Теплофикационная парогазовая энергетическая установка с аккумулированием энергии Российский патент 2022 года по МПК F01K17/02 F02C6/18 

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано при разработке отопительных парогазовых энергетических установок для теплоцентрали (ПГУ-ТЭЦ).

Известна теплофикационная парогазовая энергетическая установка (Патент РФ №2600666, МПК F01K 23/00, опубл. 27.10.2016), содержащая компрессор, камеру сгорания, газовую турбину, котел - утилизатор, газосетевой подогреватель, имеющие между собой газовую связь, теплофикационную паровую турбину, сетевые подогреватели, конденсатор, конденсатный насос, электрогенератор, подключенный к компрессору, электрогенератор, подключенный к паровой турбине.

Недостатком настоящего технического решения является низкая эффективность и малый диапазон изменения нагрузки.

Известна комбинированная парогазовая энергетическая установка (Патент РФ №2050443; МПК F01K 21/04, F01K 13/00; опубл. 20.12.1995), содержащая полузамкнутый контур с последовательно размещенными в нем компрессором, камерой сгорания, турбиной, разделителем потока, смесителем, термохимическим реактором и теплообменником-утилизатором. Контур содержит также теплообменник-регенератор, имеющий теплообменные поверхности для подогрева кислорода, поступающего в камеру сгорания, и метана, поступающего в смеситель. Установка содержит также замкнутый паросиловый контур, подсоединенный к полузамкнутому контуру посредством теплообменника-утилизатора и включающий последовательно соединенные паровую турбину, конденсатор и водяной насос.

Недостатком настоящего технического решения является малый диапазон изменения нагрузки.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является теплофикационная парогазовая установка с двухконтурным паровым котлом-утилизатором, вырабатывающим пар за счет охлаждения продуктов сгорания, выходящих из газовой турбины (Жуков В.В. Электрическая часть электростанций с газотурбинными и парогазовыми установками. М.: Издательство МЭИ, 2015, стр. 62). Она содержит компрессор, камеру сгорания, газовую турбину. К выходу газовой турбины подключен паровой двухконтурный котел-утилизатор, вырабатывающий пар для паровой турбины. Сетевые подогреватели присоединены к паровой турбине, питательные насосы высокого и низкого давлений соединенные с входом котла-утилизатора. Компрессор газотурбинной установки соединен с газовой турбиной.

Недостатком теплофикационной парогазовой установки является малый диапазон изменения нагрузки.

Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в расширении регулировочного диапазона за счет аккумулирования энергии в форме синтетического газа.

Технический результат заключается в увеличении маневренности энергетической установки.

Это достигается тем, что предлагаемая теплофикационная парогазовая энергетическая установка с аккумулированием энергии, содержащая соединенные последовательно воздушный компрессор, камеру сгорания, газовую турбину и двухконтурный котел-утилизатор, содержащий горячий газовый и холодный водяной контуры теплоносителя, электрогенератор, механически соединенный с воздушным компрессором, последовательно соединенные паровую турбину с цилиндрами высокого и низкого давления, конденсатор и конденсатный насос, выход которого соединен с входом питательного насоса, электрогенератор, расположенный на одном валу с паровой турбиной, сетевой подогреватель, содержащий холодный водяной и горячий паровой контуры теплоносителя, и соединенный с ним конденсатный насос сетевого подогревателя, выход которого также соединен с входом питательного насоса, выход которого соединен с входом холодного водяного контура теплоносителя двухконтурного котла-утилизатора, первый и второй выходы которого соединены с цилиндрами паровой турбины высокого и низкого давления, другой выход цилиндра паровой турбины низкого давления соединен с горячим паровым контуром сетевого подогревателя, согласно изобретению, снабжена паропреобразователем, содержащим собственные горячий и холодный контуры, установкой паровой конверсии метана, сетевым подогревателем конверсии, пиковой газотурбинной установкой, газоводяным подогревателем сетевой воды, хранилищем синтез-газа, при этом вход горячего контура теплоносителя паропреобразователя присоединен к первому выходу холодного водяного контура теплоносителя двухконтурного котла-утилизатора, а его выход к входу питательного насоса, при этом выход холодного контура теплоносителя паропреобразователя соединен с входом установки паровой конверсии метана, выход которой соединен с входом хранилища синтез-газа, а другой выход установки паровой конверсии метана соединен с входом горячего контура теплоносителя двухконтурного котла-утилизатора, кроме того еще один выход установки паровой конверсии метана соединен с входом горячего контура сетевого подогревателя конверсии, выход которого соединен с входом установки паровой конверсии метана, а еще один выход установки паровой конверсии метана соединен с входом питательного насоса, при этом вход холодного контура теплоносителя сетевого подогревателя конверсии соединен с выходом холодного контура теплоносителя сетевого подогревателя, а выход холодного контура теплоносителя сетевого подогревателя конверсии соединен с входом холодного контура теплоносителя газоводяного подогревателя сетевой воды, при этом выход хранилища синтез-газа соединен с входом камеры сгорания, другой выход последовательно соединен с пиковой газотурбинной установкой и горячим газовым контуром газоводяного подогревателя сетевой воды, а еще одни выход хранилища синтез-газа соединен с входом питательного насоса.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена принципиальная тепловая схема теплофикационной парогазовой энергетической установки с аккумулированием энергии.

Теплофикационная парогазовая энергетическая установка с аккумулированием энергии содержит воздушный компрессор 1, камеру сгорания 2, газовую турбину 3, электрогенератор 4, двухконтурный котел-утилизатор 5, содержащий горячий газовый контур теплоносителя 6 и холодный водяной контур теплоносителя 7, цилиндр паровой турбины высокого давления 8, цилиндр паровой турбины низкого давления 9, электрогенератор 10, сетевой подогреватель 11, содержащий холодной водяной контур теплоносителя 12 и горячий паровой контур теплоносителя 13, конденсатный насос сетевого подогревателя 14, конденсатор 15, конденсатный насос 16, питательный насос 17, паропреобразователь 18, содержащий горячий водяной контур теплоносителя 19 и холодный водяной контур теплоносителя 20, установку паровой конверсии метана 21, сетевой подогреватель конверсии 22, содержащий холодный водяной контур теплоносителя 23 и горячий водный контур теплоносителя 24, хранилище синтез-газа 25, пиковую газотурбинную установку 26, газоводяной подогреватель сетевой воды 27, содержащий горячий газовый контур 28 и холодный водяной контур 29.

Вход воздушного компрессора 1 выполнен с возможностью подачи атмосферного воздуха, а выход воздушного компрессора 1 соединен с первым входом камеры сгорания 2, второй вход которой выполнен с возможностью подачи природного газа и синтез-газа. Выход камеры сгорания 2 соединен с входом газовой турбины 3, выход которой соединен с входом горячего контура теплоносителя 6 двухконтурного котла-утилизатора 5, рабочим телом горячего контура которого являются отработавшие продукты сгорания, уходящие в атмосферу. Первый выход холодного контура высокого давления теплоносителя 7 двухконтурного котла-утилизатора 5 соединен с входом цилиндра паровой турбины высокого давления 8, выход которого соединен с входом цилиндра паровой турбины низкого давления 9, вход цилиндра паровой турбины низкого давления 9 также соединен со вторым выходом холодного контура теплоносителя низкого давления 7 двухконтурного котла-утилизатора 5. Первый выход цилиндра паровой турбины низкого давления 9 соединен с входом горячего контура теплоносителя 13 сетевого подогревателя 11. Второй выход цилиндра паровой турбины низкого давления 9 последовательно соединен с конденсатором 15 и конденсатным насосом 16, выход которого соединен с входом питательного насоса 17. Выход горячего контура теплоносителя 13 сетевого подогревателя 11 соединен с входом конденсатного насоса сетевого подогревателя 14, выход которого также соединен с входом питательного насоса 17, выход которого соединен с входом холодного контура высокого давления теплоносителя 7 двухконтурного котла-утилизатора 5. Первый выход холодного контура высокого давления теплоносителя 7 двухконтурного котла-утилизатора 5 соединен также с входом горячего контура теплоносителя 19 паропреобразователя 18, выход которого соединен с входом питательного насоса 17. Вход холодного контура теплоносителя 20 паропреобразователя 18 выполнен с возможностью подачи воды, а выход соединен с первым входом установки паровой конверсии метана 21. Второй вход установки паровой конверсии метана 21 выполнен с возможностью подачи природного газа, третий вход установки паровой конверсии метана 21 выполнен с возможностью подачи атмосферного воздуха. Первый выход установки паровой конверсии метана 21 соединен с входом горячего контура теплоносителя 24 сетевого подогревателя конверсии 23, выход которого соединен с четвертым входом установки паровой конверсии метана 21 для охлаждающей воды. Вход контура холодного теплоносителя 23 сетевого подогревателя конверсии 22, соединен с выходом контура холодного теплоносителя 12 сетевого подогревателя 11. Второй выход установки паровой конверсии метана 21, который служит для отвода конденсата, соединен с входом питательного насоса 17. Третий выход установки паровой конверсии метана 21 соединен с входом хранилища синтез-газа 25, первый выход которого соединен с входом питательного насоса 17. Четвертый выход установки паровой конверсии метана 21 соединен с входом горячего контура теплоносителя 6 двухконтурного котла-утилизатора 5. Второй выход хранилища синтез-газа 25 соединен с входом пиковой газотурбинной установки 26. Третий выход хранилища синтез-газа 25 соединен с третьим входом камеры сгорания 2. Выход пиковой газотурбинной установки 26 соединен с входом контура горячего теплоносителя 28 газоводяного подогревателя сетевой воды 27, выход которого выполнен с возможностью выброса уходящих газов атмосферу. Вход холодного контура теплоносителя 29 газоводяного сетевого подогревателя 27 соединен с выходом холодного контура теплоносителя 23 сетевого подогревателя конверсии 22. Выход холодного контура теплоносителя 29 газоводяного сетевого подогревателя 27 выполнен с возможностью подачи тепла потребителю. Электрогенератор 4 механически соединен с воздушным компрессором 1. Электрогенератор 10 механически связан с цилиндрами 8 и 9 паровой турбины.

Теплофикационная парогазовая энергетическая установка с аккумулированием энергии работает следующим образом.

На вход воздушного компрессора 1 подают атмосферный воздух, который после сжатия с выхода воздушного компрессора 1, который с помощью механической связи передает мощность электрогенератору 4, направляют на первый вход камеры сгорания 2. После сгорания горячей смеси и выработки полезной работы в газовой турбине 3, горячие газообразные продукты сгорания направляют на вход горячего контура теплоносителя 6 двухконтурного котла-утилизатора 5, где они передают теплоту воде, поступающей на вход холодного контура теплоносителя 7 двухконтурного котла-утилизатора 5 после питательного насоса 17. На первом выходе из холодного контура теплоносителя 7 двухконтурного котла утилизатора 5 пар высокого давления поступает на вход цилиндра паровой турбины высокого давления 8. После выработки полезной работы в цилиндре паровой турбины высокого давления 8 пар поступает на вход цилиндра паровой турбины низкого давления 9, который передает мощность электрогенератору 10 через механическую связь. На вход паровой турбины низкого давления 9 также подается пар низкого давления из второго выхода холодного контура теплоносителя 7 двухконтурного котла-утилизатора 5. После частичной выработки полезной работы в паровой турбине низкого давления 9 часть пара подается через первый выход паровой турбины низкого давления 9 на вход горячего контура теплоносителя 13 сетевого подогревателя 11, где это пар конденсируется и отдает теплоту сетевой воде, которая подается на вход холодного контура теплоносителя 12 сетевого подогревателя 11. Конденсат из горячего контура теплоносителя 13 сетевого подогревателя 11 подается конденсатным насосом сетевого подогревателя 14 на вход питательного насоса 17. Пар, полностью выработавший полезную работу в цилиндре паровой турбины низкого давления 9, направляется из второго выхода цилиндра паровой турбины низкого давления 9 на вход конденсатора 15. Из конденсатора 15 вода конденсатным насосом 16 подается на вход питательного насоса 17.

При работе теплофикационной парогазовой установки с системой аккумулирования энергии во время провала нагрузки энергосистемы ночью используется система аккумулирования. Часть пара высокого давления из первого выхода холодного контура теплоносителя 7 двухконтурного котла-утилизатора 5 поступает на вход горячего контура теплоносителя 19 паропреобразователя 18, где нагревает до состояния перегретого пара воду в холодном контуре теплоносителя 20 паропреобразователя 18. Полученный на выходе из холодного контура теплоносителя 20 паропреобразователя 18 пар поступает на первый вход установки паровой конверсии метана 21. На второй вход установки паровой конверсии метана 21 поступает природный газ, а на третий поступает атмосферный воздух. В результате химических реакция в установке паровой конверсии метана 21 образуется тепло, которое отводится водой через первый выход установки паровой конверсии метана 21, конденсат, который отводится через второй выход установки паровой конверсии метана 21, синтез-газ, который отводится через третий выход установки паровой конверсии метана 21, и продукты сгорания, которые отводятся через четвертый выход установки паровой конверсии метана 21. Нагретая вода поступает с первого выхода установки паровой конверсии метана 21 в контур горячего теплоносителя 24 сетевого подогревателя конверсии 22, где отдает тепло сетевой воде, проходящей по холодному контуру теплоносителя 23 сетевого подогревателя конверсии 22. Конденсат из второго выхода установки паровой конверсии метана 21 поступает на вход питательного насоса 17. Так как теплота для нагрева сетевой воды поступает от установки паровой конверсии метана 21, пар из первого выхода цилиндра паровой турбины низкого давления 9 не подается на сетевой подогреватель 11, а полностью вырабатывает полезную мощность и поступает через второй выход паровой турбины низкого давления 9 на вход конденсатора 15. Из третьего выхода установки паровой конверсии метана 21 синтез-газ поступает на вход хранилища синтез-газа 25, где хранится до востребования. Так как в процессе хранения синтез-газ охлаждается, конденсат из хранилища синтез-газа 25 отводится через первый выход на вход питательного насоса 17.

При работе теплофикационной парогазовой установки с системой аккумулирования энергии во время пика нагрузки энергосистемы часть синтез-газа из хранилища синтез-газа 25 поступает через третий выход на третий вход камеры сгорания 2. Остальной синтез-газ из хранилища синтез-газа 25 поступает через второй выход на вход пиковой газотурбинной установки 26. Уходящие газы пиковой газотурбинной установки 26 поступают в горячий контур теплоносителя 28 газоводяного сетевого подогревателя 27, где отдают тепло сетевой воде, проходящей в холодном контуре 29 газоводяного сетевого подогревателя 27. Так сетевая вода нагревается в газоводяном сетевом подогревателе, пар из первого выхода цилиндра паровой турбины низкого давления 9 не подается на сетевой подогреватель 11, а полностью вырабатывает полезную мощность и поступает через выход 2 паровой турбины низкого давления 9 на вход конденсатора.

По результатам математического моделирования тепловой схемы теплофикационной парогазовой энергетической установки с аккумулированием энергии установлено, что снижение мощности паровой турбины за счет отбора пара на установку паровой конверсии метана 21 в режиме аккумулирования энергии во время провала электрической нагрузки энергосистемы составило 25% по сравнению с прототипом без системы аккумулирования. В то же время отпускаемая мощность теплофикационной парогазовой энергетической установки с аккумулированием энергии в режиме выработки пиковой нагрузки за счет использования саккумулированного синтез-газа увеличилась на 23% по сравнению с прототипом, что позволяет иметь большую маржинальную прибыль при работе в режимах провала и пика нагрузки энергосистемы на 2,6% по сравнению с прототипом без аккумулирования.

Использование изобретения позволяет расширить регулировочный диапазон и увеличить маневренность энергетической установки за счет внедрения паропреобразователя, установки паровой конверсии метана и пиковой газотурбинной установки.

Изобретение может быть использовано в отопительных парогазовых энергетических установках для теплоцентралей. Теплофикационная парогазовая энергетическая установка с аккумулированием энергии содержит соединенные последовательно воздушный компрессор (1), камеру (2) сгорания, газовую турбину (3), двухконтурный котел-утилизатор (5), электрогенератор (4), паровую турбину с цилиндрами высокого и низкого давления (8) и (9), конденсатор (15) и конденсатный насос (16). Двухконтурный котел-утилизатор (5) содержит горячий газовый и холодный водяной контуры (6) и (7) теплоносителя. Электрогенератор (4) механически соединен с воздушным компрессором (1). Выход конденсатного насоса (16) соединен с входом питательного насоса (17). Электрогенератор (10) расположен на одном валу с паровой турбиной. Имеется сетевой подогреватель (11), содержащий холодный водяной и горячий паровой контуры (12) и (13) теплоносителя и соединенный с ним конденсатный насос (14) сетевого подогревателя, выход которого также соединен с входом питательного насоса (17). Выход питательного насоса (17) соединен с входом холодного водяного контура (7) теплоносителя двухконтурного котла-утилизатора (5). Первый и второй выходы котла-утилизатора (5) соединены с цилиндрами (8) и (9) паровой турбины высокого и низкого давления. Другой выход цилиндра (9) паровой турбины низкого давления соединен с входом горячего парового контура (13) сетевого подогревателя (11). Установка снабжена паропреобразователем (18), содержащим собственные горячий и холодный контуры (19) и (20), установкой (21) паровой конверсии метана, сетевым подогревателем (22) конверсии, пиковой газотурбинной установкой (26), газоводяным подогревателем (27) сетевой воды и хранилищем (25) синтез-газа. Вход горячего контура (19) теплоносителя паропреобразователя (18) присоединен к первому выходу холодного водяного контура (7) теплоносителя двухконтурного котла-утилизатора, а его выход - к входу питательного насоса (17). Выход холодного контура (20) теплоносителя паропреобразователя (18) соединен с входом установки (21) паровой конверсии метана, выход которой соединен с входом хранилища (25) синтез-газа. Другой выход установки (21) паровой конверсии метана соединен с входом горячего контура (6) теплоносителя двухконтурного котла-утилизатора (5). Еще один выход установки (21) паровой конверсии метана соединен с входом горячего контура (24) сетевого подогревателя (22) конверсии, выход которого соединен с входом установки (21) паровой конверсии метана, а еще один выход установки паровой конверсии метана соединен с входом питательного насоса (17). Вход холодного контура (23) теплоносителя сетевого подогревателя (22) конверсии соединен с выходом холодного контура (12) теплоносителя сетевого подогревателя (11). Выход холодного контура теплоносителя сетевого подогревателя (22) конверсии соединен с входом холодного контура (29) теплоносителя газоводяного подогревателя (27) сетевой воды. Выход хранилища (25) синтез-газа соединен с входом камеры (2) сгорания, другой выход последовательно соединен с пиковой газотурбинной установкой (26) и горячим газовым контуром (28) газоводяного подогревателя (27) сетевой воды. Еще один выход хранилища (25) синтез-газа соединен с входом питательного насоса (17). Технический результат заключается в увеличении маневренности энергетической установки. 1 ил.

Теплофикационная парогазовая энергетическая установка с аккумулированием энергии, содержащая соединенные последовательно воздушный компрессор, камеру сгорания, газовую турбину и двухконтурный котел-утилизатор, содержащий горячий газовый и холодный водяной контуры теплоносителя, электрогенератор, механически соединенный с воздушным компрессором, последовательно соединенные паровую турбину с цилиндрами высокого и низкого давления, конденсатор и конденсатный насос, выход которого соединен с входом питательного насоса, электрогенератор, расположенный на одном валу с паровой турбиной, сетевой подогреватель, содержащий холодный водяной и горячий паровой контуры теплоносителя, и соединенный с ним конденсатный насос сетевого подогревателя, выход которого также соединен с входом питательного насоса, выход которого соединен с входом холодного водяного контура теплоносителя двухконтурного котла-утилизатора, первый и второй выходы которого соединены с цилиндрами паровой турбины высокого и низкого давления, другой выход цилиндра паровой турбины низкого давления соединен с входом горячего парового контура сетевого подогревателя, отличающаяся тем, что снабжена паропреобразователем, содержащим собственные горячий и холодный контуры, установкой паровой конверсии метана, сетевым подогревателем конверсии, пиковой газотурбинной установкой, газоводяным подогревателем сетевой воды, хранилищем синтез-газа, при этом вход горячего контура теплоносителя паропреобразователя присоединен к первому выходу холодного водяного контура теплоносителя двухконтурного котла-утилизатора, а его выход к входу питательного насоса, при этом выход холодного контура теплоносителя паропреобразователя соединен с входом установки паровой конверсии метана, выход которой соединен с входом хранилища синтез-газа, а другой выход установки паровой конверсии метана соединен с входом горячего контура теплоносителя двухконтурного котла-утилизатора, кроме того, еще один выход установки паровой конверсии метана соединен с входом горячего контура сетевого подогревателя конверсии, выход которого соединен с входом установки паровой конверсии метана, а еще один выход установки паровой конверсии метана соединен с входом питательного насоса, при этом вход холодного контура теплоносителя сетевого подогревателя конверсии соединен с выходом холодного контура теплоносителя сетевого подогревателя, а выход холодного контура теплоносителя сетевого подогревателя конверсии соединен с входом холодного контура теплоносителя газоводяного подогревателя сетевой воды, при этом выход хранилища синтез-газа соединен с входом камеры сгорания, другой выход последовательно соединен с пиковой газотурбинной установкой и горячим газовым контуром газоводяного подогревателя сетевой воды, а еще один выход хранилища синтез-газа соединен с входом питательного насоса.