Способ работы тепловой электрической станции и устройство для его реализации

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть применено на тепловых электростанциях с паротурбинным циклом Ренкина, например на конденсационных электростанциях - КЭС, на парогазовых электростанциях - ПГУ, использующих топливо - традиционный природный газ. Применение предлагаемого способа позволяет достичь поставленной технической задачи в повышении эффективности и надежности электростанции, так как при любых режимах, в том числе нормальных и аварийных, в энергосистеме собственные нужды и подогрев сетевой воды всегда энергообеспечены. Технический результат заключается в увеличении выдачи электроэнергии в энергосистему на величину потребления собственных нужд и за счет повышения термического КПД станции. Достигается это тем, что в способе работы тепловой электрической станции с собственными нуждами, по которому сетевую воду, поступающую от потребителей через теплообменник, нагревают в сетевых подогревателях от отборов рабочей среды турбины, электрическую станцию снабжают энергоустановкой на топливных элементах для питания собственных нужд, снижают отборы рабочей среды турбины на сетевые подогреватели и пропорционально, перед нагревом сетевой воды в сетевых подогревателях, повышают ее температуру в теплообменнике, в котором по греющей среде используют продукты реакций в энергоустановке на топливных элементах. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к способам работы тепловой электрической станции, и может быть использовано на тепловых электрических станциях.

Аналогом заявляемого способа является способ работы тепловой электрической станции (см. патент №2269013, МПК F01K 17/02, опуб. 27.01.2006 г.), по которому сетевую воду, поступающую от потребителей, подают в испаритель теплонасосной установки в качестве низкопотенциального источника теплоты, нагревают в конденсаторе теплонасосной установки и в сетевых подогревателях теплофикационных турбин. Подогрев всего потока сетевой воды в конденсаторе теплонасосной установки производят после нагрева воды в сетевых подогревателях теплофикационных турбин.

Недостатком данного способа является значительный расход электрической энергии.

Прототипом заявляемого способа является способ работы тепловой электрической станции (см. патент №2406830, МПК F01K 17/02, опубл. 20.12.2010 г. Бюл. №35), по которому сетевую воду, поступающую от потребителей, нагревают в сетевых подогревателях теплофикационной турбины, при этом перед нагревом сетевой воды в сетевых подогревателях производят снижение ее температуры в теплообменнике, по греющей среде установленном в сетевую установку перед сетевыми подогревателями теплофикационной турбины, а по нагреваемой в питательный тракт турбины, имеющей конденсатор, после конденсационного насоса.

Недостатком способа-прототипа является то, что для его реализации необходимы на тепловой электрической станции турбины двух разных типов - теплофикационной и конденсационной. Кроме того, дополнительный подогрев рабочей среды конденсационной турбины теплом возвратной сетевой воды снижает отборы конденсационной турбины на свои регенеративные подогреватели, что, в свою очередь, снижает термический КПД конденсационной турбины (см. стр. 128-130 в книге: Бальян. С.В. Техническая термодинамика и тепловые двигатели. Изд. 2-е, перераб. и доп. Л., «Машиностроение», 1973, 304 с.).

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении эффективности и надежности электростанции.

Технический результат заключается в увеличении выдачи электроэнергии в энергосистему на величину потребления собственных нужд и за счет повышения термического КПД станции, а также в сохранении электроснабжения собственных нужд электростанции при любых нормальных и аварийных режимах в энергосистеме и на самой электростанции.

Поставленная техническая задача решается тем, что в способе работы тепловой электрической станции с собственными нуждами, по которому сетевую воду, поступающую от потребителей через теплообменник, нагревают в сетевых подогревателях от отборов рабочей среды турбины, электрическую станцию снабжают энергоустановкой на топливных элементах для питания собственных нужд, снижают отборы рабочей среды турбины на сетевые подогреватели и пропорционально, перед нагревом сетевой воды в сетевых подогревателях, повышают ее температуру в теплообменнике, в котором по греющей среде используют продукты реакций в энергоустановке на топливных элементах.

В части устройства техническая задача решается тем, что в известном устройстве, содержащем паровой котел, вход которого подсоединен к системе газоснабжения электростанции, а выход соединен с турбиной с электрогенераторы на валу, статорные обмотки которого соединены с энергосистемой и через трансформатор с шинами собственных нужд тепловой электростанции, выход турбины через конденсатор и питательный насос соединен со входом парового котла, отбор пара турбины соединен с регенеративным подогревателем и сетевым подогревателем, перед которым подключен теплообменник, шины собственных нужд электростанции, согласно изобретению, тепловая электрическая станция снабжена инвертором и энергоустановкой на топливных элементах, вход которой соединен с системой газоснабжения станции, выход по продуктам реакций соединен со входом греющей среды теплообменника, а выход по электроэнергии соединен через инвертор с шинами собственных нужд.

На чертеже изображена принципиальная схема простой тепловой электрической станции, реализующей предлагаемый способ работы тепловой электрической станции с циклом Ренкина.

Тепловая электрическая станция, использующей газовое топливо, например природный газ, содержит контур рабочего тела в виде паротурбинного цикла Ренкина (Теплотехника. Учебник для вузов / А.П. Баскаков, Б.В. Берг, О.К. Витт и др.; Под ред. А.П. Баскакова. - М.: Энергоиздат, 1982, стр. 65-71) с паровым котлом 1 с пароперегревателем 2, по входу подсоединенного к системе 3 газоснабжения электростанции, а по выходу соединенного с паровой турбиной 4 с электрогенераторм 5 на валу, выводы статорных обмоток которого подсоединены к энергосистеме 6 и через трансформатор 7 к шинам 8 собственных нужд электростанции, а также энергоустановку 9 на топливных элементах (Коровин Н.В. Топливные элементы и электрохимические энергоустановки. - М.: Издательство МЭИ, 2005. - 280 с.: ил.), вход которой подсоединен также к указанной системе 3 газоснабжения, а электрический выход через инвертор 10 подсоединен к шинам 8 собственных нужд. При этом выход турбины 4 по рабочему телу цикла Ренкина соединен через конденсатор 11 и питательный насос 12 с паровым котлом 1, а отбор 13 пара турбины 4 соединен с регенеративным подогревателем 14 и сетевым подогревателем 15, перед которым по тракту сетевой воды подсоединен теплообменник 16, по греющей среде подсоединенный к тракту 17 продуктов реакций в энергоустановке 9 на топливных элементах. К шинам 8 собственных нужд электростанции также подключены электроприемники 18 собственных нужд. Кроме того, на Фиг. 1 обозначены: 19, 20 - выключатели в электрических цепях соединений элементов схемы; 21 - циркуляционный насос подачи охлаждающей воды в конденсатор 11; 22РП, 23СП - управляемые клапаны в трактах отборов теплоносителя; 24-конденсатный насос. ПМ25 и ОМ26 - соответственно прямая (подачи) и обратная магистрали сетевой воды.

Согласно Фиг. 1 тепловая электрическая станция по предлагаемому способу работает следующим образом. В паровой котел 1 подают газ из системы 3 газоснабжения электростанции, а через выход подают пар в турбину 4 с электрогенератором 5 на валу. От электрогенератора 5 электроэнергию подают в энергосистему 6 и через трансформатор 7 к шинам 8 собственных нужд тепловой электростанции. Отработавший пар с выхода турбины 4 через конденсатор 11 питательным насосом 12 возвращают в виде конденсата в паровой котел 1. Производят отбор 13 пара турбины 4 в регенеративный подогреватель 14 и сетевой подогреватель 15. При этом одновременно снижают отбор 13 пара турбины 4 на сетевые подогреватели 15 с помощью управляемого клапана 23 и пропорционально, перед нагревом в сетевых подогревателях 15, повышают температуру сетевой воды в теплообменнике 16, в котором по греющей среде через тракт 17 используют продукты реакций в энергоустановке 9 на топливных элементах. При работе в режиме электропитания электроприемников 18 собственных нужд от энергоустановки 9 на топливных элементах выключатель 20 включают, а выключатель 19 выключают, на вход блока 9 топливных элементов подают газ из той же системы 3 газоснабжения. Электроэнергию на постоянном токе с выхода энергоустановки 9 на топливных элементах подают через инвертор 10 преобразованным в переменный ток на шины 8 собственных нужд, от которых питают электроприемники 18 собственных нужд.

Был произведен термодинамический анализ, позволивший получить для схемы Фиг 1 следующую формулу взаимосвязи потоков энтальпий отборов рабочей среды турбины:

,

где: h_i - энтальпии соответственно в выделенных четырех индексных точках "a", "b", "c" и "d" схемы Фиг. 1; - коэффициент общей доли отбора пара в сечении "a" паровой турбины 4; - коэффициент доли отбора пара в сечении "a" на регенеративный подогреватель 14 через управляемый клапан 22 в канале теплоносителя; - коэффициент доли отбора пара в сечении "a" на сетевой подогреватель 15 через управляемый клапан 23 в канале теплоносителя.

Из формулы следует, что при заданном массовом расходе пара D в установке с увеличением коэффициента α, т.е. с увеличением одновременного отбора пара в точке "a" для регенеративного подогревателя β и сетевого подогревателя γ, мощность турбины N_T падает, так как соответственно возрастают доли отбора пара D_РП и D_СП, которые, не совершают полезной работы в турбине на участке между точками "a" и "c". Однако при заданном коэффициенте α одновременно с увеличением коэффициента β снижается и подведенная к рабочему телу теплота Q_T (тепловая мощность топлива), т.е. снижается расход топлива в установке. При этом возрастет термический КПД цикла, так как согласно Фиг. 1 всегда соблюдается условие (h_a-h_d)>(h_a-h_c).

При заданном коэффициенте β увеличение коэффициента γ (т.е. увеличение доли отбора пара в точке "a" для сетевого подогревателя 15) ведет к снижению мощности турбины, и, соответственно, к снижению термического КПД цикла, и наоборот - снижение коэффициента γ ведет к росту термического КПД цикла.

Расчетами обосновано, что для применения энергоустановок на топливных элементах для электропитания собственных нуждах тепловой электростанции является выполнение условия , т.е. КПД энергоустановок на топливных элементах должен быть больше или, по крайней мере, равным КПД-нетто тепловой электростанции. Например, при использовании энергоустановок 9 на топливных элементах одновременно для электропитания нагрузок 18 собственных нужд тепловой электростанции и для дополнительного подогрева сетевой воды в теплообменнике 16 блока мощностью 300 МВт с турбоустановкой К-300-240 повышает КПД - нетто станции на 0.7%, а, например, при использовании энергоустановок 9 на топливных элементах только для дополнительного подогрева сетевой воды в теплообменнике 16 повышает КПД - нетто станции на 0.3%, что эквивалентно повышению мощности блока на 0.9 МВт.

Таким образом, применение предлагаемого способа позволяет достичь поставленной технической задачи в повышении эффективности и надежности электростанции, так как при любых режимах, в том числе нормальных и аварийных, в энергосистеме собственные нужды и подогрев сетевой воды всегда энергообеспечены. Кроме того, увеличивается выдача электроэнергии в энергосистему на величину потребления собственных нужд и за счет повышения термического КПД станции.

1. Способ работы тепловой электрической станции с собственными нуждами, по которому сетевую воду, поступающую от потребителей через теплообменник, нагревают в сетевых подогревателях от отборов рабочей среды турбины, отличающийся тем, что электрическую станцию снабжают энергоустановкой на топливных элементах для питания собственных нужд, снижают отборы рабочей среды турбины на сетевые подогреватели и пропорционально, перед нагревом сетевой воды в сетевых подогревателях, повышают ее температуру в теплообменнике, в котором по греющей среде используют продукты реакций в энергоустановке на топливных элементах.

2. Устройство для реализации способа работы тепловой электрической станции по п. 1, содержащее паровой котел, вход которого подсоединен к системе газоснабжения электростанции, а выход соединен с турбиной с электрогенератором на валу, статорные обмотки которого соединены с энергосистемой и через трансформатор с шинами собственных нужд тепловой электростанции, выход турбины через конденсатор и питательный насос соединен со входом парового котла, отбор пара турбины соединен с регенеративным подогревателем и сетевым подогревателем, перед которым подключен теплообменник, шины собственных нужд электростанции, отличающееся тем, что тепловая электрическая станция снабжена инвертором и энергоустановкой на топливных элементах, вход которой соединен с системой газоснабжения станции, выход по продуктам реакций соединен со входом греющей среды теплообменника, а выход по электроэнергии соединен через инвертор с шинами собственных нужд.