СПОСОБ РАБОТЫ ПАРОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 2015 года по МПК F01K3/22 F03D9/02 

Предлагаемое изобретение относится к области теплоэнергетики, связанной с паротурбинными установками (ПТУ), в частности входящими в состав парогазовых установок, с перегревом пара посредством теплоэлектронагревателя (ТЭНа), питающегося нестабилизированной электроэнергией от электрогенерирующей ветроэнергетической установки (ВЭУ).

Известен способ работы паротурбинной установки (Жарков С.В. Использование энергии ветра на паротурбинных установках // Тяжелое машиностроение. 2003. №11. Zharkov S. Wind use at thermal power plants // RE-GEN. Wind. Modern Power Systems Publication, Wilmington Media Ltd. 2004. March, pp. 13-15), включающий перегрев пара посредством теплоэлектронагревателя (ТЭНа), питаемого нестабилизированной (не соответствующей стандартам частоты, синусоидальности и напряжения, требуемым для снабжения потребителей) электроэнергией от электрогенерирующей ВЭУ, и последующее расширение пара в турбине. Это позволяет перегревать пар до температур, недостижимых в паровых котлах, с соответствующим повышением КПД ПТУ. Способ может применяться как на паротурбинных ТЭС, так и на парогазовых.

Для поддержания стабильной температуры на входе в турбину при низких скоростях ветра иногда предлагается применять контактные пароперегреватели на водороде и кислороде (см. там же). Однако такие устройства еще только разрабатываются.

Возможна также работа ПТУ по ″ветровому графику″: на скользящем давлении пара в периоды недостаточной силы ветра (см. там же). Однако при этом значительно усложняется тепловая схема ПТУ и система управления ею, особенно в случае применения такой ПТУ в составе бинарной ПГУ, поскольку меняется структура подвода тепла к пару в теплообменных поверхностях котла (котла-утилизатора ПГУ) с изменением динамики изменения температуры дымовых газов по мере их движения в межтрубном пространстве котла. Соответственно может возрасти температура уходящих газов со снижением КПД котла и установки (станции) в целом. Возникают также дополнительные термические и динамические нагрузки на элементы котла и турбины при изменениях их режимов работы. Для компенсации таких негативных изменений необходимо организовать перераспределение потоков питательной воды и пара с их оптимизацией по различным теплообменным поверхностям котла. Для этого необходимо предварительно ввести в тепловую схему котла такие возможности в виде дополнительных трубопроводов, соединяющих различные теплообменные поверхности (экономайзерные, парогенерирующие и пароперегревающие) котла и организовать оптимальные перетоки питательной воды и пара по ним, для чего потребуются модернизировать стандартную систему управления энергоблоком ПТУ.

Известно также устройство для автономного энергоснабжения потребителей (Патент RU 2325551 С1, МПК⁸ F03D 9/02. УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОНОМНОГО ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ / Шерьязов С.К., Аверин А.А.; ФГОУ ВПО ″Челябинский государственный агроинженерный университет″. Опубл. 27.05.2008), которое с целью снижения расхода органического топлива путем максимального использования энергии ветра и расширения технологических возможностей установки, повышения качества электроэнергии содержит ветроэнергетическую установку и двигатель внутреннего сгорания (ДВС), снабженный реле запуска и регулятором мощности двигателя внутреннего сгорания. В период недостаточной силы ветра ДВС компенсирует недостаток мощности ВЭУ, обеспечивая надежное обеспечение электроэнергией потребителя.

Однако в случае рассматриваемой схемы ПТУ+ВЭУ такой метод компенсации недостатка мощности ВЭУ неприемлем, поскольку здесь ВЭУ выдает в локальную сеть нестабилизированную электроэнергию, поэтому при порывах ветра возможны ″броски″ напряжения и мощности (продолжительностью от долей секунды до нескольких минут) как в сторону повышения, так и в сторону понижения. Причем при работе нескольких ВЭУ в составе ветроэлектростации (ВЭС) перепады напряжения и мощности от каждой ВЭУ могут накладываться друг на друга с усилением их амплитуды. Перепады (″биения″) напряжения и мощности в сети будут вызывать нестационарность работы подключенного к ней генератора резервного источника питания, а через него влиять и на работу самого резервного источника питания, снижая эффективность (КПД) его работы. Это также может вызвать повреждение элементов резервного источника питания (в т.ч. его генератора) со снижением его эффективности и надежности работы или даже полным выходом из строя, что может иметь весьма негативные последствия для ПТУ вследствие резкого снижения температуры пара. Кроме того, из-за инерционности работы резервный источник питания не сможет обеспечить точную компенсацию колебаний мощности ВЭУ, что чревато колебательным перегревом/недогревом пара перед турбиной. Это в свою очередь вызовет дополнительные термические и динамические нагрузки на элементы (прежде всего лопатки) турбины со снижением ее эффективности и надежности работы и последующим выходом из строя. Необходимо исключить возможность влияния нестабильности мощности ВЭУ на резервный источник питания ТЭНа ПТУ, обеспечив при этом надежное снабжение ТЭНа ПТУ требуемым количеством мощности и электроэнергии в периоды слабого ветра и стационарный режим работы резервного источника энергии с соответствующим повышением его эффективности, надежности и долговечности. Для исключения самой возможности возникновения ситуации недостаточности мощности ВЭУ для электроснабжения ТЭНа ПТУ данный теплоэлектронагреватель переключают на питание от резервного источника электроэнергии при снижении мощности ВЭУ до 10%-ного уровня превышения над мощностью ТЭНа.

Предлагается при осуществлении способа работы паротурбинной установки, включающего перегрев пара посредством теплоэлектронагревателя (ТЭНа), питаемого от электрогенерирующей ВЭУ, и последующее расширение пара в турбине, переключать ТЭН ПТУ полностью на питание от дополнительного (резервного) источника электроэнергии при снижении мощности ВЭУ до 10%-ного уровня превышения над мощностью ТЭНа.

На фиг. 1 показана схема установки, реализующей предлагаемый способ. Установка содержит паровой котел 1, теплоэлектронагреватель 2, электрогенерирующую ВЭУ 3, паровую турбину 4, электрический переключатель 5 и резервный источник электроэнергии 6. При высокой скорости ветра мощности, развиваемой ВЭУ, достаточно для того, чтобы ТЭН 2 был способен перегревать пар до проектных значений температуры. При этом ТЭН 2 располагается в базовой части потребления мощности ВЭУ, а избыточная (сверх мощности ТЭНа) электрическая мощность ВЭУ направляется на питание ТЭНа, подогревающего сетевую воду перед котельной 7, уменьшая расход топлива в ее котле. При недостаточной (слабой) силе ветра, когда мощность, развиваемая ВЭУ, меньше мощности ТЭНа, ТЭН ПТУ с помощью переключателя 5 необходимо переключить на питание от дополнительного (резервного) источника электроэнергии, тем самым обеспечить стационарный (стабильный) режим работы как резервного источника питания, так и ПТУ с достижением максимальной эффективности, надежности и долговечности их работы. Однако для достижения абсолютной надежности обеспечения ТЭНа 2 электрической мощностью переключение его на питание от резервного источника производится упредительно при снижении мощности ВЭУ до 10%-ного уровня превышения над мощностью ТЭНа 2. Это необходимо, чтобы не допустить самой возможности возникновения ситуации недостаточности мощности ВЭУ для электроснабжения ТЭНа ПТУ, поскольку возможны резкие (в течение долей секунды) колебания мощности ВЭУ в пределах 5-10% ее мощности.

Предусмотрен также и обратный процесс: при достижении 10%-ного запаса мощности ВЭУ над мощностью ТЭНа 2 последний переключается на питание от ВЭУ.

На фиг. 2 показана схема установки, реализующей предлагаемый способ применительно к ПТУ парогазовой установки. Здесь в период слабого ветра вся электроэнергия ВЭУ ″сбрасывается″ на ТЭН 8 газотурбинной установки (ГТУ), уменьшая расход топлива в ее камере сгорания.

Возможен также предварительный ″разгон″ резервного источника электроэнергии для чего перед переключением на питание теплоэлектронагревателя ПТУ его включают на балластную нагрузку. И только когда резервный источник питания наберет номинальную мощность и выйдет на стационарный режим, его переключают с балластной нагрузки на теплоэлектронагреватель ПТУ. Во время выхода на номинальный режим резервный источник питания 6 с помощью переключателя 9 (см. фиг. 3) включен на балластную нагрузку 10. По достижении стационарного режима переключателем 9 источник 6 отключается от нагрузки 9, одновременно переключателем 5 он переключается на питание электронагревателя 2.

Это позволит исключить влияние инерционности резервного источника на обеспечение теплоэлектронагревателя ПТУ требуемым количеством электроэнергии. Балластная нагрузка может быть выполнена в виде теплоэлектронагревателя, нагревающего воду в тепловой сети.

В качестве резервного источника электроэнергии могут использоваться аккумуляторы электроэнергии (АЭ) в виде аккумуляторных и конденсаторных батарей, маховичных, гидроаккумулирующих, пневматических АЭ, топливных элементов на аккумулированном водороде и других аккумуляторов электроэнергии, а также энергоустановки на органическом топливе - ДВС, дизельные, газотурбинные, парогазовые, на топливных элементах и т.д. Теплоэлектронагреватели могут выполняться трубчатыми, индукционными, электродными, плазменными и т.п.

Предлагаемый способ может применяться как на ПТУ, работающих как в локальных небольших энергосистемах, так и подключенных к единой электроэнергетической системе страны.

Предлагаемое изобретение относится к области теплоэнергетики, связанной с паротурбинными установками, в частности входящими в состав парогазовых установок, с перегревом пара посредством теплоэлектронагревателя. Способ работы паротурбинной установки включает перегрев пара посредством теплоэлектронагревателя (2), питаемого от электрогенерирующей ветроэнергетической установки (3), и последующее расширение пара в турбине(4). Теплоэлектронагреватель(2) переключают на питание от резервного источника электроэнергии (6) при снижении мощности ветроэнергетической установки (3) до 10%-ного уровня превышения над мощностью теплоэлектронагревателя(2). Резервный источник электроэнергии (6) перед переключением на питание теплоэлектронагревателя (2) включают на балластную нагрузку. В качестве резервного источника электроэнергии (6) используют аккумуляторы электроэнергии или энергоустановки на органическом топливе. Технический результат заключается в повышении эффективности и надежности работы установки за счет исключения влияния инерционности резервного источника электроэнергии на обеспечение теплоэлектронагревателя ПТУ требуемым количеством электроэнергии. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ работы паротурбинной установки, включающий перегрев пара посредством теплоэлектронагревателя, питаемого от электрогенерирующей ветроэнергетической установки, и последующее расширение пара в турбине, отличающийся тем, что теплоэлектронагреватель переключают на питание от резервного источника электроэнергии при снижении мощности ветроэнергетической установки до 10%-ного уровня превышения над мощностью теплоэлектронагревателя.

2. Способ работы паротурбинной установки по п.1, отличающийся тем, что резервный источник электроэнергии перед переключением на питание теплоэлектронагревателя включают на балластную нагрузку.

3. Способ работы паротурбинной установки по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в качестве резервного источника электроэнергии используют аккумуляторы электроэнергии.

4. Способ работы паротурбинной установки по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в качестве резервного источника электроэнергии используют энергоустановки на органическом топливе.