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.

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 из отборов паровой турбины поступает в паровое пространство нижнего и верхнего подогревателей, сетевая вода поступает от потребителей по обратному трубопроводу сетевой воды в нижний подогреватель и верхний 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 и конденсатор второй паровой турбины, куда поступает пар из второй паровой турбины при температуре около 573 K, дополнительно осуществляют утилизацию высокопотенциальной теплоты пара, поступающего из второй паровой турбины при температуре около 573 K, и утилизацию низкопотенциальной теплоты пара из отборов первой паровой турбины, 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 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 и конденсируют в теплообменнике-конденсаторе теплового двигателя.

В качестве теплообменника-конденсатора теплового двигателя используют 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 турбины, которые осуществляют путем последовательного нагрева, соответственно, в конденсаторе первой 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, 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.

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 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 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, 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 первой паровой турбины 1 поступает в паровое пространство нижнего 11 и верхнего 10 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 1 пара при помощи охлаждающей жидкости, причем конденсат с помощью конденсатного насоса 3 конденсатора первой паровой турбины 1 направляют в систему регенерации.

Отличием предлагаемого способа является то, что в тепловой электрической станции используют конденсационную установку 12, имеющую вторую паровую турбину 13 и конденсатор 15 второй паровой турбины, куда поступает пар из второй паровой турбины 13 при температуре около 573 K, дополнительно осуществляют утилизацию высокопотенциальной теплоты пара, поступающего из второй паровой турбины 13 при температуре около 573 K, и утилизацию низкопотенциальной теплоты пара из отборов первой паровой турбины 1, при этом утилизацию сбросной низкопотенциальной тепловой энергии отработавшего в первой турбине пара 1, 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 5, нагревают в конденсаторе 2 первой паровой турбины 1, нагревают в нижнем 11 подогревателе первой паровой турбины 1, нагревают в верхнем 10 подогревателе первой паровой турбины 1, испаряют в конденсаторе 15 второй паровой турбины 13, расширяют в турбодетандере 6 теплового двигателя и конденсируют в теплообменнике-конденсаторе 8 теплового двигателя.

В качестве теплообменника-конденсатора 8 теплового двигателя используют 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 1 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 турбины 13 осуществляют путем последовательного нагрева, соответственно, в конденсаторе 2 первой паровой турбины, в нижнем 11 и верхнем 10 подогревателях и конденсаторе 15 второй паровой турбины, 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 вначале в конденсатор 2 первой паровой турбины, куда поступает отработавший в первой турбине 1 пар, а затем в нижний 11 подогреватель, куда поступает пар из отборов первой паровой турбины 1 при температуре около 365 K и в верхний 10 подогреватель, куда поступает пар из отборов первой паровой турбины 1 при температуре около 400 K.

В процессе конденсации отработавшего в первой турбине 1 пара в конденсаторе 2 первой паровой турбины, а также в процессе конденсации пара в нижнем 11 подогревателе и верхнем 10 подогревателе первой паровой турбины 1, происходит нагрев сжиженного пропана C₃H₈ до критической температуры 369,89 K при сверхкритическом давлении от 4,2512 МПа до 13 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 K.

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 высокопотенциальной теплоты пара в конденсаторе 15 второй паровой турбины происходит испарение сжиженного пропана C₃H₈ и дальнейший его перегрев до сверхкритической температуры от 369,89 K до 420 K при сверхкритическом давлении от 4,2512 МПа до 13 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 имеет температуру около 288 K с влажностью, не превышающей 12%.

Далее, при снижении температуры газообразного пропана C₃H₈, происходит его сжижение в теплообменнике-конденсаторе 8, выполненного, 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 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 5 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, для дополнительной выработки электрической энергии, повысить ресурс и надежность работы конденсатора паровой турбины и снизить тепловые выбросы в окружающую среду.