Спосіб підвищення термічного коефіцієнта корисної дії циклу паротурбінної установки

Спосіб підвищення термічного коефіцієнта корисної дії циклу паротурбінної установки, який полягає в тому, що водяну пару піддають перегріву перед турбіною високого тиску, який відрізняється тим, що пару після пароперегрівача котла змішують з продуктами згоряння водню в кисні з надлишком водню, а в процесі розширення в турбінах високого, середнього та низького тиску до робочого тіла підмішують кисень і тільки в останніх ступенях турбіни низького тиску, де концентрація водню стає рівною нулю, підведення кисню припиняють, а після виходу з турбіни низького тиску робоче тіло використовують для регенеративного підігріву живильної води, після чого воно надходить до конденсатора, а вода подається до котла. Винахід відноситься до області теплоенергетики і може знайти застосування на теплових електростанціях. Здебільшого винахід призначений для паротурбінних установок (ПТУ) великої потужності (більше 10МВт). Відомий аналогічний спосіб підвищення ефективності циклу ПТУ шляхом підвищення температури пари перед турбіною [патент GB 1056722 [1]. В цьому патенті пропонується пропускати перегрітий пар перед поданням в турбіну через камеру згоряння, де до нього додають натуральний газ або спирт в суміші з киснем. Камери згоряння розташовані перед кожною турбіною (високого, середнього і низького тиску). Таке ступеневе згоряння палива за допомогою декількох камер згоряння, розташованих між турбінами, використовується в газотурбінних установках [2]. Недоліком способу є те, що робоче тіло після камер згоряння містить крім водяної пари газ, що не конденсується - двоокис вуглецю. Наявність такого газу погіршує процес конденсації водяної пари [3], а його виведення з конденсатору пов'язане з ускладненням установки та з додатковими витратами енергії. Прототипом способу, що пропонується, є спосіб реалізації циклу в одній з найкращих і потужніших сучасних паротурбінних установок К - 1200 240 (ЛМЗ), оскільки вона та ідентичні з точки зору параметрів характерних точок циклу установки меншої потужності знайшли широке застосування в енергетиці. Для неї відомі параметри робочого тіла в усіх характерних точках циклу, що дозволяє оцінити підвищення коефіцієнта корисної дії циклу при впровадженні заявляемого способу. В установці К -1200 - 240 (ЛМЗ) водяна пара, отримана в котлі і маюча високий початковий тиск 240бар, перегрівається в первинному паро-перегрівачі до температури 540°С, розширюється в турбіні високого тиску від 240бар до 36бар, а потім перегрівається в проміжному паро-перегрівачі при р=36бар до тієї ж температури 540°С. Після проміжного перегріву пара розширюється в турбінах середнього і низького тиску від 36бар до тиску 0,04бар, що підтримується в конденсаторі. В установці, що реалізує спосіб-прототип, використовується регенеративний підігрів живильної води парою, що відбирається після часткового розширення в турбінах, при значеннях тиску 64; 36; 18,5; 9; 5; 2,6; 1,3; 0,6 і 0,2бар [4, 5]. (19) UA (11) 76780 (13) C2 (21) 20040403178 (22) 27.04.2004 (24) 15.09.2006 (46) 15.09.2006, Бюл. №9, 2006р. (72) Вассерман Олександр Анатолійович, Шутенко Максим Арутюнович (73) Одеський національний морський університет (56) Гольстрем В.А., Кузнецов Ю.Л. Энергетический справочник инженера. - К.: Техніка, - 1983. С.128-131. SU 926335, 07.05.1982 SU 1002618, 07.03.1983 UA 57773 C2, 15.07.2003 GB 1056722 A, 25.01.1967 JP 2130204, 18.05.1990 DE 19700994 A1, 16.07.1998 3 Недоліком цього способу реалізації циклу ПТУ є те, що температура пари перед турбіною не перевищує 500-540°С, а середня температура підводу теплоти ще менша. Означений недолік обумовлений обмеженою жароміцністю і малою корозійною стійкістю матеріалів труб котлоагрегату, у той час як лопатки газових турбін витримують температури до 800°С (для лопаток, які не охолоджуються). При використанні охолодження лопаток і нових конструкційних матеріалів можливо подальше підвищення температури робочого тіла перед турбіною до 1100°С [6]. В основу винаходу поставлена задача вдосконалення циклу ПТУ, в якому робоче тіло перед початком процесу розширення в турбінах підігрівають до більш високої температури, ніж у звичайному циклі (наприклад, до 800°С замість 540°С). Далі в процесі розширення продовжують підвід теплоти до робочого тіла, за рахунок чого цей процес є квазіізотермічним (на відміну від адіабатного процесу в звичайному циклі). Лише на декількох останніх ступенях розширення в турбіні низького тиску підвід теплоти припиняють, і робоче тіло розширюється за адіабатою. Завдяки цьому забезпечується зростання середньої температури підводу теплоти до робочого тіла, що підвищує термічний коефіцієнт корисної дії (ККД) циклу на 11,8% (від 53,3% до 59,6%). За рахунок вищезгаданого в масштабах однієї ПТУ потужністю 1200МВт може бути забезпечена економія палива (мазуту) не менш 188 тисяч тонн за рік. Поставлена задача вирішується тим, що в способі підвищення коефіцієнта корисної дії циклу паротурбінної установки, який полягає в тому, що водяну пару перегрівають перед турбіною високого тиску, згідно з винаходом пару після пароперегрівача котла змішують з продуктами згоряння водню в кисні з надлишком водню, а в процесі розширення в турбінах високого, середнього та низького тиску до робочого тіла підмішують кисень, і тільки в останніх ступенях турбіни низького тиску, де концентрація водню стає рівною нулю, підведення кисню припиняють, а після виходу з турбіни низького тиску робоче тіло використовують для регенеративного підігріву живильної води, після чого воно надходить до конденсатору, а вода подається до котла. На Фіг.1 на діаграмі T,s наведені звичайний регенеративний цикл (а) ПТУ К - 1200 - 240 з проміжним перегрівом пари і 9 регенеративними відборами пари, що зображені додатковими ізобарами, і модифікований цикл (б). На Фіг.2 наведена спрощена схема модифікованої установки. Основними елементами схеми є: котел 1, пароперегрівач 2, камера згоряння 3, турбіна 4 (на схемі узагальнює турбіни різних тисків), електрогенератор 5, регенеративний теплообмінник 6, конденсатор 7, насос живильної води 8, установка для розділення повітря 9, установка хімічної конверсії метану в водень 10, компресор водню 11. Спосіб підвищення термічного коефіцієнта корисної дії циклу ПТУ реалізується наступним чином. Живильна вода, стиснута насосом 8 від тиску 76780 4 0,004МПа до тиску 24МПа (процес 6-7 на Фіг.1, питома робота стиснення у цьому процесі 24,0кДж/кг) надходить у проміжний охолоджувач водню, де підігрівається від 30 до 50°С (процес 77а). Тут і далі усі питомі роботи та питомі кількості теплоти розраховані відносно до 1кг живильної води. Далі живильна вода надходить у регенеративний теплообмінник 6, де підігрівається від 50 до 328°С (процес 7а-8) за рахунок охолодження пари, що відробила у турбіні 4, від 540 до 100°С (процес 3-4). Слід відмітити, що у зв'язку з малим впливом тиску на термодинамічні властивості рідини ізобара 24МПа при температурах нижче критичної на малоформатній діаграмі T,s (Фіг.1) практично співпадає з кривою насичення рідини. Після регенеративного теплообмінника 6 пара надходить до конденсатору 7 (процес 4-5-6) де від пари відводиться 3648,7кДж/кг теплоти, а живильна вода - до котла 1, де вона підігрівається до 540°С (процес 8-9) і перетворюється в пару в результаті підведення 1826,8кДж/кг теплоти. Оскільки ПТУ працює при тиску пари в котлі, що перевищує критичний тиск води, фазового переходу при нагріванні в котлі не відбувається, однак по своїм теплофізичним властивостям робоче тіло при температурі 540 °С і тиску 24 МПа ближче до пари, ніж до рідини. Пара після пароперегрівача 2 котла надходить до камери згоряння 3, де змішується з продуктами згоряння водню в кисні (тобто з водяною парою, яка має більш високу температуру) і надлишком водню (процес 9-1). У цьому процесі до робочого тіла підводиться 810,9кДж/кг теплоти. Отримана пароводнева суміш (температура 800°С, тиск 24МПа, 96,2% пари і 3,8% водню) направляється на розширення в турбіну 4 (яка на схемі репрезентує турбіни різних тисків). У процесі розширення (процес 1-2) до робочого тіла підмішується кисень через отвори в корпусах турбін. В результаті хімічної реакції між киснем і надлишком водню виділяється теплота, еквівалентна зменшенню ентальпії робочого тіла при розширенні в турбінах, тому процес розширення наближається до ізотермічного. У дійсності процес розширення являє собою послідовність політропних розширень в соплах і на лопатках та ізобарних нагрівань при змішуванні робочого тіла з продуктами згоряння водню в кисні. Завдяки великій кількості вказаних процесів загальний процес розширення в турбінах краще наближається до ізотермічного, ніж запропонований в [патенті GB 1056722 [1] процес з підводом теплоти в камерах згоряння, розташованих перед кожною з турбін. У процесі розширення 1-2 до робочого тіла підводиться 5897,9кДж/кг теплоти внаслідок хімічної реакції між киснем і воднем. Після того, як концентрація водню в робочому тілі стає рівної нулю, подальше розширення проходить за адіабатою, як і в звичайній паровій турбіні (процес 2-3). Тому наприкінці розширення робоче тіло має температуру, прийнятну для поверхневих теплообмінників (540°С), і може використовуватися для регенеративного підігріву живильної води. Пароводнева суміш виконує в процесі розширення в турбіні роботу 5981,4кДж/кг. 5 Кисень одержують з повітря за допомогою установки для розділення повітря 9. Оскільки витрати енергії на отримання 1кг кисню з повітря складають 0,3кВт*г, на отримання необхідної кількості кисню витрачується питомі робота 405,2кДж/кг. Водень одержують з вуглеводневого палива шляхом хімічної конверсії [7] в установці для конверсії 10, на стиснення водню компресором 11 від атмосферного тиску до 24МПа затрачується питома робота 468,4кДж/кг (з урахуванням ККД компресору). Завдяки застосуванню водню робоче тіло не містить двоокису вуглецю, що позитивно відрізняє запропонований спосіб від способу, описаного в [патенті GB 1056722 [1]. Оскільки температура робочого тіла в турбіні вище температури самозапалювання водневокисневої суміші (580-590°С) [7], хімічна реакція між воднем, що міститься в робочому тілі, і киснем буде йти в самому широкому діапазоні концентрацій реагуючих речовин. Отвори для підводу кисню пропонується розташовувати по окружності після робочих лопаток кожної ступіні. Для поліпшення перемішування кисню з робочим тілом і виключення можливості впливу на лопатки турбіни високих температур, що виникають у зонах з високою концентрацією кисню, пропонується дещо збільшити осьовий зазор між робочими лопатками n-й ступіні і напрямними лопатками n+1-й ступіні. Кисень буде надходити в зазор, маючи радіальну швидкість, у той час як робоче тіло в зазорі має осьову й окружну складову швидкості, тому змішування кисню з робочим тілом повинне бути ефективним. При розгляді діаграми T,s (Фіг.1) видно, що в модифікованому циклі середня температура підводу теплоти вище, ніж у звичайному циклі, завдяки чому забезпечується підвищення термічного ККД. Розрахунки показують, що для установкипрототипу зростання термічного ККД складає 11,8% при максимальній температурі циклу 800°С. У сучасних газотурбінних установках досягнута температура газів перед турбіною 1100°С [6], тобто є можливість подальшого підвищення ККД циклу ПТУ за рахунок збільшення максимальної температури циклу. 76780 6 У порівнянні зі звичайним циклом у модифікованому циклі питома робота в розрахунку на 1кг робочого тіла більше на 260,4%, а питома робота в розрахунку на 1м3 робочого тіла, що виходить з турбіни низького тиску, більше на 14,0%. Оскільки габарити турбін ПТУ визначаються головним чином питомою роботою в розрахунку на 1м3 робочого тіла, що виходить з турбіни низького тиску, застосування способу, крім росту термічного ККД, веде до збільшення агрегатної потужності ПТУ на 14,0% без збільшення габаритів турбін. При вартості мазуту 150 доларів США за 1 тону економія 188 тисяч тон мазуту за рік відповідає економічному ефекту 28,2 мільйонів доларів США у рік. Реалізація способу на нових ПТУ буде пов'язана з капітальними витратами - головним чином на установку для розділення повітря та установку для хімічної конверсії вуглеводневого палива у водень. При орієнтовній вартості вищевказаного устаткування 100 мільйонів доларів США строк окупності винаходу складе 3,5 роки. Джерела інформації 1. Improvements in or relating to Power-generating Steam Cycle. Patent of United Kingdom GB 1056722, author Arthur Morton Squires. Published 25.01.1967. 2. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. - Μ.: Энергоатомиздат, 1983. - 416с. 3. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. - М.: Энергия, 1977. - 344с. 4. Гольстрем В.А., Кузнецов Ю.Л. Энергетический справочник инженера. - Киев: Техніка, 1983. - 487с. 5. Гольстрем В.А., Кузнецов Ю.Л. Справочник по экономии топливно - энергетических ресурсов. Киев: Техніка, 1985. - 384с. 6. Артемов Г.А., Горбов В.М., Романовский Г.Ф. Судовые установки с газотурбинными двигателями. - Николаев: УГМТУ, 1997. - 233с. 7. Гамбург Д.Ю., Семенов В.П., Дубовкин Н.Ф., Смирнова Л.Н. Водород. Свойства, получение, хранение, транспортирование, применение. - М.: Химия, 1989 - 672с. 7 Комп’ютерна верстка О. Гапоненко 76780 8 Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601