Спосіб комбінованого вироблювання теплової та електричної енергії /варіанти/ та пристрій для його реалізації

1. Спосіб комбінованого вироблювання теплової те електричної енергії, що включає спалення палива в тепловому двигуні для приводу електрогенератора та вироблення електричної енергії, розділ потоку вихлопних газів за тепловим двигуном, направлення окремих потоків в толочний простір котла, спалення в пальниках котла котельного палива, контроль вмісту кисню в продуктах згорання та охолодження їх на трубних поверхнях котла, який відрізняється тим, що додатково вихлопні гази за тепловим двигуном, що містять не менше 15% (об'ємних) кисню, розділяють на два потоки, регулюють пропорційно до витрати котельного палива кількість вихлопних газів в першому потоці і направляють його до пальників котла, а другий потік з рештою вихлопних газів направляють до вихідної зони топочного простору котла, причому при мінімальному тепловому навантаженні котла всі вихлопні гази теплового двигуна направляють тільки до вихідної зони топочного простору і спалення котельного палива припиняють, а при максимальному тепловому навантаженні котла всі вихлопні гази направляють тільки до пальників котла. 2. Спосіб комбінованого вироблювання теплової та електричної енергії, що включає спалення пали ва в тепловому двигуні для приводу електрогенератора та вироблення електричної енергії, розділ потоку вихлопних газів за тепловим двигуном, направлення окремих потоків в толочний простір котла, спалення в пальниках котла котельного палива, контроль вмісту кисню в продуктах згорання та охолодження їх на трубних поверхнях котла, який відрізняється тим, що додатково вихлопні гази за тепловим двигуном, що містять менше 15% (об'ємних) кисню, розділяють на два потоки, регулюють пропорційно до витрати котельного палива кількість вихлопних газів в першому потоці, змішують їх з свіжим повітрям до досягнення 15% рівня концентрації' кисню і цю суміш направляють до пальників котла, а другий потік з рештою вихлопних газів направляють до вихідної зони толочного простору, причому при максимальному тепловому навантаженні котла весь потік вихлопних газів змішується з свіжим повітрям до досягнення 15% рівня концентрації кисню і цю суміш направляють тільки до пальників котла, а при мінімальному тепловому навантаженні всі вихлопні гази направляють тільки до вихідної зони топочного простору, а змішення з свіжим повітрям та подачу котельного палива до пальників припиняють. 3. Пристрій для комбінованого вироблювання теплової' та електричної енергії, що включає тепловий двигун, електрогенератор, підключений до валу двигуна, водофійний котел з блоком пальників І толочним простором, газохщ, що з'єднує канал вихлопних газів теплового двигуна з толочним простором, та данник вмісту кисню в. продуктах згорання, який відрізняється тим, що котел додатково обладнаний блоком скидних вікон в вихідній зоні топочного простору, а газохід містить трійник приточного типу, бокові відводи якого з'єднані з блоком пальників котла та блоком скидних вікон відповідно, причому в трійнику розміщена регулююча заслонка, яка зв'язана з регулятором витрати котельного палива і з данником вмісту кисню в продуктах згорання, який розташований в вихідній зоні топочного простору котла перед блоком скидних вікон. 1^ о СП со 4 вміст кисню перевищує 15%; при менших значеннях Од вміст кисню знижується до 10%. Якщо такі бідні на кисень вихлопні гази використати як окислювач котельного палива, то підпал та горіння останнього суттєво погіршуються (див. Дригс И., Ланкастер О. Авиационные газовые турбины. - М.: Оборонгиз. - 1957, стор. 181-197; Горбатенко А.Д., Морозов О.В. Сжигание природного газа в забалластированном окислителе. - Теплоэнергетика, 1991, № 3» с. 31-33). В той же час сутність ефективної роботи когенераційної установки на часткових теплових режимах полягає в забезпеченні надійних та економічних процесів запалення та горіння котельного палива в атмосфері вихлопних газів теплового двигуна. Робота приводного двигуна при сталому електричному навантаженні обумовлює сталу витрату вихлопних газів, котрі спрямовуються в котел. Принципово можливо організувати ефективне горіння в них палива (напр., природного газу) при номінальному тепловому навантаженні котла, але при переході на часткові теплові навантаження, коли витрату палива треба зменшити в кілька разів, великий тепловідвід в сусідні непідогріті об'єми вихлопних газів знизить температуру ядра горіння до такої міри, що зробить неможливим стійке горіння, а після зриву полум'я повторний підпал факела буде пов'язаний з чималими труднощами. В результаті того, що згідно з пропонуємим способом, потік вихлопних газів теплового двигуна розділяється на два потоки з можливістю регулювання в них масових витрат створюються умови, які необхідні для існування стійкого та економічного процеса горіння та досягнення найбільшої температури в зоні горіння. За цих умов втрати теплоти з відходячими в атмосферу газами являються мінімальними. На часткових теплових на 34907 вантаженнях котла пропорційно витраті котельного палива регулюється кількість вихлопних газів, що підводиться до пальників котла в якості окислювача Якщо відбувається зниження теплового навантаження розміщена в газоході регулююча заслонка прикривається, чим зменшується витрата вихлопних газів до котельних папьників до такої величини, яка забезпечить найбільш стійке горіння та практично повне згорання котельного папта. Решта вихлопних газів відводиться до розташованих в вихідній зоні топочного простору скидних вікон і далі змішується з продуктами згорання котельного палива. При такому способі формування потока вихлопних газів теплового двигуна їх температура (примірно 350-400°С) не буде чинити помітного впливу на процес горіння в котельних пальниках, де температура продуктів згорання буде досягати принаймні 1750-1800°С. Для отримання максимальної теплової потужності котла (в зимовий опалювальний сезон) всі вихлопні гази теплового двигуна направляються до пальників котла в якості окислювача, а в пальники подається така кількість котельного палива, при якій процес згорання здійснюється з економічно найбільш вигідним коефіцієнтом надлишку повітря а« = 1,15...1,35 Зменшуючи подачу котельного палива та одночасно так знижуючи витрату вихлопних газів в тому потоці, котрий направляється до пальників котла, щоб дотримати вказану оптимальну величину а«, знижують теплову потужність котла до мінімальної (літній сезон), коли паливо на пальники котла не подається, а всі вихлопні гази теплового двигуна направляються через скидні вікна в вихідну зону топочного простору. В останньому випадку котел працює як звичайний утилізатор теплоти вихлопних газів теплового двигуна. Саме завдяки введенню байпасного відводу частини вихлопних газів в вихідну зону топочного простору котла через скидні вікна з'являється можливість пропорційного регулювання витрати вихлопних газів, що направляються до пальників котла, і витрати котельного палива, що спалюється на цих пальниках у всьому діапазоні (15-100%) часткових-теплових навантажень котла згідно з сезонним графіком теплопостачання при оптимальному значенні OR. Зазначені вище операції способу роботи когенераційної установки являються необхідними та достатніми при умові вмісту кисню в вихлопних газах теплового двигуна не менше 15%. Якщо концентрація кисню в вихлопних газах менше 15%, надійний підпал та згорання котельного палива в котельних пальниках здійснити неможливо (див. Горбатенко А.Д., Морозов О.В. Сжигание природного газа в забалластированном окислителе. ~ Теплоэнергетика, Ne 3, 1991. - С. 31-33). Тому в способі, що заявляється, при такому вміст» кисню додатково передбачена ще одна операція - зміщення тієї частки вихлопних газів, що подається на котельні пальники, з свіжим повітрям до досягнення мінімально необхідної концентрації' кисню, яка дорівнює 15%. В цьому випадку забезпечуєть' ся надійне згорання котельного палива при оптимальному коефіцієнті Ок - 1,15...1,35; решта вихлопних газів, як і раніше, направляється через скидні вікна до вихідної зони топочного простору І змішується там з продуктами згорання котельного палива. Таким чином, спосіб і пристрій, що заявляються, забезпечують регулювання та стійку, надійну та економічну роботу котла на часткових теплових режимах, тобто всесезонне комбіноване вироблення теплової та електричної енергії на станціях теплопостачання, отже досягається очікуваний технічний результат, а саме - підвищення коефіцієнта використання теплоти палива. Приклади здійснення способу. Приклад 1. Когенераційна установка має в своєму складі водогрійний котел ПТВМ-30 та газотурбінну установку ГТУ-2500 потужністю 2,5 МВт для приводу електрогенератора. Характеристики котла наведені в книзі Бузников Е.Ф., Крылов А.К., Лесниковский Л.А. "Комбинированная, выработка пара и воды". - М.: Энергия. - С. 21-23. Газотурбінна установка працює в номінальному режимі з витратою природного газу 900 нм3/г; витрата вихлопних газів - 42845 нм3/г при температурі 440°С. Вміст кисню в вихлопних газах складає 15%, тому змішення з свіжим повітрям не потрібно, і котельні вентилятори для подачі повітря на пальники котла відключені. Згідно способу, що пропонується, для забезпечення часткового теплового навантаження наприклад, 20 МВт по зимовому графіку теплопостачання, на пальники котла подається 1800 нм3/г природного газу і спалення його провадять з оптимальним значенням а* = 1,1, використовуючи як окислювач вихлопні гази ГТУ. Для цього регулююча заслонка в трійнику газохода займає положення, яке забезпечує витрату вихлопних газів в боковому відводі трійника, що зв'язаний з блоком пальників котла, яка дорівнює 2758,0 нм3/г. Тоді по другому боковому відводу, що з'єднується з блоком скидних вікон, подається решта (15265 нмэ/г) вихлопних газів ГТУ. За таких умов в топочному просторі досягається адіабатна температура горіння 1790°С. Після змішування в вихідній зоні топочного простору з рештою вихлопних газів з температурою 440°С, що подаються через скидні вікна, середньомасова температура продуктів згорання складає 1190°С. На виході з котла температура відходячих газів становить 162°С. В результаті забезпечується часткова теплова потужність котла 19,5 МВт, а коефіцієнт використання теплоти палива досягає значення 0,87, що значить, що з таким же коефіцієнтом корисної дії виробляється ще 2,5 МВт електричної потужності. В порівнянні з роздільним виробництвом тих же кількостей енергії маємо відносне заощадження питомої витрати палива 3,4%. Відповідні розрахунки наведені в таблиці, див. другий стовпець. Ефективність або к.к.д. комбінованого вироблення теплової та електричної енергії при часткових теплових навантаженнях згідно з способом, що пропонується, визначили на основі існуючих Норм розрахунків котлоагрегатів (див. "Тепловой расчет котельного агрегата. Нормативный метод. - М.: Энергоиздат, 1973, 295 с). Економічність способу визначили питомою витратою природного газу, тобто такою кількістю палива (нм3), яке необхідно витратити на вироблення сумарної кількості енергії, що чисельно дорівнює низькій теплоутворюючій здатності палива. 34907 За умов комбінованого вироблення теплової та електричної енергії питомі витрати палива визначаються величиною Ь' = 1/т). де т) - коефіцієнт використання теплоти палива в способі, що заявляється. За умов роздільного вироблення тих же кількостей енергії відповідно з к.к.д., що дорівнюють 0,91 та 0,35, загальний коефіцієнт ц буде визначатися часткою електричної енергії в сумі отриманих теплової NT та електричної NE енергії: а = NE/(NE + NT). Отже, питома витрата палива повинна виражатися формулою Ь" = [0,35 а + 0,91 х х (1-а)]" Величина (b'-b")/b" і характеризує відносну економічність процеса комбінованого вироблення енергії на часткових теплових навантаженнях. Приклад 2. Когенераційну установку в тому ж складі, що і в прикладі 1, регулюють для забезпечення мінімальної теплової потужності (12 %) по літньому режиму теплопостачання Згідно способу, що заявляється, для забезпечення мінімальної теплової нагрузки котла припиняли подачу котельного палива в пальники котла, а регулюючою заслонкою в трійнику газохода повністю перекривалибоковий відвод трійника, що з'єднується з пальниками котла. Внаслідок цього весь потік вихлопних газів ГТУ з температурою 440°С направляється по другому відводу до скидних вікон в вихідній зоні топочного простору котла, у водяному контурі якого середня температура води становить 65°С. Без подачі палива на котельні пальники, тобто в режимі утилізації, котел видає теплову потужність 4,24 МВт. при цьому температура відходячих газів дорівнює 95°С, а коефіцієнт використання палива - 0,77. В порівнянні з роздільним виробленням 2,5 МВт електричної та 4,24 МВт тепл чвої потужності на режимі мінімальної потужності к^генераційної установки досягається найбільше відносне заощадження питомих витрат палива - 11,8% (див. перший стовпець таблиці}. Для випадка максимального теплового навантаження розрахунки наведені в стовпці 3. В цьому разі регулююча заслонка в трійнику газохода повністю перекриває боковий відвод, що з'єднується зі скидними вікнами. Всі вихгопні гази подаються до пальників котла одночасно з збільшенням витрати природного газу на пальники котла до максимального (100%) значення. При коефіцієнті використання теплоти палива 0.895 виробляється 34.6 МВт теплової та 2.5 МВт електричної потужності. Відносне заощадження питомих витрат палива складає 3,1%. Приклад 3. Когенераційна установка має в своєму складі газовий поршневий двигун потужністю 1,6 МВт для приводу електрогенератора та котел ДКВР, що працює в водогрійному режимі. Витрати палива (природного газу) на роботу теплового двигуна на номінальній потужності дорівнюють 500 нмэ/г; витрати вихлопних газів - 9380 нмэ/г при температурі 450°С; к.к.д. газопоршневого двигуна - 0,35. Потрібно забезпечити часткову теплову потужність 6,4 МВт при одночасному виробленні 1,6 МВт електричної потужності. • З паспортних даних двигуна маємо, що вміст кисню в вихлопних газах складає лише 9,8%, отже спалювати в цій атмосфері котельне паливо неможливо. Використовуємо спосіб, що заявляється, для випадку вмісту кисню менше 15%. Згідно способу вихлопні гази за тепловим двигуном разділяються на два потоки в трійнику газохода, причому в боковий відвод. що з'єднується з пальниками котла, подається 3750 нм3/г вихлопних газів. Далі вони змішуються з свіжим повітрям в кількості 5510 нма/г і суміш направляються до пальників котла одночасно з подачою 750 нм3/г природного газу. Згорання відбувається при оптимальному коефіцієнті надлишку повітря близько 1,1. Решта вихлопних газів двигуна з витратою 5630 нм3/г і температурою 450°С по другому відводу трійника направляється через скидні вікна в вихідну зону топочного простору, де змішується з продуктами згорання котельного палива. Внаслідок використання способу, що заявляється, когенераційна установка виробляє 1,6 МВт електричної та 6.4 МВт теплової потужності при коефіцієнті використання теплоти палива 0,874. В порівнянні з роздільним виробленням тих же кількостей енергії досягається заощадження 8,7% природного газу. Відповідні дані розрахунків наведені в стовпці 5 таблиці, а рівень заощадження палива в випадках роботи когенераційної установки на мінімальній та максимальній тепловій потужності (стовпці 4 та 6 таблиці) складає відповідно 18% та 4.9%, що обумовлено дуже високими коефіцієнтами використання теплоти палива (0,85 та 0,91) за умов виконання способу вироблення теплової та електричної енергії, що заявляється. Вказаний спосіб реалізується за допомогою пристрою, що заявляється. На фіг. 1 наведена конструктивна схема пристрою для комбінованого вироблення теплової та електричної енергії' на часткових теплових навантаженнях котла. На фіг. 2 показана регулююча характеристика заслонки, що розміщена в трійнику газохода когенераційноТ установки. Пристрій містить, як видно з фіг. 1, тепловий двигун 1, працюючий на природному газі, вал якого з'єднаний з валом електрогенератора 2. До вихлопного каналу 3 теплового двигуна закріплюється газохід, виконаний у вигляді трійника 4 приточного типу, в якому розташована регулююча заслонка 5. Вихідний фланець бокового відводу 6 трійника з'єднується з блоком пальників 7 котла 8, а вихідний фланець бокового відводу 9 з'єднується з блоком скидних вікон 10. що розташовані в вихідній зоні топочного простору 11 котла 8. Регулююча заслонка 5 трійника з'єднана з регулятором 12 витрати котельного палива і данником кисню 15 в продуктах згорання. Продукти згорання покидають толочний простір 11, охолоджуються на трубних конвективних поверхнях 13 і через димову трубу 14 викидаються в атмосферу. Пристрій працює наступним чином. За рахунок подачі та спалення палива (природного газу) в тепловому двигуні 1 приводиться в дію електрогенератор 2. Потрапляючи в трійник 4, що з'єднує вихлопний канал 3 теплового двигуна з топочним простором 11 ко. л а 8, вихлопні гази розділяються регулюючою заслонкою 5 на два потоки. Один з них по каналу 6 підводиться до блока пальників 7 котельного палива. Положення заслонки 5 забезпечує таку витрату вихлопних газів в каналі 6, яка необхідна для згорання природного газу в пальниках 7 котла з оптимальним коефіцієнтом 34907 надлишку повітря си - 1,1. Ця умова витримується завжди на часткових теплових навантаженнях котла, тому що регулююча заслонка 5 з'єднується з регулятором 12 витрати котельного палива і має регулюючу характеристику пропорційного типу, див. фіг. 2. Другий потік з рештою вихлопних газів теплового двигуна по відводу 9 трійника 4 підводиться до блока скидних вікон 10 і потрапляє в вихідну зону топочного простору 11 котла, де змішується з продуктами згорання природного газу на пальниках 7. Суміш вихлопних газів з продуктами згорання утворюють так звані відходячі гази котла, які проходячи крізь конвективні трубні поверхні 13, віддають свою теплоту воді, що в них циркулює, охолоджуються і викидаються в димову трубу 14 котельної установки. Контроль економічності (тобто якості згорання котельного палива на пальниках 7 в атмосфері вихлопних газів теплового двигуна) здійснює данник кисню 15, що розташований в вихідній зоні топочного простору 11 перед блоком скидних вікон 10. Оскільки цей данник з'єднується з регулюючою заслонкою 5 трійника 4 газоходу, положення останньої корегується в ту чи іншу сторону таким чином, щоб отримати мінімальний вміст кисню в продуктах згорання палива на пальниках котла. Така корекція, що може виконуватись автоматично, потрібна також при можливих змінах вмісту кисню в вихлопних газах теплового двигуна або відхиленнях складу природного газу, коли він надходить з різних родовищ. Усе це сприяє найбільш економічному веденню процесу спалення палива в топці котла. В разі, якщо вміст кисню в вихлопних газах двигуна недостатній для надійного згорання (тобто меньше 15%) в канал 6 вихлопних газів подається свіже повітря по каналу 16 в такій кількості, щоб концентрація кисню досягла рівня 15%, і далі на блок пальників 7 вже поступає суміш свіжого повітря та частки вихлопних газів теплового двигуна. Згорання котельного палива і в цьому випадку провадиться при оптимальному значенні си - 1,1. В режимі максимального теплового навантаження котла регулятор 12 котельного палива пов ністю відкритий, і це примушує згідно з характеристикою фіг. 2 регулюючу заслонку 5 цілком перекрити прохідний переріз каналу 9, завдяки чому всі вихлопні гази, двигуна по каналу 6 будуть надходити тільки до блока пальників 7 котла. В режимі мінімального теплового навантаження котла регулятор .12 закриває канал подачі котельного палива на пальники, а регулююча заслонка 5 повністю перекриває канал 6 і всі вихлопні гази двигуна направляються по каналу 9 тільки до блоку скидних вікон 10. їх теплота утилізується конвективними трубними поверхнями 13, а далі охолоджені гази викидаються через димову трубу 14 в атмосферу. На режимі мінімальної потужності котла в випадку, якщо вміст кисню в вихлопних газах двигуна менше 15%, припиняється також пода• ча свіжого повітря по каналу 16. Таким чином всі режими часткового теплового навантаження котла відпрацьовуються автоматично в залежності від положення регулятора 12 витрати котельного палива. Використання запропонованого способу роботи когенераційної установки дозволяє здійснювати економічну та надійну роботу котельні відповідно сезонним (або добовим) графікам теплопостачання. В порівнянні з роздільним виробленням тих же кількостей теплової та електричної енергії спосіб та пристрій, що заявляються, у всьому діапазоні часткових теплових навантажень забезпечує заощадження природного газу від 3 до 18%, що підтверджує досягнення очікуваного технічного результату. Крім того, економічний потенціал передбачуваного винаходу полягає в тому, що в разі перетворення (з відносно невеликими капіталовитратами - 400500 дол./кВт(е)) хоча б половини існуючих теплогенераторів (котли, промислові печі, районні котельні) в когенераційні установки для комбінованого вироблення теплоти та електроенергії, Україна може вже найближчим часом запровадити електричні потужності, що рівноцінні двом Чернобильським АЄС і заощадити на цьому 40% природного газу, що видобувається в країні. Енергетичні характеристики когенераційних установок на часткових теплових навантаженнях згідно з способом роботи, що заявляється № Показники роботи установки ГТУ+ПТВМ-30 вміст кисню в вихлопних газах 15 % 20 1 2 3 4 5 6 7 Витрата палива в установці, нм3/г Кількість вихлопних газів, що направляються на блок пальників, нм3/г Коефіцієнт надлишку повітря в відходячих газах Витрата свіжого повітря на змішування, нмэ/г Адіабатична тем-pa в топочному об'ємі, °С Тем-pa відходячих газів, °С Коеф. використання теплоти палива ГПД+ДКВР вміст кисню в вихлопних газах 9,8 % Витрата палива в установці, %% 60 60 100 20 100 900 0 2700 27580 4500 42845 500 0 1250 3750 2500 9380 5,26 1,82 1.1 2,0 1,1 1.1 — — — — 5510 13770 95 0,777 1190 162 0,870 1790 180 0,895 95 0,85 1790 126 0,874 1790 180 0,91 34907 Продовження таблиці ГТУ+ПТВМ-ЗО вміст кисню в ГПД+ДКВР вміст кисню в вихлопних газах 15 % вихлопних газах 9,8 % Витрата палива в установці, %% 20 60 100 20 60 100 4,24 34,6 19,48 2,6 6,4 18,3 6,74 37,1 21,98 4.2 8,0 19,9 Показники роботи установки 8 9 10 11 12 13 Часткова теплова потужність, МВт Загальна потужність, що виробляється, МВт Частка електр. потужності в загальній потужності Відносні питомі витрати палива при комбінованому виробленні енергії (одиниць палива/одиниць потужн.) Відносні питомі витрати палива при роздільному виробленні енергії (один.палива/один.потужн.) Заощадження палива, % Середньогодове заощадження палива, % 0,371 0,114 0,067 0,381 0,2 0,081 1,287 1,149 1,124 1,176 1,144 1,099 1,460 1.19 1,16 1,435 1,253 1,156 11,8 3,4 6,0 3,1 18,0 8.7 10,0 '4,9