СПОСОБ РАБОТЫ ТЕПЛОСИЛОВОЙ ПАРОВОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 2024 года по МПК F01K3/00 F25B29/00 

Изобретение относится к энергетике и предназначено для централизованного теплохладоснабжения с генерацией электрической энергии на собственные нужды и отпуск внешним потребителям.

Наиболее распространенная циклическая последовательность термодинамических процессов, используемых в энергетике для трансформации тепловой энергии в механическую, преобразуемую затем с помощью генератора в электрическую -теплосиловой паровой цикл, он же прямой термодинамический цикл или цикл Ренкина, реализуемый в теплосиловых паровых установках (ТСПУ). Способ работы такой ТСПУ, принятый за прототип, включает повышение давления жидкого рабочего тела, генерацию пара, расширение пара с преобразованием тепловой энергии в механическую работу, конденсацию расширенного пара, подачу конденсата (жидкого рабочего тела) на повышение давления [1].

На тепловых электростанциях (ТЭС), рассчитанных исключительно на производство электроэнергии, такие ТСПУ, даже при использовании в качестве топлива природного газа, позволяют преобразовывать в механическую энергию чуть больше 35% низшей теплоты сгорания топлива [1]. Этот результат достигают конденсацией пара при температуре ~30-35°С (отводом тепла в воду с температурой 15-20°С), при которой абсолютное давление расширенного пара в конденсаторе составляет ~3-4 кПа.

Недостаток конденсации водяного пара при столь низком давлении: малая плотность расширенного пара, очень большой объем пара в последних ступенях турбины, большая длина лопаток последних ступеней, работа последних ступеней в зоне влажного пара, что существенно усложняет конструкцию концевых ступеней турбин, увеличивает их габариты и габариты конденсаторов, создает подсосы воздуха, присосы охлаждающей воды, рост мощности эжекторных установок для обезвоздушивания (деаэрации) конденсата. В конечном итоге это приводит к включению в состав ТЭС с ТСПУ дополнительных систем, емкостей, насосов и прочего оборудования, существенно усложняющих ее схему и конструкцию.

Низкий КПД ТЭС на базе ТСПУ, работающих на воде и водяном паре, приводит к потерям тепла, превышающим 60%. Такая величина потерь делает такие ТЭС неприемлемыми для энергоэффективной энергетики, и вынуждает переходить к сложным и дорогостоящим парогазовым теплосиловым установкам, представляющим собой комбинацию теплосиловой газовой установки и ТСПУ, с электрическим КПД, достигающим 60% и более, и потерями тепла менее 40%.

Указанные недостатки ТСПУ во многом могли бы быть устранены применением в качестве рабочего тела диоксида углерода (СО₂), относимого к наиболее перспективным рабочим телам энергетических установок. СО₂ термостоек, неядовит, взрывобезопасен, негорюч, экологичен. По сравнению с пароводяным рабочим телом СО₂ имеет значительно более высокую плотность газообразной фазы (при температуре 20°С давление СО₂ составляет порядка 60 ата и 1 кг СО₂ занимает объем около 5 л, в то время как при той же температуре объем, занимаемый водяным паром, составляет порядка 55 тыс.л.), более низкие кинематические вязкости жидкой и газообразной фазы, более высокое значение теплопроводности газообразной фазы, существенно меньшую удельную теплоту парообразования, более высокие значения достижимых КПД и энергоэффективности.

Критической точке диоксида углерода соответствуют температура 31,1°С и давление 73,8 бар. По этой причине в климатических регионах, в которых атмосферный воздух в теплое время прогревается до температур ~20-25°С, классический теплосиловой паровой цикл с конденсацией СО₂ и сбросом тепла, отводимого из цикла, в окружающую среду не применяют - газообразный СО₂ с отводом тепла конденсации в окружающую среду в это время года с экономически приемлемыми результатами невозможно сконденсировать.

ТСПУ, в которых давление расширенного СО₂ повышают с помощью компрессоров (без конденсации расширенного СО₂), по сравнению с классической ТСПУ на СО₂ (с конденсацией расширенного СО₂), имеют худшие технические и экономические показатели и им требуются высокотехнологичные компрессоры, много более сложные и дорогие, чем насосы, применяемые в классической ТСПУ.

Недостатком способа-прототипа является и то, что при его применении в тригенерационных энергетических системах, вырабатывающих электричество, тепло и холод, выработку холода производят включением в энергетические системы абсорбционных холодильных машин (АБХМ).

Тригенерационная система с АБХМ представляет собой ТСПУ, в которой недорасширенное рабочее тело конденсируют при повышенной температуре и тепло конденсации в отопительный период используют для нагрева теплоносителя, отпускаемого потребителям. По окончании отопительного периода ненужное для отопления тепло, производимое такой системой, предлагают направлять на выработку холода с помощью АБХМ, непосредственно преобразующих тепло в холод с минимальным потреблением электроэнергии.

Однако, несмотря на давнюю известность, подобные тригенерационные системы до сих пор не востребованы по следующим причинам:

- холод, производимый бромисто-литиевыми АБХМ, рекомендуемыми для тригенерационных схем, представляет собой охлажденную воду с температурой 5-7°С, требующуюся в основном системам кондиционирования воздуха. В странах с умеренным климатом такой холод потребляется в лучшем случае один, два летних месяца в году (при этом максимальное количество холода требуется только в очень жаркую погоду, а при спадании жары - потребность в холоде снижается в разы). В переходные периоды: от холодной погоды к теплой или, наоборот, от теплой к холодной, помещения выгоднее охлаждать уличным воздухом, а не кондиционировать;

- выработка и потребление электрической энергии, теплоты и холода в тригенерационных энергоустановках с АБХМ сильно взаимозависимы. Даже при когенерационном производстве электрической и тепловой энергии, один вид энергии производят по свободному, а второй по принудительному графикам. Что касается тригенерации с АБХМ: здесь по принудительным графикам уже должны производиться и потребляться два вида энергии. Потребителей, готовых принимать холод не когда он требуется, а когда его смогут поставить, нет;

- большинство потребителей холода (промышленность, сельское хозяйство…) нуждаются в холоде круглый год, а не после окончания отопительного периода. И чаще всего потребляют холод с более низкой температурой, чем производят рекомендуемые к применению АБХМ.

Среди других недостатков способа-прототипа:

- недостаточно полное извлечение тепла из сбросных продуктов сгорания топлива (дымовых газов), используемых в ТСПУ для генерации пара.

- неиспользование энергии окружающей среды для выработки тепловой энергии.

Задачей изобретения является увеличение степени преобразования энергии сжигаемого топлива в механическую энергию, объединение выработки механической энергии с выработкой тепла и холода, отпускаемых внешним потребителям круглый год, вовлечение энергии окружающей среды в производство тепла, повышение энергоэффективности, а также сокращение номенклатуры используемого оборудования и инвестиционных затрат.

Указанная задача достигается тем, что в способе работы ТСПУ, включающем повышение давления жидкого рабочего тела, генерацию пара, расширение пара с преобразованием тепловой энергии в механическую работу, конденсацию расширенного пара, подачу конденсата (жидкого рабочего тела) на повышение давления, теплоту конденсации передают в аккумулятор теплоты плавления с аккумулирующей средой, состоящей из жидкой и кристаллизованной фаз, в которой кристаллизованная фаза имеет температуру плавления более низкую, чем расчетная температура охлаждающей воды, принимаемая при проектировании традиционных теплосиловых водопаровых установок, аккумулятор эксплуатируют с поддержанием в нем нерасходуемой кристаллизованной фазы, из жидкой фазы отбирают тепло и трансформируют его в потребляемое тепло с помощью теплохолодильных установок (ТХУ), предназначенных для извлечения тепла кристаллизации жидкости, вырабатываемую потребляемую теплоту отпускают потребителям в соответствии с их текущими потребностями, невостребуемую для текущего потребления выработанную потребляемую теплоту передают в накопитель тепла, жидкую фазу из аккумулятора отпускают в качестве хладоносителя предприятиям промышленности, сельского хозяйства, торговли, общественного питания и др. с последующим ее возвратом в аккумулятор.

Аккумулятор теплоты плавления с аккумулирующей средой, состоящей из жидкой и кристаллизованной фаз, представляет собой контактный теплообменник, в котором теплообмен между жидкой (более теплой, греющей) и кристаллизованной (более холодной, не меняющей температуру при плавлении) фазами происходит в процессе их непосредственного соприкосновения друг с другом. Кристаллизованная фаза аккумулирующей среды - вещество с пониженной внутренней энергией. Тепло, поступающее в аккумулятор, плавит кристаллизованную фазу и, переходя в жидкую фазу, повышает внутреннюю энергию аккумулирующей среды, не меняя ее температуры. При незначительном количестве кристаллизованной фазы в аккумуляторе или ее отсутствии поступление тепла в аккумулятор полностью расплавляет остатки кристаллизованной фазы и повышает температуру жидкой фазы. Минимальное количество кристаллизованной фазы в аккумуляторе, при котором она еще способна поглощать больше тепла, чем его отдает жидкая фаза, и поддерживать температуру жидкой фазы на выходе из аккумулятора близкой к температуре плавления кристаллизованной фазы, в настоящей заявке именуется нерасходуемым количеством кристаллизованной фазы.

Эксплуатация аккумулятора с поддержанием в нем нерасходуемой кристаллизованной фазы, позволяет иметь на выходе из аккумулятора постоянную температуру жидкой фазы на температурном уровне близком к температуре плавления кристаллизованной фазы в течение всего срока эксплуатации системы, реализующей предлагаемый способ.

Поддержание нерасходуемой кристаллизованной фазы в аккумуляторе производят ТХУ, первостепенной задачей которых является отбор тепла из жидкой фазы с целью не допущения накопления в аккумуляторе избыточного тепла, способного привести к плавлению нерасходуемой кристаллизованной фазы. Один из вариантов поддержания нерасходуемой кристаллизованной фазы в аккумуляторе: переход при приближении количества кристаллизованной фазы в аккумуляторе к нерасходуемому значению, к ежесуточным отборам тепла из аккумулятора не меньшим суточных поступлений тепла в аккумулятор (увеличением числа работающих ТХУ), и возвращение к ежесуточным отборам не большим суточных поступлений тепла в аккумулятор (уменьшением числа работающих ТХУ) при приближении количества кристаллизованной фазы в аккумуляторе к максимальному значению.

Ежесуточные отборы тепла из аккумулятора не меньшие его суточных поступлений в аккумулятор возможны только за счет извлечения тепла кристаллизации из жидкой фазы. Это создает по окончании суточных циклов осуществления способа гарантированные приросты количества кристаллизованной фазы (достижение постоянства нерасходуемого количества кристаллизованной фазы на практике слишком проблематично), создающие постепенное ее накопление в аккумуляторе до максимального значения. При приближении количества кристаллизованной фазы в аккумуляторе к максимальному значению переход к ежесуточным отборам тепла из аккумулятора, не превышающим суточные поступления тепла в аккумулятор (отключением ТХУ), создает недоотбор тепла из аккумулятора, плавление кристаллизованной фазы и уменьшение ее количества в аккумуляторе. При очередном приближении количества кристаллизованной фазы в аккумуляторе к нерасходуемому значению вновь переходят к ежесуточным отборам тепла из аккумулятора не меньшим его суточных поступлений (включением ТХУ). Такая эксплуатация аккумулятора дает полную гарантию не уменьшения количества кристаллизованной фазы в аккумуляторе ниже нерасходуемого значения и обеспечивает низкую и постоянную температуру жидкой фазы в аккумуляторе в течение всего срока эксплуатации системы, реализующей предлагаемый способ.

Традиционно теплоту конденсации рабочего тела ТСПУ отводят в окружающую среду, чаще всего в оборотную воду, охлаждаемую атмосферным воздухом. Конденсатор ТСПУ проектируют исходя из способности атмосферного воздуха охлаждать оборотную воду в летнее время года. В соответствии с этим в зависимости от географического местонахождения и системы водоснабжения электростанции температуру охлаждающей воды на входе в конденсатор при проектировании принимают равной 10; 12; 15; 20 и 25°С [2].

Предлагаемый способ исключает использование для охлаждения теплопринимающей среды атмосферного воздуха и обеспечивает получение жидкой фазы на выходе из аккумулятора с постоянной температурой близкой к 0°С (при использовании в качестве аккумулирующей среды пресной воды) и ниже (при использовании в качестве аккумулирующей среды водных растворов спиртов, солей, кислот…) в течение всего срока эксплуатации системы, реализующей предлагаемый способ, что позволяет использовать жидкую фазу из аккумулятора в качестве теплопринимающей среды для приема теплоты конденсации рабочего тела ТСПУ и передачи ее в аккумулятор.

Передача теплоты конденсации рабочего тела ТСПУ в аккумулятор позволяет на стадии проектирования предусмотреть работу ТСПУ с более низкими конечными параметрами (давлением, температурой), чем рекомендуемые действующими проектными руководствами для установок, работающих на воде и водяном паре, с отводом сбросного тепла в окружающую среду. Снижение давления и температуры, отработавшего в турбине ТСПУ рабочего тела, уменьшает количество отводимой из установки теплоты, что вследствие неизменности начальных параметров создает увеличение теплоперепада и мощности турбины с повышением ее термического КПД [3].

Кроме того, постоянная температура жидкой фазы в аккумуляторе позволяет получать постоянную температуру и давление конденсации расширенного рабочего тела ТСПУ на протяжении всего периода эксплуатации, в то время как в ТСПУ с отводом теплоты конденсации в окружающую среду, в которых температура и давление конденсации постоянно претерпевают изменения в соответствии с изменениями температуры окружающей среды и в течение года большей частью отличаются от принятых проектных значений, совпадая с ними лишь в отдельные периоды. Отклонения температуры и давления конденсации от проектных значений, как в сторону повышения, так и в сторону понижения, снижают КПД и уменьшают выработку электроэнергии. Поэтому эксплуатация ТСПУ без отклонений температуры и давления конденсации расширенного рабочего тела от проектных значений, т.е. с неизменным КПД, увеличивает выработку электрической энергии.

На многих предприятиях промышленности, сельского хозяйства, торговли, общественного питания и др. широко применяется в качестве промежуточного хладоносителя так называемая «ледяная» вода с температурой 1-4°С. Постоянная температура жидкой фазы в аккумуляторе (близкая к 0°С при использовании в качестве аккумулирующей среды пресной воды) в течение всего срока эксплуатации системы, реализующей предлагаемый способ, прежде всего, позволяет жидкую фазу из аккумулятора отпускать этим предприятиям вместо «ледяной» воды в соответствии с их потребностями круглогодично или в любые периоды времени, когда им требуется. Потребление централизовано поставляемого хладоносителя вместо его собственного производства с помощью холодильных машин позволит предприятиям-потребителям жидкой фазы избавиться от холодильных машин для собственной выработки хладоносителя, высвободить за счет этого производственные площади, сократить обслуживающий персонал, а в случае нового строительства или модернизации предприятия - сократить количество используемого оборудования, уменьшить объемы строительства, снизить инвестиционные и эксплуатационные затраты.

Использование жидкой среды из аккумулятора в качестве хладоносителя и теплопринимающей среды обеспечивает передачу в аккумулятор тепла, передаваемого потребителями холода в хладоноситель и тепла, отводимого при конденсации рабочего тела ТСПУ в теплопринимающую среду (в традиционных системах хладоснабжения это тепло сбрасывают в окружающую среду, где оно полностью теряется). Это превращает потребителей холода в поставщиков энергии, а ранее теряемую тепловую энергию - в источник энергии для выработки потребляемой теплоты, непосредственно отпускаемой потребителям в соответствии с их текущими потребностями, и сохранением теплоты, невостребуемой для текущего потребления, в накопителе тепла для будущего потребления, что существенно повышает энергоэффективность.

В процессе поддержания в аккумуляторе нерасходуемой кристаллизованной фазы, (отбора тепла из жидкой фазы и трансформации его в потребляемое тепло с помощью ТХУ) количество вырабатываемой потребляемой теплоты может превышать текущее теплопотребление. Для исключения потерь выработанной потребляемой теплоты ее отпускают потребителям в соответствии с их текущими потребностями, а невостребуемую для текущего потребления выработанную потребляемую теплоту передают в накопитель тепла для будущего потребления.

Способ может быть осуществлен с использованием в качестве рабочего тела ТСПУ диоксида углерода (СО₂). Как известно, для этого требуется охлаждающая среда с температурой не превышающей +10°С [4]. Такая аккумулирующая среда, как пресная вода, позволяет получать в аккумуляторе температуру жидкой фазы близкую к 0°С. Это ниже требуемых +10°С, подходит для конденсации СО₂ в любой момент эксплуатации вне зависимости от времени года и погодных условий и позволяет реализовать классический конденсационный теплосиловой паровой цикл на СО₂, характеризуемый наиболее высоким КПД, по сравнению с другими циклами на СО₂.

В частности, КПД экспериментальной ТЭС, работающей по циклу Аллама с турбиной на СО₂, достигает 58,9% [5]. Такой КПД близок к КПД энергетических установок с бинарным парогазовым циклом, обладающих самым высоким электрическим КПД из всех известных в мире тепловых энергетических установок. КПД самого эффективного в мире парогазового блока фирмы Siemens в базовой нагрузке достигает 63% [6]. Но бинарный парогазовый цикл Siemens реализуется комбинацией 2-х энергетических установок: газовой и паровой, работающей на воде и водяном паре, делающих парогазовую установку весьма высокотехнологичным и дорогим устройством. Цикл Аллама реализуется одной установкой. К тому же, высокий КПД СО₂-турбины делает ее перспективной и для замены в парогазовых установках ТСПУ, работающих на воде и водяном паре, что позволит дополнительно повысить КПД парогазовой установки.

Вдобавок к этому высокая плотность СО₂ при рабочих давлениях уменьшает диаметры трубопроводов, сокращает габаритные размеры расширительных машин: турбин, детандеров…, и в конечном итоге повышает компактность энергетических установок. Намного большее, чем атмосферное, давление конденсации СО₂ исключает подсосы воздуха, и, соответственно, делает излишними в составе энергетических установок деаэрационные устройства, вакуумные эжекторы, часть насосов, баков и др., уменьшает номенклатуру используемого оборудования, упрощает схемы установок, улучшает их эксплуатационные характеристики, упрощает и удешевляет обслуживание и эксплуатацию.

Способ может быть осуществлен с одним или несколькими параллельно реализуемыми утилизационными паровыми циклами с генерацией пара в первом из утилизационных циклов за счет тепла, непреобразованного в работу в паровом цикле теплосиловой паровой установки, во втором утилизационном цикле - за счет тепла, непреобразованного в работу в первом утилизационном цикле и т.д. до тех пор, пока сохраняется целесообразность использования в последующем утилизационном цикле тепла, непреобразуемого в работу в предыдущем цикле, и отводом теплоты конденсации расширенных рабочих тел утилизационных циклов в аккумулятор.

Особенность теплосиловых циклов на СО₂ - высокое конечное давление расширенного рабочего тела (давление конденсации), приводящее к уменьшению степени расширения рабочего тела в расширителе и срабатываемого на нем теплоперепада. В результате этого в расширенном рабочем теле остаются значительные количества тепла, не преобразуемого в процессе расширения в механическую энергию [4]. Утилизационные циклы обеспечивают максимально полное преобразование тепла, поступающего от продуктов сгорания топлива в рабочее тело, в механическую энергию, что при одних и тех же затратах топлива позволяет производить большее количество механической и соответственно электрической энергии.

Способ может осуществляться с покрытием пиковых потреблений тепла энергией, извлекаемой из окружающей среды, передаваемой в аккумулятор, отбираемой из аккумулятора и трансформируемой в потребляемое тепло ТХУ, или с использованием в качестве аккумулирующей среды воды и покрытием пиковых потреблений тепла подачей воды в аккумулятор из природного или искусственного водоема, трансформацией внутренней энергии воды в потребляемое тепло ТХУ и удалением из аккумулятора избыточно образующейся кристаллизованной фазы.

Первый метод покрытия пиковых потреблений тепла может оказаться рациональным в регионах с высокой инсоляцией, где эффективно применение солнечных коллекторов или концентраторов.

В регионах, в которых использование солнечного излучения нецелесообразно, источником энергии для покрытия пиковых потребностей может служить внутренняя энергия жидкой воды. Применение для извлечения такой энергии генераторов кускового льда [7] позволяет образующийся в результате такого извлечения энергии избыток льда выгружать из аккумулятора, например, ковшом, загружать выгруженный таким образом лед в кузов автомобиля и, по аналогии с вывозом снега при очистке улиц, отправлять его обратно в водоем или на специальную площадку для последующего плавления солнечным теплом в теплое время года. Также избыточная кристаллизованная фаза (лед) может удаляться из аккумулятора в накопитель холода для последующего ее использования, например, на покрытие пиковых потребностей в холоде системами кондиционирования воздуха в жаркое время года.

Удаленную массу кристаллизованной фазы восполняют жидкой аккумулирующей средой из внешнего источника, количество которой по массе соответствует удаленной массе кристаллизованной фазы.

Указанное покрытие пиковых потреблений исключает потребность в пиковых котлах и котельных, упрощает схему энергетической установки, реализующей способ, сокращает номенклатуру используемого оборудования, уменьшает инвестиционные затраты, позволяет использовать энергию окружающей среды для производства тепла.

Количество ТХУ в энергетической системе, реализующей предлагаемый способ, определяется максимальными суточными теплопоступлениями в аккумулятор за годовой рабочий цикл, которые имеют место, главным образом в теплое время года (в неотопительный период) в результате возрастания в это время года потребления хладоносителя на кондиционирование воздуха в помещениях и увеличения теплопоступлений в аккумулятор с возвращаемым хладоносителем из систем кондиционирования.

В отопительный период покрытие базовой тепловой нагрузки производят за счет более-менее стабильных суточных поступлений тепла в аккумулятор. Эти теплопоступления меньше летних и для их отбора из аккумулятора требуется меньше работающих ТХУ, чем необходимо для отбора тепла из аккумулятора в летнее время года.

По этой причине пиковые потребления тепла в отопительный период обеспечиваются задействованием ТХУ, предназначенными для наиболее нагруженного неотопительного периода. Т.е. не только без применения оборудования других видов (котлов…), но даже без использования дополнительного оборудования. Это упрощает подсистему теплохладоснабжения и инвестиционные затраты на ее создание.

Аналогичный результат достигается выбором количества ТХУ исходя из покрытия в отопительный период максимальной пиковой нагрузки. В этом случае ТХУ, производящие покрытие пиковых теплопотреблений, в неотопительный период используют для отбора из аккумулятора возрастающих теплопоступлений летнего периода, связанных с возрастающим потреблением холода и передачей в аккумулятор тепла, отбираемого от охлаждаемых объектов.

Способ может быть осуществлен с применением жидкой фазы из аккумулятора для утилизации тепла отходящих продуктов сгорания топлива (дымовых газов), остающегося в них после использования тепла продуктов сгорания, для генерации пара в ТСПУ и передачей утилизированного тепла в аккумулятор.

Более низкая температура жидкой фазы, по сравнению с температурой окружающей среды в теплое время года, позволяет использовать утилизирующие конструкции, рассчитанные на использование охлаждающей среды с более низкой температурой, обеспечивающие более глубокое охлаждение дымовых газов и извлечение из них большего количества скрытой теплоты парообразования водяных паров. Преобразование этого тепла наряду с теплом, отводимым от ТСПУ, с помощью ТХУ в потребляемое тепло, поставляемое для непосредственного потребления и в накопитель тепла приближает использование теплоты сгорания сжигаемого топлива практически к полному с достижением энергоэффективности, близкой к максимально возможной.

Способ может быть осуществлен с приводом в действие компрессоров ТХУ приводными тепловыми двигателями, работающими по органическому циклу Ренкина (ОЦР), расширенные рабочие тела которых конденсируют путем теплообмена с отбираемой из аккумулятора жидкой фазой, возвращаемой после теплообмена в аккумулятор, и отводом в аккумулятор остаточной теплоты продуктов сгорания топлива, сжигаемого в камерах сгорания приводных двигателей, после отдачи ими тепловой энергии рабочим телам приводных двигателей.

Как известно, приведение в действие вспомогательных механизмов ТЭС с помощью тепловых двигателей позволяет сэкономленную на собственных нуждах электроэнергию перенаправлять внешним потребителям, что повышает КПД по отпуску электрической энергии и соответственно увеличивает отпуск электроэнергии внешним потребителям с использованием одного и того же генерирующего оборудования.

Однако выгоды от применения, особенно маломощных приводных тепловых двигателей, таких как двигатели внутреннего сгорания, паровые и газовые турбины, по сравнению с электрическими двигателями, незначительны. Причины: небольшой КПД (обычно 25-30%, в лучшем случае 35%), большие потери тепла, сложная конструкция, громоздкость, необходимость в квалифицированном обслуживающем персонале и др.

Конденсация расширенных рабочих тел приводных ОЦР-двигателей путем теплообмена с отбираемой из аккумулятора жидкой фазой понижает конечные параметры расширения: давление и температуру и увеличивает за счет этого количество теплоты, передаваемой от продуктов сгорания топлива, сжигаемого в камерах сгорания приводных двигателей, к рабочим телам приводных двигателей, и, соответственно, степень преобразования теплоты, поступающей в рабочие тела приводных двигателей, в механическую энергию. Такая конденсация также обеспечивает передачу тепла, отводимого от рабочих тел приводных двигателей (не преобразуемую в механическую энергию), в аккумулятор, куда одновременно отводят остаточное тепло отработанных в приводных двигателях продуктов сгорания топлива. В результате этого достигается практически полное полезное использование всей внутренней энергии топлива, выделяющейся в камерах сгорания приводных двигателей: часть - на привод ТХУ, а остаток, сбрасываемый в традиционных тепловых приводах в окружающую среду, - для производства потребляемого тепла.

Использование в качестве рабочего тела тепловых приводов СО₂, благодаря указанным выше его достоинствам, обеспечивает достижение компактности и более высокого термического КПД привода, позволяющего получать требуемую мощность при меньшем расходе сжигаемого топлива. Образующаяся в результате этого экономия топлива уменьшает эксплуатационные затраты, повышает экономичность, энергоэффективность и выгодность применения теплового привода.

Соответствующий выбор аккумулирующей способности (емкости) аккумулятора и поддержание количества кристаллизованной фазы в аккумуляторе в диапазоне между нерасходуемым и максимальным значениями, обеспечивают реализацию совместной выработки электричества, тепла и холода с отпуском каждого из этих видов энергии любому потребителю по удобному ему графику потребления в требуемом количестве и в нужное время. Это, по сравнению с тригенерационной технологией с выработкой холода с помощью АБХМ только в неотопительный период (высвобождающимся отопительным теплом) делает совместное производство электричества, тепла и холода более выгодным и привлекательным для применения.

Способ поясняется фиг. 1, на которой приведена упрощенная схема энергогенерирующей системы централизованного электро-, тепло- и холодоснабжения.

Основные структурные единицы системы: ТСПУ, вырабатывающая механическую энергию для привода генератора электрического тока, аккумулятор энергии (АЭ), ТХУ с тепловым приводом, утилизатор тепла (УТ) из сбрасываемых в атмосферу отработанных продуктов сгорания топлива.

ТСПУ включает три паротурбинных контура К1, К2, К3, из которых контур К1 является основным, а К2 и К3 - утилизационными.

В контур К1 включены последовательно расположенные котел 1 с топкой и теплообменным блоком 2, турбина 3, рекуператор 4, конденсатор 5, конденсатный насос 6.

Контур К2 включает последовательно расположенные турбину 7, рекуператор 8, конденсатор 9, конденсатный насос 10, рекуператор 4.

Контур К3 включает последовательно расположенные турбину 11, конденсатор 12, конденсатный насос 13, рекуператор 8.

Турбины 3, 7, 11 установлены на общем валу 14, к которому подсоединен генератор электрического тока 15.

В котле 1 в качестве топлива используется природный газ, а в контурах К1, К2 и К3 в качестве рабочего тела - диоксид углерода (СО₂).

АЭ представляет собой емкость 16 с установленными внутри коллекторами 17, 18, 19. Аккумулирующей средой в АЭ служит вода, кристаллизованная фаза которой (лед) на фиг. 1 изображена в виде заштрихованной области емкости 16.

ТХУ реализует обратный термодинамический цикл, работающий на традиционных хладагентах (фреон R134a, NH₃…), в замкнутом контуре которого последовательно расположены компрессор 20 с тепловым приводом 21, конденсатор 22, расширитель 23, испаритель-льдогенератор 24.

ТХУ фиг. 1 обеспечивает экономически оправданный нагрев теплоносителя до 65-70°С и включен в состав энергогенерирующей системы для упрощения изложения ее назначения. На практике рациональнее применение более сложных ТХУ, например, использующих в качестве рабочего тела СО₂, обеспечивающих нагрев теплоносителя до 85-90°С и выше.

Также для упрощения на фиг. 1 не приведены средства утилизации тепла, сбрасываемого из теплового привода 21, и передачи утилизированного тепла в АЭ.

Помимо этого в состав энергогенерирующей системы входят утилизатор тепла 25 из сбрасываемых в атмосферу отработанных продуктов сгорания топлива, насосы 26-30, трубопроводные линии 31-44, включая газовод 35 для отвода газов и несконденсированных паров из УТ 25 в атмосферу.

Исходное состояние энергогенерирующей системы перед эксплуатацией: АЭ заполнен необходимым количеством воды, в нем сформировано начальное количество льда, превышающее нерасходуемое. Вода в аккумуляторе имеет температуру близкую к температуре таяния льда.

Система работает следующим образом.

Жидкий СО₂ с выхода конденсатора 5 насосом 6 подают на вход теплообменного блока 2, входящего в котел 1, в топке которого сжигают природный газ. Образующиеся в топке котла 1 продукты сгорания, обтекая теплообменные поверхности теплообменного блока 2, нагревают протекающий через него СО₂ высокого давления. Нагретый до высокой температуры СО₂ с выхода блока 2 поступает в турбину 3, в которой он расширяется с преобразованием тепла в механическую энергию вращения турбины 3 и передачей этой энергии на вал 14. С выхода турбины 3 расширенный СО₂ поступает в контур греющей среды рекуператора 4, в котором тепло СО₂, непреобразованное в турбине 3 в механическую энергию, передается рабочему телу контура К2.

Расширенный СО₂, передавший тепловую энергию в контур К2, из рекуператора 4 поступает в конденсатор 5, в котором конденсируется с отводом тепла конденсации в охлаждающую воду, подаваемую в конденсатор 5 из АЭ насосом 27 по линии 31 и соответствующему подводу. Конденсат СО₂ с выхода конденсатора 5 насосом 6 нагнетают в теплообменный блок 2, замыкая тем самым паровой цикл контура К1 с турбиной 3.

Рабочее тело теплосилового контура К2, нагретое в рекуператоре 4, поступает в турбину 7, в которой оно расширяется с преобразованием тепла в механическую энергию вращения турбины 7 и передачей этой энергии на вал 14. С выхода турбины 7 расширенный СО₂ направляется в контур греющей среды рекуператора 8, в котором тепло СО₂, непреобразованное в турбине 7 в механическую энергию, передается рабочему телу контура К3.

Расширенный СО₂, передавший тепловую энергию в контур К3, из рекуператора 8 поступает в конденсатор 9, в котором конденсируется с отводом тепла конденсации в охлаждающую воду, подаваемую в конденсатор 9 из АЭ насосом 27 по линии 31 и соответствующему подводу. Конденсат СО₂ с выхода конденсатора 9 насосом 10 нагнетают в рекуператор 4, замыкая тем самым паровой цикл контура К2 с турбиной 7.

Рабочее тело теплосилового контура К3, нагретое в рекуператоре 8, поступает в турбину 11, в которой оно расширяется с преобразованием тепла в механическую энергию вращения турбины 11 и передачей этой энергии на вал 14. С выхода турбины 11 расширенный СО₂ поступает в конденсатор 12, в котором конденсируется с отводом тепла конденсации в охлаждающую воду, подаваемую в конденсатор 9 из АЭ насосом 27 по линии 31 и соответствующему подводу. Конденсат СО₂ с выхода конденсатора 12 насосом 13 нагнетают в рекуператор 8, замыкая тем самым паровой цикл контура К3 с турбиной 11.

Выполнение теплосиловых циклов в контурах K1, К2 и К3 создает механическую энергию вращения вала 14, которая передается генератору электрического тока 15.

Тепло конденсации СО₂ в контурах К1, К2 и К3, переходящее в конденсаторах 5, 9, 12 в охлаждающую воду, из этих конденсаторов с отепленной водой по соответствующим отводам, линии 32, через коллектор 18, отводится в АЭ, повышая запас энергии в нем.

Продукты сгорания топлива из котла 1 по линии 33 отводят в утилизатор тепла 25, в который для их более полного охлаждения по линии 31 из емкости 16 насосом 27 подают воду с температурой близкой к температуре таяния льда. Такая вода обеспечивает более глубокое охлаждение дымовых газов и более глубокую утилизацию из них тепла, прежде всего, теплоты парообразования содержащихся в них паров воды. Утилизированную теплоту из утилизатора 25 в виде очищенной жидкости (средства очистки на фиг.1 не показаны) с помощью насоса 26 по линии 34 через коллектор 17 передают в емкость 16 для последующего использования в качестве источника энергии ТХУ, а охлажденные сбросные газы и пары по газоводу 35 сбрасывают в атмосферу.

Выработку тепла и холода в энергогенерирующей системе фиг. 1 производят ТХУ, приводимым в действие тепловым двигателем 21. Рабочее тело ТХУ сжимают компрессором 20 и с выхода компрессора подают в контур греющей среды конденсатора 22, в контур нагреваемой среды которого насосом 28 подают остывший теплоноситель, возвращаемый от потребителей тепла по линиям 36, 37. Нагретый в конденсаторе 22 конденсирующимся рабочим телом ТХУ теплоноситель с выхода конденсатора 22 по линии 38 отправляют потребителям тепла. Если весь расход теплоносителя для непосредственного потребления не требуется, «лишний» теплоноситель по линии 39 подают в накопитель тепла.

Конденсат из конденсатора 22 по линии 40 направляют в расширитель 23. Расширение рабочего тела в расширителе 23 создает холод, используемый в испарителе-льдогенераторе 24 для охлаждения и кристаллизации воды, подаваемой туда из емкости 16 насосом 29 по линии 41. В льдогенераторе 24 вода охлаждается и частично намораживается на теплообменных элементах льдогенератора. Незамерзшая вода из льдогенератора 24 сливается в емкость 16 по линии 42. Лед, намораживаемый на теплообменных элементах льдогенератора 24, по мере его накопления в льдогенераторе, по линии 42 сбрасывают в емкость 16. Испарившееся в льдогенераторе 24 рабочее тело ТХУ возвращают на вход компрессора 20.

Поставку холода внешним потребителям производят путем подачи из емкости 16 с помощью насоса 30 по линии 43 воды (хладоносителя) с температурой близкой к температуре таяния льда. Отепленный у потребителей хладоноситель возвращают в АЭ по линии 44.

Источники информации

1. Циклы теплосиловых, холодильных и теплонасосных установок. Методы анализа их эффективности: учеб. пособие / Л.В. Равичев, О.А. Кайгородова, С.И. Ильина, Д.Д. Оганесян. - М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2021, с. 81-83 или http://chemengrkhtu.ru/materials/Tsikly_teplosilovykh_kholodilnykh_i.pdf.

2. Злобин В.Г., Липатов М.С. Паротурбинные установки тепловых и атомных электростанций: практикум / В.Г. Злобин, М.С. Липатов. - СПб.: ВШТЭ СПбГУПТД, 2021. с. 60.

3. Техническая термодинамика и теплопередача, Нащокин В.В., изд. 2-е, переработанное и дополненное, М.: Высшая школа, 1975, с. 275

4. Применение сверхкритических углекислотных циклов в установках по утилизации промышленной теплоты, Суровцев И.Г., Арбеков А.Н., журнал «Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана», №2, 2013 г., с. 335-346 или http://cyberleninka.ru/article/n/primenenie-sverhkriticheskih-uglekislotnyh-tsiklov-v-ustanovkah-po-utilizatsii-promyshlennoy-teploty.

5. Давыдов Д. Запущена первая в мире ТЭС, работающая на основе Цикла Аллама, 26.02.2017 (https://teknoblog.ru/2017/02/26/75321).

6. http://gtt.ru/2020/05/siemens-otgruzil-svoyu-moshnuyu-i-effektivnuyu-gazovuyu-turbinu/

7. Марков B.C., Лазарев А.Г. Особенности получения ледяной воды с использованием насыпных льдоаккумуляторов // Журнал «Холодильная техника», 2003, №5, с. 33-35.

Изобретение относится к энергетике и предназначено для централизованного теплохладоснабжения с генерацией электрической энергии на собственные нужды и отпуском внешним потребителям. Особенность способа - использование аккумулятора теплоты плавления, например, водного льда, с постоянной температурой жидкой воды, близкой к 0°С.Конденсация рабочего тела теплосиловой паровой установки (ТСПУ) такой водой обеспечивает реализацию конденсационного рабочего цикла ТСПУ на СО₂, повышающим ее КПД. Одновременно обеспечиваются круглогодичный отпуск воды из аккумулятора в качестве хладоносителя внешним потребителям холода и др. улучшения. Тепло из аккумулятора удаляют теплохолодильными машинами, трансформирующими удаляемое тепло в потребляемое. Потребляемое тепло отпускают потребителям в соответствии с их текущими потребностями, невостребуемую для текущего потребления выработанную потребляемую теплоту передают в накопитель тепла. Технический результат: совместная выработка электричества, тепла и холода с почти полным полезным использованием энергии сжигаемого топлива и повышением степени преобразования теплоты сгорания топлива в механическую/электрическую энергию. 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ работы теплосиловой паровой установки, включающий повышение давления жидкого рабочего тела, генерацию пара, расширение пара с преобразованием тепловой энергии в механическую работу, конденсацию расширенного пара, подачу конденсата (жидкого рабочего тела) на повышение давления, отличающийся тем, что теплоту конденсации передают в аккумулятор теплоты плавления с аккумулирующей средой, состоящей из жидкой и кристаллизованной фаз, в которой кристаллизованная фаза имеет температуру плавления более низкую, чем расчетная температура охлаждающей воды, принимаемая при проектировании традиционных теплосиловых водопаровых установок, аккумулятор эксплуатируют с поддержанием в нем нерасходуемой кристаллизованной фазы, из жидкой фазы отбирают тепло и трансформируют его в потребляемое тепло с помощью теплохолодильных установок, предназначенных для извлечения тепла кристаллизации жидкости, вырабатываемую потребляемую теплоту отпускают потребителям в соответствии с их текущими потребностями, невостребуемую для текущего потребления выработанную потребляемую теплоту передают в накопитель тепла, жидкую фазу из аккумулятора отпускают в качестве хладоносителя предприятиям промышленности, сельского хозяйства, торговли, общественного питания и др. с последующим ее возвратом в аккумулятор.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при приближении количества кристаллизованной фазы в аккумуляторе к нерасходуемому значению, переходят к ежесуточным отборам тепла из аккумулятора не меньшим (равным или большим) суточных поступлений тепла в аккумулятор, при приближении количества кристаллизованной фазы в аккумуляторе к максимальному значению, переходят к ежесуточным отборам не большим (равным или меньшим) суточных поступлений тепла в аккумулятор.

3. Способ по пп. 1, 2, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела установки используют диоксид углерода (СО₂).

4. Способ по пп. 1-3, отличающийся тем, что его осуществляют с одним или несколькими параллельно реализуемыми утилизационными паровыми циклами с генерацией пара в первом из утилизационных циклов за счет тепла, непреобразованного в работу в паровом цикле теплосиловой паровой установки, во втором утилизационном цикле - за счет тепла, непреобразованного в работу в первом утилизационном цикле и т.д. до тех пор, пока сохраняется целесообразность использования в последующем утилизационном цикле тепла, непреобразуемого в работу в предыдущем цикле, и отводом теплоты конденсации расширенных рабочих тел утилизационных циклов в аккумулятор.

5. Способ по пп. 1-4, отличающийся тем, что его осуществляют с покрытием пиковых потреблений тепла энергией, извлекаемой из окружающей среды, передаваемой в аккумулятор, отбираемой из аккумулятора и трансформируемой в потребляемое тепло теплохолодильными установками.

6. Способ по пп. 1-4, отличающийся тем, что в качестве аккумулирующей среды используют воду из природного или искусственного водоема и способ осуществляют с покрытием пиковых потреблений тепла подачей воды в аккумулятор из водоема, трансформацией внутренней энергии воды в потребляемое тепло теплохолодильными установками и удалением из аккумулятора избыточно образующейся кристаллизованной фазы.

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что избыточно образующуюся кристаллизованную фазу из аккумулятора удаляют в накопитель холода.

8. Способ по пп. 1-7, отличающийся тем, что компрессоры теплохолодильных установок приводят в действие тепловыми двигателями, работающими по органическому циклу Ренкина, расширенные рабочие тела которых конденсируют путем теплообмена с отбираемой из аккумулятора жидкой фазой, возвращаемой после теплообмена в аккумулятор, и остаточную теплоту продуктов сгорания топлива, сжигаемого в камерах сгорания приводных двигателей, после отдачи ими тепловой энергии рабочим телам приводных двигателей, отводят в аккумулятор.

9. Способ по пп. 1-8, отличающийся тем, что его осуществляют с применением жидкой фазы из аккумулятора для утилизации тепла отходящих продуктов сгорания топлива (дымовых газов), остающегося в них после использования для генерации пара, и передачей утилизированного тепла в аккумулятор.