ПАРОГАЗОВАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА (ВАРИАНТЫ)

Предлагаемая полезная модель относится к области энергомашиностроения, конкретно, турбостроения, в частности к устройству парогазовых установок (ПГУ), а именно к вариантам устройства ПГУ, предназначенных для работы с использованием геотермальных ресурсов.
Характерной чертой развития современного мирового энергомашиностроения является широкое вовлечение в энергобаланс возобновляемых источников энергии. В структуре мирового производства электроэнергии доля вовлечения таких источников неуклонно растет. Существенный вклад в отмеченное направление вносит использование геотермального теплоносителя при его преобразовании в электроэнергию, вырабатываемую на электростанциях. В общем контексте, проводимой реструктуризации отечественной энергетики, использование региональных энергоресурсов, на примере вовлечения геотермальных источников полуострова Камчатка, является кардинальным решением проблем энергообеспечения данного региона. При этом одновременно решается комплекс важнейших задач, а именно, снижение зависимости региона от дорогостоящего привозного топлива, существенно улучшаются экологические показатели работы таких геотермальных энергетических электростанций (ГеоЭС), поскольку технологическая схема предусматривает обратный возврат путем закачки отработанного парового конденсата и сепарата в земные пласты. Вовлечение геотермального ресурса обеспечивает также и заметное снижение расходов на подготовку пара и, соответственно, себестоимости единицы вырабатываемой электроэнергии в целом. Однако основным и, к сожалению, объективным недостатком ГеоЭС является то, что как правило, топография местности на которой располагаются геотермальные поля, в частности Камчатки (каньоны, овраги, мелкие речки), обычно не позволяет строить крупные геоэнергетические блоки. В силу отмеченных причин обычная установленная мощность геотермальных блок-электростанций не превышает 4-30 Мвт. (Журнал «Теплоэнергетика», 1999 г., №2, стр.2-4).
Известно устройство геотермальной энергетической установки (ГеоЭУ) с двухступенчатой сепарацией пароводяной смеси, забираемой из геотермальных скважин, содержащее продуктивные геотермальные скважины, устройство подвода геотермального теплоносителя, установку подготовки геотермального пара, включающую расширитель,
(ГеоУПП), конденсатор, водо-водяной теплообменник, насосы, устройства отвода парового конденсата и сепарата в скважины закачки, паровую турбину конденсационного типа (ГеоПТ). (Журнал «Теплоэнергетика», 1999 г., №2, рис.2, 3 на стр.4, а также журнал «Электрические станции», 2002 г., №3, стр.33).
К основному недостатку ГеоЭУ, следует отнести недостаточную электрическую мощность и невысокий КПД работы ГеоПТ.
Известно устройство двухконтурной парогазовой энергетической установки (ПГУ), включающее газотурбинную установку (ГТУ), котел - утилизатор (КУ), паровую турбину (ПТ), сепаратор (СЕ), конденсатор (К), деаэратор (Д), питательные насосы высокого и низкого давлений (ПНВД и ПННД, соответственно), при этом КУ ПГУ содержит низкотемпературный экономайзер, пароперегревательные поверхности (ПП), промежуточный пароперегреватель (ППП), испарители высокого и низкого давлений (ИВД и ИНД, соответственно) и газовый подогреватель конденсата. (Журнал «Энергетическое строительство», 1995, №3, рис.1-а на стр.57)
Причиной, препятствующей достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, является то, что температура пара, поступающего из контура низкого давления КУ обычно невысока. Это приводит к понижению температуры пара в камере смешивания потока пара, выходящего из части высокого давления ПТ и потока пара, генерируемого в контуре низкого давления КУ. Следствием этого является повышенная влажность пара в последних ступенях цилиндра низкого давления паровой турбины, что не позволяет достигнуть оптимальной величины КПД и мощности ПГУ в целом.
Известно устройство парогазовой энергетической установки, представляющее собой двухконтурную ПГУ без промежуточного перегрева пара, включающее ГТУ, паровую турбину, сепаратор, конденсатор, деаэратор, питательные насосы высокого и низкого давлений, котел - утилизатор, содержащий пароперегревательные поверхности, контуров высокого и низкого давлений, экономайзер, испарители контуров высокого и низкого давлений и газовый подогреватель конденсата. (Журнал «Теплоэнергетика», 2001 г., №5, с.19, рис.2).
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже желаемого технического результата при использовании известного устройства, следует отнести пониженные надёжность работы и величину КПД проточной части паровой турбины, вследствие работы ее последних ступеней на паре повышенной влажности.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая группа полезных моделей, является разработка устройства парогазовой энергетической установки, которое обеспечит существенное снижение расходов на подготовку пара и эксплуатационных расходов, упрощение технологической схемы, повышение надежности работы, величины КПД энергетической установки и, соответственно, заметно снизить себестоимость единицы вырабатываемой электроэнергии, при одновременном улучшении технико-экономических, экологических показателей работы энергетической установки в целом.
Для достижения желаемого единого технического результата предлагаемой группой полезных моделей, объединенных единым творческим замыслом, по одному из вариантов выполнения устройства парогазовой энергетической установки, энергетический блок ПГУ двухконтурного типа без промежуточного перегрева пара включающий газотурбинную установку, паровую турбину, сепаратор, конденсатор, деаэратор, питательные насосы высокого и низкого давлений, а также котел-утилизатор, содержащий пароперегревательные и испарительные поверхности контуров высокого и низкого давлений, экономайзер и газовый подогреватель конденсата, дополнительно снабжают подогревателем питательной воды (ППВ), греющей средой в котором является геотермальный теплоноситель, при этом выход деаэратора через питательный насос низкого давления соединяют со входом ППВ по питательной воде, а выход ППВ по питательной воде соединяют со входом экономайзера, причем вход по греющему теплоносителю ППВ соединяют непосредственно с продуктивными скважинами геотермального источника, а выход ППВ по греющему теплоносителю, через насос закачки непосредственно связывают со скважиной закачки в земной пласт.
По второму варианту выполнения устройства парогазовой энергетической установки, энергоблок двухконтурной ПГУ без промежуточного перегрева пара, включающий газотурбинную установку, паровую турбину, сепаратор, конденсатор, деаэратор, питательные насосы высокого и низкого давлений, котел - утилизатор, содержащий расположенные в нем экономайзер, пароперегревательные и испарительные поверхности контуров высокого и низкого давлений, а также газовый подогреватель конденсата, объединяют с энергоблоком ГеоЭУ, включающим в свою очередь паровую турбину (ГеоПТ) конденсационного типа, продуктивные геотермальные скважины (ПГС), устройство подвода геотермального теплоносителя (УПГеоТ), установку подготовки геотермального пара, включающую расширитель (ГеоУПП), конденсатор, насосы, устройства отвода парового конденсата и сепарата, при чем упомянутую объединенную энергетическую парогазовую установку дополнительно снабжают подогревателем питательной воды (ППВ), греющей средой в котором является геотермальный теплоноситель, а также пароперегревателем
геотермального пара (ППГео), который располагают в КУ ПГУ и обогревают отработанными газами ГТУ, при этом выход деаэратора ПГУ через питательный насос высокого давления, соединяют со входом ППВ по питательной воде, выход ППВ по питательной воде соединяют со входом экономайзера, а вход ППВ по греющему теплоносителю, а также вход ГеоУПП соединяют непосредственно с продуктивными скважинами геотермального источника, при этом выход ППВ по теплоносителю соединяют с расширителем ГеоУПП, а выход из ГеоУПП связывают со входом ППГео по геотермальному пару, который после ППГео направляют на ГеоПТ.
При исследовании отличительных признаков предлагаемого устройства не выявлено каких-либо известных или аналогичных технических решений, позволяющих решить поставленную техническую задачу. Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что заявитель не обнаружил известных технических решений, характеризующихся признаками, тождественными или эквивалентными признакам заявленной группе полезных моделей, что позволило выявить совокупность существенных, отличительных признаков по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату в предлагаемом устройстве и изложенных ниже, в формуле.
Следовательно, предлагаемая группа полезных моделей соответствует критерию «новизна» для полезной модели.
Предлагаемые варианты устройства парогазовой энергетической установки представлены на фигурах 1 и 2. На фигуре 1 представлена схема предлагаемой группы устройств парогазовой энергетической установки, в частности устройство по варианту № 1. На фигуре 1 показаны: продуктивные скважины 1 геотермального теплоносителя, скважины закачки 2 отработанного парового конденсата и сепарата в земной пласт, насос закачки 3, подогреватель питательной воды 4, газотурбинная установка 5, паровая турбина б в составе энергоблока ПГУ, конденсатор 7, конденсатор пара уплотнений 8, подогреватель низкого давления 9, деаэратор 10, питательные насосы высокого 11 и низкого 12 давлений, котел-утилизатор 13, включающий барабаны-сепараторы 14, пароперегревательные поверхности контуров высокого и низкого давлений 15, испарительные поверхности контуров высокого и низкого давлений 16, газовый подогреватель конденсата 17, экономайзер высокого давления 18.
На фигуре 2 представлена схема предлагаемой группы устройств по варианту № 2 и в частности показаны: газотурбинный агрегат 5, паровая турбина ПГУ 6, конденсатор 7, конденсатор пара уплотнений 8, подогреватель низкого давления 9, деаэратор
10, питательные насосы высокого 11 и низкого 12 давлений, котел- утилизатор 13, включающий барабаны-сепараторы 14, пароперегревательные поверхности контуров высокого и низкого давлений 15 КУ, испарительные поверхности контуров высокого и низкого давлений 16, газовый подогреватель конденсата 17, экономайзер высокого давления 18, а также основные элементы энергоблока ГеоЭУ: продуктивные скважины 1 геотермального теплоносителя, скважины закачки 2 парового конденсата и сепарата в земной пласт, насос закачки 3, подогреватель питательной воды 4, пароперегреватель геотермального пара 19 (ППГео), располагаемый в КУ ПГУ, паровую турбину ГеоЭУ 20, конденсатор ГеоЭУ 21, установка подготовки пара 22 (ГеоУПП), включающая расширитель.
Предлагаемая группа устройств работает следующим образом:
По варианту 1 конструктивного исполнения парогазовой энергетической установки, рабочий пар, производимый двухконтурным КУ ПГУ 13 поступает в паровую турбину б, работающую в составе ПГУ, совершает механическую работу и конденсируется с помощью конденсатора 7. Далее паровой конденсат подогревается в конденсаторе пара уплотнений 8 и через подогреватель низкого давления 9, поступает в газовый подогреватель конденсата 17 и далее в деаэратор 10. Из деаэратора 10 питательными насосами ВД 11 и НД 12 конденсат закачивается в испарительные поверхности 16 КУ ПГУ 13, из которых пароводяная смесь поступает в барабаны-сепараторы 14, а из них пар направляется в пароперегревательные поверхности 15 КУ ПГУ 13. Питательная вода контура высокого давления ПГУ, после предварительного подогрева геотермальным теплоносителем в ППВ 4, направляется в экономайзер высокого давления 18. Охлажденный за счет отдачи теплоты питательной воде геотермальный теплоноситель, насосом закачки 3 утилизируется непосредственно в геотермальный земной пласт через скважину закачки 2.
Предлагаемые конструктивные изменения позволяют уменьшить величину теплопередачи от газов ГТУ к питательной воде в экономайзере, что обеспечивает заметное возрастание температуры пара контура низкого давления ПГУ на выходе из пароперегревательной поверхности 15 КУ 13, а также рост его расхода. Более того, появляется возможность полностью отказаться от необходимости применения устройств внешней сепарации пара, что в комплексе позволяет существенно упростить и как следствие, снизить стоимость технологической схемы предлагаемой энергетической установки, при одновременном повышении надежности и величины к.п.д. работы паровой турбины в составе ПГУ. Таким образом, с учетом значительного снижения энергетических затрат за счет вовлечения дешевых геотермальных ресурсов в тепловой баланс ПГУ, предлагаемое устройство парогазовой энергетической установки обеспечит существенное улучшение
технико-экономических и экологических показателей работы энергетической установки в целом и, соответственно, себестоимости единицы вырабатываемой электроэнергии. Предлагаемый вариант может быть реализован в условиях, где топография местности, на которой располагаются геотермальные поля позволяет строительство энергоблоков средней мощности (30-70 МВт.).
По варианту 2 конструктивного исполнения парогазовой энергетической установки, рабочий пар, производимый в двухконтурном КУ ПГУ 13, поступает в паровую турбину 6, работающую в составе ПГУ, совершает механическую работу и конденсируется с помощью конденсатора 7. Далее паровой конденсат подогревается в конденсаторе пара уплотнений 8 и через подогреватель низкого давления (ПНД) 9 поступает в газовый подогреватель конденсата 17 КУ ПГУ 13 и далее в деаэратор 10. Из деаэратора 10 питательными насосами ВД 11 и НД 12, конденсат закачивается в испарительные поверхности 16, контуров высокого и низкого давлений КУ ПГУ 13, после которых пароводяная смесь поступает в барабаны-сепараторы 14 для отделения пара, который затем направляется в пароперегревательные поверхности 15 контуров высокого и низкого давлений КУ ПГУ 13. Питательная вода контура высокого давления после предварительного подогрева геотермальным теплоносителем в подогревателе ППВ 4 направляется в экономайзер высокого давления 18 КУ ПГУ 13. Охлажденный за счет отдачи теплоты питательной воде геотермальный теплоноситель направляют в расширитель УПП ГеоЭУ 22 для последующего получения геотермального пара необходимых параметров и дальнейшего использования его в тепловой схеме ГеоЭУ. В УПП ГеоЭУ осуществляют сепарацию пароводяной смеси из продуктивных скважин, а полученный сухой насыщенный геотермальный пар направляют в пароперегреватель ППГео 19, расположенный в КУ ПГУ. После осуществления перегрева пара до необходимых параметров, последний поступает на турбину ГеоПТ 20 где и совершает механическую работу и далее после конденсации в конденсаторе 21 ГеоЭУ, насосом закачки 3 утилизируется в геотермальный земной пласт через скважину закачки 2, заканчивая тем самым замкнутый рабочий цикл.
Таким образом, конструктивные изменения предлагаемого варианта устройства энергетической установки позволяют существенно улучшить технико-экономические и экологические показатели работы паровых турбин как в составе ПГУ, так и ГеоЭУ, что в комплексе позволяет заметно снизить себестоимость единицы вырабатываемой электроэнергии при существенном повышении установленной мощности.
Предлагаемая схема может быть использована при строительстве новых энергетических установок (блок станций) мощностью более 70 Мвт, а также при реконструкции существующих модульных геотермальных блок электростанций.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании полезной модели следующей совокупности условий:
- средство, воплощающее предлагаемое устройство при его осуществлении, предназначено для использования в области энергомашиностроения, а именно турбостроения;
- для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте ниже приведенной формулы, подтверждается возможность его осуществления с помощью приведенных в описании заявки средств и методов;
- предлагаемое устройство, при его осуществлении, в частности обеспечивает:
увеличение температуры и расхода пара низкого давления; заметное снижение затрат теплоты на производство пара в КУ за счет использования в тепловой схеме теплоты геотермальной смеси; заметное упрощение и удешевление технологической схемы, за счет возможности отказа от необходимости устройств внешней сепарации пара и упрощения устройства подготовки пара; существенное улучшение показателей мощности, надёжности и КПД как ПГУ, так и ГеоЭУ.
Таким образом, предлагаемая группа полезных моделей, при практическом осуществлении, способна обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата, а именно, - существенно снизить расход топлива на производство и подготовку пара; снизить эксплуатационные расходы за счет упрощения технологической схемы; заметно повысить надежность работы, величину КПД и мощности энергетической установки, чем в целом, заметно снизить себестоимость единицы вырабатываемой электроэнергии, улучшить технико-экономические и экологических показатели работы энергетической установки в целом.
Следовательно, предлагаемая группа полезных моделей соответствует критерию патентоспособности полезной модели "промышленная применимость".