Устройство с паровой турбиной и конденсатором и способ его работы - RU2468214C2

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение относится к устройству, по меньшей мере, с одной паровой турбиной и одним конденсатором. Кроме того, изобретение относится к способу работы устройства согласно изобретению.

В связи с повышенным общественным вниманием к охране окружающей среды потребление энергии с низким коэффициентом полезного действия подвергается все большей критике. Объектом критики является устаревшая технология выработки энергии, в связи с увеличением в атмосфере концентрации углекислого газа, который, как полагают, вызывает парниковый эффект. Поэтому планируется применять штрафные санкции к производителям углекислого газа и выдавать так называемые, сертификаты на выброс CO₂. В результате этой политики повышается экономический интерес к технологии, позволяющей вырабатывать энергию с низким выбросом парниковых газов. Еще более строгие меры принимаются в отношении выброса нитрооксидов, которые, как полагают, наносят окружающей среде значительно более серьезный ущерб.

В этом контексте эффективность комбинированного производства тепловой и электрической энергии, в частности коэффициент полезного действия устройства с паровой турбиной и конденсатором, представляет существенный интерес, поскольку это устройство является одним из самых эффективных устройств для производства энергии из тепла, являющегося, большей частью побочным продуктом процесса более высокого уровня. Весьма важно, чтобы комбинированное производство тепловой и электрической энергии хорошо приспосабливалось к термодинамическим граничным условиям, чтобы постоянно достигался наивысший возможный коэффициент полезного действия.

Одним из примеров экологически благоприятного комбинированного производства тепловой и электрической энергии является генерирование энергии и тепла с использованием кислородного газового топлива. Очищенный кислород смешивают с топливом, в частности с метаном, и сжигают под давлением приблизительно 30 бар в атмосфере отработанного газа, подаваемого обратно для получения высокой концентрации углекислого газа, который впоследствии очищают и сжижают. Этот весьма специфический процесс имеет несколько ограничений, в связи с чем отработанное тепло имеет весьма специфические термодинамические параметры, которые затрудняют создание достаточно эффективного комбинированного производства тепловой и электрической энергии с применением паровой турбины.

В US 6047549 B1 описано устройство электростанции, объединяющей газовую турбину с котлом-утилизатором отработанных газов при поточном соединении с конденсационной паровой турбиной. В указанном устройстве газовая турбина, котел-утилизатор отработанных газов и паровая турбина приспособлены друг к другу, в результате чего достигается коэффициент полезного действия до 58%. Термин «отработанное» фактически не может применяться к теплу отработанного газа газовой турбины, так как газовая турбина первоначально была сконструирована для подачи этого тепла к котлу, производящему пар для паровой турбины. На настоящий момент отсутствует известная концепция использования отработанного тепла и отсутствуют надлежащие условия, позволяющие паровой турбине работать с высоким коэффициентом полезного действия.

В связи с этим, задачей изобретения является разработка устройства с паровой турбиной и конденсатором, имеющего высокий коэффициент полезного действия даже при условиях отработанного тепла, неподходящих для производства пара при применении отработанного тепла.

Дополнительной задачей изобретения является увеличение гибкости комбинированного производства тепловой и электрической энергии при использовании паровой турбины и конденсатора и повышение коэффициента полезного действия даже при неподходящих термодинамических параметрах отработанного тепла.

Эта задача решается посредством устройства, первоначально упомянутого типа, с регенеративным охладителем, установленным в потоке пара между паровой турбиной и конденсатором, благодаря которому пар, находящийся в паровой турбине, охлаждается до входа в конденсатор, в результате чего поток питательной воды нагревается.

Это устройство позволяет решить проблему негибкости работы паровой турбины применительно к термодинамическим условиям при использовании перегретого отработанного пара паровой турбины, который отдает излишек энергии во время теплообмена в регенеративном охладителе, возвращающем эту тепловую энергию к началу теплового цикла. Дополнительное преимущество устройства согласно изобретению состоит в том, что набор лопаток паровой турбины не подвергается воздействию влажного пара, который обычно вызывает эрозионное повреждение лопаток. Также дополнительное преимущество объекта изобретения состоит в том, что конденсатор, благодаря регенеративному охладителю не подвергается воздействию перегретого пара, в связи с чем не требуется повышение прочности конденсатора, чтобы он мог противостоять высокой энергии и повышенной температуре. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения предлагается без каких-либо потерь, связанных с энтальпией смешивания, направлять весь массовый поток пара, выходящего из паровой турбины в регенеративный охладитель. При достаточном объеме регенеративного охладителя падение давления становится допустимым, и устройство может работать в широком диапазоне тепловых режимов. Гибкость работы устройства согласно изобретению повышается, когда параллельно регенеративному охладителю установлен, по меньшей мере, один байпасс для потока питательной воды, чтобы питательная вода могла байпассировать регенеративный охладитель и не участвовать в обмене энергией между питательной водой и паром, выходящим из паровой турбины. Рабочий диапазон устройства при высоком коэффициенте полезного действия расширяется, если, по меньшей мере, один клапан установлен на пересечении линии байпасса и входящего в регенеративный охладитель потока питательной воды, посредством которого, т.е. клапана, может регулироваться соотношение потока питательной воды, входящего в регенеративный охладитель, и потока питательной воды, байпассирующего регенеративный охладитель. Эту регулировку можно осуществлять автоматически посредством блока управления, который сконструирован таким образом, чтобы соотношение потока питательной воды, входящего в регенеративный охладитель, и потока, байпассирующего регенеративный охладитель, регулировалось в зависимости от температуры пара на выходе из указанной паровой турбины и на входе в конденсатор. Благодаря этой регулировке устройство, включающее паровую турбину, конденсатор, охладитель и клапан, который регулирует соотношение байпассного потока и потока питательной воды, проходящего через охладитель, более или менее адаптируется автоматически к изменению подводимой отработанной энергии и поддерживается высокий коэффициент полезного действия.

В устройстве согласно изобретению может использоваться преимущество котла, с помощью которого нагреваемая питательная вода, соответственно, перегревается до входа в паровую турбину, причем котел разработан таким образом, чтобы его нагрев производился при сгорании смеси кислорода и топлива, в частности смеси кислорода и гидрокарбоната. При сгорании этой смеси, которую также называют кислородным газовым топливом, совместно с возвращаемым отработанным газом вырабатывается смесь, содержащая 85% воды и 15% углекислого газа. Процесс, связанный с «кислородным газовым топливом», накладывает строгие ограничения на термодинамический цикл паровой турбины, позволяющие эффективно применять устройство.

Изобретение относится не только к устройству с паровой турбиной, конденсатором и регенеративным охладителем, установленным между ними, но также и к способу работы этого устройства.

Вышеупомянутые признаки, другие особенности и преимущества настоящего изобретения и способы их достижения станут более очевидны и само изобретение будет лучше понятно из следующего описания вариантов осуществления изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 - технологическая схема электростанции, работающей на кислородном газовом топливе, содержащей устройство согласно изобретению.

Фиг.2 - технологическая схема обычной паротурбинной электростанции, содержащей устройство согласно изобретению.

На фиг.1 представлена блок-схема устройства 1 согласно изобретению, внедренного в оборудование электростанции 2. Оборудование 2 электростанции потребляет воздух А и топливо F и производит углекислый газ CO₂ и электричество U.

На схеме при рассмотрении с левой верхней части видно, что воздух А входит в устройство воздушной сепарации AS, которое отделяет азот N₂ от кислорода O₂, потребляя электроэнергию P. Кислород O₂ смешивается с CO₂ в смесительной камере MC и входит в камеру смешивания топлива FMC, где смесь O₂ и CO₂ смешивается с топливом F, которое, предпочтительно, состоит из метана CH₄. Азот N₂, который был отделен от воздуха, подвергается сжатию и сжижению, что на схеме не показано.

Смесь FMC топлива F, кислорода O₂ и углекислого газа CO₂ сжигают в котле B под давлением 4,5 бар. Отработанный газ EG в процессе горения на начальном этапе теряет крупные частицы золы и в следующем сепарационном модуле SM отделяются более мелкие частицы золы. После отделения золы в сепарационном модуле SM часть отработанного газа EG, который является главным образом CO₂, возвращается в смесительную камеру МС, где смешивается с кислородом O₂. Другая часть отработанного газа EG, соответственно CO₂, подается в холодильный модуль и конденсационный модуль CC, где вода H₂O и тепло h отводятся. В следующем сепараторе SS удаляется S, и оставшийся отработанной газ EG, соответственно, очищенный CO₂, далее подается в холодильник C, где снова тепло h и вода H₂O отводятся. В конечном счете чистый CO₂ сжимается компрессором CO, потребляющим энергию E. Сжатый и, предпочтительно, сжиженный CO₂, направляется в безопасную систему хранения, например накачивается в подгорную полость.

Котел B нагревает питательную воду FW и производит перегретый пар SST за счет горения смеси FMC. Питательная вода FW подается к котлу B под давлением приблизительно 5,5 бар с температурой 100°C и перегретый пар SST поставляется котлом под давлением приблизительно 5,4 бар с температурой 540°C. Перегретый пар SST входит в паровую турбину STG, которая приводит в действие генератор G, вырабатывающий электроэнергию U. Перегретый пар SST после выхода из паровой турбины STG имеет давление 0,06 бар и температуру 150°C, в связи с чем, все еще является перегретым. Описание паровой турбины STG чрезвычайно упрощено и в большинстве случаев турбина может включать более одной турбинной камеры, работающей при различном входном и выходном давлении и различных температурах пара. В большинстве случаев конструкция котла также может быть намного сложнее и может включать несколько соединений с паровой турбиной STG, например для повторного нагрева, в частности промежуточного пароперегрева.

Согласно изобретению перегретый отработанный пар SES, выходящий из паровой турбины STG, входит в регенеративный охладитель REDE.

После выхода из регенеративного охладителя REDE перегретый пар SES становится влажным паром WS под давлением приблизительно 0,06 бар и с температурой 88°C. Входя в конденсатор CON, который охлаждается хладагентом COL, например водой, влажный пар конденсируется в питательную воду FW. Питательная вода подается насосом FWP для подачи воды и после прохода через эжекционный конденсатор ЕС доставляется к регенеративному охладителю под давлением приблизительно 6 бар и с температурой приблизительно 30°C. В регенеративном охладителе REDE питательная вода FW нагревается и подается к котлу В.

Весь массовый поток перегретого отработанного пара SES проходит через регенеративный охладитель REDE и обменивается энергией с питательной водой FW или, по меньшей мере, с частью потока питательной воды FW. Поток питательной воды разделяется на первый поток FW1, получающий тепловую энергию от перегретого отработанного пара SES, и второй поток FW2, байпассирующий внутренний теплообменник ЕХ регенеративного охладителя REDE. Разделение осуществляется клапанным механизмом VA, который регулирует массовый поток питательной воды FW, направляя часть потока через байпасс BY, байпассирующий линию EXL теплообмена. Перед входом в котел B потоки питательной воды FW1, FW2 снова смешиваются. Клапанный механизм VA и разделение потока питательной воды регулируется блоком управления CU, который регулирует положение клапанов клапанного механизма VA в зависимости от температуры перегретого отработанного пара SES перед регенеративным охладителем REDE и, соответственно, влажного пара WS позади регенеративного охладителя REDE. Кроме того, блок управления CU регулирует положение выпускного клапана BOV, особенно во время процесса запуска устройства.

На фиг.2 представлена технологическая схема обычной паротурбинной электростанции, содержащей устройство согласно изобретению. Устройство согласно изобретению является тем же самым, которое представлено на фиг.1, и на чертеже заключено в рамку, выполненную пунктирной линией X. В этом варианте осуществления изобретения паровая турбина STG содержит две турбинные камеры IP и LP, причем среднее давление в первой турбинной камере IP выше, чем во второй турбинной камере LP. Пар SES, выходящий из второй турбинной камеры LP, является перегретым. На фиг.2 показан котел B более сложной конструкции, чем на фиг 1, хотя его изображение также упрощено.

Воздух A и топливо F подаются в котел B и сгорают в нескольких отсеках от ST1 до ST6, генерируя тепло и отработанный газ CO₂, содержащий также дополнительные химические компоненты, которые в большинстве случаев являются нежелательными, например кислоты. В котле B происходит снижение температуры от самой высокой в первом отсеке ST1 до самой низкой в шестом отсеке ST6. Шестой отсек ST6 действует как предварительный нагреватель питательной воды FW, а четвертый отсек ST4 и пятый отсек ST5 действуют как парогенераторы, в которых испаряется предварительно нагретая питательная вода FW. Питательная вода FW превращается в пар, который входит в первый отсек ST1 и перегревается до наивысшей, достижимой температуры и впоследствии подается в первую турбинную камеру IP. После превращения в первой турбинной камере IP тепловой энергии в механическую энергию отработанный пар IPS входит во второй отсек ST2 котла B, где повторно нагревается. Повторно нагретый пар REST, полученный в результате, имеет давление приблизительно 426 бар и температуру приблизительно от 500 до 560°C. Повторно нагретый пар REST в перегретом состоянии входит во вторую турбинную камеру LP и расширяется, производя механическую энергию, которая преобразуется генератором G в электроэнергию U. Пар, выходящий из второй турбинной камеры LP, является перегретым отработанным паром SES и входит в регенеративный охладитель REDE, как описывалось ранее.

Как дополнение к варианту осуществления изобретения, представленному на фиг.1, на фиг.2 показано, что питательная вода FW покидает регенеративный охладитель REDE с температурой приблизительно от 70 до 90°C и входит в дегазатор DEAE, где питательная вода FW дегазируется, очищаясь, соответственно, от посторонних газов. Газ выделяется при нагреве питательной воды паром из пятого отсека ST5.

Настоящее изобретение описано на основе предпочтительной конструкции устройства, однако в него могут быть внесены изменения в пределах существа и объема настоящего изобретения. Эта заявка охватывает любые изменения, варианты использования или заимствования изобретения на основе его общих принципов. Кроме того, эта заявка охватывает отклонения от настоящего описания, которые включают в себя известную или пользовательскую практику в области техники, к которой относится настоящее изобретение.

Реферат

Изобретение относится к энергетике. Предложен регенеративный охладитель, установленный в потоке пара между паровой турбиной и конденсатором, посредством которого пар, выходящий из паровой турбины, охлаждается до входа в конденсатор и посредством которого нагревается поток питательной воды. Параллельно регенеративному охладителю установлен, по меньшей мере, один байпасс для потока питательной воды таким образом, чтобы питательная вода могла байпассировать теплообменник регенеративного охладителя и не участвовала в обмене энергией между питательной водой и паром, выходящим из паровой турбины, и, по меньшей мере, один клапан установлен на пересечении линии байпасса и потока питательной воды, входящего в регенеративный охладитель, при этом посредством клапана может регулироваться соотношение между потоком питательной воды, входящим в регенеративный охладитель и потоком питательной воды, байпассирующим регенеративный охладитель. Изобретение позволяет повысить коэффициент полезного действия даже при неподходящих термодинамических параметрах отработанного тепла. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

Формула