СПОСОБ СОВМЕСТНОГО ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ И ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕПЛОТЫ ВТОРИЧНЫХ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ И ЭНЕРГОУСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2004 года по МПК F02C6/18 

Изобретение относится к области энергетики, в частности к производству электрической и тепловой энергии.

В качестве аналога принят способ производства электрической энергии, включающий процессы утилизации теплоты вторичных энергоресурсов с образованием пара, расширение его в паровой турбине с преобразованием его потенциальной энергии в механическую и одновременным преобразованием последней в электрическую в электрогенераторе (см. Розенгарт Ю.И. и др. Вторичные энергетические ресурсы черной металлургии и их использование /Ю.И. Розенгарт, Б.И. Якобсон, З.А. Мурадова. Киев: Головное издательство издательского объединения “Выща школа” 1988-328 с.).

Известный способ обладает недостатком, заключающимся в том, что температурный потенциал утилизированной теплоты вторичных энергоресурсов низкий, а следовательно, низка и температура получаемого пара (около 300° С). Вследствие этого, доля тепловой энергии пара, превращаемой в работу, незначительна.

В качестве прототипа принят способ совместного производства электрической и тепловой энергии, включающий процессы сжатия воздуха, сжигания в нем топлива, смешения полученных продуктов сгорания с водяным паром, расширения газопаровой смеси в газопаротурбинной установке и преобразование ее потенциальной энергии в механическую с одновременным преобразованием последней в электрическую, утилизации теплоты отработавших газов в котле-утилизаторе с образованием пара и в теплообменнике-водонагревателе с образованием горячей воды, конденсации влаги из отработавших газов, в теплообменнике-водонагревателе с подачей потока конденсата в котел-утилизатор и подачей образовавшегося в нем водяного пара в камеру сгорания (см. RU 21792948 С1, МПК F 01 К 23/06, 10.02.2002).

В качестве прототипа принята энергетическая установка, содержащая газопаротурбинный двигатель, включающий последовательно расположенные компрессор, камеру сгорания с подводом водяного пара и турбину, связанную валом с преобразователем механической энергии в электрическую, и последовательно расположенные за турбиной по направлению движения отработавших газов котел-утилизатор, который своим выходом по водяному пару подключен к камере сгорания газотурбинного двигателя, теплообменник подогрева конденсата с входом по воде и выходом по горячей воде, конденсатор, выход которого по конденсату подключен через деаэратор к входу котла-утилизатора (см. RU 2179248 С1, МПК F 01 К 23/06, 10.02.2002, в документе 7 с.).

Известный способ обладает недостатком, заключающимся в том, что он не использует теплоту вторичных энергоресурсов промышленных предприятий для производства электрической и тепловой энергии и имеет низкую температуру конденсата на выходе из конденсатора, что не позволяет полезно использовать его теплоту.

В изобретении решается задача создания способа производства электрической и тепловой энергии за счет использования теплоты сжигаемого топлива, утилизированной теплоты отработавших газов энергоустановки, а также теплоты вторичных энергоресурсов промышленных предприятий. Это позволяет, во-первых, полезно использовать теплоту вторичных энергоресурсов для увеличения производства электрической энергии и, во вторых, существенно поднять температурный потенциал конденсата в конденсаторе энергоустановки, что позволяет использовать его теплоту в полном объеме для нужд теплоснабжения и горячего водоснабжения. Последнее позволяет существенно приблизиться к безотходному использованию топливных ресурсов в промышленных условиях.

Поставленная задача решается тем, что в способе совместного производства электрической и тепловой энергии, включающем процессы сжатия воздуха, сжигания в нем топлива, смешения полученных продуктов сгорания с водяным паром, расширения газопаровой смеси в газопаротурбинной установке и преобразование ее потенциальной энергии в механическую с одновременным преобразованием последней в электрическую, утилизации теплоты отработавших газов в котле-утилизаторе с образованием пара и в теплообменнике подогрева конденсата с образованием горячей воды, конденсации влаги из отработавших газов в конденсаторе с подачей потока конденсата в котел-утилизатор и подачей образовавшегося в нем водяного пара в камеру сгорания, согласно изобретению в качестве топлива используют газовое или жидкое топливо, второй поток конденсата приводят в тепловой контакт с отработавшими газами в теплообменнике подогрева конденсата, нагревают и подают в виде горячей воды в теплообменник теплоснабжения с возвратом охлажденной горячей воды в теплообменник подогрева конденсата, третий поток конденсата направляют для утилизации теплоты вторичных энергоресурсов промышленного предприятия с образованием пара, который перегревают отработавшими газами газопаротурбинной установки и подают в виде перегретого пара в камеру сгорания, четвертый поток направляют в теплообменник горячего водоснабжения, причем при необходимости к нему подмешивают часть горячей воды после теплообменника подогрева конденсата, пятый поток охлаждают в охладителе конденсата, смешивают с охлажденной горячей водой после теплообменника горячего водоснабжения и приводят в конденсаторе в контакт с отработавшими газами, а при снижении температуры окружающей среды до температуры начала отопления и ниже отбирают водный пар перед камерой сгорания и приводят его в тепловой контакт с горячей водой, поступающей в теплообменник теплоснабжения.

Поставленная задача решается тем, что энергетическая установка, состоящая из газопаротурбинного двигателя, включающего последовательно расположенные компрессор, камеру сгорания с подводом водяного пара и турбину, связанную валом с преобразователем механической энергии в электрическую, и последовательно расположенные за турбиной по направлению движения отработавших газов котел-утилизатор, который своим выходом по водяному пару подключен к камере сгорания газопаротурбинного двигателя, теплообменник подогрева конденсата с входом по воде и выходом по горячей воде, конденсатор, выход которого по конденсату подключен через деаэратор к входу котла-утилизатора, согласно изобретению установка дополнительно снабжена теплообменником теплоснабжения, теплообменником горячего водоснабжения, утилизатором теплоты вторичных энергоресурсов промышленного предприятия, узлом отбора водяного пара, вход и выход которого подключены соответственно к выходу по водяному пару котла-утилизатора и входу теплообменника теплоснабжения, а газопаротурбинный двигатель снабжен теплообменником перегрева пара, который расположен непосредственно за турбиной и подключен своим входом по пару к выходу утилизатора теплоты вторичных энергоресурсов промышленного предприятия, а выходом - к камере сгорания газопаротурбинного двигателя, теплообменник подогрева конденсата подключен своим выходом по воде непосредственно к входу теплообменника теплоснабжения и через регулируемый клапан к входу теплообменника горячего водоснабжения, а своим входом - к выходу теплообменника теплоснабжения, выход конденсатора так же дополнительно подключен к входу теплообменника подогрева конденсата и непосредственно к входу охладителя конденсата, а так же через деаэратор к входу утилизатора теплоты вторичных энергоресурсов промышленного предприятия и к входу теплообменника горячего водоснабжения, а входом - к выходам охладителя конденсата и теплообменника горячего водоснабжения.

Новая совокупность существенных признаков отсутствует в известных технических решениях и позволяет значительно (в 3-4 раза) увеличить температурный потенциал пара, получаемого за счет утилизированной теплоты вторичных энергоресурсов и тем самым за счет этого в несколько раз увеличить производство электроэнергии при одновременном снижении габаритов, массы и стоимости киловатта установленной мощности энергетической установки.

Все перечисленные преимущества направлены на повышение эффективности производства за счет роста объема и снижения себестоимости электроэнергии.

На чертеже изображена схема энергетической установки, реализующей предложенный способ.

Энергетическая установка состоит из газопаротурбинного двигателя 1, включающего последовательно расположенные компрессор 2, камеру сгорания 3 и турбину 4, связанную валом с компрессором 2 и преобразователем механической энергии в электрическую 5. В газовыхлопном тракте за турбиной по пути движения отработавших газов последовательно расположены теплообменник перегрева пара 6, который своим входом по пару подключен к утилизатору теплоты вторичных энергоресурсов 7 промышленного предприятия, а выходом - к вторичной зоне камеры сгорания 3, котел-утилизатор теплоты отработавших газов 8, который своим выходом по пару подключен к камере сгорания 3 и одновременно через узел отбора пара 9 - к входу теплообменника теплоснабжения 10, теплообменник подогрева конденсата 11, который своим выходом по воде подключен одновременно к входу теплообменника теплоснабжения 10 и через регулируемый клапан 12 к входу теплообменника горячего водоснабжения 13, а своим входом - к выходу теплообменника теплоснабжения 10, конденсатор 14, выход которого по конденсату подключен одновременно через деаэратор (не показан) к входам утилизатора теплоты вторичных энергоресурсов 7 промышленного предприятия, котла-утилизатора 8, теплообменника подогрева конденсата 11, теплообменника горячего водоснабжения 13 и охладителя конденсата 15, а вход по конденсату подключен к выходам охладителя конденсата 15 и теплообменника горячего водоснабжения 13.

Способ осуществляется энергоустановкой следующим образом.

Атмосферный воздух через компрессор 2 газопаротурбинного двигателя 1 подают в камеру сгорания 3, куда одновременно направляют топливо и сжигают. Продукты сгорания, что образовались при этом, смешивают с водяным паром, полученным в котле-утилизаторе 8. Полученную в камере сгорания 3 газопаровую смесь направляют в турбину 4, где ее расширяют, превращая при этом ее потенциальную энергию в механическую, которую одновременно превращают в электрическую энергию в электрогенераторе 5. Отработавшую в турбине 4 газопаровую смесь (отработавшие газы) направляют в теплообменник перегрева пара 6, где частично утилизируют ее теплоту путем перегрева пара, поступающего из утилизатора вторичных энергоресурсов 7 промышленного предприятия, который подают в камеру сгорания 3, а частично охлажденные отработавшие газы направляют в котел-утилизатор 8, где за счет дальнейшей утилизации их теплоты получают перегретый пар, который также направляют в камеру сгорания 3. После котла-утилизатора 8 отработавшие газы направляют в теплообменник подогрева конденсата 11, где за счет углубленной утилизации их теплоты нагревают конденсат, который подают в теплообменники теплоснабжения 10 и через регулировочный клапан 12 в теплообменник горячего водоснабжения 13, а охлажденные отработавшие газы направляют в конденсатор 14, где их дополнительно охлаждают и конденсируют пар при смешении с непрерывно подаваемым туда конденсатом, охлажденным в охладителе конденсата 15 и теплообменнике горячего водоснабжения 13. Конденсат, получаемый в конденсаторе 14, разделяют на несколько потоков: один из них направляют на вход утилизатора теплоты вторичных энергоресурсов 7 промышленного предприятия, другой - на вход котла-утилизатора 8, третий - на вход теплообменника подогрева конденсата 11, четвертый - на вход теплообменника горячего водоснабжения 13, а пятый - на вход охладителя конденсата 15.

По сравнению с прототипом предлагаемый способ работы энергоустановки обеспечивает ее работу с использованием утилизированной теплоты вторичных энергоресурсов промышленных предприятий для производства электрической и тепловой энергии. По сравнению с аналогом предлагаемый способ работы энергоустановки позволяет существенно увеличить эффективность процесса преобразования в работу утилизированной теплоты вторичных энергоресурсов, к которым относятся процессы плавки и термообработки металла, обжига доломита, химические процессы, процессы сжигания мусора, процессы компремирования газа на компрессорных станциях и многие другие.

Обусловлено это тем, что температурный потенциал утилизированной теплоты технологических процессов невысокий, что является причиной неэффективного превращения его в работу.

Это подтверждается следующей зависимостью:

L=Q(1-T₀/T_т)

где L - доля теплоты, превращаемая в работу;

Q - утилизированная теплота;

Т₀, Т_т - абсолютные температуры соответственно окружающей среды и утилизированной теплоты.

Из зависимости видно, что при постоянной температуре Т₀ окружающей среды тем больше теплоты превращается в работу, чем выше ее температура Т_т, которая определяется как температура рабочего тела, к которому она подведена. В рассматриваемом аналоге Т_т не превышает 550-573 К. Поэтому теоретическое количество утилизированной теплоты, превращаемое в работу при стандартной температуре атмосферы Т₀=288 К, не превышает 50%. С учетом необратимости процессов превращения теплоты в работу в реальных тепловых машинах уменьшается до 15-18%.

В предлагаемом способе производства электрической и тепловой энергии температурный потенциал теплоты технологических процессов повышается до Т_т=1373-1523 К, что увеличивает его долю, превращаемую в работу, до 81%. С учетом же процессов необратимости в реальных газопаротурбинных двигателях она достигает 45-48% (против 15-18% аналога).

Одновременно при этом резко примерно в 1,8-2,1 раза возрастает и электрическая мощность энергоустановки, что существенно уменьшает капитальные вложения, а следовательно, и снижает стоимость киловатта установленной мощности. Последнее подтверждается нижеприведенной зависимостью, из которой следует, что мощность энергоустановки растет пропорционально росту температуры рабочего тела на входе в турбину (потенциала утилизированной теплоты вторичных энергоресурсов)

N_т=G· C_p·_{Tт(1-1/Пк-1/кт}

где G - расход рабочего тела;

С_р - изобарная теплоемкость рабочего тела;

П_т - степень расширения рабочего тела в турбине;

η _т - адиабатный кпд турбины;

N_т - мощность на валу турбины.

В таблице приведены сравнительные данные по мощности, развиваемые паротурбинной установкой (аналог) и газопаротурбинным двигателем при пропускании через них одного килограмма пара, полученного за счет утилизированной теплоты вторичных энергоресурсов.

Приведенные данные подтверждают вышеотмеченную высокую эффективность предлагаемого способа производства электрической и тепловой энергии с использованием теплоты вторичных энергоресурсов промышленных предприятий.

Одновременно при этом, вследствие значительно большого поступления пара в камеру сгорания (более чем в 5 раз) по сравнению с прототипом температура конденсата в конденсаторе газопаротурбинного двигателя предлагаемой энергоустановки достигает 80-85° С, что обеспечивает возможность полного использования его тепла на нужды теплоснабжения и горячего водоснабжения. Последнее позволяет вплотную приблизиться к созданию безотходной технологии использования топливных ресурсов.

Изобретение относится к области энергетики. В способе совместного производства электрической и тепловой энергиив качестве топлива используют газовое или жидкое топливо, второй поток конденсата приводят в тепловой контакт с отработавшими газами в теплообменнике подогрева конденсата, нагревают и подают в виде горячей воды в теплообменник теплоснабжения с возвратом охлажденной горячей воды в теплообменник подогрева конденсата, третий поток конденсата направляют для утилизации теплоты вторичных энергоресурсов промышленного предприятия с образованием пара, который перегревают отработавшими газами газопаротурбинной установки и подают в виде перегретого пара в камеру сгорания, четвертый поток направляют в теплообменник горячего водоснабжения, пятый поток охлаждают в охладителе конденсата, смешивают с охлажденной горячей водойпосле теплообменника горячего водоснабжения и приводят в конденсаторе в контакт с отработавшими газами, а при снижении температуры окружающей среды до температуры начала отопления и ниже отбирают водяной пар перед камерой сгорания и приводят его в тепловой контакт с горячей водой, поступающей в теплообменник теплоснабжения. Энергетическая установка дополнительно снабжена теплообменником теплоснабжения, теплообменником горячего водоснабжения, утилизатором теплоты вторичных энергоресурсов промышленного предприятия, узлом отбора водяного пара, а газопаротурбинный двигатель снабжен теплообменником перегрева пара. Изобретение позволяет использовать теплоту сжигаемого топлива в полном объеме для нужд теплоснабжения и горячего водоснабжения. 2 н.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Способ совместного производства электрической и тепловой энергии, включающий процессы сжатия воздуха, сжигания в нем топлива, смешения полученных продуктов сгорания с водяным паром, расширения газопаровой смеси в газопаротурбинной установке и преобразование ее потенциальной энергии в механическую с одновременным преобразованием последней в электрическую, утилизации теплоты отработавших газов в котле-утилизаторе и в теплообменнике подогрева конденсата с образованием горячей воды, конденсации влаги из отработавших газов в конденсаторе с подачей потока конденсата в котел-утилизатор и подачей образовавшегося в нем водяного пара в камеру сгорания,отличающийся тем, чтов качестве топлива используют газовое или жидкое топливо, второй поток конденсата приводят в тепловой контакт с отработавшими газами в теплообменнике подогрева конденсата, нагревают и подают в виде горячей воды в теплообменник теплоснабжения с возвратом охлажденной горячей воды в теплообменник подогрева конденсата, третий поток конденсата направляют для утилизации теплоты вторичных энергоресурсов промышленного предприятия с образованием пара, который перегревают отработавшими газами газопаротурбинной установки и подают в виде перегретого пара в камеру сгорания, четвертый поток направляют в теплообменник горячего водоснабжения, причем при необходимости к нему подмешивают часть горячей воды после теплообменника подогрева конденсата, пятый поток охлаждают в охладителе конденсата, смешивают с охлажденной горячей водойпосле теплообменника горячего водоснабжения и приводят в конденсаторе в контакт с отработавшими газами, а при снижении температуры окружающей среды до температуры начала отопления и ниже отбирают водяной пар перед камерой сгорания и приводят его в тепловой контакт с горячей водой, поступающей в теплообменник теплоснабжения.2. Энергетическая установка, состоящая из газопаротурбинного двигателя, включающего последовательно расположенные компрессор, камеру сгорания с подводом водяного пара и турбину, связанную валом с преобразователем механической энергии в электрическую и последовательно расположенные за турбиной по направлению движения отработавших газов котел-утилизатор, который своим выходом по водяному пару подключен к камере сгорания газопаротурбинного двигателя, теплообменник подогрева конденсата с входом по воде и выходом по горячей воде, конденсатор, выход которого по конденсату подключен через деаэратор к входу котла-утилизатора, отличающаяся тем, чтоустановка дополнительно снабжена теплообменником теплоснабжения, теплообменником горячего водоснабжения, утилизатором теплоты вторичных энергоресурсов промышленного предприятия, узлом отбора водяного пара, вход и выход которого подключены соответственно к выходу по водяному пару котла-утилизатора и входу теплообменника теплоснабжения, а газопаротурбинный двигатель снабжен теплообменником перегрева пара, который расположен непосредственно за турбиной и подключен своим входом по пару к выходу утилизатора теплоты вторичных энергоресурсов промышленного предприятия, а выходом – к камере сгорания газопаротурбинного двигателя, теплообменник подогрева конденсата подключен своим выходом по воде непосредственно к входу теплообменника теплоснабжения и через регулируемый клапан к входу теплообменника горячего водоснабжения, а своим входом – к выходу теплообменника теплоснабжения, выход конденсатора также дополнительно подключен к входу теплообменника подогрева конденсата и непосредственно к входу охладителя конденсата, а также через деаэратор к входу утилизатора теплоты вторичных энергоресурсов промышленного предприятия и к входу теплообменника горячего водоснабжения, а входом – к выходам охладителя конденсата и теплообменника горячего водоснабжения.