КОМБИНИРОВАННАЯ ТЕПЛО- И ЭЛЕКТРОГЕНЕРИРУЮЩАЯ ЭНЕРГОУСТАНОВКА

Полезная модель относится к теплоэнергетике, и может быть использована в качестве источника распределенной электрогенерации в системе городских водогрейных котельных, квартальных и районных тепловых станциях (КТС и РТС) и других источниках теплоты, содержащих котловое хозяйство.
Известна электрогенерирующая энергоустановка (Патент США - US Patent 6,981,377 B2 Jan. 3, 2006) содержащая теплообменник-парогенератор органического низкокипящего рабочего тела (НКРТ), паровую турбину, электрогенератор, конденсатор и питательный насос. Установка работает по циклу Ренкина и производит электроэнергию из теплоты минерального масла (240 F или 115°C), которое охлаждается в ней до температуры 220 F (или 105°C), что отмечено на тепловой схеме энергоустановки.
Недостатком энергоустановки является низкий температурный перепад по греющей среде: Δt=115-105=10°C, что не позволяет говорить о высокой эффективности аналога. Кроме того, она не может быть использована в качестве альтернативы РТС.
Наиболее близким аналогом по технической сущности и достигаемому эффекту, а именно, к производству электроэнергии из теплоты сетевой воды, является комбинированная тепло- и электроснабжающая установка, содержащая водогрейный котел районной тепловой станции (РТС), подключенный к контуру сетевой воды, включающему тракт первичной горячей сетевой воды, связанный с тепловыми потребителями, и тракт обратной сетевой воды, связанный с сетевым насосом (насосами) и энергоустановки, турбину, электрогенератор, конденсатор, парогенератор, питательный насос, объединенных в контур с низкокипящим рабочим телом (Патент на изобретение Р.Ф. №2300636, опубл. от 10.06.2007).
К недостаткам описанной конструкции прототипа следует отнести невысокую эффективность преобразования энергии, что связано с невысоким температурным перепадом между трактом первичной сетевой воды и обратной сетевой воды. В период межсезонья (весна или осень) использование ее для целей электроснабжения котельной городской станции вообще проблематично. Кроме того, использование прямой магистрали у прототипа не отвечает интересам потребителя, поскольку температура прямой воды за счет последовательного включения установки снижается, а это приводит к снижению температуры на абонентском вводе потребителя.
Недостатком прототипа является сильная зависимость водогрейного котла РТС от нагрузки потребителя, что приводит у уменьшению выработки электроэнергии при уменьшении тепловой нагрузки.
Другим недостатком прототипа является отсутствие экономайзера перед котлом, что сказывается на общей тепловой эффективности РТС. Отсутствие экономайзера не позволяет получить нужную температуру воды, например, для системы химводоочистки (ХВО), так как исходная сырая вода имеет в зимний период температуру всего +5°C.
Техническим результатом, на достижение которого направлена настоящая полезная модель, является повышение КПД энергоустановки, как в электрической, так и тепловой части, а также повышение ее общей энергетической эффективности и срока службы оборудования и повышение надежности эксплуатации РТС, либо иного источника теплоты, содержащего котловое хозяйство.
Технический результат достигается тем, что комбинированная тепло- и электрогенерирующая энергоустановка, состоящая из водогрейного котла районной тепловой станции (РТС), подключенного к контуру сетевой воды, включающему тракт первичной горячей сетевой воды, связанный с тепловыми потребителями, и тракт обратной сетевой воды, связанный с насосом (насосами) сетевой воды и к контуру с низкокипящим рабочим телом (НКРТ), включающему энергоустановку, турбину, электрогенератор, конденсатор, парогенератор, питательный насос, дополнительно снабжена, по крайней мере, одним водогрейным котлом, который подключен параллельно водогрейному котлу РТС, соединен с тепловыми потребителями контура сетевой воды и подключен к тракту обратной сетевой воды через управляемый автоматический регулятор, соединенный с конденсатором, а конденсатор размещен в тракте обратной сетевой воды, при этом в контуре низкокипящего рабочего тела размещен экономайзер, причем выход экономайзера по рабочему телу присоединен ко входу парогенератора, по типу НКРТ - вода, а вход к выходу конденсатора НКРТ. Водогрейный котел РТС выполнен пиковым, с увеличенным ресурсом прочности и жаростойкости.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема комбинированной тепло- и электрогенерирующей энергоустановки.
o.c.
На фиг. 2 приведен температурный график (температура воды в трубопроводах - как функция температуры окружающей среды, t.), иллюстрирующий механизм повышения КПД новой энергоустановки.
Комбинированная тепло- и электрогенерирующая энергоустановка содержит пиковый водогрейный котел 1 районной тепловой станции (РТС), подключенный к контуру сетевой воды, включающему тракт 2 первичной горячей сетевой воды, связанный с тепловыми потребителями 3, и тракт 4 обратной сетевой воды, связанный с насосом (насосами) 5 сетевой воды. Система снабжена энергоустановкой на низкокипящем рабочем теле (НКРТ), включающей парогенератор 6, турбину 7 с электрогенератором 8, питательный насос 9 и конденсатор-подогреватель 10, размещаемые в пределах площадки РТС. Парогенератор 6 через запорно-регулирующие задвижки 11, 12, 13 подключен к тракту 2 первичной горячей сетевой воды, а конденсатор-подогреватель 10 подключен к выходу сетевого насоса 5 тракта обратной сетевой воды 4, поступающей в РТС после использования ее потребителями 3. Управляемые автоматические регуляторы расхода сетевой воды 14 подключены ко входу пикового котла 1 и дополнительного (дополнительных) водогрейных котлов 15, включенных параллельно в общий коллектор РТС. Водяной экономайзер 16 подключен в контуре НКРТ между входом питательного насоса 9 и выходом конденсатора-подогревателя 10.
Работа комбинированной тепло- и электрогенерирующей энергоустановки осуществляется следующим образом.
пик.
1
1
Σ
1
2
Горячая вода с температурой Т из пикового водогрейного котла 1 поступает в парогенератор 6 низкокипящего рабочего тела при открытых задвижках 11 и 13 и закрытой задвижке 12. Регулировка массового расхода сетевой воды G через котел 1 осуществляется по заданному режиму работы с помощью автоматического регулятора расхода 14. Это позволяет поддерживать постоянным расход G=const, что обеспечивает стабильность работы турбины вне зависимости от тепловой нагрузки. В парогенераторе 6 осуществляется частичный отбор теплоты от перегретой сетевой воды на генерацию пара из жидкой фазы НКРТ. После частичного охлаждения в парогенераторе 6 сетевая вода смешивается с водой, поступающей в тракт первичной воды 2 из других водогрейных котлов 15, подключенных параллельно, и далее направляется к потребителям 3. Общий расход G горячей сетевой воды и ее температура T на выходе из РТС выравниваются с помощью регуляторов расхода 14 в зависимости от сезонного графика тепловой нагрузки района. После потребителя 3, использованная вода с температурой T по тракту обратной сетевой воды 4, поступает на всас сетевого насоса 5, расположенного на площадке РТС, а с выхода сетевого насоса - в конденсатор-подогреватель 10.
Насыщенный пар НКРТ поступает на паровую турбину 7, где расширяясь, производит полезную работу. Турбина 7 снабжена электрогенератором 8, вырабатывающим электроэнергию для покрытия собственных нужд РТС и сторонних потребителей. После выхода с конечной ступени турбины 7 отработанный пар НКРТ поступает в конденсатор-подогреватель 10, где превращается в жидкость при заданной температуре. Скрытая теплота парообразования при смене фазы рабочего тела передается обратной сетевой воде, которая подогревается на несколько градусов. Таким образом, вся полезная сбросная теплота НКРТ после турбины используется для подогрева обратной сетевой воды на входе в котлы 1, 15, что улучшает общую эффективность РТС и экономит топливо.
Дополнительная экономичность энергоустановки обеспечивается за счет экономайзера 16, в котором осуществляется подогрев сырой воды, идущей на различные системы РТС (подпитку тепловой сети, систему ХВО, производственные нужды и пр.).
пик
у
Так как пиковый котел 1 работает все время в стационарном режиме с температурой воды на выходе T., то разность температур между прямой и обратной сетевой водой Δt будет всегда выше, чем у прототипа, фиг. 2.
1
о.с
н.к.
1
2
н.о.
1
2
зимн.
н.к
летн.
Действительно, в межсезонье, согласно графику регулирования тепловой нагрузки РТС, фиг. 2, температура воды T в подающем трубопроводе 2 снижается, так как повышается температура окружающей среды (атмосферы) t. В точке окончания отопительного сезона t разница между температурой в прямом и обратном трубопроводах Δt=T-T не превышает единиц градусов (см. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети, М.: МЭИ, 2001 г.). Например, для г. Москвы при расчетной зимней климатической температуре t=-26°C, разность температур воды T и T в трубопроводах РТС зимой составит: Δt=130-70=60°C. По окончании отопительного сезона, при температуре окружающей среды t.=+8°C, эта величина составит всего: Δt=65-58=7°С.
пик.
1
у
зимн
летн
уст.
2
1
1
2
уст
у
летн
Очевидно, что всегда пиковая температура T>T, поэтому выполняется неравенство Δt>Δt.>Δt. Значит, энергоустановка, выполненная по тепловой схеме прототипа, в конце и начале отопительного периода (в межсезонье) будет обладать очень низким КПД, так как всегда согласно второму началу термодинамики, η≤1-T-T. Таким образом, в конце отопительного сезона при разности температур Δt=T-T→0, КПД энергоустановки также устремится к нулю, η→0. В отличие от прототипа, у предлагаемой новой энергоустановки всегда Δt>>Δt, что позволяет эксплуатировать ее не только зимой, но и летом. Это обеспечивается тем, что водогрейный котел 1 выполнен пиковым, с увеличенным ресурсом по прочности и жаростойкости. Для обеспечения работы конденсатора 10 отопительная нагрузка в летний период замещается на нагрузку бытового горячего водоснабжения (ГВС).
oi
Работа пикового котла 1 в стационарном режиме, кроме очевидных экономических преимуществ (повышение КПД энергоустановки, снижение расхода топлива) несет в себе и технические преимущества: турбина 7 работает также в стационарном режиме, (в отличие от схемы с переменной нагрузкой). Это позволяет продлить ресурс турбины и проектировать ее с максимально высоким внутренним относительным КПД η.
б.о
отк.
отк.
m
Параллельное устройство водогрейных котлов увеличивает надежность энергоустановки в целом, так как согласно теории надежности, безотказность работы устройства при параллельном резервировании определяется по формуле: P.=1-(P); где P - вероятность отказа устройства, m - число резервных устройств.