СПОСОБ РАБОТЫ ТЕПЛОВОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ Российский патент 2015 года по МПК F01K17/02 F01K19/00 

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано на тепловых электрических станциях (ТЭС) при утилизации низкопотенциальной теплоты системы маслоснабжения подшипников паровой турбины, утилизации избыточной низкопотенциальной теплоты обратной сетевой воды и утилизации высокопотенциальной теплоты пара производственного отбора для дополнительной выработки электрической энергии.

Аналогом является способ работы тепловой электрической станции, по которому весь поток обратной сетевой воды, возвращаемый от потребителей, нагревают паром отборов турбины в нижнем и в верхнем сетевых подогревателях, а также в конденсаторе теплонасосной установки теплотой, отведенной от обратной сетевой воды в испарителе теплонасосной установки, после чего направляют потребителям, при этом весь поток сетевой воды последовательно нагревают в нижнем сетевом подогревателе, конденсаторе теплонасосной установки и верхнем сетевом подогревателе (патент RU №2275512, МПК F01K 17/02, 27.04.2006).

Прототипом является способ работы тепловой электрической станции, содержащей теплофикационную турбину с отопительными отборами пара, подающий и обратный трубопроводы теплосети, сетевые подогреватели, включенные по нагреваемой среде между подающим и обратным трубопроводами теплосети и подключенные по греющей среде к отопительным отборам, теплонасосную установку с испарителем, включенным в обратный трубопровод теплосети, и конденсатором, при этом конденсатор теплонасосной установки включен в подающий трубопровод теплосети после сетевых подогревателей, а также систему маслоснабжения подшипников паровой турбины, содержащую последовательно соединенные по греющей среде сливной трубопровод, маслобак, маслонасос и маслоохладитель, выход которого по нагреваемой среде соединен с напорным трубопроводом (патент RU №2269014, МПК F01K 17/02, 27.01.2006).

В известном способе возвращаемая от потребителей по обратному трубопроводу теплосети сетевая вода подается сетевым насосом в испаритель теплонасосной установки, где отдает часть теплоты хладагенту теплонасосной установки и охлаждается, затем сетевая вода поступает в сетевые подогреватели, где нагревается паром отопительных отборов турбины. Перед подачей потребителям сетевая вода дополнительно нагревается в конденсаторе теплонасосной установки за счет теплоты хладагента, циркулирующего в контуре теплонасосной установки. Благодаря последовательному включению испарителя теплонасосной установки в обратный трубопровод теплосети до сетевых подогревателей, а конденсатора в подающий трубопровод теплосети после сетевых подогревателей достигается максимальное охлаждение обратной сетевой воды. В паровой турбине используют систему маслоснабжения подшипников паровой турбины с маслоохладителем.

Таким образом, в известном способе работы тепловой электрической станции пар отопительных параметров из отборов паровой турбины поступает в паровое пространство верхнего и нижнего сетевых подогревателей, сетевая вода поступает от потребителей по обратному трубопроводу сетевой воды в испаритель, выполняющий функцию теплообменника-охладителя сетевой воды, 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, а конденсат с помощью конденсатного насоса конденсатора паровой турбины направляют в систему регенерации, при этом в испарителе, выполняющем функцию теплообменника-охладителя сетевой воды, осуществляют утилизацию избыточной низкопотенциальной теплоты обратной сетевой воды при помощи охлаждающей жидкости.

Основным недостатком аналога и прототипа является то, что утилизацию избыточной низкопотенциальной теплоты обратной сетевой воды осуществляют в целях выработки дополнительной тепловой энергии, а не для дополнительной выработки электрической энергии.

Кроме этого, недостатком аналога и прототипа является относительно низкий коэффициент полезного действия ТЭС по выработке электрической энергии, обусловленный затратами электрической мощности на привод теплонасосной установки, а также из-за отсутствия утилизации низкопотенциальной теплоты системы маслоснабжения подшипников паровой турбины для дополнительной выработки электроэнергии.

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 утилизации избыточной низкопотенциальной теплоты обратной сетевой воды и утилизации низкопотенциальной теплоты системы маслоснабжения подшипников паровой турбины для дополнительной выработки электрической энергии.

Технический результат достигается тем, что в способе утилизации тепловой энергии, вырабатываемой тепловой электрической станцией, включающем отбор пара из паровой турбины, направление пара отопительных параметров в паровое пространство верхнего и нижнего сетевых подогревателей, связанных с подающим трубопроводом и обратным трубопроводом сетевой воды, снабженным теплообменником-охладителем сетевой воды, при этом отработавший пар из паровой турбины направляют в паровое пространство конденсатора, в котором его конденсируют на поверхности конденсаторных трубок, а полученный конденсат с помощью конденсатного насоса конденсатора паровой турбины направляют в систему регенерации, при этом в теплообменнике-охладителе сетевой воды осуществляют утилизацию избыточной низкопотенциальной теплоты обратной сетевой воды посредством охлаждающей жидкости, согласно настоящему изобретению дополнительно используют систему маслоснабжения подшипников паровой турбины, состоящей из маслоохладителя, маслобака и маслонасоса, и конденсационную установку, состоящую из конденсатора паровой турбины с производственным отбором пара и конденсатного насоса, и дополнительно осуществляют утилизацию низкопотенциальной теплоты системы маслоснабжения подшипников паровой турбины и утилизацию высокопотенциальной теплоты пара производственного отбора, при этом упомянутые утилизации осуществляют посредством теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции, работающего по органическому циклу Ренкина, состоящего из турбодетандера с электрогенератором, теплообменника-рекуператора, теплообменника-конденсатора и конденсатного насоса, причем в качестве охлаждающей жидкости используют низкокипящее рабочее тело, циркулирующее в замкнутом контуре, при этом упомянутое низкокипящее рабочее тело сжимают в конденсатном насосе теплового двигателя, нагревают в теплообменнике-рекуператоре, нагревают в маслоохладителе системы маслоснабжения подшипников паровой турбины, нагревают в теплообменнике-охладителе сетевой воды, испаряют и перегревают в конденсаторе паровой турбины с производственным отбором пара, расширяют в турбодетандере, снижают его температуру в теплообменнике-рекуператоре 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 С₃Н₈.

Таким образом, технический результат достигается за счет утилизации низкопотенциальной теплоты системы маслоснабжения подшипников паровой турбины, утилизации избыточной низкопотенциальной теплоты обратной сетевой воды и утилизации высокопотенциальной теплоты пара производственного отбора из паровой турбины с производственным отбором пара для дополнительной выработки электрической энергии, которые осуществляют путем последовательного нагрева, соответственно, в маслоохладителе системы маслоснабжения подшипников паровой турбины, теплообменнике-охладителе сетевой воды и конденсаторе паровой турбины с производственным отбором пара, низкокипящего рабочего тела (сжиженного пропана С₃Н₈) 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, 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 - система маслоснабжения подшипников паровой турбины,

16 - сливной трубопровод,

17 - маслобак,

18 - маслонасос,

19 - маслоохладитель,

20 - напорный трубопровод,

21 - конденсационная установка,

22 - паровая турбина с производственным отбором пара,

23 - электрогенератор паровой турбины с производственным отбором пара,

24 - конденсатор паровой турбины с производственным отбором пара,

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

26 - теплообменник-рекуператор.

Тепловая электрическая станция включает последовательно соединенные паровую турбину 1, конденсатор 2 паровой турбины и конденсатный насос 3 конденсатора паровой турбины, 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, и теплообменник-охладитель 14 сетевой воды, включенный по нагреваемой среде в обратный трубопровод 13 сетевой воды перед нижним сетевым подогревателем 11, а также систему 15 маслоснабжения подшипников паровой турбины 1, содержащую последовательно соединенные по греющей среде сливной трубопровод 16, маслобак 17, маслонасос 18 и маслоохладитель 19, выход которого по нагреваемой среде соединен с напорным трубопроводом 20.

В тепловую электрическую станцию введены конденсационная установка 21 и тепловой двигатель 5 с замкнутым контуром циркуляции, работающий по органическому циклу Ренкина.

Конденсационная установка 21 содержит последовательно соединенные паровую турбину 22 с производственным отбором пара, имеющую электрогенератор 23, конденсатор 24 паровой турбины с производственным отбором пара и конденсатный насос 25 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 26, теплообменник-конденсатор 8 и конденсатный насос 9, причем выход конденсатного насоса 9 соединен по нагреваемой среде с входом теплообменника-рекуператора 26, который соединен по нагреваемой среде с входом маслоохладителя 19, выход маслоохладителя 19 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 24 паровой турбины с производственным отбором пара, выход конденсатора 24 паровой турбины с производственным отбором пара соединен по нагреваемой среде с входом турбодетандера 6, выход которого соединен по греющей среде с теплообменником-рекуператором 26, выход теплообменника-рекуператора 26 соединен по греющей среде с теплообменником-конденсатором 8, выход которого соединен по нагреваемой среде с входом конденсатного насоса 9, 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 верхнего 10 и нижнего 11 сетевых подогревателей, связанных с подающим 12 трубопроводом и обратным 13 трубопроводом сетевой воды, снабженным теплообменником-охладителем 14 сетевой воды, при этом отработавший пар из паровой турбины 1 направляют в паровое пространство конденсатора 2, в котором его конденсируют на поверхности конденсаторных трубок, а полученный конденсат с помощью конденсатного насоса 3 конденсатора паровой турбины 1 направляют в систему регенерации, при этом в теплообменнике-охладителе 14 сетевой воды осуществляют утилизацию избыточной низкопотенциальной теплоты обратной сетевой воды посредством охлаждающей жидкости.

Отличием предлагаемого способа является то, что дополнительно используют систему 15 маслоснабжения подшипников паровой турбины 1, состоящей из маслоохладителя 19, маслобака 17 и маслонасоса 18, и конденсационную установку 21, состоящую из конденсатора 24 паровой турбины 22 с производственным отбором пара и конденсатного насоса 25, и дополнительно осуществляют утилизацию низкопотенциальной теплоты системы 15 маслоснабжения подшипников паровой турбины 1 и утилизацию высокопотенциальной теплоты пара производственного отбора, при этом упомянутые утилизации осуществляют посредством теплового двигателя 5 с замкнутым контуром циркуляции, работающего по органическому циклу Ренкина, состоящего из турбодетандера 6 с электрогенератором 7, теплообменника-рекуператора 26, теплообменника-конденсатора 8 и конденсатного насоса 9, причем в качестве охлаждающей жидкости используют низкокипящее рабочее тело, циркулирующее в замкнутом контуре, при этом упомянутое низкокипящее рабочее тело сжимают в конденсатном насосе 9 теплового двигателя 5, нагревают в теплообменнике-рекуператоре 26, нагревают в маслоохладителе 19 системы 15 маслоснабжения подшипников паровой турбины 1, нагревают в теплообменнике-охладителе 14 сетевой воды, испаряют и перегревают в конденсаторе 24 паровой турбины 22 с производственным отбором пара, расширяют в турбодетандере 6, снижают его температуру в теплообменнике-рекуператоре 26 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. При этом образующийся конденсат с помощью конденсатного насоса 3 конденсатора паровой турбины направляют в систему регенерации. Мощность паровой турбины 1 передается соединенному на одном валу основному электрогенератору 4.

Преобразование низкопотенциальной тепловой энергии системы 15 маслоснабжения подшипников паровой турбины 1, а также избыточной низкопотенциальной тепловой энергии обратной сетевой воды, и высокопотенциальной тепловой энергии пара производственного отбора из паровой турбины 22, в механическую и, далее, в электрическую происходит в замкнутом контуре циркуляции теплового двигателя 5, работающего по органическому циклу Ренкина.

Таким образом, утилизацию низкопотенциальной теплоты системы 15 маслоснабжения подшипников паровой турбины 1, утилизацию избыточной низкопотенциальной теплоты обратной сетевой воды и утилизацию высокопотенциальной теплоты пара производственного отбора из паровой турбины 22 с производственным отбором пара осуществляют путем последовательного нагрева, соответственно, в маслоохладителе 19 системы маслоснабжения подшипников паровой турбины, теплообменнике-охладителе 14 сетевой воды и конденсаторе 24 паровой турбины с производственным отбором пара, низкокипящего рабочего тела (сжиженного пропана C₃H₈) теплового двигателя 5 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 теплообменник-рекуператор 26, куда поступает перегретый газообразный пропан C₃H₈ из турбодетандера 6, далее в маслоохладитель 19, куда поступает нагретое масло системы 15 маслоснабжения подшипников паровой турбины 1, 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 К до 343,15 К.

В процессе теплообмена перегретого газообразного пропана C₃H₈ с сжиженным пропаном C₃H₈ в теплообменнике-рекуператоре 26 и теплообмена нагретого масла с сжиженным пропаном C₃H₈ в маслоохладителе 19, а также в процессе теплообмена обратной сетевой воды с сжиженным пропаном С₃Н₈ в теплообменнике-охладителе 14 сетевой воды, происходит нагрев сжиженного пропана С₃Н₈ в пределах критической температуры в интервале от 308,15 К до 338,15 К при сверхкритическом давлении от 4,2512 МПа до 8 МПа, и далее его направляют на испарение и перегрев в конденсатор 24 паровой турбины с производственным отбором пара, куда поступает пар производственного отбора из паровой турбины 22 при температуре около 573 К.

Пар, поступающий из производственного отбора паровой турбины 22 в паровое пространство конденсатора 24, конденсируется на поверхности конденсаторных трубок, внутри которых протекает охлаждающая жидкость (сжиженный пропан С₃Н₈). Мощность паровой турбины 22 передается соединенному на одном валу основному электрогенератору 23.

Конденсация пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования, которая отводится при помощи охлаждающей жидкости. Образующийся конденсат с помощью конденсатного насоса 25 конденсатора паровой турбины с производственным отбором пара направляют в систему регенерации.

В процессе конденсации пара производственного отбора в конденсаторе 24 паровой турбины происходит нагрев сжиженного пропана C₃H₈ до критической температуры 369,89 К с последующим его испарением и перегревом 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 26 для снижения температуры.

В теплообменнике-рекуператоре 26 в процессе отвода теплоты на нагрев сжиженного пропана C₃H₈ снижается нагрузка на теплообменник-конденсатор 8, выполненного, например, в виде конденсатора воздушного охлаждения, и затраты мощности на привод вентиляторов воздушного охлаждения.

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

После теплообменника-конденсатора 8 в сжиженном состоянии пропан С₃Н₈ 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 21 позволяет повысить начальные параметры низкокипящего рабочего тела теплового двигателя 5 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 утилизации низкопотенциальной теплоты системы маслоснабжения подшипников паровой турбины, утилизации избыточной низкопотенциальной теплоты обратной сетевой воды и утилизации высокопотенциальной теплоты пара производственного отбора для дополнительной выработки электрической энергии.

Изобретение может быть использовано на тепловых электрических станциях (ТЭС) для утилизации избыточной тепловой энергии, вырабатываемой системами ТЭС в процессе ее работы. Проводят утилизацию избыточной низкопотенциальной теплоты обратной сетевой воды и системы маслоснабжения подшипников паровой турбины, а также высокопотенциальной теплоты пара производственного отбора. Упомянутые утилизации осуществляют при помощи теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции, работающего по органическому циклу Ренкина. Охлаждающую жидкость в виде низкокипящего рабочего тела сжимают в конденсатном насосе и нагревают в теплообменнике-рекуператоре теплового двигателя, нагревают в маслоохладителе и в теплообменнике-охладителе сетевой воды, испаряют и перегревают в конденсаторе паровой турбины с производственным отбором пара, расширяют в турбодетандере и снижают температуру в теплообменнике-рекуператоре теплового двигателя, затем конденсируют в теплообменнике-конденсаторе теплового двигателя. Способ обеспечивает повышение коэффициента полезного действия ТЭС за счет дополнительной выработки электрической энергии при утилизации избыточной тепловой энергии, вырабатываемой системами ТЭС. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 пр.

1. Способ утилизации тепловой энергии, вырабатываемой тепловой электрической станцией, включающий отбор пара из паровой турбины, направление пара отопительных параметров в паровое пространство верхнего и нижнего сетевых подогревателей, связанных с подающим трубопроводом и обратным трубопроводом сетевой воды, снабженным теплообменником-охладителем сетевой воды, при этом отработавший пар из паровой турбины направляют в паровое пространство конденсатора, в котором его конденсируют на поверхности конденсаторных трубок, а полученный конденсат с помощью конденсатного насоса конденсатора паровой турбины направляют в систему регенерации, при этом в теплообменнике-охладителе сетевой воды осуществляют утилизацию избыточной низкопотенциальной теплоты обратной сетевой воды посредством охлаждающей жидкости, отличающийся тем, что дополнительно используют систему маслоснабжения подшипников паровой турбины, состоящей из маслоохладителя, маслобака и маслонасоса, и конденсационную установку, состоящую из конденсатора паровой турбины с производственным отбором пара и конденсатного насоса, и дополнительно осуществляют утилизацию низкопотенциальной теплоты системы маслоснабжения подшипников паровой турбины и утилизацию высокопотенциальной теплоты пара производственного отбора, при этом упомянутые утилизации осуществляют посредством теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции, работающего по органическому циклу Ренкина, состоящего из турбодетандера с электрогенератором, теплообменника-рекуператора, теплообменника-конденсатора и конденсатного насоса, причем в качестве охлаждающей жидкости используют низкокипящее рабочее тело, циркулирующее в замкнутом контуре, при этом упомянутое низкокипящее рабочее тело сжимают в конденсатном насосе теплового двигателя, нагревают в теплообменнике-рекуператоре, нагревают в маслоохладителе системы маслоснабжения подшипников паровой турбины, нагревают в теплообменнике-охладителе сетевой воды, испаряют и перегревают в конденсаторе паровой турбины с производственным отбором пара, расширяют в турбодетандере, снижают его температуру в теплообменнике-рекуператоре 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 С₃Н₈.