Паропаровая энергетическая установка со сдвоенным циклом Зарянкина Российский патент 2022 года по МПК F01K23/10 F22G5/00 

Изобретение относится к области теплоэнергетики и предназначено для использования в паротурбинных энергетических установках без термодинамических ограничений на начальные параметры пара перед турбиной с целью увеличения их КПД до значений лучших современных парогазовых установок.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В период с конца XX и начала XXI веков в области теплоэнергетики начался и происходит по настоящий момент процесс интенсивного развития высокотемпературных технологий производства электроэнергии.

Первенство в этой области безусловно принадлежит высокотемпературным газовым турбинам, где начальные температуры газов давно превысили рубеж в 1000°С и достигли уровня в 1300-1500-1700°С. При этом созданные на основе указанных турбин парогазовые установки достигли КПД, составляющих 60-62%.

В паротурбинных блоках процесс повышения экономичности оказался более скромным, и их предельный КПД колеблется в пределах 46-48% при начальной температуре пара 540-650°С.

Прямое сравнение экономичности парогазовых и паротурбинных установок нельзя считать корректным в силу того, что они работают в принципиально разных диапазонах начальных и конечных параметров рабочих сред. При этом следует обратить внимание на то, что экономические преимущества высокотемпературных технологий производства электроэнергии достигаются не за счет использования основных циклов, а за счет их комбинаций с менее температуронагруженными циклами.

Так, при попытках выработки электроэнергии на основе магнитогидродинамических (МГД) генераторов с начальной температурой теплоносителя 2000-3000°С их высочайшая экономичность достигалась в результате присоединения к ним утилизационных паротурбинных блоков.

Примером эффективности использования подобных гибридных энергетических установок являются современные парогазовые установки, где основной частью, на базе которой функционирует весь комплекс, является высокотемпературная газовая турбина, а паротурбинный блок выполняет функцию утилизации тепловой энергии газа, покидающего газовую турбину.

Экономичность газовых турбин, как и паротурбинных блоков, работающих с противодавлением без конденсации рабочей среды, непрерывно растет с повышением начальной температуры этих сред. Однако, их КПД в силу одновременного увеличения температур рабочих сред, покидающих указанные установки, достаточно низки. Соответственно, в этом случае единственным способом резкого увеличения экономичности является эффективная утилизация теплоты сред, покидающих паровые или газовые турбины. Именно такая утилизация и происходит в газовых турбинах при использовании теплоты отработавших высокотемпературных газов для генерации пара в котлах-утилизаторах паротурбинных блоков.

В таком комбинированном цикле, по сравнению с чисто газотурбинным циклом, резко снижается температура уходящих газов и происходит увеличение КПД таких установок до указанного выше уровня (Основы современной энергетики. Современные теплоэнергетика. Под редакцией профессора А.Д. Трухния М. Издательский дом МЭИ 2016 г.).

В конденсационных турбинах ситуация другая, так как температура уходящего теплоносителя (воды) оказывается фиксированной (28-40°С), зависящей от давления Р_к в конденсаторе и совершенно не зависящая от начальной температуры пара перед паровой турбиной.

В силу этого термодинамическая эффективность конденсационного цикла Ренкина с ростом начальной температуры пара нарастает существенно интенсивнее, чем в газовых турбинах, работающих по классическому циклу Брайтона. В силу сказанного, при одинаковых начальных температурах теплоносителей конденсационные паротурбинные блоки по экономичности безусловно превосходят не только чисто газотурбинные блоки, но и парогазовые установки в силу существенно более низких температур теплоносителя, покидающего силовую турбину.

Однако, достичь такого превосходства над современными парогазовыми установками, работающими при температурах газа перед газовой турбиной на уровне 1300-1700°С, при использовании чисто конденсационного цикла Ренкина принципиально нельзя, так как в этом цикле существует некоторый предельный уровень начальных температур, зависящий от начального давления пара, КПД турбины и давления в конденсаторе, превышение которого приводит к выходу из последней ступени конденсационной турбины перегретого пара без совершения полезной работы.

Классический цикл Ренкина. В энергетическом котле за счет теплоты сгорания газового или органического топлива генерируется пар высокого давления (в современных российских турбинах это 12,8-23,8 МПа) при температурах 540-580°С, который далее поступает в цилиндр высокого давления паровой турбины и далее последовательно в цилиндр среднего давления и в цилиндр низкого давления. Мощность, развиваемая паровой турбиной, используется для привода генератора.

Как было отмечено выше, основной причиной, ограничивающей экономически оправданный уровень повышения начальных температур пара в конденсационном цикле Ренкина, является избыточный перегрев пара в парогенераторе, который не может быть использован в проточной части паровой турбины. В этом случае, однако, можно использовать парогазовые технологии, где избыточная тепловая энергия газов, покидающая турбину и не совершающая полезную работу, с успехом используется в присоединенной утилизационной турбине, работающей по конденсационному циклу Ренкина. В парогазовых установках высокотемпературный газ, покидающий газовую турбину и имеющий температуру 550-620°C, является греющим агентом для присоединенного к газотурбинной установке котла-утилизатора, где генерируется пар высокого давления.

Проблема всех современных энергетических паротурбинных установок состоит в том, что при повышении начальной температуры пара свыше 700-820°C при начальном давлении пара, равным 24-35 МПа, из последней ступени конденсационной турбины выходит перегретый пар и дальнейшее повышении начальной температуры пара ведет не к повышению, а к снижению КПД паротурбинного цикла, поскольку при дальнейшем повышении начальной температуры пара избыточная тепловая энергия перегретого пара, покидающего последнюю ступень конденсационной турбины, повышает суммарный расход теплоты без производства полезной работы. Таким образом при настоящем уровне технике с термодинамической точки зрения, экономически будет оправданно, что начальная температура пара в паротурбинных блоках, работающих по циклу Ренкина, не должна превышать 700-750°C.

Таким образом, можно констатировать, что в термодинамическом плане современное паротурбостроение, основанное на классическом цикле Ренкина, почти исчерпало возможные резервы повышения термодинамического КПД указанных энергетических установок за счет повышения начальных температур пара.

В этой связи весьма актуальным становится поиск принципиально новых технических решений, способных увеличивать КПД паротурбинных блоков, в том числе при начальных температурах пара перед паровыми турбинами более 1200°C.

С этой целью А.Е. Зарянкин разработал высокотемпературные сдвоенные паропаровые термодинамические циклы. Именно эта задача решена в патенте №2743868 (Зарянкин А.Е. «Паропаровая энергетическая установка», опубликован 01.03.2021), который принимается за ближайший аналог для предлагаемой паропаровой конденсационной энергетической установки.

В данном патенте раскрыта паропаровая энергетическая установка, которая состоит из двух блоков, основного энергетического паротурбинного блока I, работающего при стандартных сверхкритических параметрах пара (давление 23,8 МПа, температура 540°C), и присоединенного к нему через внешний пароперегреватель дополнительного паротурбинного блока II, работающего при суперсверхкритических начальных параметрах пара (давление 30 МПа, температура 650°C). Основной блок I содержит энергетический котел, а дополнительный присоединенный блок содержит котел-утилизатор (по сути, представляющий собой котел-теплообменник, аналог котла-утилизатора в парогазовом цикле), генерирующий пар суперкритических параметров (давление 30 МПа, температура 650°C) на основе теплоты сгорания водородного топлива во внешнем пароперегревателе, подведенной к пару, покидающему цилиндр среднего давления основного энергетического паротурбинного блока I. Этот пар, отработавший в котле-утилизаторе и, соответственно, охлажденный до температуры, соответствующей стандартной температуре на входе в цилиндр низкого давления основного блока I, поступает далее в цилиндр низкого давления турбины основного блока I.

Техническим результатом изобретения по рассматриваемому патенту является создание нового высокотемпературного 6лока II, присоединенного к стандартному блоку I и работающего на паре суперсверхкритических параметров, генерированным в котле-утилизаторе теплотой высокотемпературного пара (to ≈ 670-680°C - температура перегретого пара после внешнего пароперегревателя) при его давлении P_o ≈ 0,3 МПа, характерном для давления пара за цилиндром среднего давления стандартной турбины первого блока.

Основные технические характеристики рассматриваемой установки в случае использования во внешнем пароперегревателе водородного топлива при использовании в качестве основного блока - стандартного блока К-800-240ЛМЗ приведены в Таблице 1 патента №2743868. По результатам расчетов электрическая мощность присоединенного блока составила 248,3 МВт, а дополнительная мощность за счет сжигания водородного топлива составила 2 МВт. Абсолютный электрический КПД «брутто» энергоустановки составил 48,6%. При этом КПД присоединенного дополнительного блока II составил 50,3%.

Следует отметить, что при всех преимуществах известной паропаровой энергетической установки, она не решает центральной проблемы - проблемы создания паротурбинных блоков с ультрасверхкритическими параметрами пара, в частности с начальными температурами пара, соизмеримыми с начальными температурами газа перед энергетическими газовыми турбинами (1200÷700°C).

Цель изобретения состоит в разработке установки, способной работать при начальных температурах пара более 1200°C, в том числе, характерных для лучших парогазовых установок (1200-1700°C), с КПД, превышающим КПД парогазовых установок при равных с ними начальными температурами теплоносителей.

Для решения обозначенной проблемы предлагается принципиально новая паротурбинная установка, позволяющая реализовать термодинамический цикл при начальных температурах водяного пара выше 1200°C при его использовании в конденсационных турбинах.

В описанном выше цикле А.Е. Зарянкина существующий в настоящее время температурный порог (750-800°C) в паротурбинном конденсационном цикле Ренкина преодолевается путем утилизации избыточной теплоты, подведенной к пару с давлением пара (выше 30 МПа) в отдельном пароперегревателе, в специальном утилизационном котле-утилизаторе, на базе которого и работает присоединенный паротурбинный блок со сверхкритическими параметрами пара.

Принципиальное отличие предлагаемого решения от рассмотренного выше, изложенного в патенте №2743868, состоит в том, что избыточная теплота в цикл подводится не к пару низкого давления (P ≈ 0,3 МПа), что не меняет температурного диапазона цикла (750±30°C), а к пару ультрасверхвысокого давления, что позволяет в два раза увеличить температурный диапазон предлагаемого цикла (от 800±30°C) и, соответственно, увеличить его КПД до 62-68%.

Поскольку на данном этапе развития промышленности материалы для основной высокотемпературной турбины рассматриваемого цикла обладают высокой стоимостью, для реализации цикла предусмотрена открытая система охлаждения цилиндров высокого и среднего давлений. В качестве охлаждающего агента используется пар, который дополнительно вырабатывается в энергетическом котле с параметрами 35 МПа и 540-560°C. Ожидаемый результат такого решения состоит в достижении КПД паротурбинных энергоблоков на уровне современных трехконтурных парогазовых установок. При этом в отличие от парогазовых установок, для работы которых необходим природный газ, работа предлагаемой установки не зависит от вида топлива, используемого на станции.

Повышение эффективности энергетических установок определяется не только повышением КПД за счет увеличения начальных температур перед турбиной, но и снижением выбросов парниковых газов. Единственным способом повысить эффективность паротурбинных блоков, и при этом снизить удельную экологическую нагрузку на окружающую среду, является предлагаемая паропаровая конденсационная энергетическая установка с термодинамическими циклами Зарянкина (сдвоенный цикл) с ультрасверхкритическими параметрами пара.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Техническим результатом, которого позволяет достичь предлагаемое изобретение, является:

- создание паропаровой конденсационной энергетической установки с ультрасверхкритическими параметрами пара,

- увеличение экономичности выработки электроэнергии на базе паротурбинных циклов за счет повышения начальной температуры пара выше 1200°C,

- снижение удельной экологической нагрузки на окружающую среду. Отмеченные технические результаты достигаются предлагаемой паропаровой конденсационной энергетической установкой со сдвоенным термодинамическим циклом Зарянкина, которая представляет собой паротурбинную энергетическую установку, состоящую из двух паротурбинных блоков, основного паротурбинного блока I и утилизационного паротурбинного блока II, каждый из которых содержит котел, трехцилиндровую паровую турбину, включающую цилиндры высокого, среднего и низкого давлений, электрогенератор, конденсатор, деаэратор, конденсатный насос, питательный насос, регенеративные подогреватели низкого давления и регенеративные подогреватели высокого давления, при этом в качестве котла блок I содержит энергетический котел, а блок II содержит утилизационный котел-теплообменник, блок I также содержит внешний высокотемпературный пароперегреватель, выполненный с возможностью перегрева пара, при этом греющей средой в нем является пар, образующийся при сгорании водородного топлива в кислородной атмосфере при давлении, превышающем давление пара за цилиндром среднего давления на величину гидравлического сопротивления пара от внешнего высокотемпературного пароперегревателя до выходного патрубка цилиндра среднего давления основной турбины блока I, при этом после цилиндра среднего давления блока I пар при температуре 580-650°C направляется в утилизационный котел-теплообменник блока II, обеспечивая его функционирование и утилизацию избыточной теплоты в трехцилиндровой турбине блока II, связанной с генератором блока II, а охлажденный при этом в утилизационном котле-теплообменнике до температуры 280-300°C пар направляется в цилиндр низкого давления основной турбины блока I, связанной с генератором блока I, продолжая вырабатывать энергию в цилиндре низкого давления блока I.

Пар во внешнем высокотемпературном пароперегревателе дополнительно перегревается до температуры 1200-1700°C.

Блок I содержит регулятор температуры пара, идущего на охлаждение высокотемпературных ступеней цилиндра высокого давления и цилиндра среднего давления основной турбины блока I, через который также выводится избыточный конденсат, который образуется при сгорании водорода во внешнем высокотемпературном пароперегревателе блока I.

Пар, идущий на охлаждение высокотемпературных цилиндров основного блока I, активно используется в ступенях, следующих за охлаждаемой ступенью, для выработки дополнительной мощности турбины основного блока I.

Утилизация избыточной теплоты осуществляется при давлении 0,25-0,3 МПа.

Перегретый до температуры 580-650°C пар является греющим агентом в утилизационном котле-теплообменнике.

Абсолютный электрический КПД установки составляет 62-68 %.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На Фиг. 1 показана тепловая схема паропаровой конденсационной энергетической установки.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Предложена паропаровая конденсационная энергетическая установка со сдвоенным термодинамическим циклом Зарянкина, представляющая собой паротурбинную энергетическую установку с ультрасверхкритическими параметрами пара, которая состоит из двух неразрывно связанных между собой блоков: основного паротурбинного блока - Блок I (высокотемпературный паротурбинный блок с ультрасверхкритическими параметрами), и утилизационного паротурбинного блока - Блок II (Фиг. 1).

Термин «ультрасверхкритические параметры пара» по смыслу предлагаемого изобретения употребляется для следующих параметров пара: для начальных температур свежего пара свыше 1200°C и давлений, превышающих 30 МПа.

Конструкционно основной паротурбинный Блок I содержит: энергетический котёл (1), внешний высокотемпературный пароперегреватель (2), основную турбину, содержащую цилиндр высокого давления (3) (ЦВД), цилиндр среднего давления (4) (ЦСД), цилиндр низкого давления (5) (ЦНД), электрогенератор (6), конденсатор (7), конденсатный насос (8), регенеративные подогреватели низкого давления (9), деаэратор (10), питательный насос (11), регенеративные подогреватели высокого давления (12), регулятор температуры пара (22).

Конструкционно утилизационный паротурбинный Блок II содержит утилизационный котел-теплообменник (13), присоединенную дополнительную турбину (14), содержащую цилиндр высокого давления (ЦВД), цилиндр среднего давления (ЦСД), цилиндр низкого давления (ЦНД), электрогенератор (15), конденсатор (16), конденсатный насос (17), регенеративные подогреватели низкого давления (18), деаэратор (19), питательный насос (20), регенеративные подогреватели высокого давления (21).

Согласно приведенной на Фиг. 1 тепловой схеме работу заявляемой паропаровой энергетической установки рассмотрим для случая начальной температуры пара перед основной турбиной Блока I, равной 1500°С при начальном давлении пара 30 МПа.

Исходным оборудованием установки является энергетический котёл (1), генерирующий перегретый пар с начальной температурой t₀^I =540-565°C при давлении P₀^I=30-35°МПа.

Перегретый пар после энергетического котла (1) поступает во внешний высокотемпературный пароперегреватель (2).

Во внешнем высокотемпературном пароперегревателе (2) за счёт сгорания водородного топлива при давлении, равном давлению пара за цилиндром среднего давления (4) турбины Блока I пар перегревается до температуры t₀ = 1500°C и при давлении P₀ = 30 МПа поступает в цилиндр высокого давления (3) основной турбины Блока I.

Внешний высокотемпературный пароперегреватель (2) представляет собой высокотемпературный трубчатый пароперегреватель сверхвысокого давления котельного типа с использованием металлокерамических трубчатых поверхностей. Для сжигания водородного топлива во внешний высокотемпературный пароперегреватель (2) подводится кислород. В данном случае, греющей средой является перегретый пар, образующийся при сгорании водорода в топочной камере внешнего высокотемпературного пароперегревателя (2) при давлении, превышающим давление пара за цилиндром среднего давления (4) основной турбины Блока I на величину гидравлического сопротивления пара от внешнего высокотемпературного пароперегревателя (2) до выходного паропровода цилиндром среднего давления (4) основной турбины Блока I.

Далее, расширяясь в цилиндре высокого давления (3) основной турбины Блока I до давления 5-6 МПа, пар направляется в цилиндр среднего давления (4) основной турбины Блока I. В цилиндре среднего давления пар с параметрами 0,32-0,5 МПа и 580 - 650°C, смешиваясь с продуктами сгорания из внешнего высокотемпературного пароперегревателя (2), направляется в утилизационный котел-теплообменник (13).

В утилизационном котле-теплообменнике (13) генерируется перегретый пар с параметрами t₀₂ = 565°C при начальном давлении P₀₂ = 23,8 МПа, характерным для стандартных котлов-утилизаторов парогазовых установок.

Избыточный конденсат, образующийся из перегретого пара, поступающего в цикл из внешнего высокотемпературного пароперегревателя (2), выводится из цикла через регулятор температуры пара (22), идущего после энергетического котла (1) для охлаждения проточной части цилиндров высокого (3) и среднего (4) давлений основной турбины Блока I.

Пар, идущий на охлаждение проточной части охлаждаемых высокотемпературных цилиндров основной турбины блока I, активно используется в ступенях, следующих за охлаждаемой ступенью, для выработки добавочной мощности в основной турбине блока I.

В представленной схеме для большей её ясности не показаны все стандартные регенеративные подогреватели, обеспечивающие подогрев питательной воды, поступающей в энергетический котёл. Питательная вода подогревается в регенеративных подогревателях низкого давления основной турбины блока I до температуры t_п.в = 280-330°C.

Работу утилизационного паротурбинного Блока II можно описать следующим образом.

Утилизационный паротурбинный Блок II отличается от стандартных паротурбинных блоков, тепловые схемы и работа которых описаны в специализированной литературе, тем, что в предлагаемом Блоке II утилизация избыточной теплоты, подведенной в Блоке I, осуществляется в утилизационном котле-теплообменнике (13) при давлении 0,25-0,3 МПа, где греющим агентом (в отличие от парогазовых установок) является не газ, а перегретый до температуры 580-650°C пар, который после утилизационного котла-теплообменника (13) продолжает вырабатывать энергию в цилиндре низкого давления Блока I.

В данном случае утилизация избыточной теплоты происходит с КПД 97-98 %, который характерен для теплообменников, что значительно превышает КПД котлов-утилизаторов парогазовых установок, для которых данный показатель равен 82-85 %.

Сдвоенный цикл А.Е. Зарянкина (два неразрывно связанных между собой термодинамических цикла) можно отдельно раскрыть следующим образом.

Первый термодинамический цикл Зарянкина. Отработавший в цилиндрах высокого (3) и среднего (4) давлений турбины Блока I перегретый пар, а также продукты сгорания водородного топлива - перегретый пар, образующийся во внешнем пароперегревателе (2), при температуре 580-650°C и давлении P ≈ 0,3 МПа направляются в утилизационный котёл-теплообменник (13) Блока II.

При отдаче тепла основной турбины Блока I в утилизационном котле-теплообменнике (13) происходит охлаждение пара до температуры 250-280°C, которая соответствует температуре пара перед цилиндром низкого давления (5) основной турбины Блока I. После утилизационного котла-теплообменника (13) пар основной турбины поступает в цилиндр низкого давления (5) основной турбины Блока I, где, расширяясь до давления 3-3,5 кПа, попадает в конденсатор (7). В конденсаторе (7) пар отдает тепло охлаждающей воде, тем самым происходит преобразование пара в воду. После этого вода с помощью конденсатного насоса (8) проходит группу регенеративных подогревателей низкого давления (9) основной турбины Блока I. Далее вода поступает в деаэратор (10), где происходит ее очистка от газов и нагрев при давлении 0,58-0,6 МПа. После деаэратора (9) и питательного насоса 11 питательная вода поступает в группу регенеративных подогревателей высокого давления (12), где происходит ее нагрев до температуры 280-300°C, после чего пар поступает в энергетический котел 1, замыкая тем самым высокотемпературный цикл Ренкина Блока I.

Второй термодинамический цикл Зарянкина. В утилизационном котле-теплообменнике (13) в результате теплообмена перегретого пара Блока I генерируется перегретый пар Блока II с параметрами t₀₂ = 565°C при начальном давлении P₀₂ = 23,8 МПа, характерным для стандартных котлов-утилизаторов парогазовых установок. После утилизационного котла-теплообменника (13) пар поступает в цилиндр высокого давления турбины (14) и далее в цилиндры среднего и низкого давления турбины (14), обеспечивая работу генератора (15). После цилиндра низкого давления турбины (14) пар расширяется до давления в конденсаторе Pк=3,5-4,0 кПа, при котором и происходит его конденсация. Из конденсатора (16) конденсатным насосом (17) конденсат через регенеративные подогреватели низкого давления (18) подаётся в деаэратор (19). Далее питательная вода насосами (20) подается через регенеративные подогреватели высокого давления (21) в утилизационный котел-теплообменник (13). Таким образом, происходит замыкание высокотемпературного цикла Ренкина по контуру утилизационного паротурбинного блока (Блока II).

Изложенные выше конструкционные особенности предлагаемой высокотемпературной паропаровой энергетической установки и компоновки ее оборудования, позволяют увеличить КПД всей установки до 62-68 % за счет того, что пар после энергетического котла (1) дополнительно перегревается до температуры 1200-1700°C в специальном внешнем высокотемпературном пароперегревателе.

Экономичность нового сдвоенного цикла оказывается существенно выше, так как здесь нет потерь с уходящим из утилизационного котла-теплообменника греющим теплоносителем, так как уходящий теплоноситель (перегретый пар) используется далее для выработки мощности в последующем цилиндре низкого давления основной высокотемпературной турбины.

С точки зрения экологической нагрузки на атмосферу необходимо указать, что независимо от вида используемого топлива все тепловые электростанции характеризуются большими количествами выбросов углекислого газа в атмосферу. Считается, что меньший вред наносит ТЭС с парогазовой установкой за счет того, что в парогазовых установках сжигается газ.

В случае предлагаемого изобретения, греющим агентом утилизационного котла-теплообменника является пар. Таким образом, в утилизационном блоке II, который также генерирует электроэнергию, отсутствует выброс продуктов сгорания в атмосферу, следовательно, удельная экологическая нагрузка на окружающую среду снижается.

Детальный расчёт рассматриваемой тепловой схемы паропаровой энергетической установки, работающей по сдвоенному циклу Ренкина показал, что при указанных начальных параметрах пара КПД предлагаемой установки достигает 67.4%. Расчет производился при температуре регенеративного подогрева питательной воды до 300°C.

Расчеты и тестирование предлагаемой паропаровой энергетической установки подтвердили достижение указанных технических результатов.

Результаты расчетов тепловой схемы (Фиг.1) сведены в Таблицу 1.

Таблица 1

Технико-экономические показатели всей установки Мощность Блока I МВт N_э1 905 Мощность Блока II МВт N_э2 107 Начальная температура в Блоке I °C t_о^I 1500 Начальная температура в Блоке II °C t₀₂ 565 Абсолютный электрический КПД «брутто» комбинированного цикла % η_э^комб 67,4 Расход водорода на подогреватель кг/с В_H2 6,85 Расход кислорода на подогреватель кг/с В_О2 64,78 Удельный расход пара на производство энергии кг/кВт*час d 2,4 Суммарная мощность МВт N_э 1012

Также были протестированы и рассчитаны установки, в которых пар перегревался до начальных значений температуры 1200°C, 1400°C, 1600°C и 1700°C. Во всех установках были определены их КПД.

Результаты сведены в Таблицу 2.

Таблица 2

Температура пара t_вп^I,°C 1200 1400 1500 1600 1700 КПД, % 62,5 64,0 67,4 68,1 68,4

Таким образом, результаты показывают, что осуществление предлагаемого изобретения позволило достичь всех заявленных технических результатов: диапазон применимых начальных температуры и давления пара был существенно расширен, и одновременно значительным образом повысилась экономичность энергетической установки (КПД установки увеличился до 62-68%). При этом, в процессе было обеспечено существенное снижение удельной экологической нагрузки на окружающую среду.

Изобретение относится к области теплотехники и призвано повысить эффективность выработки электроэнергии на базе существующих конденсационных турбин паротурбинных установок. Раскрыта паропаровая энергетическая установка со сдвоенным термодинамическим циклом Зарянкина. Установка состоит из основного паротурбинного блока I и утилизационного паротурбинного блока II. Основная турбина блока I имеет на входе температуру более 1200°С и давление 30-35 МПа. Температура поддерживается на входе ЦВД первой ступени более 1200°С за счет работы внешнего высокотемпературного пароперегревателя, выполненного с возможностью перегрева пара, при этом греющей средой в нем является пар, образующийся при сгорании водородного топлива. Пар после ЦСД основной турбины поступает в утилизационный котел-теплообменник блока II, в котором осуществляется утилизация избыточной теплоты по циклу Ренкина. С другой стороны пар, охлажденный до температуры 250-280°С при давлении 3,5 МПа, идет на ЦНД основной турбины блока I. Техническим результатом является создание паропаровой установки с ультрасверхкритическими параметрами пара, за счёт чего обеспечивается увеличение экономичности выработки электроэнергии (КПД установки увеличивается до 62-68%), а также снижение удельный экологической нагрузки на окружающую среду. 6 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

1. Паропаровая энергетическая установка со сдвоенным циклом, характеризующаяся тем, что представляет собой паротурбинную энергетическую установку, состоящую из двух паротурбинных блоков, основного паротурбинного блока I и утилизационного паротурбинного блока II, каждый из которых содержит котел, трехцилиндровую паровую турбину, включающую цилиндры высокого, среднего и низкого давлений, электрогенератор, конденсатор, деаэратор, конденсатный насос, питательный насос, регенеративные подогреватели низкого давления и регенеративные подогреватели высокого давления, при этом в качестве котла основной паротурбинный блок I содержит энергетический котел, а утилизационный паротурбинный блок II содержит утилизационный котел-теплообменник, основной паротурбинный блок I также содержит внешний высокотемпературный пароперегреватель, выполненный с возможностью перегрева пара, при этом греющей средой в нем является пар, образующийся при сгорании водородного топлива в кислородной атмосфере при давлении, превышающем давление пара за цилиндром среднего давления на величину гидравлического сопротивления пара от внешнего высокотемпературного пароперегревателя до выходного патрубка цилиндра среднего давления основной турбины основного паротурбинного блока I, при этом после цилиндра среднего давления основного паротурбинного блока I пар при температуре 580-650°C направляется в утилизационный котел-теплообменник утилизационного паротурбинного блока II, обеспечивая его функционирование и утилизацию избыточной теплоты в трехцилиндровой турбине утилизационного паротурбинного блока II, связанной с генератором утилизационного паротурбинного блока II, а охлажденный при этом в утилизационном котле-теплообменнике до температуры 280-300°C пар направляется в цилиндр низкого давления основной турбины основного паротурбинного блока I, связанной с генератором основного паротурбинного блока I, продолжая вырабатывать энергию в цилиндре низкого давления основного паротурбинного блока I.

2. Паропаровая энергетическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что пар во внешнем высокотемпературном пароперегревателе дополнительно перегревается до температуры 1200-1700°C.

3. Паропаровая энергетическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что основной паротурбинный блок I содержит регулятор температуры пара, идущего на охлаждение высокотемпературных ступеней цилиндра высокого давления и цилиндра среднего давления основной турбины основного паротурбинного блока I, через который также выводится избыточный конденсат, который образуется при сгорании водорода во внешнем высокотемпературном пароперегревателе.

4. Паропаровая энергетическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что пар, идущий на охлаждение высокотемпературных цилиндров основного паротурбинного блока I, активно используется в ступенях, следующих за охлаждаемой ступенью, для выработки дополнительной мощности турбины основного паротурбинного блока установки.

5. Паропаровая энергетическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что утилизация избыточной теплоты осуществляется при давлении 0,25-0,3 МПа.

6. Паропаровая энергетическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что перегретый до температуры 580-650°C пар является греющим агентом в утилизационном котле-теплообменнике.

7. Паропаровая энергетическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что абсолютный электрический КПД установки составляет 62-68%.