СПОСОБ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
METHOD OF POWER PLANT OPERATION

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано на тепловых и атомных электрических станциях для повышения эффективности работы паровой турбинной установки, ее оборудования и всей электростанции.
Известен способ работы тепловой электрической станции (RU №2247840), заключающийся в том, что конденсацию отработавшего в турбине пара производят охлаждающей водой через подводящие и отводящие трубопроводы конденсатора, подогрев конденсата турбины осуществляется паром регенеративных отборов в регенеративных подогревателях, подогрев поступающей от потребителей сетевой воды паром отопительных отборов - в сетевых подогревателях. В схему тепловой электростанции устанавливают тепловой насос, часть полностью отработавшего в турбине водяного пара конденсируют в конденсаторе турбины, а часть - в теплообменнике-испарителе теплового насоса, конденсат турбины перед нагревом в регенеративных подогревателях и поступающую от потребителей сетевую воду перед нагревом в сетевых подогревателях нагревают в теплообменниках-конденсаторах теплового насоса, при этом обеспечивают увеличение КПД станции с тепловым насосом.
Недостатки: В предлагаемом способе часть полностью отработавшего в турбине водяного пара конденсируют в конденсаторе турбины, а часть - в теплообменнике-испарителе теплового насоса, поэтому устанавливается дополнительный подогреватель-конденсатор паровой турбины, трубная система которого используется как испаритель теплового насоса. Однако в этом случае в дополнительном подогревателе-конденсаторе необходимо устанавливать систему создания и поддержания вакуума, такую же, как и в основном конденсаторе турбины. Это усложняет систему конденсации пара турбины, делает ее менее надежной. Также не всегда можно найти такого мощного теплового потребителя, чтобы направить на него теплоту, полученную от теплового насоса.
Известен также способ работы тепловой электрической станции (Д.Рей и др. Тепловые насосы. - М.: Энергоатомиздат, 1982, с.104, рис.5.5), в котором весь отработавший в турбине пар отдает свое тепло теплообменнику-испарителю теплового насоса, подключенному ко всему пакету труб конденсатора паровой турбины.
Недостатки: В предлагаемом способе не решается вопрос о снижении влажности пара в последних ступенях паровой турбины.
В качестве прототипа принимаем традиционный способ работы атомной электростанции (Маргулова Т.Х. Атомные электроические станции: Изд. 2-е, перераб. и дополн. Учебник для вузов. - М.: Высшая школ», 1974. - 359 с.: ил.). Способ реализуется следующим образом: полностью отработавший пар из паровой турбины направляется в конденсатор, где он конденсируется при охлаждении его охлаждающей водой, подаваемой в трубки конденсатора. Образовавшийся конденсат из конденсатора проталкивается конденсатным насосом через систему регенеративных подогревателей низкого давления в деаэратор, а затем питательным насосом через систему регенеративных подогревателей высокого давления в парогенератор и далее - к паровой турбине. В регенеративных подогревателях происходит нагрев конденсата и питательной воды паром регенеративных отборов турбины.
Недостатки прототипа: Малая экономичность такой электростанции. Основные потери тепла на тепловой и атомной электростанции - это потери в конденсаторе. Регенеративный подогрев недостаточно экономичен. С другой стороны, регенеративные отборы пара уменьшают полезную работу, совершаемую 1 кг пара, поскольку часть пара расширяется в турбине не до конечного давления, а лишь до давления отбора. Последние ступени паровой турбины атомной электростанции работают на влажном паре, что создает условия для эрозионного износа лопаток и, таким образом, снижает надежность работы паровой турбины.
Задача изобретения - разработать способ работы электростанции, позволяющий, повысить экономичность работы паровой турбины, упростить систему конденсации пара, повысить надежность системы конденсации пара.
Технический результат изобретения заключается в снижении температуры охлаждающей воды на выходе из конденсатора, увеличении температуры пара в последних ступенях цилиндра низкого давления и уменьшении, таким образом, влажности пара и эрозионного износа лопаток в последних ступенях паровой турбины.
Технический результат достигается за счет способа работы электростанции, заключающегося в подаче основного пара последнего отбора цилиндра низкого давления паровой турбины в теплообменник-конденсатор теплового насоса, встроенного в проточную часть камеры последнего отбора паровой турбины, где к основному пару подводится теплота от низкокипящего теплоносителя теплового насоса, далее основной пар паровой турбины направляется в конденсатор паровой турбины, на входе которого в теплообменнике-испарителе теплового насоса, установленного как встроенный пучок труб конденсатора, происходит испарение низкокипящего теплоносителя теплового насоса, конденсат из конденсатора паровой турбины отводится конденсатным насосом и подается в первый подогреватель низкого давления, который получает теплоту от низкокипящего теплоносителя теплового насоса, затем основной конденсат отработавшего пара паровой турбины подогревается в следующих подогревателях низкого давления, деаэрируется в деаэраторе, затем питательным насосом подается в подогреватели высокого давления, парогенератор, где образуется пар, который направляется в цилиндр высокого давления паровой турбины, и возвращается в цилиндр низкого давления паровой турбины.
На фиг.1 представлена схема установки абсорбционного теплового насоса на паросиловой установке АЭС, на фиг.2 представлена схема установки абсорбционного теплового насоса на паросиловой установке ТЭС. На фиг.3 представлена схема установки парокомпрессионного теплового насоса на паросиловой установке АЭС, на фиг.4 представлена схема установки парокомпрессионного теплового насоса на паросиловой установке ТЭС, на фиг.5 представлен процесс расширения пара в паровой турбине, изображенный в h-s координатах.
Способ реализуется устройством, изображенным схемой установки теплового насоса на паросиловой установке АЭС (фиг.1), состоящим из цилиндра высокого давления 1 паровой турбины (на фиг.1 не обозначена), цилиндров низкого давления 2 паровой турбины (на фиг.1 не обозначена), сепаратора-пароперегревателя 3, теплообменника-конденсатора 4 теплового насоса (на фиг.1 не обозначен), например абсорбционного, генератора 5 теплового насоса (на фиг.1 не обозначен), абсорбера 6 теплового насоса (на фиг.1 не обозначен), теплообменника-испарителя 7 теплового насоса (на фиг.1 не обозначен), конденсатора 8 паровой турбины (на фиг.1 не обозначена), конденсатного насоса 9, подогревателей низкого давления 10, деаэратора 11, питательного насоса 12, подогревателя высокого давления 13 и парогенератора 14.
Способ реализуется устройством, изображенным схемой установки теплового насоса на паросиловой установке ТЭС (фиг.2), состоящим из цилиндра высокого давления 1 паровой турбины (на фиг.2 не обозначена), цилиндра низкого давления 2 паровой турбины (на фиг.2 не обозначена), цилиндра среднего давления 15 паровой турбины (на фиг.2 не обозначена), теплообменника-конденсатора 4 теплового насоса (на фиг.2 не обозначен), например абсорбционного, генератора 5 теплового насоса (на фиг.2 не обозначен), абсорбера 6 теплового насоса (на фиг.2 не обозначен), теплообменника-испарителя 7 теплового насоса (на фиг.2 не обозначен), конденсатора 8 паровой турбины (на фиг.2 не обозначена), конденсатного насоса 9, подогревателей низкого давления 10, деаэратора 11, питательного насоса 12, подогревателя высокого давления 13 и парогенератора 14.
Способ реализуется устройством, изображенным схемой установки теплового насоса на паросиловой установке АЭС (фиг.3), состоящего из цилиндра высокого давления 1 паровой турбины (на фиг.3 не обозначена), цилиндров низкого давления 2 паровой турбины (на фиг.3 не обозначена), сепаратора-пароперегревателя 3, теплообменника-конденсатора 4 теплового насоса (на фиг.3 не обозначен), например парокомпрессионного, теплообменника-испарителя 7 теплового насоса (на фиг.3 не обозначен), конденсатора 8 паровой турбины (на фиг.3 не обозначена), конденсатного насоса 9, подогревателей низкого давления 10, деаэратора 11, питательного насоса 12, подогревателя высокого давления 13, парогенератора 14 и компрессора 16 теплового насоса (на фиг.3 не обозначен).
Способ реализуется устройством, изображенным схемой установки теплового насоса на паросиловой установке ТЭС (фиг.4), состоящего из цилиндра высокого давления 1 паровой турбины (на фиг.4 не обозначена), цилиндра низкого давления 2 паровой турбины (на фиг.4 не обозначена), цилиндра среднего давления 15 паровой турбины (на фиг.4 не обозначена), теплообменника-конденсатора 4 теплового насоса (на фиг.2 не обозначен), например парокомпрессионного, теплообменника-испарителя 7 теплового насоса (на фиг.4 не обозначен), конденсатора 8 паровой турбины (на фиг.4 не обозначена), конденсатного насоса 9, подогревателей низкого давления 10, деаэратора 11, питательного насоса 12, подогревателя высокого давления 13, парогенератора 14 и компрессора 16 теплового насоса (на фиг.4 не обозначен).
Из Фиг.1, 2, 3 и 4 видно, что тепловой насос содержит теплообменник-испаритель и теплообменник-конденсатор, причем теплообменник-испаритель, установлен как встроенный пучок труб конденсатора, а теплообменник-конденсатор встроен в проточную часть камеры последнего отбора паровой турбины.
Рассмотрим примеры осуществления способа работы электростанции.
Пример осуществления способа работы атомной электростанции с использованием теплового насоса, например абсорбционного (фиг 1). Основной пар последнего отбора цилиндра низкого давления 2 паровой турбины (на фиг.1 не обозначена) поступает в теплообменник-конденсатор 4 теплового насоса (на фиг.1 не обозначен), встроенного в проточную часть камеры последнего отбора паровой турбины (на фиг.1 не обозначена), где к основному пару подводится теплота от низкокипящего теплоносителя теплового насоса (на фиг.1 не обозначен), которая подводится от генератора 5 теплового насоса (на фиг.1 не обозначен), преобразующего теплоту более высокой температуры. Основной пар паровой турбины (на фиг.1 не обозначена) со степенью сухости, приближающейся к 1, более высокой, чем в традиционной тепловой схеме, направляется в конденсатор 8 паровой турбины (на фиг.1 не обозначена), на входе которого установлен теплообменник-испаритель 7 теплового насоса (на фиг.1 не обозначен), установленного как встроенный пучок труб конденсатора, в котором происходит испарение низкокипящего теплоносителя теплового насоса (на фиг.1 не обозначен) при установленной температуре конденсации основного конденсата паровой турбины (на фиг.1 не обозначена), более низкой, чем при использовании традиционной схемы подвода и отвода охлаждающей воды (25-35°С). Испарившийся низкокипящий теплоноситель теплового насоса направляется в абсорбер 6 теплового насоса (на фиг.1 не обозначен). Между генератором 5 и абсорбером 6 теплового насоса (на фиг.1 не обозначен) происходит обмен и преобразование энергий низкокипящего теплоносителя. Конденсат из конденсатора 8 паровой турбины (на фиг.1 не обозначена) отводится конденсатным насосом 9 и подается в первый подогреватель низкого давления 10, который получает теплоту также от низкокипящего теплоносителя теплового насоса (на фиг.1 не обозначен). Основной конденсат отработавшего пара паровой турбины (на фиг.1 не обозначена) подогревается затем в следующих подогревателях низкого давления 10, деаэрируется в деаэраторе 11, затем питательным насосом 12 подается в подогреватели высокого давления 13, парогенератор 14 и направляется в цилиндр высокого давления 1 паровой турбины (на фиг.1 не обозначена), в сепаратор-пароперегреватель 3 и возвращается в цилиндры низкого давления 2 паровой турбины (на фиг.1 не обозначена).
Пример осуществления способа работы тепловой электростанции с использованием теплового насоса, например абсорбционного (фиг 2). Основной пар последнего отбора цилиндра низкого давления 2 паровой турбины (на фиг.2 не обозначена) поступает в теплообменник-конденсатор 4 теплового насоса (на фиг.2 не обозначен), встроенного в проточную часть камеры последнего отбора паровой турбины (на фиг.2 не обозначена), где к основному пару подводится теплота от низкокипящего теплоносителя теплового насоса (на фиг.2 не обозначен), которая подводится от генератора 5 теплового насоса (на фиг.2 не обозначен), преобразующего теплоту более высокой температуры. Основной пар паровой турбины (на фиг.2 не обозначена) со степенью сухости, приближающейся к 1, более высокой, чем в традиционной тепловой схеме, направляется в конденсатор 8 паровой турбины (на фиг.2 не обозначена), на входе которого установлен теплообменник-испаритель 7 теплового насоса (на фиг.2 не обозначен), установленного как встроенный пучок труб конденсатора, в котором происходит испарение низкокипящего теплоносителя теплового насоса (на фиг.2 не обозначен) при установленной температуре конденсации основного конденсата паровой турбины (на фиг.2 не обозначена) более низкой, чем при использовании традиционной схемы подвода и отвода охлаждающей воды (25-35°С). Испарившийся низкокипящий теплоноситель теплового насоса направляется в абсорбер 6 теплового насоса (на фиг.2 не обозначен). Между генератором 5 и абсорбером 6 теплового насоса (на фиг.2 не обозначен) происходит обмен и преобразование энергий низкокипящего теплоносителя. Конденсат из конденсатора 8 паровой турбины (на фиг.2 не обозначена) отводится конденсатным насосом 9 и подается в первый подогреватель низкого давления 10, который получает теплоту также от низкокипящего теплоносителя теплового насоса (на фиг.2 не обозначен). Основной конденсат отработавшего пара паровой турбины (на фиг.2 не обозначена) подогревается затем в следующих подогревателях низкого давления 10, деаэрируется в деаэраторе 11, затем питательным насосом 12 подается в подогреватели высокого давления 13, парогенератор 14 и направляется в цилиндр высокого давления 1 паровой турбины (на фиг.2 не обозначена), в цилиндр среднего давления 15 паровой турбины (на фиг.2 не обозначена) и возвращается в цилиндр низкого давления 2 паровой турбины (на фиг.2 не обозначена).
Пример осуществления способа работы атомной электростанции с использованием теплового насоса, например парокомпрессионного (фиг.3). Основной пар последнего отбора цилиндра низкого давления 2 паровой турбины (на фиг.3 не обозначена) поступает в теплообменник-конденсатор 4 теплового насоса (на фиг.3 не обозначен), встроенного в проточную часть камеры последнего отбора паровой турбины (на фиг.3 не обозначена), где к основному пару подводится теплота от низкокипящего теплоносителя теплового насоса (на фиг.3 не обозначен), которая выделяется при сжатии низкокипящего теплоносителя компрессором 16 теплового насоса (на фиг.3 не обозначен). Основной пар паровой турбины (на фиг.3 не обозначена) со степенью сухости, приближающейся к 1, более высокой, чем в традиционной тепловой схеме, направляется в конденсатор 8 паровой турбины (на фиг.3 не обозначена), на входе которого установлен теплообменник-испаритель 7 теплового насоса (на фиг.3 не обозначен), установленного как встроенный пучок труб конденсатора, в котором происходит испарение низкокипящего теплоносителя теплового насоса (на фиг.3 не обозначен) при установленной температуре конденсации основного конденсата паровой турбины (на фиг.3 не обозначена) более низкой, чем при использовании традиционной схемы подвода и отвода охлаждающей воды (25-35°С). Испарившийся низкокипящий теплоноситель теплового насоса направляется в компрессор 16 теплового насоса (на фиг.3 не обозначен). Конденсат из конденсатора 8 паровой турбины (на фиг.3 не обозначена) отводится конденсатным насосом 9 и подается в первый подогреватель низкого давления 10, который получает теплоту также от низкокипящего теплоносителя теплового насоса (на фиг.3 не обозначен). Основной конденсат отработавшего пара паровой турбины (на фиг.3 не обозначена) подогревается затем в следующих подогревателях низкого давления 10, деаэрируется в деаэраторе 11, затем питательным насосом 12 подается в подогреватели высокого давления 13, парогенератор 14 и направляется в цилиндр высокого давления 1 паровой турбины (на фиг.3 не обозначена), в сепаратор-пароперегреватель 3 и возвращается в цилиндры низкого давления 2 паровой турбины (на фиг.3 не обозначена).
Пример осуществления способа работы тепловой электростанции с использованием теплового насоса, например парокомпрессионного (фиг 4). Основной пар последнего отбора цилиндра низкого давления 2 паровой турбины (на фиг.4 не обозначена) поступает в теплообменник-конденсатор 4 теплового насоса (на фиг.4 не обозначен), встроенного в проточную часть камеры последнего отбора паровой турбины (на фиг.4 не обозначена), где к основному пару подводится теплота от низкокипящего теплоносителя теплового насоса (на фиг.4 не обозначен), которая выделяется при сжатии низкокипящего теплоносителя компрессором 16 теплового насоса (на фиг.4 не обозначен). Основной пар паровой турбины (на фиг.4 не обозначена) со степенью сухости, приближающейся к 1, более высокой, чем в традиционной тепловой схеме, направляется в конденсатор 8 паровой турбины (на фиг.4 не обозначена), на входе которого установлен теплообменник-испаритель 7 теплового насоса (на фиг.4 не обозначен), установленного как встроенный пучок труб конденсатора, в котором происходит испарение низкокипящего теплоносителя теплового насоса (на фиг.4 не обозначен) при установленной температуре конденсации основного конденсата паровой турбины (на фиг.4 не обозначена) более низкой, чем при использовании традиционной схемы подвода и отвода охлаждающей воды (25-35°С). Испарившийся низкокипящий теплоноситель теплового насоса направляется в компрессор 16 теплового насоса (на фиг.4 не обозначен). Конденсат из конденсатора 8 паровой турбины (на фиг.4 не обозначена) отводится конденсатным насосом 9 и подается в первый подогреватель низкого давления 10, который получает теплоту также от низкокипящего теплоносителя теплового насоса (на фиг.4 не обозначен). Основной конденсат отработавшего пара паровой турбины (на фиг.4 не обозначена) подогревается затем в следующих подогревателях низкого давления 10, деаэрируется в деаэраторе 11, затем питательным насосом 12 подается в подогреватели высокого давления 13, парогенератор 14 и направляется в цилиндр высокого давления 1 паровой турбины (на фиг.4 не обозначена), в цилиндр среднего давления 15 паровой турбины (на фиг.4 не обозначена) и возвращается в цилиндр низкого давления 2 паровой турбины (на фиг.4 не обозначена).
Теплообменник-испаритель получает низкопотенциальное тепло от конденсируемого пара турбины. Конденсат турбины при этом охлаждается от теплоносителя теплообменника-испарителя теплового насоса, что повышает вакуум в конденсаторе и экономичность турбоустановки. В теплообменнике-конденсаторе теплового насоса происходит подогрев и перегрев основного пара паровой турбины до температуры 75-80°С, в зависимости от возможностей теплового насоса, что повышает надежность и экономичность последних ступеней паровой турбины.
Таким образом, экономичность работы тепловой или атомной электрической станции увеличивается за счет увеличения вакуума в конденсаторе турбины и повышения температуры основного пара в последних ступенях турбины, при этом вырабатывается дополнительная электроэнергия и понижается температура охлаждающей воды конденсатора турбины, Экономичность электростанции возрастает также за счет того, что теплообменник-испаритель теплового насоса снижает температуру конденсации на большую величину, чем при использовании традиционной схемы подвода и отвода охлаждающей воды.
Рассмотрим процесс расширения пара в паровой турбине, изображенный в h-s координатах (фиг.5). В известных схемах, приведенных в описании заявки, в теплообменнике-конденсаторе теплового насоса предлагается подогрев основного конденсата пара, т.е. рабочей среды за конденсатором паровой турбины в подогревателях низкого давления, процесс 6-7 системы регенерации, а не до конденсатора, как предлагается в нашем изобретении. Процесс в конденсаторе 3-4-5.
В отличие от известных способов использования тепловых насосов в предлагаемом изобретении теплообменник-конденсатор теплового насоса используется для дополнительного, второго промежуточного перегрева основного пара влажной паровой турбины (процесс 1-2 на фиг.5), что повышает энтальпию пара. В результате пар из влажного состояния переходит в перегретое состояние. При этом повышается потенциальная энергия пара, что способствует большему производству электроэнергии, и уменьшается эрозионный износ лопаток. Этот процесс показан на hs-диаграмме линией 1-2-3 на фиг.5, также на фиг.5 показан рабочий цикл традиционного энергоблока ТЭС и АЭС: 1-4-5-6-7-8-9-10-11-12-13-14-1. На фиг.5 рабочий цикл энергоблока по предлагаемому способу работы электростанции обозначен: 1-2-3-4-5-6-7-8-9-10-11-12-13-14-1.