КОНДЕНСАЦИОННАЯ ПАРОТУРБИННАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 2012 года по МПК F01K13/00 

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к тепловым электростанциям промышленных предприятий, где применяются башенные или вентиляторные градирни.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому объекту является тепловая электростанция, содержащая:

- энергетический котел, в который подводится питательная вода под большим давлением, топливо и атмосферный воздух для горения. В топке котла идет процесс горения - химическая энергия топлива превращается в тепловую и лучистую энергию. Питательная вода протекает по трубной системе, расположенной внутри котла. Сгорающее топливо является мощным источником теплоты, которая передается питательной воде. Последняя нагревается до температуры кипения и испаряется. Получаемый пар в этом же котле перегревается сверх температуры кипения. Этот пар с температурой 540°С и давлением 13÷24 МПа по одному или нескольким трубопроводам подается в паровую турбину;

- турбоагрегат, состоящий из паровой турбины, электрогенератора и возбудителя. Паровая турбина, в которой пар расширяется до очень низкого давления (примерно в 20 раз меньше атмосферного), преобразует потенциальную энергию сжатого и нагретого до высокой температуры пара в кинетическую энергию вращения ротора турбины. Турбина приводит электрогенератор, преобразующий кинетическую энергию вращения ротора генератора в электрический ток. Электрогенератор состоит из статора, в электрических обмотках которого генерируется ток, и ротора, представляющего собой вращающийся электромагнит, питание которого осуществляется от возбудителя;

- конденсатор служит для конденсации пара, поступающего из турбины, и создания глубокого разрежения. Это позволяет очень существенно сократить затрату энергии на последующее сжатие образовавшейся воды и одновременно увеличить работоспособность пара, т.е. получить большую мощность от пара, выработанного котлом;

- питательный насос для подачи питательной воды в котел и создания высокого давления перед турбиной (патент РФ N 2306513, МПК F28C 1/00, прототип).

Недостатком известного устройства является сравнительно невысокая эффективность и недостаточно рациональное использование вторичных энергоресурсов, например в градирне, где охлаждение воды происходит с поверхности мелкофракционного капельного потока, и имеет место сравнительно малый диапазон гидравлических и тепловых нагрузок, при которых градирня может эффективно охлаждать циркуляционную воду.

Технически достижимый результат - повышение эффективности работы электростанции и рациональное использование вторичных энергоресурсов.

Это достигается тем, что в конденсационной паротурбинной электростанции, содержащей котельную установку, производящую пар высоких параметров, паротурбинную установку, преобразующую теплоту пара в механическую энергию, и электрические устройства, обеспечивающие выработку электроэнергии потребителю, основным элементом котельной установки является газовый котел, газ для работы которого подается от газораспределительной станции к горелкам, расположенным в поде котла, а котел представляет собой П-образную конструкцию с газоходами прямоугольного сечения, причем левая часть является топкой, внутренняя часть которой свободна и в которой происходит горение топлива, при этом к горелкам специальным дутьевым вентилятором непрерывно подается горячий воздух, нагреваемый в воздухоподогревателе, при этом часть дымовых газов, уходящих из котла, специальным вентилятором рециркуляции подается к основному воздуху и смешивается с ним, причем стены топки облицованы экранами, представляющими собой трубы, к которым подается питательная вода из экономайзера, а пространство за топкой котла заполнено трубами, внутри которых движется пар или вода, причем снаружи эти трубы омываются горячими дымовыми газами, постепенно остывающими при движении к дымовой трубе, при этом основной пароперегреватель состоит из потолочного 20, ширмового 21 и конвективного 22 элементов, а паровая турбина турбоагрегата состоит из нескольких отдельных турбин-цилиндров: цилиндра высокого давления, цилиндра среднего давления и одного или нескольких одинаковых цилиндров низкого давления, из которых пар поступает в конденсатор, представляющий собой теплообменник, по трубкам которого непрерывно протекает охлаждающая вода, подаваемая циркуляционным насосом из аванкамеры градирни, выполненной с системой оборотного водоснабжения, которая имеет раздельные гидравлические контуры приготовления и потребления воды для градирни и содержит два бака для сбора воды с системой подпитки воды, затрачиваемой на испарение, причем баки соединены между собой компенсационной трубой, обеспечивающей гидравлическую независимость контуров приготовления рабочей воды и ее потребления, при этом образующийся в конденсаторе конденсат конденсатным насосом подается через фильтр, гидроаккумулятор и группу регенеративных подогревателей низкого давления в деаэратор, из которого питательная вода питательным насосом, приводимым в действие электродвигателем или специальной паровой турбиной, подается в группу подогревателей высокого давления, а газообразные продукты сгорания топлива, отдав свою основную теплоту питательной воде, поступают на трубы экономайзера и в воздухоподогреватель, в которых они охлаждаются до температуры 140-160°С и направляются с помощью дымососа к дымовой трубе.

На чертеже представлена схема конденсационной паротурбинной электростанции (ТЭС), работающей на газе.

Основными узлами конденсационной паротурбинной электростанции являются: котельная установка, производящая пар высоких параметров; турбинная или паротурбинная установка, преобразующая теплоту пара в механическую энергию вращения ротора турбоагрегата, и электрические устройства (электрогенератор, трансформатор и т.д.), обеспечивающие выработку электроэнергии потребителю, подаваемую посредством линий электропередач (ЛЭП).

Основным элементом котельной установки является газовый котел, газ для работы которого подается от газораспределительной станции 1, подключенной к магистральному газопроводу (не показан). Давление газа в газораспределительной станции 1 снижается до нескольких атмосфер и газ подается к горелкам 2, расположенным в поде котла (в случае применения горелок подовых). Котел представляет собой, например (как вариант), П-образную конструкцию с газоходами прямоугольного сечения, причем левая часть является топкой. Внутренняя часть топки свободна, и в ней происходит горение топлива, в рассматриваемом случае - газа. К горелкам 2 специальным дутьевым вентилятором 28 непрерывно подается горячий воздух, нагреваемый в воздухоподогревателе 25, например вращающемся воздухоподогревателе, теплоаккумулирующая набивка которого на первой половине оборота обогревается уходящими дымовыми газами, а на второй половине оборота нагревает поступающий из атмосферы воздух. Для повышения температуры воздуха используется рециркуляция: часть дымовых газов, уходящих из котла, специальным вентилятором рециркуляции 29 подается к основному воздуху и смешивается с ним. Горячий воздух смешивается с газом и через горелки 2 котла подается в его топку-камеру, в которой происходит горение топлива. При горении образуется факел, представляющий собой мощный источник лучистой энергии. Таким образом, при горении топлива его химическая энергия превращается в тепловую и лучистую энергию факела.

Стены топки облицованы экранами 19, представляющими собой трубы, к которым подается питательная вода из экономайзера 24, при этом в экранах прямоточного котла питательная вода, проходя трубную систему котла, только один раз, нагревается и испаряется, превращаясь в сухой насыщенный пар. В рассматриваемой схеме могут быть использованы также барабанные котлы, в экранах которых осуществляется многократная циркуляция питательной воды, а отделение пара от котловой воды происходит в барабане.

Пространство за топкой котла достаточно густо заполнено трубами, внутри которых движется пар или вода. Снаружи эти трубы омываются горячими дымовыми газами, постепенно остывающими при движении к дымовой трубе 26.

Сухой насыщенный пар поступает в основной пароперегреватель, состоящий из потолочного 20, ширмового 21 и конвективного 22 элементов. В основном пароперегревателе повышается его температура и, следовательно, потенциальная энергия. Полученный на выходе из конвективного пароперегревателя пар высоких параметров покидает котел и поступает по паропроводу к паровому турбоагрегату.

Мощная паровая турбина турбоагрегата состоит из нескольких отдельных турбин-цилиндров. К первому цилиндру - цилиндру высокого давления (ЦВД) 17 - пар подводится прямо из котла, и поэтому он имеет высокие параметры (для турбин СКД - 23,5 МПа, 540°С, т.е. 240 ат/540°С). На выходе из ЦВД давление пара составляет 3÷3,5 МПа (30-35 ат), а температура - 300÷340°С. Если бы пар продолжал расширяться в турбине дальше от этих параметров до давления в конденсаторе, то он стал бы настолько влажным, что длительная работа турбины была бы невозможной из-за эрозионного износа его деталей в последнем цилиндре. Поэтому из ЦВД относительно холодный пар возвращается обратно в котел в промежуточный пароперегреватель 23. В нем пар попадает снова под воздействие горячих газов котла, его температура повышается до исходной (540°С). Полученный пар направляется в цилиндр среднего давления (ЦСД) 16. После расширения в ЦСД до давления 0,2÷0,3 МПа (2÷3 ат) пар поступает в один или несколько одинаковых цилиндров низкого давления (ЦНД) 15.

Таким образом, расширяясь в турбине, пар вращает ее ротор, соединенный с ротором электрического генератора 14, в статорных обмотках 13 которого образуется электрический ток. Трансформатор повышает его напряжение для уменьшения потерь в линиях электропередачи, передает часть выработанной энергии на питание собственных нужд ТЭС, а остальную электроэнергию отпускает в энергосистему по ЛЭП.

И котел, и турбина могут работать только при очень высоком качестве питательной воды и пара, допускающем лишь ничтожные примеси других веществ. Кроме того, расходы пара огромны (например, в энергоблоке 1200 МВт за одну секунду испаряется, проходит через турбину и конденсируется более 1 т воды). Поэтому нормальная работа энергоблока возможна только при создании замкнутого цикла циркуляции рабочего тела высокой чистоты.

Пар, покидающий ЦНД турбины, поступает в конденсатор 12, представляющий собой теплообменник, по трубкам которого непрерывно протекает охлаждающая вода, подаваемая циркуляционным насосом 9 из аванкамеры 10 градирни 11 (а также возможна схема подачи из водохранилища или реки). Градирня 11 выполнена в виде железобетонной пустотелой вытяжной башни высотой до 150 м и выходным диаметром 40÷70 м, которая создает самотягу для воздуха, поступающего снизу через воздухонаправляющие щиты (не показано). Внутри градирни 11 на высоте 10÷20 м устанавливают оросительное и разбрызгивающее устройства, при этом воздух, движущийся вверх, заставляет часть капель (примерно 1,5÷2%) испаряться, за счет чего охлаждается вода, поступающая из конденсатора 12 и нагретая в нем. Охлажденная вода собирается внизу в бассейне и перетекает в аванкамеру 10, откуда циркуляционным насосом 9 она подается снова в конденсатор 12.

В рассматриваемой схеме применена система оборотного водоснабжения, которая имеет раздельные гидравлические контуры приготовления и потребления воды для градирни (возможен вариант с несколькими параллельно соединенными градирнями - не показано). Система содержит два бака для сбора воды: бак 30 и бак 31 с системой подпитки 32 воды, затрачиваемой на испарение. Баки 30 и 31 (емкости) соединены между собой компенсационной трубой, обеспечивающей гидравлическую независимость контуров приготовления рабочей воды и ее потребления.

Бак 30 соединен с насосом 38, который подает горячую воду потребителю 35, который отбирает тепло этой воды либо посредством тепломассообменных аппаратов (не показано), либо посредством аппаратов конвективного теплообмена, например в системах отопления жилых массивов. На участке между насосом 38 и потребителем 35 установлена система контроля гидравлического сопротивления системы, состоящая из манометра 36 и вентиля 37. После охлаждения воды в потребителе 35 она снова поступает через вентиль 34 по трубопроводу 33 во второй бак 31, из которого охлажденная вода насосом 39 через фильтр 40 и вентиль 41 подается по трубопроводу в водораспределительную и оросительного системы градирни 11. На участке между фильтром 40 и вентилем 41 установлена система контроля гидравлического сопротивления фильтра 40, состоящая из манометра 42 и вентиля 43. Наряду с оборотной, используют прямоточное водоснабжение, при котором охлаждающая вода поступает в конденсатор 12 прямо из реки и сбрасывается в нее ниже по течению (не показано).

Пар, поступающий из турбины в межтрубное пространство конденсатора 12, конденсируется и стекает вниз; образующийся конденсат конденсатным насосом 6 подается через фильтр 5, гидроаккумулятор 4 и группу регенеративных подогревателей низкого давления (ПНД) 3 - в деаэратор 8. В ПНД температура конденсата повышается за счет теплоты конденсации пара, отбираемого из турбины. Это позволяет уменьшить расход топлива в котле и повысить экономичность электростанции. В деаэраторе 8 происходит деаэрация - удаление из конденсата растворенных в нем газов, нарушающих работу котла. Одновременно бак деаэратора представляет собой емкость для питательной воды котла.

Из деаэратора питательная вода питательным насосом 7, приводимым в действие электродвигателем или специальной паровой турбиной, подается в группу подогревателей высокого давления (ПВД) 18.

Регенеративный подогрев конденсата в ПНД 3 и ПВД 18 - это основной и очень выгодный способ повышения КПД ТЭС. Пар, который расширился в турбине от входа до трубопровода отбора, выработал определенную мощность, а поступив в регенеративный подогреватель, передал свое тепло конденсации питательной воде (а не охлаждающей как в прототипе), повысив ее температуру и тем самым сэкономив расход топлива в котле. Температура питательной воды котла за ПВД, т.е. перед поступлением в котел, составляет в зависимости от начальных параметров 240÷280°С. Таким образом замыкается технологический пароводяной цикл преобразования химической энергии топлива в механическую энергию вращения ротора турбоагрегата. Газообразные продукты сгорания топлива, отдав свою основную теплоту питательной воде, поступают на трубы экономайзера 24 и в воздухоподогреватель 25, в которых они охлаждаются до температуры 140÷160°С и направляются с помощью дымососа 27 к дымовой трубе 26.

Конденсационная паротурбинная электростанция работает следующим образом.

В паровой турбинной установке (ПТУ) над рабочим телом совершается непрерывный цикл преобразования химической энергии сжигаемого топлива в электрическую энергию. Кроме перечисленных элементов, реальная ПТУ дополнительно содержит большое число насосов, теплообменников и других аппаратов, необходимых для повышения ее эффективности.

Газ для работы котла подается от газораспределительной станции 1, подключенной к магистральному газопроводу (не показан). Давление газа в газораспределительной станции 1 снижается до нескольких атмосфер и газ подается к горелкам 2, расположенным в поде котла (в случае применения горелок подовых). Котел представляет собой, например (как вариант), П-образную конструкцию с газоходами прямоугольного сечения, причем левая часть является топкой. Внутренняя часть топки свободна, и в ней происходит горение топлива, в рассматриваемом случае - газа. К горелкам 2 специальным дутьевым вентилятором 28 непрерывно подается горячий воздух, нагреваемый в воздухоподогревателе 25, например вращающимся воздухоподогревателе, теплоаккумулирующая набивка которого на первой половине оборота обогревается уходящими дымовыми газами, а на второй половине оборота нагревает поступающий из атмосферы воздух. Для повышения температуры воздуха используется рециркуляция: часть дымовых газов, уходящих из котла, специальным вентилятором рециркуляции 29 подается к основному воздуху и смешивается с ним. Горячий воздух смешивается с газом и через горелки 2 котла подается в его топку - камеру, в которой происходит горение топлива. При горении образуется факел, представляющий собой мощный источник лучистой энергии. Таким образом, при горении топлива его химическая энергия превращается в тепловую и лучистую энергию факела.

Сухой насыщенный пар поступает в основной пароперегреватель, состоящий из потолочного 20, ширмового 21 и конвективного 22 элементов. В основном пароперегревателе повышается его температура и, следовательно, потенциальная энергия. Полученный на выходе из конвективного пароперегревателя пар высоких параметров покидает котел и поступает по паропроводу к паровому турбоагрегату, в котором, расширяясь в турбине, пар вращает ее ротор, соединенный с ротором электрического генератора 14, в статорных обмотках 13 которого образуется электрический ток. Трансформатор повышает его напряжение для уменьшения потерь в линиях электропередачи, передает часть выработанной энергии на питание собственных нужд ТЭС, а остальную электроэнергию отпускает в энергосистему по ЛЭП.

Пар, покидающий ЦНД турбины, поступает в конденсатор 12, представляющий собой теплообменник, по трубкам которого непрерывно протекает охлаждающая вода, подаваемая циркуляционным насосом 9 из аванкамеры 10 градирни 11 (а также возможна схема подачи из водохранилища или реки). Градирня 11 выполнена с системой оборотного водоснабжения, которая имеет раздельные гидравлические контуры приготовления и потребления воды для градирни (возможен вариант с несколькими параллельно соединенными градирнями - не показано). Наряду с оборотной, используют прямоточное водоснабжение, при котором охлаждающая вода поступает в конденсатор 12 прямо из реки и сбрасывается в нее ниже по течению (не показано).

Пар, поступающий из турбины в межтрубное пространство конденсатора 12, конденсируется и стекает вниз; образующийся конденсат конденсатным насосом 6 подается через фильтр 5, гидроаккумулятор 4 и группу регенеративных подогревателей низкого давления (ПНД) 3 - в деаэратор 8. В ПНД температура конденсата повышается за счет теплоты конденсации пара, отбираемого из турбины. Это позволяет уменьшить расход топлива в котле и повысить экономичность электростанции. В деаэраторе 8 происходит деаэрация - удаление из конденсата растворенных в нем газов, нарушающих работу котла. Одновременно бак деаэратора представляет собой емкость для питательной воды котла. Из деаэратора питательная вода питательным насосом 7, приводимым в действие электродвигателем или специальной паровой турбиной, подается в группу подогревателей высокого давления (ПВД) 18.

Газообразные продукты сгорания топлива, отдав свою основную теплоту питательной воде, поступают на трубы экономайзера 24 и в воздухоподогреватель 25, в которых они охлаждаются до температуры 140÷160°С и направляются с помощью дымососа 27 к дымовой трубе 26. Дымовая труба создает разрежение в топке и газоходах котла; кроме того, она рассеивает вредные продукты сгорания в верхних слоях атмосферы, не допуская их высокой концентрации в нижних слоях.

Изобретение относится к теплоэнергетике. В конденсационной паротурбинной электростанции с паротурбинной установкой система оборотного водоснабжения имеет раздельные гидравлические контуры приготовления и потребления воды для градирни и содержит два бака для сбора воды с системой подпитки воды, затрачиваемой на испарение, причем баки соединены между собой компенсационной трубой, обеспечивающей гидравлическую независимость контуров приготовления рабочей воды и ее потребления. Изобретение позволяет повысить эффективность работы электростанции и рационально использовать вторичные энергоресурсы. 1 ил.

Конденсационная паротурбинная электростанция, содержащая котельную установку, производящую пар высоких параметров, паротурбинную установку, преобразующую теплоту пара в механическую энергию, и электрические устройства, обеспечивающие выработку электроэнергии потребителю, основным элементом котельной установки является газовый котел, газ для работы которого подается от газораспределительной станции к горелкам, расположенным в поде котла, а котел представляет собой П-образную конструкцию с газоходами прямоугольного сечения, причем левая часть является топкой, внутренняя часть которой свободна, и в которой происходит горение топлива, при этом к горелкам специальным дутьевым вентилятором непрерывно подается горячий воздух, нагреваемый в воздухоподогревателе, при этом часть дымовых газов, уходящих из котла, специальным вентилятором рециркуляции подается к основному воздуху и смешивается с ним, причем стены топки облицованы экранами, представляющими собой трубы, к которым подается питательная вода из экономайзера, а пространство за топкой котла заполнено трубами, внутри которых движется пар или вода, причем снаружи эти трубы омываются горячими дымовыми газами, постепенно остывающими при движении к дымовой трубе, при этом основной пароперегреватель состоит из потолочного, ширмового и конвективного элементов, а паровая турбина турбоагрегата состоит из нескольких отдельных турбин - цилиндров: цилиндра высокого давления, цилиндра среднего давления и одного или нескольких одинаковых цилиндров низкого давления, из которых пар поступает в конденсатор, представляющий собой теплообменник, по трубкам которого непрерывно протекает охлаждающая вода, подаваемая циркуляционным насосом из аванкамеры градирни, отличающаяся тем, что градирня выполнена с системой оборотного водоснабжения, которая имеет раздельные гидравлические контуры приготовления и потребления воды для градирни и содержит два бака для сбора воды с системой подпитки воды, затрачиваемой на испарение, причем баки соединены между собой компенсационной трубой, обеспечивающей гидравлическую независимость контуров приготовления рабочей воды и ее потребления, при этом образующийся в конденсаторе конденсат конденсатным насосом подается через фильтр, гидроаккумулятор и группу регенеративных подогревателей низкого давления в деаэратор, из которого питательная вода питательным насосом, приводимым в действие электродвигателем или специальной паровой турбиной, подается в группу подогревателей высокого давления, а газообразные продукты сгорания топлива, отдав свою основную теплоту питательной воде, поступают на трубы экономайзера и в воздухоподогреватель, в которых они охлаждаются до температуры 140-160°С и направляются с помощью дымососа к дымовой трубе.