Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ РАБОТЫ ТЕПЛОВОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано на тепловых электрических станциях (ТЭС) для утилизации сбросной низкопотенциальной теплоты в конденсаторах паровых турбин ТЭС, утилизации низкопотенциальной теплоты пара из отборов паровой турбины и утилизации высокопотенциальной теплоты пара производственного отбора.

Аналогом является способ работы тепловой электрической станции, по которому весь поток обратной сетевой воды, возвращаемый от потребителей, последовательно нагревают паром отборов турбины в нижнем и в верхнем сетевых подогревателях, а затем направляют потребителям, охлаждение отработавшего пара производят циркуляционной водой, которую используют в качестве источника низкопотенциальной теплоты для испарителя теплонасосной установки, при этом весь поток сетевой воды после нижнего сетевого подогревателя дополнительно подогревают в конденсаторе теплонасосной установки (патент RU №2269656, МПК F01K 17/02, 10.02.2006).

Прототипом является способ работы тепловой электрической станции, содержащей подающий и обратный трубопроводы сетевой воды, паровую турбину с отопительными отборами пара и конденсатором, к которому подключены напорный и сливной трубопроводы циркуляционной воды, сетевые подогреватели, включенные по нагреваемой среде между подающим и обратным трубопроводами сетевой воды и подключенные по греющей среде к отопительным отборам, теплонасосную установку, испаритель которой подключен по греющей среде к сливному трубопроводу циркуляционной воды, при этом конденсатор теплонасосной установки по нагреваемой среде включен в подающий трубопровод сетевой воды после сетевых подогревателей (патент RU №2268372, МПК F01K 17/02, 20.01.2006).

В известном способе сетевую воду, поступающую от потребителей по обратному трубопроводу сетевой воды, с помощью сетевого насоса подают в сетевые подогреватели, где нагревают паром отопительных отборов турбины. Отработавший в турбине пар охлаждают в конденсаторе, для чего подают в него по напорному трубопроводу и отводят по сливному трубопроводу циркуляционную воду. Нагретую в сетевых подогревателях сетевую воду перед подачей потребителям дополнительно нагревают в конденсаторе теплонасосной установки, в качестве низкопотенциального источника теплоты в испарителе теплонасосной установки используют циркуляционную воду из сливного трубопровода.

Таким образом, в известном способе работы тепловой электрической станции пар отопительных параметров из отборов паровой турбины поступает в паровое пространство нижнего и верхнего сетевых подогревателей, сетевая вода поступает от потребителей по обратному трубопроводу сетевой воды в нижний сетевой подогреватель и верхний сетевой подогреватель, далее сетевую воду направляют в подающий трубопровод сетевой воды, отработавший пар поступает из паровой турбины в паровое пространство конденсатора, конденсируется на поверхности конденсаторных трубок, внутри которых протекает охлаждающая жидкость, при этом конденсат с помощью конденсатного насоса конденсатора паровой турбины направляют в систему регенерации, причем при конденсации пара осуществляют утилизацию сбросной низкопотенциальной тепловой энергии отработавшего в турбине пара при помощи охлаждающей жидкости.

Основным недостатком аналога и прототипа является относительно низкий коэффициент полезного действия ТЭС по выработке электрической энергии из-за отсутствия полной утилизации сбросной скрытой теплоты парообразования в конденсаторе паровой турбины, обусловленной наличием вторичного контура (теплонасосной установки), а также отсутствия утилизации низкопотенциальной теплоты пара из отборов паровой турбины, для дополнительной выработки электроэнергии.

Кроме этого, недостатком является низкий ресурс и надежность работы конденсатора паровой турбины из-за использования технической (циркуляционной) воды, которая загрязняет конденсатор паровой турбины. Из-за повышенных тепловых выбросов циркуляционной воды в водоем-охладитель нарушается его экосистема.

Задачей изобретения является повышение коэффициента полезного действия ТЭС за счет полного использования сбросной низкопотенциальной теплоты и утилизации низкопотенциальной теплоты пара из отборов паровой турбины для дополнительной выработки электрической энергии, повышение ресурса и надежности работы конденсатора паровой турбины и снижение тепловых выбросов в окружающую среду.

Технический результат достигается тем, что в способе работы тепловой электрической станции, по которому отработавший пар поступает из первой паровой турбины в паровое пространство конденсатора, конденсируется на поверхности конденсаторных трубок, внутри которых протекает охлаждающая жидкость, а пар из отборов первой паровой турбины поступает в паровое пространство нижнего и верхнего подогревателей, конденсируется на поверхности подогреваемых трубок подогревателей, внутри которых протекает охлаждающая жидкость, при этом при конденсации отработавшего пара осуществляют утилизацию сбросной низкопотенциальной тепловой энергии отработавшего в первой турбине пара при помощи охлаждающей жидкости, причем конденсат с помощью конденсатного насоса конденсатора первой паровой турбины направляют в систему регенерации, согласно настоящему изобретению в тепловой электрической станции используют конденсационную установку, имеющую вторую паровую турбину с выходом пара при температуре около 573 К и конденсатор второй паровой турбины, и осуществляют утилизацию высокопотенциальной теплоты пара, поступающего из второй паровой турбины при температуре около 573 К, при этом утилизацию сбросной низкопотенциальной тепловой энергии отработавшего в первой турбине пара, утилизацию низкопотенциальной теплоты пара из отборов первой паровой турбины и утилизацию высокопотенциальной теплоты пара осуществляют при помощи теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции, работающего по органическому циклу Ренкина, в котором в качестве охлаждающей жидкости используют низкокипящее рабочее тело, циркулирующее в замкнутом контуре, при этом его сжимают в конденсатном насосе теплового двигателя, нагревают в теплообменнике-рекуператоре теплового двигателя, нагревают в конденсаторе первой паровой турбины, нагревают в нижнем подогревателе первой паровой турбины, нагревают в верхнем подогревателе первой паровой турбины, испаряют в конденсаторе второй паровой турбины, расширяют в турбодетандере теплового двигателя, снижают его температуру в теплообменнике-рекуператоре теплового двигателя и конденсируют в теплообменнике-конденсаторе теплового двигателя.

В качестве теплообменника-конденсатора теплового двигателя используют или конденсатор воздушного охлаждения, или конденсатор водяного охлаждения, или конденсатор воздушного и водяного охлаждения.

В качестве низкокипящего рабочего тела используют сжиженный пропан C₃H₈.

Таким образом, технический результат достигается за счет полной утилизации сбросной низкопотенциальной теплоты (скрытой теплоты парообразования), утилизации низкопотенциальной теплоты пара из отборов первой паровой турбины и утилизации высокопотенциальной теплоты пара из второй паровой турбины, которые осуществляют путем последовательного нагрева, соответственно, в конденсаторе паровой турбины, в нижнем и верхнем подогревателях и конденсаторе второй паровой турбины низкокипящего рабочего тела (сжиженного пропана C₃H₈) теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции, работающего по органическому циклу Ренкина.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена тепловая электрическая станция, имеющая тепловой двигатель с теплообменником-конденсатором, теплообменником-рекуператором, верхние и нижние подогреватели и конденсационную установку.

На чертеже цифрами обозначены:

1 - первая паровая турбина,

2 - конденсатор первой паровой турбины,

3 - конденсатный насос конденсатора первой паровой турбины,

4 - основной электрогенератор,

5 - тепловой двигатель с замкнутым контуром циркуляции,

6 - турбодетандер,

7 - электрогенератор,

8 - теплообменник-конденсатор,

9 - конденсатный насос,

10 - верхний подогреватель первой паровой турбины,

11 - нижний подогреватель первой паровой турбины,

12 - конденсационная установка,

13 - вторая паровая турбина,

14 - электрогенератор второй паровой турбины,

15 - конденсатор второй паровой турбины,

16 - конденсатный насос конденсатора второй паровой турбины,

17 - теплообменник-рекуператор.

Тепловая электрическая станция включает последовательно соединенные первую паровую турбину 1, конденсатор 2 первой паровой турбины и конденсатный насос 3 конденсатора первой паровой турбины, а также основной электрогенератор 4, соединенный с первой паровой турбиной 1, которая соединена по греющей среде с верхним 10 и нижним 11 подогревателями, которые между собой соединены по нагреваемой среде.

В тепловую электрическую станцию введены тепловой двигатель 5 с замкнутым контуром циркуляции, работающий по органическому циклу Ренкина, и конденсационная установка 12. Конденсационная установка 12 содержит последовательно соединенные вторую паровую турбину 13, имеющую электрогенератор 14, конденсатор 15 второй паровой турбины и конденсатный насос 16 конденсатора второй паровой турбины.

Замкнутый контур циркуляции теплового двигателя 5 выполнен в виде контура с низкокипящим рабочим телом, содержащим турбодетандер 6 с электрогенератором 7, теплообменник-рекуператор 17, теплообменник-конденсатор 8, конденсатный насос 9, причем выход конденсатного насоса 9 соединен по нагреваемой среде с входом теплообменника-рекуператора 17, который соединен по нагреваемой среде с входом конденсатора 2 первой паровой турбины, выход которого соединен по нагреваемой среде с входом нижнего подогревателя 11, а выход верхнего подогревателя 10 соединен по нагреваемой среде с входом конденсатора 15 второй паровой турбины, выход конденсатора 15 второй паровой турбины соединен по нагреваемой среде с входом турбодетандера 6, выход которого соединен по греющей среде с теплообменником-рекуператором 17, выход теплообменника-рекуператора 17 соединен по греющей среде с теплообменником-конденсатором 8, выход которого соединен по нагреваемой среде с входом конденсатного насоса 9, образуя замкнутый контур охлаждения.

Способ работы тепловой электрической станции осуществляют следующим образом.

Отработавший пар поступает из первой паровой турбины 1 в паровое пространство конденсатора 2, конденсируется на поверхности конденсаторных трубок, внутри которых протекает охлаждающая жидкость, а пар из отборов паровой турбины 1 поступает в паровое пространство нижнего 11 и верхнего 10 подогревателей, конденсируется на поверхности подогреваемых трубок подогревателей 11 и 10, внутри которых протекает охлаждающая жидкость, при этом при конденсации отработавшего пара осуществляют утилизацию сбросной низкопотенциальной тепловой энергии отработавшего в первой турбине 1 пара при помощи охлаждающей жидкости, причем конденсат с помощью конденсатного насоса 3 конденсатора первой паровой турбины направляют в систему регенерации.

Отличием предлагаемого способа является то, что в тепловой электрической станции используют конденсационную установку 12, имеющую вторую паровую турбину 13 с выходом пара при температуре около 573 К и конденсатор 15 второй паровой турбины, и осуществляют утилизацию высокопотенциальной теплоты пара, поступающего из второй паровой турбины 13 при температуре около 573 К, при этом утилизацию сбросной низкопотенциальной тепловой энергии отработавшего в первой турбине 1 пара, утилизацию низкопотенциальной теплоты пара из отборов первой паровой турбины 1 и утилизацию высокопотенциальной теплоты пара осуществляют при помощи теплового двигателя 5 с замкнутым контуром циркуляции, работающего по органическому циклу Ренкина, в котором в качестве охлаждающей жидкости используют низкокипящее рабочее тело, циркулирующее в замкнутом контуре, при этом его сжимают в конденсатном насосе 9 теплового двигателя, нагревают в теплообменнике-рекуператоре 17 теплового двигателя, нагревают в конденсаторе 2 первой паровой турбины, нагревают в нижнем подогревателе 11 первой паровой турбины 1, нагревают в верхнем подогревателе 10 первой паровой турбины 1, испаряют в конденсаторе 15 второй паровой турбины 13, расширяют в турбодетандере 6 теплового двигателя, снижают его температуру в теплообменнике-рекуператоре 17 теплового двигателя и конденсируют в теплообменнике-конденсаторе 8 теплового двигателя.

В качестве теплообменника-конденсатора 8 теплового двигателя используют или конденсатор воздушного охлаждения, или конденсатор водяного охлаждения, или конденсатор воздушного и водяного охлаждения.

В качестве низкокипящего рабочего тела используют сжиженный пропан C₃H₈.

Пример конкретного выполнения.

Отработавший пар, поступающий из первой паровой турбины 1 в паровое пространство конденсатора 2, конденсируется на поверхности конденсаторных трубок, внутри которых протекает охлаждающая жидкость (сжиженный пропан C₃H₈). Мощность первой паровой турбины 1 передается соединенному на одном валу основному электрогенератору 4.

Конденсация пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования, которая отводится при помощи охлаждающей жидкости. Образующийся конденсат с помощью конденсатного насоса 3 конденсатора первой паровой турбины направляют в систему регенерации.

Преобразование сбросной низкопотенциальной тепловой энергии отработавшего в первой турбине 1 пара, а также низкопотенциальной тепловой энергии пара из отборов первой паровой турбины 1 и высокопотенциальной тепловой энергии пара из второй паровой турбины 13 в механическую и далее в электрическую происходит в замкнутом контуре циркуляции теплового двигателя 5, работающего по органическому циклу Ренкина.

Таким образом, утилизацию сбросной низкопотенциальной теплоты (скрытой теплоты парообразования) отработавшего в первой турбине 1 пара, утилизацию низкопотенциальной теплоты пара из отборов первой паровой турбины 1 и утилизацию высокопотенциальной теплоты пара из второй паровой турбины 13 осуществляют путем последовательного нагрева, соответственно, в конденсаторе 2 первой паровой турбины, в нижнем и верхнем подогревателях 11, 10 и конденсаторе 15 второй паровой турбины 13 низкокипящего рабочего тела (сжиженного пропана C₃H₈) теплового двигателя 5 с замкнутым контуром циркуляции, работающего по органическому циклу Ренкина.

Весь процесс начинается с сжатия в конденсатном насосе 9 сжиженного пропана C₃H₈, который последовательно направляют на нагрев в начале в теплообменник-рекуператор 17, куда поступает перегретый газообразный пропан C₃H₈ из турбодетандера 6, далее в конденсатор 2 первой паровой турбины, куда поступает отработавший в турбине 1 пар, а затем в нижний подогреватель 11, куда поступает пар из отбора первой паровой турбины 1 при температуре около 365 К, и в верхний подогреватель 10, куда поступает пар из отбора первой паровой турбины 1 при температуре около 400 К.

В процессе теплообмена перегретого газообразного пропана C₃H₈ с сжиженным пропаном C₃H₈ в теплообменнике-рекуператоре 17, а также в процессе конденсации отработавшего в первой турбине 1 пара в конденсаторе 2 паровой турбины и в процессе конденсации пара из отборов первой паровой турбины в нижнем подогревателе 11 и в верхнем подогревателе 10 происходит нагрев сжиженного пропана C₃H₈ до критической температуры 369,89 К при сверхкритическом давлении от 4,2512 МПа до 8 МПа, и далее его направляют на нагрев и испарение в конденсатор 15 второй паровой турбины, куда поступает пар из второй паровой турбины 13 при температуре около 573 К.

Пар, поступающий из второй паровой турбины 13 в паровое пространство конденсатора 15, конденсируется на поверхности конденсаторных трубок, внутри которых протекает охлаждающая жидкость (сжиженный пропан C₃H₈). Мощность второй паровой турбины 13 передается соединенному на одном валу основному электрогенератору 14.

Конденсация пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования, которая отводится при помощи охлаждающей жидкости. Образующийся конденсат с помощью конденсатного насоса 16 конденсатора второй паровой турбины направляют в систему регенерации.

В процессе конденсации пара в конденсаторе 15 второй паровой турбины происходит испарение сжиженного пропана C₃H₈ и дальнейший его перегрев до сверхкритической температуры от 369,89 К до 420 К при сверхкритическом давлении от 4,2512 МПа до 8 МПа, который направляют в турбодетандер 6.

Процесс настроен таким образом, что в турбодетандере 6 не происходит конденсации газообразного пропана C₃H₈ в ходе срабатывания теплоперепада. Мощность турбодетандера 6 передается соединенному на одном валу электрогенератору 7. На выходе из турбодетандера 6 газообразный пропан C₃H₈, имеющий температуру перегретого газа около 288 К, направляют в теплообменник-рекуператор 17 для снижения температуры.

В теплообменнике-рекуператоре 17 в процессе отвода теплоты на нагрев сжиженного пропана C₃H₈ снижается нагрузка на теплообменник-конденсатор 8 и затраты мощности на привод вентиляторов воздушного охлаждения.

Далее при снижении температуры газообразного пропана C₃H₈ происходит его сжижение в теплообменнике-конденсаторе 8, выполненном, например, в виде конденсатора воздушного охлаждения, охлаждаемого воздухом окружающей среды в температурном диапазоне от 223,15 К до 283,15 К.

После теплообменника-конденсатора 8 в сжиженном состоянии пропан C₃H₈ направляют для сжатия в конденсатный насос 9 теплового двигателя.

Далее органический цикл Ренкина на основе низкокипящего рабочего тела повторяется.

Использование в работе тепловой электрической станции конденсационной установки 12 позволяет повысить начальные параметры низкокипящего рабочего тела теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции до сверхкритических параметров, что приводит к увеличению теплоперепада на турбодетандере 6.

Использование предлагаемого способа работы тепловой электрической станции позволит, по сравнению с прототипом, повысить коэффициент полезного действия ТЭС за счет полного использования сбросной низкопотенциальной теплоты отработавшего пара, утилизации низкопотенциальной теплоты пара из отборов первой паровой турбины и утилизации высокопотенциальной теплоты пара из второй паровой турбины для дополнительной выработки электрической энергии, повысить ресурс и надежность работы конденсатора паровой турбины и снизить тепловые выбросы в окружающую среду.