СПОСОБ РАБОТЫ ТЕПЛОВОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ Российский патент 2015 года по МПК F01K17/02 

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано на тепловых электрических станциях (ТЭС) для утилизации сбросной низкопотенциальной теплоты в конденсаторах паровых турбин ТЭС и утилизации высокопотенциальной теплоты пара производственного отбора.

Аналогом является способ работы тепловой электрической станции, по которому весь поток обратной сетевой воды, возвращаемый от потребителей, последовательно нагревают паром отборов турбины в нижнем и в верхнем сетевых подогревателях, а затем направляют потребителям, охлаждение отработавшего пара производят циркуляционной водой, которую используют в качестве источника низкопотенциальной теплоты для испарителя теплонасосной установки, при этом весь поток сетевой воды после нижнего сетевого подогревателя дополнительно подогревают в конденсаторе теплонасосной установки (патент RU №2269656, МПК F01K 17/02, 10.02.2006).

Прототипом является способ работы тепловой электрической станции, содержащей подающий и обратный трубопроводы сетевой воды, паровую турбину с отопительными отборами пара и конденсатором, к которому подключены напорный и сливной трубопроводы циркуляционной воды, сетевые подогреватели, включенные по нагреваемой среде между подающим и обратным трубопроводами сетевой воды и подключенные по греющей среде к отопительным отборам, теплонасосную установку, испаритель которой подключен по греющей среде к сливному трубопроводу циркуляционной воды, при этом конденсатор теплонасосной установки по нагреваемой среде включен в подающий трубопровод сетевой воды после сетевых подогревателей (патент RU №2268372, МПК F01K 17/02, 20.01.2006).

В известном способе сетевую воду, поступающую от потребителей по обратному трубопроводу сетевой воды, с помощью сетевого насоса подают в сетевые подогреватели, где нагревают паром отопительных отборов турбины. Отработавший в турбине пар охлаждают в конденсаторе, для чего подают в него по напорному трубопроводу и отводят по сливному трубопроводу циркуляционную воду. Нагретую в сетевых подогревателях сетевую воду перед подачей потребителям дополнительно нагревают в конденсаторе теплонасосной установки, в качестве низкопотенциального источника теплоты в испарителе теплонасосной установки используют циркуляционную воду из сливного трубопровода.

Таким образом, в известном способе работы тепловой электрической станции отработавший пар поступает из паровой турбины в паровое пространство конденсатора, конденсируется на поверхности конденсаторных трубок, внутри которых протекает охлаждающая жидкость, при этом конденсат с помощью конденсатного насоса конденсатора паровой турбины направляют в систему регенерации, причем при конденсации пара осуществляют утилизацию сбросной низкопотенциальной тепловой энергии отработавшего в турбине пара при помощи охлаждающей жидкости.

Основным недостатком аналога и прототипа является относительно низкий коэффициент полезного действия ТЭС по выработке электрической энергии из-за отсутствия полной утилизации сбросной скрытой теплоты парообразования в конденсаторе паровой турбины для дополнительной выработки электроэнергии, обусловленную наличием вторичного контура (теплонасосной установки). Кроме этого, недостатком является низкий ресурс и надежность работы конденсатора паровой турбины из-за использования технической (циркуляционной) воды, которая загрязняет конденсатор паровой турбины. Из-за повышенных тепловых выбросов циркуляционной воды в водоем-охладитель нарушается его экосистема.

Задачей изобретения является повышение коэффициента полезного действия ТЭС за счет полного использования сбросной низкопотенциальной теплоты для дополнительной выработки электрической энергии, повышение ресурса и надежности работы конденсатора паровой турбины и снижение тепловых выбросов в окружающую среду.

Технический результат достигается тем, что в способе работы тепловой электрической станции, по которому отработавший пар поступает из паровой турбины в паровое пространство конденсатора, конденсируется на поверхности конденсаторных трубок, внутри которых протекает охлаждающая жидкость, при этом конденсат с помощью конденсатного насоса конденсатора паровой турбины направляют в систему регенерации, причем при конденсации пара осуществляют утилизацию сбросной низкопотенциальной тепловой энергии отработавшего в турбине пара при помощи охлаждающей жидкости, согласно настоящему изобретению в тепловой электрической станции используют конденсационную установку, имеющую конденсатор паровой турбины с производственным отбором пара, и осуществляют утилизацию высокопотенциальной теплоты пара производственного отбора, при этом утилизацию сбросной низкопотенциальной тепловой энергии отработавшего в турбине пара и утилизацию высокопотенциальной теплоты пара производственного отбора осуществляют при помощи теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции, работающего по органическому циклу Ренкина, в котором в качестве охлаждающей жидкости используют низкокипящее рабочее тело, циркулирующее в замкнутом контуре, при этом его сжимают в конденсатном насосе теплового двигателя, нагревают в теплообменнике-рекуператоре теплового двигателя, нагревают в конденсаторе паровой турбины, нагревают и испаряют в конденсаторе паровой турбины с производственным отбором пара, расширяют в турбодетандере теплового двигателя, снижают его температуру в теплообменнике-рекуператоре теплового двигателя и конденсируют в теплообменнике-конденсаторе теплового двигателя.

В качестве теплообменника-конденсатора теплового двигателя используют или конденсатор воздушного охлаждения, или конденсатор водяного охлаждения, или конденсатор воздушного и водяного охлаждения.

В качестве низкокипящего рабочего тела используют сжиженный пропан C₃H₈.

Таким образом, технический результат достигается за счет полной утилизации сбросной низкопотенциальной теплоты (скрытой теплоты парообразования) и утилизации высокопотенциальной теплоты пара производственного отбора из паровой турбины с производственным отбором пара, которые осуществляют путем последовательного нагрева, соответственно, в конденсаторе паровой турбины и конденсаторе паровой турбины с производственным отбором пара, низкокипящего рабочего тела (сжиженный пропан C₃H₈) теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции, работающего по органическому циклу Ренкина.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена тепловая электрическая станция, имеющая тепловой двигатель с теплообменником-конденсатором, теплообменником-рекуператором и конденсационную установку.

На чертеже цифрами обозначены:

1 - паровая турбина,

2 - конденсатор паровой турбины,

3 - конденсатный насос конденсатора паровой турбины,

4 - основной электрогенератор,

5 - тепловой двигатель с замкнутым контуром циркуляции,

6 - турбодетандер,

7 - электрогенератор,

8 - теплообменник-конденсатор,

9 - конденсатный насос,

10 - конденсационная установка,

11 - паровая турбина с производственным отбором пара,

12 - электрогенератор паровой турбины с производственным отбором пара,

13 - конденсатор паровой турбины с производственным отбором пара,

14 - конденсатный насос конденсатора паровой турбины с производственным отбором пара,

15 - теплообменник-рекуператор.

Тепловая электрическая станция включает последовательно соединенные паровую турбину 1, конденсатор 2 паровой турбины и конденсатный насос 3 конденсатора паровой турбины, а также основной электрогенератор 4, соединенный с паровой турбиной 1.

В тепловую электрическую станцию введены тепловой двигатель 5 с замкнутым контуром циркуляции, работающий по органическому циклу Ренкина, и конденсационная установка 10. Конденсационная установка 10 содержит последовательно соединенные паровую турбину 11 с производственным отбором пара, имеющую электрогенератор 12, конденсатор 13 паровой турбины с производственным отбором пара и конденсатный насос 14 конденсатора паровой турбины с производственным отбором пара.

Замкнутый контур циркуляции теплового двигателя 5 выполнен в виде контура с низкокипящим рабочим телом, содержащим турбодетандер 6 с электрогенератором 7, теплообменник-рекуператор 15, теплообменник-конденсатор 8, конденсатный насос 9, причем выход конденсатного насоса 9 соединен по нагреваемой среде с входом теплообменника-рекуператора 15, который соединен по нагреваемой среде с входом конденсатора 2 паровой турбины, выход которого соединен по нагреваемой среде с входом конденсатора 13 паровой турбины с производственным отбором пара, выход конденсатора 13 паровой турбины с производственным отбором пара соединен по нагреваемой среде с входом турбодетандера 6, выход которого соединен по греющей среде с теплообменником-рекуператором 15, выход теплообменника-рекуператора 15 соединен по греющей среде с теплообменником-конденсатором 8, выход которого соединен по нагреваемой среде с входом конденсатного насоса 9, образуя замкнутый контур охлаждения.

Способ работы тепловой электрической станции осуществляют следующим образом.

Отработавший пар поступает из паровой турбины 1 в паровое пространство конденсатора 2, конденсируется на поверхности конденсаторных трубок, внутри которых протекает охлаждающая жидкость, при этом конденсат с помощью конденсатного насоса 3 конденсатора паровой турбины направляют в систему регенерации, причем при конденсации пара осуществляют утилизацию сбросной низкопотенциальной тепловой энергии отработавшего в турбине 1 пара при помощи охлаждающей жидкости.

Отличием предлагаемого способа является то, что в тепловой электрической станции используют конденсационную установку, имеющую конденсатор паровой турбины с производственным отбором пара, и осуществляют утилизацию высокопотенциальной теплоты пара производственного отбора, при этом утилизацию сбросной низкопотенциальной тепловой энергии отработавшего в турбине 1 пара и утилизацию высокопотенциальной теплоты пара производственного отбора из паровой турбины 11 конденсационной установки 10 осуществляют при помощи теплового двигателя 5 с замкнутым контуром циркуляции, работающего по органическому циклу Ренкина, в котором в качестве охлаждающей жидкости используют низкокипящее рабочее тело, циркулирующее в замкнутом контуре, при этом его сжимают в конденсатном насосе 9 теплового двигателя, нагревают в теплообменнике-рекуператоре 15 теплового двигателя, нагревают в конденсаторе 2 паровой турбины, нагревают и испаряют в конденсаторе 13 паровой турбины с производственным отбором пара, расширяют в турбодетандере 6 теплового двигателя, снижают его температуру в теплообменнике-рекуператоре 15 теплового двигателя и конденсируют в теплообменнике-конденсаторе 8 теплового двигателя.

В качестве теплообменника-конденсатора 8 теплового двигателя используют или конденсатор воздушного охлаждения, или конденсатор водяного охлаждения, или конденсатор воздушного и водяного охлаждения.

В качестве низкокипящего рабочего тела используют сжиженный пропан C₃H₈.

Пример конкретного выполнения.

Отработавший пар, поступающий из паровой турбины 1 в паровое пространство конденсатора 2, конденсируется на поверхности конденсаторных трубок, внутри которых протекает охлаждающая жидкость (сжиженный пропан C₃H₈). Мощность паровой турбины 1 передается соединенному на одном валу основному электрогенератору 4.

Конденсация пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования, которая отводится при помощи охлаждающей жидкости. Образующийся конденсат с помощью конденсатного насоса 3 конденсатора паровой турбины направляют в систему регенерации.

Преобразование сбросной низкопотенциальной тепловой энергии отработавшего в турбине 1 пара и высокопотенциальной тепловой энергии пара производственного отбора из паровой турбины 11 в механическую и далее в электрическую происходит в замкнутом контуре циркуляции теплового двигателя 5, работающего по органическому циклу Ренкина.

Таким образом, утилизацию сбросной низкопотенциальной теплоты (скрытой теплоты парообразования) отработавшего в турбине 1 пара и утилизацию высокопотенциальной теплоты пара производственного отбора из паровой турбины 11 с производственным отбором пара осуществляют путем последовательного нагрева, соответственно, в конденсаторе 2 паровой турбины и конденсаторе 13 паровой турбины с производственным отбором пара, низкокипящего рабочего тела (сжиженного пропана C₃H₈) теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции, работающего по органическому циклу Ренкина.

Весь процесс начинается с сжатия в конденсатном насосе 9 сжиженного пропана C₃H₈, который направляют на нагрев в теплообменник-рекуператор 15, а затем направляют на нагрев в конденсатор 2 паровой турбины, куда поступает отработавший в турбине 1 пар.

В процессе конденсации отработавшего в турбине 1 пара происходит нагрев сжиженного пропана C₃H₈ в пределах критической температуры в интервале от 300 К до 369,89 К при сверхкритическом давлении от 4,2512 МПа до 8 МПа и далее его направляют на нагрев и испарение в конденсатор 13 паровой турбины с производственным отбором пара, куда поступает пар производственного отбора из паровой турбины 11 при температуре около 573 К. Пар, поступающий из производственного отбора паровой турбины 11 в паровое пространство конденсатора 13, конденсируется на поверхности конденсаторных трубок, внутри которых протекает охлаждающая жидкость (сжиженный пропан C₃H₈). Мощность паровой турбины 11 передается соединенному на одном валу основному электрогенератору 12.

Конденсация пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования, которая отводится при помощи охлаждающей жидкости. Образующийся конденсат с помощью конденсатного насоса 14 конденсатора паровой турбины с производственным отбором пара направляют в систему регенерации.

В процессе конденсации пара производственного отбора в конденсаторе 13 паровой турбины происходит испарение сжиженного пропана C₃H₈ и дальнейший его перегрев до сверхкритической температуры от 369,89 К до 420 К при сверхкритическом давлении от 4,2512 МПа до 8 МПа, который направляют в турбодетандер 6.

Процесс настроен таким образом, что в турбодетандере 6 не происходит конденсации газообразного пропана C₃H₈ в ходе срабатывания теплоперепада. Мощность турбодетандера 6 передается соединенному на одном валу электрогенератору 7. На выходе из турбодетандера 6 газообразный пропан C₃H₈, имеющий температуру перегретого газа около 288 К, направляют в теплообменник-рекуператор 15 для снижения температуры.

В теплообменнике-рекуператоре 15 в процессе отвода теплоты на нагрев сжиженного пропана C₃H₈ снижается нагрузка на теплообменник-конденсатор 8 и затраты мощности на привод вентиляторов воздушного охлаждения.

Далее, при снижении температуры пропана C₃H₈ происходит его сжижение в теплообменнике-конденсаторе 8, выполненном, например, в виде конденсатора воздушного охлаждения, охлаждаемого воздухом окружающей среды в температурном диапазоне от 223,15 К до 283,15 К.

После теплообменника-конденсатора 8 в сжиженном состоянии пропан C₃H₈ направляют для сжатия в конденсатный насос 9 теплового двигателя.

Далее органический цикл Ренкина на основе низкокипящего рабочего тела повторяется.

Использование в работе тепловой электрической станции конденсационной установки 10 позволяет повысить начальные параметры низкокипящего рабочего тела теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции до сверхкритических параметров, что приводит к увеличению теплоперепада на турбодетандере 6.

Использование предлагаемого способа работы тепловой электрической станции позволит по сравнению с прототипом повысить коэффициент полезного действия ТЭС за счет полного использования сбросной низкопотенциальной теплоты отработавшего пара, высокопотенциальной теплоты пара производственного отбора для дополнительной выработки электрической энергии, повысить ресурс и надежность работы конденсатора паровой турбины и снизить тепловые выбросы в окружающую среду.

Изобретение может быть использовано на тепловых электрических станциях. В способе работы тепловой электрической станции используют тепловой двигатель (5) с замкнутым контуром циркуляции, работающий по органическому циклу Ренкина. В качестве охлаждающей жидкости используют низкокипящее рабочее тело, циркулирующее в замкнутом контуре. Рабочее тело расширяют в турбодетандере (6) теплового двигателя (5), снижают его температуру в теплообменнике-рекуператоре (15) теплового двигателя (5), конденсируют в теплообменнике-конденсаторе (8) теплового двигателя (5), сжимают в конденсатном насосе (9) теплового двигателя (5) и нагревают в теплообменнике-рекуператоре (15) теплового двигателя (5). Отработавший пар и пар производственных отборов поступают, соответственно, из паровой турбины (1) в паровое пространство конденсатора (2) паровой турбины (1) и из паровой турбины (11) с производственным отбором пара в конденсатор (13) паровой турбины (11) с производственным отбором пара. Отработавший пар и пар производственных отборов конденсируются на поверхности, соответственно, конденсаторных трубок паровой турбины (1) и конденсаторных трубок паровой турбины (11) с производственным отбором пара. Соответствующие конденсаты с помощью конденсатного насоса (3) конденсатора (2) паровой турбины (1) и конденсатного насоса (14) паровой турбины (11) с производственным отбором пара направляют в систему их регенерации. При конденсации пара производственных отборов осуществляют утилизацию высокопотенциальной тепловой энергии при помощи охлаждающей жидкости теплового двигателя (5). При помощи теплового двигателя (5) осуществляют утилизацию сбросной низкопотенциальной тепловой энергии отработавшего в турбине (1) пара и используют его при конденсации отработавшего в турбине (1) пара. Низкокипящее рабочее тело при сверхкритическом давлении после его нагрева в теплообменнике-рекуператоре (15) теплового двигателя (5) нагревают в конденсаторе (2) паровой турбины (1) в пределах критической температуры, используя скрытую теплоту парообразования. Далее низкокипящее рабочее тело испаряют и перегревают до сверхкритической температуры в конденсаторе (13) паровой турбины (11) с производственным отбором пара, используя скрытую теплоту парообразования, которую отводят при помощи циркулирующего в замкнутом контуре низкокипящего рабочего тела в турбодетандер (6) теплового двигателя (5). Технический результат заключается в повышении коэффициента полезного действия тепловой электрической станции за счет полного использования сбросной низкопотенциальной теплоты для дополнительной выработки электрической энергии, повышении ресурса и надежности конденсаторы паровой турбины и снижении выбросов в окружающую среду. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ работы тепловой электрической станции, по которому используют тепловой двигатель с замкнутым контуром циркуляции, работающий по органическому циклу Ренкина, в котором в качестве охлаждающей жидкости используют низкокипящее рабочее тело, циркулирующее в замкнутом контуре, при этом его расширяют в турбодетандере теплового двигателя, снижают его температуру в теплообменнике-рекуператоре теплового двигателя, конденсируют в теплообменнике-конденсаторе теплового двигателя, сжимают в конденсатном насосе теплового двигателя и нагревают в теплообменнике-рекуператоре теплового двигателя, причем отработавший пар и пар производственных отборов поступают, соответственно, из паровой турбины в паровое пространство конденсатора паровой турбины и из паровой турбины с производственным отбором пара в конденсатор паровой турбины с производственным отбором пара, конденсируются на поверхности, соответственно, конденсаторных трубок паровой турбины и конденсаторных трубок паровой турбины с производственным отбором пара, а соответствующие конденсаты с помощью конденсатного насоса конденсатора паровой турбины и конденсатного насоса паровой турбины с производственным отбором пара направляют в систему их регенерации, при этом при конденсации пара производственных отборов осуществляют утилизацию высокопотенциальной тепловой энергии при помощи охлаждающей жидкости теплового двигателя, отличающийся тем, что при помощи указанного теплового двигателя осуществляют утилизацию сбросной низкопотенциальной тепловой энергии отработавшего в турбине пара, при этом тепловой двигатель используют при конденсации отработавшего в турбине пара, причем низкокипящее рабочее тело при сверхкритическом давлении после его нагрева в теплообменнике-рекуператоре теплового двигателя нагревают в конденсаторе паровой турбины в пределах критической температуры, используя скрытую теплоту парообразования, испаряют и перегревают до сверхкритической температуры в конденсаторе паровой турбины с производственным отбором пара, используя скрытую теплоту парообразования, которую отводят при помощи низкокипящего рабочего тела, циркулирующего в замкнутом контуре, в турбодетандер теплового двигателя.

2. Способ работы тепловой электрической станции по п. 1, отличающийся тем, что в качестве низкокипящего рабочего тела используют сжиженный пропан С₃Н₈ при сверхкритических параметрах.

3. Способ работы тепловой электрической станции по п. 1, отличающийся тем, что в качестве теплообменника-конденсатора теплового двигателя используют или конденсатор воздушного охлаждения, или конденсатор водяного охлаждения, или конденсатор воздушного и водяного охлаждения.