Теплоэлектростанция с системой регенерации и способ ее работы
THERMAL POWER PLANT WITH A REGENERATION SYSTEM AND METHOD OF ITS OPERATION

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в схемах тепловых электрических станций, в том числе в малой распределенной энергетике.
Известны тепловые электрические станции, в которых тепловая энергия (получаемая чаще всего в результате сжигания органического топлива) передается рабочему телу и преобразуется в работу с целью выработки электрической энергии (конденсационные электрические станции) либо тепловой и электрической энергии (теплоэлектроцентрали). Тепловые электрические станции, использующие подобный принцип, работают по термодинамическому циклу Ренкина [Рыжкин В.Я. Тепловые электрические станции: Учебник для теплоэнерг. спец. вузов. - М.-Л.: Энергия, 1967. - 26 с.]. Принципиальная схема тепловой электрической станции, работающей по циклу Ренкина, включает паровую турбину, соединенную с электрогенератором и конденсатором, конденсатор соединен последовательно с питательным насосом и котлоагрегатом.
Данные электростанции широко применяются в энергетике для выработки электрической и тепловой энергии, однако имеют ряд недостатков:
– большие тепловые потери (около 40-60% от всей теплоты, полученной в котлоагрегате в результате сжигания топлива), большая часть из которых наблюдается в конденсаторе паровой турбины, где отработавший после турбины пар охлаждается холодной водой;
– значительные выбросы вредных веществ в атмосферу, вызванные перерасходом топлива вследствие значительных тепловых потерь;
– значительное потребление воды из природных источников для охлаждения конденсатора, тепловое загрязнение гидросферы;
– существенное снижение энергетической эффективности при уменьшении начальных и повышении конечных параметров пара, что ограничивает применение в малой энергетике.
Прототипом устройства теплоэлектростанции принимается устройство тепловой электрической станции, описанной в патенте «Теплоэлектростанция и способ ее работы» патентRU 2759583 C1, F01K 25/08 (2006.01), F25B 15/00 (2006.01). Публикация: 15.11.2021.
Основными элементами данной электрической станции, работающей по циклу Ренкина с использованием абсорбционного принципа, являются котлоагрегат, паровая турбина, питательный насос, образующие парожидкостный тракт, а также соединённый с паровой турбиной электрогенератор, абсорбер с контуром возврата абсорбента. В котлоагрегат встроен генератор пара, абсорбер соединен с генератором пара через питательный насос, генератор пара через охладитель абсорбента и устройство для снижения давления расширительный клапан соединен с абсорбером.
Недостатками прототипа, описанного в данном патенте, являются:
– использование для охлаждения абсорбента отдельного аппарата (охладителя абсорбента), что повышает металлоемкость электростанции и снижает ее надежность;
– снижение точности регулирования температуры и давления абсорбции вследствие наличия расширительного вентиля и участка трубопровода между абсорбером и охладителем абсорбента;
– высокая вероятность вскипания раствора после процесса дросселирования в расширительном вентиле, что ухудшает протекание процесса абсорбции.
Известна технология работы тепловой электрической станции, работающая по термодинамическому циклу Ренкина [Рыжкин В.Я. Тепловые электрические станции: Учебник для теплоэнерг. спец. вузов. - М.-Л.: Энергия, 1967. - 26 с.], в котором тепловая энергия преобразуется в работу с целью выработки электрической (в некоторых случаях – также тепловой) энергии.
В котлоагрегате в результате сжигания органического топлива тепловая энергия передается поверхностям нагрева, по которым циркулирует рабочее тело (чаще всего – вода). В результате протекания по трубам котлоагрегата рабочее тело воспринимает получаемую теплоту, нагревается и испаряется. Пар рабочего тела направляется в паровую турбину, где энергия расширения пара преобразуется в механическую работу вращения ротора турбины. Механическая работа ротора турбины передается ротору электрогенератора, в обмотках статора которого генерируется электрическая энергия. После расширения в паровой турбине пар направляется в конденсатор, где должен быть сконденсирован. Конденсация пара обеспечивается за счет охлаждения пара холодной водой. Полученный конденсат затем направляется питательным насосом в котлоагрегат для повторного использования. Цикл замыкается.
Для повышения энергетической эффективности могут использоваться промежуточный перегрев пара (за счет повышения параметров пара перед турбиной) или регенеративные отборы пара (за счет повышения средней температуры подвода теплоты в цикле).
Недостатками технологий работы электростанций, работающих по циклу Ренкина, являются:
– большие тепловые потери (около 40-60% от всей теплоты, полученной в котлоагрегате в результате сжигания топлива), большая часть из которых наблюдается в конденсаторе паровой турбины, где отработавший после турбины пар охлаждается холодной водой;
– значительные выбросы вредных веществ в атмосферу, вызванные перерасходом топлива вследствие значительных тепловых потерь;
– значительное потребление воды из природных источников для охлаждения конденсатора, тепловое загрязнение гидросферы;
– снижение выработки электрической энергии при использовании регенеративных отборов;
– существенное снижение энергетической эффективности при уменьшении начальных и повышении конечных параметров пара, что ограничивает применение в малой энергетике.
Прототипом по технологии выбран способ работы энергетической системы, описанный в патенте «Теплоэлектростанция и способ ее работы» патент RU 2759583 C1, F01K 25/08 (2006.01), F25B 15/00 (2006.01). Публикация: 15.11.2021.
Отработавший после паровой турбины пар, имеющий еще достаточно высокий потенциал, поступает в абсорбер, в котором находится абсорбент. При взаимодействии двух сред – абсорбента, находящегося в абсорбере и отработанного пара, поступающего из паровой турбины, пар поглощается абсорбером и получившийся раствор - слабый раствор перекачивается питательным насосом в котлоагрегат. В котлоагрегат со встроенным генератором пара подводится топливо в результате сжигания которого образуется теплота, передающаяся генератору пара. В результате подвода теплоты к генератору пара раствор разделяется на рабочее тело и абсорбент. Рабочее тело направляется на дальнейший перегрев пара в котлоагрегате и в паровую турбину для совершения полезной работы и выработки электрической энергии электрогенератором. Абсорбент, имеющий большую температуру испарения, чем рабочее тело, направляется по контуру возврата абсорбента («сильный раствор») через охладитель абсорбента и расширительный клапан в абсорбер. В охладителе абсорбента снижается температура абсорбента, а в расширительном клапане – давление абсорбента. После попадания «сильного раствора» в абсорбер цикл замыкается.
Недостатками прототипа, описанного в данном патенте, являются:
– использование для охлаждения абсорбента отдельного аппарата (охладителя абсорбента), что повышает металлоемкость и снижает надежность работы;
– снижение точности регулирования температуры и давления абсорбции вследствие наличия расширительного вентиля и участка трубопровода между абсорбером и охладителем абсорбента;
– высокая вероятность вскипания раствора после дросселирования в расширительном вентиле, что ухудшает протекание процесса абсорбции.
Значительная часть крупных тепловых электрических станций работает по циклу Ренкина на водяном паре. Несмотря на ряд преимуществ, которые характерны для теплосиловых установок, ставшие причиной их широкого применения в мире, для них характерен ряд существенных недостатков, которые на сегодняшний день остаются всё ещё нерешенными. Наиболее характерные негативные стороны применения цикла Ренкина – большая потребность в техническом водоснабжении для охлаждения конденсаторов, металлоемкость агрегатов, значительное негативное влияние на атмосферу и гидросферу, большие расходы топлива. В то же время, первопричиной большинства недостатков можно считать низкую энергетическую эффективность – даже крупные современные ТЭС имеют экономичность на уровне 35-40%. Таким образом около половины всей тепловой энергии, полученной в котлоагрегате в результате сжигания органического топлива. просто теряется. Именно низкая эффективность обуславливает высокий расход топлива и, как следствие, существенную нагрузку на окружающую среду вследствие большого количества вредных выбросов в атмосферу, а также значительное влияние на гидросферу. При снижении параметров пара снижается и эффективность установки. По этой причине паротурбинные установки малой мощности не набрали широкого распространения.
Решение, представленное в прототипе, изложенном в патенте RU №2759583 C1, позволяет снизить тепловые потери на ТЭС, сократить расход топлива и выбросы в окружающую среду. Тем не менее, прототип имеет ряд недостатков, которые могут сказываться на энергетической эффективности и эксплуатационных характеристиках станции.
Перед разработчиками стояла задача в повышении энергетической эффективности путем модернизации теплоэнергетического цикла.
Технический результат заключается в повышении энергетической эффективности тепловых электрических станций путем замены конденсации пара на его абсорбцию с применением системы регенерации теплоты растворов в цикле.
Технический результат изобретения  в части устройства достигается тем, что теплоэлектростанция с системой регенерации содержит: соединенные последовательно котлоагрегат с паровой турбиной, абсорбером, питательным насосом, а также соединенный с паровой турбиной электрический генератор, в котлоагрегат встроен генератор пара, абсорбер соединен с котлоагрегатом через питательный насос, генератор пара через контур возврата абсорбента и устройство снижения давления соединен с абсорбером, причем котлоагрегат соединен с паровой турбиной паропроводом перегретого пара, абсорбер соединен с паровой турбиной посредством паропровода отработавшего пара, питательный насос соединен с котлоагрегатом через трубопровод и регенеративный теплообменник, котлоагрегат соединен с абсорбером через контур возврата абсорбента, регенеративный теплообменник и устройство снижения давления в виде редукционной установки, в абсорбере расположен контур охлаждения абсорбера.
Технический результат изобретения в части способа работы достигается тем, что способ работы теплоэлектростанция с системой регенерации, заключающийся в подаче и испарении рабочего тела в котлоагрегате и подаче пара рабочего тела в паровую турбину,  с вращением её и с преобразованием энергии  расширения пара рабочего тела в механическую, с передачей механической энергии электрическому генератору и генерацией электрической энергии, отработавший пар из паровой турбины поступает в абсорбер, содержащий растворитель рабочего тела, который поглощает пар рабочего тела и образует раствор, с высокой концентрацией рабочего тела, полученный раствор перекачивают  питательным насосом в генератор пара,  нагревают раствор с разделением на растворитель рабочего тела – слабый раствор  и пар рабочего тела, из котлоагрегата пар рабочего тела поступает в паровую турбину, а растворитель рабочего тела поступает по контуру возврата абсорбента через устройство снижения давления в абсорбер, причем пар рабочего тела из котлоагрегата в паровую турбину поступает по паропроводу перегретого пара, отработавший после паровой турбины пар рабочего тела по паропроводу отработавшего пара поступает в абсорбер, содержащий растворитель с примесью рабочего тела, и происходит смешивание рабочего тела и растворителя с примесью рабочего тела, с образованием крепкого раствора с высокой концентрации рабочего тела,  который по трубопроводу через питательный насос поступает в регенеративный теплообменник, и нагревается за счет теплоты слабого раствора, имеющего низкую концентрацию рабочего тела, который поступает из генератора пара по контуру возврата абсорбента в редукционную установку, где дросселируется до давления в абсорбере и поступает в него для абсорбции пара рабочего тела, регулирование температуры абсорбции осуществляют подачей теплоносителя.
На фиг. 1 представлена схема теплоэлектростанции, иллюстрирующая способ работы электростанции с системой регенерации растворов.
Теплоэлектростанция с системой регенерации  содержит: соединенные последовательно котлоагрегат 1, паропровод перегретого пара 2, паровую турбину 3, паропровод отработавшего пара 13, абсорбер 4, трубопровод 5, питательный насос 6 и регенеративный теплообменник 7, а также соединенный с паровой турбиной 3 электрический генератор 8, в абсорбер встроен контур охлаждения абсорбера 9, в котлоагрегат встроен генератор пара 10, абсорбер 4 соединен с котлоагрегатом 1 через трубопровод 5, питательный насос 6 и регенеративный теплообменник 7, генератор пара 8 через контур возврата абсорбента 11, регенеративный теплообменник 7 и устройство для снижения давления редукционную установку 12 соединен с абсорбером 4.
Пример конкретного выполнения способа рассмотрим на примере работы теплоэлектростанции. Принцип работы теплоэлектростанции с системой регенерации  заключается в следующем.
Отработавший после паровой турбины 3 пар рабочего тела, который может содержать незначительную концентрацию растворителя рабочего тела и имеющий ещё достаточно высокий потенциал, по паропроводу отработавшего пара 13 поступает в абсорбер 4, в котором находится растворитель рабочего тела (который может содержать незначительную концентрацию рабочего тела) (на фиг. не обозначен). При взаимодействии двух сред – растворителя рабочего тела, находящегося в абсорбере и поступающего из паровой турбины пара рабочего тела, последний поглощается растворителем рабочего тела и полученный раствор, имеющий высокую концентрацию рабочего тела - крепкий раствор, перекачивается по трубопроводу 5 питательным насосом 6 в регенеративный теплообменник 7. Температуру абсорбции регулируют за счет подачи необходимого для эффективного протекания процесса абсорбции расхода теплоносителя (на фиг. не обозначен) в контур охлаждения абсорбента 9, встроенный в абсорбер 4. В регенеративном теплообменнике 7 раствор, имеющий высокую концентрацию рабочего тела - крепкий раствор, при прохождении регенеративного теплообменника нагревается за счет теплоты раствора, имеющего низкую концентрацию рабочего тела - слабый раствор, поступающего из генератора пара 10 по контуру возврата абсорбента 11 в редукционную установку 12. После регенеративного теплообменника 7 раствор, имеющий высокую концентрацию рабочего тела - крепкий раствор по трубопроводу 5 направляется в котлоагрегат 1 и генератор пара 10. В котлоагрегат 1 подводится сбросная теплота или сжигается топливо, в результате чего поступивший в генератор пара 10 раствор, имеющий высокую концентрацию рабочего тела - крепкий раствор, нагревается и из него выпаривается рабочее тело. Пар рабочего тела (который может содержать незначительную концентрацию растворителя рабочего тела) направляется в поверхности нагрева котлоагрегата 1, где перегревается и достигает требуемых для работы паровой турбины 3 параметры, предусмотренные мощностью и назначением электрической станции. Далее по паропроводу перегретого пара 2 пар рабочего тела направляется в паровую турбину 3 для вращения последней за счет преобразования энергии расширения пара рабочего тела в механическую энергию вращения ротора электрического генератора и выработку электрической энергии. Оставшийся в генераторе пара 10 раствор, имеющий низкую концентрацию рабочего тела - слабый раствор  (на фиг. не обозначен), под действием высокого давления направляется по контуру возврата абсорбента 11 в регенеративный теплообменник 7, где отдает теплоту крепкому раствору. После регенеративного теплообменника 7 раствор, имеющий низкую концентрацию рабочего тела - слабый раствор, направляется в редукционную установку 12, где дросселируется до давления в абсорбере 4 и поступает в него. Цикл замыкается.
Преимуществом предлагаемого изобретения перед прототипом является наличие системы регенерации, которая обеспечивает снижение расхода топлива и вредных выбросов в окружающую среду (при сжигании топлива). Это достигается за счет регенерации теплоты слабого раствора, идущего после генератора пара и передачи этой теплоты крепкому раствору идущему из абсорбера. Регенерация протекает в регенеративном теплообменнике в абсорбционных тепловых насосах, данный теплообменник называют теплообменником растворов – РТО-Р.
Помимо сокращения топлива применение регенеративного теплообменника позволяет повысить эффективность протекания процесса абсорбции. В случае, если регенеративный теплообменник отсутствует, то из генератора выходит слабый раствор с высокой температурой и давлением, который затем дросселируется в редукционной установке до низкого давления. В результате резкого снижения давления при практически неизменной температуре происходит вскипание слабого раствора и его частичное разделение насыщенную жидкость и влажный пар. Выделившийся при дросселировании пар в технике называют flash-газ. При этом в процессе абсорбции может участвовать лишь часть слабого раствора, находящаяся в жидком состоянии. Таким образом, для того, чтобы влажный пар, выделившийся при дросселировании, начал абсорбировать пар рабочего тела после турбины, его сначала нужно сконденсировать. В таком случае расход охлаждающего теплоносителя будет складываться из расхода, требуемого для отвода теплоты абсорбции, и расхода, который обеспечивает конденсацию влажного пара. Это увеличивает расход теплоносителя и снижает эффективность цикла. Поэтому в абсорбционных циклах стараются избегать вскипания слабого раствора перед расширительным устройством и чаще всего это делается путем размещения регенеративного теплообменника перед расширительным устройством.
Также вместо охладителя абсорбента применен контур охлаждения, встроенный непосредственно в абсорбер. Это исключает участок трубопровода с расширительным вентилем между охладителем и абсорбером, который имеет определенную инерционность. За счет переноса контура охлаждения непосредственно в абсорбер обеспечивается более точное регулирование температуры и давления абсорбции (к примеру, в условиях переменной тепловой нагрузки).
За счет применения низкокипящих рабочих веществ возможна выработка электрической и тепловой энергии не только от сжигания топлива, но и за счет утилизации сбросной теплоты предприятий или энергетических установок (ГТУ или ПГУ).
Возможна широкая гамма подбора пары «рабочее тело-абсорбент», в том числе могут использоваться как двух-, так и трехкомпонентные смеси. На сегодняшний день известно значительное количество рабочих веществ, применяемых в энергетике, в том числе для генерации (к примеру, в составе органического цикла Ренкина). Веществами, которые могут применяться в предлагаемом техническом решении могут быть вода, диоксид углерода, углеводороды (алканы, арены), аммиак и его производные, растворы солей либо спиртов, кремнийорганические соединения, фтор- и хлорсодержащие вещества (фреоны). За счет изменения рабочих веществ, применяемых в цикле возможно варьирование не только эффективности и условий работы цикла, но и сферы его применения.
Представленный способ работы допускает различные параметры рабочего тела, то есть возможно его использование как в циклах крупных объектах генерации, так и в объектах малой энергетики.