ТРИГЕНЕРАЦИОННАЯ УСТАНОВКА
TRIGENERATION SYSTEM

Изобретение относится к области теплоэнергетики и энергосбережения, предназначено для одновременной выработки электрической и тепловой энергии, а также холода в виде захоложенной воды за счет утилизации теплоты низко потенциальных вторичных тепловых и горючих энергоресурсов. Изобретение может быть использовано на автономных объектах нефтедобычи и газодобычи, в технологиях нефтепереработки и нефтехимии.
Прототипом является тригенерационная установка, содержащая газотурбинный агрегат, газоводяной теплообменник, абсорбционный тепловой насос (см. патент на изобретение РФ №2487305, 11.01.2012). Недостатки известной конструкции:
1. Невозможно утилизировать низко потенциальную теплоту вторичных тепловых энергоносителей, например теплоту циркуляционной оборотной воды градирен, теплоту сбросной воды после технологических агрегатов.
2. Невозможно получение холода в виде охлажденной воды в широком диапазоне изменения пониженных температур.
Задачей изобретения является разработка тригенерационной установки, в которой устранены недостатки прототипа.
Техническим результатом является решение задачи утилизации теплоты от вторичных низкопотенциальных тепловых источников и получение холода в виде охлажденной воды с широким диапазоном изменения пониженных температур.
Технический результат достигается тем, что в тригенерационной установке, содержащей парокомпрессионный тепловой насос, конденсатор которого технологически включен в контур испарительного теплообменника абсорбционного насоса, в котором в генераторе теплота подводится прямым сжиганием топлива, газотурбинный агрегат, газоводяной теплообменник, абсорбционный бромистолитиевый тепловой насос, электроприводной компрессор, регенеративный теплообменник, конденсатор, испаритель, переохладитель, дроссель, абсорбер, испарительный теплообменник, топку генератора, охладитель, вентилятор забора воздуха, осевой компрессор, камеру сгорания, газовую турбину, электрогенератор, циркуляционный насос, хладоагент, электроприводные комбинированные регулирующие задвижки с измерительными узлами, электрическую связь, компьютеризированный пульт управления, одиночные измерительные узлы, байпас, электроприводные комбинированные регулирующие задвижки перетоков с измерительными узлами, согласно настоящему изобретению, дополнительно используется компьютеризированное управление работой газотурбинного агрегата, газоводяного теплообменника, абсорбционного и парокомпрессионного тепловых насосов.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображена заявляемая тригенерационная установка:
1 - парокомпрессионный тепловой насос,
2 - газотурбинный агрегат,
3 - газоводяной теплообменник,
4 - абсорбционный бромистолитиевый тепловой насос,
5 - электроприводной компрессор,
6 - регенеративный теплообменник,
7 - конденсатор,
8 - испаритель,
9 - переохладитель,
10 - дроссель,
11 - абсорбер,
12 - испарительный теплообменник,
13 - топка генератора,
14 - охладитель,
15 - продукты сгорания в атмосферу,
16 - вентилятор забора воздуха,
17 - топливо,
18 - осевой компрессор,
19 - камера сгорания,
20 - газовая турбина,
21 - электрогенератор,
22 - перегретая теплофикационная вода 150°С,
23 - теплофикационная вода 130°С,
24 - обратная вода 70°С,
25 - оборотная вода 25°С,
26 - оборотная вода 5°С,
27 - циркуляционный насос,
28 - обратная вода 40°С,
29 - охлажденная вода 10°С,
30 - нагретая вода 70°С,
31 - обратная вода 30°С,
32 - хладоагент,
33 - электроприводные комбинированные регулирующие задвижки с измерительными узлами,
34 - воздух в камеру сгорания,
35 - электрическая связь,
36 - компьютеризированный пульт управления,
37 - продукты сгорания после газовой турбины,
38 - одиночные измерительные узлы,
39 - байпас,
40 - электроприводные комбинированные регулирующие задвижки перетоков с измерительными узлами.
Тонкими замкнутыми линиями на фиг. 1 показаны контуры блоков: парокомпрессионного теплового насоса 1, газотурбинного агрегата 2, газоводяного теплообменника 3 и абсорбционного бромистолитиевого теплового насоса 4.
Пунктирными точечными линиями на фиг. 1 показаны электрические связи 35компьютеризированногопульта управления 36 с электроприводным компрессором 5, с электрогенератором 21, с циркуляционным насосом 27, с вентилятором забора воздуха 16, с электроприводными комбинированными регулирующими задвижками 33, укомплектованных измерительными узлами 38 и с одиночными измерительными узлами 38 (на фиг. 1 номера позиций 33 и 38 идентичны для всех изображений задвижек и измерительных узлов).
Назначение и взаимодействие элементов и узлов в заявляемом изобретении следующее.
Конструктивно общая технологическая схема заявляемой тригенерационной установки состоит из четырех технически взаимосвязанных и управляемых через компьютеризированный пульт 36 технологических блоков: парокомпрессионного теплового насоса 1, газотурбинного агрегата 2, газоводяного теплообменника 3 и абсорбционного бромистолитиевого теплового насоса 4 (на фиг. 1 эти укрупненные блоки обозначены замкнутыми тонкими сплошными линиями).
Соединение этих блоков в заявляемом изобретении технической связью по воде 26, 31, 22, 24 и по продуктам сгорания 37 после газовой турбины с осуществлением по электрической связи компьютеризированного управления 36 с помощью регулирующих задвижек 33 является отличительным признаком, позволяющим достигнуть положительного технического результата для получения холода в виде охлажденной воды 29 в широком диапазоне изменения пониженных температур.
Назначение и взаимодействие элементов и узлов в заявляемом изобретении следующее.
Парокомпрессионный тепловой насос 1 служит для утилизации больших объемов низко потенциальной теплоты 25, например в виде оборотной воды градирен с температурой около 25°С, и трансформирования этой теплоты в высокопотенциальную теплоту нагретой воды 30 с температурой около 70°С при прохождении ее через переохладитель 9 и конденсатор 7.
Технологически часть нагретой воды 30 отбирается через регулирующую задвижку 40 на линии перетока для подачи в испарительный теплообменник 12 абсорбционного бромистолитиевого теплового насоса 4, после которого она в составе охлажденной воды 29 используется для нужд потребителей.
По сравнению с известным изобретением, наличие блока парокомпрессионного теплового насоса 1 является отличительным признаком заявляемого изобретения, который обеспечивает получение положительного технического результата по использованию больших объемов низко потенциальной тепловой энергии, например теплоты оборотной воды градирен, для превращения в высокопотенциальную тепловую энергию воды, используемую для горячего водоснабжения.
Газотурбинный агрегат 2 служит для превращения теплоты от сжигания в камере сгорания 19 вторичных топливных ресурсов в виде сбросных горючих газов 17 в электроэнергию при помощи электрогенератора 21, соединенного с валом газовой турбины 20.
Воздух 34 в камеру сгорания 19 подается осевым компрессором 18, который получает механическую энергию от вращающегося вала газовой турбины 20.
Газоводяной теплообменник 3 служит для превращения теплоты продуктов сгорания 37 после газовой турбины 20 в теплоту перегретой теплофикационной воды 22 с температурой 150°С.
Абсорбционный бромистолитиевый тепловой насос 4 служит для превращения теплоты, образующейся при прямом сжигании в топке 13 сбросных горючих газов 17, в высокопотенциальную тепловую энергию теплофикационной воды 23 с температурой 130°С.
При этом в испарительном теплообменнике 12, входящем в состав теплового насоса 4, используется теплота обратной воды 31 с температурой 30°С.
В результате отбора теплоты от воды 31 после выхода из испарительного теплообменника 12 получается холод в виде охлажденной воды 29 с температурой 10°С, используемой потребителями в технологических целях.
Применение прямого сжигания сбросных горючих газов 17 с одновременным отбором теплоты от воды 31 является отличительным признаком заявляемого изобретения, позволяющим достигнуть положительного технического результата по одновременному получению холодав виде охлажденной воды 29 и высокопотенциальной теплоты в виде нагретой воды 23 с температурой 130°С.
Электроприводной компрессор 5 служит для отсасывания паров хладоагента 32 из испарителя 8 и регенеративного теплообменника 6, их последующего сжатия с подачей в конденсатор 7 и далее в переохладитель 9.
Регенеративный теплообменник 6 предназначен для предотвращения заброса капельного хладоагента 32 в компрессор 5.
Конденсатор 7 служит для передачи теплоты от нагретогохладоагента 32 к нагреваемой воде 30.
В испарителе 8 происходит передача теплоты от нагретой оборотной воды 25 к хладоагенту 32.
Байпас 39 вместе открытой байпасной задвижкой 33 и закрытых задвижках 33 до и после компрессора 5 служит для первоначального запуска компрессора 5 в работу (номера позиций байпасной задвижки и задвижек до после компрессора одинаковы, то есть 33).
После набора оборотов компрессором 5 по команде с пульта 36 электроприводные задвижки 33 до и после компрессора открываются, а байпасная задвижка закрывается.
Количество передаваемой теплоты автоматически регулируется по компьютерной программе с пульта 36 электроприводными комбинированными с измерительными узлами задвижками 33 для предотвращения перегрева и переохлаждения хладоагента 32.
Исходными данными для компьютерного управления 36 регулирующими задвижками 33 являются показания по соответствующим измеряемым параметрам в виде электрических сигналов от измерительных узлов 38, как одиночных, так и встроенных в состав конструкций задвижек 33.
Измеряемыми параметрами являются: для электроприводов 5, 16, 27 и электрогенератора 21 - электрическая мощность, для рабочих сред - температура, давление, расход и дополнительно для газовых сред - компонентный состав.
Наличие компьютеризированного программного управления 36 для электроприводов и электрогенератора, для задвижек 33 на основе первичных данных, измеряемых узлами 38, по параметрам рабочих сред является отличительным признаком заявляемого изобретения, который позволяет достигнуть положительного технического результата.
Переохладитель 9 предназначен для передачи теплоты от хладоагента 32 нагреваемой обратной воде 28.
Дроссель 10 служит для понижения давления жидкого хладоагента 32 после конденсатора 7 до давления кипения в испарителе 8.
Хладоагент 32 - это рабочее вещество теплового насоса 1, которое при кипении отнимает теплоту от охлаждаемой воды 26 и затем после сжатия передает ее охлаждающей воде 28 за счет конденсации в конденсаторе 7.
Осевой компрессор 18 служит для сжатия засасываемого воздуха 34 перед подачей его в камеру сгорания 19.
Камера сгорания 19 предназначена для высоко температурного сжигания под давлением 1,7…1,9 МПа газообразного топлива 17, в качестве которого используется утилизируемый сбросный факельный газ.
Конструктивно в камере 19 можно сжигать жидкое топливо, например тяжелые углеводороды этиленового производства.
Для повышения давления подаваемого топливного газа 17 до давления в камере 19 применяется дожимающий компрессор (на фиг. дожимающий компрессор не показан).
Газовая турбина 20 служит для расширения продуктов сгорания топлива 17 и выработки механической энергии, которая преобразуется генератором 21 в электрическую энергию, используемую для собственных нужд и для отпуска внешним потребителям.
После газовой турбины 20 теплота продуктов сгорания используется в газоводяном теплообменнике 3 для получения перегретой теплофикационной воды 22 с температурой 150°С.
Вентилятор 16 предназначен для подачи атмосферного воздуха в топку 13 генератора для сжигания в ней топлива 17, которые могут представлять сбросные нефтехимические газы с низкой теплотой сгорания.
За счет сжигания сбросных газов образуется теплота для нагрева теплофикационной воды 23 до температуры 130°С.
В заявляемом изобретении прямое сжигание вторичных горючих энергоресурсов в качестве топлива 17 для получения теплоты, необходимой для работы абсорбционного теплового насоса является отличительным признаком, обеспечивающим получение положительного технического результата.
В известном устройстве достигнуть положительного технического результата невозможно, так как используется теплота, поступающая с продуктами сгорания от газотурбинного агрегата, которые имеют низкую температуру.
В известном устройстве охлаждение продуктов сгорания произошло в двух предыдущих теплообменниках (согласно схеме и описанию известного патента на изобретение РФ №2487305).
Абсорбер 11 служит для первичного подогрева обратной воды 24 за счет внутрициклового переноса теплоты рабочим телом от охладителя 14 (на фиг. 1 внутрицикловой перенос теплоты условно не показан).
Испарительный теплообменник 12 предназначен для отбора теплоты от охлаждаемой воды 29 во внутренний цикл работы абсорбционного насоса 4 (внутренний цикл на фиг. условно не показан).
Электрогенератор 21 конструктивно располагается на одной оси с газовой турбиной 20 и осевым компрессором 18 и предназначен для выработки электроэнергии для собственных нужд и внешний потребителей.
Электрогенератор 21 выполнен с возможностью осуществления стартерного режима для газотурбинного агрегата 2 от встроенной аккумуляторной батареи при холодном пуске (на фиг. аккумуляторная батарея условно не показана).
Циркуляционный насос 27 обеспечивает движение обратной воды 28 в контурах конденсатора 7, переохладителя 9, испарительного теплообменника 12, а также подачу воды нагретой воды 30 потребителям.
Компьютеризированный пульт управления 36 осуществляет сбор первичных инструментальных данных по параметрам и имеющимся количествам низко потенциальных тепловых и горючих энергоресурсов на основе показаний одиночных измерительных узлов 39 и измерительных узлов, встроенных в состав комбинированных регулирующих задвижек 33.
В соответствии с требованием потребителей по объемам электрической, тепловой энергии и холода компьютеризированный пульт управления 36 в автоматическом режиме на основе собранных первичных инструментальных данных выбирает по компьютерным программам оптимальный режим работы тригенерационной установки путем переключений и регулирования степени открытия электроприводных задвижек 33, выбора чисел оборотов электродвигателей приводов компрессора 5, вентилятора 16, циркуляционного насоса 27.
Возможность автоматизированного управления по компьютерным программам с пульта 36 режимами использования тепловых и горючих вторичных энергетических ресурсов является отличительным признаком, позволяющим достигнуть положительного технического результата.
Заявляемая тригенерационная установка работает следующим образом.
В стартерном режиме запускается электрогенератор 21 от встроенной аккумуляторной батареи и по компьютерной команде с пульта 36 открываются электроприводные задвижки 33 для подачи топлива 17 и воздуха 34.
После выхода газотурбинного агрегата 2 на режим минимальной выработки электроэнергии запускается вентилятор 16 подачи воздуха в топку 13, открывается задвижка 33 подачи топлива 17, открываются задвижки на подаче воды 22, 23, 24, 29, 31 и по компьютерной программе на минимальный режим по выработке теплоты выводятся газоводяной теплообменник 3 и абсорбционный бромистолитиевый тепловой насос 4.
Затем по компьютерной программе при открытом байпасе 39 запускается компрессор 5 и после выхода на режим байпасная задвижка 33 закрывается, и открываются задвижки 33 до и после компрессора 5, открываются задвижки 33 на линиях оборотной воды 25, 26, на линиях обратной воды 28, 30.
За счет регулирования по компьютерной команде с пульта 36 величины открытия задвижек между парокомрессионным 1 и абсорбционным 4 насосами на линии перетока между обратной 28 и нагретой водой 30,охлажденной 29 и обратной водой 31, а также на линиях подачи топлива и воздуха в соответствии с технологическим заданием происходит оптимизация выработки тепловой и электрической энергии и холода в виде захоложенной воды 29.
Наличие возможности комплексного автоматического регулирования по компьютерной программе с пульта 36 прихода низко потенциальной теплоты и отвода высокопотенциальной теплоты, электроэнергии и охлажденной воды является отличительным признаком заявляемого изобретения, позволяющего достигнуть положительного технического результата.