Способ работы теплоэлектрической станции с регенеративным циклом Ренкина

Предлагаемый способ работы теплоэлектрической станции с регенеративным циклом Ренкина относится к области электроэнергетики и может быть использован на атомных электрических станциях (АЭС) и тепловых электрических станциях (ТЭС).

Известен способ-аналог работы теплоэлектрической станции с регенеративным циклом Ренкина (А.А. Александров. Термодинамические основы циклов теплоэнергетических установок. М.: Издательство МЭИ. 2004, в разделе 7.6. "Регенеративный цикл паротурбинной установки"), в котором пар полностью (т.е. без отборов) после адиабатного расширения в первом цилиндре турбины направляют в первый регенеративный теплообменник, где он отдает теплоту конденсату, затем весь пар подают в следующий (второй) цилиндр турбины, где он расширяется адиабатно и снова подают в следующий (второй) регенеративный теплообменник, где он снова отдает теплоту конденсату, затем весь пар подают в третий цилиндр турбины, и так далее. Так повторяют до тех пор, пока не будет достигнуто давление, равное давлению в конденсаторе.

С увеличением числа цилиндров турбины и числа регенеративных теплообменников ступенчатая линия адиабатного расширения пара в цилиндрах турбины будет приближаться к политропной линии, эквидистантной линии регенеративного нагрева конденсата на диаграмме регенеративного цикла в координатах Ts (температура-энтропия), а в целом цикл будет приближаться к обобщенному термодинамическому циклу Карно.

Недостатком способа является многократная транспортировка всего пара из турбины в регенеративные теплообменники и назад, что вызывает большие конструктивные и эксплуатационные трудности при больших капитальных вложениях, и поэтому способ-аналог на практике нигде не применяется.

Известен прототип - способ работы тепловой электрической станции, по которому вырабатываемый в котле пар направляют в турбину, конденсируют в конденсаторе, паром регенеративных отборов нагревают в регенеративных подогревателях основной конденсат и деаэрируют в деаэраторе (Патент РФ №2502877, опубл. 27.12.2013).

Способ-прототип работы тепловой электрической станции, по сути, реализует основные операции известного регенеративного цикла Ренкина, по которому строятся современные АЭС и ТЭС.

Регенеративный цикл в способе-прототипе осуществляется путем последовательного отвода из турбины частей пара для регенеративного подогрева питательной воды. При таком способе состояние оставшегося основного потока пара в турбине остается таким же, как в цикле без регенерации.

Недостатком способа-прототипа является то, что, по сути, он является паллиативным решением (т.е. не через обобщенный термодинамический цикл Карно), поэтому его реализация содержит сложную систему отборов пара от цилиндров турбины, паропроводов, регенеративных подогревателей низкого и высокого давления, что снижает надежность теплоэлектрической станции в целом.

Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, состоит в том, чтобы процесс расширения пара вести по политропе, эквидистантной кривой регенерации тепла, что, в свою очередь, позволит реально получить наивыгоднейший по КПД термодинамический цикл Карно.

Технический результат, достигаемый настоящим изобретением, заключается в том, что реализация предлагаемого способа позволяет выполнить теплоэлектрическую станцию с регенеративным циклом Ренкина более интегрированной (компактной), менее металлоемкой и, следовательно, более надежной и менее затратной при сооружении.

Для достижения этого результата в способе работы теплоэлектрической станции с регенеративным циклом Ренкина, по которому вырабатываемый в котле пар направляют в пароперегреватель, турбину по крайней мере с одним цилиндром, конденсируют в конденсаторе и деаэрируют, корпус цилиндра турбины снабжают протоками и используют их для регенеративного подогрева конденсата, при этом по протокам прокачивают конденсат в направлении против тока пара в турбине.

Кроме того, в способе работы теплоэлектрической станции с регенеративным циклом Ренкина цикл дополнительно выполняют по крайней мере с одним промежуточным (вторичным) перегревом пара.

На Фиг. 1 представлена принципиальная тепловая схема блока мощностью N=300 МВт с трехцилиндровой турбиной К-300-240 при реализации предлагаемого способа работы теплоэлектрической станции с регенеративным циклом Ренкина.

На Фиг. 2 представлена соответствующая схеме Фиг. 1 диаграмма регенеративного цикла в координатах Ts.

Рассмотрим реализацию предлагаемого способа работы теплоэлектрической станции с регенеративным циклом Ренкина на примере реальной принципиальной тепловой схемы блока мощностью N=300 МВт с трехцилиндровой турбиной К-300-240 согласно Фиг. 1. Одновременно для каждого элемента схемы Фиг. 1 в скобках будет указываться соответствующий участок диаграммы регенеративного цикла в координатах Ts по Фиг. 2.

В паровом котле 1 (участок диаграммы 1-2) вырабатывают пар, который весь дополнительно нагревают в пароперегреватель 2 (участок диаграммы 2-3) и подают в цилиндр высокого давления (ЦВД) 3 турбины (участок диаграммы 3-4), после которого подают в промежуточный (вторичный) пароперегревателе 4 (участок диаграммы 4-5) и далее подают в цилиндр среднего давления (ЦСД) 5 (участок диаграммы 5-6-7). Здесь следует отметить, что на Фиг. 2 участок расширения пара в ЦСД 5 имеет излом, при этом подучасток 5-6 соответствует отсутствию протоков на части длины корпуса ЦСД 5 турбины, а подучасток 6-7 соответствует наличию протоков на части длины корпуса ЦСД 5 турбины. Длина подучастка 6-7 диаграммы, и, следовательно, соответствующей ей длина протока, определяется достижением температуры конденсата на входе в котел - в нашем примере по диаграмме 276°С (в точке 6). Далее пар подают в цилиндр низкого давления (ЦНД) 6 турбины (участок диаграммы 7-8), вращающей генератор 7, статорные обмотки которого соединены с энергосистемой. После ЦНД 6 турбины весь пар конденсируют в конденсаторе 8 (участок диаграммы 8-9), конденсат которого конденсатным насосом 9 подают в деаэратор 10. Далее питательным насосом 11 для плавного (т.е. без ступенчатого) регенеративного подогрева конденсат прокачивают последовательно по протокам 12 (участок диаграммы 7-8 с отбором тепла от пара ЦНД 6 и с подогревом конденсата - в точке 7 на диаграмме - до 210°С) и протокам 13 (подучасток диаграммы 6-7 с отбором тепла от пара ЦСД 5 с дальнейшим подогревом конденсата до температуры на входе в котел - в точке 6 на диаграмме, как указывалось, до 276°С) в направлении против тока пара в цилиндрах турбины. При этом используют протоки 12 и 13 в качестве поверхностных регенеративных подогревателей (участок диаграммы 9-1 с подогревом конденсата от 29°С до 276°С). После протоков 13 конденсат подают в паровой котел 1 (в исходную точку 1 диаграммы Фиг. 2). Очевидно, что для достижения температуры конденсата на входе в котел - в нашем примере по диаграмме 276°С - потребовались протоки 12 по всей длине корпуса ЦНД 6, а протоки 13 - только по части длины корпуса ЦСД 5.

Предполагается, что экономайзер является элементом котла 1, поэтому он отдельно на Фиг. 1 не показан. Циркуляционным насосом 14 прокачивают охлаждающую воду конденсатора 8. На Фиг. 2 через "X" обозначена "сухость" пара в [о.е].

Таким образом, предлагаемый способ работы теплоэлектрической станции с регенеративным циклом Ренкина позволяет протоки в корпусах цилиндров турбины использовать в качестве поверхностных регенеративных подогревателей конденсата, прокачивая по ним конденсат в направлении против тока пара в цилиндрах турбины, что, в свою очередь, позволяет выполнить теплоэлектрическую станцию более интегрированной (компактной), менее металлоемкой и, следовательно, более надежной и менее затратной при сооружении. Одновременно, как следует из диаграммы Фиг. 2 регенеративного цикла в координатах Ts, при предлагаемом способе процесс расширения пара ведут по политропе, эквидистантной кривой регенерации тепла, что позволяет получить наивыгоднейший по КПД регенеративный цикл Карно, т.е. работа теплоэлектрической станции становится максимально экономичной.