УСТРОЙСТВО ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ВОДЫ, ОХЛАЖДАЮЩЕЙ КОНДЕНСАТОР ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ

Полезная модель относится к области энергетики и может быть использована в энергетических установках с целью улучшения их экономических и экологических показателей.
На существующих АЭС и ТЭС для охлаждения и конденсации пара в конденсаторах паровых турбин используют воду из естественных источников, таких как реки, озера и т.д. Проходя через конденсатор, вода возвращается в источник, имея более высокую температуру, чем в источнике. При ограниченном количестве воды в источнике увеличение температуры на выходе из конденсатора может привести к повышению температуры источника выше допустимых пределов. При замкнутом контуре циркуляции и ограниченном количестве воды в системе охлаждения увеличение температуры воды в источнике ухудшает эффективность охлаждения конденсатора и снижает вследствие этого к.п.д. установки, а в некоторых случаях может привести к нарушению экологической обстановки /АЭС виновны в парниковом эффекте, Независимая газета, 08.04.2008/.
Известно, что для снижения (охлаждения) температуры сбросной воды на линии «сброса» традиционно используют специальные устройства - градирни или «брызгальные» бассейны. Охлаждение потока воды в этих устройствах происходит за счет частичного ее испарения как наиболее эффективного механизма отвода тепла, что приводит к соответствующим безвозвратным потерям воды и тепловой энергии. (Для охлаждения на 6°С необходимо испарить 1% охлаждаемой воды). Кроме
того, такие устройства весьма громоздки, требуют значительных материальных затрат на сооружение и не всегда полностью устраняют отмеченный недостаток, т.к. эффективность их во многом зависит от сезона. Поэтому в некоторых случаях актуальным становится вопрос о принятии дополнительных мер по более эффективному использованию существующих устройств или применению иных способов охлаждения циркуляционной воды.
Известно устройство для оборотного водоснабжения электростанции с градирнями / RU 2236517, Е03В 7/04, 2004/, которое содержит самотечный водовод к циркуляционному насосу, напорный трубопровод к конденсатору паровой турбины и сливной напорный трубопровод к градирне, снабженной водораспределительным лотком с разбрызгивающими соплами, оросительным устройством и водоуловителем, установленными в вытяжной башне. Градирня имеет водосборный бассейн, соединенный самотечным перепускным каналом с водоприемным колодцем. Устройство дополнительно снабжено соединяющим напорный трубопровод к конденсатору паровой турбины со сливным напорным трубопроводом к градирне рециркуляционным трубопроводом, по которому часть общего потока охлажденной в градирне воды, минуя конденсатор паровой турбины, направляют в градирню и осуществляют его повторное более глубокое охлаждение.
Недостатками данного устройства являются, во-первых, повышенный расход энергии, связанный с ее затратами на рециркуляцию части общего потока охлажденной в градирне воды, а, во-вторых, значительные потери воды, уходящей в виде пара в атмосферу.
В то же время, согласно принятым в настоящее время тепловым схемам энергетических установок, полученный в конденсаторе турбины конденсат, при возвращении в тепловую схему, предварительно подогревают в промежуточном подогревателе или последовательно в нескольких подогревателях, для чего расходуют пар из отбора паровой турбины /В.В.Сушков. Техническая термодинамика. Государственное энергетическое издательство. М.-Л. 1946 г., с 92-103/.
В настоящее время интенсивно развивается область энергосберегающей техники, к разряду которой относятся «Тепловые насосы» (ТН). Основой работы ТН является теорема Карно, согласно которой величина термического к.п.д. цикла с двумя источниками тепла, горячим и холодным, не зависит от свойств рабочего тела и определяется исключительно максимальным и минимальным значениями температур источников. Цикл Карно является идеальным круговым процессом, с которым сопоставляют все теоретические циклы, совершающиеся при одних и тех же температурах теплоотдатчиков и теплоприемников. Тепловой насос работает по обратному теоретическому циклу, аналогичному обратному циклу Карно и по определению представляет собой машину, которая способна передавать тепло от окружающей среды с низким потенциалом к среде с более высоким потенциалом. Известно, что к.п.д. цикла теплового насоса достаточно высок вследствие того, что затраты энергии на его работу в несколько раз меньше той тепловой энергии, которую он «перекачивает».
Известно устройство для утилизации энергии низкотемпературных теплоносителей /RU 32578, F03G 7/00, 2003/, принятое за прототип и содержащее турбину с электрогенератором и
теплопотребитель. Дополнительно прототип снабжен тепловым насосом, конденсатор приемного теплообменника которого включен в паросиловой контур на выходе отработанного пара из турбины, а нагреватель выходного теплообменника - на теплопотребитель.
Недостатком прототипа является то, что получаемое с помощью его низкопотенциальное тепло не может быть использовано непосредственно в основной технологической схеме АЭС или ТЭС.
Решаемая задача - создание устройства для утилизации тепловой энергии воды, охлаждающей конденсатор паровой турбины, лишенного указанных недостатков. Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в повышении эффективности работы турбины, снижении потерь воды, охлаждающей конденсатор паровой турбины и в снижении тепловой нагрузки на окружающую среду, в частности, на естественные и искусственные водоемы ТЭЦ и АЭС.
Для решения поставленной задачи и достижения указанного технического результата предлагается устройство для утилизации тепловой энергии воды, охлаждающей конденсатор паровой турбины, содержащее первый тепловой насос с приемным и выходным теплообменниками, компрессором и дросселем, образующими испарительно-конденсационный контур, причем приемный теплообменник соединен с источником тепла и теплопотребитель.
1. Отличительной особенностью предлагаемого устройства является то, что оно оснащено последовательно соединенным с первым тепловым насосом вторым тепловым насосом со своим испарительно-конденсационным контуром, заполненным теплоносителем с температурой кипения выше температуры кипения теплоносителя первого
теплового насоса при рабочих условиях, при этом приемный теплообменник второго теплового насоса является одновременно выходным теплообменником первого теплового насоса, выходной теплообменник второго теплового насоса соединен с теплопотребителем, а приемный теплообменник первого теплового насоса установлен на трубопроводе сбросной линии охлаждения конденсатора, или в паровом пространстве конденсатора турбины.
Дополнительно предлагается испарительно-конденсационный контур первого теплового насоса заполнить насыщенным алифатическим фтор-, хлор- или бромсодержащим углеводородом.
Дополнительно предлагается испарительно-конденсационный контур второго теплового насоса заполнить водой.
Также дополнительно предлагается в качестве теплопотребителя использовать трубопровод конденсата паровой турбины.
Применение двухступенчатой схемы тепловых насосов для утилизации тепловой энергии воды, охлаждающей конденсатор паровой турбины, позволяет, во-первых, понизить температуру воды в «сбросной» линии из конденсатора турбины, а, во-вторых, использовать получаемое низкопотенциальное тепло для возврата его в технологическую схему основной энергетической установки с целью повышения ее к.п.д., что не исключает возможность применения его также и для каких либо других хозяйственных нужд. Таким образом, достигается указанный технический результат.
На фиг.1 представлено заявляемое устройство в случае, когда приемный теплообменник первого теплового насоса установлен на трубопроводе сбросной линии охлаждения конденсатора, на фиг.2
представлен вариант, при котором приемный теплообменник первого теплового насоса установлен в паровом пространстве конденсатора турбины, где 1 - первый ТН, 2 - второй ТН, 3 - приемный теплообменник первого ТН, 4, 5 - компрессоры, 6, 7 - дроссели, 8 - промежуточный теплообменник, являющийся выходным теплообменником первого ТН и одновременно входным теплообменником второго ТН, 9 - выходной теплообменник второго ТН, 10 - трубопровод сбросной линии охлаждения конденсатора, 11 - градирня, 12 - источник воды, 13 - турбина, 14 - конденсатор, 15 - трубопровод конденсата паровой турбины.
Устройство работает следующим образом. Испарительно-конденсационный контур первого ТН 1 заполняют криогенной жидкостью, например, хладоном, а испарительно-конденсационный контур второго ТН 2 - водой, в приемном теплообменнике 3 первого ТН 1 с помощью компрессора 4 и дросселя 6 создают разрежение, необходимое для того, чтобы происходило кипение хладона при постоянной температуре, соответствующей заданному уровню охлаждения сбросной воды, получаемый пар хладона поступает в компрессор 4, где за счет сжатия повышается его давление и температура, далее пар поступает в теплообменник 8, где, конденсируясь, испаряет воду, полученный водяной пар сжимают компрессором 5 до уровня параметров, равных параметрам пара с отбора турбины и подают в выходной теплообменник второго ТН 9. Пар, конденсируясь, производит подогрев конденсата технологического контура до рабочего уровня и через дроссель 7 возвращается в теплообменник 8. Таким образом, первый ТН 1 охлаждает сбросную воду, а второй ТН 2 осуществляет подогрев конденсата. Так выглядит простейшая система охлаждения сбросной воды конденсатора
паровой турбины, объединенная со схемой подогрева питательной воды (конденсата).
Предлагаемая система охлаждения позволит понизить температуру сбросной воды, сохранив одновременно необходимый подогрев воды конденсата в основном технологическом контуре и повысить к.п.д. энергоустановки в целом т.к.:
- на 1 кВт энергии, затрачиваемой на ТН в схему подогрева питательной воды (конденсата) поступает более 3 кВт тепловой энергии в результате преобразования низкопотенциального тепла из сбросной линии охлаждаемого участка циркуляционного контура;
- при охлаждении воды на 6°С в циркуляционном контуре сохраняется 1% охлаждаемой воды;
- расход электроэнергии на ТН практически компенсируется исключением расхода энергии на прокачку количества конденсата, образующегося в системе ПНД от отбора пара из турбины;
- применение для привода компрессоров парового привода увеличивает коэффициент преобразования ТН;
- сокращаются затраты на выработку пара для отборов из турбины для подогрева конденсата.
Данное техническое решение позволит: понизить температуру сбросной воды в системе охлаждения турбин ЭС и тем самым повысить экономические и экологические показатели энергоустановки в целом.