СИСТЕМА ПРОИЗВОДСТВА ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОГО ТОПЛИВА НА ТЭЦ С ПАРОВЫМ КОТЛОМ
SYSTEM FOR THE PRODUCTION OF ENVIRONMENTALLY FRIENDLY FUEL AT TPP WITH A STEAM BOILER

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может найти применение на теплоэлектроцентралях (ТЭЦ) при их новом строительстве или техническом перевооружении на более энергетически эффективное оборудование.
ТЭЦ является источником тепловой энергии в централизованных системах теплоснабжения: в виде пара и горячей воды, в том числе для обеспечения горячего водоснабжения, отопления жилых и промышленных объектов. В качестве органического топлива для ТЭЦ используют газообразное (природный газ), жидкое и твердое топливо. ТЭЦ является также источником электроэнергии и, являясь источником комбинированной выработки электрической и тепловой энергии, имеет достаточно высокий коэффициент полезного действия - до 75%.
Широко известны принципы работы ТЭЦ, оборудованных паровыми котлами (https://altenergiya.ru/poleznye-stati/princip-raboty-i-tipy-tec-ustrojstvo-tes.html#h2_3). ТЭЦ, как и тепловые электростанции преобразуют тепловую энергию сжигаемого топлива. Но помимо электроэнергии теплоэлектроцентрали поставляют потребителям тепло. ТЭЦ особенно актуальны в холодных климатических зонах, где нужно обеспечить жилые дома и производственные здания теплом. На ТЭЦ часть выработанной тепловой энергии идет на производство электричества, а другая часть - на нагрев теплоносителя, который и поступает к потребителю.
Известны электростанции «Мосэнерго», на которых вырабатываются электроэнергия и тепло для Москвы и области (https://mosenergo.gazprom.ru/about/plantwork/). В качестве топлива на ТЭЦ «Мосэнерго» используется самое экологически чистое топливо - природный газ. Газ поступает по газопроводу в камеру сгорания парового котла и сгорает, нагревая воду. Также в камеру сгорания парового котла подается воздух, который служит окислителем в процессе сгорания газа. Образовавшиеся при горении топлива дымовые газы отводятся в дымовую трубу и рассеиваются в атмосфере. Раскаленный газ проходит по газоходу и нагревает воду, проходящую по специальным трубкам котла. При нагревании вода превращается в перегретый пар, который подается в теплофикационную паровую турбину, вырабатывая электрическую энергию для направления потребителю. Отработавший в теплофикационной паровой турбине пар направляется в конденсатор, где превращается в воду и возвращается в котел. Для охлаждения воды атмосферным воздухом на ТЭЦ используются градирни с водоуловителями.
Однако, основным недостатком известных ТЭЦ является недостаточная эффективность их работы из-за отсутствия утилизации теплоты дымовых газов, тепла масла газовой и паровой турбин, кроме этого, в процессе эксплуатации известных ТЭЦ не обеспечивается условий для выработки дополнительной электроэнергии, и, тем более, не обеспечивается возможность расширения области использования электроэнергии, вырабатываемой на известных ТЭЦ.
Решение задачи увеличения производства выработки электроэнергии на ТЭЦ, а также расширение области использования такой электроэнергии, позволит повысить эффективность работы ТЭЦ в целом.
Как вариант, дополнительно выработанную на ТЭЦ электроэнергию целесообразно направлять на производство экологически чистого топлива: в системы производства сжиженного природного газа (СПГ) и в системы производства водорода, устанавливаемые на территории ТЭЦ. СПГ признан ведущими странами мира одним из самых перспективных видов энергоносителей на обозримое будущее, а водород - самое энергоемкое и легкое вещество из всех видов топлива. В настоящее время перспектива перехода на водородную энергетику стала реальностью, поскольку решена одна из основных проблем с его хранением для дальнейшего использования в качестве автомобильного топлива. По расчетам специалистов, к 2050 году потребность в водороде увеличится в десятки раз и займет от 15 до 20% всего мирового рынка энергоресурсов.
Однако, и производство СПГ и производство водорода, например, методом электролиза, требуют больших энергозатрат, поэтому расположение таких производств экономически целесообразно у источников, где постоянно возникают достаточно большие излишки электроэнергии, как вариант, на ТЭЦ, топливом для которых служит природный газ, перепады давления которого возможно использовать для выработки дополнительной электроэнергии.
Целью изобретения является производство экологически чистого топлива: сжиженного природного газа и водорода при эксплуатации ТЭЦ, оборудованных паровыми котлами, повышение энергетической эффективности работы ТЭЦ, повышение эффективности работы ТЭЦ в целом путем обеспечения максимально полной утилизации тепла масла теплофикационной паровой турбины и остаточного тепла дымовых газов парового котла, а также конденсата от водоуловителей градирни.
Техническим результатом изобретения является разработка системы производства экологически чистого топлива: сжиженного природного газа и водорода при эксплуатации ТЭЦ, оборудованной паровым котлом, обеспечение выработки дополнительной электроэнергии, а также повышение эффективности работы ТЭЦ за счет обеспечения максимальной утилизации тепла масла теплофикационной паровой турбины, остаточного тепла дымовых газов парового котла, конденсата от водоуловителей градирни.
Поставленная цель и требуемый технический результат достигаются за счет того, что система производства экологически чистого топлива подключена к теплоэлектроцентрали, оборудованной паровым котлом, теплофикационной паровой турбиной и градирней в системе оборотного водоснабжения, и использующей в качестве топлива топливный газ, поступающий от газораспределительной станции. Система имеет в своем составе блок производства сжиженного природного газа, блок производства водорода методом электролиза, один, но не ограничиваясь этим, газомасляный теплообменник, один, но не ограничиваясь этим, детандер с электрогенератором и блок подготовки воды для фильтрации и очистки потока конденсата от водоуловителей градирни, направляемого в электролизер блока производства водорода. Газомасляный теплообменник и детандер соединены между собой последовательно и подсоединены на линии поступления топливного газа. Вход детандера подключен к выходу газомасляного теплообменника, на вход которого подается топливный газ от газораспределительной станции, а выход детандера соединен трубопроводами подвода, отвода топливного газа со входом камеры сгорания парового котла теплоэлектроцентрали. Электрогенератор детандера связан электрической связью с блоком производства сжиженного природного газа и с блоком производства водорода, а блок подготовки воды подключен к выходу водоуловителей градирни и соединен трубопроводами подвода, отвода потока конденсата с электролизером блока производства водорода. Газомасляный теплообменник подсоединен к системе маслообеспечения теплофикационной паровой турбины, а также к системе отвода дымовых газов парового котла. Поток топливного газа, поступающий от газораспределительной станции, перед поступлением в камеру сгорания парового котла, подается для нагрева на вход газомасляного теплообменника и далее направляется в детандер, а электроэнергия, вырабатываемая электрогенератором детандера, подается на вход блока производства сжиженного природного газа и на вход блока производства водорода. Поток конденсата от водоуловителей градирни системы оборотного водоснабжения после фильтрации и очистки в блоке подготовки воды направляется в электролизер системы производства водорода. В качестве греющего теплоносителя для нагрева топливного газа в газомасляном теплообменнике используется тепло масла теплофикационной паровой турбины и остаточное тепло дымовых газов парового котла.
При осуществлении изобретения, подключение и эксплуатация системы производства экологически чистого топлива: сжиженного природного газа и водорода на территории действующей ТЭЦ, оборудованной паровым котлом, позволяет, помимо получения экологически чистого топлива, повысить энергетическую эффективность работы ТЭЦ. Помимо этого, выработка дополнительной электроэнергии на ТЭЦ и обеспечение максимально полной утилизации тепла масла теплофикационной паровой турбины, остаточного тепла дымовых газов парового котла, конденсата от водоуловителей градирни способствуют повышению эффективности работы ТЭЦ в целом.
Настоящее изобретение и его преимущества будут более понятны путем ссылки на последующее описание и прилагаемый чертеж. На чертеже показана конструктивная схема системы производства экологически чистого топлива на ТЭЦ, оборудованной паровым котлом. Различные требуемые вспомогательные системы, такие как клапаны, сетевые подогреватели, системы регулирования, датчики исключены из чертежей в целях упрощения и ясности представления.
Система производства экологически чистого топлива на ТЭЦ с паровым котлом смонтирована и подключена на теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), оборудованной паровым котлом 3, теплофикационной паровой турбиной 6 и градирней 11 в системе оборотного водоснабжения. В качестве топлива на ТЭЦ используется топливный газ, поступающий от газораспределительной станции. Система имеет в своем составе блок производства сжиженного природного газа 12, блок производства водорода методом электролиза 13, один, но не ограничиваясь этим, газомасляный теплообменник 16, один, но не ограничиваясь этим, детандер 1 с электрогенератором 2 и блок подготовки воды 15 для фильтрации и очистки потока конденсата от водоуловителей градирни, направляемого в электролизер блока производства водорода 13.
В одном конкретном исполнении, в соответствии с прилагаемым чертежом, система производства экологически чистого топлива на ТЭЦ с паровым котлом работает следующим образом.
Поток топливного газа с давлением 1,2 МПа подается на ТЭЦ от газораспределительной станции. На линии подачи потока топливного газа установлены соединенные между собой последовательно газомасляный теплообменник 16 и детандер 1 с электрогенератором 2. Топливный газ нагревается до температуры плюс 60°С в газомасляном теплообменнике 16 и подается для расширения в детандер 1. Повышение входной температуры топливного газа перед детандером 1 обеспечивает надежную и эффективную работу детандера 1, а также исключает возможность переохлаждения топливного газа после детандера. Электрогенератор 2 детандера 1 вырабатывает электроэнергию, которая направляется в установленные на ТЭЦ и подключенные к оборудованию ТЭЦ систему производства сжиженного природного газа 12 и в систему производства водорода методом электролиза 13, для производства экологически чистого топлива.
Газомасляный теплообменник 16 подсоединен к системе маслообеспечения теплофикационной паровой турбины 6, а также к системе отвода дымовых газов парового котла 3 ТЭЦ, и в качестве греющего теплоносителя для нагрева топливного газа в газомасляном теплообменнике 16 используется тепло масла теплофикационной паровой турбины 6 и остаточное тепло дымовых газов парового котла 3. При необходимости, в системе могут быть дополнительно подключены детандеры с электрогенераторами и газомасляные теплообменники для нагрева топливного газа.
На выходе из детандера 1 поток топливного газа с температурой до плюс 40°С и давлением до 0,9 МПа подается в камеру сгорания 4 парового котла 3, туда же посредством компрессора 14 подается воздух. В паровом котле 3 установлен теплообменник (змеевик) 5, в котором вода испаряется за счет нагрева теплом выхлопных газов камеры сгорания 4. Выработанный паровым котлом 3 пар подается для расширения и совершения работы в теплофикационную паровую турбину 6, после чего конденсируется в конденсаторе 9. Генератор 7 теплофикационной паровой турбины 6 вырабатывает электроэнергию для нужд ТЭЦ. Из конденсатора 9 конденсат откачивается конденсационным насосом 8, пропускается через подогреватели и деаэратор (на чертеже не показаны). Здесь конденсат нагревается паром до температуры насыщения, при этом из него выделяется и удаляется в атмосферу кислород и углекислота для предотвращения коррозии оборудования. Деаэрированная вода насосом подается в паровой котел 3. Нагнетательный насос 10 обеспечивает циркуляцию оборотной воды в системе оборотного водоснабжения. Также, в системе оборотного водоснабжения используется градирня 11. Одной из ключевых проблем эксплуатации градирен является капельный унос. Поскольку в градирне потоки воздуха и струи воды двигаются навстречу друг другу, то потоки воздуха захватывают капли воды, создавая проблему уноса воды из градирни. Для решения этой проблемы используются водоуловители (на чертеже не показаны). От водоуловителей градирни 11 отводится поток конденсата, фильтруется и очищается в блоке подготовки воды 15, затем направляется в электролизер (на чертеже не показан) системы производства водорода 13.
Такая компоновка системы производства экологически чистого топлива, ее установка и подсоединение к теплоэлектроцентали, оборудованной паровым котлом, позволяет получить экологически чистое топливо: сжиженный природный газ и водород методом электролиза, позволяет организовать выработку дополнительной электроэнергии, повысив тем самым энергетическую эффективность работы ТЭЦ, позволяет существенно повысить эффективность работы ТЭЦ в целом за счет обеспечения максимально полной утилизации тепла, получаемого на ТЭЦ при производственных процессах, с одновременным направлением этого тепла для функционирования системы производства экологически чистого топлива.