СПОСОБ РАБОТЫ ТЕПЛОВОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ Российский патент 2015 года по МПК F01K17/02 F01C1/00 F01K23/00 

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано на тепловых электрических станциях (ТЭС) для утилизации сбросной низкопотенциальной теплоты в конденсаторах паровых турбин ТЭС, утилизации низкопотенциальной теплоты системы маслоснабжения подшипников паровой турбины с производственным отбором пара, утилизации избыточной низкопотенциальной теплоты обратной сетевой воды, 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, 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 пар отопительных параметров из отборов паровой турбины поступает в паровое пространство нижнего и верхнего сетевых подогревателей, сетевая вода поступает от потребителей по обратному трубопроводу сетевой воды в нижний сетевой подогреватель и верхний сетевой подогреватель, далее сетевую воду направляют в подающий трубопровод сетевой воды, 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, обусловленную использованием вторичного контура (теплонасосной установки), а также отсутствия утилизации избыточной низкопотенциальной теплоты обратной сетевой воды, для дополнительной выработки электроэнергии.

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 разработка способа утилизации теплоты ТЭС, в котором устранены указанные недостатки аналога и прототипа.

Техническим результатом является повышение коэффициента полезного действия ТЭС за счет полного использования сбросной низкопотенциальной теплоты и утилизации избыточной низкопотенциальной теплоты обратной сетевой воды 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 утилизации тепловой энергии, вырабатываемой тепловой электрической станцией, включающий отбор пара из паровой турбины, направление пара отопительных параметров в паровое пространство нижнего и верхнего сетевых подогревателей, связанных с подающим и обратным трубопроводами сетевой воды, а отработавший пар из паровой турбины направляют в паровое пространство конденсатора, в котором пар конденсируют на поверхности конденсаторных трубок, внутри которых протекает охлаждающая жидкость, и полученный конденсат с помощью конденсатного насоса направляют в систему регенерации, причем при конденсации пара осуществляют утилизацию сбросной низкопотенциальной тепловой энергии отработавшего в турбине пара посредством охлаждающей жидкости, согласно настоящему изобретению, дополнительно используют теплообменник-охладитель сетевой воды, который устанавливают на обратном трубопроводе сетевой воды, конденсационную установку, состоящую из последовательно соединенных паровой турбины с производственным отбором пара с электрогенератором, конденсатора и конденсатного насоса, и систему маслоснабжения подшипников паровой турбины с производственным отбором пара, состоящую из маслоохладителя, маслобака и маслонасоса, и дополнительно осуществляют утилизацию высокопотенциальной теплоты пара производственного отбора и утилизацию низкопотенциальной теплоты системы маслоснабжения подшипников паровой турбины с производственным отбором пара, при этом упомянутые утилизации осуществляют посредством теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции, работающего по органическому циклу Ренкина и состоящего из турбодетандера с электрогенератором, теплообменника-конденсатора и конденсатного насоса, при этом в качестве охлаждающей жидкости используют низкокипящее рабочее тело, циркулирующее в замкнутом контуре, причем упомянутое низкокипящее рабочее тело сжимают в конденсатном насосе теплового двигателя, нагревают в конденсаторе паровой турбины, нагревают в маслоохладителе, нагревают в теплообменнике-охладителе сетевой воды, нагревают и испаряют в конденсаторе паровой турбины с производственным отбором пара, расширяют в турбодетандере теплового двигателя и конденсируют в теплообменнике-конденсаторе теплового двигателя.

В качестве теплообменника-конденсатора теплового двигателя используют 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), утилизации низкопотенциальной теплоты системы маслоснабжения подшипников паровой турбины с производственным отбором пара, утилизации избыточной низкопотенциальной теплоты обратной сетевой воды и утилизации высокопотенциальной теплоты пара производственного отбора из паровой турбины с производственным отбором пара, которые осуществляют путем последовательного нагрева, соответственно, в конденсаторе паровой турбины, маслоохладителе системы маслоснабжения подшипников паровой турбины с производственным отбором пара, теплообменнике-охладителе сетевой воды и конденсаторе паровой турбины с производственным отбором пара, низкокипящего рабочего тела (сжиженного пропана 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, теплообменник-охладитель сетевой воды 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 - верхний сетевой подогреватель,

11 - нижний сетевой подогреватель,

12 - подающий трубопровод сетевой воды,

13 - обратный трубопровод сетевой воды,

14 - теплообменник-охладитель сетевой воды,

15 - конденсационная установка,

16 - паровая турбина с производственным отбором пара,

17 - электрогенератор паровой турбины с производственным отбором пара,

18 - конденсатор паровой турбины с производственным отбором пара,

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

20 - система маслоснабжения подшипников паровой турбины с производственным отбором пара,

21 - сливной трубопровод,

22 - маслобак,

23 - маслонасос,

24 - маслоохладитель,

25 - напорный трубопровод.

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, которая соединена по греющей среде с верхним 10 и нижним 11 сетевыми подогревателями, включенными по нагреваемой среде между подающим 12 и обратным 13 трубопроводами сетевой воды. В тепловую электрическую станцию введены теплообменник-охладитель 14 сетевой воды, конденсационная установка 15 и тепловой двигатель 5 с замкнутым контуром циркуляции, работающий по органическому циклу Ренкина.

Вход теплообменника-охладителя 14 по нагреваемой среде соединен с обратным трубопроводом 13 сетевой воды. Выход теплообменника-охладителя 14 по нагреваемой среде соединен с нижним сетевым подогревателем 11.

Конденсационная установка 15 содержит последовательно соединенные паровую турбину 16 с производственным отбором пара, имеющую электрогенератор 17, конденсатор 18 паровой турбины с производственным отбором пара, конденсатный насос 19 конденсатора паровой турбины с производственным отбором пара, и систему 20 маслоснабжения подшипников паровой турбины с производственным отбором пара, содержащую последовательно соединенные по греющей среде сливной трубопровод 21, маслобак 22, маслонасос 23 и маслоохладитель 24, выход которого по нагреваемой среде соединен с напорным трубопроводом 25.

Замкнутый контур циркуляции теплового двигателя 5 выполнен в виде контура с низкокипящим рабочим телом, содержащим последовательно соединенные турбодетандер 6 с электрогенератором 7, теплообменник-конденсатор 8, конденсатный насос 9, причем выход конденсатного насоса 9 соединен по нагреваемой среде с входом конденсатора 2 паровой турбины, выход которого соединен по нагреваемой среде с входом маслоохладителя 24 системы маслоснабжения подшипников паровой турбины с производственным отбором пара, выход которого соединен по нагреваемой среде с входом теплообменника-охладителя 14 сетевой воды, а выход теплообменника-охладителя 14 сетевой воды по нагреваемой среде соединен с входом конденсатора 18 паровой турбины с производственным отбором пара, выход которого соединен по нагреваемой среде с входом турбодетандера 6, образуя замкнутый контур охлаждения.

Способ утилизации тепловой энергии, вырабатываемой тепловой электрической станцией, осуществляют следующим образом.

Способ включает в себя отбор пара из паровой турбины 1, направление пара отопительных параметров в паровое пространство нижнего 11 и верхнего 10 сетевых подогревателей, связанных с подающим 12 и обратным 13 трубопроводами сетевой воды, а отработавший пар из паровой турбины 1 направляют в паровое пространство конденсатора 2, в котором пар конденсируют на поверхности конденсаторных трубок, внутри которых протекает охлаждающая жидкость, и полученный конденсат с помощью конденсатного насоса 3 направляют в систему регенерации, причем при

конденсации пара осуществляют утилизацию сбросной низкопотенциальной тепловой энергии отработавшего в турбине 1 пара посредством охлаждающей жидкости.

Отличием предлагаемого способа является то, что дополнительно используют теплообменник-охладитель 14 сетевой воды, который устанавливают на обратном 13 трубопроводе сетевой воды, конденсационную установку 15, состоящую из последовательно соединенных паровой турбины 16 с производственным отбором пара с электрогенератором 17, конденсатора 18 и конденсатного насоса 19, и систему 20 маслоснабжения подшипников паровой турбины 16 с производственным отбором пара, состоящую из маслоохладителя 24, маслобака 22 и маслонасоса 23, и дополнительно осуществляют утилизацию высокопотенциальной теплоты пара производственного отбора и утилизацию низкопотенциальной теплоты системы 20 маслоснабжения подшипников паровой турбины 16 с производственным отбором пара, при этом упомянутые утилизации осуществляют посредством теплового двигателя 5 с замкнутым контуром циркуляции, работающего по органическому циклу Ренкина и состоящего из турбодетандера 6 с электрогенератором 7, теплообменника-конденсатора 8 и конденсатного насоса 9, при этом в качестве охлаждающей жидкости используют низкокипящее рабочее тело, циркулирующее в замкнутом контуре, причем упомянутое низкокипящее рабочее тело сжимают в конденсатном насосе 9 теплового двигателя 5, нагревают в конденсаторе 2 паровой турбины 1, нагревают в маслоохладителе 24, нагревают в теплообменнике-охладителе 14 сетевой воды, нагревают и испаряют в конденсаторе 18 паровой турбины 16 с производственным отбором пара, расширяют в турбодетандере 6 теплового двигателя и конденсируют в теплообменнике-конденсаторе 8 теплового двигателя.

В качестве теплообменника-конденсатора 8 теплового двигателя используют 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, низкопотенциальной тепловой энергии системы 20 маслоснабжения подшипников паровой турбины 16 с производственным отбором пара, а также избыточной низкопотенциальной тепловой энергии обратной сетевой воды, и высокопотенциальной тепловой энергии пара производственного отбора из паровой турбины 16, 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, утилизацию низкопотенциальной теплоты системы 20 маслоснабжения подшипников паровой турбины 16 с производственным отбором пара, утилизацию избыточной низкопотенциальной теплоты обратной сетевой воды и утилизацию высокопотенциальной теплоты пара производственного отбора из паровой турбины 16 с производственным отбором пара осуществляют путем последовательного нагрева, соответственно, в конденсаторе 2 паровой турбины, маслоохладителе 24, теплообменнике-охладителе 14 сетевой воды и конденсаторе 18 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 последовательно направляют на нагрев в начале в конденсатор 2 паровой турбины, куда поступает отработавший в турбине 1 пар с температурой в интервале от 300 K до 313,15 K, далее в маслоохладитель 24, куда поступает нагретое масло системы 20 маслоснабжения подшипников паровой турбины 16, а затем в теплообменник-охладитель 14 сетевой воды, куда поступает обратная сетевая вода из обратного трубопровода 13. При этом температура нагретого масла и обратной сетевой воды может варьироваться в интервале от 313,15 K до 343,15 K.

В процессе конденсации отработавшего в турбине 1 пара в конденсаторе 2 паровой турбины и теплообмена нагретого масла с сжиженным пропаном C₃H₈ в маслоохладителе 24, а также в процессе теплообмена обратной сетевой воды с сжиженным пропаном C₃H₈ в теплообменнике-охладителе 14 сетевой воды, происходит нагрев сжиженного пропана C₃H₈ в пределах критической температуры в интервале от 308,15 K до 338,15 K при сверхкритическом давлении от 4,2512 МПа до 13 МПа, и далее его направляют на нагрев и испарение в конденсатор 18 паровой турбины с производственным отбором пара, куда поступает пар производственного отбора из паровой турбины 16 при температуре около 573 К.

Пар, поступающий из производственного отбора паровой турбины 16 в паровое пространство конденсатора 18, конденсируется на поверхности конденсаторных трубок, внутри которых протекает охлаждающая жидкость (сжиженный пропан C₃H₈). Мощность паровой турбины 16 передается соединенному на одном валу основному электрогенератору 17.

Конденсация пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования, которая отводится при помощи охлаждающей жидкости. Образующийся конденсат с помощью конденсатного насоса 19 конденсатора паровой турбины с производственным отбором пара направляют в систему регенерации.

В процессе конденсации пара производственного отбора в конденсаторе 18 паровой турбины, происходит нагрев сжиженного пропана C₃H₈ до критической температуры 369,89 K, с последующим его испарением и перегревом до сверхкритической температуры от 369,89 K до 420 K при сверхкритическом давлении от 4,2512 МПа до 13 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 имеет температуру около 288 K с влажностью не превышающей 12%.

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

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 15 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, утилизации низкопотенциальной теплоты системы маслоснабжения подшипников паровой турбины с производственным отбором пара, утилизации избыточной низкопотенциальной теплоты обратной сетевой воды и утилизации 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 относится к способу утилизации тепловой энергии, вырабатываемой тепловой электрической станцией (ТЭС). Отработавший пар направляют из паровой турбины в паровое пространство конденсатора и полученный конденсат с помощью его конденсатного насоса направляют в систему регенерации. В ТЭС используют теплообменник-охладитель сетевой воды, который устанавливают на обратном трубопроводе сетевой воды, а также конденсационную установку, имеющую конденсатор паровой турбины с производственным отбором пара и систему маслоснабжения ее подшипников с маслоохладителем. Осуществляют утилизацию низкопотенциальной теплоты системы маслоснабжения подшипников паровой турбины с производственным отбором пара, утилизацию низкопотенциальной теплоты обратной сетевой воды и утилизацию высокопотенциальной теплоты пара производственного отбора. Указанные утилизации осуществляют при помощи теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции, работающего по органическому циклу Ренкина, в котором в качестве охлаждающей жидкости используют низкокипящее рабочее тело. Технический результат заключается в повышении коэффициента полезного действия ТЭС за счет полного использования сбросной низкопотенциальной теплоты и утилизации избыточной низкопотенциальной теплоты обратной сетевой воды для дополнительной выработки электрической энергии, повышении ресурса и надежности работы конденсатора паровой турбины и снижении тепловых выбросов в окружающую среду. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ утилизации тепловой энергии, вырабатываемой тепловой электрической станцией, включающий отбор пара из паровой турбины, направление пара отопительных параметров в паровое пространство нижнего и верхнего сетевых подогревателей, связанных с подающим и обратным трубопроводами сетевой воды, а отработавший пар из паровой турбины направляют в паровое пространство конденсатора, в котором пар конденсируют на поверхности конденсаторных трубок, внутри которых протекает охлаждающая жидкость, и полученный конденсат с помощью конденсатного насоса направляют в систему регенерации, причем при конденсации пара осуществляют утилизацию сбросной низкопотенциальной тепловой энергии отработавшего в турбине пара посредством охлаждающей жидкости, отличающийся тем, что дополнительно используют теплообменник-охладитель сетевой воды, который устанавливают на обратном трубопроводе сетевой воды, конденсационную установку, состоящую из последовательно соединенных паровой турбины с производственным отбором пара с электрогенератором, конденсатора и конденсатного насоса, и систему маслоснабжения подшипников паровой турбины с производственным отбором пара, состоящую из маслоохладителя, маслобака и маслонасоса, и дополнительно осуществляют утилизацию высокопотенциальной теплоты пара производственного отбора и утилизацию низкопотенциальной теплоты системы маслоснабжения подшипников паровой турбины с производственным отбором пара, при этом упомянутые утилизации осуществляют посредством теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции, работающего по органическому циклу Ренкина и состоящего из турбодетандера с электрогенератором, теплообменника-конденсатора и конденсатного насоса, при этом в качестве охлаждающей жидкости используют низкокипящее рабочее тело, циркулирующее в замкнутом контуре, причем упомянутое низкокипящее рабочее тело сжимают в конденсатном насосе теплового двигателя, нагревают в конденсаторе паровой турбины, нагревают в маслоохладителе, нагревают в теплообменнике-охладителе сетевой воды, нагревают и испаряют в конденсаторе паровой турбины с производственным отбором пара, расширяют в турбодетандере теплового двигателя и конденсируют в теплообменнике-конденсаторе теплового двигателя.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве теплообменника-конденсатора теплового двигателя используют конденсатор воздушного охлаждения или конденсатор водяного охлаждения, или конденсатор воздушного и водяного охлаждения.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве низкокипящего рабочего тела используют сжиженный пропан C₃H₈.