ТРИГЕНЕРАЦИОННАЯ УСТАНОВКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПАРОГАЗОВОГО ЦИКЛА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ И ПАРОКОМПРЕССОРНОГО ТЕПЛОНАСОСНОГО ЦИКЛА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ТЕПЛА И ХОЛОДА
TRIGENERATION PLANT WITH USE OF STEAM-GAS CYCLE FOR PRODUCTION OF ELECTRIC ENERGY AND STEAM COMPRESSOR HEAT PUMP CYCLE FOR HEAT AND COLD PRODUCTION

Область использования
Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано при разработке энергетических установок для производства трех (тригенерация) широко потребляемых видов энергии: электроэнергии и двух видов тепловой энергии - тепла и холода, разделяемых условной температурной границей комфортного состояния. В качестве основы для разработки такого рода энергетических установок представляет интерес использование получающих все большее распространение парогазовых установок (ПГУ), обеспечивающих возможность экономичного производства только электроэнергии при конденсационном режиме работы паровой турбины или электроэнергии и тепла (когенерация) при теплофикационном режиме работы паровой турбины на электростанциях-теплоэлектроцентралях (ПГУ-ТЭЦ).
Уровень техники
Известна принятая в качестве прототипа заявляемого изобретения тригенерационная установка для производства электроэнергии, тепла и холода, содержащая соединенные каждая со своим электрогенератором газотурбинную (ГТУ) и паротурбинную (ПТУ) установки с рабочими телами, включенными в общий парогазовый цикл, и парокомпрессорную теплонасосную установку (ТНУ), в рабочий контур которой включены конденсатор пара низкокипящего рабочего тела с теплоотводящей камерой (ТОК) и испаритель рабочего тела с теплоподводящей камерой (ТПК), подключенной с помощью теплообменного устройства к потребителям холода (RU 2115000, F01K 21/04, 1998 [1]). Котельная часть ПТУ согласно [1] содержит паровой котел-утилизатор (КУ) выхлопных газов ГТУ, в котором предусмотрена возможность дополнительного сжигания топлива. Механическая часть ПТУ представляет собой противодавленческую паровую турбину с промышленными и теплофикационными паровыми отборами. Потребители тепла подключены, кроме паровых отборов, дополнительно к водогрейному котлу, также работающему на выхлопных газах ГТУ с возможностью дополнительного сжигания в нем топлива. При этом избыточный пар от КУ и противодавленческого выхода паровой турбины в летнее время подается в камеру сгорания ГТУ, а ТНУ предназначена только для производства холода, который используется самой котельной, эксплуатирующей данную установку для понижения температуры отходящих газов перед их выбросом в дымовую трубу.
Недостатками тригенерационной установки [1] являются:
- ее низкая экономичность из-за дополнительного, помимо камеры сгорания ГТУ, сжигания топлива вне парогазового цикла и нецелесообразного использования ТНУ для охлаждения отходящих газов, так как при низких температурах уходящих газов из-за конденсации влаги идет интенсивная коррозия выхлопного газохода и дымовой трубы;
- непроработанность обеспечения маневренных качеств установки в части сезонного регулирования снабжения холодом его потребителей.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является повышение экономичности и маневренности тригенерационной установки в части централизованного тепло- и холодоснабжения потребителей, а техническими результатами - обеспечение возможности сжигания топлива только в камере сгорания ГТУ с исключением необходимости использования вместо конденсационной противодавленческой турбины и обеспечение возможности перераспределения тепло- и холодопроизводительности установки в соответствии с запросами потребителей или с принятым временным графиком.
Решение указанной задачи и достижение указанных технических результатов обеспечиваются тем, что в тригенерационной установке для производства электроэнергии, тепла и холода, содержащей соединенные каждая со своим электрогенератором ГТУ и ПТУ с рабочими телами, включенными в общий парогазовый цикл, и парокомпрессорную ТНУ, в рабочий контур которой включены конденсатор пара низкокипящего рабочего тела с ТОК и испаритель рабочего тела с ТПК, подключенной с помощью теплообменного устройства к потребителям холода, согласно изобретению потребители тепла подключены с помощью второго теплообменного устройства и запорно-регулирующей арматуры к ТОК конденсатора ТНУ, причем ТОК с помощью третьего теплообменного устройства и запорно-регулирующей арматуры дополнительно подключена к среде с более низкой температурой, по сравнению с температурой теплоносителя, отработавшего у потребителей тепла, а ТПК с помощью четвертого теплообменного устройства и запорно-регулирующей арматуры дополнительно подключена к одной из отработавших низкопотенциальных технологических сред тригенерационной установки с температурой более высокой, по сравнению с температурой теплоносителя, возвращаемого в ту же камеру от потребителей холода. При этом ТНУ предпочтительно может быть дополнительно оборудована тепловым аккумулятором, включенным с помощью запорно-регулирующей арматуры в рассечку линии подачи тепла его потребителям.
Причинно-следственная связь между отличительными признаками изобретения и достигаемым техническим результатом состоит в следующем.
Подключение потребителей тепла к ТОК конденсатора ТНУ позволяет исключить необходимость в водогрейном котле и в дополнительном сжигании топлива помимо камеры сгорания ГТУ, а также необходимость использования вместо конденсационной противодавленческой паровой турбины, что и является первым из отмеченных выше технических результатов. При этом экономичность установки в целом возрастает, так как расход электроэнергии на привод компрессора ТНУ, как показывают расчеты, относительно невелик и с избытком компенсируется повышением электрического КПД ПТУ.
Подключение ТОК дополнительно к среде с более низкой температурой, по сравнению с температурой теплоносителя, отработавшего у потребителей тепла, а ТПК - дополнительно к одной из отработавших низкопотенциальных технологических сред с температурой более высокой, по сравнению с температурой теплоносителя, возвращаемого в ту же камеру от потребителей холода, обеспечивает возможность установления требуемого соотношения между тепло- и холодопроизводительностями ТНУ, что и является вторым из отмеченных выше технических результатов изобретения.
Введение в ТНУ теплового аккумулятора позволяет дополнительно улучшить маневренные характеристики тригенерационной установки согласно изобретению за счет сглаживания пиков и провалов суточной нагрузки тепло- и холодоснабжения потребителей.
Краткое описание чертежа
На чертеже изображена принципиальная тепловая схема основных элементов тригенерационной установки согласно изобретению.
Условные обозначения
ГТУ - газотурбинная установка
КПД - коэффициент полезного действия
КУ - котел-утилизатор
ПГУ - парогазовая установка
ПТУ - паротурбинная установка
ТНУ теплонасосная установка
ТОК теплоотводящая камера
ТПК теплоподводящая камера
ТЭЦ теплоэлектроцентраль
Перечень позиций чертежа
1 - ГТУ; 1.1 - воздушный компрессор; 1.2 - камера сгорания; 1.3 - газовая турбина; 1.4 - электрогенератор; 1.5 - линия соединения компрессора с камерой сгорания; 1.6 - линия подачи топлива в камеру сгорания; 1.7. - линия соединения выхлопа камеры сгорания со входом газовой турбины; 1.8 - линия соединения выхлопной части газовой турбины со входом КУ; 2 - ПТУ; 2.1 - КУ; 2.2 - паровая турбина; 2.3 - конденсатор турбинного пара; 2.4 - питательный насос; 2.5 - электрогенератор; 2.6 - линия отвода дымовых газов от КУ; 2.7 - паропровод между КУ и паровой турбиной; 2.8 - линия подачи в КУ питательной воды; 3 - ТНУ; 3.1 - компрессор паров низкокипящего рабочего тела; 3.2 - электропривод указанного компрессора; 3.3 - конденсатор паров низкокипящего рабочего тела; 3.4 - ТОК конденсатора ТНУ; 3.5 - дроссельное устройство; 3.6 - испаритель низкокипящего рабочего тела; 3.7 - ТПК указанного испарителя; 3.9 - линия снабжения потребителей холодом; 3.10 - теплообменное устройство для отвода от ТОК тепла его потребителям; 3.11 - линия подачи потребителям тепла от ТОК; 3.12 - теплообменное устройство для подключения ТОК к среде с более низкой температурой, по сравнению с температурой теплоносителя, отработавшего у потребителей тепла; 3.13 - теплообменное устройство для подключения ТПК к одной из отработавших низкопотенциальных технологических сред с температурой более высокой, по сравнению с температурой теплоносителя, возвращаемого от потребителей холода; 3.14 - линия подключения ТПК в качестве примера к трубопроводу отработавшей охлаждающей циркуляционной воды после конденсатора пара; 3.15 - тепловой аккумулятор; 3.16-3.18 - запорно-регулирующая арматура на линиях подключения указанного аккумулятора; 3.19, 3.20 - линии подключения указанного аккумулятора в рассечку линии подачи тепла его потребителям; 3.21 - линия высокого давления контура ТНУ; 3.22 - линия низкого давления контура ТНУ.
Подробное описание изобретения
Тригенерационная установка для производства электроэнергии, тепла и холода содержит ГТУ 1, ПТУ 2 и ТНУ 3. В состав ГТУ 1 входят воздушный компрессор 1.1, камера сгорания 1.2, газовая турбина 1.3 и установленный с ней на одном валу электрогенератор 1.4. Линия 1.5 соединяет воздушный компрессор 1.1 с камерой сгорания 1.2, линия 1.6 служит для подачи в камеру сгорания 1.2 топлива, линия 1.7 соединяет выход камеры сгорания 1.2 со входом газовой турбины 1.3.
В состав ПТУ 2 входят паровой КУ 2.1, соединенный линией 1.8 с выхлопной частью газовой турбины 1.3, паровая турбина 2.2 с конденсатором 2.3 турбинного пара, питательный насос 2.4 и электрогенератор 2.5, установленный на одном валу с паровой турбиной 2.2. Линия 2.6 служит для отвода дымовых газов из газохода КУ 2.1 последовательно в систему их охлаждения, например, в газовых подогревателях конденсата (не показаны), систему очистки и в дымовую трубу (не показаны). КУ 2.1 соединен со входом паровой турбины 2.2 паропроводом 2.7. Линия 2.8 служит для подачи в КУ 2.1 питательной воды от питательного насоса 2.4.
В состав контура ТНУ 3 входят компрессор 3.1 паров низкокипящего рабочего тела, например аммиака, с электроприводом 3.2; конденсатор 3.3 паров низкокипящего рабочего тела, помещенный внутри ТОК 3.4; дроссельное устройство 3.5 и испаритель 3.6 низкокипящего рабочего тела, помещенный внутри ТПК 3.7. К последней с помощью первого теплообменного устройства 3.8 подключена также линия 3.9 снабжения потребителей холодом. Потребители тепла подключены с помощью второго теплообменного устройства 3.10 и линии 3.11 к ТОК 3.4, которая с помощью третьего теплообменного устройства 3.12 и запорно-регулирующей арматуры (не показана) дополнительно подключена к среде с более низкой температурой, по сравнению с температурой теплоносителя, отработавшего у потребителей тепла, например, с окружающей средой. ТПК 3.7 с помощью четвертого теплообменного устройства 3.13 и запорно-регулирующей арматуры (не показана) дополнительно подключена к одной из отработавших низкопотенциальных технологических сред установки с температурой более высокой, по сравнению с температурой теплоносителя, возвращаемого в ту же камеру от потребителей холода. Например, в качестве такой среды может быть использована часть отработавшей охлаждающей циркуляционной воды после конденсатора 2.3, отбираемой по линии 3.14. В дополнительные теплообменники 3.13 и 3.12, кроме приведенных выше примеров подачи соответственно части отработавшей охлаждающей циркуляционной воды и атмосферного воздуха, могут быть также использованы в первом случае, например, пар из отбора низкого давления паровой турбины, а во втором - часть свежей циркуляционной воды, охлаждающей конденсатор 2.3 турбинного пара.
ТНУ 3 в рассматриваемом примере реализации тригенерационной установки оборудована также тепловым аккумулятором 3.15, включенным с помощью запорно-регулирующей арматуры 3.16, 3.17, 3.18 на линиях 3.19, 3.20 в рассечку линии 3.11 подачи тепла его потребителям. Линия 3.21 высокого давления контура ТНУ соединяет напорный патрубок компрессора 3.1 с конденсатором 3.3, линия 3.22 низкого давления соединяет выход дроссельного устройства 3.5 с испарителем 3.6.
Работа тригенерационной установки
Работа тригенерационной установки согласно изобретению осуществляется следующим образом. В камеру сгорания 1.2 по линии 1.5 подается сжатый воздух от компрессора 1.1 и по линии 1.6 - очищенное газотурбинное топливо (природный газ, синтез-газ или жидкое топливо). Высокотемпературные продукты сгорания газотурбинного топлива в смеси с охлаждающим их до требуемой температуры воздухом под высоким давлением подаются в газовую турбину 1.3, часть вырабатываемой мощности которой тратится на привод воздушного компрессора 1.1, а другая, большая часть передается на электрогенератор 1.4, включенный в общую электросеть системы электроснабжения. Выхлопные газы из газовой турбины 1.3 по линии 1.8 поступают в газоход КУ 2.1, в котельных поверхностях которого генерируется пар высокого давления, подаваемый на вход паровой турбины 2.2, выход которой соединен с конденсатором 2.3 турбинного пара, охлаждаемым циркуляционной водой из естественного водоема или градирни (не показаны). Образующийся конденсат после удаления из него растворенных неконденсирующихся газов в деаэраторе (не показан) направляется с помощью питательного насоса 2.4 вместе с добавочной подпиточной водой обратно в КУ 2.1. Вырабатываемая паровой конденсационной турбиной мощность передается второму электрогенератору, также включенному в общую электросеть системы электроснабжения. Для производства и централизованного снабжения потребителей теплом и холодом включают в работу ТНУ 3. Для этого запускают электропривод 3.2 компрессора 3.1 установки, который сжимает пары циркулирующего в теплонасосном контуре низкокипящего рабочего тела. Подводимая к рабочему телу при сжатии его паров теплота отводится в ТОК 3.4 конденсатора 3.1 с помощью второго теплообменного устройства 3.10. Конденсат низкокипящего рабочего тела, проходя через дроссельное устройство 3.5, охлаждается, отбирая в ТПК 3.7 с помощью первого теплообменного устройства 3.8 теплоту от теплоносителя, подаваемого по линии 3.9 потребителям холода. При необходимости в соответствии с графиком нагрузок сезонного перераспределения соотношения между тепло- и холодопроизводительностями ТНУ 3 в пользу теплоснабжения, в четвертое теплообменное устройство 3.13 через соответствующую запорно-регулирующую арматуру подается отработавшая технологическая низкопотенциальная среда с температурой более высокой, по сравнению с температурой теплоносителя, подаваемого по линии 3.9 на охлаждение в ТОК 3.4. В качестве примера на чертеже такой средой служит часть нагретой в турбинном конденсаторе 2.3 циркуляционной охлаждающей воды, подаваемой в теплообменное устройство 3.13 по линии 3.14. Установление между тепло- и холодопроизводительностями ТНУ 3 в летнее время обратного соотношения в пользу холодоснабжения, в третий теплообменник 3.12 ТОК через соответствующую запорно-регулирующую арматуру подают необходимое количество среды с более низкой, по сравнению с температурой отработавшего теплоносителя в системе теплоснабжения (в линии 3.11). В качестве такой среды в рассматриваемом примере служит атмосферный воздух. Контроль времени изменения сезонного переключения режима работы ТНУ производится по установленным значениям разности температур окружающей среды и средней температурой помещений потребителей тепла и холода.