ЭКОНОМИЧНАЯ ТЕПЛОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ И СПОСОБ ЕЕ РАБОТЫ Российский патент 1997 года по МПК F25B29/00 

Изобретение относится к области энергетики.

Преимущественная область использования зимой производство тепла, преимущественная область использования летом производство электричества.

Существующие тепловые электростанции (ТЭЦ) используют тепло топлива, для производства электроэнергии до 40%
Существующие котельные установки для производства (тепла) горячей воды используют тепло топлива до 80%
Прототипом изобретения может быть тепловая электростанция [1] и способ работы тепловой электростанции [2]
Основным недостатком парогазовых установок, вырабатывающих электроэнергию является практическая невозможность их работы на чисто твердом топливе, а также относительно низкие значения их коэффициентов полезного действия.

Основным недостатком котельных установок теплофикации является относительно низкий их коэффициент полезного действия.

Цель изобретения значительное повышение КПД при работе ЭТЭ в режиме выработки электроэнергии и значительное повышение КПД при работе ЭТЭ в режиме выработки тепла и холода за счет утилизации солнечного тепла, рассеянного в земной атмосфере.

Сущность изобретения и его отличительные признаки от прототипа заключаются в использовании находящихся в последовательной тепловой связи паросиловой установки (ПСУ), газотурбинного двигателя твердого топлива (ГТДТТ) аммиачной турбины, при этом горячие газы воздушной турбины ГТДТТ подаются в топку котельной установки. Конденсат аммиака используется для охлаждения влажных паров воды ПСУ.

Влажные пары воды конденсируются и свое тепло конденсации передают жидкому аммиаку для его парообразования.

Таким образом, тепло паров воды передается парам аммиака, уменьшая тем самым потери тепла ПСУ в холодильнике.

На чертеже изображена принципиальная схема (ЭТЭ) экономической тепловой электростанции.

Пример конкретного выполнения ЭТЭ показан на чертеже, где:
1 котельная установка (КУ),
2 паросиловая установка (ПСУ),
3 газотурбинный двигатель твердого топлива (ГТДТТ),
4 аммиачная турбина (АТ),
5 тепловой насос (ТН),
6 генератор электрического тока,
7 потребители горячей воды и холодного воздуха (жилые дома),
8 водяной насос теплофикации,
9 водяной конденсатор паров аммиака,
10 насос жидкого аммиака,
11 аммиачно-паровой теплообменник,
12 аммиачно-газовый теплообменник,
Паровая турбина, аммиачная турбина, газотурбинный двигатель твердого топлива, генератор электрического тока и тепловой насос смонтированы на одном валу.

При этом при включении дисковой муфты "б" и отключении дисковой муфты "а" ЭТЭ работает в режиме производства электроэнергии и наоборот, при включении дисковой муфты "а" и выключении дисковой муфты "б" ЭТЭ работает в режиме производства горячей воды (тепла) и холодного воздуха.

Работа ЭТЭ в режиме производства электроэнергии:
Дисковая муфта "а" отключена, дисковая муфта "б" включена.

В этом случае суммарное тепло от сгорания угольной пыли Q_см и подводимых в топку котла горячих газов Q_г поступает на теплообменники ПСУ, которая работает с двойным перегревом и регенерацией пара. Оставшаяся часть тепла поступает на теплообменник ГТДТТ, обеспечивая его работу.

Тепло, которое остается после теплообменника, ГТДТТ поступает к аммиачному теплообменнику, причем количество аммиака, поступающее в теплообменник, должно обеспечить конденсацию паров воды ПСУ с одной стороны, а количество паров воды ПСУ должно обеспечить парообразование аммиака. Таким методом утилизируется тепло конденсации водяного пара.

Технико-экономическая эффективность, конкретный термодинамический расчет. Работа ЭТЭ в режиме производства электроэнергии.

Расчет начинаем из условий, что лопатки соплового аппарата и воздушной турбины ГТДТТ работают при Т₃ 1023 K (750^oC).

Принимаем
η_c КПД воздушного компрессора 0,8;
η_p КПД воздушной турбины 0,9;
T₂ температура воздуха после воздушного компрессора, Δt = 1073-1023 = 50^°;
T_н стандартная температура воздуха 288 K;
Q_ГТДТТ тепло, поступающее на теплообменник ГТДТТ

m коэффициент, учитывающий изменение теплоемкости воздуха с изменением его температуры ≈ 1,02;
l степень повышения давления воздуха в воздушной турбине 1,63;

Q_э тепло, эквивалентное полезной работе ГТДТТ.

Q_т тепло, поглощаемое теплообменником ГТДТТ
Q_т C_p(T₃ T₂) 0,275(1023 514) 140 ккал.

Q_г тепло, отводимое от воздушной турбины ГТДТТ
Q_г Q_a1 + Q_т Q_э
Q_a1 тепло атмосферного воздуха.

Q_a1 C_pT_н 0,24•288 69 ккал.

Q_г=69 + 140 34,2 174,8 ккал.

Q_a2 тепло, уходящее в атмосферу с горячими газами.

Принимаем: T_g 325 K
Q_a2 325•0,24 78 ккал.

Q_a2 тепло, поглощаемое аммиачно-газовым теплообменником.

Принимаем: Q_a2 200 ккал.

Q_ПСУ тепло, поглощаемое теплообменником парообразования.

Принимаем: Q_ПСУ 200 ккал.

Принимаем условие, что тепло, поглощаемое теплообменником ГТДТТ, равно теплу, сбрасываемому в топку котельной установки
Q_т= Q12

где Q12 тепло, сбрасываемое в топку котельной установки после воздушной турбины ТТДТТ с учетом атмосферного тепла Q12 = Q₂-0,107Q_см
Отсюда:

С учетом утилизации тепла конденсации паров воды для парообразования жидкого аммиака принимаем КПД аммиачной турбины
η_ат= 0,5
С учетом регенерации и двойного перегрева водяного пара паросиловой установки принимаем КПД ПСУ
η_ПСЧ= 0,4.

В этом случае КПД экономичной тепловой электростанции (ЭТЭ) составит:
.

C_h удельный расход топлива

экономия топлива составляет более 40%
Работа экономической тепловой электростанции в режиме производства тепла и холода.

Муфта "а" включена, муфта "б" отключена. Коэффициент преобразования теплового насоса рассчитываем по формуле

где l степень повышения давления воздуха в воздушном компрессоре теплового насоса,
температура воздуха на входе в сопловой аппарат воздушной турбины (ТН),
температуре воздуха, покидающего морозильные камеры.

Принимаем: T_н= 288 K; l = 1,4; η_c= 0,8; η_p= 0,9;

Эффективный коэффициент полезного действия ЭТЭ, работающей в режиме производства тепла и холода:
0,66•2,356 1,55
то есть 57% тепла, от затраченного на его производство, отжимается из атмосферного тепла, нагреваемого солнечными лучами. При сжигании 1000 кг угля получаем горячей воды и холодного воздуха, эквивалентного сжиганию 2000 кг угля. Экономия 100% ЭТЭ в режиме работы по производству тепла и холода утилизирует солнечное тепло, рассеянное в земной атмосфере.

Использование: область энергетики, изобретение решает техническую задачу утилизации солнечного тепла, рассеянного в земной атмосфере. Сущность изобретения: экономичная тепловая электростанция (ЭТЭ) состоит из: котельной установки, в которой последовательно смонтированы теплообменники паросиловой установки (ПСУ), газотурбинного двигателя твердого топлива (ГТДТТ), аммиачной турбины. В состав ЭТЭ входят паровая турбина, аммиачная турбина, воздушная турбина теплового насоса, воздушный компрессор ГТДТТ и воздушный компрессор теплового насоса. Все турбины и воздушные компрессоры смонтированы на одном валу, причем через дисковые муфты можно отключать тепловой насос и выключать генератор электрического тока и наоборот отключать генератор электрического тока и включать тепловой насос при выработке тепла и холода. Способ работы ЭТЭ заключается в том, что горячие газы ГТДТТ после воздушной турбины ГТДТТ подаются в топку котла, причем тепло, поглощаемое теплообменником ПСУ в сумме с теплом, поглощаемым теплообменником ГТДТТ больше тепла, подводимого в топку котельной установки с угольной пылью, кроме того, тепло конденсации паров воды используется для парообразования жидкого аммиака. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Экономичная тепловая электростанция, содержащая котельную установку с теплообменником паросиловой установки, теплообменник газотурбинного двигателя, газовый теплообменник и газовую турбину, установленную на одном валу с турбиной газотурбинного двигателя, жидкостные насосы и генератор электрического тока, отличающаяся тем, что, с целью повышения КПД экономичной тепловой электростанции, трубопровод выхода горячего воздуха газотурбинного двигателя связан (соединен) с топкой котельной установки, в котельной установке применено твердое топливо, в газовом теплообменнике и турбине применен аммиак, выход аммиачной турбины соединен с водяным конденсатором паров аммиака, выход которого связан через насос жидкого аммиака с аммиачно-паровым теплообменником, связанным с паросиловой установкой, которая установлена на одном валу с газотурбинным двигателем твердого топлива и аммиачной турбиной, причем вал при помощи дисковой муфты "а" связан с тепловым насосом, а при помощи муфты "б" связан с генератором электрического тока. 2. Способ работы экономичной тепловой электростанции в режиме получения горячей воды и холодного воздуха путем использования теплового насоса, отличающийся тем, что при включении дисковой муфты "а" и выключении дисковой муфты "б" вырабатываемая постоянная мощность поглощается тепловым насосом, утилизирующим подводимую мощность, а также утилизирующим солнечное тепло, рассеянное в земной атмосфере, при максимальном значении коэффициента преобразования теплового насоса, который при параметрах

где l степень повышения давления воздуха воздушного компрессора теплового насоса (ТН), равная 1,4;
η_c - КПД воздушного компрессора ТН, равный 0,8;
η_p - КПД воздушной турбины ТН, равный 0,9;
η_m - механический КПД ТН, равный 0,97;
температура воздуха на входе в сопловой аппарат воздушной турбины, равная 315К;
температура воздуха на выходе из морозильных камер, равная 270К;
Т_н стандартная температура воздуха, равная 288К,
составляет η_TH 2,356.