Когенераційна установка з котлоагрегатом

Реферат: Винахід належить до теплоенергетики, зокрема до теплогенеруючих установок з котлоагрегатами, у тому числі з піковими водогрійними котлами, і може бути використаний для генерування електро- і теплоенергії заданого температурного рівня в системах теплопостачання. Когенераційна установка з котлоагрегатом містить контур з котлом 1, перекачувальним мережним насосом 8, і контур на низькокиплячому робочому тілі, який включає послідовно з'єднані живильний насос 7, теплообмінник-випарник 2, приєднаний до парової турбіни на низькотемпературному робочому тілі із електрогенератором 5, вихлопний патрубок якої сполучено з паровою порожниною конденсатора 6, рідинною порожниною пов'язаного із прямою магістраллю мережної води, при цьому пряма і зворотна магістралі мережної води зв'язані регулювальним вентилем 9, при цьому паралельно конденсатору 6 і водогрійному котлу 1 підключений теплообмінник 15 додаткового охолодження, наприклад градирня. Пристрій дозволяє підвищити ефективність роботи діючого котлоагрегату з видачею у тепломережу теплоносія заданого температурного рівня та додатковим виробленням електроенергії. UA 113257 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до теплоенергетики, зокрема до теплогенеруючих установок з котлоагрегатами, у тому числі з піковими водогрійними котлами, і може бути використаний для генерування електро- і теплоенергії заданого температурного рівня в системах теплопостачання. Функціонування енергоблоків з котлоагрегатами в системі теплопостачання житловокомунального сектора теплоелектроцентралей (ТЕЦ) дозволяє забезпечити на номінальній витраті подачу мережної води відповідно до температурного графіка при роботі котлоагрегату на максимальному коефіцієнті корисної дії (ККД) із номінальною температурою 150 °C. При підвищенні температури зовнішнього повітря, особливо в період завершення опалювального сезону, коли необхідний рівень температури прямої мережної води не перевищує 65-70 °C, підтримання максимального рівня прямої мережної води є збитковим і призводить до зниження термодинамічної ефективності діючих потужностей теплоелектроцентралей (ТЕЦ). Різницю між видаваною котлом температурою теплоносія (150 °C) при надійному функціонуванні, максимальному ККД котлоагрегату і номінальною температурою прямої мережної води (~ 70 °C) доцільно використовувати для вироблення в теплогенеруючій установці теплової та додатково електричної потужності без зниження температурного рівня теплоносія. Підвищення ефективності когенераційної установки з реалізацією температурного перепаду на максимальній різниці температур здійснюють за допомогою теплонасосного контуру для підвищення температурного рівня теплоносія з виробленням додаткової електроенергії при спрацьовуванні збільшеного перепаду низькотемпературного теплоносія в паровій турбіні (на низькокиплячому робочому тілі) за замкнутим циклом Ренкіна. Відомий пристрій для трансформації теплової енергії систем теплопостачання [пат. РФ 2143651, F25B29/00, 1997], що містить циркуляційний контур з послідовно встановленими випарником низькотемпературного теплоносія, компресором з теплообмінними поверхнями і конденсатором високотемпературного теплоносія з клапанами розподілу між ними та додатковим теплообмінником, пов'язаними з комунікаціями низькотемпературного і високотемпературного теплоносіїв. Багатоконтурна теплова схема відомого пристрою з високоенерговитратним компресором не містить електрогенеруючих елементів, а теплообмінні контури пристрою функціонують на холодоагентах з низькою критичною температурою, переведення в область високих температур яких призводить до значних тепловтрат, що знижує енергоефективність термодинамічного циклу. Відома [пат. РФ 2200906, F24D3/08, 2002] система централізованого теплопостачання будинку, яка включає контур системи гарячого водопостачання на високотемпературному теплоносії з вузлом попереднього нагрівання, що включає контур систем опалення на низькотемпературному теплоносії, систему циркуляції мережного теплоносія із прямою та зворотною магістралями теплової мережі. Відома система теплопостачання призначена для передачі тепла з підвищенням рівня останнього без додаткового вироблення електроенергії. Відома паротурбінна установка на низькокиплячих речовинах [Пат. РФ № 48364, F01K25/00, 2005], що містить парову турбіну, з'єднану з віддільником рідини, з компресором, з конденсатором-теплообмінником, з насосом, з підігрівником і з паровим котлом, при цьому віддільник рідини додатково з'єднаний з насосом і з конденсатором-теплообмінником. Теплова схема установки перевантажена енергоємними елементами, що значно знижує термодинамічну ефективність теплосилового циклу установки. Відома паротурбінна установка для геотермальної станції [пат. РФ 2246010, F01K21/04, 2005], яка містить геотермальну свердловину як джерело низькопотенціальної енергії з нагнітальним насосом і систему вторинного теплоносія, що включає у середині свердловини теплообмінник, випарник, турбіну з генератором, конденсатор, циркуляційний насос, додатковий теплообмінник і детандер. Експлуатація відомого пристрою складного схемного виконання можлива тільки на геотермальних родовищах і не придатна для використання в системах теплопостачання, оскільки значно віддалена від тепло- і енергоспоживачів. Найбільш близькою за сукупністю ознак є парогазова установка [пат. України 56568, F01K21/00, 2011], що містить газотурбінну установку з електрогенератором та додатковою утилізаційною установкою з турбіною, конденсатором та живильним насосом на низькокиплячому робочому тілі обмеженої потужності, поверхні нагріву парогенератора якої розміщені в газоході котла-утилізатора після водопарових поверхонь нагріву по ходу димових 1 UA 113257 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 газів газотурбінної установки, парову турбіну з електрогенератором, конденсатор, конденсатний насос, деаератор, живильний насос. Відома установка для промислових і комунальних об'єктів великої потужності (від декількох МВт до декількох десятків МВт) відрізняється високогабаритною надбудовою та складна для реалізації, енергетично і економічно неефективна для використання в діючих котельнях з водогрійними котлами при роботі на декількох (будь-яких) видах палив, у тому числі низькосортному. При цьому модернізація котелень під газотурбінну надбудову потребує значних капітальних витрат, а встановлення додаткових поверхонь нагріву у газоході котлоагрегату збільшує опір парового тракту, що призводить до значного зниження потужності установки. В основу винаходу поставлено задачу створення когенераційної установки з котлоагрегатом шляхом введення додаткових конструктивних елементів і зв'язків між ними в теплову схему діючої теплогенеруючої установки для реалізації циклу з виробленням теплової та додатково електричної енергії без зміни режимних параметрів котлоагрегату, за рахунок чого досягнуто підвищення ефективності роботи діючого котлоагрегату з видачею у тепломережу теплоносія заданого температурного рівня та додатковим виробленням електроенергії. Поставлена задача вирішується тим, що в когенераційній установці з котлоагрегатом, яка містить контур з котлом, перекачувальним мережним насосом, і контур на низькокиплячому робочому тілі з турбіною, насосом, випарником і конденсатором, систему циркуляції мережного теплоносія з прямою та зворотною магістралями теплової мережі, згідно з винаходом, контур на низькокиплячому робочому тілі включає послідовно з'єднані живильний насос, теплообмінниквипарник, приєднаний до парової турбіни на низькокиплячому робочому тілі з електрогенератором, вихлопний патрубок якої сполучено з паровою порожниною конденсатора, рідинною порожниною пов'язаного із зворотною магістраллю мережної води, при цьому пряма і зворотна магістралі мережної води позв'язані регулювальним вентилем. Крім того, паралельно конденсатору та котлу підключений теплообмінник додаткового охолодження, наприклад градирня. Введення у когенераційну установку з котлоагрегатом додаткових конструктивних елементів і зв'язків між ними дає можливість без капітальної зміни теплової схеми котлоагрегату і режимних параметрів установки модернізувати технологічний цикл для одержання якісно нового результату шляхом відбору частини теплоти від мережної води, перетвореної у контурах пристрою при низьких технічних і теплових втратах з підвищенням рівня теплоперепаду низькокиплячого робочого тіла для вироблення теплової і додатково електричної потужності, що дозволяє підвищити ефективність роботи діючого котлоагрегату. Введення в установку котлоагрегату контуру на низькокиплячому робочому тілі з теплообмінником-випарником, у якому за рахунок відбору від частково перегрітого спрямованого споживачеві теплоносія прямої мережної води здійснюють нагрівання, випарювання і перегрівання низькокиплячого робочого тіла, парова фаза якого спрацьовується у паровій турбіні, а відроблена (у турбіні) волога пара конденсується у конденсаторі зворотною мережною водою, що нагрівається за рахунок теплоти конденсації відробленої в турбіні пари, спрямованої на підігрів у котлоагрегат, дозволяє підвищити ефективність роботи діючого котлоагрегату. Підключення паралельно конденсатору та котлу теплообмінника додаткового охолодження, наприклад градирні, дозволяє підвищити теплоперепад низькокиплячого робочого тіла для вироблення теплової і додатково електричної енергії. На кресленні подано принципову схему когенераційної установки з котлоагрегатом. Когенераційна установка з котлоагрегатом містить контур високотемпературного теплоносія, що включає котлоагрегат, наприклад піковий водогрійний котел 1, по гріючій стороні, порожниною високотемпературного теплоносія пов'язаний із входом теплообмінника-випарника 2, виходом підключеним до магістралі прямої мережної води, пов'язаної із споживачем 3. У контурі низькокиплячого теплоносія порожнина по гріючій стороні теплообмінникавипарника 2 з'єднана із входом парової турбіни 4, що функціонує на низькокиплячому робочому тілі (низькотемпературному теплоносії), через вал підключеної до електрогенератора 5. Вихлопний патрубок турбіни 4 приєднаний до парової порожнини конденсатора 6, через живильний насос 7 пов'язаної за гріючою стороною з порожниною теплообмінника-випарника 2. При цьому зворотна магістраль мережної води через мережний насос 8 підключена на вхід рідинної порожнини конденсатора 6, вихід якої зв'язаний із входом водогрійного котла 1. Між прямою та зворотною магістралями мережної води встановлений регулювальний вентиль 9. Для створення підвищеного теплоперепаду низькокиплячого робочого тіла, що приходиться на турбіну 4, паралельно на вхід конденсатора 6 і водогрійного котла 1 за допомогою засувок 2 UA 113257 C2 5 10 15 20 25 30 35 10, 11, 12, 13, 14 може бути підключений теплообмінник 15 додаткового охолодження, наприклад градирня. Пристрій працює у такий спосіб. З водогрійного котла 1 високотемпературний теплоносій з максимальною температурою для надійного функціонування при максимальному ККД котлоагрегату надходить у теплообмінниквипарник 2, в якому за рахунок відбору частини тепла низькотемпературним теплоносієм, що подається насосом 7 зустрічним потоком з конденсатора 6, відбувається нагрівання, випарювання і перегрівання низькотемпературного теплоносія. Парова фаза перегрітого низькотемпературного теплоносія подається в турбіну 4, у якій збільшений теплоперепад низькокиплячого робочого тіла спрацьовується до тиску, що відповідає тиску його конденсації. З вала турбіни 4 механічна енергія передається на електрогенератор 5 з виробленням електроенергії для забезпечення власних потреб з безперебійним енергопостачанням діючого котлоагрегату і потреб зовнішніх споживачів. Частково охолоджений до заданого рівня високотемпературний теплоносій з виходу теплообмінника-випарника 2 через магістраль прямої мережної води надходить споживачеві 3. При цьому, температура мережної води, що подається споживачеві, регулюється за допомогою вентиля 9 шляхом підмішування зворотної мережної води з більш низькою температурою теплоносія. Відпрацьована пара з вихлопного патрубка турбіни 4 надходить в конденсатор 6, конденсуючись у якому, переходить в рідкий стан і за рахунок прихованої теплоти паротворення нагріває мережну воду зі зворотної магістралі, що перекачується мережним насосом 8 від споживача 3. Низькотемпературний теплоносій, що перекачується живильним насосом 7 з конденсатора 6, надходить у теплообмінник-випарник 2, завершуючи замкнутий цикл. Для створення підвищеного теплоперепаду низькотемпературного теплоносія через відкриті засувки 10, 11, 12 при закритих засувках 13, 14 з теплообмінника 15 додаткового охолодження, за який використовують градирню або інший пристрій зовнішнього охолодження, подається охолоджений теплоносій, який, конденсуючи низькотемпературний теплоносій у конденсаторі 6, дозволяє підвищити величину теплоперепаду, що припадає на турбину 4 і, тим самим, підвищує електричну потужність турбіни 4. Для ефективної роботи теплонасосного контуру проведений підбор низькотемпературного теплоносія виходячи з умов підтримки заданої температури кипіння робочого тіла нижче температури прямої мережної води на виході (після), пікового водогрійного котла 1 і на вході в теплообмінник-випарник 2, оскільки температура конденсації низькокиплячого робочого тіла повинна бути вище температури зворотної мережної води, що надходить після споживача 3 на вхід конденсатора 6 для забезпечення температурних режимів елементів (номінальних параметрів) теплової схеми. Розрахункове дослідження з підтвердженням працездатності запропонованого пристрою проведено для низькокиплячого робочого тіла - R-600a (ізобутан) вихідні теплові характеристики якого наведено в таблиці 1. Таблиця 1 Хладон R-600a Хімічна формула СН(СН3)3 Молекул. Темпер, Тиск, (20 °C), Критична, Критич. Питомий маса, 3 кипіння, °C Р, МПа темпер., °C тиск, МПа об'єм, м /кг г/моль 58,12 11,8 0,498 135,92 36,845 0,00514 40 45 50 Моделювання процесу, проведене із застосуванням розробленого програмного комплексу, що підтверджує збереження режимних параметрів теплової схеми котлоагрегату з використанням теплонасосного контуру з турбіною на низькотемпературному робочому тілі при ефективному функціонуванні системи теплопостачання. Теплові і масові характеристики когенераційної установки з котлоагрегатом, реалізованої на прикладі теплоблока Харківської ТЕЦ-5 з піковим котлом ПТВМ-180 і погоджені з параметрами теплових мереж КП "Харківські теплові мережі", наведені в таблиці 2. Так, витрату мережної води через піковий водогрійний котел 1962 т/ч, у запропонованій тепловій схемі, обмежено тепловою потужністю котла 209,4 МВт. При номінальних характеристиках температура живильної води на вході в котел становить 106 °C, з урахуванням відбору частини тепла від мережної води, потенціал живильної води значно знизиться і складе 63,3 °C. При цьому максимальна температура мережної води при подачі споживачеві шляхом перепуску частини води зі зворотної магістралі через регулювальний вентиль 9 знижується до заданої 70-75 °C, забезпечуючи витрату мережної води споживачеві в об'ємі 4500 т/ч. 3 UA 113257 C2 Таблиця 2 Характеристики теплового циклу установки Величина Пікова теплова потужність водогрійного котла, МВт 209,4 Витрата мережної води в літній період для гарячого водопостачання, т/год. 3200-4250 Температура мережної води на вході в котел, °C 63,3 Температура мережної води на виході з котла, °C 150 Витрата мережної води в котлі, кг/с, т/год. 545 (1962) Кількість теплоти, переданої від мережної води, нагрітої в водогрійному котлі до 46,88 150 °C, до робочого тіла R-600a, МВт Температура мережної води, що йде з теплообмінника-випарника, °C 131 Температура пари робочого тіла R-600a, °C 130 Тиск пари R-600a на вході в турбіну, МПа 3,0 Витрата пари (парової фази) R-600a, кг/с, т/ч 133 (478,8) Тиск пари R-600a на виході з турбіни, МПа 0,95 Температура пари R-600a на виході з турбіни, °C 83,9 ККД проточної частини турбіни, % 80 Потужність турбіни, МВт 4,7 Електрична потужність турбіни при ККД генератора 97,5 %, МВт 4,583 Теплова потужність, що передана в конденсаторі від робочого тіла R-600a до 42,92 мережної води, МВт Температура мережної води на вході в конденсатор, °C 45 Потужність, затрачувана насосом, МВт 0,732 Тиск мережної води на вході в насос, МПа 1,2 Тиск мережної води на виході з насоса, МПа 1,6 Потужність, затрачувана насосом мережної води, МВт 0,293 Витрата мережної води, кг/с, т/ч 1250 (4500) Температура прямої мережної води, °C 75 Температура зворотної мережної води, °C 45 Кількість тепла, передана тепловому споживачеві, МВт 156,7 Затрачувана на власні потреби потужність N ВЛ для покриття сумарної потужності насосів 7, 8, відповідно, 5 NВЛ N1 , і N ВЛ складе  N1  N2  0,732  0,293  1025 кВт . , Вироблена генератором електрична потужність NГ , за винятком потужності, що йде на власні потреби, становить надлишкову електричну потужність NE , яку частково чи повністю передано споживачеві NE  NГ  NВЛ  4,583  1025  3,558 МВт . , 10 Енергоефективність запропонованої установки з котлоагрегатом при виробленні пікової електричної потужності Q ПК , яка виражена через електричний ККД Е , складе: Е N 3,558 Е  E   0,076  7,6 % . QПКЕ 46,88 Теплоефективність установки за тепловою енергією Q СП , що відпускається, споживачеві, при виробленні пікової теплової потужності Q ПК , визначена тепловим ККД Т 15 20 Т   Т , складе: QСП 156,7   0,75  75,0 % . QПКТ 209,4 Таким чином, перевагою запропонованої установки з котлоагрегатом, що функціонує в номінальному режимі термодинамічного циклу, з видачею в тепломережу теплоносія заданого температурного рівня і одночасним перетворенням теплонасосним контуром температурної різниці частини відібраного тепла мережної води за допомогою низькокиплячого робочого тіла, перетвореного у високорівневий теплоперепад низькотемпературного теплоносія, 4 UA 113257 C2 спрацьовування в турбіні якого з виробленням додаткової електричної потужності для видачі в електромережу і покриття власних потреб котельні, у тому числі функціонування теплонасосного контуру, є підвищення ефективності діючого котлоагрегату при роботі в когенераційному режимі. 5 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 15 1. Когенераційна установка з котлоагрегатом, яка містить контур з котлом, перекачувальним мережним насосом, і контур на низькокиплячому робочому тілі з турбіною, насосом, випарником і конденсатором, систему циркуляції мережного теплоносія із прямою і зворотною магістралями теплової мережі, яка відрізняється тим, що контур на низькокиплячому робочому тілі включає послідовно з'єднані живильний насос, теплообмінник-випарник, приєднаний до парової турбіни на низькотемпературному робочому тілі із електрогенератором, вихлопний патрубок якої сполучено з паровою порожниною конденсатора, рідинною порожниною пов'язаного із прямою магістраллю мережної води, при цьому пряма і зворотна магістралі мережної води зв'язані регулювальним вентилем. 2. Когенераційна установка з котлоагрегатом за п. 1, яка відрізняється тим, що паралельно конденсатору і водогрійному котлу підключений теплообмінник додаткового охолодження, наприклад градирня. Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5