ПАРОПАРОВАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
STEAM-TO-STEAM POWER PLANT

Изобретение относится к области теплотехники и предназначено для увеличения экономичности паротурбинных блоков за счёт перехода к принципиально новой тепловой схеме.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В настоящее время все энергетические паротурбинные установки работают по стандартной тепловой схеме, осуществляющей цикл Ренкина (см., например, А.В. Щегляев, Паровые турбины, Энергоатомиздат, 1993).
Начальная температура пара в паротурбинных установках (ПТУ) находится на уровне 550-580°С (для лучших отечественных турбин паровых). КПД паротурбинных энергоблоков составляет порядка 45%. За  рубежом уже освоен уровень температур, равный 650°С, и в стадии разработок находятся турбины, рассчитанные на работу при начальной температуре пара 700°С. А  в парогазовых установках (ПГУ) начальная температура достигает 1400-1700°С. (КПД ПГУ составляет 58%-60%). Главная причина столь большой разницы в экономичности сравниваемых энергетических установок состоит в разнице начальных температур и давлений теплоносителей в сравниваемых установках. Для корректности сравнения цикла Ренкина (ПТУ) с циклами ПГУ необходимо это сравнение производить при одинаковых начальных температурах теплоносителей. Однако при использовании чисто конденсационного цикла Ренкина   провести такое сравнение нельзя, так как в этом цикле существует некоторый предельный уровень начальных температур, зависящий от начального давления пара,   КПД турбины и давления в конденсаторе, превышение которого приводит к выходу из последней ступени конденсационной турбины перегретого пара с повышением его температуры, почти пропорционально повышению начальной температуры пара, без совершения полезной работы.
Однако экономичность газовых турбин, как и паротурбинных блоков, работающих с противодавлением без конденсации рабочей среды, непрерывно растет с повышением начальной температуры этих сред. Их КПД    оказывается ниже КПД   конденсационных ПТУ так как температуры теплоносителей, покидающих указанные установки, оказывается весьма высокими. Соответственно, в этом случае единственным способом увеличения экономичности является утилизация теплоты сред, покидающих паровые или газовые турбины. Именно такая утилизация и происходит в газовых турбинах при использовании теплоты, отработавших высокотемпературных газов для генерации пара в котлах утилизаторах утилизационных паротурбинных блоков.
Так, например, из уровня техники  известна энергетическая парогазовая установка с одновременным сжиганием твердого и газообразного топлива (RU 2 248 452 C2, опубликовано 20.03.2005), содержащая паротурбинный блок с работающим на твердом топливе паровым котлом и паровой турбиной и газотурбинный блок с газовой турбиной, использующей в качестве рабочего тела нагретый сжатый воздух, поверхностный подогреватель сжатого воздуха продуктами сгорания твердого топлива и камеру сгорания газообразного топлива для дополнительного контактного подогрева сжатого воздуха. Поверхностный подогреватель сжатого воздуха установлен в высокотемпературной части конвективного газохода парового котла. Газотурбинный блок дополнительно содержит регенератор тепла отработавшего в газовой турбине рабочего тела, соединенный по холодной стороне воздухопроводами с выходом компрессора и входом поверхностного подогревателя сжатого воздуха. Достигаемым результатом изобретения является обеспечение возможности работы ПГУ со сжиганием твердого топлива при более высокой экономичности.
Также, известны разработки в области повышения мощности двухконтурных АЭС.
Так, известен (RU 2 707 182 C2, опубликовано 25.11.2019) способ повышения мощности двухконтурной АЭС за счет комбинирования с водородным циклом, который осуществляется за счет того, что питательная вода после тракта охлаждения продуктов сгорания водорода в кислороде поступает в смешивающий пароводяной подогреватель для её подогрева выше номинальной температуры, но не выше температуры кипения при данном давлении перед подачей в парогенератор. Подмешанные к питательной воде сконденсировавшиеся продукты сгорания водорода в кислороде после срабатывания в паротурбинной установке выводятся из цикла после конденсатора паротурбинной установки и направляются в бак-аккумулятор. Часть продуктов сгорания водорода в кислороде направляется в смешивающий паро-паровой перегреватель. Подмешанные к перегреваемому пару продукты сгорания водорода в кислороде после срабатывания в паротурбинной установке выводятся из цикла после конденсатора паротурбинной установки и направляются в бак-аккумулятор. Изобретение позволяет повысить эффективность использования водородного топлива при его стехиометрическом сжигании.
Также, известен (RU 2 709 783 C2, опубликовано 20.12.2019) способ водородного подогрева питательной воды на АЭС, содержащий водород-кислородную камеру сгорания, тракт охлаждения продуктов сгорания, подогреватели высокого давления питательной воды, питательный насос, компрессор, бак-аккумулятор. Смесь дополнительно генерируемого в парогенераторе пара, полученного за счет подогрева питательной воды перед парогенератором, и продуктов сгорания водорода в кислородной среде после тракта охлаждения продуктов сгорания направляется в дополнительную паровую турбоустановку для выработки мощности, при этом сконденсированный в конденсаторе дополнительно генерируемый пар направляется в регенеративный цикл основной паротурбинной установки, а сконденсированный водяной пар из продуктов сгорания направляется в бак-аккумулятор. При этом неконденсирующиеся из продуктов сгорания газы через систему спецгазоочистки выбрасываются в атмосферу. Изобретение позволяет эффективно и надежно использовать водородное топливо.
Анализ указанных известных решений позволяет утверждать, что существует необходимость создания такой паротурбинной установки, которая имела бы КПД около или выше 50%, при этом должна быть возможность переоборудовать действующие в Российской Федерации АЭС, не затрагивая их оборудования.
Изменить ситуацию, не затрагивая оборудования действующих установок и блоков АЭС, предложено в патенте RU 2661341 C1 (опубликовано 16.07.2018), путём перехода к гибридным АЭС – путем присоединения к основному паропроводу, идущему к действующей влажнопаровой турбине, байпасного трубопровода, позволяющего отводить часть или весь пар, идущий от реактора, на внешний пароперегреватель, использующий для перегрева теплоту сгорания органического или водородного топлива.
Раскрытая в данном патентном документе энергетическая установка позволяет выбрать его в качестве наиболее близкого аналога. Согласно патенту гибридная АЭС содержит последовательно соединенные ядерный реактор, низкотемпературный реакторный парогенератор, низкотемпературную паровую турбину с сепаратором пароперегревателем, конденсатор, конденсатный насос, регенеративные подогреватели низкого давления, деаэратор, питательный насос и подогреватель высокого давления. При этом к основной низкотемпературной паровой турбине присоединяется высокотемпературный паротурбинный блок с котлом пароперегревателем, использующий для перегрева часть пара, идущего из реакторного парогенератора, теплоту сгорания органического топлива. Перегретый высокотемпературный пар направлен к высокотемпературной паровой турбине, присоединенной к стандартной АЭС и общему реакторному парогенератору.
0
0
к
оэ
II
II
Недостатком известного устройства является то, что в этом случае  превышение начальных температур пара свыше (t=650°С) ведет не к повышению, а к снижению КПД цикла, так как при начальном давлении P=5,2 МПа, давлении в конденсаторе P=4,5 кПа и КПД турбины η=0,88 из последней ступени выходит перегретый пар, не совершающий работы.
Также недостатком является то, что присоединенный к основному блоку высокотемпературный блок работает при начальном давлении пара ниже начального давления пара перед основным паротурбинным блоком, что неизбежно влечет за собой снижение КПД присоединенного блока.
0
Возвращаясь к паротурбинным установкам следует отметить, что здесь уже работают блоки при начальной температуре пара, равной 650°С при давлении Р= 30 МПа, и диапазон дальнейшего повышения начальных температур пара даже при повышении начального давления до 35 МПа не превышает 150-200°С.
Переход к новым суперсверхкритическим параметрам пара требует создания не только турбинного, но и всего котельного оборудования, которое, как показывает опыт эксплуатации новейших паротурбинных установок с начальной температурой пара 650°С, пока не может обеспечить их надежную эксплуатацию при указанной температуре.
Целью настоящего изобретения является преодоление указанных проблем и создание паротурбинной установки на базе уже работающих энергетических паротурбинных установок, позволяющей отработать все проблемные решения перехода к следующим уровням повышения  начальных параметров пара с одновременным увеличением  экономичности  паропаровой установки.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Техническим результатом, которого позволяет достичь предлагаемое изобретение, является расширение диапазона применимых начальных температур и давления пара с одновременным повышением экономичности энергетической установки.
Указанный технический результат достигается за счет организации принципиально новой тепловой схемы такой паротурбинной энергетической установки, которая является паропаровой энергетической установкой и характеризуется тем, что состоит из двух блоков, основного энергетического паротурбинного блока, работающего при стандартных сверхкритических параметрах пара, и присоединенного к нему через внешний пароперегреватель дополнительного паротурбинного блока, работающего при суперсверхкритических начальных параметрах пара, основной энергетический паротурбинный блок содержит энергетический котел, а дополнительный паротурбинный блок содержит котел-утилизатор, при этом пар, покидающий цилиндр среднего давления основного энергетического паротурбинного блока, направляется во внешний пароперегреватель, обеспечивающий увеличение температуры и давления для достижения суперсверхкритических параметров пара, являющихся начальными для присоединенного дополнительного паротурбинного блока, а образующийся при использовании во внешнем пароперегревателе теплоты сгорания топлива перегретый пар используется далее для выработки мощности в цилиндре низкого давления основного энергетического паротурбинного блока.
Стандартными сверхкритическими параметрами пара для работы основного энергетического паротурбинного блока являются температура 540°C и давление 23,8 МПа. Суперсверхкритическими начальными параметрами для работы присоединенного дополнительного паротурбинного блока являются температура 650°C и давление 30 МПа.
Внешний пароперегреватель обеспечивает увеличение температуры до значений от 670°С до 850°С.
Пар, покидающий цилиндр среднего давления основного паротурбинного блока, перегревается во внешнем пароперегревателе теплотой сгорания водородного или органического топлива.
Теплота перегретого пара после котла-утилизатора дополнительного паротурбинного блока полностью используется в цилиндре низкого давления основного энергетического паротурбинного блока. Для генерации пара суперсвехкритических параметров используется теплота перегретого пара низкого давления.
Внешний пароперегреватель представляет собой камеру сгорания. Котёл-утилизатор представляет собой поверхностный теплообменник.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг. 1 показана тепловая схема паропаровой энергетической установки.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Предложена паротурбинная энергетическая установка, которая является сдвоенной и состоит из двух блоков: основного энергетического паротурбинного блока – Блок I, и дополнительного паротурбинного блока – Блок II (Фиг. 1).
Основной энергетический паротурбинный – Блок I работает при стандартных начальных параметрах пара. Дополнительный паротурбинный Блок II работает при суперсверхкритических начальных параметрах пара и присоединен к основному энергетическому паротурбинному – Блок I через внешний пароперегреватель (22).
Стандартными сверхкритическими параметрами пара для работы Блока I являются температура 540°C и давление 23,8 МПа. Суперсверхкритическими начальными параметрами для работы Блока II являются температура 650°C и давление 30 МПа.
Внешний пароперегреватель (22) обеспечивает увеличение температуры до значений от 670°С до 850°С.
Конструкционно основной энергетический паротурбинный – Блок I содержит энергетический котёл (1), цилиндр высокого давления (12), цилиндр среднего давления (13), цилиндр низкого давления (14), конденсатор (15), конденсатный насос (16), подогреватель низкого давления (17), деаэратор (18), питательный насос (19), подогреватель высокого давления (20), промежуточный пароперегреватель (21).
Конструкционно присоединенный дополнительный паротурбинный Блок II содержит котел-утилизатор (23), цилиндр высокого давления паровой турбины (2), цилиндр среднего давления паровой турбины (3), цилиндр низкого давления паровой турбины (4), конденсатор (5), конденсатный насос (6), подогреватель низкого давления (7), деаэратор (8), питательный насос (9), подогреватель высокого давления (10), промежуточный пароперегреватель (11).
Согласно приведенной на Фиг. 1 тепловой схеме, заявляемая паропаровая энергетическая установка работает следующим образом.
0
0
0
I
I
I
Перегретый пар после энергетического котла (1) с начальным давлением P=23,8 МПа и температурой t=540°C (параметры пара российских турбин сверхвысокого давления) поступает в цилиндр высокого давления (12) основного энергетического паротурбинного Блока I. После цилиндра высокого давления (12) основного энергетического паротурбинного Блока I пар вновь возвращается в энергетический котел (1) на промежуточный перегрев (21), где перегревается до температуры, равной начальной температуре пара t = 540°C, и далее поступает в цилиндр среднего давления (13) основного энергетического паротурбинного Блока I.
вп
вп
I
I
Отработавший в цилиндре среднего давления (13) основного энергетического паротурбинного Блока I пар вновь идет на вторичный высокотемпературный перегрев во внешний пароперегреватель (22), где перегревается до температуры t, которая, как минимум, на 15-20°С превышает начальную температуру пара перед дополнительным паротурбинным блоком II. При начальной температуре пара перед дополнительным паротурбинным блоком II 650°С, температура греющего пара на входе в котёл-утилизатор (23) t = от 670°С до 850°С.
При этом продукты сгорания водородного или органического топлива во внешнем пароперегревателе (22), представляющем собой камеру сгорания, смешиваются с основным паром и примерно на 15% увеличивают расход пара, покидающего внешний пароперегреватель (22).
Сжигание водородного или органического топлива во внешнем пароперегревателе (22) происходит непосредственно в паровой среде и при подаче окислителя - кислорода, так как продуктами сгорания является такой же пар, как и рабочая среда основного энергетического паротурбинного Блока I. В данном случае сжигание топлива в паровой среде происходит при низком давлении, величина которого находится на уровне 0,3-0,4 МПа.
Далее высокотемпературный пар, покидающий внешний пароперегреватель (22), поступает в качестве греющего агента в котел-утилизатор (23) присоединенного дополнительного паротурбинного блока II.
После котла-утилизатора (23) греющий пар основного энергетического паротурбинного блока I, отдавший основную часть тепловой энергии в присоединенный паротурбинный блок II, при температуре порядка 280-300°С поступает в цилиндр низкого давления (14) основного энергетического паротурбинного Блока I. При этом греющий пар состоит из пара, отработавшего в цилиндре высокого давления (12) основного энергетического паротурбинного Блока I и цилиндре среднего давления (13) основного энергетического паротурбинного Блока I, и пара, образовавшегося при сжигании водородного или органического топлива.
Поскольку в этом случае количество пара, поступающего в цилиндр низкого давления (14) основного энергетического паротурбинного Блока I, за счёт добавочного расхода топлива и кислорода, на 5-7% больше количества пара, покидающего цилиндр среднего давления (13) основного энергетического паротурбинного Блока I, то, соответственно, на 5-7% увеличивается мощность, вырабатываемая в цилиндре низкого давления (14) основного энергетического паротурбинного Блока I. В результате происходит повышение экономичности – увеличение КПД основного энергетического паротурбинного блока I на 2-3%.
0
0
II
II
Теплота, переданная от внешнего пароперегревателя (22) к котлу-утилизатору (23), обеспечивает функционирование присоединенного дополнительного паротурбинного Блока II при суперсверхкритических начальных параметрах пара – t = от 650°С, P = 30 МПа.
Вместо энергетического котла (1) в присоединенном дополнительном паротурбинном блоке II используется котёл-утилизатор (23), а  теплота перегретого (греющего) пара, покидающего котёл-утилизатор и имеющего температуру на уровне 300°С, используется в цилиндре низкого давления (14) основного энергетического паротурбинного блока I. Эти обстоятельства совместно с высокими начальными параметрами пара в дополнительном паротурбинном Блоке II обеспечивает повышение КПД дополнительного паротурбинного Блока II до 52-55%.
При этом КПД паропаровой энергетической установки достигает величин от 50% до 57%.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Были проведены расчеты и тестирование предлагаемой паропаровой энергетической установки, которые подтвердили достижение указанных технических результатов.
0
0
пп
0
пп
I
I
I
I
I
В частности, была протестирована установка, в которой в энергетическом котле (1) вырабатывается пар с параметрами P=23,8 МПа и t=540°C, который направляется в цилиндр высокого давления (12). После того, как пар преобразовал тепловую энергию в механическую работу в цилиндре высокого давления (12), он направляется на промежуточный перегрев в промежуточный пароперегреватель (21). Пар возвращается в цилиндр среднего давления (13) с температурой, равной t=t=540°C, при давлении P=3,8 МПа.
вп
вп
вп
доп
I
I
I
I
Отработав в цилиндре среднего давления (13) пар поступает не в цилиндр низкого давления (14), а во внешний пароперегреватель (22) смешивающего типа с температурой t’=240°C, где его температура повышается до t=670°C при давлении P=0,3 МПа. Помимо перегрева пара, при сгорании подведенного водородного топлива в кислороде (окислитель также подводится) непосредственно в паровой среде G (рабочее тело основного энергетического паротурбинного Блока I) образуется дополнительный расход пара G (за счет химического соединения водорода с кислородом), который полезно используется в качестве добавочного расхода в  цилиндре низкого давления (14).
0 ЦНД
0 ЦНД
I
I
После внешнего пароперегревателя (22) пар, расход которого уже увеличен на 5-7% за счет добавочного пара, направляется в котёл-утилизатор (23), представляющий собой поверхностный теплообменник, в котором тепловая энергия пара основного энергетического паротурбинного блока I передается пару присоединенного дополнительного паротурбинного блока II. Отдав тепловую энергию в котле-утилизаторе (23), пар с параметрами P=0,25 МПа и t=300°C возвращается в цилиндр низкого давления (14), где продолжает совершать полезную работу.
пв
I
После цилиндра низкого давления (14) пар конденсируется в конденсаторе (15), конденсат подается конденсатным насосом (16) в подогреватель низкого давления (17), а затем направляется в деаэратор (18), где происходит очистка пара от газовых примесей. Далее питательная вода (очищенный от примесей конденсат) питательным насосом (19) подается в подогреватель высокого давления (20), а затем в энергетический котёл (1) с температурой питательной воды t=280°C, замыкая цикл основного энергетического паротурбинного блока I.
0
0
пп
0
пп
пв
II
II
II
II
I
II
Параллельно в котле-утилизаторе (23) полученным от пара основного энергетического паротурбинного блока I теплом происходит выработка пара присоединенного дополнительного паротурбинного блока II. Этот пар с параметрами P=30 МПа и t=650°C направляется в цилиндр высокого давления (2). После цилиндра высокого давления (2) пар направляется на промежуточный перегрев в промежуточный пароперегреватель (11) котла-утилизатора (23). Пар, прошедший промежуточный пароперегреватель (11), с температурой, равной t=t=650°C, при давлении P=6 МПа совершает работу в цилиндре среднего давления (3) и цилиндре низкого давления (4), после чего конденсируется в конденсаторе (5). Конденсат подается конденсатным насосом (6) в подогреватель низкого давления (7), а затем направляется в деаэратор (8), где происходит очистка пара от газовых примесей. Далее питательная вода (очищенный от примесей конденсат) питательным насосом (9) подается в подогреватель высокого давления (10), а затем в котёл-утилизатор (23) с температурой t=280°C, замыкая цикл присоединенного дополнительного паротурбинного Блока II.
В качестве основного паротурбинного Блока I рассматривался, блок с турбиной К-800-240 ЛМЗ) с присоединенной добавочной турбины к нему утилизационным блоком на базе турбины мощностью 240 МВт.
Результаты расчетов тепловой схемы (Фиг.1) сведены в Таблицу 1.
Таблица 1
<b>Технико-экономические показатели всей установки</b>
<b>Мощность Блока 1</b>
МВт
N<sub>э1</sub>
818,3
<b>Мощность Блока 2</b>
МВт
N<sub>э2</sub>
253,0
<b>Абсолютный электрический КПД «брутто» Блока 1</b>
%
η<sub>э1</sub>
47,1
<b>Абсолютный электрический КПД «брутто» Блока 2</b>
%
η<sub>э2</sub>
52,0
<b>Абсолютный электрический КПД «брутто» комбинированного цикла</b>
%
η<sub>э</sub><sup>комб</sup>
50,0
<b>Расход водорода на подогреватель</b>
кг/с
В<sub>H2</sub>
3,490
<b>Расход кислорода на подогреватель</b>
кг/с
В<sub>О2</sub>
27,922
<b>Прирост мощности за счёт добавочного расхода водородного топлива</b>
МВт
ΔN<sub>э</sub>
18,3
<b>Суммарная мощность</b>
МВт
N<sub>э</sub>
1071,3
Также были протестированы установки, в которых пар перегревался до начальных значений 770°C и 850°C.
Во всех установках были определены их КПД. Результаты сведены в Таблицу 2.
Таблица 2
Температура пара t<sub>вп</sub><sup>I</sup>
КПД
50 %
52-53 %
57 %
Таким образом, результаты показывают, что осуществление предлагаемого изобретения позволило достичь всех заявленных технических результатов: диапазон применимых начальных температуры и давления пара был существенно расширен, и одновременно значительным образом повысилась экономичность энергетической установки (КПД установки увеличился до 50-57%).