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 обратной сетевой воды 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 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, обусловленную наличием вторичного контура (теплонасосной установки), а также отсутствия утилизации избыточной низкопотенциальной теплоты обратной сетевой воды, 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 обратной сетевой воды 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 пар отопительных параметров из отборов первой 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 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, причем при конденсации пара осуществляют утилизацию сбросной низкопотенциальной тепловой энергии отработавшего в первой турбине пара при помощи охлаждающей жидкости, согласно настоящему изобретению, в тепловой электрической станции используют теплообменник-охладитель сетевой воды, который устанавливают на обратном трубопроводе сетевой воды, а также 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 низкопотенциальной теплоты обратной сетевой воды и утилизацию высокопотенциальной теплоты пара, поступающего из второй паровой турбины при температуре около 573 K, при этом утилизацию сбросной низкопотенциальной тепловой энергии отработавшего в первой турбине пара, утилизацию низкопотенциальной теплоты обратной сетевой воды 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 теплообменнике-охладителе сетевой воды, 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 углекислый газ CO₂.

Таким образом, технический результат достигается за счет полной утилизации сбросной низкопотенциальной теплоты (скрытой теплоты парообразования), утилизации низкопотенциальной теплоты обратной сетевой воды и утилизации высокопотенциальной теплоты пара из второй паровой турбины, которые осуществляют путем последовательного нагрева, соответственно, в конденсаторе первой паровой турбины, теплообменнике-охладителе сетевой воды 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 чертежом, на котором представлена тепловая электрическая станция, имеющая тепловой двигатель с теплообменником-конденсатором, теплообменник-охладитель 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 сетевой подогреватель,

11 - нижний сетевой подогреватель,

12 - подающий трубопровод сетевой воды,

13 - обратный трубопровод сетевой воды,

14 - теплообменник-охладитель сетевой воды,

15 - конденсационная установка,

16 - вторая паровая турбина,

17 - электрогенератор второй паровой турбины,

18 - конденсатор второй паровой турбины,

19 - 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 сетевыми подогревателями, включенными по нагреваемой среде между подающим 12 и обратным 13 трубопроводами сетевой воды.

В тепловую электрическую станцию введены теплообменник-охладитель 14 сетевой воды, конденсационная установка 15 и тепловой двигатель 5 с замкнутым контуром циркуляции, работающий по органическому циклу Ренкина.

Вход теплообменника-охладителя 14 сетевой воды по нагреваемой среде соединен с обратным трубопроводом 13 сетевой воды. Выход теплообменника-охладителя 14 по нагреваемой среде соединен с нижним сетевым подогревателем 11.

Конденсационная установка 15 содержит последовательно соединенные вторую паровую турбину 16, имеющую электрогенератор 17, конденсатор 18 второй паровой турбины и конденсатный насос 19 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 теплообменника-охладителя 14 сетевой воды, а выход теплообменника-охладителя 14 по нагреваемой среде соединен с входом конденсатора 18 второй паровой турбины, выход конденсатора 18 второй паровой турбины соединен по нагреваемой среде с входом турбодетандера 6, образуя замкнутый контур охлаждения.

Способ работы тепловой электрической станции осуществляют следующим образом.

Пар отопительных параметров из отборов первой паровой турбины 1 поступает в паровое пространство нижнего 11 и верхнего 10 сетевых подогревателей, сетевая вода поступает от потребителей по обратному трубопроводу 13 сетевой воды в нижний 11 сетевой подогреватель и верхний 10 сетевой подогреватель, далее сетевую воду направляют в подающий трубопровод 12 сетевой воды, 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 первой паровой турбины 1 направляют в систему регенерации, причем при конденсации пара осуществляют утилизацию сбросной низкопотенциальной тепловой энергии отработавшего в первой турбине 1 пара при помощи охлаждающей жидкости.

Отличием предлагаемого способа является то, что в тепловой электрической станции используют теплообменник-охладитель 14 сетевой воды, который устанавливают на обратном трубопроводе 13 сетевой воды, а также конденсационную установку 15, имеющую вторую паровую турбину 16 и конденсатор 18 второй паровой турбины, куда поступает пар из второй паровой турбины 16 при температуре около 573 K, дополнительно осуществляют утилизацию низкопотенциальной теплоты обратной сетевой воды и утилизацию высокопотенциальной теплоты пара, поступающего из второй паровой турбины 16 при температуре около 573 K, при этом утилизацию сбросной низкопотенциальной тепловой энергии отработавшего в первой турбине 1 пара, утилизацию низкопотенциальной теплоты обратной сетевой воды 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 1, нагревают в теплообменнике-охладителе 14 сетевой воды, испаряют в конденсаторе 18 второй паровой турбины 16, 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 углекислый газ CO₂.

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 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 обратной сетевой воды и высокопотенциальной тепловой энергии пара из второй паровой турбины 16, 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 обратной сетевой воды и утилизацию высокопотенциальной теплоты пара из второй паровой турбины 16 осуществляют путем последовательного нагрева, соответственно, в конденсаторе 2 первой паровой турбины 1, теплообменнике-охладителе 14 сетевой воды и конденсаторе 18 второй паровой турбины 16, 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 теплообменник-охладитель 14 сетевой воды, куда поступает обратная сетевая вода из обратного трубопровода 13. Температура обратной сетевой воды может варьироваться в интервале от 313,15 K до 343,15 K.

В процессе конденсации отработавшего в первой турбине 1 пара в конденсаторе 2 первой паровой турбины и в процессе теплообмена обратной сетевой воды с сжиженным углекислым газом CO₂ в теплообменнике-охладителе 14 сетевой воды, 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 нагрев и испарение в конденсатор 18 второй паровой турбины, куда поступает пар из второй паровой турбины 16 при температуре около 573 K.

Пар, поступающий из второй паровой турбины 16 в паровое пространство конденсатора 18, конденсируется на поверхности конденсаторных трубок, внутри которых протекает охлаждающая жидкость (сжиженный углекислый газ CO₂). Мощность второй паровой турбины 16 передается соединенному на одном валу основному электрогенератору 17.

Конденсация пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования, которая отводится при помощи охлаждающей жидкости. Образующийся конденсат с помощью конденсатного насоса 19 конденсатора второй паровой турбины 16 направляют в систему регенерации.

В процессе конденсации высокопотенциальной теплоты пара в конденсаторе 18 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 К 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 15 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 обратной сетевой воды 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.