Спосіб комбінованого вироблення теплової та електричної енергії і установка для його здійснення

1. Спосіб комбінованого вироблення теплової та електричної енергії, який включає спалення палива у водогрійному котлі і використання котлової води для задоволення потреб споживачів в тепловій енергії, який відрізняється тим, що у водогрійному котлі спалюють все паливо, призначене для когенераційної установки, без обмежень на вид палива, одержану в котлі нагріту котлову воду направляють в колектор-розподільник, з якого одну її частину направляють на теплопостачання, а другу направляють до пристрою зниження тиску у вигляді парової решітки, де шляхом дроселювання знижують тиск відібраної котлової води до стану насичення і часткового випаровування, спрямовують одержану після решітки насичену воду в гідропарову турбіну, де гідравлічну і теплову енергію насиченої води перетворюють в механічну роботу, яку перетворюють в електричну енергію в електрогенераторі, пароводяну суміш після C2 2 UA 1 3 76862 4 базі теплоелектроцентралей (ТЕЦ), основані на Відомі установки для централізованого комбівикористанні парового, парогазового та газопаронованого видобутку електричної та теплової енервого циклів, які в містах і районах України втілюгії для крупних споживачів (ТЕЦ) на базі парового, ють основний, найбільш поширений спосіб комбіпарогазового і газопарового циклів, поширені в нованого вироблення теплової та електричної крупних містах і районах України [1, 2, 3]. енергії [1, 2, 3]. Недоліком цих установок є висока капітальна Основним недоліком цих способів, спрямовавартість, значна залежність ефективності від поних на централізоване енергопостачання крупних тужності установки, яка швидко падає при її зниспоживачів (міста, райони), є їх висока капітальна женні, великі втрати теплової енергії, пов'язані з вартість, значна залежність ефективності способу необхідністю її транспортування на далекі відстані, від потужності, яка швидко падає при її зменшенні, складність і велика вартість необхідного підвинедостатньо висока надійність централізованого щення потужності при зростанні попиту на теплову енергопостачання, великі втрати теплової енергії, енергію при розширенні міст і районів, що призвопов'язані з необхідністю її транспортування на ведить до необхідності додаткового спорудження ликі відстані, практична неможливість задовольнитеплофікаційних котелень. ти потреби в енергії, особливо в тепловій, при зроВідома когенераційна установка для виробстанні міст і районів, що призводить до лення електричної та теплової енергії в комунальнеобхідності будування додаткових котелень для них теплофікаційних котельнях, яка містить газотеплопостачання. турбінну установку (ГТУ) і водогрійний котел, в Відомий спосіб комбінованого вироблення теякому використовується теплота димових газів плової та електричної енергії в комунальних тепГТУ зі спаленням в середовищі димових газів ГТУ лофікаційних котельнях на базі когенераційних додаткового палива [5], яка обрана за прототип. установок, обраний за прототип. Цей спосіб вклюНедолікам прототипу властиві перелічені вище чає спалення природного газу в газотурбінній недоліки способу комбінованого вироблення тепустановці (ГТУ), яка забезпечує одержання електлової та електричної енергії в комунальних тепроенергії, формування потоку вихлопних газів за лофікаційних котельнях на базі когенераційних ГТУ, скидання вихлопних газів в водогріний котел і установок. Це жорстка вимога до палива, яким спалення в їх середовищі додатково природного може бути тільки природний газ, високі капітальна газу [5]. Цей комбінований спосіб одержання тепвартість установки і експлуатаційна вартість, лової та електричної енергії забезпечує значне спрямованість на достатньо високі електричні попідвищення коефіцієнту використання палива, тужності, що виключає використання установки в обумовлює значний економічний ефект, покракотельнях, розрахованих на дрібних споживачів і щення екологічного становища навколишнього зменшує можливості децентралізації електропоссередовища, сприяє децентралізації енергозабезтачання і оптимального використання палива печення і зростанню його надійності. В основу першого з групи винаходів поставлеНедоліком цього способу є жорстка вимога до но задачу поширення комбінованого вироблення палива, яке використовується когенераційними теплової та електричної енергії на теплофікаційні установками. Як паливо для ГТУ можуть бути виводогрійні котельні, позбавлені газопостачання, які користані тільки природний газ, який Україна імповикористовують різні енергетичні або місцеві партує, чи дефіцитне рідке паливо. Очевидно, що лива, на водогрійні котельні промислових підприцей спосіб комбінованого вироблення теплової та ємств і на індивідуальні котельні малої потужності, електричної енергії не може бути використаний в підвищити економічну ефективність видобутку регіонах, де відсутнє газопостачання. Недоліком теплової енергії, забезпечити можливість видобутцього способу є також необхідність значних капіку електроенергії в тих випадках, коли існує водогталовкладень, що пов'язано з високою вартістю рійний котел, але немає можливості забезпечити газотурбінної установки. Суттєва і експлуатаційна об'єкт електроенергію з електричної мережі (лісо- і вартість, пов'язана з необхідністю спеціального торфорозробки, родовища і інші об'єкти, які не обслуговування ГТУ. Недоліком цього способу є і мають зв'язку з електричною мережею) шляхом обмеження електричної потужності когенераційних використання для вироблення електроенергії гідустановок досить високими значеннями, обумовравлічної та теплової енергії насиченої котлової лене існуючим потужнісним рядом ГТУ, орієнтоваводи, яка водночас є і джерелом теплової енергії них на порівняно високі потужності (2,5...50мВт). для споживачів. За рахунок цього задовольняютьОчевидно, цей фактор і необхідність спеціального ся потреби в електроенергії на обмеженому необобслуговування ГТУ орієнтують цей спосіб на вихідному для споживання рівні потужності 10роблення достатньо високих потужностей і роб500кВт, що обумовлює розповсюдження комбінолять його придатним тільки для досить потужних ваного вироблення електричної та теплової енергії станцій теплопостачання районного і міського мана широку область дрібних споживачів, в тому сштабів. Разом з тим, є достатня кількість дрібних числі на споживачів, розташованих в місцевості, споживачів і виробників теплової енергії, котрі не де немає доступу до мережевої електроенергії, можуть бути охоплені цим способом виробництва значну децентралізацію забезпечення тепловою енергії. Мова йдеться про котельні, кожна з яких та електричною енергією і призводить до росту обслуговує незначну кількість дрібних споживачів надійності енергопостачання при відносно низьких теплової енергії, наприклад, міський жилий дім, і капітальних і експлуатаційних витратах. про індивідуальні котельні (окремий котедж), що В основу другого із групи винаходів поставлезвужує можливості децентралізації електропостано задачу удосконалення когенераційної установчання і оптимального використання палива. ки шляхом заміни ГТУ гідропаровою турбіною з 5 76862 6 метою здійснення можливості використання її в може працювати тільки на насиченій котловій воді теплофікаційних водогрійних котельнях, які викоз невеликим паровмістом, а вода після водогрійнористовують різні палива, при відносно невеликій го котла, як правило, є недогрітою. Зниження тиску потребі споживачів в електроенергії (10-500кВт), котлової води може бути здійснене шляхом дрощо сприяє розповсюдженню комбінованого виробселювання в паровій решітці. Це найбільш дешелення теплової та електричної енергії на широку вий спосіб зниження тиску за капітальними затрамасу дрібних споживачів, в тому числі на споживатами на установку, але він пов'язаний з значною чів теплової енергії, розташованих в місцевості, де втратою гідравлічного потенціалу котлової води. немає доступу до мережевої електроенергії, обуПри значних ступенях недогріву економічно більш мовлює поширення децентралізації теплоелектровигідним може бути додаткове перед паровою постачання і підвищення його надійності, значно решіткою зниження тиску котлової води за допозбільшує економічну ефективність видобутку тепмогою гідравлічної турбіни. При цьому гідравлічна лової енергії. енергія тиску котлової води корисно використовуПерша поставлена задача вирішується тим, ється для одержання додаткової механічної робощо в способі комбінованого вироблення теплової ти. Рішення про додаткове зниження тиску за дота електричної енергії, який включає спалення помогою гідравлічної турбіни повинно прийматися палива в водогрійному котлі і використання котлона основі економічних розрахунків, пов'язаних з вої води для задоволення потреб споживачів в діючими тарифами на електричну і теплову енертепловій енергії, згідно винаходу у водогрійному гію. котлі спалюють все паливо, призначене для когеСпрямування водопарової суміші після ГПТ в нераційної установки, без обмежень на вид палитеплообмінник-конденсатор необхідно для отрива, одержану в котлі нагріту котлову воду направмання задовільного перепаду ентальпій на ГПТ, ляють в колектор-розподілювач, з якого одну її від чого залежить її питома потужність, і стабільної частину направляють на теплопостачання, а другу роботи конденсатного насосу. направляють до пристрою зниження тиску у виВикористання насоса для подачі конденсата в гляді парової решітки, де шляхом дроселювання змішувач необхідно в зв'язку з тим, що тиск в конзнижують тиск відібраної котлової води до стану денсаторі значно менший тиску в змішувачі, який насичення і часткового випаровування, спрямовуприблизно дорівнює тиску зворотної води. ють одержану після решітки насичену воду в гідДруга поставлена задача вирішується тим, що ропарову турбіну, де гідравлічна і теплова енергія установка для комбінованого одержання теплової насиченої води перетворюється в механічну робота електричної енергії, яка містить водогрійний ту, яка перетворюється в електричну енергію в котел з системою водопостачання, технологічні електрогенераторі, водопарову суміш після гідротрубопроводи, запірно-регулюючу арматуру, освіпарової турбіни направляють в теплообмінниктлювальні та контрольно-вимірювальні прилади і конденсатор, з теплообмінника-конденсатора одесистему автоматики, згідно винаходу додатково ржаний конденсат насосом подають в змішувач, містить гідропарову турбіну з електрогенератором, куди також направляють зворотну воду, а після колектор-розподілювач котлової води для розпозмішувача воду живильним насосом подають в ділу котлової води між гідропаровою турбіною і котел, крім того, при значному недогріві котлової контуром теплопостачання, пристрій для зниження води в пристрої зниження тиску додатково перед тиску недогрітої котлової води до стану насичення, паровою решіткою знижують тиск води в гідравлічвиконаний у вигляді парової решітки, теплообмінній турбіні, зв'язаній механічно з валом гідропароник-конденсатор, конденсатний насос, змішувач, вої турбіни, з перетворенням гідравлічної енергії крім того, при значному недогріві котлової води відібраної котлової води в додаткову механічну пристрій для зниження тиску недогрітої котлової роботу. води до стану насичення додатково містить гідраНа відміну від прототипу все паливо, яке посвлічну турбіну з редуктором, розташовану перед тупає в когенераційну установку, спалюють в топці паровою решіткою і механічно зв'язану з валом котла. Оскільки продукти згоряння згідно винаходу гідропарової турбіни. не використовуються як робоче тіло, а котел може Розташування в теплофікаційній схемі гідробути розрахований на різні види палива, а не тільпарової турбіни (ГПТ) з електрогенератором доки на природний газ, то в запропонованому спосозволяє використати для здобуття електроенергії бі для комбінованого вироблення енергії можуть теплову енергію насиченої котлової води. Термобути використані, на відміну від прототипу, всі видинамічна ефективність ГПТ нижча за термодинади палива, що робить запропонований спосіб унімічну ефективність ГТУ, але ГПТ компактна і деверсальним по відношенню до різних видів палива шева, не вимагає спеціального обслуговування, не і дозволяє його використання в місцевостях, позпов'язана з необхідністю вибора палива і може бутих газопостачання, що значно розширює можмати потужність, задвольняючу самого дрібного ливості розповсюдження запропонованого спососпоживача електроенергії (наприклад, окремий ба. котедж). Розподіл котлової води в колекторіКолектор-розподілювач котлової води в устарозподілювачі котлової води є необхідним для новці потрібен для відбору котлової води на ГПТ. забезпечення котловою водою гідропарової турбіПристрій для зниження тиску відібраної на ГПТ ни (ГПТ). котлової води необхідний в зв'язку з тим, що ГПТ Зниження тиску відібраної котлової води до працює тільки на насиченій воді з невеликим пастану насичення в пристрої для зниження тиску є ровмістом, а котлова вода, як правило, є недогріабсолютно необхідним в зв'язку з тим, що ГПТ тою. Пристрій може бути виконаний у вигляді па 7 76862 8 рової решітки, в якій зниження тиску відбувається чення з невеликим паровмістом. Котлова вода, як шляхом дроселювання. Такий пристрій найбільш правило, недогріта до стану насичення. Тому відідешевий, але робота його пов'язана з втратою брана з колектора 4 котлова вода подається в гідравлічної енергії котлової води. При значному устрій 5, а саме на гідравлічну турбіну 7, де при недогріві ця втрата може бути суттєвою. Тому при зниженні тиску вода доводиться до стану близьзначному недогріві пристрій для зниження тиску кому до насичення. При цьому гідравлічна енергія може додатково містить гідравлічну турбіну з рекотлової води перетворюється в механічну роботу. дуктором, розташовану перед паровою решіткою і Вода після гідравлічної турбіни поступає в парову механічно зв'язану з валом ГПТ. При використанні решітку 6, де шляхом дроселювання доводиться для зниження тиску гідравлічної турбіни гідравлічдо стану насичення і частково випаровується. З на енергія котлової води корисно використовуєтьпарової решітки насичена з невеликим паровмісся для додаткового одержання механічної роботи. том вода поступає в ГПТ 2, де теплова енергія Для механічного зв'язку гідравлічної турбіни з ГПТ насиченої води перетворюється в механічну робонеобхідний редуктор, оскільки число обертів гідрату. Механічна робота, одержана в ГПТ і зв'язаній з влічної турбіни і ГПТ різне. Рішення про додаткове нею гідравлічній турбіні, перетворюється в електрозміщення гідравлічної турбіни в пристрою для ричну енергію в електрогенераторі 3, зв'язаним зниження тиску котлової води повинно прийматися механічно з ГПТ. Число обертів гідравлічної турбіна основі економічних розрахунків, пов'язаних з ни менше числа обертів ГПТ. Тому механічний діючими тарифами на електричну і теплову енезв'язок гідравлічної турбіни з ГПТ здійснюється ргію. через редуктор 8. Теплообмінник-конденсатор необхідний для Процес перетворення теплової енергії в робоотримання задовільного теплового перепаду на ту в ГПТ супроводжується інтенсивним випаровуГПТ, від чого залежить її питома потужність, і ставанням насиченої води. Водопарова суміш після більності роботи конденсатного насосу. ГПТ поступає в теплообмінник-конденсатор 9, де Конденсатний насос необхідний в схемі устаконденсується. Розрядження в теплообмінникуновки оскільки тиск в теплобміннику-конденсаторі конденсаторі не повинно бути великим. Це треба нижчий тиску в змішувачі, який приблизно дорівдля збереження квазігомогенної структури потоку і нює тиску зворотної води. забезпечення ефективної роботи турбіни. ЗроблеСуть винаходів пояснюється кресленням, на ні оцінки показують, що оптимальний тиск в телоякому зображена принципова схема запропоноваобміннику-конденсаторі становить приблизно ної установки для комбінованого вироблення теп0,2бар. При цьому температура в конденсаторі лової та електричної енергії. дорівнює приблизно 60°С. При такій температурі Запропонована когенераційна установка місможна використовувати повітряний конденсатор. тить водогрійний котел 1, гідропарову турбіну 2 з Як охолоджуючий агент можна використовувати і електрогенератором 3, колектор-розподілювач зворотну воду при її достатньо низький темперакотлової води 4, устрій для забезпечення знижентурі і холодну воду з системи гарячого водопостаня тиску котлової води до стану насичення і її часчання. В останніх двох випадках теплота конденткове випаровування 5, до складу якого входить сації в схемі використовується корисно. парова решітка 6 і в разі значного недогріву котлоКонденсат з теплообмінника-конденсатора навої води гідравлічна турбіна 7 з редуктором 8, месосом 10 подається в змішувач 11. Сюди ж постуханічно зв'язана з валом гідропарової турбіни 2, пає і зворотна вода. З змішувача 11 вода живильтеплообмінник-конденсатор 9, конденсатний насос ним насосом 12 подається в котел 1. 10, змішувач 11, живильний насос 12. На схемі Термодинамічна ефективність ГПТ нижча також умовно зображений споживач теплової енеефективності ГТУ. Нижчою буде, порівняно з когергії 13. нераційними установками з ГТУ, і ефективність При незначному недогріві котлової води устрій запропонованої когенераційної установки. Але 5 складається тільки з парової решітки 6. В цьому ГПТ компактна, менш металовмісна, значно дешевипадку установка коштує дешевше. Відсутність вша за ГТУ, не потребує спеціального обслуговугідравлічної турбіни 7 в схемі при значному недовання і пожежобезпечна. Вона в експлуатації мало гріві котлової води знижує ефективність установки. чим відрізняється від насосу живлення котла і моОптимальне рішення відносно використання гідраже бути встановлена в котельнях, в тому числі і влічної турбіни в схемі установки приймається на індивідуальних, без особливих ускладнень. Видооснові попереднього аналізу її параметрів. бута з допомогою запропонованої установки елекНайбільш універсальною по потужності і найтрична енергія може бути використана як для внубільш простою конструктивно є гвинтова реактивтрішніх потреб котельні, так і як комерційна. на і реактивно-активна ГПТ [5, 6, 7], яку можна Джерела інформації рекомендувати як тепловий двигун запропонова1. Рыжкин В.Я., Тепловые электрические станции. ної когенераційної установки. М.: «Энергия», 1967. Працює установка наступним чином. Котлова 2. Андрющенко А.И., Лапшов В.И., Парогазовые вода з водогрійного котла 1 поступає в колекторустановки электростанций. М.: «Энергия», 1965. розподілювач 4, з якого частина котлової води 3. Канаев А.А., Корнеев М.И., Πарогазовые уставідбирається на ГПТ, а решта подається споживановки. Л.: «Машиностроение», 1974. чу теплової енергії 13. Після споживання теплоти 4. Степанов Р.И., Котлы с предвключенными газоохолоджена зворотна вода подається в змішувыми турбинами. - "Теплоэнергетика", 1995, №4, вач 11. с.41-43. В ГПТ вода повинна поступати в стані наси5. Патент України №57504, кл. 7Р01Д1/38. Бюл. 9 76862 10 №6, 2003. 7. Патент України №68147, кл. 7Р01Д1/38. Бюл. 6. Патент України №65420, кл. 7F01Д1/38. Бюл. №7, 2004. №4, 2004. Комп’ютерна верстка О. Гапоненко 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