СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ПАРОСИЛОВОЙ УСТАНОВКИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2022 года по МПК F01K17/02 

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано на тепловых электрических станциях (ТЭС) и атомных электрических станциях (АЭС) при утилизации низкопотенциальной теплоты циркуляционной воды тепловым насосом с целью повышения энергоэффективности ТЭС.

В современных паротурбинных установках в выпускном патрубке поддерживается давление 0,004 МН/м². Для каждой турбинной установки устанавливается вакуум, который обычно не превышает 95-97%, так как дальнейшее углубление вакуума приводит к значительному увеличению размеров конденсатора. Поэтому дальнейшее понижение давления в конденсаторе является технически недостижимо.

Для организации замкнутого цикла охлаждающей воды во избежание "тепловых выбросов" и снижения разрушительного влияния на биосферу организуется охлаждение, в виде фонтанирующих бассейнов, градирен или охладительных прудов, как на Западно-Сибирской ТЭЦ, филиала АО «ЕВРАЗ ЗСМК»). Создание охладительных устройств требует больших производственных, капитальных затрат, и они мало управляемы по основному показателю - «температура охлаждающей воды», что является узким местом в работе паросиловой установки (ПСУ).

Для точного регулирования процессов в ПСУ предлагается использование тепловых насосов (ТН), которые уже достаточно широко применяются в теплоэнергетике. В большинстве случаев речь идет об использовании для нужд теплоснабжения «бросового» тепла, отводимого в конденсаторе от пара.

Следует отметить, что использование тепловых насосов будет осуществляться в летних условиях, когда ПСУ "задыхается" от недостаточного охлаждения конденсатора. Расчеты на Западно-Сибирской ТЭЦ по устройству градирни показали большую затратность этой меры, а расчеты по использованию ТН показали рациональность их установки.

Известен 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 (патент RU №2275512, МПК F01K 17/02, опубл. 11.10.2004).

Известно также устройство для утилизации энергии низкотемпературных теплоносителей (RU 32578, МПК F03G 7/00, опубл. 2003), содержащее турбину с электрогенератором и теплопотребитель. Устройство снабжено тепловым насосом, конденсатор приемного теплообменника которого включен в паросиловой контур на выходе отработанного пара из турбины, а нагреватель выходного теплообменника - на теплопотребитель.

Недостатком способа и устройства является то, что получаемое с их помощью низкопотенциальное тепло не может быть использовано непосредственно в основной технологической схеме АЭС или ТЭС.

Для работы конденсатора паровой турбины создается система его охлаждения, в которой вода подается от насосной станции, отбирая тепло от рабочего тела, переводя пар в жидкость и возвращается в водоем - пруд-охладитель. Поскольку вода, является важным, с позиции стоимости и экологии веществом, поэтому организуется замкнутый цикл, в котором водоем является элементом системы охлаждения, где должно быть отведено тепло, получаемое охлаждающей водой от пара в конденсаторе. Следует отметить, что существующие оборотные циклы на ТЭС (ТЭЦ) в настоящее время не имеют эффективно действующих охладительных элементов, будь то пруд, фонтанирующий бассейн или градирня.

Известна принципиальная тепловая схема ТЭЦ, включающая 7 отборов пара, предназначенные для регенеративного подогрева питательной воды до 230°С. Схема содержит котельную установку, цилиндры высокого давления (ЦВД), цилиндры низкого давления (ЦНД), электрический генератор, конденсатор, конденсатный насос, подогреватели низкого давления, деаэратор, подогреватели высокого давления. Пар, сгенерированный в котле, по паропроводам направляется в цилиндр высокого давления турбины, отработав на всех ступенях ЦВД, поступает в ЦНД, после чего поступает в конденсатор. В конденсаторе отработавший пар конденсируется за счет тепла отданного охлаждающей воде, которая имеет свой циркуляционный контур, далее, при помощи конденсатных насосов, основной конденсат направляется в систему регенерации. В эту систему входят 4 ПНД, 3 ПВД и деаэратор. Система регенерации предназначена для подогрева питательной воды на входе в котел до определенной температуры («Теплотехника» под общей редакцией И.Н. Сушкина, М, Металлургия, 1973 г. (рис. 35, 2, стр. 449).

Известен способ для утилизации тепловой энергии воды, охлаждающей конденсатор паровой турбины с помощью устройства, содержащего первый тепловой насос с приемным и выходным теплообменниками, компрессором и дросселем, образующими испарительно-конденсационный контур, второй тепловой насос со своим испарительно-конденсационным контуром заполненным теплоносителем с температурой кипения выше температуры кипения теплоносителя первого теплового насоса при рабочих условиях, при этом приемный теплообменник второго теплового насоса является одновременно выходным теплообменником первого теплового насоса, выходной теплообменник второго теплового насоса соединен с теплопотребителем - трубопроводом конденсата паровой турбины, а приемный теплообменник первого теплового насоса установлен на трубопроводе сбросной линии охлаждения конденсатора, или в паровом пространстве конденсатора турбины (патент RU 79431 МПК А62В 27/00, опубл. 04.09.2008).

Недостатком способа является невозможность управления работой конденсатора паровой турбины за счет температуры охлаждающей воды.

Технической проблемой, решаемой изобретением, является повышение энергоэффективности работы ТЭС выработкой электроэнергии на тепловом потреблении.

Данная техническая проблема решается тем, что в способе повышения энергоэффективности паросиловой установки, включающем преобразование тепловой энергии пара в электрическую на турбогенераторе, охлаждение отработанного пара в конденсаторе паровой турбины охлаждающей водой, осуществление отбора тепла на отводящей линии охлаждающей воды конденсатора паровой турбины испарителем теплового насоса, согласно изобретению тепло, отобранное испарителем теплового насоса, через конденсатор-теплообменник теплового насоса, передают воде промежуточного контура, идущей в подогреватели низкого давления для подогрева конденсата, при этом отключают регенеративный подвод пара к подогревателям низкого давления и один из подогревателей низкого давления, который используют в качестве резервного.

Данная техническая проблема также решается тем, что устройство для повышения энергоэффективности паросиловой установки, включающее испаритель теплового насоса, подключенный к отводящему трубопроводу охлаждающей воды конденсатора паровой турбины, конденсатор-теплообменник теплового насоса, компрессор и дроссель, образующие испарительно-конденсационный контур, заполненный теплоносителем, согласно изобретению конденсатор-теплообменник теплового насоса подключен к промежуточному контуру, включающему приемный теплообменник, насос, систему подводящих и отводящих трубопроводов с перепускными и запорными клапанами, подводящие и отводящие трубопроводы соединены с подогревателями низкого давления, причем каждый подогреватель низкого давления имеет обводной трубопровод, при этом обводные трубопроводы и трубопроводы, соединяющие каждый подогреватель низкого давления с цилиндрами среднего давления паросиловой установки, оснащены запорными устройствами.

Технический результат, получаемый при использовании предлагаемого изобретения, заключается в том, что предлагаемый способ увеличения энергоэффективности работы паросиловой установки и устройство для его осуществления, предусматривает подключение испарителя теплового насоса к отводящей линии охлаждающей воды для отбора тепла и стабилизации технических параметров работы конденсатора, а конденсатор теплового насоса подключен к промежуточному контуру, передающему отобранное тепло воде, идущей в подогреватели низкого давления для подогрева конденсата. Таким образом, за счет установки данного устройства на тракте отвода охлаждающей воды, снижается температура конденсации до проектного уровня и увеличивается мощность электрогенератора, следовательно повышается энергоэффективность работы паросиловой установки.

В настоящее время мощные паросиловые установки запроектированы на давление в конденсаторе Ρ=0,004 МПа, чему соответствует температура насыщения t_H=28,6°С. Это может быть обеспечено за счет температуры воды 20-22°С. Но летом это практически недостижимо, температура охлаждающей воды достигает 28-30°С, с соответствующим повышением температуры в конденсаторе до 45-49°С (по данным Западно-Сибирской ТЭЦ, филиал АО «ЕВРАЗ ЗСМК»). Давление возрастает до уровня Ρ=0,012 МПа, что дает снижение КПД паросиловой установки.

Предлагаемое изобретение проиллюстрировано схемой, на которой изображена паросиловая установка.

Паросиловая установка содержит турбоагрегат, состоящий из цилиндра высокого давления 1, цилиндра среднего давления 2, цилиндра низкого давления 3, электрогенератора 4; конденсатор 5, конденсатный насос 6, подогреватели низкого давления 7, деаэратор 8, питательный электронасос 9, подогреватели высокого давления 10; паровой котел 11 с пароперегревателем 12; систему охлаждения отработанного пара, которая включает в себя береговую насосную станцию 13, пруд-охладитель 14, холодный канал 15; насосную станцию 16; систему химводоочистки, включающую насосную станцию подпитки теплосети 17 и химводоочистку 18; тепловой насос 19, содержащий: испаритель 20, циркуляционный насос (компрессор) 21, конденсатор-теплообменник 22 и дроссельный клапан 23; промежуточный контур 24, включающий в себя приемный теплообменник 25, насос 26, перепускные и запорные клапаны промежуточного контура 27 и 28 соответственно; также установка включает перепускные клапаны 29 на трубопроводе конденсата паровой турбины и запорные клапаны 30 на обводных трубопроводах подогревателей низкого давления 7 и задвижки 31 на трубопроводах, соединяющих каждый подогреватель низкого давления 7 с цилиндрами среднего давления 2 паросиловой установки.

Установка работает следующим образом.

В турбину паросиловой установки подается пар, который проходя последовательно через цилиндр высокого давления 1, среднего давления 2 и низкого давления 3 отдает свою энергию, которая используется для электрогенератора 4.

После этого пар проходит в конденсатор 5, где поддерживается пониженное давление (вакуум), что обеспечивает заданную температуру насыщения, необходимую для превращения пара в конденсат, имеющего жидкое состояние. Далее конденсат идет через систему устройств - конденсатный насос 6, подогреватели низкого давления 7. Затем конденсат поступает в деаэратор 8 для удаления растворенных газов, питательным электронасосом 9 перекачивается через элементы подогревателей высокого давления 10 и после подается в котел 11 с пароперегревателем 12.

Для создания системы охлаждения воды, обеспечивающей конденсацию, устанавливается береговая насосная станция 13, пруд-охладитель 14, холодный канал 15, насосная станция 16 и 17, и отдельная линия подпитки котла через установки химводоочистки 18.

На отводящей линии охлаждающей воды конденсатора 5 устанавливается испаритель 20 теплового насоса, доводящий температуру охлаждающей воды в конденсаторе 5 до проектной. После сжатия в компрессоре 21 теплового насоса 19 рабочий агент повышает свою температуру до 130-140°С и подается в конденсатор-теплообменник 22, где при конденсации передает тепло воде промежуточного контура 24, состоящего из приемного теплообменника 25, насоса 26, системы отводящих и подводящих трубопроводов с перепускными клапанами 27 и запорными клапанами 28. Подачу горячей воды из теплового насоса 19 в любой из подогревателей низкого давления 7 для подогрева конденсата осуществляют с использованием перепускных клапанов 27, 29 и запорных клапанов 28, 30. Регенеративный подвод пара к подогревателям низкого давления отключают при помощи задвижек 31. В тепловом насосе 19 рабочее тело (хладон) после конденсации в конденсаторе-теплообменнике 22 проходит через дроссельный клапан 23, затем в испаритель 20 и цикл теплового насоса 19 повторяется.

Положительным эффектом при использовании предлагаемого изобретения является конструктивный отказ от регенеративного отбора пара с последующим сохранением подогревателей низкого давления, что снижает затраты на реконструкцию установки. Эти подогреватели имеют трубчатую конструкцию, как у конденсатора, поскольку вместо пара в них греющей средой будет горячая вода из ТН t=140°С, то теплообмен в них будет выше, чем в настоящее время. По нашим расчетам, можно будет уменьшить общую площадь теплообмена и использовать не все четыре подогревателя низкого давления. Обвязка их трубами для нагреваемого конденсата и греющей воды и системой отключающих задвижек позволит отключить один из подогревателей низкого давления для профилактики и ремонта. Схема движения "конденсат - греющая вода" выполнена по противотоку для достижения более высокой температуры подогрева конденсата.

Изобретение может быть использовано в области энергетики на тепловых электрических станциях (ТЭС) при утилизации низкопотенциальной теплоты циркуляционной воды тепловым насосом с целью повышения энергоэффективности. Утилизацию низкопотенциальной теплоты от охлаждающей воды конденсатора паровой турбины осуществляют путем отбора тепла при помощи испарителя теплового насоса, который подключен к отводящему тракту водяного охлаждения конденсатора с последующей передачей отобранного тепла воде промежуточного контура, а затем в подогреватели низкого давления для подогрева конденсата, при этом существующий регенеративный подвод пара будет отключен за счет установки запорных устройств. Для осуществления способа испаритель теплового насоса подключен к отводящему тракту водяного охлаждения конденсатора паровой турбины, а конденсатор теплового насоса подключен к приемному теплообменнику промежуточного контура. Таким образом, за счет установки данного устройства на тракте отвода охлаждающей воды, снижается температура конденсации до проектного уровня и увеличивается мощность электрогенератора, следовательно, повышается энергоэффективность работы паросиловой установки. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ повышения энергоэффективности паросиловой установки, включающий преобразование тепловой энергии пара в электрическую на турбогенераторе, охлаждение отработанного пара в конденсаторе паровой турбины охлаждающей водой, осуществление отбора тепла на отводящей линии охлаждающей воды конденсатора паровой турбины испарителем теплового насоса, отличающийся тем, что тепло, отобранное испарителем теплового насоса, через конденсатор-теплообменник теплового насоса, передают воде промежуточного контура, идущей в подогреватели низкого давления для подогрева конденсата, при этом отключают регенеративный подвод пара к подогревателям низкого давления и один из подогревателей низкого давления, который используют в качестве резервного.

2. Устройство для повышения энергоэффективности паросиловой установки, включающее испаритель теплового насоса, подключенный к отводящему трубопроводу охлаждающей воды конденсатора паровой турбины, конденсатор-теплообменник теплового насоса, компрессор и дроссель, образующие испарительно-конденсационный контур, заполненный теплоносителем, отличающийся тем, что конденсатор-теплообменник теплового насоса подключен к промежуточному контуру, включающему приемный теплообменник, насос, систему подводящих и отводящих трубопроводов с перепускными и запорными клапанами, подводящие и отводящие трубопроводы соединены с подогревателями низкого давления, причём каждый подогреватель низкого давления имеет обводной трубопровод, при этом обводные трубопроводы и трубопроводы, соединяющие каждый подогреватель низкого давления с цилиндрами среднего давления паросиловой установки, оснащены запорными устройствами.