УСТАНОВКА ЭЛЕКТРО-ТЕПЛО-ВОДОСНАБЖЕНИЯ

Полезная модель относится к системам когенерации электрической и тепловой энергии и может быть использована для комплектации установок электро-тепло-водоснабжения.
Известна парогазовая установка электростанции, (патент РФ №2362022 по кл. F01K 23/00, опубл. в 2009 г.), которая содержит газотурбинную установку, состоящую из газовой турбины, турбокомпрессора, камеры сгорания и электрогенератора, котел-утилизатор, паротурбинную установку, состоящую из паровой турбины с конденсатором, электрического генератора и питательного насоса, теплообменник-утилизатор теплоты уходящих газов, снабженный конденсатосборником с гидрозатвором, водоподготовительную установку, содержащую декарбонизатор, систему оборотного водоснабжения, включающую циркуляционный насос, напорный трубопровод к конденсатору паровой турбины, напорный трубопровод к теплообменнику-утилизатору теплоты уходящих газов и сливной напорный трубопровод к градирне, состоящей из вытяжной башни и водосборного бассейна, трубопровод, соединяющий патрубок отвода воздуха из декарбонизатора с всасывающим коробом турбокомпрессора.
Достоинством установки является возможность частичного восполнения конденсатом водяных паров, поступающим в конденсатосборник из теплообменника-утилизатора, потерь охлаждающей воды, уносимой из вытяжной башни градирни. Но для штатной эксплуатации установки и для ее пуска в работу требуется наличие системы водоснабжения.
Основными недостатками известной установки являются:
- невысокая надежность генерации электроэнергии вследствие применения в качестве единственного источника теплоты газотурбинной установки (имеющей ресурс непрерывной работы существенно меньший, чем подключенная к ГТУ паротурбинная установка);
- отсутствие технических решений по выработке тепловой (для нужд теплоснабжения) энергии на базе генерации электроэнергии и невысокая энергоэффективность - низкий коэффициент использования топлива на производство товарной продукции (электроэнергии) вследствие отвода в атмосферу через градирню теплоты конденсации пара паротурбинной установки.
- недостаточная энергоэффективность, обусловленная дополнительными аэродинамическими потерями потоку парогазового рабочего тела в трубопроводе, соединяющем декарбонизатор и вход турбокомпрессора (на входе установки), и в теплообменнике-утилизаторе (на выходе установки).
- отсутствие технических решений по термическому обезвреживанию промышленных стоков (водных растворов от промывки оборудования) и хозбытовых стоков (установки и объекта, который установка обеспечивает электроэнергией), что снижает экологическую безопасность известной установки.
Известна также парогазовая установка для комбинированного производства тепловой и электрической энергии, (патент РФ №2326246 по кл. F01K 17/02, опубл. в 2008 г.), которая состоит из газотурбинной установки (ГТУ), соединенной с паровым котлом-утилизатором и дополнительного парового котла-утилизатора, связанных с паровой теплофикационной турбиной, теплообменник конденсатора которой и пиковый бойлер, пар на который поступает от котлов-утилизаторов через редукционно-охладительную установку, включены в линию подогрева сетевой воды, поступающей к потребителю, и суховоздушной градирни с сетевым насосом рециркуляции, снабжена второй ГТУ, соединенной с дополнительным котлом-утилизатором и дополнительным бойлером, причем дополнительный бойлер подсоединен по пару к отбору теплофикационной турбины, а по воде включен между теплообменником конденсатора и пиковым бойлером, к выходу которого подключена суховоздушная градирня с насосом рециркуляции.
Достоинством известной установки является возможность обеспечения комбинированной выработки электроэнергии и теплоты для нужд теплоснабжения и несколько большая (по сравнению с аналогом - парогазовой установкой, патент РФ №2362022) ее надежность, обусловленные применением двух, параллельно подключенных к теплофикационной турбине модулей, каждый из которых включает ГТУ-привод электрогенератора и паровой котел-утилизатор.
Недостатками известной установки являются:
- отсутствие технических решений по утилизации конденсата водяных паров из выхлопных газов ГТУ и технических решений по использованию конденсата для нужд водоснабжения установки;
- для штатной эксплуатации установки и для ее пуска в работу требуется наличие системы водоснабжения;
- недостаточная энергоэффективность установки, обусловленная применением дополнительного насоса рециркуляции суховоздушной градирни (обеспечивающей конденсацию пара на выходе из теплофикационной турбины при снижении отпуска теплоты от установки на теплоснабжение), а также применением редукционно-охладительных установок на входах пара из котлов-утилизаторов в пиковый бойлер сетевой воды;
- отсутствие технических решений по термическому обезвреживанию стоков промышленных (водных растворов от промывки оборудования) и хозбытовых (установки и объекта, который установка обеспечивает электроэнергией и теплом), что снижает ее экологическую безопасность.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому решению (прототипом) является установка электро-тепло-водоснабжения предприятий добычи, транспорта и переработки углеводородного сырья (патент РФ на полезную модель №118360 по кл. F01K 17/02, опубл. в 2012 г.), содержащая газотурбинную установку (1), подключенную по тракту выхлопных газов через дымовой шибер (2) к паровому котлу-утилизатору (3) и дополнительный паровой котел-утилизатор (4), выходные паропроводы которых связаны с паровой теплофикационной турбиной (5), кинематически соединенной с электрогенератором (6), теплообменник-конденсатор (7) которой подключен к линии подогрева теплофикационной воды; сетевой циркуляционный насос (8); питательный насос (9); деаэратор (10) с насосом (11), отличающаяся тем, что в нее дополнительно входят газовый компрессор (12), кинематически соединенный с газотурбинной установкой (1); конденсатор воздушного охлаждения (13); нейтрализатор промстоков огневой (14) с дымовой трубой (15), газоходом (16), шибером (17), форсункой водяного конденсата (18), конденсатным патрубком (19), входным топливным патрубком (20); насос пароструйный (21); охладитель водяного конденсата (22); фильтр водяного конденсата (23), при этом выход дымовых газов из газохода нейтрализатора (16) подключен к входу дымовых газов в паровой котел-утилизатор (4), а выход дымовых газов из котла (4) подключен к дымовой трубе (15) нейтрализатора (14), форсунка (18) размещена в дымовой трубе (15) нейтрализатора (14), причем вход водяного конденсата в форсунку (18) подключен к выходу охладителя водяного конденсата (22), вход которого соединен с выходом фильтра (23), вход которого подключен к выходу деаэратора (10), вход сконденсированной воды в который подключен к конденсатному патрубку (19) дымовой трубы (15), вход пара в пароструйный насос (21) подключен к выходу пара из котлов-утилизаторов (3) и (4), а вход водяного конденсата в пароструйный насос (21) подключен к выходу теплообменника-конденсатора (7) и к выходу конденсатора воздушного охлаждения (13).
Достоинствами известной установки электро-тепло-водоснабжения предприятий добычи, транспорта и переработки углеводородного сырья, по патенту РФ на полезную модель №118360, являются:
- возможность комбинированной выработки электроэнергии и теплоты для нужд теплоснабжения, а также технической воды для восполнения потерь теплоносителя в системе теплоснабжения и для нужд водоснабжения объекта (предприятия добычи, транспорта и переработки углеводородного сырья);
- повышение экологической безопасности установки и объекта за счет термического обезвреживания промышленных стоков.
Недостатками прототипа являются:
- отсутствие технических решений по покрытию пиковых электрических нагрузок;
- отсутствие технических решений по утилизации конденсата водяных паров из выхлопных газов тепловых двигателей (газовых турбин), что ограничивает выработку технической воды для нужд водоснабжения объекта;
- отсутствие технических решений по термическому обезвреживанию хозбытовых стоков, что снижает экологическую безопасность установки и объекта, к которому она подключена.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является повышение надежности электроснабжения, увеличение генерации технической воды установкой электро- тепло- водоснабжения, а также повышение ее экологической безопасности.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении полезной модели, является повышение надежности совместной генерации электрической, тепловой энергии и технической воды, уменьшение (исключение) сброса в атмосферу оксидов серы при термическом обезвреживании промышленных и хозбытовых стоков.
Указанный технический результат достигается тем, что в установку электротепло-водоснабжения, содержащую газотурбинную установку 1, подключенную по тракту выхлопных газов через дымовой шибер 2 к паровому котлу-утилизатору 3 и дополнительный паровой котел-утилизатор 4, выходные паропроводы которых связаны с паровой теплофикационной турбиной 5, кинематически соединенной с электрогенератором 6, теплообменник-конденсатор 7 которой подключен к линии подогрева теплофикационной воды; сетевой циркуляционный насос 8; питательный насос 9; деаэратор 10 с насосом 11, конденсатор воздушного охлаждения 12; нейтрализатор промстоков огневой 13 с дымовой трубой 14, газоходом 15, шибером 16, форсункой водяного конденсата 17, конденсатным патрубком 18, входным топливным патрубком 19; насос пароструйный 20; охладитель водяного конденсата 21; фильтр водяного конденсата 22, при этом выход дымовых газов из газохода нейтрализатора 15 подключен к входу дымовых газов в паровой котел-утилизатор 4, а выход дымовых газов из котла 4 подключен к дымовой трубе 14 нейтрализатора 13, форсунка 17 размещена в дымовой трубе 14 нейтрализатора 13, причем вход водяного конденсата в форсунку 17 подключен к выходу охладителя водяного конденсата 21, вход которого соединен с выходом фильтра 22, вход которого подключен к выходу деаэратора 10, вход сконденсированной воды в который подключен к конденсатному патрубку 18 дымовой трубы 14, вход пара в пароструйный насос 20 подключен к выходу пара из котлов-утилизаторов 3 и 4, а вход водяного конденсата в пароструйный насос 20 подключен к выходу теплообменника-конденсатора 7 и к выходу конденсатора воздушного охлаждения 12, согласно полезной модели, дополнительно входят электрогенератор 23, кинематически соединенный с газотурбинной установкой (тепловым двигателем) 1; дымовая труба 24 с форсункой водяного конденсата 25, конденсатным патрубком 26 и байпасным патрубком дымовых газов 27, размещенная на котле-утилизаторе 3; устройство ввода реагента 28, размещенное в газоходе 15 нейтрализатора 13, причем форсунка 25 подключена к выходу охладителя водяного конденсата 21, а конденсатный патрубок 26 подключен к входу в деаэратор 10.
Повышение надежности электроснабжения обеспечивается за счет возможности оперативной выработки дополнительной электрической мощности при необходимости покрытия пиковых электрических нагрузок путем подключения дополнительного электрогенератора 23, кинематически соединенного с газотурбинной установкой (тепловым двигателем) 1.
Увеличение генерации технической воды установкой электро- тепло- водоснабжения (в дополнение к технической воде, вырабатываемой на нейтрализаторе промстоков) обеспечивается за счет конденсации водяных паров из дымовых газов, уходящих из котла-утилизатора 3, путем размещения в дымовой трубе 24 котла-утилизатора 3 дополнительной форсунки 25 и подключения к дымовой трубе 24 дополнительного конденсатного патрубка 26, причем дополнительные конденсатный патрубок 26 и форсунка 25 размещены под байпасным патрубком 27, в потоке выходящих из котла-утилизатора 3 охлажденных дымовых газов, причем форсунка 25 подключена к выходу охладителя водяного конденсата 21, а конденсатный патрубок 26 подключен к входу в деаэратор 10.
Повышение экологической безопасности предлагаемой установки обеспечивается за счет размещения устройства ввода реагента 28 в газоходе 15 нейтрализатора 13. Размещение устройства ввода реагента 28 в газоходе 15 до входа в котел-утилизатор 4 и дымовую трубу 14 обеспечивает за счет гетерофазной очистки дымовых газов химическим реагентом (например, раствором гашеной извести) уменьшение (или исключение) загрязнения атмосферы оксидами серы при термическом обезвреживании стоков промышленных и хозбытовых.
Установка электро-тепло-водоснабжения иллюстрируется чертежом, на котором представлена схема предлагаемой установки (причем на схеме ноказан один из нескольких параллельно подключенных энерготехнологических модулей, включающих тепловой двигатель 1, дополнительный генератор 23, котел-утилизатор 3 с дымовым шибером 2, дымовую трубу 24, с форсункой 25, конденсатным патрубком 26, а также один из нескольких электрогенерирующих модулей, включающих паровую теплофикационную турбину 5 и электрогенератор 6).
Позиции на чертеже обозначают следующее: 1 - газотурбинная установка (тепловой двигатель); 2 - дымовой шибер ГТУ; 3 - паровой котел-утилизатор; 4 - дополнительный паровой котел-утилизатор; 5 - паровая теплофикационная турбина; 6 - электрогенератор; 7 - теплообменник-конденсатор; 8 - сетевой циркуляционный насос; 9 - питательный насос (парогенераторов); 10 - деаэратор (декарбонизатор) водяного конденсата; 11 - насос деаэратора; 12 - конденсатор воздушного охлаждения; 13 - нейтрализатор промстоков огневой; 14 - дымовая труба нейтрализатора; 15 - газоход нейтрализатора; 16 - шибер дымовой нейтрализатора; 17 - форсунка водяного конденсата; 18 - конденсатный патрубок; 19 - входной топливный патрубок; 20 - насос пароструйный; 21 - охладитель водяного конденсата; 22 - фильтр водяного конденсата; 23 - дополнительный электрогенератор; 24 - дымовая труба котла-утилизатора 3; 25 - дополнительная форсунка; 26 - дополнительный конденсатный патрубок; 27 - байпасный патрубок (дымовой трубы 24); 28 - устройство ввода реагента.
На чертеже также обозначены следующие технологические потоки: В - воздух на тепловой двигатель (ГТУ); ВК - конденсат водяных паров; ВТ - сконденсированная вода (неочищенный конденсат водяных паров); ГТ1 - газ топливный (топливо углеводородное) на нейтрализатор промстоков огневой; ГТ2 - газ топливный (топливо углеводородное) на тепловой двигатель (ГТУ); Д - стоки промышленные и хозбытовые; ДГ1 - дымовые газы от нейтрализатора промстоков; ДГ2 - выхлопные газы от теплового двигателя на котел-утилизатор; ДГ3 - выхлопные газы от теплового двигателя, поступающие на байпасный патрубок; ОВ - обратная вода из системы теплоснабжения; ПВ - прямая вода системы теплоснабжения; ПП - пар перегретый; РР - раствор реагента (для поглощения оксидов серы); ХПВ - вода на установку подготовки хозпитьевой воды.
Установка электро-тепло-водоснабжения работает следующим образом.
При работе установки топливный газ (топливо углеводородное, поток ГТ1 на схеме), поступает в качестве топлива на входной топливный патрубок 19 нейтрализатора промстоков огневого 13. На нейтрализатор на термическое обезвреживание подаются стоки промышленные и хозбытовые (поток Д на схеме), пригодные для термического обезвреживания (не содержащие ртути, мышьяка, кадмия и их солей).
При работе установки на номинальной производительности, а также при обеспечении пиковых электрических нагрузок при вводе в действие теплового двигателя (ГТУ) 1, привода дополнительного электрогенератора 23, на котел-утилизатор 3 поступает поток ДГ2 - часть высокотемпературного потока выхлопных газов теплового двигателя 1, для выработки в котле-утилизаторе 3 пара перегретого ПП, подаваемого на паровой привод 5 электрогенератора 6.
Выходящий из камер термического обезвреживания нейтрализатора 13 поток дымовых газов ДГ1, содержащий водяные пары от термически обезвреженных стоков (промышленных и хозбытовых, поток Д) и от сжигания углеводородного топлива (поток ГТ1), поступает в сборный газоход нейтрализатора 15, подключенный к входу дополнительного котла-утилизатора 4. Выходящий из газового тракта дополнительного котла-утилизатора 4 охлажденный поток дымовых газов поступает в дымовую трубу 14 нейтрализатора 13. Для обеспечения указанного выше направления движения потока дымовых газов ДГ1 от нейтрализатора 13 к дополнительному котлу-утилизатору 4 (а также обеспечения возможности регулирования производительности установки) используется шибер дымовой 16, размещенный на входе в дымовую трубу 14 нейтрализатора 13.
Для поглощения оксидов серы из потока дымовых газов, выходящих из нейтрализатора 13, в газоходе 15 размещено устройство ввода реагента 28, с помощью которого предусмотрена подача раствора реагента (поток РР).
Для дальнейшего охлаждения и увлажнения потока дымовых газов ДГ1 с целью выделения из них сконденсированных водяных паров в дымовой трубе 14 размещена форсунка 17, на которую из охладителя водяного конденсата 21 подается охлажденный водяной конденсат (поток ВК).
Сконденсированная вода, поток ВТ на схеме, представляющая неочищенный конденсат водяных паров (включающий сконденсированные водяные пары из дымовых газов и поток водяного конденсата ВК), отводится из патрубка конденсатного 18 дымовой трубы 14 и подается на вход деаэратора (декарбонизатора) 10. Первоначальное заполнение емкости деаэратора (декарбонизатора) 10 может быть произведено и без подачи потока водяного конденсата на форсунку 17, при малой теплопроизводительности нейтрализатора 13 (и конденсации насыщенных водяных паров при естественном охлаждении дымовой трубы 14).
Повышению производительности установки по технической воде за счет конденсации водяных паров из выхлопных газов теплового двигателя (ГТУ) 1 способствует размещение дополнительных форсунки 25 и конденсатного патрубка 26 в дымовой трубе 24 котла-утилизатора 3.
Из деаэратора (декарбонизатора) 10 (погружным насосом 11, входящим в комплект) поток ВТ подается на фильтр водяного конденсата 22, а затем на охладитель водяного конденсата 21. Водяной конденсат, полученный на установке, не содержит минеральных примесей и солей и направляется на заполнение и подпитку рабочим телом водяного тракта паровых котлов-утилизаторов 3 и 4 и сети системы теплоснабжения. Качество водяного конденсата позволяет использовать его также в качестве исходной воды и подавать (поток ХПВ) на установку подготовки хозпитьевой воды.
Теплота потоков дымовых газов ДГ1 и ДГ2, рекуперированная в паровых котлах-утилизаторах 3 и 4, обеспечивает генерацию перегретого водяного пара, подаваемого на теплофикационные турбины (паросиловой привод) 5 электрогенераторов 6. Часть потока перегретого пара из котлов-утилизаторов 3 и 4 предусмотрено подавать в качестве активного потока на пароструйный насос 20, включенный параллельно питательному насосу 9.
Отработанный пар на выходе паросилового привода 5 подается на подключенные параллельно теплообменник-конденсатор 7 и конденсатор воздушного охлаждения 12. В теплообменнике-конденсаторе 7 производится рекуперативный нагрев (теплотой основной части конденсируемого пара) потока теплофикационной воды ПВ системы теплоснабжения (водяного отопления) объекта. Для обеспечения циркуляции теплофикационной воды в системе предусмотрен циркуляционный насос 8.
Несконденсированная (в теплообменнике 7) часть водяного пара подается в конденсатор воздушного охлаждения 12. Водяной конденсат из указанных выше аппаратов подается на вход насосов 9 и 20, а затем на вход в водяной тракт котлов-утилизаторов 3 и 4.
Таким образом, за счет приведенных выше технических решений предлагаемая установка электро-тепло-водоснабжения обеспечивает повышение надежности и экологической безопасности совместной генерации электрической и тепловой энергии и выработки исходной воды для системы водоснабжения.
Экономический эффект от ее применения обусловлен снижением затрат на строительство и эксплуатацию за счет повышения надежности и энергоэффективности совместной генерации электрической, тепловой энергии и технической воды, уменьшения размеров платежей экологических сборов за сброс в атмосферу оксидов серы и захоронение промышленных и хозбытовых стоков.