СИСТЕМА ПРОИЗВОДСТВА ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОГО ТОПЛИВА НА ТЭЦ С ПАРОГАЗОВОЙ УСТАНОВКОЙ
SYSTEM FOR PRODUCTION OF ENVIRONMENTALLY FRIENDLY FUEL AT TPP WITH COMBINED CYCLE GAS TURBINE UNIT

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%.
Общеизвестны и нашли широкое использование ТЭЦ, оборудованные парогазовыми установками.
Известна тепловая электрическая станция «Проектирование энергоблока ПТУ-190/220 для Тюменской ТЭЦ-1», В.И. Нишневич, Г.Б. Словиковский, Электрические станции. 2005. №6. с. 9-16, имеющая в своем составе газотурбинную установку, теплофикационную паровую турбину, котел-утилизатор, газоводоподогреватели. При работе известной тепловой электрической станции уходящие газы газотурбинной установки применяются в качестве окислителя для сжигания топлива в топке котла, при этом получают перегретый пар с давлением 13,8 МПа и температурой перегрева 560°С. Перегретый пар направляется в теплофикационную паровую турбину, с двумя теплофикационными отборами пара, имеющими различные пределы регулирования давления. Регенеративный подогрев основного конденсата проводится последовательно: в охладителе пара основных эжекторов, в охладителе пара концевых уплотнений, в подогревателе сетевой воды и газоводоподогревателе низкого давления. Дымовые газы после котла выбрасываются в атмосферу через существующую дымовую трубу. В известной тепловой электрической станции предусмотрен отвод избыточной теплоты и передача ее сетевой воде посредством промежуточного контура циркуляции конденсата.
Известна парогазовая установка с котлом-утилизатором «Комбинированные установки с газовыми турбинами», Л.В. Арсеньев и др., Машиностроение, 1982, рис. 11.1 а, 6, в, в которой уходящие газы газотурбинной установки подаются в котел-утилизатор, а выработанный котлом-утилизатором пар затем направляется для расширения и совершения работы в паровую турбину. Отработанный пар после паровой турбины подается в конденсатор, конденсат из конденсатора конденсатным насосом перекачивается в котел-утилизатор, уходящие газы после котла-утилизатора охлаждаются конденсатом в газоводяном подогревателе. Использование известной парогазовой установки с котлом-утилизатором позволяет снизить температуру уходящих газов и повысить коэффициент полезного действия.
Однако основным недостатком известных ТЭЦ является недостаточная эффективность их работы из-за полного отсутствия или недостаточной 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 организация производства экологически чистого топлива: сжиженного природного газа и водорода на территории и при эксплуатации ТЭЦ, оборудованных парогазовыми установками, повышение энергетической эффективности работы ТЭЦ, повышение эффективности работы ТЭЦ в целом путем обеспечения полной утилизации тепла масла газовой турбины, тепла масла теплофикационной паровой турбины, остаточного тепла дымовых газов котла-утилизатора, конденсата от водоуловителей градирни.
Техническим результатом изобретения является разработка системы производства экологически чистого топлива: сжиженного природного газа и водорода при эксплуатации ТЭЦ, оборудованной парогазовой установкой, обеспечение выработки дополнительной электроэнергии, а также обеспечение утилизации тепла масла газовой турбины, теплофикационной паровой турбины, остаточного тепла дымовых газов котла-утилизатора, конденсата от водоуловителей градирни.
Поставленная цель и требуемый технический результат достигаются за счет того, что система производства экологически чистого топлива подключена к теплоэлектроцентрали, оборудованной парогазовой установкой с камерой сгорания и газовой турбиной, котлом-утилизатором, 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, два, но не ограничиваясь этим, газомасляных теплообменника, 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. Газомасляные теплообменники и детандер соединены между собой последовательно и подсоединены на линии поступления топливного газа. Вход детандера подключен к выходу первого газомасляного теплообменника, на вход которого подается топливный газ от газораспределительной станции, а выход детандера соединен трубопроводами подвода, отвода топливного газа со входом второго газомасляного теплообменника, выход которого подсоединен ко входу камеры сгорания парогазовой установки 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. Оба газомасляных теплообменника подсоединены к системам маслообеспечения газовой и теплофикационной паровой турбин, а также к системе отвода дымовых газов котла-утилизатора теплоэлектроцентрали. Поток топливного газа, поступающий от газораспределительной станции, перед поступлением в камеру сгорания парогазовой установки, подается для нагрева на вход первого газомасляного теплообменника и далее направляется последовательно через детандер и второй газомасляный теплообменник, 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 подается в электролизер системы производства водорода. В качестве греющего теплоносителя для нагрева топливного газа в обоих газомасляных теплообменниках используется тепло масла газовой турбины, тепло масла теплофикационной паровой турбины и остаточное тепло дымовых газов котла-утилизатора.
При осуществлении изобретения, подключение и эксплуатация системы производства экологически чистого топлива: сжиженного природного газа и водорода на территории действующей ТЭЦ, оборудованной парогазовой установкой, 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 газовой турбины, теплофикационной паровой турбины, остаточного тепла дымовых газов котла-утилизатора, 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 парогазовой установкой. 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 парогазовой установкой смонтирована и подключена на теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), оборудованной парогазовой установкой с камерой сгорания 4 и газовой турбиной 17, котлом-утилизатором 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, два, но не ограничиваясь этим, газомасляных теплообменника 16 и 19, 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 парогазовой установкой 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 первый газомасляный теплообменник 16, детандер 1 с электрогенератором 2 и второй газомасляный теплообменник 19. Топливный газ нагревается до температуры плюс 60°С в первом 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. На выходе из детандера 1 поток топливного газа с температурой до плюс 40°С и давлением до 0,9 МПа направляется во второй газомасляный теплообменник 19, в котором, с целью повышения КПД газотурбинной установки, он нагревается до температуры плюс 100°С.
Оба газомасляных теплообменника 16 и 19 подсоединены к системам маслообеспечения газовой турбины 17 и теплофикационной паровой турбины 6, а также к системе отвода дымовых газов котла-утилизатора 3 ТЭЦ, и в качестве греющего теплоносителя для нагрева топливного газа в обоих газомасляных теплообменниках 16 и 19 используется тепло масла газовой турбины 17, тепло масла теплофикационной паровой турбины 6 и остаточное тепло дымовых газов котла-утилизатора 3. При необходимости, в системе могут быть дополнительно подключены детандеры с электрогенераторами и газомасляные теплообменники для нагрева топливного газа.
Подогретый во втором газомасляном теплообменнике 19 поток топливного газа подается в камеру сгорания 4, туда же посредством компрессора 14 подается воздух. Уходящие газы после газовой турбины 17 газотурбинной установки направляются в котел-утилизатор 3, а выработанная генератором 18 газовой турбины электроэнергия направляется на обеспечение нужд ТЭЦ. В котле-утилизаторе 3 установлен теплообменник (змеевик) 5, в котором вода испаряется за счет нагрева теплом выхлопных газов. Выработанный котлом-утилизатором 3 пар подается для расширения и совершения работы в теплофикационную паровую турбину 6, после этого пар 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 котел-утилизатор 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 теплоэлектроцентрали, оборудованной парогазовой установкой, 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.