Спосіб спільного виробництва електричної і теплової енергії
Номер патенту: 27811
Опубліковано: 12.11.2007
Автори: Дикий Микола Олександрович, Повх Григорій Васильович, Уваричев Олександр Миколайович, Бондін Юрій Миколайович, Ільченко Михайло Юхимович, Ісаков Борис Володимирович, Згуровський Михайло Захарович
Формула / Реферат
Спосіб спільного виробництва електричної і теплової енергії, що включає процеси стиснення повітря, спалювання в ньому вуглеводного палива з регулюванням його витрати, змішування продуктів згоряння в камері згоряння з водяною парою, розширення газопарової суміші і перетворенням при цьому її потенційної енергії в кінетичну, а останньої - в механічну, котру одночасно перетворюють в електричну, утилізації теплоти відпрацьованих газів з утворенням водяної пари, що направляють в камеру згоряння для виробництва електричної енергії і гарячої води для потреб теплопостачання та конденсації вологи з відпрацьованих газів з утворенням конденсату (суміші конденсату і охолоджуючої води), що після декарбонізації і очищення (при необхідності) направляють в бак чистої води, звідки забирають її і розділяють на два потоки: один направляють через конденсатний насос і охолоджувач конденсату в розпилювач конденсатора, а другий після деаерації подають через циркуляційний насос в економайзер котла-утилізатора, який відрізняється тим, що в економайзері котла-утилізатора утворюють надлишкову насичену воду за рахунок нагрівання води, що надходить в економайзер котла-утилізатора, який дорівнює водяному еквіваленту охолоджуваних відпрацьованих газів, а з економайзера або з барабана-сепаратора її відбирають і при температурі навколишнього середовища вище +8 °С подають через регулювальний клапан на розширення і послідовно розширюють у послідовно розташованих та пов'язаних по воді розширювачах, а з останнього розширювача воду направляють в теплообмінник теплопостачання, а насичену пару, що при цьому утворилась, з кожного з розширювачів подають в проточну частину компресора відповідно за ступенями, де тиск трохи нижчий за подавану пару, а при зниженні температури навколишнього середовища нижче +8 °С насичену воду перед розширювачами відбирають і направляють через регулювальний клапан в теплообмінник теплопостачання, при цьому чим нижче опускається температура навколишнього середовища, тим більше насиченої води направляють в теплообмінник теплопостачання шляхом подальшого перекриття прохідного перерізу регулювального клапана системи розширювачів і одночасно при цьому до неї додають перегріту пару, що відбирають з котла-утилізатора, причому її відбір здійснюють в кількостях, які забезпечують постійне значення електричної потужності на клемах генератора на рівні її розрахункового значення, і одночасно при цьому регулюють витрату палива коректором витрати палива для забезпечення постійного значення температури газопарової суміші на вході в турбіну, що дорівнює її розрахунковому значенню (при параметрах навколишнього середовища t=+15 °С, Р=101325 Па), а частину конденсату після конденсатора відбирають і направляють в теплообмінники теплопостачання і гарячого водопостачання, а частину конденсату після розподільника забирають і через регулювальний клапан і насос високого тиску подають у зволожувач повітря, який встановлений в шахті забору повітря газопаротурбінного двигуна.
Текст
Спосіб спільного виробництва електричної і теплової енергії, що включає процеси стиснення повітря, спалювання в ньому вуглеводного палива з регулюванням його витрати, змішування продуктів згоряння в камері згоряння з водяною парою, розширення газопарової суміші і перетворенням при цьому її потенційної енергії в кінетичну, а останньої - в механічну, котру одночасно перетворюють в електричну, утилізації теплоти відпрацьованих газів з утворенням водяної пари, що направляють в камеру згоряння для виробництва електричної енергії і гарячої води для потреб теплопостачання та конденсації вологи з відпрацьованих газів з утворенням конденсату (суміші конденсату і охолоджуючої води), що після декарбонізації і очищення (при необхідності) направляють в бак чистої води, звідки забирають її і розділяють на два потоки: один направляють через конденсатний насос і охолоджувач конденсату в розпилювач конденсатора, а другий після деаерації подають через циркуляційний насос в економайзер котла-утилізатора, який відрізняє ться тим, що в економайзері котлаутилізатора утворюють надлишкову насичену воду за рахунок нагрівання води, що надходить в економайзер котла-утилізатора, який дорівнює водяному еквіваленту о холоджуваних U 2 (19) 1 3 27811 модель може бути використана при проектуванні нових та модернізації діючих газопаротурбінних установок, зокрема, для спільного виробництва електричної і теплової енергії на ТЕЦ. Як аналог, прийнятий спосіб перетворення теплової енергії в механічну роботу в газопаротурбінной установці, що включає процеси стиснення повітря, спалювання в ньому палива та змішування продуктів згоряння з водяною парою, охолодження газопарової суміші при здійсненні роботи за рахунок її розширення, утилізації теплоти відпрацювавших газів з утворенням водяної пари, конденсація вологи при безпосередньому її контакті з охолоджуючою водою і сепарації її з охолодженою газопарової суміші, поглинання шкідливих викидів з відпрацювавших газів, абсорбцією охолоджуючої води та змішуванням з конденсатом продуктів згоряння, поділу на кілька потоків суміші охолоджуючої води та конденсату з абсорбованими шкідливими домішками, один із яких постійно очищають і використовують для процесу утилізації теплоти відпрацювавших газів, з утворенням перегрітої пари, і охолодженням інших потоків і використанням їх для охолодження відпрацювавших газів, і конденсації вологи та очищенням після насичення хімічно активними речовинами. (Див. патент України 15127, Кл. F 02 С 6/18, 30.06.97). Відомий спосіб має недолік, який полягає в тім, що він не виробляє теплової енергії для потреб теплопостачання і гарячого водопостачання. Як прототип прийнятий спосіб спільного виробництва електричної і теплової енергії в газопаротурбінних установках, що включає процеси стиснення повітря, спалювання вуглеводного палива з регулюванням його витрати, змішування продуктів згоряння з перегрітою водяною парою, розширення газопарової суміші в турбінах і здійснення при цьому роботи з одночасним перетворенням її в електроенергію, утилізації теплоти відпрацювавших газів з утворенням перегрітої пари, направляємої в камеру згоряння, і гарячої води для потреб теплопостачання і гарячого водопостачання та конденсацію вологи з відпрацювавших газів, а при зниженні температури навколишнього середовища до температури початку опалення частину перегрітої водяної пари відбирають перед камерою згоряння і приводять її в тепловий контакт із теплоносієм теплофікаційної системи, при цьому відбір пари роблять у кількостях, що разом зі зміною витрати палива забезпечують постійними значення електричної потужності і температури газопарової суміші перед турбіною та рівними їхнім значенням при розрахункових параметрах навколишнього середовища t=+15°С, Р=101325 Па.(патент України 64811 С2 7F01K21/04, F02C6/18). Відомий спосіб має недолік, який полягає в тім, що величина виробленої теплової енергії в теплообміннику підігріву конденсату мала (становить всього близько 18% від сумарного виробництва енергії). Одночасно при цьому, через 4 низький паровміст відпрацювавших газів, особливо при низькій температурі навколишнього середовища, температура води на виході з конденсатора значно нижче необхідної для систем гарячого водопостачання і опалення, і в умовах роботи газопаротурбінної установки вона може бути підвищена тільки за рахунок використання насиченої води та відбираємої пари. Але в зв'язку з незначною їх витратою і низькою температурою води на виході з конденсатора вдається використати тільки незначну її частину на потреби опалення і гарячого водопостачання, згідно чому ККД використання теплоти палива не перевищує 60-62%. Ще один недолік прототипу полягає в тому, що в неопалюваний період року значна частина утилізованої теплоти не використовується, що додатково знижує його ефективність та істотно збільшує строки окупності енергоустановки. У корисної моделі вирішується задача підвищення ефективності способу спільного виробництва електроенергії для потреб електричних споживачів і теплової енергії для потреб гарячого водопостачання та опалення, і його реалізації шляхом: поглибленої утилізації тепла відпрацювавших газів за рахунок нагрівання води в економайзері при її водному еквіваленті, який дорівнює водяному еквівалентові відпрацювавших газів, і відбору надлишкової насиченої води за економайзером котла-утилізатора; - підвищення паровмісту відпрацювавших газів за рахунок впорскування конденсату на вхід у компресор газопаротурбінного двигуна; використання утилізованої теплоти відпрацювавших газів в неопалюваний період року для виробництва електричної енергії. Поставлена задача вирішується тим, що в способі спільного виробництва електричної і теплової енергії, що включає процеси стиснення повітря, спалювання в ньому вуглеводневого палива з регулюванням його витрати, змішування продуктів згоряння в камері згоряння з водяною парою, розширення газопарової суміші і перетворенням при цьому її потенційної енергії в кінетичну, а останньої в механічну, котру одночасно перетворюють в електричну, утилізації теплоти відпрацювавших газів, з утворенням водяної пари, що направляють в камеру згоряння для виробництва електричної енергії та гарячої води для потреб теплопостачання і конденсації вологи з відпрацювавших газів з утворенням конденсату (суміші конденсату й охолоджуючої води), що після декарбонізації та очищення (при необхідності) направляють в бак чистої води, звідки забирають її і розділяють на два потоки: один направляють через конденсаційний насос і охолоджувач конденсату в розпилювач конденсатора, а другий після деаерації подають через циркуляційний насос в економайзер котлаутилізатора, відповідно до корисної моделі в економайзері котла-утилізатора утворюють надлишкову насичену воду за рахунок нагрівання води, що надходить в економайзер котлаутилізатора при водяному еквіваленті, який 5 27811 дорівнює водяному еквіваленту о холоджуваних відпрацювавших газів, а за економайзером або з барабана-сепаратора її відбирають і при температурі навколишнього середовища вище +8°С подають через регулювальний клапан на розширення та послідовно розширюють у послідовно розташованих та пов'язаних по воді розширювачах, а з останнього розширювача воду направляють в теплообмінник теплопостачання, а утворившуся при цьому насичену пару з кожного з розширювачів подають у проточну частину компресора відповідно за ступенями, де тиск трохи нижчій подаваної пари, а при зниженні температури навколишнього середовища нижче +8°С насичену воду перед розширювачами відбирають і направляють через регулювальний клапан у теплообмінник теплопостачання, при цьому, чим нижче опускається температура навколишнього середовища, тим більше насиченої води направляють у теплообмінник теплопостачання шляхом подальшого перекриття прохідного перетину регулювального клапана системи розширювачів та одночасно при цьому до неї додають перегріту пара, що відбирають за котлом-утилізатором, причому її відбір здійснюють в кількостях, які забезпечують постійне значення електричної потужності на клемах генератора на рівні її розрахункового значення, і одночасно при цьому регулюють витрату палива коректором витрати палива для забезпечення постійного значення температури газопарової суміші на вході в турбіну, що дорівнює розрахунковому значенню (при розрахункових параметрах навколишнього середовища t=+15°С, Р=101325Па), а частину конденсату після конденсатора відбирають і розділяють на два потоки: один направляють в теплообмінник теплопостачання і гарячого водопостачання, а частину конденсату після розподільника забирають і через регулювальний клапан і насос високого тиску подають в зволожувач повітря, встановлений в шахті забору повітря газопаротурбінного двигуна. Нова сукупність істотних ознак відсутня у відомих технічних рішеннях і дозволяє одержати наступні переваги: - значно збільшити температуру початку конденсації, а відповідно і кількість тепла конденсату, що спрямовується на теплопостачання і гаряче водопостачання за рахунок збільшення паровмісту відпрацювавших газів в зв'язку з їх глибокою утилізацією тепла і зволоженням повітря, що надходить в газопаротурбінний двигун; - забезпечити нарощування виробництва теплової енергії пропорційно зниженню температури навколишнього середовища при постійній електричній потужності; забезпечити постійними і рівними розрахунковому значенню електричну потужність і температуру газопарової суміші перед турбіною незалежно від зниження температури навколишнього середовища; забезпечити повне використання утилізованої теплоти відпрацювавших газів у 6 неопалюваний період на виробництво електричної енергії. Всі перераховані переваги спрямовані на підвищення ефективності виробництва електричної і теплової енергії. На фігурі зображено теплову схему газопаротурбінної установки, що заявляється. Газопаротурбінна установка складається із газопаротурбінного двигуна 1 з регулятором витрати палива і послідовно розташованими компресором 2, камерою згоряння 3 і турбіною 4, що зв'язана валом з перетворювачем 5 механічної енергії в електричну, розташовані за турбіною 4 і пов'язані з нею по газопаровій суміші (відпрацювавших газах) котел-утилізатор 6 з економайзером 7, випаровувачем 8, пароперегрівником 9 і барабаном сепаратором 10, підключений по парі одночасно до камери згоряння 3 і через регулювальний клапан 11 до теплообмінника теплопостачання 12 і конденсатор 13 з розпилювачем 14, що через декарбонізатор і систему очищення води (на кресленні не показане) підключений до входу бака чистої води 15, вихід якого через розподільник 16 і конденсатний насос 17 підключений до входу о холоджувача конденсату 18, а останній своїм виходом підключений до розпилювача 14 конденсатора 13. Крім того вихід розподільника 16 підключений до входу регенеративного теплообмінника 24 деаератора 25 і через регулювальний клапан 20 і насос високого тиску 21 до зволожувача повітря 22, який розташований в шахті забору повітря 23. Одночасно при цьому теплообмінники гарячого водопостачання 19 і теплопостачання 12 своїми входами підключені до виходу конденсатора 13, а своїми виходами підключені до входу конденсатного насосу 17, а барабан сепаратор 10 котла-утилізатора 6 через регулювальний клапан 30 підключений по насиченій воді до входу теплообмінника теплопостачання 12 і через регулювальний клапан 31 підключений по насиченій воді до першого розширювача 25, а його вихід по насиченій воді підключений до другого розширювача 28 і так далі, а вихід останнього розширювача Н по насиченій воді через регулювальний клапан 29 підключений до входу теплообмінника 12, а по насиченій парі, що утворилась при розширенні насиченої води, кожний з розширювачів підключений до проточної частини компресора 2 за ступенями, де тиск повітря трохи нижче подаваної туди води, а регулятор витрати палива газопаротурбінного двигуна додатково забезпечений коректором витрати палива. Спосіб здійснюється газопаротурбінною установкою наступним чином. Атмосферне повітря через компресор 2 газопаротурбінного двигуна 1, подають в камеру згоряння 3, куди направляють вуглеводне паливо й спалюють. Продукти згоряння, що утворилися при цьому, змішують із водяною парою, що подають у камеру згоряння 3 з пароперегрівника 9 котла-утилізатора 6. Отриману в камері згоряння 3 газопарову суміш направляють в турбіну 4, де її розширюють, перетворюючи при цьому її 7 27811 потенційну енергію в кінетичну, а останню в механічну, котру одночасно перетворюють в електричну енергію в електрогенераторі 5. Відпрацювавшу в турбіні 4 газопарову суміш (відпрацювавші гази) направляють в котелутилізатор 6, де максимально утилізують її теплоту, для чого встановлюють рівність водяних еквівалентів охолоджуючих відпрацювавших газів і нагріваємої води. Останнє дозволяє забезпечити мінімальну різницю температур (10-15°С) охолоджувального і нагріваємого агентів, і одержати надлишкову насичену воду в економайзері 7 котла-утилізатора 6, котру відбирають із економайзера 7 або барабана-сепаратора 10 та при температурі навколишнього середовища вище +8°С через регулювальний клапан 31 подають до першого розширювача 27 послідовно встановлених розширювачів та послідовно розширюють. Після розширення води в першому розширювачі 27, її направляють на вхід другого розширювача 28 і так далі, а з останнього розширювача Н через відсічний клапан 29 воду направляють до входу теплообмінника теплопостачання 12, а насичену пару, що утворилася, в кожному розширювачі направляють в проточну частину компресора 3 відповідно за ступенями, де тиск повітря трохи нижчій від подаваної туди пари. При зниженні температури навколишнього середовища нижче +8°С насичену воду перед першим розширювачем 27 відбирають через регулювальний клапан 30 і направляють в теплообмінник теплопостачання 12. При цьому, чим нижче опускається температура навколишнього середовища, тим більше насиченої води направляється в теплообмінник теплопостачання 12 за рахунок подальшого перекриття прохідного перетину регулювального клапана 31 системи розширювачів і відкриття регулювального клапана 30. Одночасно при цьому на вхід теплообмінника теплопостачання 12 через регулювальний клапан 11 починають подавати перегріту пару, що відбирають після пароперегрівника 9 котла-утилізатора 6 у кількостях, що забезпечує необхідний обсяг теплової енергії на опалення, а постійне значення електричної потужності на клемах генератора забезпечується застосуванням регулятора потужності турбіни генератора N=const. Одночасно при цьому для забезпечення постійного значення температури газопарової суміші на вході в турбіну регулюють витрата палива, для чого до складу регулятора витрати палива газотурбінного двигуна додатково включають коректор витрати палива, що вступає в роботу при температурі навколишнього середовища +8°С и нижче. Після котла-утилізатора 6 відпрацювавші гази направляють в конденсатор 13, де при контакті з охолоджувальною водою, що подається зі зрошувача 14 їх о холоджують із конденсацією водяної пари, а частину конденсату, що утворилася (суміш охолоджуваючої води та конденсату) відбирають безпосередньо за конденсатором 13 і спрямовують на вхід 8 теплообмінника теплопостачання 12 і гарячого водопостачання 19, а конденсат, що залишився, послідовно направляють в декарбонізатор і систему очищення води (при необхідності) , а далі в бак чистої води 15 і розподільник 16, на виході з якого конденсат розділяють на три потоки: один через конденсат ний насос 17 і охолоджувач конденсату 18 направляють у розпилювач 14 конденсатора 13, другий потік через регулювальний клапан 20 і насос високого тиску 21 подають в зволожувач повітря 22, що надходить в шахту його забору 23 з навколишнього середовища, а третій через регенеративний теплообмінник 24 деаератора 25 і циркуляційний насос 26 спрямовують в економайзер 7 котла-утилізатора 6. Одночасно при цьому охолоджену воду після теплообмінників 12 і 19 спрямовують на вхід конденсатного насосу 17. Пропонований спосіб спільного виробництва електричної і теплової енергії в порівнянні із прототипом включає цілий ряд нових процесів, до яких насамперед відносяться: 1. Одержання надлишкової насиченої води і її відбір з барабана-сепаратора або за економайзером, що дозволяє здійснити поглиблену утилізацію теплоти відпрацювавших газів без порушення процесу випаровування води у випарнику і одержання перегрітої пари в пароперегрівнику з температурою, що задана його споживачем; 2. Виконання зволоження повітря на вході в компресор газопаротурбінного двигуна, котре разом з водяними еквівалентами нагріваємої води і охолоджувальних відпрацювавших газів, що дорівнюють один одному, дозволило підвищити паровміст відпрацювавших газів до величини, що забезпечує одержання води на виході з конденсатора з температурою, що задовольняє вимогам системи гарячого водопостачання і тим самим дозволяє, практично, повністю корисно використати теплоту відпрацювавших газів. 3. Реалізація утилізованої теплоти відпрацювавших газів в неопалюваний період для виробництва електричної енергії, що дозволило на протязі всього року корисно використати всю утилізовану теплоту і тим самим усунути один з вагомих недоліків, який властивий традиційним когенераційним технологіям. Для порівняння нагадаємо, що рішення цієї проблеми теплофікації в традиційних технологіях спільного виробництва електричної і теплової енергії при значному зниженні температури навколишнього середовища досягається шляхом застосування традиційних способів одержання додаткового тепла або в резервних котлах (в паротурбінних установках), або в пристроях, що спалюють додаткове паливо, котрі встановлені в котлах-утилізаторах. Але такий спосіб значно погіршує ефективність процесу спільного виробництва електричної і теплової енергії. Обумовлено це тим, що в традиційних способах вся енергія додатково підведеного палива використовується тільки для одержання додаткової теплової енергії, а в запропонованому 9 27811 способі все підведене паливо незалежно від температури навколишнього середовища використовується на спільне виробництво електричної і теплової енергії. З огляду на те, що електрична енергія в кілька разів дорожча теплової енергії, то електричний ККД запропонованого способу істотно вище традиційних когенераціойних те хнологій. Крім того, в запропонованому способі, зниження температури навколишнього середовища використовується як зниження температури холодного джерела термодинамічного циклу газопаротурбінної установки, що істотно підвищує його ефективний коефіцієнт корисної дії та додатково істотно (приблизно в 1,3 рази) знижує витрату палива на виробництво електричної і теплової енергії в порівнянні з діючими когенераційними установками. 10
ДивитисяДодаткова інформація
Назва патенту англійськоюMethod for cogeneration of electric and thermal energy
Автори англійськоюZhurovskyi Mykhailo Zakharovych, Bondin Yurii Mykolaiovych, Ilchenko Mykhailo Yukhymovych, Isakov Borys Volodymyrovych, Povkh Hryhorii Vasyliovych, Dykyi Mykola Oleksandrovych, Uvarychev Oleksandr Mykolaiovych
Назва патенту російськоюСпособ совместного производства электрической и тепловой энергии
Автори російськоюЗгуровский Михаил Захарович, Бондин Юрий Николаевич, Ильченко Михаил Ефимович, Исаков Борис Владимирович, Повх Григорий Васильевич, Дикий Николай Александрович, Уваричев Александр Николаевич
МПК / Мітки
МПК: F01K 21/00, F02C 6/18
Мітки: енергії, електричної, спільного, спосіб, виробництва, теплової
Код посилання
<a href="https://ua.patents.su/5-27811-sposib-spilnogo-virobnictva-elektrichno-i-teplovo-energi.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Спосіб спільного виробництва електричної і теплової енергії</a>
Попередній патент: Газопаротурбінна установка
Наступний патент: Багатопозиційний пневмогідравлічний привод
Випадковий патент: Спосіб хірургічного лікування супраселярних пухлин