Результат интеллектуальной деятельности: КОНДЕНСАЦИОННАЯ ПАРОТУРБИННАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ КОЧЕТОВА

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к тепловым электростанциям промышленных предприятий, где применяются башенные или вентиляторные градирни.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому объекту является тепловая электростанция, содержащая:

- энергетический котел, в который подводится питательная вода под большим давлением, топливо и атмосферный воздух для горения. В топке котла идет процесс горения - химическая энергия топлива превращается в тепловую и лучистую энергию. Питательная вода протекает по трубной системе, расположенной внутри котла. Сгорающее топливо является мощным источником теплоты, которая передается питательной воде. Последняя нагревается до температуры кипения и испаряется. Получаемый пар в этом же котле перегревается сверх температуры кипения. Этот пар с температурой 540°C и давлением 13÷24 МПа по одному или нескольким трубопроводам подается в паровую турбину;

- турбоагрегат, состоящий из паровой турбины, электрогенератора и возбудителя. Паровая турбина, в которой пар расширяется до очень низкого давления (примерно в 20 раз меньше атмосферного), преобразует потенциальную энергию сжатого и нагретого до высокой температуры пара в кинетическую энергию вращения ротора турбины. Турбина приводит электрогенератор, преобразующий кинетическую энергию вращения ротора генератора в электрический ток. Электрогенератор состоит из статора, в электрических обмотках которого генерируется ток, и ротора, представляющего собой вращающийся электромагнит, питание которого осуществляется от возбудителя;

- конденсатор служит для конденсации пара, поступающего из турбины, и создания глубокого разрежения. Это позволяет очень существенно сократить затрату энергии на последующее сжатие образовавшейся воды и одновременно увеличить работоспособность пара, т.е. получить большую мощность от пара, выработанного котлом;

- питательный насос для подачи питательной воды в котел и создания высокого давления перед турбиной (патент РФ №2418255, МПК F28C 1/00, прототип).

Недостатком известного устройства является сравнительно невысокая эффективность и недостаточно рациональное использование вторичных энергоресурсов, например, в градирне, где охлаждение воды происходит с поверхности мелкофракционного капельного потока, и имеет место сравнительно малый диапазон гидравлических и тепловых нагрузок, при которых градирня может эффективно охлаждать циркуляционную воду.

Технически достижимый результат - повышение эффективности работы электростанции и рациональное использование вторичных энергоресурсов.

Это достигается тем, что в конденсационной паротурбинной электростанции, содержащей котельную установку, производящую пар высоких параметров, паротурбинную установку, преобразующую теплоту пара в механическую энергию, и электрические устройства, обеспечивающие выработку электроэнергии потребителю, основным элементом котельной установки является газовый котел, газ для работы которого подается от газораспределительной станции к горелкам, расположенным в поде котла, а котел представляет собой П-образную конструкцию с газоходами прямоугольного сечения, причем левая часть является топкой, внутренняя часть которой свободна и в которой происходит горение топлива, при этом к горелкам специальным дутьевым вентилятором непрерывно подается горячий воздух, нагреваемый в воздухоподогревателе, при этом часть дымовых газов, уходящих из котла, специальным вентилятором рециркуляции подается к основному воздуху и смешивается с ним, причем стены топки облицованы экранами, представляющими собой трубы, к которым подается питательная вода из экономайзера, а пространство за топкой котла заполнено трубами, внутри которых движется пар или вода, причем снаружи эти трубы омываются горячими дымовыми газами, постепенно остывающими при движении к дымовой трубе, при этом основной пароперегреватель состоит из потолочного 20, ширмового 21 и конвективного 22 элементов, а паровая турбина турбоагрегата состоит из нескольких отдельных турбин - цилиндров: цилиндра высокого давления, цилиндра среднего давления и одного или нескольких одинаковых цилиндров низкого давления, из которых пар поступает в конденсатор, представляющий собой теплообменник, по трубкам которого непрерывно протекает охлаждающая вода, подаваемая циркуляционным насосом из аванкамеры градирни, выполненной с системой оборотного водоснабжения, которая имеет раздельные гидравлические контуры приготовления и потребления воды для градирни и содержит два бака для сбора воды с системой подпитки воды, затрачиваемой на испарение, причем баки соединены между собой компенсационной трубой, обеспечивающей гидравлическую независимость контуров приготовления рабочей воды и ее потребления, при этом образующийся в конденсаторе конденсат конденсатным насосом подается через фильтр, гидроаккумулятор и группу регенеративных подогревателей низкого давления в деаэратор, из которого питательная вода питательным насосом, приводимым в действие электродвигателем или специальной паровой турбиной, подается в группу подогревателей высокого давления, а газообразные продукты сгорания топлива, отдав свою основную теплоту питательной воде, поступают на трубы экономайзера и в воздухоподогреватель, в которых они охлаждаются до температуры 140÷60°C и направляются с помощью дымососа к дымовой трубе.

На фиг.1 представлена схема конденсационной паротурбинной электростанции (ТЭС), работающей на газе, на фиг.2, 3, 4, 5, 6 - варианты оросительной системы градирни.

Основными узлами конденсационной паротурбинной электростанции являются: котельная установка, производящая пар высоких параметров; турбинная или паротурбинная установка, преобразующая теплоту пара в механическую энергию вращения ротора турбоагрегата, и электрические устройства (электрогенератор, трансформатор и т.д.), обеспечивающие выработку электроэнергии потребителю, подаваемую посредством линий электропередач (ЛЭП).

Основным элементом котельной установки является газовый котел, газ для работы которого подается от газораспределительной станции 1, подключенной к магистральному газопроводу (не показан). Давление газа в газораспределительной станции 1 снижается до нескольких атмосфер и газ подается к горелкам 2, расположенным в поде котла (в случае применения горелок подовых). Котел представляет собой, например (как вариант), П-образную конструкцию с газоходами прямоугольного сечения, причем левая часть является топкой. Внутренняя часть топки свободна, и в ней происходит горение топлива, в рассматриваемом случае - газа. К горелкам 2 специальным дутьевым вентилятором 28 непрерывно подается горячий воздух, нагреваемый в воздухоподогревателе 25, например вращающемся воздухоподогревателе, теплоаккумулирующая набивка которого на первой половине оборота обогревается уходящими дымовыми газами, а на второй половине оборота - нагревает поступающий из атмосферы воздух. Для повышения температуры воздуха используется рециркуляция: часть дымовых газов, уходящих из котла, специальным вентилятором рециркуляции 29 подается к основному воздуху и смешивается с ним. Горячий воздух смешивается с газом и через горелки 2 котла подается в его топку - камеру, в которой происходит горение топлива. При горении образуется факел, представляющий собой мощный источник лучистой энергии. Таким образом, при горении топлива его химическая энергия превращается в тепловую и лучистую энергию факела.

Стены топки облицованы экранами 19, представляющими собой трубы, к которым подается питательная вода из экономайзера 24, при этом в экранах прямоточного котла питательная вода, проходя трубную систему котла, только один раз, нагревается и испаряется, превращаясь в сухой насыщенный пар. В рассматриваемой схеме могут быть использованы также барабанные котлы, в экранах которых осуществляется многократная циркуляция питательной воды, а отделение пара от котловой воды происходит в барабане.

Пространство за топкой котла достаточно густо заполнено трубами, внутри которых движется пар или вода. Снаружи эти трубы омываются горячими дымовыми газами, постепенно остывающими при движении к дымовой трубе 26.

Сухой насыщенный пар поступает в основной пароперегреватель, состоящий из потолочного 20, ширмового 21 и конвективного 22 элементов. В основном пароперегревателе повышается его температура и, следовательно, потенциальная энергия. Полученный на выходе из конвективного пароперегревателя пар высоких параметров покидает котел и поступает по паропроводу к паровому турбоагрегату.

Мощная паровая турбина турбоагрегата состоит из нескольких отдельных турбин - цилиндров. К первому цилиндру - цилиндру высокого давления (ЦВД) 17 пар подводится прямо из котла, и поэтому он имеет высокие параметры (для турбин СКД - 23,5 МПа, 540°C, т.е. 240 ат/540°C). На выходе из ЦВД давление пара составляет 3÷3,5 МПа (30÷35 ат), а температура - 300÷340°C. Если бы пар продолжал расширяться в турбине дальше от этих параметров до давления в конденсаторе, то он стал бы настолько влажным, что длительная работа турбины была бы невозможной из-за эрозионного износа его деталей в последнем цилиндре. Поэтому из ЦВД относительно холодный пар возвращается обратно в котел в промежуточный пароперегреватель 23. В нем пар попадает снова под воздействие горячих газов котла, его температура повышается до исходной (540°C). Полученный пар направляется в цилиндр среднего давления (ЦСД) 16. После расширения в ЦСД до давления 0,2÷0,3 МПа (2÷3 ат) пар поступает в один или несколько одинаковых цилиндров низкого давления (ЦНД) 15.

Таким образом, расширяясь в турбине, пар вращает ее ротор, соединенный с ротором электрического генератора 14, в статорных обмотках 13 которого образуется электрический ток. Трансформатор повышает его напряжение для уменьшения потерь в линиях электропередачи, передает часть выработанной энергии на питание собственных нужд ТЭС, а остальную электроэнергию отпускает в энергосистему по ЛЭП.

И котел, и турбина могут работать только при очень высоком качестве питательной воды и пара, допускающем лишь ничтожные примеси других веществ. Кроме того, расходы пара огромны (например, в энергоблоке 1200 МВт за одну секунду испаряется, проходит через турбину и конденсируется более 1 т воды). Поэтому нормальная работа энергоблока возможна только при создании замкнутого цикла циркуляции рабочего тела высокой чистоты.

Пар, покидающий ЦНД турбины, поступает в конденсатор 12, представляющий собой теплообменник, по трубкам которого непрерывно протекает охлаждающая вода, подаваемая циркуляционным насосом 9 из аванкамеры 10 градирни 11 (а также возможна схема подачи из водохранилища или реки). Градирня 11 выполнена в виде железобетонной пустотелой вытяжной башни высотой до 150 м и выходным диаметром 40÷70 м, которая создает самотягу для воздуха, поступающего снизу через воздухонаправляющие щиты (не показано). Внутри градирни 11 на высоте 10÷20 м устанавливают оросительное и разбрызгивающее устройства, при этом воздух, движущийся вверх, заставляет часть капель (примерно 1,5÷2%) испаряться, за счет чего охлаждается вода, поступающая из конденсатора 12 и нагретая в нем. Охлажденная вода собирается внизу в бассейне и перетекает в аванкамеру 10, откуда циркуляционным насосом 9 она подается снова в конденсатор 12.

В рассматриваемой схеме применена система оборотного водоснабжения, которая имеет раздельные гидравлические контуры приготовления и потребления воды для градирни (возможен вариант с несколькими параллельно соединенными градирнями - не показано). Система содержит два бака для сбора воды: бак 30 и бак 31 с системой подпитки 32 воды, затрачиваемой на испарение. Баки 30 и 31 (емкости) соединены между собой компенсационной трубой, обеспечивающей гидравлическую независимость контуров приготовления рабочей воды и ее потребления.

Бак 30 соединен с насосом 38, который подает горячую воду потребителю 35, который отбирает тепло этой воды либо посредством тепломассообменных аппаратов (не показано), либо посредством аппаратов конвективного теплообмена, например в системах отопления жилых массивов. На участке между насосом 38 и потребителем 35 установлена система контроля гидравлического сопротивления системы, состоящая из манометра 36 и вентиля 37. После охлаждения воды в потребителе 35 она снова поступает через вентиль 34 по трубопроводу 33 во второй бак 31, из которого охлажденная вода насосом 39 через фильтр 40 и вентиль 41 подается по трубопроводу в водораспределительную и оросительного системы градирни 11. На участке между фильтром 40 и вентилем 41 установлена система контроля гидравлического сопротивления фильтра 40, состоящая из манометра 42 и вентиля 43. Наряду с оборотным используют прямоточное водоснабжение, при котором охлаждающая вода поступает в конденсатор 12 прямо из реки и сбрасывается в нее ниже по течению (не показано).

Оросительная система градирни 11 (фиг.2) представляет собой блок насадки градирни и содержит сложенные слоями параллельно друг другу трубчатые элементы 44 из термопластичного материала с решетчатой стенкой. По торцам 45 трубчатые элементы 44 сварены между собой, выполнены с треугольным поперечным сечением и между каждым слоем трубчатых элементов 44 поперек трубчатых элементов 44 вдоль каждого их торцов 45 проложена полоса 46 из термопластичного материала, сваренная с трубчатыми элементами 44 в местах их соприкосновения с полосой 46, причем в процессе сварки оплавляют торцевые участки трубчатых элементов 44 и проложенных между ними полос 46 и формируют в процессе оплавления монолитные торцевые стенки блока. Полости каждого из трубчатых элементов 44 и межтрубное пространство заполнено полыми полимерными шарами 47, причем диаметр шаров на 5÷10% больше максимального размера ячейки решетчатой стенки трубчатых элементов.

Кроме того, в блоке насадки в поперечном сечении все трубчатые элементы 44 могут иметь одинаковое поперечное сечение и могут быть выполнены в форме равностороннего или равнобедренного треугольника. Трубчатые элементы 44 в слоях могут быть уложены таким образом, что в поперечном сечении трубчатые элементы 44 расположены один под другим или трубчатые элементы 44 в слоях могут быть уложены таким образом, что в поперечном сечении в соседних слоях трубчатые элементы 44 одного слоя расположены между трубчатыми элементами 44 соседнего слоя.

При использовании блока насадки в качестве оросителя воду, подлежащую охлаждению в градирне, разбрызгивают на ороситель, а затем она стекает по поверхности трубчатых элементов 44 и охлаждается встречным потоком воздуха, при этом в процессе эксплуатации жесткая конструкция блоков позволяет сохранять исходную конфигурацию собранного блока, что позволяет повысить эффективность процесса тепломассообмена в градирне.

При использовании блока насадки в качестве водоуловителя капли воды, которые уносятся вместе с воздушным потоком, при проходе несколько слоев трубчатых элементов 44 оседают на поверхности последних, собираются в большие капли и стекают обратно в бассейн градирни. Таким образом предотвращается потеря воды с капельным уносом.

Оросительная система градирни 11 (фиг.3) может быть выполнена в виде модуля из слоев 48 полимерных ячеистых труб 49. Трубы ориентированы во всех слоях 48 параллельно друг другу и спаяны по торцам 50 модуля между собой в местах 51 соприкосновения. Полости каждой из труб и межтрубное пространство заполнено полыми полимерными шарами 52, причем диаметр шаров на 5÷10% больше максимального размера ячейки труб 49.

При этом для увеличения жесткости конструкции трубы в смежных слоях могут быть размещены в шахматном порядке относительно друг друга.

Ячеистые полимерные трубы 49 получают методом экструзии, нарезают на секции, длина которых соответствует длине боковой стороны модуля, и укладывают в кондуктор, соблюдая необходимое направление укладки, т.е. располагая трубы 49 параллельно друг другу. После накопления в кондукторе необходимого количества труб 49 к их торцам подводят нагревательные элементы и сваривают их между собой в местах 51 соприкосновения. За счет этого по торцам 50 модуля оросителя образуются диафрагмы жесткости, позволяющие ему в процессе эксплуатации сохранить исходную оптимальную геометрию своих элементов. Дополнительную жесткость конструкции придает более плотная укладка труб в шахматном порядке в смежных слоях.

Трубы в модуле могут быть расположены наклонно (фиг.4). Трубы могут быть выполнены извилистыми (фиг.5). Трубы могут быть собраны из гофрированных листов (фиг.6), которые сварены по краям гофр, причем структура каналов может быть как прямой, извилистой, наклонной, так и состоящей из комбинаций этих форм.

Пар, поступающий из турбины в межтрубное пространство конденсатора 12, конденсируется и стекает вниз; образующийся конденсат конденсатным насосом 6 подается через фильтр 5, гидроаккумулятор 4 и группу регенеративных подогревателей низкого давления (ПНД) 3 в деаэратор 8. В ПНД температура конденсата повышается за счет теплоты конденсации пара, отбираемого из турбины. Это позволяет уменьшить расход топлива в котле и повысить экономичность электростанции. В деаэраторе 8 происходит деаэрация - удаление из конденсата растворенных в нем газов, нарушающих работу котла. Одновременно бак деаэратора представляет собой емкость для питательной воды котла.

Из деаэратора питательная вода питательным насосом 7, приводимым в действие электродвигателем или специальной паровой турбиной, подается r группу подогревателей высокого давления (ПВД) 18.

Регенеративный подогрев конденсата в ПНД 3 и ПВД 18 - это основной и очень выгодный способ повышения КПД ТЭС. Пар, который расширился в турбине от входа до трубопровода отбора, выработал определенную мощность, а поступив в регенеративный подогреватель, передал свое тепло конденсации питательной воде (а не охлаждающей как в прототипе), повысив ее температуру и тем самым сэкономив расход топлива в котле. Температура питательной воды котла за ПВД, т.е. перед поступлением в котел, составляет в зависимости от начальных параметров 240÷280°C. Таким образом замыкается технологический пароводяной цикл преобразования химической энергии топлива в механическую энергию вращения ротора турбоагрегата. Газообразные продукты сгорания топлива, отдав свою основную теплоту питательной воде, поступают на трубы экономайзера 24 и в воздухоподогреватель 25, в которых они охлаждаются до температуры 140÷160°C и направляются с помощью дымососа 27 к дымовой трубе 26.

Конденсационная паротурбинная электростанция работает следующим образом.

В паровой турбинной установке (ПТУ) над рабочим телом совершается непрерывный цикл преобразования химической энергии сжигаемого топлива в электрическую энергию. Кроме перечисленных элементов реальная ПТУ дополнительно содержит большое число насосов, теплообменников и других аппаратов, необходимых для повышения ее эффективности.

Газ для работы котла подается от газораспределительной станции 1, подключенной к магистральному газопроводу (не показан). Давление газа в газораспределительной станции 1 снижается до нескольких атмосфер и газ подается к горелкам 2, расположенным в поде котла (в случае применения горелок подовых). Котел представляет собой, например (как вариант) П-образную конструкцию с газоходами прямоугольного сечения, причем левая часть является топкой. Внутренняя часть топки свободна, и в ней происходит горение топлива, в рассматриваемом случае - газа. К горелкам 2 специальным дутьевым вентилятором 28 непрерывно подается горячий воздух, нагреваемый в воздухоподогревателе 25, например вращающемся воздухоподогревателе, теплоаккумулирующая набивка которого на первой половине оборота обогревается уходящими дымовыми газами, а на второй половине оборота - нагревает поступающий из атмосферы воздух. Для повышения температуры воздуха используется рециркуляция: часть дымовых газов, уходящих из котла, специальным вентилятором рециркуляции 29 подается к основному воздуху и смешивается с ним. Горячий воздух смешивается с газом и через горелки 2 котла подается в его топку - камеру, в которой происходит горение топлива. При горении образуется факел, представляющий собой мощный источник лучистой энергии. Таким образом, при горении топлива его химическая энергия превращается в тепловую и лучистую энергию факела.

Сухой насыщенный пар поступает в основной пароперегреватель, состоящий из потолочного 20, ширмового 21 и конвективного 22 элементов. В основном пароперегревателе повышается его температура и, следовательно, потенциальная энергия. Полученный на выходе из конвективного пароперегревателя пар высоких параметров покидает котел и поступает по паропроводу к паровому турбоагрегату, в котором, расширяясь в турбине, пар вращает ее ротор, соединенный с ротором электрического генератора 14, в статорных обмотках 13 которого образуется электрический ток. Трансформатор повышает его напряжение для уменьшения потерь в линиях электропередачи, передает часть выработанной энергии на питание собственных нужд ТЭС, а остальную электроэнергию отпускает в энергосистему по ЛЭП.

Пар, покидающий ЦНД турбины, поступает в конденсатор 12, представляющий собой теплообменник, по трубкам которого непрерывно протекает охлаждающая вода, подаваемая циркуляционным насосом 9 из аванкамеры 10 градирни 11 (а также возможна схема подачи из водохранилища или реки). Градирня 11 выполнена с системой оборотного водоснабжения, которая имеет раздельные гидравлические контуры приготовления и потребления воды для градирни (возможен вариант с несколькими параллельно соединенными градирнями - не показано). Наряду с оборотным используют прямоточное водоснабжение, при котором охлаждающая вода поступает в конденсатор 12 прямо из реки и сбрасывается в нее ниже по течению (не показано).

Оросительная система градирни 11 работает следующим образом.

Вода, разбрызгиваемая форсунками, поступает на ороситель и стекает тонкой пленкой без каплеобразования по его элементам. При этом происходит равномерный тепломассообмен по всему объему оросителя, а следовательно, повышается охлаждающая способность оросителя и снижается материалоемкость.

Пар, поступающий из турбины в межтрубное пространство конденсатора 12, конденсируется и стекает вниз; образующийся конденсат конденсатным насосом 6 подается через фильтр 5, гидроаккумулятор 4 и группу регенеративных подогревателей низкого давления (ПНД) 3 в деаэратор 8. В ПНД температура конденсата повышается за счет теплоты конденсации пара, отбираемого из турбины. Это позволяет уменьшить расход топлива в котле и повысить экономичность электростанции. В деаэраторе 8 происходит деаэрация - удаление из конденсата растворенных в нем газов, нарушающих работу котла. Одновременно бак деаэратора представляет собой емкость для питательной воды котла. Из деаэратора питательная вода питательным насосом 7, приводимым в действие электродвигателем или специальной паровой турбиной, подается в группу подогревателей высокого давления (ПВД) 18.

Газообразные продукты сгорания топлива, отдав свою основную теплоту питательной воде, поступают на трубы экономайзера 24 и в воздухоподогреватель 25, в которых они охлаждаются до температуры 140÷60°C и направляются с помощью дымососа 27 к дымовой трубе 26. Дымовая труба создает разрежение в топке и газоходах котла; кроме того, она рассеивает вредные продукты сгорания в верхних слоях атмосферы, не допуская их высокой концентрации в нижних слоях.