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 избыточной низкопотенциальной теплоты обратной сетевой воды.

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 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 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 работы тепловой электрической станции, по которому 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, согласно настоящему изобретению, в тепловой электрической станции используют теплообменник-охладитель сетевой воды, который устанавливают на обратном трубопроводе сетевой воды, и дополнительно осуществляют утилизацию низкопотенциальной теплоты обратной сетевой воды, при этом утилизацию сбросной низкопотенциальной тепловой энергии отработавшего в турбине пара и утилизацию низкопотенциальной теплоты обратной сетевой воды 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 и испаряют в конденсаторе паровой турбины, нагревают в теплообменнике-охладителе сетевой воды, расширяют в турбодетандере 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 углекислый газ СО₂.

Таким образом, технический результат достигается за счет полной утилизации сбросной низкопотенциальной теплоты (скрытой теплоты парообразования) и утилизации избыточной низкопотенциальной теплоты обратной сетевой воды, которые осуществляют путем последовательного нагрева, соответственно, в конденсаторе паровой турбины и теплообменнике-охладителе сетевой воды, низкокипящего рабочего тела (сжиженного углекислого газа СО₂) 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 и теплообменник-охладитель сетевой воды.

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.

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 и тепловой двигатель 5 с замкнутым контуром циркуляции, работающий по органическому циклу Ренкина.

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

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 и 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 теплообменника-охладителя 14 сетевой воды, а выход теплообменника-охладителя 14 по нагреваемой среде соединен с входом турбодетандера 6, образуя замкнутый контур охлаждения.

Способ работы тепловой электрической станции осуществляют следующим образом.

Пар отопительных параметров из отборов паровой турбины 1 поступает в паровое пространство нижнего 11 и верхнего 10 сетевых подогревателей. Сетевая вода поступает от потребителей по обратному трубопроводу 13 сетевой воды в нижний сетевой подогреватель 11 и верхний сетевой подогреватель 10. Далее сетевую воду направляют в подающий трубопровод 12 сетевой воды.

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 теплообменник-охладитель 14 сетевой воды, который устанавливают на обратном трубопроводе 13 сетевой воды, и дополнительно осуществляют утилизацию низкопотенциальной теплоты обратной сетевой воды, при этом утилизацию сбросной низкопотенциальной тепловой энергии отработавшего в турбине 1 пара и утилизацию низкопотенциальной теплоты обратной сетевой воды 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 и испаряют в конденсаторе 2 паровой турбины, нагревают в теплообменнике-охладителе 14 сетевой воды, расширяют в турбодетандере 6 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 углекислый газ СО₂.

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 углекислый газ СО₂). 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 избыточной низкопотенциальной тепловой энергии обратной сетевой воды 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) и утилизацию избыточной низкопотенциальной теплоты обратной сетевой воды осуществляют путем последовательного нагрева, соответственно, в конденсаторе 2 паровой турбины 1 и теплообменнике-охладителе 14 сетевой воды, низкокипящего рабочего тела (сжиженного углекислого газа СО₂) теплового двигателя 5 с замкнутым контуром циркуляции, работающего по органическому циклу Ренкина.

Весь процесс начинается с сжатия в конденсатном насосе 9 сжиженного углекислого газа СО₂, который направляют на нагрев и испарение в конденсатор 2 паровой турбины, куда поступает отработавший в турбине 1 пар.

Температура кипения сжиженного углекислого газа СО₂ сравнительна низка (292,26 К при давлении 5,61МПа), поэтому в конденсаторе 2 паровой турбины он быстро испаряется и переходит в газообразное состояние, далее его направляют на перегрев в теплообменник-охладитель 14 сетевой воды. Температура обратной сетевой воды может варьироваться в интервале от 313,15 К до 343,15 К.

В теплообменнике-охладителе 14 сетевой воды в процессе теплообмена обратной сетевой воды с углекислым газом СО₂ происходит перегрев углекислого газа СО₂ до сверхкритической температуры. После теплообменника-охладителя 14 сетевой воды перегретый углекислый газ СО₂, имеющий температуру от 308,15 К до 323,15 К, направляют в турбодетандер 6.

Процесс настроен таким образом, что в турбодетандере 6 не происходит конденсации углекислого газа СО₂ в ходе срабатывания теплоперепада. Мощность турбодетандера 6 передается соединенному на одном валу электрогенератору 7. На выходе из турбодетандера 6 углекислый газ СО₂ имеет температуру около 288 К с влажностью, не превышающей 12%.

Далее при снижении температуры углекислого газа СО₂ 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 углекислый газ СО₂ направляют для сжатия в конденсатный насос 9 теплового двигателя.

Далее органический цикл Ренкина на основе низкокипящего рабочего тела повторяется.

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

Изобретение относится к области энергетики. В способе работы тепловой электрической станции осуществляют утилизацию низкопотенциальной теплоты обратной сетевой воды, при этом утилизацию сбросной низкопотенциальной тепловой энергии отработавшего в турбине пара и утилизацию низкопотенциальной теплоты обратной сетевой воды осуществляют при помощи теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции, работающего по органическому циклу Ренкина, в котором в качестве охлаждающей жидкости используют низкокипящее рабочее тело. Изобретение позволяет обеспечить повышение коэффициента полезного действия тепловой электрической станции, повышение ресурса и надежности работы конденсатора паровой турбины и снижение тепловых выбросов в окружающую среду. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ работы тепловой электрической станции, по которому 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, отличающийся тем, что в тепловой электрической станции используют теплообменник-охладитель сетевой воды, который устанавливают на обратном трубопроводе сетевой воды, и дополнительно осуществляют утилизацию низкопотенциальной теплоты обратной сетевой воды, при этом утилизацию сбросной низкопотенциальной тепловой энергии отработавшего в турбине пара и утилизацию низкопотенциальной теплоты обратной сетевой воды 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, испаряют в конденсаторе паровой турбины, перегревают в теплообменнике-охладителе сетевой воды, расширяют в турбодетандере теплового двигателя и конденсируют в теплообменнике-конденсаторе теплового двигателя.

2. Способ работы тепловой электрической станции 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 работы тепловой электрической станции по п. 1, отличающийся тем, что в качестве низкокипящего рабочего тела используют сжиженный углекислый газ СО₂.