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 системы маслоснабжения подшипников 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, а также систему маслоснабжения подшипников паровой турбины, содержащую последовательно соединенные по греющей среде сливной трубопровод, маслобак, маслонасос и маслоохладитель, выход которого по нагреваемой среде соединен с напорным трубопроводом (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. В паровой турбине используют систему маслоснабжения подшипников паровой турбины с маслоохладителем.

Таким образом, в известном способе работы тепловой электрической станции 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, при конденсации пара осуществляют утилизацию сбросной низкопотенциальной тепловой энергии отработавшего в турбине пара при помощи охлаждающей жидкости, причем в паровой турбине используют систему маслоснабжения подшипников паровой турбины с маслоохладителем.

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 для дополнительной выработки электроэнергии, обусловленной наличием вторичного контура (теплонасосной установки), а также отсутствия утилизации низкопотенциальной теплоты системы маслоснабжения подшипников 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 системы маслоснабжения подшипников 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, при этом конденсат с помощью конденсатного насоса конденсатора первой паровой турбины направляют в систему регенерации, при конденсации пара осуществляют утилизацию сбросной низкопотенциальной тепловой энергии отработавшего в первой турбине пара при помощи охлаждающей жидкости, причем в первой паровой турбине используют систему маслоснабжения подшипников паровой турбины с маслоохладителем, в тепловой электрической станции используют конденсационную установку, имеющую конденсатор второй паровой турбины, и осуществляют утилизацию высокопотенциальной теплоты пара, дополнительно осуществляют утилизацию низкопотенциальной теплоты системы маслоснабжения подшипников паровой турбины, при этом утилизацию сбросной низкопотенциальной тепловой энергии отработавшего в первой турбине пара, утилизацию низкопотенциальной теплоты системы маслоснабжения подшипников 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 конденсаторе первой паровой турбины, нагревают в маслоохладителе и испаряют в конденсаторе второй паровой турбины, расширяют в турбодетандере 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 углекислый газ CO₂.

Таким образом, технический результат достигается за счет полной утилизации сбросной низкопотенциальной теплоты (скрытой теплоты парообразования), утилизации низкопотенциальной теплоты системы маслоснабжения подшипников первой паровой турбины и утилизации высокопотенциальной теплоты пара из второй паровой турбины, которые осуществляют путем последовательного нагрева соответственно в конденсаторе первой паровой турбины, маслоохладителе и конденсаторе второй паровой турбины низкокипящего рабочего тела (сжиженного углекислого газа CO₂) теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции, работающего по органическому циклу Ренкина.

Сущность изобретения поясняется фиг.1, на которой представлена тепловая электрическая станция, имеющая тепловой двигатель с теплообменником-конденсатором, и конденсационную установку.

На фиг.1 цифрами обозначены:

1 - первая паровая турбина,

2 - конденсатор паровой турбины,

3 - конденсатный насос конденсатора паровой турбины,

4 - основной электрогенератор,

5 - тепловой двигатель с замкнутым контуром циркуляции,

6 - турбодетандер,

7 - электрогенератор,

8 - теплообменник-конденсатор,

9 - конденсатный насос,

10 - система маслоснабжения подшипников паровой турбины,

11 - сливной трубопровод,

12 - маслобак,

13 - маслонасос,

14 - маслоохладитель,

15 - напорный трубопровод,

16 - конденсационная установка,

17 - вторая паровая турбина,

18 - электрогенератор второй паровой турбины,

19 - конденсатор второй паровой турбины,

20 - конденсатный насос конденсатора второй паровой турбины.

Тепловая электрическая станция включает последовательно соединенные первую паровую турбину 1, конденсатор 2 паровой турбины и конденсатный насос 3 конденсатора паровой турбины, основной электрогенератор 4, соединенный с паровой турбиной 1, а также систему 10 маслоснабжения подшипников паровой турбины, содержащую последовательно соединенные по греющей среде сливной трубопровод 11, маслобак 12, маслонасос 13 и маслоохладитель 14, выход которого по нагреваемой среде соединен с напорным трубопроводом 15.

В тепловую электрическую станцию введены тепловой двигатель 5 с замкнутым контуром циркуляции, работающий по органическому циклу Ренкина, и конденсационная установка 16.

Конденсационная установка 16 содержит последовательно соединенные вторую паровую турбину 17, имеющую электрогенератор 18, конденсатор 19 второй паровой турбины и конденсатный насос 20 конденсатора второй паровой турбины.

Замкнутый контур циркуляции теплового двигателя 5 выполнен в виде контура с низкокипящим рабочим телом, содержащим последовательно соединенные турбодетандер 6 с электрогенератором 7, теплообменник-конденсатор 8, конденсатный насос 9, причем выход конденсатного насоса 9 соединен по нагреваемой среде с входом конденсатора 2 первой паровой турбины, выход которого соединен по нагреваемой среде с входом маслоохладителя 14, выход маслоохладителя 14 соединен по нагреваемой среде с входом конденсатора 19 второй паровой турбины, выход конденсатора 19 второй паровой турбины соединен по нагреваемой среде с входом турбодетандера 6, 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, при этом конденсат с помощью конденсатного насоса 3 конденсатора паровой турбины направляют в систему регенерации, при конденсации пара осуществляют утилизацию сбросной низкопотенциальной тепловой энергии отработавшего в турбине 1 пара при помощи охлаждающей жидкости, причем в паровой турбине 1 используют систему 10 маслоснабжения подшипников паровой турбины с маслоохладителем 14.

В тепловой электрической станции используют конденсационную установку 16, имеющую конденсатор 19 второй паровой турбины, и осуществляют утилизацию высокопотенциальной теплоты пара, дополнительно осуществляют утилизацию низкопотенциальной теплоты системы 10 маслоснабжения подшипников первой паровой турбины, при этом утилизацию сбросной низкопотенциальной тепловой энергии отработавшего в первой турбине 1 пара, утилизацию низкопотенциальной теплоты системы 10 маслоснабжения подшипников первой паровой турбины 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 конденсаторе 2 первой паровой турбины, нагревают в маслоохладителе 14 и испаряют в конденсаторе 19 второй паровой турбины, расширяют в турбодетандере 6 теплового двигателя и конденсируют в теплообменнике-конденсаторе 8 теплового двигателя.

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 углекислый газ CO₂). Мощность 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 паровой турбины направляют в систему регенерации.

Преобразование сбросной низкопотенциальной тепловой энергии отработавшего в первой турбине 1 пара, а также низкопотенциальной тепловой энергии системы маслоснабжения подшипников первой паровой турбины 1 и высокопотенциальной тепловой энергии пара из второй паровой турбины 17 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 системы 10 маслоснабжения подшипников первой паровой турбины и утилизацию высокопотенциальной теплоты пара из второй паровой турбины 17 осуществляют путем последовательного нагрева соответственно в конденсаторе 2 первой паровой турбины, маслоохладителе 14 и конденсаторе 19 второй паровой турбины 17 низкокипящего рабочего тела (сжиженного углекислого газа CO₂) теплового двигателя 5 с замкнутым контуром циркуляции, работающего по органическому циклу Ренкина.

Весь процесс начинается с сжатия в конденсатном насосе 9 сжиженного углекислого газа CO₂, который последовательно направляют на нагрев в конденсатор 2 первой паровой турбины, куда поступает отработавший в турбине 1 пар, и в маслоохладитель 14, куда поступает нагретое масло системы маслоснабжения подшипников паровой турбины 1. В маслоохладителе 14 циркулирует масло, нагретое в подшипниках паровой турбины 1, с температурой в интервале от 318,15 K до 348,15 K.

В процессе конденсации отработавшего в первой турбине 1 пара в конденсаторе 2 первой паровой турбины и в процессе теплообмена нагретого масла с сжиженным углекислым газом CO₂ в маслоохладителе 14, происходит нагрев сжиженного углекислого газа CO₂ до критической температуры 304,13 K, при сверхкритическом давлении от 7,4 МПа до 25 МПа, и далее его направляют на спарение в конденсатор 19 второй паровой турбины, куда поступает пар из второй паровой турбины 17 при температуре около 573 K.

Пар, поступающий из второй паровой турбины 17 в паровое пространство конденсатора 19, конденсируется на поверхности конденсаторных трубок, внутри которых протекает охлаждающая жидкость (сжиженный углекислый газ CO₂). Мощность паровой турбины 17 передается соединенному на одном валу основному электрогенератору 18.

Конденсация пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования, которая отводится при помощи охлаждающей жидкости. Образующийся конденсат с помощью конденсатного насоса 20 конденсатора второй паровой турбины направляют в систему регенерации.

В процессе конденсации пара в конденсаторе 19 второй паровой турбины происходит испарение сжиженного углекислого газа CO₂ и дальнейший его перегрев до сверхкритической температуры от 304,13 K до 390 K при сверхкритическом давлении от 7,4 МПа до 25 МПа, который направляют в турбодетандер 6.

Процесс настроен таким образом, что в турбодетандере 6 не происходит конденсации углекислого газа CO₂ в ходе срабатывания теплоперепада. Мощность турбодетандера 6 передается соединенному на одном валу электрогенератору 7. На выходе из турбодетандера 6 углекислый газ CO₂ имеет температуру около 288 K с влажностью, не превышающей 12%.

Далее, при снижении температуры углекислого газа CO₂ происходит его сжижение в теплообменнике-конденсаторе 8, выполненном, например, в виде конденсатора воздушного охлаждения, охлаждаемого воздухом окружающей среды в температурном диапазоне от 223,15 K до 283,15 K.

После теплообменника-конденсатора 8 в сжиженном состоянии углекислый газ CO₂ 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 16 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 способа работы тепловой электрической станции позволит по сравнению с прототипом повысить коэффициент полезного действия ТЭС за счет утилизации сбросной низкопотенциальной теплоты (скрытой теплоты парообразования) отработавшего пара, утилизации низкопотенциальной теплоты системы маслоснабжения подшипников 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.