ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС Российский патент 2005 года по МПК F01K17/02 F24D12/02 

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к централизованному теплоснабжению на основе совместного производства электроэнергии и теплоты на паротурбинных ТЭЦ общегородского назначения.

Одним из направлений совершенствования теплофикации является снижение температуры обратной сетевой воды за счет дополнительного охлаждения в испарителях теплонасосных установок (ТНУ) [1], что позволяет увеличить производительность системы теплоснабжения и снизить удельную стоимость и потери энергии магистральных теплопроводов.

Известна система теплоснабжения, включающая ТЭЦ и ТНУ [2], которая служит прототипом изобретения. В ней обратная сетевая вода поступает на ряд последовательно включенных по ходу воды теплонасосных станций (ТНС), включающих несколько ТНУ. Охлажденная, например, до 5-10°С испарителями ТНУ сетевая вода единым потоком поступает в систему охлаждения отработавшего пара последовательно включенных по ходу сетевой воды конденсационных турбин, затем распределяется на параллельные потоки по числу теплофикационных турбин, в системе отработавшего пара которых догревается до проектной температуры воды на входе в сетевые подогреватели турбин. Нагретая в них вода, а в пиковом режиме и с дополнительным подогревом в котлах, поступает к потребителям теплоты. Системы охлаждения конденсационной и теплофикационной частей энергокомплекса также имеют обычные системы отвода отработавшей теплоты турбин, которое включаются при недостаточном теплоотводе переохлажденной сетевой водой.

Такое техническое решение, ориентированное на использование типовых ТНУ, работающих по обратному циклу Ренкина и включающих испаритель рабочего тела, компрессор, конденсатор и дроссельный вентиль, имеет следующий недостаток. Каждая из последовательно включенных ТНС имеет более низкие температуры обратной сетевой воды по сравнению с предыдущей ТНС и, следовательно, более низкие температуры испарения рабочего тела. Это приводит к ухудшению термодинамических и технико-экономических показателей ТНУ и даже при одинаковых проектных теплопроизводительностях приведет к разным типоразмерам ТНУ, усложнению и удорожанию системы.

Кроме того, в рассмотренных в прототипе двух вариантах размещения энергокомплекса - полностью и частично вне обслуживаемого города недоиспользуется еще одна возможность усовершенствования энергокомплекса, а именно: путем вывода за пределы города экологически опасных мусоросжигающих заводов, теплопроизводительность которых может быть полезно использована.

Целью изобретения является повышение экономической и экологической конкурентоспособности предложенной в прототипе системы.

Указанная цель достигается тем, что единый поток обратной сетевой воды разделяется на параллельные потоки, каждый из которых служит источником низкопотенциальной теплоты для ТНУ теплонасосных станций так, что обеспечивается одно и тоже охлаждение воды в каждой из них, например, от 40-50°С и до 5-10°С, при этом для снижения эксергетических потерь (возникающих при теплообмене сред, одна из которых (сетевая вода, теплоноситель) имеет переменную, а другая (рабочее тело термодинамического цикла ТНУ) - постоянную температуру) и повышения коэффициента преобразования ТНУ используется термодинамический цикл с переменными температурами рабочего тела, а именно: цикл Джоуля с двумя изобарами и двумя политропами (сжатия рабочего тела а компрессоре и расширения в турбине) для реального цикла, действующего в области перегретого пара, при этом дополнительно к использованию теплоты отработавшего пара конденсационных и теплофикационных турбин для нагрева переохлажденной сетевой воды используется теплота сжигания мусора, причем в следующих двух вариантах: для выведенных за пределы обслуживаемого города ТЭЦ мусоросжигательный завод нагревает воду после сетевых подогревателей теплофикационных турбин, что позволяет увеличить выработку электроэнергии турбинами, а при сохранении ТЭЦ в городе - после конденсационных турбин, что увеличит их выработку электроэнергии.

На фиг.1 приведена схема энергокомплекса. Он работает следующим образом. Нагретая в сетевых подогревателях теплофикационных турбин 1 вода по подающим магистралям 3 поступает к потребителям теплоты 4. Обратная сетевая вода по магистралям 5 поступает на параллельно включенные по сетевой воде ТНС 6, каждая из которых (условно показано для одной THС) снабжает теплотой (7 - резервно-пиковый котел) своих потребителей 8. Охлажденная испарителями THС сетевая вода поступает единым потоком в систему охлаждения отработавшего пара конденсационных энергоблоков 9, затем в систему нагрева мусоросжигательного завода 10 и затем в сетевые подогреватели теплофикационных турбин ТЭЦ - для варианта с размещением ТЭЦ в черте города. При размещении ТЭЦ вне обслуживаемого города система нагрева сетевой воды 10а размещается после сетевых подогревателей ТЭЦ.

На фиг.2 приведены термодинамические циклы ТНУ в "Т-S" диаграмме для: а) обычно применяемого обратного цикла Ренкина и б) цикла Джоуля.

Цикл Ренкина включает процессы: "1-2" - сжатия рабочего тела в компрессоре; "2-3-4-5" - отвода теплоты к теплоносителю; "5-6" - дросселирования рабочего тела в дроссельном вентиле и "6-1" - испарения рабочего тела за счет теплоты обратной сетевой воды. Цикл Джоуля включает процессы: "1-2" - сжатия рабочего тела в компрессоре; "2-3" - отвода теплоты к теплоносителю; "3-4" - расширения рабочего тела в турбине и "4-1" - нагрева рабочего тела за счет теплоты обратной сетевой воды. Поскольку цикл осуществляется в области перегретого пара, то фазовый переход здесь отсутствует. Это позволяет приблизить линии нагрева и охлаждения теплоносителя и сетевой воды к линиям рабочего тела и тем самым значительно снизить эксергетические потери при теплообмене Δе₁ и Δе₂, пропорциональные площадям между линиями рабочего тела и нагреваемой и охлаждаемой средами по сравнению с циклом Ренкнна. Вместе с заменой дроссельного вентиля на турбину, снижающей приводную мощность ТНУ, это приводит к существенно более высокому показателю ее энергоэффективности - коэффициенту преобразования энергии.

Другим преимуществом цикла Джоуля является возможность полного охлаждения обратной сетевой воды до заданной температуры - 5-10°С, что позволяет максимально унифицировать используемые ТНУ и ТНС. При использовании обратного цикла Ренкина получить эту температуру с приемлемым значением коэффициента преобразования невозможно. Для его повышения здесь необходимо устанавливать последовательно включенный (по ходу сетевой воды) ряд ТНС, как это предлагается в прототипе изобретения, что приведет к росту количества используемых типоразмеров ТНУ и ТНС.

Все изложенное относится к проектному режиму работы турбин ТЭЦ и ТНС, то есть когда они имеют максимальные производительности без включения пиковых котлов 2 и 7. При пиковом режиме работы, который занимает 15-20% в годовом производстве теплоты, температура в подающей магистрали ТЭЦ повышается до 130-150°С, а температура обратной сетевой воды - до 60-70°С. Это означает, что при заданной теплопроизводительности ТНУ температура на входе в систему охлаждения конденсационных турбин повысится до 25-30°С, что недопустимо. В этом случае система охлаждения переводится на работу в режим сброса отработавшей теплоты через обычную систему технического водоснабжения.

Оба варианта использования теплоты мусоросжигательных заводов позволяют не только увеличить выработку электроэнергии турбинами ТЭЦ или энергоблоков 9, но будет способствовать улучшению экологической обстановки в городах, обслуживаемых энергокомплексами, в том числе и за счет вытеснения городских ТЭЦ и котельных более совершенными теплоисточниками - ТНС.

Поскольку выше шла речь о конденсационных турбинах, которые входят в состав как конденсационных и парогазовых, так и атомных электростанций, то изобретение относится ко всем этим типам электростанций.

Источники информации

1. Г.Хайнрик, Х.Найорк, В.Нестлер. Теплонасосные установки для отопления и горячего водоснабжения. М., Стройиздат, 1985, с.306.

2. В.П.Проценко. Энергетический комплекс. Патент РФ на изобретение №2188324.

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к централизованному теплоснабжению на основе совместного производства электроэнергии и теплоты. Энергетический комплекс включает теплофикационные и конденсационные турбины, системы охлаждения их отработавшего пара, теплонасосные установки, пиковые нагреватели и тепловые сети, которые объединены общим контуром сетевой воды так, что общий поток обратной сетевой воды делится на параллельные потоки, каждый из которых служит источником низкопотенциальной теплоты для теплонасосных станций, так что каждая из параллельно включенных по ходу сетевой воды теплонасосных установок теплонасосных станций обеспечивает одно и то же охлаждение воды, чем обеспечивается идентичность конструкций и термодинамических циклов теплонасосных установок, включающих две изобары (подвода и отвода теплоты) и две политропы (сжатия рабочего тела в компрессоре и расширения в турбине); при этом дополнительно к утилизации теплоты отработавшего пара турбин для нагрева сетевой воды используется теплота сжигания мусора в двух вариантах: для выведенных за пределы обслуживаемого города ТЭЦ мусоросжигательный завод нагревает воду после ТЭЦ, что позволяет увеличить выработку электроэнергии ее турбинами, а при размещении ТЭЦ в городе - после конденсационных турбин, что позволяет увеличить выработку электроэнергии последними. Изобретение позволяет повысить конкурентоспособность теплофикации. 2 ил.

Энергетический комплекс, включающий теплофикационные и конденсационные паровые турбины, системы охлаждения их отработавшего пара, теплонасосные установки, пиковые нагреватели и тепловые сети, отличающийся тем, что общий поток обратной сетевой воды делится на параллельные потоки, каждый из которых является источником низкопотенциальной теплоты для теплонасосных установок теплонасосных станций, осуществляющих полное охлаждение сетевой воды вплоть до минимальной температуры (5-10°С) путем использования обратного термодинамического цикла, включающего две изобары - подвода и отвода теплоты и две политропы - сжатия рабочего тела в компрессоре и расширения в турбине, в комплексе используется дополнительный источник теплоты - размещаемый вне обслуживаемого города мусоросжигательный завод, который производит нагрев сетевой воды после ее нагрева в системе охлаждения отработавшего пара конденсационных турбин при размещении энергетического комплекса в черте города и нагрев сетевой воды после сетевых подогревателей теплофикационных турбин при внегородском размещении .