СПОСОБ РАБОТЫ ВОДОПОДГОТОВИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ В СОСТАВЕ ТЕПЛОУТИЛИЗАЦИОННОГО КОНТУРА ВАГТЭ Российский патент 2023 года по МПК C02F1/42 F01K25/06 F01K3/00 

Изобретение предназначено для выработки электроэнергии при покрытии переменной нагрузки электропотребления на основе технологии воздушного аккумулирования энергии и может быть использовано в теплоэнергетике.

Для восполнения потерь конденсата и пара паротурбинных блоков на электростанциях предусматривается подпитка водой определенного качества (обессоленной водой), подготовка которой осуществляется на водоподготовительной установке (ВПУ). Одним из элементов ВПУ является ионообменный фильтр умягчения, заполняемый ионообменной смолой, и служащий для улавливания солей жесткости (ионов кальция, магния). В процессе работы смола насыщается удаляемой группой ионов и происходит истощение фильтра. Для восстановления первоначальной формы ионообменной смолы производится ее регенерация, которая заключается в промывке ее раствором поваренной соли (NaCl). С этой целью поваренная соль в большом количестве закупается электростанциями. Вместе с тем существует тип электростанции, географическое расположение которой позволяет исключить эту статью расходов. Речь идет о воздушно-аккумулирующих газотурбинных электростанциях (ВАГТЭ) с теплоутилизационным контуром на основе воздушных аккумуляторов постоянного давления, располагаемых в подземных соляных отложениях (соляных кавернах). Вертикальные скважины, после завершения добычи соли, могут использоваться для создания воздушных аккумуляторов. Воздушно-аккумулирующие газотурбинные электростанции (ВАГТЭ) призваны регулировать неравномерность электропотребления. Цикл сжатия здесь протекает отдельно от циклов сжигания топлива и расширения. Энергия, получаемая в часы ночного провала графика электрической нагрузки, используется для предварительного сжатия воздуха, который хранится в подземной полости (воздушном аккумуляторе). Одним из вариантов использования воздушных аккумуляторов являются хранилища постоянного давления. Постоянное давление в них поддерживается на протяжении всей работы, за счет системы компенсации давления воды в виде сообщающихся сосудов - наземный резервуар (пруд) соединяется с подземным резервуаром (аккумулятором). При закачке воздуха вода вытесняется в пруд, при разрядке - заполняет аккумулятор.

Известен способ работы воздушно-аккумулирующей газотурбинной электростанции [Патент на изобретение №2647013 МПК F01K 25/06 (2006.01) Способ работы воздушно-аккумулирующей газотурбинной электростанции, Новичков С.В.]. Уходящие газы после газовой турбины поступают в котел-утилизатор, который входит в состав дополнительно установленного утилизационного контура. Одну часть выработанного котлом-утилизатором пара подают для расширения и совершения работы в паровую турбину, что способствует повышению электрической мощности воздушно-аккумулирующей газотурбинной электростанции. Другую часть пара, выработанного котлом-утилизатором, подают для впрыска в камеру сгорания газовой турбины, тем самым увеличивают расход продуктов сгорания через проточную часть газовой турбины, что приводит к повышению электрической мощности газовой турбины, и в целом, это приводит к повышению экономичности работы мощности воздушно-аккумулирующей газотурбинной электростанции.

Однако при этом способе работы не рассматриваются возможности водоподготовительной установки для повышения экономичности воздушно-аккумулирующей газотурбинной электростанции, что является недостатком данного способа.

Известен способ работы теплоэнергетической установки, содержащей котел, водоподготовительную установку с декарбонизатором, к которому подключены патрубки исходной и декарбонизированной воды, подвода рабочей среды и отвода, при этом декарбонизатор включен патрубками подвода рабочей среды и отвода в газопровод перед горелками котла [Патент на изобретение №2565468 МПК F01K 17/04 Теплоэнергетическая установка, Шарапов В.И., Ротова М.А., Курочкина А.С.]. Благодаря использованию в декарбонизаторе в качестве рабочей среды подаваемого в котел газа исключаются затраты энергии на подачу рабочей среды в декарбонизатор и потери теплоты из декарбонизатора в окружающую среду, что позволяет повысить экономичность теплоэнергетической установки.

Недостатком данного способа пониженная экономичность водоподготовительной установки, в связи с наличием затрат на реагенты для фильтров умягчения, входящих в состав водоподготовительной установки.

Известен способ работы водоподготовительной установки тепловой электроцентрали [Патент на изобретение №2551499 МПК C02F 9/04, C02F 1/42, C02F 1/44, C02F 1/52, B01D 61/00 Водоподготовительная установка тепловой электроцентрали, Чичиров А.А., Чичирова Н.Д., Гирфанов А.А., Филимонов А.Г., Сайтов С.Р.]. Согласно этому способу теплоэлектроцентраль содержит блок предварительной очистки воды, блок обратного осмоса, блок ионного обмена для глубокого обессоливания воды, блок получения химически очищенной воды для подпитки теплосети и деаэратор, соединенный с паровым котлом высокого давления, при этом, дополнительно введены бак раствора FeCl₃, бак раствора NaOH, соединенные с осветлителем, и линия подачи реагентов для коррекции рН коагулированной воды, линия отвода осветленной воды с механического фильтра соединена с установкой обратного осмоса. Данный способ позволяет снизить потребление реагентов за счет исключения Са(OH)₂ и NaCl, а также упростить технологической схемы за счет исключения блока умягчения.

Несмотря на снижение затрат на водоподготовку за счет исключения реагентов Са(ОН)₂, NaCl и блока умягчения, при данном способе работы водоподготовительной установки появляются дополнительные затраты в новые реагенты FeCl₃ и NaOH, а также в новое оборудование - бак раствора FeCl₃, бак раствора NaOH, линия подачи реагентов для коррекции рН коагулированной воды, что в целом не повышает экономичность работы водоподготовительной установки тепловой электроцентрали.

Наиболее близким техническим решением (аналогом) является водоподготовительная установка [Патент на полезную модель №45995, МПК C02F 1/42 (2000.01) Водоподготовительная установка, Рагинов Н.М., Мугинов A.M.]. Водоподготовительная установка содержит Na-катионитные фильтры, соединенные с трубопроводами подвода и отвода воды, и систему регенерации фильтров. В системе регенерации фильтры соединены между собой перемычками с задвижками таким образом, чтобы отмывочные воды одного фильтра можно было подать на взрыхление другого фильтра. При этом отработанный регенерационный раствор не выбрасывается из установки наружу, как это предусмотрено действующими типовыми правилами, а продуктивно применяется еще раз. Раствор подается в другой фильтр, где он не только взрыхляет фильтрующий материал, но и осуществляет частичную его регенерацию. Это позволяет получать значительную экономию поваренной соли при регенерации фильтров.

Недостатком аналога является то, что он позволяет получать экономию поваренной соли при регенерации фильтров, но не исключает полностью затрат на покупку данного реагента.

Задачей заявляемого технического решения является разработка способа работы водоподготовительной установки в составе теплоутилизационного контура ВАГТЭ, приводящему к отказу от покупки поваренной соли для регенерации фильтров умягчения, что в целом приводит к снижению затрат на эксплуатацию данной водоподготовительной установки и повышению экономичности работы ВАГТЭ.

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что поток соляного рассола из наземного резервуара воздушного аккумулятора постоянного давления, направляется для регенерации ионообменной смолы фильтра умягчения водоподготовительной установки, входящей в состав теплоутилизационного контура ВАГТЭ, при этом исключается поток закупаемой поваренной соли для регенерации ионообменной смолы фильтра умягчения водоподготовительной установки, входящей в состав теплоутилизационного контура ВАГТЭ.

Технический результат заявляемого изобретения достигается за счет того, что регенерация ионообменной смолы фильтра умягчения водоподготовительной установки, входящей в состав теплоутилизационного контура ВАГТЭ, осуществляется, при подаче соляного рассола из наземного резервуара, являющегося частью воздушного аккумулятора постоянного давления, где разбавляется исходной водой до нужной концентрации и, далее, подается для регенерации ионообменной смолы фильтра умягчения водоподготовительной установки, входящей в состав теплоутилизационного контура ВАГТЭ.

Предлагаемое изобретение поясняется с помощью чертежа, на котором представлена схема водоподготовительной установки в составе теплоутилизационного контура ВАГТЭ, реализующая заявляемый способ. Позициями на чертеже обозначены:

1 - компрессор;

2 - охладитель воздуха;

3 - электрический двигатель;

4, 5, 6 - трубопроводы сжатого воздуха;

7 - теплоутилизационный контур;

8 - камера сгорания;

9 - газовая турбина;

10 - электрический генератор газовой турбины;

11 - подземная полость воздушного аккумулятора постоянного давления;

12 - вертикальный ствол;

13 - наземный резервуар воздушного аккумулятора постоянного давления;

14, 16, 25, 29 - трубопровод;

15 - водоподготовительная установка;

17 - газоход уходящих газов газовой турбины;

18 - котел-утилизатор;

19 - паропровод;

20 - паровая турбина;

21 - конденсатор;

22 - электрический генератор паровой турбины;

23 - конденсатный насос;

24 - конденсатопровод;

26 - фильтр грубой очистки;

27 - фильтр умягчения;

28 - соляной бак;

30 - накопительная емкость;

31 - насос;

32 - система обратного осмоса.

Установка для реализации предлагаемого способа включает: компрессор 1, связанный через трубопровод сжатого воздуха 4, предварительно охлажденного в охладителе воздуха 2, с подземной полостью воздушного аккумулятора постоянного давления 11; электрический двигатель 3, приводящий в движение компрессор 1; наземный резервуар воздушного аккумулятора постоянного давления 13, соединенный посредством вертикального ствола 12 с подземной полостью воздушного аккумулятора постоянного давления 11; камера сгорания 8, связанная через трубопровод сжатого воздуха 6 с подземной полостью воздушного аккумулятора постоянного давления 11; газовую турбину 9, соединенную посредством газохода уходящих газов газовой турбины 17 с котлом-утилизатором 18; электрический генератор газовой турбины 10, приводимый в движение газовой турбиной 9; паропровод 19 от котла-утилизатора 18 к паровой турбине 20, входящей в состав теплоутилизационного контура 7; электрический генератор паровой турбины 22, приводимый в движение паровой турбиной 20; конденсатор 21, который связан выхлопным патрубком с паровой турбиной 20; конденсатный насос 23 для перекачки конденсата в котел-утилизатор 18 по конденсатопроводу 24; водоподготовительная установка 15, связанная посредством трубопровода 14 с наземным резервуаром воздушного аккумулятора 13 и трубопроводом 17 с конденсатопроводом 25; фильтр умягчения 29, связанный посредством трубопровода 14 с наземным резервуаром воздушного аккумулятора постоянного давления 13; соляной бак 30 связан с фильтром умягчения 27; система обратного осмоса 32, связанная посредством насоса 33 с соляным баком 30, и трубопроводом 16 с конденсатопроводом 24.

Предлагаемый способ работы водоподготовительной установки в составе теплоутилизационного контура ВАГТЭ осуществляют следующим образом.

В период провала электрической нагрузки сжатый компрессором 1 воздух подают по трубопроводам сжатого воздуха 4 и 6 в подземную полость воздушного аккумулятора постоянного давления 11, предварительно охладив в охладителе воздуха 2. Подземная полость воздушного аккумулятора постоянного давления 11 соединена вертикальным стволом 12 с наземным резервуаром воздушного аккумулятора постоянного давления 13. В период подъема электрической нагрузки сжатый воздух из подземной полости воздушного аккумулятора постоянного давления 11 направляют по трубопроводам сжатого воздуха 5 и 6, в камеру сгорания 8 газовой турбины 9. Газовая турбина 9 приводит в движение электрический генератор газовой турбины 10, вырабатывающий электроэнергию. Продукты сгорания после газовой турбины 9 по газоходу уходящих газов газовой турбины 17 направляют в котел-утилизатор 18, входящий в состав дополнительно установленного утилизационного контура, где за счет использования теплоты продуктов сгорания топлива, вырабатывают в нем поток пара и направляют к паровой турбине 20. Отработанный пар паровой турбины 20 по выхлопному патрубку направляют в конденсатор 21. Конденсат из конденсатора 21 с помощью конденсатного насоса 23 перекачивают в котел-утилизатор 18 по конденсатопроводу 24. Для восполнения потерь конденсата теплоутилизационного контура подводится исходная вода по трубопроводу 25, проходящая этапы очистки в водоподготовительной установке 15. Вначале исходная вода по трубопроводу 25 поступает в фильтр грубой очистки 26 для очищения исходной воды от механических примесей. Далее вода поступает в фильтр умягчения 27 с ионообменной смолой, которая содержит вещества, улавливающие соли жесткости. Для предотвращения насыщения установки умягчения солями жесткости периодически производится регенерация ионообменной смолы. С этой целью ионообменная смола промывается солевым рассолом, приготовляемым в соляном баке 28. Для этого соляной рассол из пруда наземного резервуара по трубопроводу 14 поступает в соляной бак 28, где разбавляется до нужной концентрации исходной водой, прошедшей очистку в фильтре грубой очистки 26. Следующим этапом является промывка фильтрующего слоя исходной водой. Сброс осадка, образовавшегося в процессе промывки, производится по трубопроводу 29 в производственную канализацию. Очищенная умягченная вода направляется в накопительную емкость 30, где происходит аккумулирование чистой воды, после чего вода подается насосом 31 в систему обратного осмоса 32. После окончательной очистки в обратном осмосе, вода направляется по трубопроводу 16, в теплоутилизационный контур, в конденсатопровод 24 для восполнения потерь конденсата и пара.

В качестве примера рассмотрим способ работы водоподготовительной установки в составе теплоутилизационного контура ВАГТЭ. В состав ВАГТЭ входит воздушный аккумулятор постоянного давления, в который подается воздух с давлением 6,6 МПа. Расход воздуха из воздушного аккумулятора равен 150 кг/с, температура продуктов сгорания перед газовой турбиной принята 1300°С. Время работы ВАГТЭ в режиме зарядки составляет 6 ч/сут, в режиме разрядки - 5 ч/сут. Подходящая в геологическом отношении площадка для данного типа ВАГТЭ может быть выбрана на юго-востоке Волгоградской области в Светлоярском районе. Горно-геологический потенциал данной территории позволяет осуществлять строительство подземных аккумуляторов воздуха в отложениях каменной соли вблизи крупных промышленных центров и городов, где требуется регулировка неравномерности (особенно пикового) электропотребления.

При строительстве ВАГТЭ с теплоутилизационным контуром, водоподготовительная установка будет являться частью технологического теплообменного оборудования. В этом случае экономическая эффективность определяется на основе интегральных показателей: чистый дисконтированный доход, индекс доходности, внутренняя норма доходности, дисконтированный срок окупаемости, в соответствии с [Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов и их отбору для финансирования. М.: Информэнерго, 1994]. В таблице представлены результаты расчета сравнительной экономической эффективности, ВАГТЭ с теплоутилизационным контуром, использующим таблетированную поваренную соль для установки умягчения ВПУ и соляной рассол из наземного резервуара воздушного аккумулятора постоянного давления. При использовании соляного рассола из наземного пруда воздушного аккумулятора постоянного давления возникают дополнительные затраты в оборудование, включающие комплект трубопроводов для транспортировки соляного рассола от наземного пруда к ВПУ, запорную и регулирующую арматуру, перекачивающий насос, а также стоимость монтажных и пуско-наладочных работ.

Из таблицы видно, что при использовании соляного рассола из наземного пруда затраты на водоподготовительную установку, по сравнению с использованием покупной поваренной соли, снижаются с 16,3 млн. руб. до 7,6 млн. руб., полные затраты в строительство ВАГТЭ с теплоутилизационным контуром снижаются с 695,9 млн. руб. до 687,2 млн. руб., и в целом, чистый дисконтированный доход для варианта ВАГТЭ с ВПУ, использующей солевой рассол из наземного пруда выше на 2,4%, по сравнению с вариантом использования покупной поваренной соли для установки умягчения.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет осуществлять:

- регенерацию ионообменной смолы фильтра умягчения водоподготовительной установки, входящей в состав теплоутилизационного контура ВАГТЭ;

- экономить затрат и повышать экономичность ВАГТЭ с теплоутилизационным контуром при использовании соляного рассола из наземного пруда воздушного аккумулятора постоянного давления, за счет исключения затрат на покупку поваренной соли, применяемой для регенерации ионообменной смолы фильтра умягчения водоподготовительной установки, входящей в состав теплоутилизационного контура ВАГТЭ.

Изобретение предназначено для выработки электроэнергии при покрытии переменной нагрузки электропотребления на основе технологии воздушного аккумулирования энергии и может быть использовано в теплоэнергетике. Задачей заявляемого технического решения является разработка способа работы водоподготовительной установки в составе теплоутилизационного контура ВАГТЭ, приводящему к отказу от покупки поваренной соли для регенерации фильтров умягчения, что в целом приводит к снижению затрат на эксплуатацию данной водоподготовительной установки и повышению экономичности работы ВАГТЭ. Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что поток соляного рассола из наземного резервуара воздушного аккумулятора постоянного давления, направляется для регенерации ионообменной смолы фильтра умягчения водоподготовительной установки, входящей в состав теплоутилизационного контура ВАГТЭ, при этом исключается поток закупаемой поваренной соли для регенерации ионообменной смолы фильтра умягчения водоподготовительной установки, входящей в состав теплоутилизационного контура ВАГТЭ. Технический результат заявляемого изобретения достигается за счет того, что регенерация ионообменной смолы фильтра умягчения водоподготовительной установки, входящей в состав теплоутилизационного контура ВАГТЭ осуществляется, при подаче соляного рассола из наземного резервуара, являющегося частью воздушного аккумулятора постоянного давления, где разбавляется исходной водой до нужной концентрации и, далее, подается для регенерации ионообменной смолы фильтра умягчения водоподготовительной установки, входящей в состав теплоутилизационного контура ВАГТЭ. 1 ил., 1 табл.

Способ работы водоподготовительной установки в составе теплоутилизационного контура воздушно-аккумулирующей газотурбинной электростанции (ВАГТЭ), характеризующийся тем, что в период спада электрической нагрузки в компрессоре сжимают воздух, забираемый из окружающей среды, и подают в воздушный аккумулятор постоянного давления, в период подъема электрической нагрузки сжатый воздух направляют из воздушного аккумулятора постоянного давления в камеру сгорания газовой турбины, уходящие газы после газовой турбины поступают в котел-утилизатор, который входит в состав теплоутилизационного контура, отработанный после паровой турбины пар направляют в конденсатор, конденсат из конденсатора конденсатным насосом перекачивают в котел-утилизатор, утечки конденсата восполняют путем пропуска исходной воды через водоподготовительную установку, при этом исходную воду последовательно направляют через фильтр грубой очистки, фильтр умягчения, накопительную емкость, установку обратного осмоса, отличающийся тем, что для регенерации ионообменной смолы фильтра умягчения используют соляной рассол, закачиваемый из наземного пруда воздушного аккумулятора постоянного давления.