Теплоэлектростанция и способ ее работы
THERMAL POWER STATION AND METHOD FOR OPERATION THEREOF

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в схемах тепловых электрических станций, в том числе для малой распределенной энергетики.
Известны тепловые электрические станции, работающие по термодинамическому циклу Ренкина [Рыжкин В.Я. Тепловые электрические станции: Учебник для теплоэнерг.спец. вузов. - М.-Л.: Энергия, 1967. - 26 с.], в котором тепловая энергия преобразуется в работу с целью выработки электрической энергии. Принципиальная схема электростанции, работающей по циклу Ренкина, включает паровую турбину соединенную с электрогенератором и с конденсатором, конденсатор соединен последовательно с питательным насосом, котлоагрегатом и пароперегревателем.
Недостатками электростанций, работающих по циклу Ренкина, являются:
- потери в охлаждающем контуре, составляющие около 50%, из-за наличия конденсатора, не позволяющим использовать цикл с максимальной эффективностью;
- снижение выработки электрической энергии при использовании регенеративных отборов;
- снижение качества теплоносителя, приводящие к коррозии поверхностей нагрева в котлоагрегате и эрозии лопаток паровой турбины из-за присосов охлаждающей воды в конденсаторе;
- большие расходы охлаждающей воды и тепловое загрязнение природных источников, использующихся для водоснабжения электростанции.
Прототипом устройства теплоэлектростанции принимается устройство энергетической системы, описанной в патенте «Способ работы тепловой электрической станции и устройство для его реализации» патент RU 2687382 С1, МПК F01K 17/02 (2006.01), МПК F01K 17/02 (2019.02). Публикация: 13.05.2019.
Основными элементами данной электрической станции, работающей по циклу Ренкина, являются котлоагрегат, паровая турбина, электрогенератор, конденсатор, питательный насос и пароводяные подогреватели, соединенные через трубопроводы и образующие пароводяной тракт (у нас парожидкостный тракт). Через конденсатор проходит дополнительный контур охлаждения с циркуляционным насосом. В схеме присутствует отбор пара из промежуточных ступеней паровой турбины в пароводяной подогреватель, расположенный между конденсатором и питательным насосом.
Недостатками прототипа, описанного в данном патенте, являются:
- потери в охлаждающем контуре, составляющие около 50%, из-за наличия конденсатора, не позволяющим использовать цикл с максимальной эффективностью;
- снижение качества теплоносителя, приводящее к коррозии поверхностей нагрева в котлоагрегате и эрозии лопаток паровой турбины из-за присосов охлаждающей воды в конденсаторе;
- снижение выработки электрической энергии при использовании регенеративных отборов;
- большие расходы охлаждающей воды и тепловое загрязнение природных источников, использующихся для водоснабжения электростанции.
Известна технология работы тепловой электрической станции, работающая по термодинамическому циклу Ренкина [Рыжкин В.Я. Тепловые электрические станции: Учебник для теплоэнерг. спец. вузов. - М.-Л.: Энергия, 1967. - 26 с.], в котором тепловая энергия преобразуется в работу с целью выработки электрической энергии.
В котлоагрегате в результате сжигания органического топлива тепловая энергия передается поверхностям нагрева, по которым циркулирует вода. В результате протекания по трубам котлоагрегата вода испаряется, превращаясь в пар. Пар направляется в паровую турбину, где расширяется и совершает механическую работу. Механическая энергия вращения паровой турбины передается на электрический генератор, в котором генерируется электрическая энергия. После расширения в паровой турбине пар направляется в конденсатор, где охлаждается водой и конденсируется. Полученный конденсат затем направляется питательным насосом в котлоагрегат для повторного использования. Цикл замыкается. Кроме того, для повышения эффективности цикла Ренкина используются регенеративные отборы пара из паровой турбины и промежуточный перегрев пара, повышающие эффективность электростанции на несколько процентов.
Недостатками технологий работы электростанций, работающих по циклу Ренкина, являются:
- потери в охлаждающем контуре, составляющие около 50%, из-за наличия конденсатора, не позволяющим использовать цикл с максимальной эффективностью;
- снижение выработки электрической энергии при использовании регенеративных отборов;
- снижение качества теплоносителя, приводящее к коррозии поверхностей нагрева в котлоагрегате и эрозии лопаток паровой турбины из-за присосов охлаждающей воды в конденсаторе;
- большие расходы охлаждающей воды и тепловое загрязнение природных источников, использующихся для водоснабжения электростанции.
Прототипом по технологии выбран способ работы энергетической системы, описанный в патенте «Способ работы тепловой электрической станции и устройство для его реализации» патент RU 2687382 С1, МПК F01K 17/02 (2006.01), МПК F01K 17/02 (2019.02). Публикация: 13.05.2019.
В паровой котел подают газ из системы газоснабжения электростанции, а через выход подают пар в паровую турбину с электрогенератором на валу. От электрогенератора электроэнергию подают в энергосистему и через трансформатор к шинам собственных нужд тепловой электростанции. Отработавший пар с выхода паровой турбины через конденсатор питательным насосом возвращают в виде конденсата в паровой котел. Цикл замыкается и движение рабочего тела по пароводяному тракту (у нас парожидкостный тракт), включающий котлоагрегат, паровую турбину, питательный насос, пароводяные подогреватели и соединяющие их элементы, повторяется. Производят отбор пара паровой турбины в пароводяные подогреватели - регенеративный и сетевой. При этом одновременно снижают отбор пара паровой турбины на сетевые подогреватели с помощью управляемого клапана и пропорционально, перед нагревом в сетевых подогревателях, повышают температуру сетевой воды в теплообменнике, в котором по греющей среде через тракт используют продукты реакций в энергоустановке на топливных элементах.
Недостатками прототипа, описанного в данном патенте, являются:
- потери в охлаждающем контуре составляют около 50%, из-за наличия конденсатора, не позволяющий использовать цикл с максимальной эффективностью;
- снижение качества теплоносителя, приводящее к коррозии поверхностей нагрева в котлоагрегате и эрозии лопаток паровой турбины из-за присосов охлаждающей воды в конденсаторе;
- снижение выработки электрической энергии вследствие отбора пара из ступеней паровой турбины;
- большие расходы охлаждающей воды и тепловое загрязнение природных источников, использующихся для водоснабжения электростанции;
- увеличение потребления природного газа, а также пара из ступеней паровой турбины из-за дополнительного расхода на топливные элементы.
На сегодняшний день подавляющее большинство электрических станций в мире работает с использованием цикла Ренкина. Помимо присущих ему преимуществ, он обладает существенными недостатками, не устраненными до сих пор. Главным из них является наличие больших потерь теплоты в пароводяном тракте, по большей части в конденсаторе паровой турбины (около 50%). Последние 60 лет активно разрабатывались технологии и схемы, призванные увеличить эффективность использования цикла Ренкина (промежуточный перегрев, использование тепловых насосов в схемах электростанций, регенеративные отборы), однако их эффективность составляет считанные проценты и не может значительно повлиять на эффективность станции. Перед разработчиками схемы данного технического решения стояла наиболее сложная проблема эксплуатации электрических станций - снижение потерь с охлаждающей водой в конденсаторе.
Технический результат заключается в значительном повышении эффективности электрических станций путем исключения конденсатора и связанных с ним потерь из цикла электростанции и замены его абсорбером.
Технический результат изобретения в части устройства теплоэлектростанции достигается за счет того, что теплоэлектростанция на основе цикла Ренкина содержит: соединенные последовательно котлоагрегат с паровой турбиной и питательным насосом, образующие парожидкостный тракт, а также соединенный с паровой турбиной электрогенератор, абсорбер с контуром возврата абсорбента, в котлоагрегат встроен генератор пара, абсорбер соединен с генератором пара через питательный насос, генератор пара через охладитель абсорбента и расширительный клапан соединен с абсорбером.
Технический результат изобретения в части способа работы достигается за счет того, что способ работы теплоэлектростанции, заключающийся в подаче и испарении жидкого рабочего тела в котлоагрегате и подачей по парожидкостному тракту в паровую турбину и вращение ее за счет расширения перегретого пара с передачей механической энергии электрическому генератору и генерацией электрического тока, отработанный пар из паровой турбины поступает в абсорбер, содержащий абсорбент, который взаимодействуя с отработанным паром, поглощает его, полученный раствор перекачивают по парожидкостному тракту с помощью питательного насоса в генератор пара, встроенный в котлоагрегат, где вследствие выделения теплоты в котлоагрегате и восприятия ее генератором пара перекачанный раствор делится на рабочее тело и абсорбент, затем рабочее тело перегревают в котлоагрегате, а абсорбент направляют по контуру возврата абсорбента через охладитель абсорбента и расширительный клапан в абсорбер.
На фиг. 1 представлена схема теплоэлектростанции, иллюстрирующая способ работы электростанции на основе цикла Ренкина.
Теплоэлектростанция на основе цикла Ренкина содержит: соединенные последовательно котлоагрегат 1 с паровой турбиной 2 и питательным насосом 3 образующие парожидкостный тракт 4, а также соединенный с паровой турбиной 2 электрогенератор 5, абсорбер 6 с контуром возврата абсорбента 7, в котлоагрегат 1 встроен генератор пара 8, абсорбер 6 соединен с генератором пара 8 через питательный насос 3, генератор пара 8 через охладитель абсорбента 9 и расширительный клапан 10 соединен с абсорбером 6.
Рассмотрим работу теплоэлектростанции на примере конкретного вышеописанного способа работы электрической станции.
Принцип работы теплоэлектростанции заключается в следующем.
Отработанный после паровой турбины 2 пар, имеющий еще достаточно высокий потенциал, попадает в абсорбер 6, в котором находится абсорбент (на фиг. не обозначен). При взаимодействии двух сред - абсорбента, находящегося в абсорбере и отработанного пара, поступающего из паровой турбины, пар поглощается абсорбером и получившийся раствор («слабый раствор») перекачивается питательным насосом 3 в котлоагрегат 1. В котлоагрегат 1 со встроенным генератором пара 8 подводится топливо в результате сжигания которого образуется теплота, передающаяся генератору пара 8. В результате подвода теплоты к генератору пара 8 раствор разделяется на рабочее тело и абсорбент. Рабочее тело направляется на дальнейший перегрев пара в котлоагрегате и направляется в паровую турбину 2 для совершения полезной работы и выработки электрической энергии электрогенератором 5. Абсорбент (на фиг. не обозначен), имеющий большую температуру испарения, чем рабочее тело, направляется по контуру возврата абсорбента 7 («сильный раствор») через охладитель абсорбента 9 и расширительный клапан 10 в абсорбер 6. В охладителе абсорбента 9 снижается температура абсорбента, а в расширительном клапане 10 - давление абсорбента. После попадания «сильного раствора» в абсорбер 6 цикл замыкается. В зависимости от используемых пар «рабочее тело-абсорбент» охладитель абсорбента может использоваться, как сетевой подогреватель.
Отличительной особенностью предлагаемого способа работы энергетической системы, работающей по циклу Ренкина, является возможность использования в качестве рабочего тела не только водяного пара и в качестве абсорбента не только уже известных растворителей.
Возможно широкое варьирование пары «рабочее тело-абсорбент». В качестве рабочего тела могут использоваться аммиак, углекислый газ, прочие вещества. В качестве абсорбента могут выступать органические и минеральные растворители, бромистый литий (LiBr), хлорид лития (LiCl) или калий гидроксид (KОН), аммиак.
Представленный способ работы допускает различные параметры рабочего тела, то есть возможно его использование как в циклах крупных объектах генерации, так и в объектах малой энергетики.