ТЕПЛОВАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ С СОБСТВЕННЫМИ НУЖДАМИ
THERMAL POWER PLANT WITH OWN NEEDS

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть применено на тепловых электростанциях с паротурбинным циклом Ренкина, например на конденсационных электростанциях - КЭС, на парогазовых электростанциях - ПГУ, использующих топливо- традиционный природный газ.
Аналогом заявляемого предложения является способ работы тепловой электрической станции (см. патент №2406830, МПК F01K 17/02, опубл. 20.12.2010 г. Бюл. №35), по которому сетевую воду, поступающую от потребителей, нагревают в сетевых подогревателях теплофикационной турбины, при этом перед нагревом сетевой воды в сетевых подогревателях производят снижение ее температуры в теплообменнике, по греющей среде установленном в сетевую установку перед сетевыми подогревателями теплофикационной турбины, а по нагреваемой - в питательный тракт турбины, имеющей конденсатор, после конденсационного насоса.
Недостатком устройства, реализующего известный способ, является необходимость в наличии на тепловой электрической станции турбин двух разных типов - теплофикационной и конденсационной. Кроме того, дополнительный подогрев рабочей среды конденсационной турбины теплом возвратной сетевой воды снижает отборы конденсационной турбины на свои регенеративные подогреватели, что, в свою очередь, снижает термический КПД конденсационной турбины (см. стр. 128-130 в книге: Бальян. С.В. Техническая термодинамика и тепловые двигатели. Изд. 2-е, перераб. и доп.Л., «Машиностроение», 1973, 304 с.).
Прототипом заявляемого технического предложения является «Способ работы тепловой электрической станции и устройство для его реализации» (см. патент РФ №2687382, МПК F01K 17/02, опубл. 13.05.2019, Бюл. №14), согласно которому тепловая электрическая станция, содержащая паровой котел, первый вход которого подсоединен к системе газоснабжения электростанции, а выход соединен с турбиной с электрогенератором на валу, статорные обмотки которого соединены с энергосистемой и через трансформатор с шинами собственных нужд тепловой электростанции, выход турбины через конденсатор и питательный насос соединен со вторым входом парового котла, отбор пара турбины соединен с регенеративным подогревателем и сетевым подогревателем, перед которым подключен теплообменник, шины собственных нужд электростанции, снабжена инвертором и энергоустановкой на топливных элементах, вход которой соединен с системой газоснабжения станции, выход по продуктам реакций соединен со входом греющей среды теплообменника, а выход по электроэнергии соединен через инвертор с шинами собственных нужд.
Недостатком прототипа является то, что, например, у топливных элементов с твердооксидным электролитом степень использования топлива (степень окисления топлива) не превышает 0.85, т.е. как минимум 15% топлива проходит через энергоустановку на топливных элементах и не используется в технологическом процессе (Коровин Н.В. Топливные элементы и электрохимические установки. - М.: Издательство МЭИ. 2005.-280 с.: ил. См. стр. 198-200)
Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении эффективности и надежности электростанции.
Технический результат заключается в экономии топлива электростанции.
Поставленная техническая задача решается тем, что тепловая электрическая станция с собственными нуждами, содержащая паровой котел, первый вход которого подсоединен к системе газоснабжения электростанции, а выход соединен с турбиной с электрогенератором на валу, статорные обмотки которого соединены с энергосистемой и через трансформатор с шинами собственных нужд тепловой электростанции, выход турбины через конденсатор и питательный насос соединен со вторым входом парового котла, отбор пара турбины соединен с регенеративным подогревателем и сетевым подогревателем, перед которым подключен теплообменник, тепловая электрическая станция снабжена инвертором и энергоустановкой на топливных элементах, вход которой соединен с системой газоснабжения станции, выход по продуктам реакций соединен со входом греющей среды теплообменника, а выход по электроэнергии соединен через инвертор с шинами собственных нужд, выход по продуктам реакций энергоустановки на топливных элементах дополнительно соединен с третьим входом парового котла, а выход по греющей среде теплообменника соединен с четвертым входом парового котла.
На фиг. 1 изображена принципиальная схема простой тепловой электрической станции с циклом Ренкина, реализующей питание собственных нужд от энергоустановки на топливных элементах.
Тепловая электрическая станция, использующей газовое топливо, например природный газ, содержит контур рабочего тела в виде паротурбинного цикла Ренкина (Теплотехника. Учебник для вузов / А.П. Баскаков, Б.В. Берг, O.К. Витт и др.; Под ред. А.П. Баскакова. - М.: Энергоиздат, 1982, стр. 65-71) с паровым котлом 1 с пароперегревателем 2, по первому входу подсоединенного к системе 3 газоснабжения электростанции, а по выходу соединенного с паровой турбиной 4 с электрогенераторм 5 на валу, выводы статорных обмоток которого подсоединены к энергосистеме 6 и через трансформатор 7 к шинам 8 собственных нужд электростанции, а также энергоустановку 9 на топливных элементах (Коровин Н.В. Топливные элементы и электрохимические энергоустановки. - М.: Издательство МЭИ, 2005. - 280 с.: ил.), вход которой подсоединен также к указанной системе 3 газоснабжения, а электрический выход через инвертор 10 подсоединен к шинам 8 собственных нужд. При этом выход турбины 4 по рабочему телу цикла Ренкина соединен через конденсатор 11 и питательный насос 12 со вторым входом парового котла 1, а отбор 13 пара турбины 4 соединен с регенеративным подогревателем 14 и сетевым подогревателем 15, перед которым по тракту сетевой воды подсоединен теплообменник 16, по входу греющей среды подсоединенный через управляемый клапан 27 к тракту 17 продуктов реакций в энергоустановке 9 на топливных элементах. К шинам 8 собственных нужд электростанции также подключены электроприемники 18 собственных нужд. Кроме того, на Фиг. 1 обозначены: 19, 20 - выключатели в электрических цепях соединений элементов схемы; 21 - циркуляционный насос подачи охлаждающей воды в конденсатор 11; 22, 23 - управляемые клапаны в трактах отборов теплоносителя на регенеративный подогреватель 14 и на сетевой подогреватель 15; 24-конденсатный насос. 25 и 26 - соответственно прямая и обратная магистрали подачи сетевой воды. Тракт 17 продуктов реакций в энергоустановке 9 на топливных элементах подсоединен через управляемый клапан 28 к третьему входу парового котла 1, а теплообменник 16 по выходу греющей среды подсоединен к четвертому входу парового котла 1. Согласно Фиг. 1 тепловая электрическая станция работает следующим образом. В паровой котел 1 подают газ из системы 3 газоснабжения электростанции, а через выход подают пар в турбину 4 с электрогенератором 5 на валу. От электрогенератора 5 электроэнергию подают в энергосистему 6 и через трансформатор 7 к шинам 8 собственных нужд тепловой электростанции. Отработавший пар с выхода турбины 4 через конденсатор 11 питательным насосом 12 возвращают в виде конденсата в паровой котел 1. Производят отбор 13 пара турбины 4 в регенеративный подогреватель 14 и сетевой подогреватель 15. При этом одновременно снижают отбор 13 пара турбины 4 на сетевые подогреватели 15 с помощью управляемого клапана 23 и пропорционально, перед нагревом в сетевых подогревателях 15, повышают температуру сетевой воды в теплообменнике 16, в котором по греющей среде при открытом управляемом клапане 27 и при закрытом управляемом клапане 28 через тракт 17 используют продукты реакций в энергоустановке 9 на топливных элементах. При работе в режиме электропитания электроприемников 18 собственных нужд от энергоустановки 9 на топливных элементах выключатель 20 включают, а выключатель 19 выключают, на вход блока 9 топливных элементов подают газ из той же системы 3 газоснабжения. Электроэнергию на постоянном токе с выхода энергоустановки 9 на топливных элементах подают через инвертор 10 преобразованным в переменный ток на шины 8 собственных нужд, от которых питают электроприемники 18 собственных нужд.
Был произведен термодинамический анализ, позволивший получить для схемы Фиг 1 следующую формулу взаимосвязи потоков энтальпий отборов рабочей среды турбины:
i
где: h - энтальпии соответственно в выделенных четырех индексных точках "а", "b", "с" и "d" схемы Фиг. 1;  - коэффициент общей доли отбора пара в сечении "а" паровой турбины 4;  - коэффициент доли отбора пара в сечении "а" на регенеративный подогреватель 14 через управляемый клапан 22 в канале теплоносителя;  - коэффициент доли отбора пара в сечении "а" на сетевой подогреватель 15 через управляемый клапан 23 в канале теплоносителя.
T
РП
СП
T
a
d
a
c
Из формулы следует, что при заданном массовом расходе пара D в установке с увеличением коэффициента α, т.е. с увеличением одновременного отбора пара в точке "а" для регенеративного подогревателя β и сетевого подогревателя γ, мощность турбины N падает, так как соответственно возрастают доли отбора пара D и D, которые, не совершают полезной работы в турбине на участке между точками "а" и "с". Однако при заданном коэффициенте а одновременно с увеличением коэффициента β снижается и подведенная к рабочему телу теплота Q (тепловая мощность топлива), т.е. снижается расход топлива в установке. При этом возрастет термический КПД цикла, так как согласно Фиг. 1 всегда соблюдается условие (h-h)>(h-h).
При заданном коэффициенте β увеличение коэффициента γ (т.е. увеличение доли отбора пара в точке "а" для сетевого подогревателя 15) ведет к снижению мощности турбины, и, соответственно, к снижению термического КПД цикла, и наоборот - снижение коэффициента γ ведет к росту термического КПД цикла.
ТЭ(эл)
КЭС
Расчетами обосновано, что для применения энергоустановок на топливных элементах для электропитания собственных нуждах тепловой электростанции является выполнение условия η≥η, т.е. КПД энергоустановок на топливных элементах должен быть больше или, по крайней мере, равным КПД-нетто тепловой электростанции. Например, при использовании энергоустановок 9 на топливных элементах одновременно для электропитания нагрузок 18 собственных нужд тепловой электростанции и для дополнительного подогрева сетевой воды в теплообменнике 16 блока мощностью 300 МВт с турбоустановкой К-300-240 повышает КПД - нетто станции на 0.7%, а, например, при использовании энергоустановки 9 на топливных элементах только для дополнительного подогрева сетевой воды в теплообменнике 16 повышает КПД - нетто станции на 0.3%, что эквивалентно повышению мощности блока на 0.9 МВт.
Однако особенностью энергоустановок на топливных элементах, как указывалось, является то, что степень использования топлива (степень окисления топлива) не превышает 0.85, т.е. как минимум 15% топлива проходит через энергоустановку на топливных элементах и не используется в технологическом процессе. Это избыточное топливо проходит через тракт 17, управляемый клапан 27, через теплообменник 16 к четвертому входу парового котла 1. При этом мощность электрогенератора 5 возрастает на 2.1 МВт, что обеспечивает дополнительную годовую выработку 18396 МВт⋅ч. В летнее время, когда потребность в горячей сетевой воде снижается, управляемый клапан 27 прикрывается, а управляемый клапан 28 открывается и на третий вход парового котла 1 наряду с указанным избыточным топливом поступает и высокопотенциальное тепло из тракта 17. При этом дополнительная годовая выработка возрастает в два раза.
Таким образом, применение предлагаемого способа позволяет достичь поставленной технической задачи в повышении эффективности и надежности электростанции, так как при любых режимах, в том числе нормальных и аварийных, в энергосистеме собственные нужды и подогрев сетевой воды всегда энергообеспечены. Кроме того, дополнительно увеличивается выдача электроэнергии в энергосистему.