АККУМУЛЯЦИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ТЕПЛОВЫМ АККУМУЛЯТОРОМ И ОБРАТНОЕ ПОЛУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ПОСРЕДСТВОМ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО КРУГОВОГО ПРОЦЕССА Российский патент 2014 года по МПК F02C6/14 

Изобретение относится к устройству и способу использования избыточных мощностей электрической сети.

В электрической сети произведенная мощность и ее потребление всегда должны находиться в равновесии. В результате интенсивного развития возобновляемых источников энергии иногда возникают избыточные мощности в сети. Превышение предложения над спросом на контролируемые возобновляемые источники энергии можно предупредить разными способами: колебания предложения могут быть компенсированы повышением или снижением мощности на традиционных электростанциях, энергия, вырабатываемая возобновляемым источником, могла бы сначала не подаваться в сеть, т.е., например, ветровые турбины отключают или же энергию подают в систему ее накопления, т.е. на гидроаккумулирующие, пневмоаккумулирующие электростанции или в аккумуляторные батареи, при известных условиях при высокой сложности оборудования и больших затратах.

В EP 1577548 A1 и EP 1577549 A1 раскрыты устройство и метод аккумуляции энергии и генерирование тока. Электрическая энергия, произведенная возобновляемыми источниками, такими как ветер и солнце, используется для нагрева теплового аккумулятора. При необходимости тепло теплового аккумулятора может использоваться для производства пара, направляемого непосредственно в термодинамический процесс в паровой турбине, при этом в случае необходимости выработка пара может быть дополнена традиционным способом.

В US 5,384,489 описано устройство, в котором электрическая энергия генерируется за счет энергии ветра, посредством которой приводится, в действие нагревательный элемент для нагрева текучей среды в накопительной емкости, а также устройство для отбора аккумулированной энергии из этой емкости. Отводимая из накопительной емкости энергия используется для обогревания/охлаждения помещений, для охлаждения в целом, для обессоливания, однако преимущественно для выработки пара при генерировании электрического тока.

Задачей изобретения является создание устройства и способа использования избыточных мощностей электрической сети.

Недостаток известных из уровня техники устройств и способов состоит в том, что для работы паровой турбины используется полученный в тепловом аккумуляторе пар не всегда достаточного качества и в достаточном количестве, вследствие чего требуется традиционный дополнительный нагрев. Кроме того, при генерировании тока известные из уровня техники устройства и способы ограничиваются одной средой, а именно паром.

Напротив устройство согласно изобретению направлено на использование избыточных мощностей электрической сети целым рядом потребителей тепла и поэтому в нем предусматриваются тепловой аккумулятор и нагревательный элемент для аккумуляции энергии из электрической сети в тепловом аккумуляторе, а также теплообменник с первичной и вторичной сторонами, при этом первичная сторона соединена с тепловым аккумулятором для отбора из него тепла, а вторичная сторона заведена в энергетическую установку, причем энергетическая установка, в которую заведен теплообменник, содержит газовую турбину.

Следовательно, тепловой аккумулятор используется не только для производства пара, непосредственно подаваемого в паровую турбину.

Согласно оптимальному варианту выполнения изобретения теплообменник врезан для подогрева воздуха на вторичной стороне в воздухопровод горелки.

Также целесообразно, чтобы теплообменник был врезан для подогрева топлива на вторичной стороне в топливопровод.

Кроме того, целесообразно, чтобы теплообменник заходил на вторичной стороне в поток отработавших газов для их промежуточного перегрева.

В еще одном предпочтительном варианте выполнения изобретения теплообменник может быть врезан в энергетическую установку с паровой турбиной.

В этом случае целесообразно расположить теплообменник на вторичной стороне в потоке пара для промежуточного перегрева.

Также целесообразно врезать теплообменник на вторичной стороне в качестве подогревателя в водопаровой контур.

Кроме того, целесообразно использовать теплообменник для сушки угля.

При использовании особо предпочтительной комбинации из газовой и паровой турбин, содержащей парогенератор на отходящем тепле для выработки пара для паровой турбины с использованием тепла отработавших газов, подогреватель питательной воды может быть заменен или дополнен в парогенераторе на отходящем тепле теплообменником, который на первичной стороне врезан в тепловой аккумулятор.

Согласно изобретению в способе использования избыточных мощностей электросети при наличии превышения предложения над спросом на энергию эту энергию направляют через нагревательный элемент непосредственно в тепловой аккумулятор и в случае разрядки этого теплового аккумулятора производится отбор тепла из него, которое направляется в термодинамический круговой процесс, например, в энергетический процесс, причем тепло теплового аккумулятора используется для подогрева воздуха в воздухопроводе камеры сгорания, в частности, газотурбинной установки, или же теплом теплового аккумулятора подогревают топливо.

Оба эти вида подогрева снижают расход топлива. Следовательно при почти постоянной отдаваемой мощности газовой турбины подогрев способствует повышению общего кпд газотурбинной установки.

Высокий выход энергии может быть также достигнут за счет того, что поток отработавшего газа подвергают промежуточному перегреву в турбине газовой турбины.

Согласно другому оптимальному варианту выполнения изобретения тепло теплового аккумулятора используется для промежуточного перегрева потока пара паровой турбины.

Однако может оказаться целесообразным использование тепла теплового аккумулятора для подогрева воды на другом участке водопарового контура, например, в том случае, когда энтальпия теплового аккумулятора не достаточна для промежуточного перегрева внутри турбины.

При помощи тепла теплового аккумулятора можно также сушить уголь, в результате чего отпадает необходимость в изъятии высокоценного пара из рабочего процесса паровой турбины.

Благодаря низким потерям на преобразование особо оптимально использовать воду в качестве теплоносителя на вторичной стороне теплообменника, который первичной стороной врезан в тепловой аккумулятор, а произведенный с помощью тепла теплового аккумулятора пар поступает непосредственно в паровую турбину.

Ниже изобретение подробнее поясняется в качестве примера с помощью чертежей.

При этом изображено:

фиг.1 - схематически концепция аккумуляции электрической энергии тепловым аккумулятором и обратное генерирование тока посредством термодинамического кругового процесса;

фиг.2 - схематически устройство согласно изобретению с нагревательным элементом, тепловым аккумулятором и теплообменником;

фиг.3 - газотурбинная установка с подогревом воздуха и топлива и с промежуточным перегревом;

фиг.4 - паротурбинная установка, в которой пар, полученный посредством тепла теплового аккумулятора, поступает непосредственно в паровую турбину, подогревает конденсат и/или предварительно сушит топливо;

фиг.5 - парогенератор на отходящем тепле в газопаровой установке с острым паром и с промежуточным перегревом.

В принципе одинаковые элементы обозначены в основном одинаковыми позициями.

На фиг.1 представлен способ использования избыточных мощностей электрической сети согласно изобретению. Если в момент времени t1 произведенная мощность 1 в сети превышает потребление 3, то энергия, производство 2 которой превышает потребление, непосредственно направляется через нагревательный элемент в тепловой аккумулятор, например солевой аккумулятор или бетонный тепловой аккумулятор 4.

В случае разрядки такой аккумулирующей энергию системы, например при большой потребной мощности в электрической сети, тепло снова отбирается из теплового аккумулятора и через теплообменник, первичная сторона которого термически связана с тепловым аккумулятором, а вторичная сторона которого врезана в энергетическую установку, подается в энергетическую установку 5, вследствие чего произведенная в момент времени t2 мощность 6 покроет потребность 7 в момент времени t2.

На фиг.2 показаны основные компоненты устройства для использования избыточных мощностей электросети согласно изобретению. Через нагревательный элемент 8 электрическая энергия из электросети 9 может непосредственно поступать в тепловой аккумулятор 10. Первичная сторона теплообменника 11 термически связана с тепловым аккумулятором 10. Вторичная же сторона теплообменника 11 врезана в энергетическую установку 12.

Энергетическая установка 12, показанная на фиг.3, представляет собой газовую турбину 13 и содержит компрессор 14 для сжатия воздуха, который затем подается в камеру сгорания 15 и сгорает вместе с топливом. Горячие отработавшие газы приводят в действие турбину 16, которая через вал 17 связана с компрессором 14. Тепло теплового аккумулятора 10 может использоваться через теплообменник 11 как для подогрева 18 сжатого воздуха, так и для подогрева 19 топлива.

Факультативно камера сгорания 15 может быть полностью отключена, и турбина 16 будет приводиться в действие только сжатым воздухом, нагретым теплообменником 11. Целесообразно, чтобы промежуточный перегрев 20 происходил в зоне турбины 16.

Энергетическая установка, представленная на фиг.4, является паротурбинной электростанцией 21 и содержит камеру 15 сгорания, в которую через питающую систему подаются топливо и окислитель. Выделяющееся при сжигании топлива тепло из камеры 15 сгорания может подаваться в парогенератор 22. В примере выполнения это показано посредством того, что трубопровод 23 отработавшего газа пропущен из камеры 15 сгорания через теплообменник 24, расположенный в парогенераторе 22. Само собой разумеется, что возможен также любой другой вид приемлемой теплопередачи от камеры 15 сгорания в парогенератор 22, например прямым нагревом.

К парогенератору 22 через водопаровой контур 25 подключена паровая турбина 26, которая через вал 17 приводит в действие не показанный детально генератор. В примере выполнения паровая турбина 26 выполнена трехступенчатой и содержит часть 27 высокого давления, которая на стороне входа соединена через паропровод 28 с парогенератором 22. На стороне выхода часть 27 высокого давления связана через проходящий через парогенератор 22 трубопровод 29 перегревателя с расположенной за ней частью 30 среднего давления паровой турбины 26. Делительные турбины части 30 среднего давления связаны, в свою очередь, на выходной стороне с частями 31 низкого давления паровой турбины 26.

Разумеется, вместо трехступенчатой паровой турбины 26 может применяться также двухступенчатая или же иная подобранная соответствующим образом паровая турбина.

Часть 31 низкого давления паровой турбины 26 связана на стороне выходящего потока с конденсатором 32, в котором конденсируется мятый пар, выходящий из паровой турбины 26.

В свою очередь конденсатор 32 сообщен на выходной стороне через конденсатный трубопровод 33, в который врезан конденсатный насос 34, с емкостью 35 питательной воды, в которой временно хранится конденсационная вода. Эта емкость сообщена на стороне питательной воды через трубопровод 36 питательной воды, в который врезан насос 37 для питательной воды, с парогенератором 22, в результате чего вода повторно поступает в паровой котел и, таким образом, создается замкнутый водопаровой контур 25.

Для повышения кпд обычно проводится регенеративный подогрев питательной воды, при котором она подогревается паром 54, отобранным, например, из части 31 низкого давления паровой турбины 26 до того, как она обратно поступит в парогенератор 22.

В устройстве согласно изобретению необходимость в подогреве питательной воды отсутствует, вследствие чего обычно необходимый для этого пар может использоваться для выработки энергии. Вместо этого с конденсатным трубопроводом 33 и трубопроводом 36 питательной воды связаны на вторичной стороне теплообменники 11, которые на первичной стороне врезаны в тепловой аккумулятор 10 и которые должны обеспечить ввод тепла теплового аккумулятора 10 в водопаровой контур 25 парогенератора 22.

Тепло теплового аккумулятора может также использоваться для производства пара, непосредственно поступающего в паровую турбину 26. Возможным местом 48 его ввода является трубопровод 28, подведенный к части 27 высокого давления. Однако и произведенный пар может быть направлен 49 в трубопровод 29 перегревателя. Наконец, имеется возможность для ввода 50 пара в паропроводы на участке между частью 30 среднего давления и частью 31 низкого давления турбины 26.

Для предварительной сушки топлива обычно применяются паровые сушилки, частично обогреваемые высокотемпературным паром из пароводяного контура энергетического процесса. Для сокращения доли требуемого пара 51, отбираемого из энергетического процесса, здесь может использоваться 52 тепло теплового аккумулятора 10 для предварительной сушки топлива.

На фиг.5 схематически показаны кругооборот 38 пара на газопаровой электростанции с парогенератором 39 на отходящем тепле и его основные компоненты: подогреватель 40 питательной воды, испаритель 41 и перегреватель 42. Отработавшие газы не показанной газовой турбины нагревают воду в парогенераторе 39 на отходящем тепле в несколько последовательных стадий и вырабатывают пар.

В подогревателе 40 питательной воды остаточное тепло отработавшего газа газовой турбины используется для подогрева питательной воды до ее поступления в паровой котел 43, благодаря чему снижается расход энергии испарителем 41. По сборному трубопроводу 44 в потолочной части парового котла 43 пар поступает в перегреватель 42, в котором дополнительно повышаются температура и давление.

Пар направляют в турбину 45 высокого давления на первой из нескольких стадий турбинного процесса.

В устройстве согласно изобретению подогреватель 40 питательной воды может либо дополнительно использовать тепло 46 теплового аккумулятора 10, либо он может быть даже заменен. В качестве альтернативы или дополнительной меры может также непосредственно вырабатываться пар с использованием тепла теплового аккумулятора 10 и добавляться 47 в пар, произведенный в парогенераторе на отходящем тепле.

Способ использования избыточных мощностей электрической сети заключается в том, что в случае превышения предложения над спросом на энергию ее отводят через нагревательный элемент непосредственно в тепловой аккумулятор и в случае разрядки этого теплового аккумулятора от него отбирают тепло и посредством теплообменного процесса вводят опосредственно в термодинамический круговой процесс. При этом генерируется электрическая энергия. Тепло теплового аккумулятора направляют в энергетическую установку и используют для подогрева воздуха в воздухопроводе камеры сгорания энергетической установки или теплом теплового аккумулятора газовой турбины подогревают топливо для камеры сгорания энергетической установки. Изобретение направлено на снижение расхода топлива и повышение общего кпд энергетической установки. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для использования избыточных мощностей электрической сети (9), содержащее тепловой аккумулятор (10), нагревательный элемент (8) для аккумуляции энергии из электрической сети (9) в тепловом аккумуляторе (10) и теплообменник (11) с первичной и вторичной сторонами, при этом для отбора тепла из теплового аккумулятора (10) первичная сторона теплообменника термически связана с тепловым аккумулятором (10), а вторичная сторона теплообменника врезана в энергетическую установку (12), отличающееся тем, что энергетическая установка (12) включает в себя компрессор (14), камеру (15) сгорания и газовую турбину (13), причем теплообменник (11) на вторичной стороне врезан для подогрева топлива в топливопровод для камеры (15) сгорания энергетической установки (12) или для подогрева воздуха в воздухопровод камеры (15) сгорания энергетической установки (12).

2. Способ использования избыточных мощностей электрической сети, в котором в случае превышения предложения над спросом на энергию ее отводят через нагревательный элемент непосредственно в тепловой аккумулятор и в случае разрядки этого теплового аккумулятора от него отбирают тепло и посредством теплообменного процесса вводят опосредственно в термодинамический круговой процесс, при этом генерируется электрическая энергия, отличающийся тем, что тепло теплового аккумулятора направляют в энергетическую установку, причем тепло теплового аккумулятора используют для подогрева воздуха в воздухопроводе камеры сгорания энергетической установки или теплом теплового аккумулятора газовой турбины подогревают топливо для камеры сгорания энергетической установки.