. V mezích mezi hodnotou nominální a minimální se zde mění teplota horké vody v přívodní větvi teplovodu a hmotnostní tok horké vody v teplovodu G.

Ukazuje se tedy, že ani regulace dodávky tepla při úpravě parametrů teplonositele až před generátorem páry GP není zcela optimální, ať už se jedná o regulaci kvantitativní, tj. přepouštěním teplonosného prostředí do vratné větve teplovodu, nebo kombinovanou se současným snížením teploty teplonositele před generátorem páry GP podle schématu na obr. 5. V každém případě se z hlediska celé energetické soustavy jedná o regulaci, která je také ztrátová a vykazuje zvýšenou spotřebu mechanické energie v kompresorové stanici KS. Výhodou tohoto zařízení je pohotovost regulace, které lze využít při rychlých změnách zatížení teplárenské soustavy, nebo když je nutné rychle omezit spotřebu mechanické práce kompresorové stanice KS. I v daném případě však bude výhodná kvantitativní regulace hmotnostního průtoku horké vody teplovodem. Snížením průtoku se získá nejen část mechanické práce v čerpacích stanicích C, ale současně elektrický výkon v energetickém zdroji E a v kompresorové stanici KS při zmenšené dodávce tepla do parní a horkovodní soustavy, jak je to patrno ze vztahů (9) a (10) .

za předpokladu, že

Q_e > Q-; Q_p > q;> Q_hv > Qh_V; G⁺ > G- (22) kde Q_e je teplo energetického zdroje,

P_p je spotřeba tepla v páře,

Q„„ je spotřeba tepla v horké vodě a

HV

G⁺ je hmotnostní tok horké vody v teplovodu, bude =M_e - /' 4 0; V A)) = V - y- 0 (23) z čehož vyplývá, že při kombinované regulaci bude

S)é-^c· ⁽²⁴⁾

Poněkud náročnější regulaci dodávky tepla do hybridní nebo parní soustavy poskytuje systém kompresorové stanice s kaskádním zapojením uvolňovačů páry s kompresory. Zde je nutné průtok horké vody mezi jednotlivými uvolňovači během kvalitativní nebo kvantitativní,

CS 266 824 Bl případně kombinované regulace částečně regulovat přímo v kompresorové stanici, aby byla zachována rovnováha systému zatížení jednotlivých těles, tj. stupňů nebo sekcí kompresorového agregátu při změně dodávky tepla.

LepSí regulační podmínky dodávky tepla nastávají v případě; když pro generaci páry v systému jsou použity místo uvolňovačů páry parní generátory, např. vyvíječe páry, transformátory páry, aj., kde na straně primárního teplonosného média v parním generátoru se může realizovat regulace média při jednofázovém stavu tep¹ >nosného média.

Do určité míry lze této výhody využít v kaskádním systému zapojení kompresorové stanice, kdy jako předřazené generátory páry použijeme klasické parní generátory a jako poslední nebo další v kaskádní řadě budou použity uvolňovače páry, kde regulace bude provedena škrcením teplonosného média, tj. horké vody při dvoufázovém výtoku.

V takovém případě se neztrácí teplotní potenciál v sání nízkotlakého tělesa kompresoru vlivem prostupu tepla ve výměníkové části parního generátoru a šetří se spotřeba mechanické energie v kompresorové stanici. Přitom hlavní regulace celého kaskádního systému se realizuje jedním regulačním orgánem přev uvolňovačem páry.

Způsob regulace podle vynálezu lze zjednodušeně charakterizovat v prvním pořadí pro případ, kdy jsou teplonositel před uvolňovačem páry a generovaná pára stejné prostředí tak,že se provede buď kvalitativní regulace nebo kvantitativní regulace.

Kvalitativní regulace se provádí změnou teploty horké vody před uvolňovačem páry UP a její redukcí na nižší tlak škrticím regulačním orgánem S do uvolňovače páry UP, kde vznikne generovaná sytá pára o požadovaném tlaku páry v sání P termokompresoru K , . 8 p která je nasávána a komprimována termokompresorem Kp na tlak páry pro parní systém, tj. teplárenskou spotřebitelskou sít i průmyslovou technologii. Tento způsob regulace systému uvolňovač

UP a termokompresor Kp je charakterizován tím, že změna dodávky tepla v páře se mění v širokém rozsahu vlivem změny měrné hmotnosti syté páry v uvolňovači páry UP a v sání termo kompresoru Kp, přičemž nasávaný objem se bud nemění nebo se mění jen v malém rozsahu. Z tohoto důvodu se i termodynamická účinnost kompresoru mění jen málo.

Kvantitativní regulace průtočné hmotnosti horké vody o konstantní teplotě se provádí před uvolňovačem páry UP a její redukce na nižší tlak se provádí přes škrticí regulační orgán š do uvolňovače páry UP, kde vznikne generovaná systá pára o požadovaném tlaku P_g páry v sání termokompresoru κ , která je nasávána a komprimována v termokompresoru K .

P P

Kombinovaná regulace vzniká kombinací výše popsaných způsobů regulace.

Ve druhém pořadí lze způsob regulace dodávky tepla do systému pro generaci a úpravu páry v provedení generátor páry GP, například vyvíječ páry, transformátor páry, apod.

a termokompresor K^ kde vstupní teplonosné prostředí na primární straně generátoru páry

GP nemusí být stejnou látkou, jako vznikající a následně komprimovaná pára, protože je odděleno stěnou výměníku a kde vlastní regulační procesy celého systému se uskutečňují převážně na straně vstupního teplonosného prostředí a parametry parního oběhu jsou odezvou těchto regulačních pochodů, zjednodušeně charakterizovat ve druhém pořadí dále uvedenými způsoby regulace.

Prostřednictvím kvalitativní regulace primárního prostředí, tj. změnou teploty před generátorem páry GP. Odezva na sekundární parní straně generátoru páry GP a v termokompresoru Kp je analogická, jak bylo popsáno u předcházející kvalitativní regulace prvního pořadí a regulace dodávky tepla je podmíněna změnou tlaku syté páry v sání termokompresoru K^.

Prostřednictvím kvantitativní regulace primárního prostředí při konstantní teplotě, a to buď před generátorem páry GP nebo za ním. Regulační odezva na sekundární straně parního okruhu je stejná, jak bylo popsáno u předcházející kvalitativní regulace druhého pořadí.

CS 266 824 Bl

Prostřednictvím kombinované regulace primárního prostředí, jež je kombinací výše popsané kvalitativní a kvantitativní regulace druhého pořadí, a to se stejným účinkem a postupem.

Uvedené systémy pro regulaci generované páry druhého pořadí je vhodné použít v provozech, kde nelze mísit primární teplotní prostředí s parou sekundárního okruhu a kde se předpokládá jemnější regulace, protože regulaci primárního prostředí lze realizovat při jednofázovém stavu prostředí. Nevýhodou tohoto systému je poněkud větší měrná spotřeba mechanické práce kompresoru proti řešením, která byla popsána v prvním pořadí.

Pro případ regulace dodávky tepla v teplárenském systému v provedení energetický zdroj E, například s kombinovanou výrobou elektrické energie a tepla, čerpací stanice č a teplovod, kompresorová stanice KS s uvolňovačem páry UP a termokompresorem K_p, parní a horkovodní síť, lze ve třetím pořadí zjednodušeně charakterizovat způsob regulace podle vynálezu dále uvedenými způsoby regulace.

Kvalitativní regulací, tj. změnou teploty horké vody v energetickém zdroji E a její redukcí na nižší tlak škrticím orgánem š do uvolňovače páry UP, kde vznikne generovaná pára o požadovaném regulovaném tlaku páry v sání termokompresoru K_p, která je nasávána a komprimována termokompresorem K_p páry na tlak páry pro parní teplárenskou síť nebo průmyslovou technologii. Odvod vyexpandované horké vody z uvolňovače spáry UP se realizuje do horkovodní teplárenské sítě (obr. 2), případně k jiné technologické potřebě. Průběh, postup a účinky regulace v kompresorové stanici KS jsou obdobné jako u kvalitativní regulace prvního pořadí, jen s tím rozdílem, že kvalitativní úprava, tj. změna teploty horké vody, se provádí v energetickém zdroji E. Uvedený způsob regulace je charakterizován tím, že v případě dodávky tepla z energetického zdroje E s kombinovanou výrobou elektrické energie a tepla se celkový úbytek mechanické energie celého systému prakticky nemění i při proměnlivé dodávce tepla, protože diference mechanické energie pro termokompresor K_p je vykompenzována změnou odpadlé elektrické energie v energetickém zdroji E.

Kvantitativní regulací, tj. změnou průtočné hmotnosti horké vody a při její konstantní teplotě na výstupu z energetického zdroje E její redukcí škrticím regulačním orgánem S na nižší tlak v uvolňovači páry UP. Generovaná pára o požadovaném tlaku P_g v sání termokompresoru K je nasávána a komprimována termokompresorem K stejným způsobem a se stejnými účinky P P jak je uvedeno u kvalitativní regulace třetího pořadí. Také rozvod tepla v parní a horkovodní síti je podle obr. 3 obdobný jako u kvalitativní regulace třetího pořadí. V případě, že je energetický zdroj E od kompresorové stanice KS ve větší vzdálenosti, potom se při regulaci množství dodávaného tepla celková diference mechanické energie v celém systému prakticky nemění, protože změna spotřeby mechanické energie pró termokompresor K_p je do značné míry kompenzována změnou čerpací práce pro dopravu horké vody teplovodem. Při zmenše ní průtoku jsou však větší poměrné ztráty tepla v teplovodu proti výše uvedené kvalitativní regulaci třetího pořadí.

Kombinovanou regulací horké vody v energetickém zdroji E, tj. změnou teploty i hmotnostního průtoku horké vody, která vznikne kombinací obou uvedených řešení třetího pořadí. Schéma provedení je na obr. 4 a postup a účinky regulace jsou obdobné, jak již bylo uvedeno u kvalitativního a kvantitativního způsobu regulace třetího pořadí. Toto řešení je nejefektivnější a vyznačuje se minimálními ztrátami mechanické energie při dodávce tepla.

Dále jsou ve čtvrtém pořadí ještě možné varianty regulace dodávky tepla v teplárenském systému š kaskádním zapojením uvolňovačů páry UP a termokompresorů K_p v kompresorové stanici

KS, kde teplonositel před uvolňovači páry UP a generovaná pára jsou stejné prostředí.

Způsoby regulace jsou pro samostatné provedení shodné jako dříve zkráceně popsané způsoby regulace prvního pořadí, ve spojení s celým systémem, tj. s energetickým zdrojem E, teplovodem a spotřebitelskou sítí, jsou shodné jako před tímto zjednodušeně charakterizované způsoby regulace třetího pořadí.

CS 266 824 Bl

Mimoto jsou v pátém pořadí možné způsoby regulace dodávky tepla v teplárenském systému s kaskádním zapojením generátorů páry GP a termokompresorů K^ v kompresorové stanici KS, kde teplonosné prostředí na primární straně nemusí být totožné s generovanou párou pro termokompresor K^. Variantní způsoby regulace na primární straně generátoru páry GP jsou provedeny před prvním generátorem páry GP bud kvalitativní, kvantitativní nebo kombinovanou regulací, a to pro jednoduché provedení podle zjednodušených charakteristik uvedených ve druhém pořadí, ve spojení s celým systémem, tj. s energetickým zdrojem E, teplovodem a spotřebitelskou sítí podle zjednodušených charakteristik uvedených ve třetím pořadí.

Konečně v šestém pořadí jsou možné varianty regulace dodávky tepla v teplárenském systému s kaskádním zapojením kompresorového agregátu v provedení generátor páry GP a termokompresor Kp s navazujícím uvolňovačem páry UP, kde primární teplonositel je totožný s generovanou párou. Variantní způsoby regulace na primární straně generátoru páry GP jsou provedeny před prvním generátorem páry GP bud kvalitativní, kvantitativní nebo kombinovanou regulací, pro jednoduché provedení podle způsobů regulace charakterizovaných ve druhém pořadí, a ve spojení s celým systémem,~ tj. s energetickým zdrojem E, teplovodem a spotřebitelskou sítí, podle způsobů regulace zjednodušeně charakterizovaných ve třetím pořadí.

Claims (7)

1. PŘEDMĚT VYNÁLEZU

   1. Způsob regulace dodávky tepla pro spotřebitele a/nebo spotřebitelskou oblast se spotřebou tepla v páře, kde energetický zdroj dodává teplo v horké vodě a převáděcí stanice je osazena zdrojem páry, například uvolňovačem páry nebo parním generátorem, a za ním uspořádaným termokompresorem, vyznačený tím, že regulace se provádí kvalitativně, to je změnou teploty teplonosného prostředí, a/nebo kvantitativně, to je změnou průtočné hmotnosti teplonosného prostředí přiváděného ke zdroji páry.
2. 2. Způsob podle bodu 1, vyznačený tím, že regulace se provádí před zdrojem páry změnou teploty horké vody před zdrojem páry.
3. 3. Způsob podle bodu 1, vyznačený tím, že regulace se provádí před zdrojem páry změnou průtočné hmotnosti horké vody o konstantní teplotě před zdrojem páry.
4. 4. Způsob podle bodu 1, vyznačený tím, že regulace se provádí před zdrojem páry, a to jak změnou teploty, tak i změnou průtočné hmotnosti horké vody před zdrojem páry.
5. 5. Způsob podle jednoho z bodů 2 až 4, vyznačený tím, že regulace se provádí zdrojem páry, například parním generátorem, na vstupním teplonosném prostředí, odděleném, například stěnou výměníku, od vznikající páry, následně stlačované v termokompresorů.
6. 6. Způsob podle bodu 1, vyznačený tím, že kvalitativní a/nebo kvantitativní regulace se provádí před zdrojem páry již v energetickém zdroji, například v klasické či jaderné elektrárně.
7. 7. Způsob podle bodu 1, vyznačený tím, že regulace se provádí dálkově.