RU2125171C1 - Power generating plant and method of its operation - Google Patents
Power generating plant and method of its operation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2125171C1 RU2125171C1 RU97121547A RU97121547A RU2125171C1 RU 2125171 C1 RU2125171 C1 RU 2125171C1 RU 97121547 A RU97121547 A RU 97121547A RU 97121547 A RU97121547 A RU 97121547A RU 2125171 C1 RU2125171 C1 RU 2125171C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- heat
- working fluid
- consumer
- heat exchanger
- heated
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области теплоэнергетики (в том числе атомной техники) и может быть использовано в энергетических установках или энерготехнологических комплексах, в которых одновременно производятся электрическая и тепловая энергия заданных параметров. The invention relates to the field of heat power engineering (including nuclear technology) and can be used in power plants or energy technology complexes in which electrical and thermal energy of specified parameters are simultaneously produced.
Одна из наиболее важных проблем топливно-энергетического комплекса - проведение активной энергосберегающей политики, обеспечивающей достижение необходимого эффекта при минимальных затратах энергии и минимальной металлоемкости. В промышленности простейший пример энергосбережения - использование низкопотенциального тепла, являющегося отходом большого числа технологий (теплоснабжения и т.п.). Кроме того, весьма эффективно рациональное использование средне- и высокотемпературного тепла, прежде всего в металлургии, химической промышленности, газификации угля, нефтепереработке и промышленности строительных материалов. One of the most important problems of the fuel and energy complex is the pursuit of an active energy-saving policy that ensures the achievement of the necessary effect with minimal energy costs and minimal metal consumption. In industry, the simplest example of energy conservation is the use of low-grade heat, which is a waste of a large number of technologies (heat supply, etc.). In addition, the rational use of medium and high temperature heat is very effective, especially in metallurgy, chemical industry, coal gasification, oil refining and building materials industry.
Современная структура потребления топливно-энергетических ресурсов в России характеризуется следующими приближенными данными: освещение - 0,5%, силовые процессы - 25%, высокотемпературные процессы (свыше 400oC) - 25%, средне- и низкотемпературные процессы (соответственно 100 - 400oC и 100 - 150oC) - 49,5% (см. , например, книгу "Теплотехника", ред. В.И.Крутов, М, "Машиностроение", 1986 г., стр. 392). Одним из наиболее действенных средств повышения эффективности потребления топлива является переход к комплексным энерготехнологическим методам использования топлива: к извлечению всех ценных составляющих топлива при обязательном комбинировании процесса сжигания части топлива для производства тепловой и электрической энергии с различными технологическими процессами.The current structure of consumption of fuel and energy resources in Russia is characterized by the following approximate data: lighting - 0.5%, power processes - 25%, high-temperature processes (over 400 o C) - 25%, medium and low temperature processes (respectively 100 - 400 o C and 100 - 150 o C) - 49.5% (see, for example, the book "Heat Engineering", edited by V. I. Krutov, M, "Engineering", 1986, p. 392). One of the most effective means of increasing the efficiency of fuel consumption is the transition to integrated energy-technological methods of using fuel: to extract all valuable components of the fuel with the obligatory combination of the process of burning part of the fuel for the production of heat and electric energy with various technological processes.
Расход энергии на освещение и приводы механизмов и машин (электродвигатели) определяют потребность в электроэнергии. Затраты энергии на высокотемпературные процессы формируют необходимый расход топлива, электроэнергии и пара. Затраты энергии на среднетемпературные процессы определяют расход топлива и пара. Для низкотемпературных процессов в качестве теплоносителя используются, как правило, горячая вода. Energy consumption for lighting and drives of mechanisms and machines (electric motors) determine the need for electricity. Energy costs for high-temperature processes form the necessary consumption of fuel, electricity and steam. Energy costs for medium temperature processes determine fuel and steam consumption. For low-temperature processes, as a rule, hot water is used as a heat carrier.
Известен способ эксплуатации энергетической установки (ЭУ), производящей электрическую и тепловую энергию заданных параметров (см., например, книгу "Техническая термодинамика". В.Д.Кириллин и др., М, Энергоатомиздат, 1983 г. , стр. 323 - 325, рис. 11.34), по которому жидкую фазу рабочего тела установки, (например, воду) сжимают в циркуляторе установки (насосе) и направляют в источник тепла, где нагревают, в результате чего вода превращается в рабочее тело установки - сухой насыщенный или перегретый пар, который затем расширяют в турбине, приводящей в действие электрогенератор, после чего отработавший в турбине пар подают в поверхностный теплообменник-конденсатор, где пар конденсируют при величине давления насыщения, обеспечивающей нагрев до необходимой температуры охлаждающей воды конденсатора, которая передает потребителю тепловую энергию, например, для теплоснабжения, далее образующийся конденсат рабочего тела установки опять сжимают в циркуляторе и подают в источник тепла установки. A known method of operating a power plant (EA) that produces electrical and thermal energy of specified parameters (see, for example, the book "Technical Thermodynamics". V.D. Kirillin et al., M, Energoatomizdat, 1983, pp. 323 - 325 , Fig. 11.34), in which the liquid phase of the installation’s working fluid (for example, water) is compressed in the circulator of the installation (pump) and sent to a heat source where it is heated, as a result of which the water turns into the working medium of the installation - dry saturated or superheated steam which is then expanded in a turbine driving an electric generator, after which the steam spent in the turbine is supplied to a surface heat exchanger-condenser, where the steam is condensed at a saturation pressure that provides heating to the required temperature of the condenser cooling water, which transfers thermal energy to the consumer, for example, for heat supply, and then the condensate of the plant’s working fluid again compressed in a circulator and fed to the heat source of the installation.
Вместе с тем, данному способу эксплуатации ЭУ присущ недостаток, свойственный известным паротурбинным теплоэлектроцентралям (ТЭЦ), производящим электроэнергию и тепловую энергию. Тепловая энергия, выдаваемая потребителю от паротурбинных ТЭЦ, характеризуется ограничением по максимальной температуре теплоносителя (около 200oC), что соответственно сдерживает мощность выдаваемой тепловой энергии, а также препятствует ее использованию в высокотемпературных промышленно-технологических процессах. В связи с изложенным особенно актуальной является задача разработки систем высокотемпературной теплофикации. Данная задача может быть решена с помощью газотурбинных энергетических установок, положительными особенностями которых по сравнению с паротурбинными являются: 1) незначительная потребность в охлаждающей воде, 2) возможность применения более высоких температур рабочего тела, 3) меньшие вес установки и расход металла, приходящиеся на единицу мощности, 4) возможность быстрого пуска и форсирования мощности.At the same time, this method of operating electric power plants has an inherent disadvantage inherent in the well-known steam turbine cogeneration plants (CHP), which produce electric and thermal energy. The heat energy supplied to the consumer from steam turbine thermal power plants is characterized by a limitation on the maximum temperature of the coolant (about 200 o C), which accordingly restrains the power of the generated heat energy and also prevents its use in high-temperature industrial and technological processes. In connection with the foregoing, the task of developing high-temperature heating systems is particularly urgent. This problem can be solved with the help of gas turbine power plants, the positive features of which are compared with steam turbine ones: 1) insignificant need for cooling water, 2) the possibility of using higher temperatures of the working fluid, 3) lower unit weight and metal consumption per unit power, 4) the ability to quickly start and boost power.
Указанным преимуществам отвечают следующие известные способы эксплуатации энергетических установок, производящих электрическую и тепловую энергию заданных параметров. Например, известен способ эксплуатации ЭУ, по которому газообразное рабочее тело (для газотурбинных установок с открытым циклом - атмосферный воздух) сжимают в одном компрессоре или по меньшей мере в двух компрессорах с промежуточным охлаждением и затем подают в источник тепла, где нагревают до максимальной рабочей температуры, и далее с выделением части внутренней энергии рабочего тела расширяют в турбине, приводящей в действие электрогенератор, затем отработавший в турбине газ охлаждают в теплообменнике, обеспечивающем нагрев сетевой воды, поступающей к потребителю тепла, и потом выпускают в дымовую трубу или сухую градирню (см., например, книгу "Теплофикационные системы", Л.С.Хрилев, М, Энергоатомиздат, 1988 г., стр. 237), а также книгу "Теплотехнический справочник", ред. В.И.Юренев и П. Д.Лебедев, М, Энергия, 1975 г., том. 1, стр. 495). The indicated advantages are met by the following known methods of operating power plants that produce electrical and thermal energy of specified parameters. For example, there is a known method of operating EI, in which a gaseous working fluid (for open-cycle gas turbine units - atmospheric air) is compressed in one compressor or at least two compressors with intermediate cooling and then fed to a heat source, where it is heated to the maximum operating temperature and then, with the release of a part of the internal energy of the working fluid, it is expanded in a turbine that drives an electric generator, then the exhaust gas in the turbine is cooled in a heat exchanger providing heating water entering the heat consumer, and then released into the chimney or dry cooling tower (see, for example, the book "Heating Systems", L.S. Khrilev, M, Energoatomizdat, 1988, p. 237), as well as the book "Thermal Engineering Handbook", ed. V.I. Yurenev and P. D. Lebedev, M, Energy, 1975, vol. 1, p. 495).
Кроме того, известен способ эксплуатации ЭУ, по которому, в отличие от вышеуказанного, передача тепловой энергии потребителю (для технологических процессов химических, нефтеперерабатывающих и металлургических производств) обеспечивается за счет отбора части расхода рабочего тела более высоких параметров из газовой турбины между ее ступенями (см. , например, книгу "Теплотехника", ред. В.И.Крутов, М, Машиностроение, 1986 г., стр. 193, рис. 4.15д). In addition, there is a known method of operating EI, in which, in contrast to the above, the transfer of thermal energy to the consumer (for technological processes of chemical, oil refining and metallurgical industries) is ensured by selecting part of the flow rate of the working fluid of higher parameters from the gas turbine between its stages (see ., for example, the book "Heat Engineering", as amended by V.I. Krutov, M, Mechanical Engineering, 1986, p. 193, Fig. 4.15d).
Для обеспечения передачи потребителю тепловой энергии высоких параметров (при одновременной выработке электрической энергии) служит также известный способ эксплуатации энергетической установки, по которому газообразное рабочее тело установки закрытого цикла (например, инертный газ - гелий) сжимают в компрессоре, затем подают в источник тепла (активную зону высокотемпературного газоохлаждаемого ядерного реактора) и далее охлаждают в поверхностном теплообменнике, обогреваемая сторона которого (например, с таким же теплоносителем - гелием) обеспечивает передачу тепловой энергии потребителю, после чего расширяют в турбине, приводящей в действие электрогенератор, и затем направляют опять для сжатия и циркуляции рабочего тела в компрессор (см. , например, книгу "Теплотехника", ред. В.И.Крутов, М, Машиностроение, 1986 г., стр. 389, рис. 12.9). To ensure the transfer of high parameters of thermal energy to the consumer (while generating electric energy), there is also a well-known method of operating a power plant, in which the gaseous working medium of a closed-cycle plant (for example, inert gas - helium) is compressed in a compressor, then fed to a heat source (active zone of a high-temperature gas-cooled nuclear reactor) and then cooled in a surface heat exchanger, the heated side of which (for example, with the same coolant - gel (iem) provides the transfer of thermal energy to the consumer, after which it is expanded in a turbine that drives the electric generator, and then sent again for compression and circulation of the working fluid to the compressor (see, for example, the book "Heat Engineering", as amended by V. I. Krutov, M, Engineering, 1986, p. 389, Fig. 12.9).
Вместе с тем указанным способам эксплуатации энергетических установок, основанных на газотурбинных установках разомкнутого (открытого) или замкнутого циклов присущи следующие общие недостатки, снижающие экономичность и приводящие к снижению их экологической эксплуатации:
1) достаточно низкая для современного уровня энергетики величина абсолютного электрического коэффициента полезного действия (КПД) установок,
2) большие потери тепловой энергии (и соответственно топлива) в периоды эксплуатации производящих электроэнергию установок с минимальной (уменьшенной) выдачей потребителю тепловой энергии, что заметно снижает общий (годовой) коэффициент использования тепла топлива установок и соответственно увеличивает тепловое "загрязнение" внешней среды.At the same time, the indicated general methods of operation of power plants based on gas turbine plants of open (open) or closed cycles have the following general disadvantages, which reduce economy and lead to a decrease in their environmental operation:
1) the value of the absolute electrical efficiency (COP) of the plants is sufficiently low for the current level of energy,
2) large losses of thermal energy (and, accordingly, fuel) during the periods of operation of power generating plants with minimal (reduced) heat energy output to the consumer, which significantly reduces the overall (annual) heat utilization factor of the fuel of the plants and, accordingly, increases the thermal "pollution" of the environment.
Первый из вышеназванных недостатков связан с тем, что абсолютный электрический КПД используемых в вышеуказанных энергоустановках газотурбинных двигателей с подводом тепла в цикле при постоянном давлении и с адиабатным сжатием рабочего тела в компрессорах при промежуточном охлаждении газа не достаточно велик и составляет для ныне освоенных максимальных температур рабочего тела величину ≈30 - 36%, что практически близко к величине электрического КПД известных паротурбинных энергоустановок (см., например, книгу "Техническая термодинамика", В.А.Кириллин и др., М, Энергоатомиздат, 1983 г. , стр. 276 - 277, а также книгу "Термодинамика", М.П.Вукалович и И.И.Новиков, М, Машиностроение, 1972 г., стр. 549 - 552 и книгу "Парогазовые установки электростанций", А. И. Андрюшенко и В.Н.Лапшов, М, Энергия, 1965 г., стр. 233, рис. 7.5). The first of the aforementioned drawbacks is related to the fact that the absolute electrical efficiency of gas turbine engines used in the above power plants with heat supply in the cycle at constant pressure and with adiabatic compression of the working fluid in compressors during intermediate cooling of the gas is not large enough and amounts to the maximum working fluid temperatures ≈30 - 36%, which is almost close to the electrical efficiency of known steam-turbine power plants (see, for example, the book "Technical Thermodynamics ", V.A. Kirillin et al., M, Energoatomizdat, 1983, pp. 276 - 277, as well as the book" Thermodynamics ", M.P. Vukalovich and I.I. Novikov, M, Mechanical Engineering, 1972 ., pp. 549 - 552 and the book "Combined Cycle Plants of Power Plants", A. I. Andryushenko and V. N. Lapshov, M, Energia, 1965, p. 233, Fig. 7.5).
Второй из вышеуказанных недостатков известных способов эксплуатации ЭУ вытекает из достаточно низкой величины абсолютного электрического КПД установок, а также связан с тем, что потребителю тепла не всегда, а только периодически, требуется максимальная мощность или высокий потенциал получаемой от ЭУ тепловой энергии, а производство при этом электроэнергии (особенно передаваемой в региональную или во всероссийскую электросистему) должно быть практически постоянным, то есть близкой к номинальной мощности. В связи с этим энергоустановки, эксплуатируемые по вышеуказанным способам и производящие практически постоянно в течение года электроэнергию на уровне мощности, близком к номинальному, в периоды минимальной выдачи потребителю тепловой энергии (например, для теплофикационных энергоустановок - в летний, неотопительный сезон, а для промышленно-технологических энергоустановок - во время плановых и т.п. перерывов в технологических процессах, потребляющих тепловую энергию установок) вынуждены практически сбрасывать не нужную в это время потребителю работоспособную тепловую энергию в окружающую среду, не рационально сжигая при этом исходное топливо, а также нанося соответствующий экологический ("тепловой") вред природе. The second of the above disadvantages of the known methods of operating electric power plants results from a rather low absolute electrical efficiency of the plants, and is also related to the fact that the heat consumer does not always, but only periodically, require maximum power or high potential of thermal energy received from the electric power, and production electricity (especially transmitted to the regional or the all-Russian electric system) should be almost constant, that is, close to the rated power. In this regard, power plants operated according to the above methods and generating electricity almost continuously throughout the year at a power level close to the nominal, during periods of minimal heat energy output to the consumer (for example, for heating power plants - in the summer, non-heating season, and for industrial technological power plants - during scheduled, etc. interruptions in technological processes that consume the thermal energy of the plants) they are forced to practically reset unnecessary at this time by fighter an efficiency of heat energy to the environment, not rational burning while the original fuel, as well as causing the appropriate environmental ( "thermal") harmful nature.
Так, например, длительность отопительного сезона в большинстве регионов России колеблется в пределах от 199 (г. Воронеж) до 251 (г. Архангельск) суток в год (см., например, книгу "Теплотехнический справочник", М, Энергия, 1976 г., ред. В.Н.Юренев и П.Д.Лебедев, стр. 568 - 569). Это говорит о том, что вышеуказанные энергоустановки, производящие электрическую и тепловую энергию для теплоснабжения, будучи вынуждены почти 5 мес. в году (когда также, как и в течение года производится электроэнергия) весьма непроизводительно сбрасывать во внешнюю среду значительное количество тепловой энергии сжигаемого топлива. При этом потребителю выдается уменьшенное (примерно в 4 - 5 раз) количество тепловой энергии, необходимое для функционирования горячего водоснабжения. So, for example, the duration of the heating season in most regions of Russia ranges from 199 (Voronezh) to 251 (Arkhangelsk) days a year (see, for example, the book "Heat Technical Reference", M, Energy, 1976 , ed.V.N. Yurenev and P.D. Lebedev, pp. 568 - 569). This suggests that the above power plants that produce electrical and thermal energy for heat supply, being forced to almost 5 months. in a year (when electricity is produced as well as during the year) it is very unproductive to dump a significant amount of thermal energy of the burned fuel into the environment. At the same time, the consumer is given a reduced (about 4-5 times) amount of heat energy necessary for the functioning of hot water supply.
Следовательно, энергоустановки, эксплуатируемые по вышеуказанным способам, неэкономичны для условий их эксплуатации с достаточно длительными (плановыми или вынужденными) перерывами в потреблении производимой ими тепловой энергии. Consequently, power plants operated by the above methods are uneconomical for the conditions of their operation with sufficiently long (planned or forced) interruptions in the consumption of thermal energy produced by them.
Вышеотмеченных недостатков лишен известный способ эксплуатации энергетической установки, по которому газовое рабочее тело сжимают в одном или, преимущественно, в двух и более компрессорах с промежуточным охлаждением газа в газоохладителе, выполненном с возможностью обеспечения отбора теплоты на теплофикацию, и/или в холодильнике путем передачи теплоты внешней среде, далее сжатый газ пропускают в качестве обогреваемой среды через по меньшей мере один нагреватель, где газ нагревают до рабочей температуры, после чего рабочее тело расширяют в приводящей в действие компрессоры и электрогенератор турбине, потом отработавший в турбине газ направляют в греющую сторону вышеуказанного теплообменника, после которого в качестве греющей среды пропускают через газоохладитель, выполненный с возможностью передачи потребителю тепловой энергии, а затем еще больше охлаждают путем передачи теплоты внешней среде, после чего охлажденное рабочее тело установки опять сжимают (см. , например, книгу "Теплотехника", ред. В.И.Крутов, М.: Машиностроение, 1986 г., стр. 350, рис. 9.14). The aforementioned drawbacks are deprived of the known method of operating a power plant, in which a gas working fluid is compressed in one or, mainly, in two or more compressors with intermediate gas cooling in a gas cooler, configured to provide heat extraction for heating, and / or in the refrigerator by transferring heat environment, then the compressed gas is passed as a heated medium through at least one heater, where the gas is heated to operating temperature, after which the working fluid expands they are revealed in a turbine that drives compressors and an electric generator, then the gas exhausted from the turbine is directed to the heating side of the above heat exchanger, after which it is passed through a gas cooler, which is capable of transferring thermal energy to the consumer, as a heating medium, and then it is cooled further by transferring heat to the external environment , after which the cooled working fluid of the installation is again compressed (see, for example, the book "Heat Engineering", ed. V.I. Krutov, Moscow: Engineering, 1986, p. 350, Fig. 9.14).
Энергетическая установка для осуществления указанного способа эксплуатации может содержать объединенные, например, трубопроводами циркуляции рабочего тела установки, по меньшей мере два компрессора с установленными между ними газоохладителем, выполненным с возможностью обеспечения отбора теплоты на теплофикацию, и/или холодильником, обеспечивающим передачу теплоты рабочего тела внешней среде, обогреваемую сторону по меньшей мере одного теплообменника, по меньшей мере один нагреватель газа, выполненный, например, в виде камеры сгорания органического топлива и соединенный с установленной за ним трубой, выход газа из которого соединен с атмосферой, при этом обогреваемая сторона последнего газоохладителя присоединена к циркуляционному теплообменному контуру потребителя тепловой энергии. A power plant for implementing this method of operation may comprise, for example, combined at least two compressors with gas cooler installed between them, with a gas cooler installed between them, configured to provide heat extraction for heating, and / or a refrigerator that transfers the heat of the working fluid to the external medium, the heated side of at least one heat exchanger, at least one gas heater, made, for example, in the form of a combustion chamber Nia organic fuel and connected with the pipe installed behind it, a gas outlet of which is connected to the atmosphere, wherein the heated gas cooler side of the last heat exchanger is connected to the circulation circuit heat energy consumer.
Абсолютный электрический КПД указанной известной установки существенно повышен (до ≈44 - 48%) в основном за счет введения в термодинамический цикл исходного газотурбинного двигателя установки регенерации теплоты внутри цикла (см., например, книгу "Термодинамика", М.П.Вукалович и И.И.Новиков, М, Машиностроение, 1972 г., стр. 554 - 559). При этом введенный в состав установки теплообменник-регенератор передает часть тепловой энергии рабочего тела, вышедшего из единственной или последней турбины цикла, сжатому компрессором газу до его нагрева в нагревателе. Отсюда следует, что при достигнутом увеличении абсолютного электрического КПД и, соответственно, мощности производимой электроэнергии потенциал и мощность тепловой энергии, которую можно передавать с указанной энергоустановки потребителю соответственно уменьшаются. Следует также упомянуть, что мощность выдаваемой тепловой энергии должна существенно уменьшаться в период эксплуатации энергоустановки (при сохранении производительности электроэнергии) в режимах с минимальной (или уменьшенной) выдачей тепловой энергии потребителю (например, в период неотопительного сезона и т.п.). При этом для безусловного обеспечения параллельного производства электроэнергии ненужные потребителю "излишки" тепловой энергии охлаждаемого в цикле рабочего тела должны быть переданы в итоге во внешнюю среду. The absolute electrical efficiency of this known installation is significantly increased (up to ≈44 - 48%) mainly due to the introduction of a heat recovery unit inside the cycle into the thermodynamic cycle of the initial gas turbine engine (see, for example, the book "Thermodynamics", MP Vukalovich and I . I. Novikov, M, Engineering, 1972, pp. 554 - 559). At the same time, the heat exchanger-regenerator introduced into the unit transfers part of the thermal energy of the working fluid that has left the single or last turbine of the cycle to the gas compressed by the compressor before it is heated in the heater. It follows that with the increase in absolute electrical efficiency and, correspondingly, the power of the generated electricity, the potential and power of thermal energy that can be transferred from the specified power plant to the consumer are accordingly reduced. It should also be mentioned that the power of the generated heat energy should significantly decrease during the operation of the power plant (while maintaining the power output) in modes with minimal (or reduced) heat supply to the consumer (for example, during the non-heating season, etc.). At the same time, in order to unconditionally ensure parallel production of electricity, the "surplus" of thermal energy that is unnecessary for the consumer, which is cooled in the cycle of the working fluid, must ultimately be transferred to the environment.
Указанные обстоятельства в итоге препятствуют достижению высокой тепловой экономичности установки, которая оценивается для энергетических установок (в том числе и для тех установок, которые одновременно производят для потребителей электрическую и тепловую энергию) таким образом универсальным показателем, как (среднегодовой) коэффициент термодинамической эффективности цикла установки (см. , например, книгу "Парогазовые установки электростанции", А.И.Андрюшенко и В.Н.Лапшов, М, Энергия, 1965 г., стр. 176 - 179):
η
где
Lц - полезная работа цикла;
E
Q1 - тепло топлива, подведенное в цикле.These circumstances ultimately impede the achievement of high thermal efficiency of the installation, which is estimated for power plants (including those plants that simultaneously produce electrical and thermal energy for consumers) in this way by a universal indicator such as the (average annual) coefficient of thermodynamic efficiency of the installation cycle ( see, for example, the book "Combined-cycle plants of a power plant", A.I. Andryushenko and V.N. Lapshov, M, Energy, 1965, pp. 176 - 179):
η
Where
L C - useful work cycle;
E
Q 1 - heat of fuel supplied in the cycle.
При этом
E
где
Qт - отданное потребителю (например, в тепловую сеть) тепло;
Tо - абсолютная температура холодного источника;
Tор - средняя абсолютная температура отдачи тепла теплоносителем.Wherein
E
Where
Q t - heat supplied to the consumer (for example, to the heating network);
T about - absolute temperature of a cold source;
T op - average absolute temperature of heat transfer by the heat carrier.
Кроме того, для характеристики экономичности теплоэлектроцентралей (ТЭЦ) применяется коэффициент использования тепла топлива Kи.т., определяемый как отношение суммы полезной работы, производимой в цикле, Lэ и теплоты qт, отданной внешнему потребителю, к количеству теплоты q1, выделившийся при сгорании топлива:
Kи.т. = (Lэ + qт)/q1
Для современных паротурбинных ТЭЦ Kи.т. = 0,6 - 0,8.In addition, to characterize the efficiency of combined heat and power plants (CHP), the fuel heat utilization coefficient K, etc., is used. , defined as the ratio of the amount of useful work performed in the cycle, L e and the heat q t given to an external consumer, to the amount of heat q 1 released during the combustion of fuel:
K, etc. = (L e + q t ) / q 1
For modern steam turbine CHP K, etc. = 0.6 - 0.8.
С учетом изложенного известному способу эксплуатации энергетической установки и энергоустановке для его осуществления присущи следующие недостатки:
недостаточная термодинамическая эффективность и соответственно невысокая экономичность энергоустановки, одновременно производящей электрическую и тепловую энергию, в связи с пониженными величинами мощности и потенциала (tмакс. ≈ 250 - 300oC) тепловой энергии, передаваемой потребителю в периоды эксплуатации в режимах с максимальной (увеличенной) выдачей ему тепловой энергии, а также из-за необходимости сброса заметного количества работоспособной тепловой энергии во внешнюю среду в периоды эксплуатации ЭУ в режимах с минимально (уменьшенной) выдачей потребителю тепловой энергии. Кроме того, ограниченность потенциала тепловой энергии, которая может быть передана потребителю, препятствует использованию подобных известных ЭУ в широко распространенных промышленно-технологических циклах, для которых, кроме электроэнергии, требуется средне - (до 400oC) и высоко - (свыше 400oC) потенциальное тепло.In view of the above, the known method of operating a power plant and a power plant for its implementation have the following disadvantages:
insufficient thermodynamic efficiency and, accordingly, low efficiency of a power plant that simultaneously produces electric and thermal energy, due to reduced power and potential values (t max. ≈ 250 - 300 o C) of thermal energy transferred to the consumer during periods of operation in the modes with maximum (increased) the issuance of thermal energy to him, and also because of the need to discharge a noticeable amount of usable thermal energy into the external environment during the periods of operation of the electric power in modes with a minimum (decrease hydrochloric) delivery of heat energy to consumers. In addition, the limited potential of thermal energy that can be transferred to the consumer prevents the use of such well-known ES in widespread industrial and technological cycles, which, in addition to electricity, require medium - (up to 400 o C) and high - (over 400 o C ) potential heat.
Необходимость устранения вышеназванных недостатков известного способа эксплуатации ЭУ подкрепляется также следующими известными положениями теплоэнергетики (см. , например, книгу "Теплотехника", ред. В.И.Крутов, М, Машиностроение, 1986 г., стр. 334 - 338, 353 - 354, 380 - 387). The need to address the above-mentioned disadvantages of the known method of operating electric power plants is also supported by the following well-known provisions of the power system (see, for example, the book "Heat Engineering", edited by V.I. Krutov, M, Mechanical Engineering, 1986, pp. 334 - 338, 353 - 354 , 380 - 387).
Электрические станции вырабатывают электрическую и тепловую энергию для нужд промышленности и коммунально-бытового обслуживания. В зависимости от источника энергии различают тепловые электростанции (ТЭС), гидроэлектростанции (ГЭС), атомные электростанции (АЭС) и др. К ТЭС относятся конденсационные электростанции (КЭС) и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). ТЭЦ в отличие от КЭС наряду с электроэнергией производят тепловую энергию (например, горячую воду и пар для нужд теплофикации). В настоящее время на долю ТЭС (КЭС и ТЭЦ) приходится основная часть (около 71%) нарабатываемой в России электроэнергии. Электрическая и тепловая энергия, производимая ТЭС, должны использоваться потребителями практически в момент их производства. Эта особенность работы электрических станций обуславливают требование высокой надежности из работы. Надежность электроснабжения повышается при объединении электростанций линиями передач в энергетические системы. Переменность графика нагрузок энергосистемы приводит к невозможности работы всех электростанций на полной установленной мощности, которая равна сумме номинальных мощностей электрогенераторов и теплофикационного оборудования отдельно взятой станции или энергетической установки. В этом режиме на полной установленной мощности работают лишь электростанции, покрывающие базовую часть нагрузки, составляющую 0,4 - 0,6 от максимальной мощности энергосистемы. Для обеспечения переменной части графика нагрузки электросистемы предусмотрены полупиковые и пиковые электростанции. Пиковые электростанции эксплуатируются 55 - 1500 ч в году, полупиковые - 3500 - 4500 ч, а базовые - более 5500 ч в году. В настоящее время и ближайшей перспективе базовая часть графика нагрузки общей энергетической системы страны будет покрываться электропередачей электроэнергии от достаточно мощных ТЭС и ГЭС. При этом коэффициент использования установленной мощности (КИУМ) базовых электростанций, производящих только электроэнергию (КЭС и ГРЭС), достаточно высок и составляет 0,62 - 0,74. Дальнейшее увеличение КИУМ (который пропорционален времени обязательной загрузки станции в течение года) может привести к неоправданному росту затрат, связанных с обеспечением требуемой в этих условиях надежности оборудования, и поэтому должно обосновываться для каждого конкретного проекта ЭУ. Power plants generate electric and thermal energy for the needs of industry and public services. Depending on the energy source, there are thermal power plants (TPPs), hydroelectric power plants (HPPs), nuclear power plants (NPPs), etc. Condensation power plants (TPPs) and heat and power plants (TPPs) are TPPs. Thermal power plants, unlike IES, along with electricity produce thermal energy (for example, hot water and steam for the needs of heating). Currently, TPPs (IES and TPPs) account for the bulk (about 71%) of the electricity generated in Russia. Electrical and thermal energy produced by thermal power plants should be used by consumers almost at the time of their production. This feature of the operation of power plants necessitate the high reliability of the work. Reliability of power supply is enhanced by combining power plants with transmission lines into energy systems. The variability of the load schedule of the power system leads to the inability to operate all power plants at full installed capacity, which is equal to the sum of the rated capacities of electric generators and heating equipment of a single station or power plant. In this mode, only power plants operate at full installed capacity, covering the basic part of the load, which is 0.4 - 0.6 of the maximum power of the power system. To provide a variable part of the load schedule of the electrical system, semi-peak and peak power plants are provided. Peak power plants operate 55 - 1,500 hours a year, semi-peak - 3,500 - 4,500 hours, and base plants - more than 5,500 hours a year. At present and in the near future, the basic part of the load schedule of the country's total energy system will be covered by electric power transmission from sufficiently powerful TPPs and hydroelectric power stations. At the same time, the installed capacity utilization factor (KIUM) of the base power plants producing only electricity (KES and GRES) is quite high and amounts to 0.62 - 0.74. A further increase in KIUM (which is proportional to the time required for the station to be loaded during the year) can lead to an unjustified increase in costs associated with ensuring the reliability of equipment required under these conditions, and therefore should be justified for each specific project of power plants.
В отличие от вышеизложенного график тепловых нагрузок (суточный, годовой), выдаваемых потребителю, характеризуется, как правило, еще большей неравномерностью, чем график электрических нагрузок. Так, например, отопительная тепловая нагрузка имеет сезонный характер и зависит от климатических условий (для большинства регионов России отопительный сезон длится 7 мес. в году). Круглогодичное горячее водоснабжение (доля нагрузки которой от номинальной тепловой нагрузки ТЭЦ составляет всего 20%) определяется днями недели и резко меняется в течение суток. In contrast to the foregoing, the schedule of thermal loads (daily, annual) issued to the consumer, is characterized, as a rule, even more uneven than the schedule of electrical loads. For example, the heating heat load is seasonal in nature and depends on climatic conditions (for most regions of Russia, the heating season lasts 7 months a year). Year-round hot water supply (the share of the load of which from the nominal heat load of a thermal power plant is only 20%) is determined by the days of the week and changes dramatically throughout the day.
Более равномерна в течение года промышленная тепловая нагрузка, но в то же время она изменяется в течение суток, в результате для ТЭЦ, обеспечивающих покрытия теплофикационной нагрузки, КИУМ оказывается заметно меньше, чем для КЭЦ и составляет КИУМ = 0,46 - 0,63. Это означает, что генерирующие мощности ТЭЦ (главным образом мощности производства или тепловой энергии) превышают почти в 1,6 - 2,2 раза мощности, необходимые для выработки такого же количества энергии при работе с равномерной номинальной нагрузкой в течение года. The industrial heat load is more uniform throughout the year, but at the same time it changes during the day, as a result, for thermal power plants providing coverage of the heating load, the KIUM is noticeably smaller than for the KEC and amounts to KIUM = 0.46 - 0.63. This means that the generating capacity of thermal power plants (mainly production or thermal energy) exceeds almost 1.6 to 2.2 times the power needed to generate the same amount of energy when working with a uniform nominal load during the year.
Таким образом, для энергетических установок ТЭЦ, производящих электрическую и тепловую энергию, наличие достаточно длительных периодов (в течение года, например) эксплуатации, как в режиме с максимальной (увеличенной), так и с минимальной (уменьшенной) выдачей потребителю тепловой энергии различных параметров (низкого, среднего и высокого потенциала) - широко распространенная объективная реальность, которую необходимо учитывать при создании новых высокоэкономичных энергетических установок для ТЭЦ. Thus, for power plants of thermal power plants producing electric and thermal energy, the presence of sufficiently long periods (during the year, for example) of operation, both in the mode with maximum (increased) and minimum (reduced) heat energy to the consumer of various parameters ( low, medium and high potential) is a widespread objective reality that must be taken into account when creating new highly economical power plants for thermal power plants.
В связи с изложенным задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение термодинамической эффективности и соответственно экономичности, а также расширение областей эффективного применения энергетической установки, одновременно производящей электрическую и тепловую энергию, путем увеличения мощности и потенциала тепловой энергии, передаваемой потребителю в период эксплуатации с максимальной (увеличенной) выдачей ему тепловой энергии, а также путем снижения количества работоспособной тепловой энергии, сбрасываемой во внешнюю среду, в периоды эксплуатации энергоустановки в режимах с минимальной (уменьшенной) выдачей потребителю тепловой энергии при обеспечении возможности высокоэффективного производства (во всех режимах эксплуатации) практически постоянного количества электроэнергии при сохранении номенклатуры и количества основных единиц (элементов) оборудования известной энергетической установки. In connection with the stated problem, the invention is aimed at solving, it is to increase thermodynamic efficiency and therefore economy, as well as expanding the areas of effective use of a power plant that simultaneously produces electric and thermal energy by increasing the capacity and potential of thermal energy transmitted to the consumer during operation with the maximum (increased) issue of thermal energy to him, as well as by reducing the amount of workable thermal energy discharged into the external environment during periods of operation of a power plant in modes with minimal (reduced) generation of thermal energy to a consumer while ensuring the possibility of highly efficient production (in all operating modes) of an almost constant amount of electricity while maintaining the nomenclature and the number of basic units (elements) of equipment of a known power plant .
Для решения этой задачи в известном способе эксплуатации энергетической установки, по которому рабочее тело установки сжимают в одном или преимущественно в двух и более компрессорах с промежуточным охлаждением в глазоохладителе, выполненном с возможностью обеспечения отбора теплоты на теплофикацию, и/или в холодильнике за счет передачи теплоты внешней среде, далее рабочее тело направляют в по меньшей мере один нагреватель, где нагревают до рабочей температуры, потом рабочее тело расширяют в приводящей в действие компрессоры и, например, электрогенератор турбине, затем отработавшее в последней рабочее тело установки пропускают в качестве греющей среды через по меньшей мере один теплообменник-рекуператор и далее через последний газоохладитель цикла, выполненный, например, с возможностью передачи потребителю тепловой энергии, в период эксплуатации установки в режиме с максимальной или увеличенной выдачей потребителю тепловой энергии сжатое рабочее тело установки направляют в обход теплообменника-рекуператора в нагреватель, мощность которого увеличивают соответственно расширившемуся диапазону температур нагреваемого рабочего тела, при этом теплообменник-рекуператор подключают по обогреваемой стороне к отбору теплоты для энерготехнологических нужд и/или теплоснабжения потребителя, для чего используют по меньшей мере один циркуляционный теплообменный контур, а в период эксплуатации установки в режиме с минимальной или уменьшенной выдачей потребителю тепловой энергии сжатое рабочее тело пропускают в качестве обогреваемой среды через указанный теплообменник-рекуператор, а мощность установленного за ним нагревателя уменьшают в соответствии с сократившимся диапазоном температур нагреваемого рабочего тела. To solve this problem, in a known method of operating a power plant, in which the working fluid of the plant is compressed in one or mainly in two or more compressors with intermediate cooling in an eye cooler, configured to provide heat removal for heating, and / or in the refrigerator due to heat transfer environment, then the working fluid is directed to at least one heater, where it is heated to the working temperature, then the working fluid is expanded into compressors driving, and, for example p, an electric generator to the turbine, then the spent in the last working fluid of the installation is passed as a heating medium through at least one heat exchanger-recuperator and then through the last gas cooler of the cycle, made, for example, with the possibility of transferring thermal energy to the consumer, during operation of the installation in mode c With the maximum or increased output of thermal energy to the consumer, the compressed working fluid of the installation is sent to bypass the heat exchanger-recuperator in a heater, the power of which increases accordingly a wider temperature range of the heated working fluid, while the heat exchanger-recuperator is connected on the heated side to the selection of heat for energy technology needs and / or heat supply to the consumer, for which at least one circulation heat exchange circuit is used, and during operation of the installation in the mode with minimal or reduced output of thermal energy to the consumer, the compressed working fluid is passed as a heated medium through the specified heat exchanger-recuperator, and the power is installed Nogo him heater is reduced in accordance with the decreased temperature range of the heated working fluid.
При этом в период увеличенной выдачи потребитель тепловой энергии при ее отборе от газоохладителя, установленного за первым компрессором, и использовании в качестве рабочего тела атмосферного воздуха, в дополнительном теплообменнике осуществляют подогрев поступающего в компрессор атмосферного воздуха по меньшей мере частью расхода отработавшего в турбине рабочего тела после прохождения его через последний газоохладитель цикла, после чего охлажденное рабочее тело выпускают в атмосферу, при этом оставшуюся часть расхода отработавшего в турбине рабочего тела выпускают в атмосферу, минуя дополнительный теплообменник. At the same time, during the period of increased output, the consumer of thermal energy during its selection from the gas cooler installed behind the first compressor and using atmospheric air as a working fluid in the additional heat exchanger heats the atmospheric air entering the compressor with at least part of the flow rate of the working fluid spent in the turbine after passing it through the last gas cooler of the cycle, after which the cooled working fluid is released into the atmosphere, while the remaining part of the flow is spent of a turbine working fluid discharged to the atmosphere, bypassing the additional heat exchanger.
Кроме того, при эксплуатации установки, работающей по закрытому термодинамическому циклу, охлажденное рабочее тело, вышедшее из последнего газоохладителя цикла, направляют на сжатие в первый компрессор установки. При этом в качестве рабочего тела установки могут быть использованы какой-либо инертный газ или азот, который нагревают, например, в ядерном реакторе. Помимо этого в качестве рабочего тела установки может быть использован инертный газ, например, гелий, неон или аргон с ионизирующейся присадкой, выполненной, например, в виде цезия, и который нагревают, например, в ядерном реакторе и затем, перед расширением в турбине, расширяют в производящем электроэнергию магнитогидродинамическом генераторе. Для достижения вышеназванного технического результата предлагается эксплуатируемая по заявляемому способу энергетическая установка, прототипом которой является энергетическая установка, представленная в книге "Теплообменника" ред. В.И.Крутов (М. Машиностроение, 1986 г.) на стр. 350, рис. 9, 14. In addition, when operating a plant operating in a closed thermodynamic cycle, a cooled working fluid emerging from the last gas cooler of the cycle is sent for compression to the first compressor of the plant. Moreover, any inert gas or nitrogen, which is heated, for example, in a nuclear reactor, can be used as the working fluid of the installation. In addition, an inert gas, for example, helium, neon or argon with an ionizing additive made, for example, in the form of cesium, and which is heated, for example, in a nuclear reactor, and then expanded before expanding in the turbine, can be used as the working fluid of the installation in an electric power generating magnetohydrodynamic generator. To achieve the above technical result, a power plant operated according to the claimed method is proposed, the prototype of which is a power plant presented in the book "Heat Exchanger" ed. V.I. Krutov (M. Mechanical Engineering, 1986) on p. 350, Fig. 9, 14.
При этом в энергетической установке, содержащей объединенные, например, трубопроводами циркуляции рабочего тела установки один или, преимущественно, два и более компрессоров с установленными между ними газоохладителем, выполненным с возможностью обеспечения отбора теплоты на теплофикацию, и/или холодильником, обеспечивающим передачу теплоты внешней среде, обогреваемую сторону по меньшей мере одного теплообменника-рекуператора, по меньшей мере один нагреватель рабочего тела, выполненный, например, в виде камеры сгорания органического топлива и соединенный с установленной за ним турбиной, выход из последней соединен с греющей стороной теплообменника-рекуператора, соединенной затем с греющей стороной последнего газоохладителя цикла, выход из которой соединен с атмосферой, при этом обогреваемая сторона, преимущественно, каждого газоохладителя присоединена к циркуляционному контуру, обеспечивающему потребителя тепловой энергией, соединение греющей стороны последнего газоохладителя цикла с атмосферой выполнено параллельно через трубопровод с запорно-регулирующей арматурой, а также через снабженный запорно-регулирующей арматурой трубопровод, соединенный с греющей стороной дополнительного теплообменника, выполненного с возможностью обеспечения предварительного подогрева атмосферного воздуха, поступающего в первый компрессор установки. Кроме того, обогреваемая сторона теплообменника-рекуператора на входе и выходе из нее рабочего тела может быть присоединена, например, трубопроводами через запорные арматуры к циркуляционному теплообменному контуру потребителя тепловой энергии, а трубопроводы или, например, полости, соединяющие вход и выход из нее рабочего тела с ближайшим компрессором и нагревателем, снабжены запорными арматурами, при этом указанные компрессоры и нагреватель соединены между собой обходящим теплообменник-рекуператор байпасным, например, трубопроводом, который снабжен запорной арматурой. Moreover, in a power plant containing one or, mainly, two or more compressors with, for example, combined with pipelines for circulating the working fluid of the plant, with a gas cooler installed between them, configured to provide heat removal for heating, and / or a refrigerator, providing heat transfer to the external environment , the heated side of at least one heat exchanger-recuperator, at least one working fluid heater, made, for example, in the form of an organic combustion chamber fuel and connected to a turbine installed behind it, the outlet from the latter is connected to the heating side of the heat exchanger-recuperator, then connected to the heating side of the last gas cooler of the cycle, the outlet of which is connected to the atmosphere, while the heated side, mainly of each gas cooler, is connected to the circulation circuit, providing the consumer with thermal energy, the connection of the heating side of the last gas cooler of the cycle with the atmosphere is made in parallel through a pipeline with shut-off and control fittings, as well as through a pipeline equipped with shut-off and control valves, connected to the heating side of an additional heat exchanger, made with the possibility of preheating the atmospheric air entering the first compressor of the installation. In addition, the heated side of the heat exchanger-recuperator at the inlet and outlet of the working fluid can be connected, for example, by pipelines through shut-off valves to the circulation heat-exchange circuit of the consumer of thermal energy, and pipelines or, for example, cavities connecting the input and output of the working fluid with the nearest compressor and heater, equipped with shutoff valves, while the said compressors and heater are interconnected bypassing the heat exchanger-recuperator, for example, a pipeline m, which is provided with a stop valve.
Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами, где изображены:
на фиг. 1 - принципиальная тепловая схема энергетической установки по варианту 1 исполнения;
на фиг. 2 - T-S диаграмма идеального цикла работы варианта 1 энергетической установки в период ее эксплуатации в режиме с минимальной (уменьшенной) выдачей потребителю тепловой энергии;
на фиг. 3 - T-S диаграмма идеального цикла работы варианта 1 энергетической установки в период ее эксплуатации в режиме с максимальной (увеличенной) выдачей потребителю тепловой энергии;
на фиг.4 - принципиальная тепловая схема энергетической установки по варианту 2 исполнения;
на фиг. 5 - T-S диаграмма идеального цикла работы варианта 2 энергетической установки в период ее эксплуатации в режиме с минимальной (уменьшенной) выдачей потребителю тепловой энергии;
на фиг. 6 - T-S диаграмма идеального цикла работы варианта 2 энергетической установки в период ее эксплуатации в режиме с максимальной (увеличенной) выдачей потребителю тепловой энергии
на фиг.7 - принципиальная тепловая схема энергетической установки по варианту 3 исполнения;
на фиг. 8 - T-S диаграмма идеального цикла работы варианта 3 энергетической установки в период ее эксплуатации в режиме с минимальной (уменьшенной) выдачей потребителю тепловой энергии;
на фиг. 9 - T-S диаграмма идеального цикла работы варианта 3 энергетической установки в период ее эксплуатации в режиме с максимальной (увеличенной) выдачей потребителю тепловой энергии;
на фиг. 10 - принципиальная тепловая схема энергетической установки по варианту 4 исполнения;
на фиг. 11 - T-S диаграмма идеального цикла работы варианта 4 энергетической установки в период ее эксплуатации в режиме с минимальной (уменьшенной) выдачей потребителю тепловой энергии;
на фиг. 12 - T-S диаграмма идеального цикла работы варианта 4 энергетической установки в период ее эксплуатации в режиме с максимальной (увеличенной) выдачей потребителю тепловой энергии;
Предлагаемый способ эксплуатации энергетической установки, производящей электрическую и тепловую энергию, осуществляется в следующей последовательности. В период эксплуатации энергетической установки в режиме с максимальной или увеличенной выдачей потребителю тепловой энергии сжатое рабочее тело установки направляют в обход теплообменника-рекуператора в нагреватель, мощность которого увеличивают соответственно расширившемуся диапазону температур нагреваемого рабочего тела, при этом теплообменник-рекуператор подключают по обогреваемой стороне к отбору теплоты для энерготехнологических нужд и/или теплоснабжения потребителя, для чего используют по меньшей мере один циркуляционный теплообменный контур, а в период эксплуатации установки в режиме с минимальной или уменьшенной выдачей потребителю тепловой энергии сжатое рабочее тело пропускают в качестве обогреваемой среды через указанный теплообменник-рекуператор, а мощность установленного за ним нагревателя уменьшают в соответствии с сократившимся при этом диапазоном температур нагреваемого рабочего тела.The essence of the invention is illustrated by drawings, which depict:
in FIG. 1 is a schematic thermal diagram of a power plant according to
in FIG. 2 - TS diagram of the ideal cycle of operation of
in FIG. 3 - TS diagram of the ideal cycle of operation of
figure 4 is a schematic thermal diagram of a power plant according to
in FIG. 5 - TS diagram of the ideal cycle of operation of
in FIG. 6 - TS diagram of the ideal cycle of operation of
Fig.7 is a schematic thermal diagram of a power plant according to
in FIG. 8 - TS diagram of the ideal cycle of operation of
in FIG. 9 - TS diagram of the ideal cycle of operation of
in FIG. 10 is a schematic thermal diagram of a power plant according to
in FIG. 11 - TS diagram of the ideal cycle of operation of
in FIG. 12 - TS diagram of the ideal cycle of operation of
The proposed method of operating a power plant producing electric and thermal energy is carried out in the following sequence. During the operation of the power plant in the mode with maximum or increased heat energy output to the consumer, the compressed working fluid of the installation is sent to bypass the heat exchanger-recuperator to the heater, the power of which is increased according to the expanded temperature range of the heated working fluid, while the heat exchanger-recuperator is connected to the selection via the heated side heat for energy technology needs and / or heat supply of the consumer, for which at least one circulation the heat exchange circuit, and during operation of the installation in the mode with minimal or reduced heat energy to the consumer, the compressed working fluid is passed as a heated medium through the specified heat exchanger-recuperator, and the power of the heater installed behind it is reduced in accordance with the reduced temperature range of the heated working fluid .
Кроме того, при эксплуатации энергоустановки по замкнутому или закрытому термодинамическому циклу охлажденное рабочее тело, вышедшее из последнего газоохладителя цикла, направляют на сжатие в первый компрессор установки. При этом в качестве рабочего тела установки может быть использован какой-либо инертный газ или азот, который нагревают, например, в ядерном реакторе. Кроме того, в качестве рабочего тела установки может быть использован инертный газ, например, гелий, неон или аргон с ионизирующейся присадкой, выполненной, например, в виде цезия, и который нагревают, например, в ядерном реакторе и затем, перед расширением в турбине, расширяют в производящем электроэнергию магнитогидродинамическом генераторе. In addition, when operating a power plant in a closed or closed thermodynamic cycle, the cooled working fluid emerging from the last gas cooler of the cycle is sent for compression to the first compressor of the installation. Moreover, any inert gas or nitrogen, which is heated, for example, in a nuclear reactor, can be used as the working fluid of the installation. In addition, an inert gas, for example, helium, neon or argon with an ionizing additive made, for example, in the form of cesium, and which is heated, for example, in a nuclear reactor and then, before expansion in the turbine, can be used as the working fluid of the installation expand in an electric power generating magnetohydrodynamic generator.
Вариант 1 исполнения энергетической установки по заявляемому изобретению состоит из следующих основных единиц оборудования, объединенных соответствующими трубопроводами или полостями корпусных конструкций (см. фиг.1). Первый, всасывающий атмосферный воздух компрессор 1 соединен с греющей стороной газоохладителя 2, которая затем соединена с охлаждаемой стороной холодильника 3, по подогреваемой стороне которого циркулирует вода, поступающая в него, например, из градирни. Далее выход рабочего тела из холодильника 3 соединен со входом газа во второй компрессор 4. Выход газа из компрессора 4 соединен через запорную арматуру 5 с обогреваемой стороной теплообменника-рекуператора 6, которая через запорную арматуру 7 соединена с нагревателем - камерой сгорания 8, куда одновременно подается органическое топливо компрессором (если топливо - газовое) или насосом, если топливо - жидкое (не показаны). Кроме того, компрессор 4 и камера сгорания 8 соединены между собой обходящим теплообменник 6 байпасным трубопроводом 9 с запорной арматурой 10. Выход нагретого рабочего тела из камеры сгорания 8 соединен с газовой турбиной 11, приводящей в движение компрессоры 1 - 4, а также электрогенератор 12, который в режиме запуска энергоустановки может работать в качестве пускового электродвигателя для указанных компрессоров и турбины. Выход рабочего тела из турбины 11 соединен с входом газа в греющую сторону теплообменника 6, выход газа из которой соединен с входом в греющую сторону газоохладителя 13. Выход газа из греющей стороны газоохладителя 13 параллельно соединен с атмосферой непосредственно через запорно-регулирующую арматуру 14, а также через запорно-регулирующую арматуру 15 с соединенной затем с атмосферой греющей стороной дополнительного теплообменника 16, выполненного с возможностью обеспечения дополнительного подогрева атмосферного воздуха, поступающего в компрессор 1.
Для обеспечения возможности передачи тепла потребителю обогреваемые стороны газоохладителей 2 и 13 присоединены к циркуляционному контуру потребителя тепла, включающему, кроме них, сетевой циркуляционный насос 17 и регулирующую арматуру 18, предназначенную для регулирования баланса мощностей, выдаваемых газоохладителями потребителю тепла. To ensure the possibility of heat transfer to the consumer, the heated sides of the
Для обеспечения дополнительной передачи тепла потребителю от электроустановки вход и выход газа из обогреваемой стороны теплообменника-рекуператора 6 присоединены через запорные арматуры 19 и 20 к второму циркуляционному контуру потребителя тепла, включающему также сетевой циркуляционный насос 21. Характерные точки изменения физического состояния рабочего тела установки (входы и выходы из основных элементов установки) отмечены на фиг. 1 буквами а, б, в, ... к. Этими же буквами на фиг. 2, 3 отмечены соответствующие характерные точки T - S диаграмм идеальных циклов работы вышеописанного варианта установки в двух основных режимах эксплуатации. In order to provide additional heat transfer to the consumer from the electrical installation, the gas inlet and outlet from the heated side of the heat exchanger-
На фиг. 2 изображена T-S диаграмма идеального цикла работы варианта 1 энергоустановки в режиме с минимальной выдачей тепла потребителю, например, в неотопительный сезон (5 мес. в году). При этом на диаграмме указаны следующие обозначения:
тепло (удельное), подводимое к циклу в камере сгорания 8;
Qрег. - тепло регенерации, передаваемое теплообменником 6 внутри цикла (направление теплопередачи показано стрелкой);
Qт2 - тепло, выдаваемое потребителю через газоохладитель 13;
Qух - тепло, отдаваемое во внешнюю среду (атмосферу) с уходящим газом;
Qт3 - тепло, выдаваемое потребителю через газоохладитель 2;
Qх - тепло, отдаваемое во внешнюю среду через холодильник 3;
а, б, в, ... к - характерные точки изменения физического состояния рабочего тела в данном режиме работы установки.In FIG. Figure 2 shows the TS diagram of the ideal cycle of operation of
heat (specific) supplied to the cycle in the combustion chamber 8;
Q reg. - heat of regeneration transmitted by the
Q t2 - heat supplied to the consumer through the
Q uh - heat transferred to the external environment (atmosphere) with flue gas;
Q t3 - heat supplied to the consumer through
Q x - heat transferred to the external environment through the
a, b, c, ... k - characteristic points of change in the physical state of the working fluid in a given operating mode of the installation.
На фиг. 3 изображена T-S диаграмма идеального цикла работы варианта 1 заявляемой энергоустановки в режиме ее эксплуатации с максимальной выдачей тепловой энергии потребителю (например, в отопительный сезон, длящийся около 7 мес. в году). При этом на диаграмме, в отличие от фиг. 2, указаны следующие дополнительные обозначения:
подведенное к циклу (в камере сгорания 8) тепло;
Qт1 - тепло, выдаваемое потребителю через теплообменник-рекуператор 6.In FIG. Figure 3 shows the TS diagram of the ideal cycle of operation of
heat supplied to the cycle (in the combustion chamber 8);
Q t1 - heat supplied to the consumer through the heat exchanger-
Изображенный на фиг. 4 вариант 2 энергоустановки, реализуемой по заявленному изобретению, устроен следующим образом. В отличие от изображенного на фиг. 1 варианта 1 данный вариант установки работает по замкнутому термодинамическому циклу с двухступенчатым подводом тепла в двух нагревателях, выполненных в виде газоохлаждаемых ядерных реакторов 22 и 23, выходы рабочего тела из которых соединены соответственно с газовыми турбинами 24 и 25. В конце 1980-х годов такие высокотемпературные газоохлаждаемые ядерные реакторы были признаны в мире, как наиболее перспективные варианты безопасных и эффективных реакторов на ближайшие десятилетия (см. , например, книгу "Ядерные газотурбинные и комбинированные установки", ред. Э.А.Манушин, М, Энергоатомиздат, 1993 г., стр. 262). Depicted in FIG. 4
Турбина 24 предназначена для привода в действие дополнительного электрогенератора 26. В качестве рабочего тела установки использован, например, одноатомный инертный газ (гелий) или азот. Кроме того, в данном варианте, в отличие от первого, отсутствует газоохладитель 2, выдающий тепло потребителю, а в связи с замкнутостью рабочего цикла перед входом рабочего тела, в компрессор 1 установлен дополнительный охлаждаемый водой холодильник 27, отдающий тепло рабочего тела внешней среде. The
Вход и выход газа из обогреваемой стороны установленного вслед за последней турбиной 25 теплообменника-рекуператора 6 присоединены через запорные арматуры 28 и 29 к газовому промежуточному теплообменному контуру, включающему также циркулятор газа, например, газодувку 30 и греющую сторону дополнительного теплообменника 31, обогреваемая сторона которого выполнена в виде составного элемента сетевого циркуляционного теплообменного контура, обеспечивающего потребителя тепловой энергией. Циркулятором сетевого контура может служить насос или газодувка 32. Газовый промежуточный теплообменный контур предназначен также для того, чтобы исключить возможность выхода радиоактивных веществ в сетевой контур потребителя тепла. В качестве теплоносителя этого газового контура использован тот же газ, что и для рабочего тела установки. С этой же целью исключения выхода радиоактивности в сетевой контур, обогреваемая сторона газоохладителя 13 подключена к второму сетевому контуру потребителя тепла через другой, например, газовый промежуточный контур, включающий, кроме газоохладителя 13, циркулятор газа 33 и теплообменник 34, через обогреваемую сторону которого циркулятор 33 прокачивает теплоноситель сетевого контура (например, воду). The gas inlet and outlet from the heated side of the heat exchanger-
Характерные точки изменения физического состояния рабочего тела данного варианта установки отмечены на фиг. 4 буквами а, б, в,... л. Этими же буквами отмечены соответствующие характерные точки T-S диаграмм (см. фиг. 5, 6) идеальных циклов работы данного варианта установки в двухосновных режимах ее эксплуатации. Остальные обозначения, представленные на фиг. 4, - те же, что на фиг. 1. The characteristic points of change in the physical state of the working fluid of this installation option are marked in FIG. 4 letters a, b, c, ... l. The same letters indicate the corresponding characteristic points of the T-S diagrams (see Figs. 5, 6) of ideal cycles of operation of this installation option in dibasic modes of its operation. The remaining symbols shown in FIG. 4 are the same as in FIG. 1.
На фиг. 5 изображена T-S диаграмма идеального цикла работы представленного на фиг. 4 варианта 2 предлагаемой энергоустановки в режиме ее эксплуатации с минимальной выдачей тепла потребителю (аналог см. фиг. 2). При этом на диаграмме указаны следующие обозначения:
тепло, подводимое к циклу в первом нагревателе - реакторе 22;
тепло, подводимое к циклу во втором нагревателе - реакторе 23;
Qрег. - тепло регенерации, передаваемое теплообменником 6 внутри цикла (направление передачи тепла показано стрелкой);
Qт2 - тепло, выдаваемое потребителю (например, для горячего водоснабжения) через газоохладитель 13;
Qх1 - тепло, отдаваемое во внешнюю среду через холодильник 27;
Qх2 - тепло, отдаваемое во внешнюю среду через холодильник 3;
а, б, в, ... л - характерные точки изменения физического состояния рабочего тела в данном режиме работы установки.In FIG. 5 is a TS diagram of an ideal cycle of operation shown in FIG. 4
heat supplied to the cycle in the first heater -
heat supplied to the cycle in the second heater -
Q reg. - heat of regeneration transmitted by the
Q t2 - heat supplied to the consumer (for example, for hot water supply) through
Q x1 - heat transferred to the external environment through the
Q x2 - heat transferred to the external environment through the
a, b, c, ... l are characteristic points of change in the physical state of the working fluid in a given operating mode of the installation.
На фиг. 6 изображена T-S диаграмма идеального цикла работы варианта 2 предлагаемой энергоустановки в режиме ее работы с максимальной выдачей тепла потребителю (аналог см. на фиг. 3). При этом на диаграмме указаны следующие дополнительные обозначения, не представленные на фиг. 5:
тепло, подводимое к циклу в первом нагревателе - реакторе 22;
Qт1 - тепло, выдаваемое потребителю через теплообменник 6.In FIG. Figure 6 shows a TS diagram of the ideal cycle of operation of
heat supplied to the cycle in the first heater -
Q t1 - heat supplied to the consumer through the
Представленный на фиг. 7 вариант 3 энергоустановки, реализуемой по заявляемому изобретению, имеет следующие отличия от варианта 2 установки, тепловая схема которого изображена на фиг. 4. Presented in FIG. 7,
В данном варианте в качестве рабочего тела используется инертный газ, например, гелий, неон или аргон с ионизирующейся присадкой, выполненной, например, в виде цезия. При необходимости установка может быть снабжена известными устройствами для ввода и вывода ионизирующейся присадки (не показаны). Нагрев рабочего тела до максимальной теплоты цикла осуществляется в одном реакторе 22, выход газа из которого соединен, например, трубопроводом с входом в магнитогидродинамический генератор (МГД-генератор) 36, производящий электроэнергию и который можно рассматривать как высокотемпературную газовую турбину. Следует отметить, что по предлагаемому техническому решению возможно создание использующей МГД-генератор энергоустановки, которая работает по открытому термодинамическому циклу (не показано). Выход газа из МГД-генератора 36 соединен с входом в турбину 25. Рабочий цикл установки дополнен третьим компрессором 37, перед входом рабочего тела в который установлен охлаждаемый водой холодильник 38, с помощью которого тепло отдается во внешнюю среду. In this embodiment, an inert gas, for example, helium, neon or argon with an ionizing additive made, for example, in the form of cesium, is used as a working fluid. If necessary, the installation can be equipped with known devices for input and output of an ionizing additive (not shown). Heating of the working fluid to the maximum heat of the cycle is carried out in one
В связи с тем, что первый контур циркуляции рабочего тела установки может быть радиоактивен, особенно при использовании аргона в качестве основного рабочего тела, данный вариант установки снабжен дополнительным защитным промежуточным теплообменным контуром потребителя тепловой энергии, который присоединен к обогреваемой стороне теплообменника 31 и включает в себя также газодувку или компрессор 39 и теплообменник 40. Через теплообменник 40 с помощью циркулятора 41 тепло передается, наконец, потребителю тепла. В качестве теплоносителя промежуточного теплообменного контура использован тот же инертный газ, что в рабочем теле установки. Due to the fact that the first circuit of the working fluid of the installation can be radioactive, especially when using argon as the main working fluid, this installation option is equipped with an additional protective intermediate heat exchange circuit of the consumer of thermal energy, which is connected to the heated side of the
Характерные точки изменения физического состояния рабочего тела установки (вход и выход газа из основных элементов установки) отмечены на тепловой схеме буквами а, б, в, ... м. Этими же буквами отмечены соответствующие характерные точки T-S диаграмм (см. фиг. 8, 9) идеальных циклов работы вышеописанного варианта 3 установки в двух основных режимах ее эксплуатации. Остальные обозначения, представленные на фиг. 7, - те же, что на фиг. 4. The characteristic points of change in the physical state of the working fluid of the installation (gas inlet and outlet from the main elements of the installation) are marked on the thermal diagram with the letters a, b, c, ... m. These letters also indicate the corresponding characteristic points of the TS diagrams (see Fig. 8, 9) ideal cycles of operation of the
На фиг. 8 изображена T-S диаграмма работы варианта 3 энергоустановки в режиме с минимальной выдачей тепла потребителю. При этом на диаграмме представлены следующие обозначения:
тепло, подводимое в цикле в реакторе 22;
Qрег. - тепло регенерации, передаваемое теплообменником-рекуператором 6 внутри цикла;
Qт2 - тепло, выдаваемое потребителю через газоохладитель 13;
Qх1, Qх2, Qх3 - тепло, отдаваемое во внешнюю среду через холодильники 27, 3 и 38;
а, б, в, ... м - характерные точки изменения физического состояния рабочего тела в данном режиме работы.In FIG. 8 shows a TS diagram of the operation of
heat supplied in a cycle in the
Q reg. - heat of regeneration transmitted by the heat exchanger-
Q t2 - heat supplied to the consumer through the
Q x1 , Q x2 , Q x3 - heat transferred to the external environment through
a, b, c, ... m - characteristic points of change in the physical state of the working fluid in a given operating mode.
На фиг. 9 изображена T-S диаграмма идеального цикла работы варианта 3 энергоустановки в режиме ее эксплуатации с максимальной выдачей потребителю тепловой энергии. При этом в отличие от фиг. 8, на данной диаграмме указаны следующие дополнительные обозначения:
тепло, подводимое в цикле в реакторе 22 (для данного режима эксплуатации);
Qт1 - тепло, выдаваемое потребителю через теплообменник-рекуператор 6.In FIG. Figure 9 shows the TS diagram of the ideal cycle of operation of
heat supplied in a cycle in the reactor 22 (for a given operating mode);
Q t1 - heat supplied to the consumer through the heat exchanger-
Представленный на фиг. 10 вариант 4 энергоустановки, реализуемой по заявляемому изобретению, имеет следующие отличия от варианта 3 установки, тепловая схема которого изображена на фиг. 7. Presented in FIG. 10,
Выход рабочего тела из МГД-генератора 36 соединен, например, трубопроводом с греющей стороной второго теплообменника 42, выход греющей среды из которого соединен с входом рабочего тела в газовую турбину 25, соединенную затем с греющей стороной первого теплообменника-рекуператора 6, постоянно работающего, например, в качестве рекуператора цикла. Второй теплообменник-рекуператор 42 выполнен с возможностью передачи потребителю высокопотенциальной тепловой энергии через дополнительный циркуляционный теплообменный контур, присоединенный к обогреваемой стороне этого теплообменника через запорные арматуры 43 и 44. Кроме того, трубопроводы соединения входа и выхода обогреваемой стороны теплообменника-рекуператора 42 соответственно с выходом из обогреваемой стороны теплообменника 6 и с входом в реактор 22 снабжены запорными арматурами 45 и 46. При этом выход рабочего тела из обогреваемой стороны первого теплообменника-рекуператора 6 и вход газа в реактор соединены обходящим второй теплообменник-рекуператор 42 байпасным трубопроводом 47, который снабжен запорной арматурой 48. Получаемое от теплообменника-рекуператора 42 высокотемпературное тепло дополнительный теплообменный контур может передавать далее в промежуточный "защитный" теплообменный контур через теплообменник 49. Циркулятор дополнительного теплообменного контура, теплоносителем которого служит тот же газ, что использован в рабочем теле установки, выполнен в виде компрессора или газодувки 50. Вышеуказанный промежуточный "защитный" газовый теплообменный контур включает в себя, кроме обогреваемой стороны теплообменника 49, циркулятор 51 и греющую сторону сетевого теплообменника 52, являющегося источником тепла в контуре потребителя. The output of the working fluid from the
Циркулятором контура потребителя служит по меньшей мере одна газодувка или компрессор 53, а теплоносителем может служить газ, обладающий приемлемыми теплофизическими свойствами (например, гелий) или смесь химически реагирующих газов, обеспечивающих дальнюю (больше 100 км) транспортировку по трубопроводу теплоты от источника тепла (известный хемотермический способ передачи тепловой энергии). At least one gas blower or
Характерные точки изменения физического состояния рабочего тела данного варианта энергоустановки отмечены на фиг. 10 буквами а, б, в, ..., п. Этими же буквами отмечены соответствующие характерные точки T-S диаграмм (см. фиг. 11, 12) идеальных циклов работы данного варианта установки в двух основных режимах ее эксплуатации. Остальные обозначения, представленные на фиг. 10, - те же, что и на фиг. 7. The characteristic points of change in the physical state of the working fluid of this variant of the power plant are marked in FIG. 10 letters a, b, c, ..., p. The same letters indicate the corresponding characteristic points of the T-S diagrams (see Figs. 11, 12) of ideal cycles of operation of this installation option in two main modes of its operation. The remaining symbols shown in FIG. 10 are the same as in FIG. 7.
На фиг. 11 изображена T-S диаграмма идеального цикла работы представленного на фиг. 10 варианта 4 предлагаемой энергоустановки в режиме ее эксплуатации с минимальной выдачей тепловой энергии потребителю. При этом на диаграмме указаны следующие обозначения:
тепло, подводимое в цикле в реакторе 22;
Qр2, Qр1 - тепло регенерации, передаваемое теплообменниками-рекуператорами 6 и 42 внутри цикла;
Qт - тепло, выдаваемое потребителю через газоохладитель 13;
Qх1, Qх2, Qх3 - тепло, отдаваемое во внешнюю среду соответственно через холодильники 27, 3 и 38;
а, б, в, ... п - характерные точки изменения физического состояния рабочего тела в данном режиме работы.In FIG. 11 is a TS diagram of an ideal cycle of operation shown in FIG. 10
heat supplied in a cycle in the
Q p2 , Q p1 - heat of regeneration transmitted by heat exchangers-
Q t - heat supplied to the consumer through the
Q x1 , Q x2 , Q x3 - heat transferred to the external environment, respectively, through
a, b, c, ... p - characteristic points of change in the physical state of the working fluid in a given operating mode.
На фиг. 12 изображена T-S диаграмма идеального цикла работы варианта 4 энергоустановки в режиме ее эксплуатации с максимальной выдачей потребителю тепловой энергии. При этом в отличие от фиг. 11 на данной диаграмме указаны следующие дополнительные обозначения:
тепло, подводимое в цикле в реакторе 22 (в данном режима эксплуатации);
Qвт - высокопотенциальное тепло, выдаваемое потребителю через теплообменник-рекуператор 42.In FIG. Figure 12 shows a TS diagram of the ideal cycle of operation of
heat supplied in a cycle in the reactor 22 (in this operating mode);
Q W - high potential heat supplied to the consumer through the heat exchanger-
Четыре вышеописанных варианта реализации энергетических установок (ЭУ), действующих по предлагаемому способу эксплуатации, работают в двух основных режимах эксплуатации следующим образом. Four of the above options for the implementation of power plants (EU), operating on the proposed method of operation, operate in two main modes of operation as follows.
Вариант 1.
Режим эксплуатации варианта 1 ЭУ при минимальной (уменьшенной) выдаче тепловой энергии потребителю (см. фиг. 1, 2)
В период этого режима эксплуатации ЭУ (например, в неотопительный сезон и т. п.) положение арматуры в трактах циркуляции рабочего тела и теплоносителя следующие: запорные арматуры 10, 19, 20 - закрыты; запорные арматуры 14, 15 - обе прикрыты или по меньшей мере одна из них закрыта; запорно-регулирующая арматура 18 - приоткрыта.The operating mode of
During this operating mode of the EA (for example, during the non-heating season, etc.), the position of the valves in the circulation paths of the working fluid and coolant is as follows: shut-off
Запуск в действие компрессоров 1, 4 и турбины 11 осуществляется электрогенератором 12, работающим в это время пусковым электродвигателем. Таким образом компрессор 1 засасывает атмосферный воздух (например, с температурой Тд = 30oC) и сжимает его до некоторого давления, в результате чего температура воздуха повышается до величины (Тe = 210oC), достаточной для того, чтобы за счет его охлаждения в газоохладителе 2 до приемлемой температуры (Тж = 110oC) передать тепло потребителю, например, для коммунального теплоснабжения. Далее после выхода из греющей стороны газоохладителя 2 под действием работы компрессора 1 воздух поступает в холодильник 3, где еще более охлаждается (до Тз ≈30oC) за счет передачи тепла Qх внешней среде. Затем охлажденный воздух еще более сжимается в компрессоре 4 (например, до 26,8 ата, нагреваясь при этом до Ти = 210oC) и затем через открытую запорную арматуру 5 поступает в обогреваемую сторону (например, в межтрубное пространство) теплообменника-рекуператора 6, служащего в данном режиме эксплуатации установки регенератором. В теплообменнике-рекуператоре 6 за счет теплоты газа, вышедшего из турбины 11, воздух подогревается (например, до Тк = 510oC) при температуре вышедшего из турбины газа Тб = 530oC) и затем подается через открытую арматуру 7 в камеру сгорания 8, куда одновременно с воздухом подается для горения газообразное или жидкое органическое топливо. Сжигание топлива (подвод тепла Q) происходит в камере сгорания 8 при постоянном повышенном давлении. Газообразные продукты сгорания в результате расширения за счет своей кинетической энергии вращают газовую турбину 11, которая соответственно приводит в действие компрессоры 1, 4, а также электрогенератор 12, производящий электроэнергию, подаваемую потребителям. В результате совершения полезной работы в турбине 11 температура расширения рабочего тела установки понижается (например, с Та = 1250oC до Тб = 530oC). Далее вышедшее из турбины 11 газовое рабочее тело поступает в греющую сторону теплообменника 6, где в результате вышеуказанного регенеративного подогрева сжатого в компрессоре 4 газа (Qрег.) охлаждается до температуры (Тв = 230oC), достаточно высокой для использования в теплопотреблении. Таким образом газ с указанной температурой (Тв) поступает в качестве греющей среды в газоохладитель 13, где охлаждается (отдавая тепло Qт2) теплоносителем контура потребителя до приемлемой температуры (Тг = 110oC). После газоохладителя 13 рабочее тело установки охлаждают (Qух.) до минимальной температуры цикла Тд путем выпуска газа в атмосферу через одну открытую запорно-регулирующую арматуру 14 или через запорно-регулирующую арматуру 15, или через обе приоткрытые соответствующим образом арматуры 14 и 15. Вышеуказанные открытые положения арматуры 15 предусмотрены в случае необходимости увеличения выдачи потребителю (с некоторым уменьшением электрического КПД установки) тепловой энергии через газоохладитель 2, например, в периоды с низкой (Тд<0oC) температурой атмосферного воздуха. В этом режиме проходящая через арматуру 15 часть расхода газа (или весь его расход) далее при прохождении через греющую сторону дополнительного теплообменника 16 будет предварительно подогревать засасываемый компрессором 1 полный расход атмосферного воздуха до исходной температуры Тд, обеспечивающей в результате сжатия температуру воздуха на входе в греющую сторону газоохладителя 2 Те = 210oC, что обеспечит увеличенную мощность передачи тепла потребителю газоохладителем 2. Для охлаждения рабочего тела установки и соответствующего приема тепла (Qт3 и Qт2) потребителем через обогреваемые стороны газоохладителей 2 и 13 насосом 17 прокачивается вода с температурой на входе в газоохладители ≥ 70oC. Для согласования мощностей газоохладителей 2 и 13, в результате чего выходная температура сетевой воды будет составлять заданную величину 150 - 180oC служит регулирующая арматура 18. В результате теплофикационная система потребителя получает сетевую воду отопительных параметров (см. , например, книгу "Теплофикационные системы", Л. С.Хрилев, М, Энергоатомиздат, 1988 г., стр. 179 - 181).The start-up of the
Учитывая вышеприведенные для примера величины температур рабочего тела цикла (см. фиг. 2) приведем результаты количественной оценки работы данного варианта энергетической установки в рассмотренном режиме ее эксплуатации с минимальной (уменьшенной) выдачей потребителю тепловой энергии (например, в период 5-месячного в году неотопительного сезона, в который потребляется тепло на постоянное в течение года горячее водоснабжение и прочие технологические нужды. Considering the temperatures of the working fluid of the cycle given above for an example (see Fig. 2), we present the results of a quantitative assessment of the operation of this variant of a power plant in the considered mode of its operation with minimal (reduced) heat energy output to the consumer (for example, during a 5-month non-heating year the season in which heat is consumed for a constant hot water supply throughout the year and other technological needs.
Абсолютный электрический КПД ЭУ - 44%. The absolute electrical efficiency of the EU is 44%.
Примем тепловую мощность камеры сгорания в этом режиме - 600 МВт (т). We take the thermal power of the combustion chamber in this mode - 600 MW (t).
Тогда электрическая мощность ЭУ составляет - 264 МВт (эл). Then the electric power of the EU is - 264 MW (e).
Выдаваемая потребителю газоохладителями 2 и 13 тепловая мощность - 156 МВт (т). The heat output to the consumer by
Коэффициент использования тепла топлива - 70%. The fuel heat utilization coefficient is 70%.
Коэффициент термодинамической эффективности цикла - 53,1%. The thermodynamic efficiency coefficient of the cycle is 53.1%.
Режим эксплуатации варианта 1 ЭУ при максимальной (увеличенной) выдаче тепловой энергии потребителю. The operating mode of
Данный режим (см. фиг. 1, 3) эксплуатации энергетической установки (например, в период отопительного сезона и т.п. наиболее полно отражает сущность заявляемого технического решения. Отличия работа ЭУ в этом режиме от вышеизложенного следующие. This mode (see Fig. 1, 3) of the operation of the power plant (for example, during the heating season, etc., most fully reflects the essence of the claimed technical solution. The differences between the operation of the EA in this mode from the foregoing are as follows.
Арматуры 10, 19 и 20 переключаются в положение - "открыто", а арматуры 5, 7 - в положение "закрыто". В результате сжатое в последнем (во втором) компрессоре 4 газовое рабочее тело установки поступает с тем же расходом, что и в предыдущем режиме работы ЭУ, в обход теплообменника-рекуператора 6, в нагреватель - камеру сгорания 8, мощность которой увеличивают (за счет подачи дополнительного топлива) соответственно расширившемуся диапазону температур нагреваемого рабочего тела (то есть для выбранного количественного примера нагревают до Та = 1250oC не с Тк = 510oC, а с температуры Ти = 210oC). Таким образом через газовую турбину 11 проходит тот же, что и в предыдущем режиме расход рабочего тела с той же входной температурой и давлением, в результате чего электрогенератор 12 вырабатывает и в этом режиме такую же электрическую мощность (Nэл. = const). Как и в вышеописанном режиме эксплуатации вышедший из турбины 11 газ проходит через греющие стороны теплообменника 6 и газоохладителя 13, после чего в итоге выпускается в атмосферу.
Отличие работы теплообменника-рекуператора 6 в данном режиме состоит в том, что с помощью открывающихся арматур 19 и 20 через обогреваемую сторону этого теплообменника циркулятором 21 теплообменного контура потребителя прокачивают для соответствующего нагрева теплоноситель, который может быть выполнен в виде воды (пара) или газа. Таким образом, в этом режиме (без необходимости ввода дополнительного теплообменника) потребителю выдается дополнительное значительное количество тепла без высокого потенциала (рабочее тело установки охлаждается при теплопередаче потребителю с Тб = 530oC до Тв = 230oC). Эти параметры выдаваемой тепловой энергии могут удовлетворить более широкий круг потребителей, чем в первом режиме эксплуатации ЭУ. Так, например, анализ теплопотребления основных отраслей промышленности показывает, что более 60% потребляемой теплоты приходится на долю водяного пара. В зависимости от характера и условий технологического процесса параметры потребляемого пара изменяются в широком диапазоне: давление от 0,2 до 10,0 МПа, температура - от 150 до 500oC (см., например, книгу "Теплофикационные системы", М, Энергоатомиздат, 1988 г., стр. 223 - 225). При этом в большинстве технологических процессов применяется водяной пар с давлением 0,5 - 4,0 МПа.The difference between the operation of the heat exchanger-
Для паровой системы теплоснабжения потребителя могут быть использованы, например, однотрубная и двухтрубная системы с возвратом конденсата, в составе которых предусмотрены: паровые отопительные установки по зависимой схеме; водяные отопительные установки по независимой схеме; установки горячего водоснабжения; технологические аппараты - потребители пара и т.п. (см., например, книгу "Теплотехнический справочник", ред. В.Н.Юренев и П.Д.Лебедев, М, Энергия, 1975 г., т. 1, стр. 578 - 580). For a steam consumer heating system, for example, one-pipe and two-pipe systems with condensate return can be used, which include: steam heating plants according to a dependent scheme; independent water heating systems; hot water installations; technological devices - steam consumers, etc. (see, for example, the book "Thermal Engineering Handbook", ed. V.N. Yurenev and P.D. Lebedev, M, Energy, 1975, v. 1, pp. 578-580).
Количественная оценка работы ЭУ в рассмотренном режиме ее эксплуатации и сравнение с показателями предыдущего режима работы установки. A quantitative assessment of the operation of power plants in the considered mode of operation and comparison with indicators of the previous operating mode of the installation.
Абсолютный электрический КПД ЭУ - 32%. The absolute electrical efficiency of the EU is 32%.
За счет расширившегося диапазона температур нагреваемого газа мощность камеры сгорания 8 увеличится с 600 до 824 МВт. Due to the expanded temperature range of the heated gas, the power of the combustion chamber 8 will increase from 600 to 824 MW.
Электрическая мощность ЭУ - 264 МВт (эл) - const. Electric power of EU - 264 MW (e) - const.
Выдаваемая потребителю газоохладителями 2 и 13 тепловая мощность - 156 МВт (т). The heat output to the consumer by
Выдаваемая потребителю теплообменником 6 дополнительная тепловая мощность более высокого потенциала - 224 МВт (т). Additional heat output of a higher potential given to the consumer by
Суммарная тепловая мощность, выдаваемая в этом режиме потребителю - 380 МВт (т). The total heat output in this mode to the consumer is 380 MW (t).
Коэффициент использования тепла топлива - 78,1%. The fuel heat utilization rate is 78.1%.
Коэффициент термодинамической эффективности цикла - 53,9%. The thermodynamic efficiency coefficient of the cycle is 53.9%.
Таким образом, при переходе энергетической установки с режима эксплуатации с минимальной выдачей тепловой энергии (этому режиму соответствует прототипное техническое решение) в режим эксплуатации при максимальной выдаче потребителю тепловой энергии выявляются следующие положительные факторы заявляемого технического решения. Thus, when a power plant switches from an operating mode with a minimum heat energy output (a prototype technical solution corresponds to this mode) to an operating mode with the maximum heat energy output to a consumer, the following positive factors of the claimed technical solution are revealed.
При сохранении электрической мощности генератора ЭУ коэффициент использования тепла топлива увеличивается с 70 до 78,1% (на 8,1 абс.%); коэффициент термодинамической эффективности цикла возрастает с 53,1 до 53,9% (на 0,8 абс. %), а суммарная тепловая мощность, выдаваемая потребителю, возрастает в 2,43 раза (на 224 МВт). While maintaining the electric power of the generator, the coefficient of fuel heat utilization increases from 70 to 78.1% (by 8.1 abs.%); the thermodynamic efficiency coefficient of the cycle increases from 53.1 to 53.9% (by 0.8 abs.%), and the total heat output to the consumer increases by 2.43 times (by 224 MW).
Следовательно, для удовлетворения потребностей потребителя в периодически увеличиваемой выдаче ему тепловой энергии предлагаемое техническое решение исключает необходимость в проведении достаточно больших затрат на строительство и эксплуатацию дополнительной котельной, производящей необходимое потребителю в периоды максимального потребления среднепотенциальное тепло с температурой > 300 - 400oC. При этом с учетом того, что КПД современных котельных на органическом топливе составляет 90%, номинальная мощность нагревателя дополнительной котельной должна быть на 11% больше той величины дополнительной тепловой мощности, которая может быть выдана потребителю от единой энергоустановки, производящей электрическую и тепловую энергию по предлагаемому способу. То есть для производства такого же количества дополнительного тепла, как в заявляемой энергоустановке, в нагревателе вышеупомянутой дополнительной котельной должно непроизводительно сжигаться топлива больше, чем в заявляемой ЭУ, на 11% (1/0,9 = 1,11).Therefore, in order to meet the consumer’s needs for periodically increasing heat supply to him, the proposed technical solution eliminates the need for a sufficiently large cost for the construction and operation of an additional boiler house that produces average potential heat with a temperature> 300 - 400 o C. necessary for the consumer during periods of maximum consumption. taking into account the fact that the efficiency of modern boiler plants using fossil fuels is 90%, the rated power of the heater is additional boiler room should be 11% more than the amount of additional heat capacity that can be provided to the consumer from a single power plant that produces electric and thermal energy by the proposed method. That is, to produce the same amount of additional heat as in the claimed power plant, the heater of the above-mentioned additional boiler should be unproductive to burn more fuel than in the claimed EU by 11% (1 / 0.9 = 1.11).
Для вышерассмотренного количественного примера ЭУ вышеизложенные факторы определяют следующие производственно-хозяйственные показатели. For the above quantitative example of EU, the above factors determine the following production and business indicators.
Номинальная тепловая мощность дополнительной котельной Nк = 224/0,9 = 249 МВт (т). С учетом современных удельных капитальных затрат при строительстве котельной на органическом топливе стоимость строительства такой котельной составит ≈20 млн. долларов США.Rated thermal power of the additional boiler room N k = 224 / 0.9 = 249 MW (t). Taking into account the current specific capital costs in the construction of a fossil fuel boiler house, the cost of building such a boiler house will be ≈20 million US dollars.
При этом годовой расход дополнительно сжигаемого в течение 5500 ч в году газового топлива в нагревателе котельной (11% от номинального расхода газа) составит ≈20,3 млн. м3/год, что по современным ценам природного газа составит ≈1,1 млн.дол. США/год (статья дополнительных эксплуатационных расходов).At the same time, the annual consumption of additional gas fuel burned for 5500 hours a year in the boiler room heater (11% of the nominal gas consumption) will be ≈20.3 million m 3 / year, which will be ≈1.1 million at current natural gas prices. dale US / year (additional operating expenses).
Стоимость строительства основной известной теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), производящей электроэнергию мощностью 264 МВт (эл) и тепловую энергию мощностью 156 МВт (см. режим с мин. выдачей потребителю тепловой энергии) составит ≈ 132 млн.дол. США. The cost of building the main well-known heat and power plant (CHP) producing electricity with a capacity of 264 MW (electric) and thermal energy with a capacity of 156 MW (see the regime with a minimum delivery of thermal energy to a consumer) will be ≈ 132 million. USA.
Следовательно, суммарные капитальные затраты на строительство основанных на базе известных техрешений дополнительной котельной и энергоустановки на органическом топливе составит 20 + 132 = 152 млн.дол. США. Consequently, the total capital expenditures for the construction of an additional boiler house and a fossil fuel power plant based on the well-known technical solutions will amount to 20 + 132 = 152 million dollars. USA.
Вместе с тем, капитальные затраты на строительство создаваемой для реализации предлагаемого способа единой ТЭЦ, обеспечивающей решение задач, поставленных перед вышеуказанными известными котельной и ТЭЦ, составляет меньшую величину, то есть - 135 млн.дол.США. At the same time, capital expenditures for the construction of a single CHPP created for the implementation of the proposed method, which provides solutions to the tasks set for the above-mentioned well-known boiler houses and CHPPs, is less, that is, 135 million USD.
В связи с изложенным для рассматриваемого варианта 1 предлагаемой энергоустановки экономия только капитальных затрат в результате реализации заявленного техрешения составит (152 - 135/152)•100% = 11,2% от суммы капитальных затрат, требующихся для строительства ТЭЦ и дополнительной котельной, создаваемых по известным техническим решениям. In connection with the above, for the considered
Кроме того, с учетом вышеуказанной (11%-ной) экономии топлива, нерационально сжигаемого в дополнительной котельной, ежегодная экономия эксплуатационных затрат в результате реализации заявляемого техрешения составит не менее ≈25% от суммы годовых эксплуатационных затрат, требующихся при эксплуатации ТЭЦ и дополнительной котельной, созданных по известным техническим решениям. In addition, taking into account the above (11%) saving of fuel irrationally burned in an additional boiler room, the annual savings in operating costs resulting from the implementation of the proposed technical solution will be at least ≈25% of the total annual operating costs required for the operation of a thermal power plant and additional boiler room, created by well-known technical solutions.
Вариант 2.
Режим эксплуатации варианта 2 ЭУ при минимальной (уменьшенной) выдаче тепловой энергии потребителю
В период этого режима (см. фиг. 4, 5) эксплуатации ЭУ (например, в неотопительный сезон и т.п.) положения арматуры на трактах циркуляции рабочего тела и теплоносителя следующие: запорные арматуры 5, 7 - открыты; запорные арматуры 10, 28 и 29 - закрыты. Запуск в действие компрессоров 1, 4, турбины 25, а также турбины 24, производятся соответственно электрогенераторами 12 и 26, работающими в это время в качестве пусковых электродвигателей от внешней сети питания. Таким образом, в процессе работы ЭУ компрессор 1 засасывает охлажденное в холодильнике 27 (до Тж = 30oC) газообразное рабочее тело установки (например, гелий) с исходным давлением, например, 20 ата и сжимает его до давления 31 ата, в результате чего температура гелия повышается до величины Тз(88oC). Далее гелий поступает в холодильник 3, где опять охлаждается до Ти (≈30oC), и затем поступает в компрессор 4, который сжимает газ, например, до 121,3 ата. В результате указанного сжатия из компрессора 4 выходит газ с температурой Тк = 250oC. Далее под действием компрессоров 1 и 4 этот газ через открытую запорную арматуру 5 поступает в обогреваемую сторону теплообменника-рекуператора 6, служащего в данном режиме эксплуатации ЭУ регенератором. В теплообменнике-рекуператоре 6 за счет теплоты газа, вышедшего из турбины 25, гелий регенеративно подогревается (например, до Тл = 490oC при температуре вышедшего из турбины газа Тг - 510oC) и затем через открытую арматуру 7 поступают в первый нагреватель ЭУ - ядерный реактор 22, где нагревается при постоянном давлении (например, до Та = 850oC). Далее сжатое и нагретое рабочее тело установки поступает в газовую турбину 24 и при этом в результате расширения вращает ее за счет своей кинетической энергии. Свою механическую энергию турбина 24 передает производящему электроэнергию генератору 26. В результате совершения полезной работы в турбине температура расширившегося рабочего тела установки понижается (например, с Та = 850oC до Тб = 510oC). Далее вышедшее из турбины 24 рабочее тело с давлением 49 ата поступает для повторного нагрева во второй нагреватель ЭУ - ядерный реактор 23, где нагревается, например, до температуры Тв = 850oC. После реактора 23 нагретый гелий аналогично вышесказанному поступает в турбину 25, приводя ее во вращение. В результате турбина 25 приводит в действие, кроме компрессоров 1 и 4, также второй электрогенератор 12. Далее охладившийся (например, до Тг = 510oC) и расширившийся до давления 20 ата гелий поступает в греющую сторону теплообменника-рекуператора 6, где в результате вышеупомянутого регенеративного подогрева сжатого в компрессоре 4 рабочего тела охлаждается до температуры (например, до Тд = 270oC), достаточной для использования в теплопотреблении. В связи с этим газ с указанной температурой Тд поступает в качестве греющей среды в газоохладитель 13, где охлаждается теплоносителем промежуточного теплообменного контура до приемлемой температуры (Те = 110oC). После газоохладителя 13 рабочее тело охлаждают в холодильнике 27 до минимальной температуры цикла (например, до Тж = 30oC), после чего газ опять направляется на всас компрессора 1. Таким образом цикл изменения состояния рабочего тела установки замыкается. Для вышеописанного охлаждения рабочего тела от температуры Тд до Те (см. фиг. 5) через обогреваемую сторону газоохладителя 13 циркулятором 33 прокачивают теплоноситель (например, тот же газ, что используется для рабочего тела установки), который в теплообменнике 34 передает полученное от рабочего тела тепло теплоносителю (например, воде) сетевого контура потребителя тепла, по которому упомянутый теплоноситель прокачивают циркулятором 35.The operating mode of
During this mode (see Fig. 4, 5) of the operation of electric power units (for example, during the non-heating season, etc.), the position of the valves on the circulation paths of the working fluid and coolant are as follows:
Количественные оценки вышеописанного варианта 2 предлагаемого ЭУ в режиме ее эксплуатации с минимальной выдачей потребителю тепловой энергии. Quantitative assessments of the
Абсолютный электрический КПД ЭУ - 46%. The absolute electrical efficiency of the EU is 46%.
Отношение тепловой мощности, выдаваемой потребителю через газоохладитель 13 (Qт2), к мощности нагревательной установки
Причем такую же, как в примере для варианта 1 ЭУ максимальную мощность нагревателей ЭУ - 600 МВт (т). Например, известно, что с такой же тепловой мощностью в настоящее время американской фирмой "Дженерал Атомик" совместно с российскими специалистами проектируется однореакторная ядерная газотурбинная установка, предназначенная для производства только электрической энергии (см. , например, журнал "Nuclear Europe Worldocan", N 7/8, 1993, p. 71).The ratio of heat output to the consumer through the gas cooler 13 (Q t2 ), to the power of the heating installation
And the same as in the example for
Тогда электрическая мощность, производимая ЭУ, составит - 276 МВт (эл). Then the electric power produced by the EU will be - 276 MW (e).
Выдаваемая потребителю (через газоохладитель 13) тепловая мощность - 137,2 МВт (т). The heat output to the consumer (via gas cooler 13) is 137.2 MW (t).
Коэффициент использования тепла топлива - 68,9%. The fuel heat utilization coefficient is 68.9%.
Коэффициент термодинамической эффективности цикла - 54,8%. The thermodynamic efficiency coefficient of the cycle is 54.8%.
Режим эксплуатации варианта 2 ЭУ при максимальной (увеличенной) выдаче тепловой энергии потребителю. The operating mode of
Отличия работы энергетической установки в этом режиме от вышеописанного - следующие (см. фиг.4 и 6). The differences in the operation of the power plant in this mode from the above are the following (see figures 4 and 6).
Запорные арматуры 5 и 7 переключены в положение "закрыто", а арматуры 10, 28 и 29 - в положение "открыто". В результате сжатое в последнем (во втором) компрессоре 4 рабочее тело установки с тем же расходом, что и в предыдущем режиме работы ЭУ, поступает в обход теплообменника 6 по байпасному трубопроводу 9 через открытую арматуру 10 в первый нагреватель ЭУ - ядерный реактор 22. При этом мощность реактора 22 увеличивают соответственно расширенному в данном режиме диапазону температур нагреваемого рабочего тела. То есть для выбранного количественного приема гель нагревают в реакторе 22 до Та = 850oC не с температуры Тл = 490oC, а с температуры Тк = 250oC. В итоге через газовые турбины 24 и установленную вслед за реактором 23 турбину 25 проходит тот же, что и в предыдущем режиме работы расход рабочего тела с теми же величинами входной температуры и давления, в результате чего электрогенераторы 26 и 12 вырабатывают такую же суммарную электрическую мощность.
Отличие работы теплообменника-рекуператора 6 в данном режиме эксплуатации от предыдущего состоит в том, что с помощью открывшихся арматур 28 и 29 через обогреваемую сторону этого теплообменника циркулятором 30 газового промежуточного теплообменного контура прокачивают газ, который отдает полученное в теплообменнике-рекуператоре 6 тепло сетевому теплоносителю потребителя тепла через теплообменник 31. В результате циркулятор 32 сетевого контура, прокачивая теплоноситель (например, водяной пар или воду) через обогреваемую сторону теплообменника 31 далее подает нагретый сетевой теплоноситель к потребителям тепловой энергии. Таким образом через теплообменник 31 потребителю может выдаваться тепловая энергия среднего потенциала, то есть с температурой более 400oC.The difference between the operation of the heat exchanger-
Количественная оценка работы варианта 2 ЭУ в рассмотренном режиме ее эксплуатации. Quantitative assessment of the operation of
Абсолютный электрический КПД ЭУ - 34,2%. The absolute electrical efficiency of the EU is 34.2%.
Отношение величин дополнительной тепловой мощности, выдаваемой потребителю в этом режиме через теплообменник 6 (Qт1), к суммарной мощности нагревателей установки в предыдущем режиме работы
За счет расширившегося диапазона температур нагреваемого газа суммарная тепловая мощность нагревателей в этом режиме увеличивается с 600 МВт до 808 МВт(т).The ratio of the values of the additional thermal power supplied to the consumer in this mode through the heat exchanger 6 (Q t1 ), to the total power of the unit heaters in the previous mode of operation
Due to the expanded temperature range of the heated gas, the total thermal power of the heaters in this mode increases from 600 MW to 808 MW (t).
Электрическая мощность ЭУ - 276 МВт(эл) - const. Electric power of EU - 276 MW (e) - const.
Выдаваемая потребителю через газоохладитель 13 тепловая мощность - 147,2 МВт (т). The heat output to the consumer through gas cooler 13 is 147.2 MW (t).
Выдаваемая потребителю через теплообменник 6 дополнительная тепловая мощность более среднего потенциала - 206 МВт (т). The additional heat output of a more average potential given to the consumer through the
Суммарная тепловая мощность, выдаваемая потребителю - 343,2 МВт (т). The total heat output to the consumer is 343.2 MW (t).
Коэффициент использования тепла топлива - 76,8%. The fuel heat utilization rate is 76.8%.
Коэффициент термодинамической эффективности цикла ЭУ - 55,4%. The coefficient of thermodynamic efficiency of the EU cycle is 55.4%.
Таким образом, при переходе варианта 2 ЭУ с режима эксплуатации с минимальной выдачей потребителю тепловой энергии в режим эксплуатации при максимальной выдаче потребителю тепловой энергии реализуются следующие положительные факторы заявляемого технического решения. Thus, when the
При сохранении электрической мощности (276 МВт), производимой электрогенераторами ЭУ, коэффициент использования тепла топлива увеличивается с 68,9 до 76,8% (на 7,9 абс. %); коэффициент термодинамической эффективности цикла ЭУ возрастает с 54,8 до 55,4% (на 0,6 абс. %), а суммарная тепловая мощность, выдаваемая потребителю, возрастает в 2,5 раза (на 206 МВт). При этом потенциал выдаваемого потребителю тепла возрастает в 2 раза. While maintaining the electric power (276 MW) produced by electric power generators of the EU, the coefficient of fuel heat use increases from 68.9 to 76.8% (by 7.9 abs.%); the coefficient of thermodynamic efficiency of the EU cycle increases from 54.8 to 55.4% (by 0.6 abs.%), and the total heat output to the consumer increases by 2.5 times (by 206 MW). At the same time, the potential of heat supplied to the consumer increases by 2 times.
Следовательно, по аналогии с вышерассмотренным вариантом 1 ЭУ, предлагаемое решение исключает необходимость в строительстве и эксплуатации дополнительной котельной, производящей необходимое потребителю в периоды максимального потребления среднепотенциальное тепло с температурой более 300 - 400oC.Therefore, by analogy with the above-mentioned
Величина КПД котельных на ядерном топливе несколько выше, чем у котельных на органическом топливе и составляет величину 0,92 - 0,95. В связи с этим номинальная тепловая мощность дополнительной котельной на ядерном топливе должна быть в 1/0,95 - 1/0,92 = 1,05 - 1,08 раз больше той величины дополнительной тепловой мощности, которая выдается потребителю по предлагаемому способу эксплуатации от единой энергоустановки, производящей электрическую и тепловую энергию. The efficiency of nuclear-fired boiler plants is slightly higher than that of fossil-fired boiler plants and is between 0.92 and 0.95. In this regard, the nominal thermal power of the additional boiler house on nuclear fuel should be 1 / 0.95 - 1 / 0.92 = 1.05 - 1.08 times the value of the additional thermal power that is issued to the consumer by the proposed method of operation from a single power plant producing electric and thermal energy.
В итоге для рассматриваемого количественного примера варианта 2 ЭУ вышеизложенные факторы определяют следующие производственно-хозяйственные показатели. As a result, for the quantitative example of
Номинальная тепловая мощность дополнительной атомной котельной, производящей среднепотенциальное тепло, составит Nк = 1,08•206 = 222 МВт (т). Стоимость строительства указанной дополнительной атомной котельной составит 95 млн.дол. США.Nominal thermal power of an additional nuclear boiler plant producing medium potential heat will be N k = 1.08 • 206 = 222 MW (t). The cost of building the specified additional nuclear boiler plant will be 95 million dollars. USA.
Стоимость строительства основной известной атомной теплоэлектроцентрали (АТЭЦ), производящей электроэнергию с номинальной мощностью 276 МВт и низкопотенциальную тепловую энергию мощностью 137,2 МВт (соответствует режиму работы предлагаемой ЭУ с минимальной выдачей потребителю тепловой энергии) составит ≈260 млн.дол.США. The cost of building the main well-known nuclear heat and power plant (APEC) producing electricity with a nominal capacity of 276 MW and low-potential thermal energy with a capacity of 137.2 MW (corresponds to the operating mode of the proposed electric power plant with a minimum output of thermal energy to the consumer) will be ≈260 million USD.
Следовательно, суммарные капитальные затраты на строительство основанных на базе известных технических решений дополнительной атомной котельной и основной АТЭЦ составят 95 + 260 = 355 млн.дол. США. Consequently, the total capital cost of building based on the well-known technical solutions of the additional nuclear boiler room and the main nuclear power plant will be 95 + 260 = 355 million dollars. USA.
Вместе с тем капитальные затраты на строительство создаваемой согласно предлагаемому способу единой ТЭЦ, обеспечивающей решение задач, поставленных перед вышеуказанными известными котельной и АТЭЦ, составят ≈ 275 млн.дол. США, то есть меньшую величину, чем 355 млн.дол. At the same time, capital expenditures for the construction of a unified thermal power station created according to the proposed method, which will solve the problems posed to the above-mentioned well-known boiler houses and nuclear power plants, will amount to ≈ 275 million dollars. USA, that is, a smaller value than 355 million dollars.
В связи с изложенным для единой АТЭЦ, основанной на рассматриваемом варианте 2 предлагаемой ЭУ, экономия только капитальных затрат в результате реализации заявленного изобретения может составить (355 - 275/355)•100% = 22,5% от суммы капитальных затрат, требующихся для строительства АТЭЦ и дополнительной атомной котельной, создаваемых по известным техническим решениям. In connection with the foregoing, for a single APEC, based on the considered
Кроме того, с учетом вышеуказанной (8%-ной) экономии топлива, нерационально "сжигаемого" в дополнительной атомной котельной, ежегодная экономия эксплуатационных затрат в результате реализации заявляемого техрешения составит не менее 25% от суммы годовых эксплуатационных затрат, требующихся при эксплуатации АТЭЦ и дополнительной атомной котельной, созданных по известным техническим решениям. In addition, taking into account the above (8%) economy of fuel that is irrationally “burned” in an additional nuclear boiler house, the annual savings in operating costs resulting from the implementation of the proposed technical solution will be at least 25% of the total annual operating costs required during the operation of the nuclear power station and additional nuclear boiler room, created by well-known technical solutions.
Следует отметить, что, помимо стационарного использования в промышленности, представляется весьма перспективным использование заявляемого технического решения (на базе варианта 2 ЭУ) для плавучих АТЭЦ, необходимых для электро- и теплоснабжения бассейнов северных рек, побережья северных и дальневосточных морей, а также, например, для опреснения морской воды. It should be noted that, in addition to stationary use in industry, it seems very promising to use the proposed technical solution (based on
Вариант 3.
Режим эксплуатации варианта 3 ЭУ при минимальной (уменьшенной) выдаче тепловой энергии потребителю. The operating mode of
В период этого режима эксплуатации (см. фиг. 7 и 8) ЭУ положения арматуры в трактах циркуляции рабочего тела и теплоносителей следующие: запорные арматуры 5 и 7 - открыты, а арматуры 10, 28 и 29 - открыты. В качестве рабочего тела установки используется, например, гелий с ионизирующейся присадкой (до 0,1%), выполненной, например, в виде цезия. During this operating mode (see Figs. 7 and 8), the actuator positions of the valves in the circulation paths of the working fluid and coolants are as follows:
Запуск в действие компрессоров 1, 4, 37 и турбины 25 производится электрогенератором 12, который работает в это время пусковым электродвигателем от внешнего источника питания. Таким образом, в процессе работы ЭУ компрессор 1 засасывает охлажденное в холодильнике 27 (например, до Те = 30oC) рабочее тело установки (исходное давление, например, 2 ата) и сжимает его до, например, 2,8 ата, в результате чего температура воздуха повысится до величины (Тж = 75oC. Далее гелий будет последовательно охлаждаться до Тз = 30oC в холодильнике 3, сжиматься до давления 4 ата в компрессоре 4 (до Ти = 75oC), охлаждаться в холодильнике 38 до Тк = 30oC и окончательно сжиматься (до 10,9 ата) в компрессоре 37. Далее под действием работы компрессоров рабочее тело установки через открытую арматуру 5 поступает в обогреваемую сторону теплообменника-рекуператора 6, служащего в данном режиме эксплуатации ЭУ регенератором. В теплообменнике-рекуператоре 6 за счет теплоты газа, вышедшего из турбины 25, гелий подогревается (например, до Тм = 607oC при температуре вышедшего из турбины газа Тв = 627oC) и затем через открытую арматуру 7 подается в нагреватель ЭУ (ядерный реактор 22), где нагревается при постоянном давлении (например, до Та = 1500oC). Далее сжатое и нагретое рабочее тело установки поступает в магнитогидродинамический генератор (МГД-генератор) 36, производящий электроэнергию в результате прямого преобразования части тепловой энергии рабочего тела в электрическую, при котором температура расширившегося рабочего тела снижается (например, до Тб = 1027oC). Далее рабочее тело поступает в турбину 25 и вращает ее в результате своего дальнейшего расширения. При этом свою механическую энергию турбина 25, вращая компрессоры 1, 4 и 37, передает производящему электроэнергию электрогенератору 12. В результате совершения полезной работы в турбине 25 температура расширившегося рабочего тела понижается (например, с Тб = 1027oC до Тв = 627oC). Далее вышедшее из турбины рабочее тело ЭУ поступает в греющую сторону теплообменника-рекуператора 6, где в результате вышеупомянутого регенеративного подогрева вышедшего из компрессора 37 рабочего тела охлаждается до температуры (например, до Тг = 200oC), достаточной для использования в теплоснабжении. В связи с этим газ с указанной температурой Тг поступает в качестве греющей среды в газоохладитель 13, где охлаждается теплоносителем промежуточного теплообменного контура до приемлемой температуры (Тд = 110oC). После газоохладителя 13 рабочее тело установки охлаждают в холодильнике 27 до минимальной температуры цикла Те (например, Те = 30oC), после чего газ опять направляется на всас компрессора 1. Таким образом цикл изменения физического состояния рабочего тела энергетической установки замыкается. Для вышеописанного охлаждения рабочего тела от температуры Тг до Тд через обогреваемую сторону газоохладителя 13 циркулятором 33 прокачивают теплоноситель (например, тот же что газ, что служит основным составным элементом рабочего тела ЭУ), который в теплообменнике 34 передает полученное от рабочего тела ЭУ тепло теплоносителю (например, воде) сетевого контура потребителя, по которому упомянутый теплоноситель прокачивают циркулятором 35.The start-up of the
Количественные оценки вышеописанного варианта 3 предлагаемой ЭУ в режиме ее эксплуатации с минимальной выдачей потребителю тепловой энергии. Quantitative assessments of the
С учетом данных книги "Ядерные газотурбинные комбинированные установки" (ред. Э. А. Манушин, М, Энергоатомиздат, 1993 г., стр. 83 - 84) абсолютный электрический КПД ЭУ для вышеуказанных параметров термодинамического цикла составляет 50%. Taking into account the data of the book "Nuclear Gas Turbine Combined Installations" (ed. E. A. Manushin, M, Energoatomizdat, 1993, p. 83 - 84), the absolute electric efficiency of the electric power for the above parameters of the thermodynamic cycle is 50%.
Отношение тепловой мощности, выдаваемой потребителю через газоохладитель 13 (Qт2), к мощности нагревателя ЭУ (Q'1) - 10%.The ratio of the thermal power supplied to the consumer through the gas cooler 13 (Q t2 ), to the power of the heater EU (Q ' 1 ) - 10%.
Как и для предыдущих вариантов 1 и 2 ЭУ примем максимальную мощность реактора 22 в этом режиме - 600 МВт (т). As for the
Тогда электрическая мощность ЭУ составит - 300 МВт (эл). Then the electric power of the EU will be - 300 MW (e).
Выдаваемая потребителю тепловая мощность (Qт) - 60 МВт (т).The heat output (Q t ) given to the consumer is 60 MW (t).
Коэффициент использования тепла топлива - 60%. The fuel heat utilization coefficient is 60%.
Коэффициент термодинамической эффективности цикла - 53,4%. The thermodynamic efficiency coefficient of the cycle is 53.4%.
Режим эксплуатации варианта 3 ЭУ при максимальной (увеличенной) выдаче тепловой энергии потребителю. The operating mode of
Отличия работы ЭУ в этом режиме от вышеописанного следующие (см. фиг. 7, 9). The differences in the operation of the EU in this mode from the above are as follows (see Fig. 7, 9).
Запорные арматуры 5 и 7 переключены в положение - "закрыто", а арматуры 10, 28 и 29 - в положении "открыто". В результате сжатое в последнем (в третьем) компрессоре 37 рабочее тело установки с тем же расходом, что и в предыдущем режиме работы ЭУ, поступает в обход теплообменника-рекуператора 6 по байпасному трубопроводу 9 через открытую арматуру 10 в нагреватель ЭУ - ядерный реактор 22. При этом мощность реактора 22 увеличивают соответственно расширившемуся диапазону температур нагреваемого рабочего тела. То есть для выбранного количественного примера рабочее тело нагревают в реакторе до Tа = 1500oC не с температуры Tм = 607oC, а - с температуры Tл = 180oC. В итоге через МГД-генератор 36 и установленную вслед за ним турбину 25 проходит, совершая полезную работу, тот же, что и в предыдущем режиме работы расход рабочего тела с теми же величинами входных температур и давлений, в результате чего МГД-генератор 36 и турбина 25 вырабатывают такую же суммарную электрическую мощность (const).
Отличие работы теплообменника-рекуператора 6 в данном режиме эксплуатации от предыдущего состоит в том, что с помощью открывшихся арматур 28 и 29 через обогреваемую сторону этого теплообменника циркулятором 30 газового промежуточного теплообменного контура прокачивают газ (например, гелий), который в теплообменнике 31 отдает полученное в теплообменнике 6 тепло теплоносителю дополнительного "защитного" промежуточного теплообменного конура. В указанном контуре с помощью циркулятора 39 полученное в теплообменнике 31 тепло передается в греющую сторону теплообменника 40, являющегося источником тепла сетевого контура потребителя тепловой энергии, по которому сетевой теплоноситель прокачивают циркулятором 41. Таким образом. через теплообменник 40 потребителю может выдаваться тепловая энергия среднего потенциала, то есть с температурой более 300 - 400oC.The difference between the operation of the heat exchanger-
Количественная оценка работы варианта 3 ЭУ в рассмотренном режиме эксплуатации. Quantitative assessment of the operation of
Абсолютный электрический КПД ЭУ - 33,8%. The absolute electrical efficiency of the EU is 33.8%.
Отношение величин дополнительной тепловой мощности, выдаваемой потребителю в этом режиме через теплообменник 6 (Qт1), к максимальной мощности нагревателя ЭУ в предыдущем (исходном) режиме ее работы .The ratio of the additional thermal power supplied to the consumer in this mode through the heat exchanger 6 (Q t1 ), to the maximum power of the EA heater in the previous (initial) mode of operation .
За счет расширившегося диапазона температур нагреваемого рабочего тела ЭУ максимальная тепловая мощность реактора 22 в этом режиме увеличится с 600 МВт до 887 МВт (т). Due to the expanding temperature range of the heated operating fluid of the EA, the maximum thermal power of the
Тогда электрическая мощность ЭУ в этом режиме - 300 МВт (эл) - const. Then the electric power of the EU in this mode is 300 MW (e) - const.
Выдаваемая потребителю через газоохладитель 13 тепловая мощность - 60 МВт (т). The heat output to the consumer through gas cooler 13 is 60 MW (t).
Выдаваемая потребителю через теплообменник 6 дополнительная тепловая мощность - 287 МВт (т). Additional heat output to the consumer through
Суммарная мощность, выдаваемая в этом режиме потребителю - 347 МВт (т). The total capacity issued in this mode to the consumer is 347 MW (t).
Коэффициент использования тепла топлива - 73%. The fuel heat utilization coefficient is 73%.
Коэффициент термодинамической эффективности цикла ЭУ - 55%. The coefficient of thermodynamic efficiency of the EU cycle is 55%.
Таким образом, при переходе варианта 3 предлагаемой энергоустановки с режима эксплуатации с минимальной выдачей потребителю тепловой энергии в режим эксплуатации при максимальной выдаче потребителю тепловой энергии реализуются следующие положительные факторы. Thus, when
При сохранении электрической мощности (300 МВт. эл.), производимой ЭУ, коэффициент использования тепла топлива ЭУ увеличивается с 60 до 73% (на 13 абс. %); коэффициент термодинамической эффективности цикла ЭУ возрастает с 53,4 до 55,0% (на 1,6 абс. %), а суммарная тепловая мощность, выдаваемая потребителю, возрастает в 4,78 раза (на 287 МВт). При этом потенциал выдаваемого тепла возрастает в 2 раза. While maintaining the electric power (300 MW. El.) Produced by the EA, the coefficient of heat utilization of the fuel of the EA increases from 60 to 73% (by 13 abs.%); the thermodynamic efficiency coefficient of the EU cycle increases from 53.4 to 55.0% (by 1.6 abs.%), and the total heat output to the consumer increases by 4.78 times (by 287 MW). In this case, the potential of the generated heat increases by 2 times.
Следовательно, по аналогии с вышерассмотренным вариантом 2 ЭУ, предлагаемое решение варианта 3 ЭУ исключает необходимость в строительстве и эксплуатации дополнительной котельной, производящей необходимое потребителю в период максимального потребления среднепотенциальное тепло с температурой более 300 - 400oC.Therefore, by analogy with the above-mentioned
Источник тепла примем для этой дополнительной котельной такой же, как и для основной ЭУ - то есть ядерный, в связи с тем, что КПД атомной котельной составляет 0,92 - 0,95 номинальная мощность дополнительной котельной должна быть больше в 1,05 - 1,08 раз той величины дополнительной тепловой мощности, которая выдается потребителю (через теплообменник-рекуператор 6) по предлагаемому способу эксплуатации от единой энергоустановки, производящей электрическую и тепловую энергию. We take the heat source for this additional boiler room as the same as for the main EU - that is, nuclear, due to the fact that the efficiency of the atomic boiler room is 0.92 - 0.95, the rated power of the additional boiler room should be more than 1.05 - 1 , 08 times the amount of additional thermal power that is supplied to the consumer (through heat exchanger-recuperator 6) according to the proposed method of operation from a single power plant that produces electric and thermal energy.
Для вышерассмотренного количественного примера вышеизложенные факторы определят следующие производственно-экономические показатели ЭУ. For the above quantitative example, the above factors will determine the following production and economic indicators of EU.
Номинальная тепловая мощность производящей среднепотенциальное тепло дополнительной атомной котельной Nк = 1,08•287 = 310 МВт (т).Nominal thermal power of the secondary nuclear boiler generating average potential heat N k = 1.08 • 287 = 310 MW (t).
Стоимость строительства указанной дополнительной атомной котельной составит ≈ 135 млн. дол. США. The cost of building the specified additional nuclear boiler plant will be ≈ 135 million dollars. USA.
Стоимость строительства основной известной АТЭЦ, производящей электроэнергию мощностью 300 МВт (соответствует режиму работы предлагаемой ЭУ при минимальной выдаче потребителю тепловой энергии) составит ≈ 280 млн. дол. США. The cost of building the main well-known nuclear power plant producing electricity with a capacity of 300 MW (corresponds to the operating mode of the proposed electric power plant with a minimum supply of thermal energy to the consumer) will be ≈ 280 million dollars. USA.
Следовательно суммарное капитальные затраты на строительство основанных на базе известных решений атомной котельной и АТЭЦ (которые вместе обеспечивают потребителя минимальной и максимальной выдачей тепловой энергии) составят 135 + 280 = 415 млн. дол. США. Consequently, the total capital costs for the construction based on the well-known solutions of the nuclear boiler house and APEC (which together provide the consumer with the minimum and maximum generation of thermal energy) will amount to 135 + 280 = 415 million dollars. USA.
Вместе с тем капитальные затраты на строительство создаваемой на основе предлагаемого способа эксплуатации единой АТЭЦ, обеспечивающих решение производственных задач, поставленных перед вышеуказанными известными котельными и АТЭЦ, составят меньшую величину, а именно ≈305 млн.дол. США. At the same time, capital expenditures for the construction of a single nuclear power plant created on the basis of the proposed method of operation, which provide solutions to the production problems posed to the above known boiler houses and nuclear power plants, will be less, namely ≈305 million dollars. USA.
В связи с изложенным для рассматриваемого варианта 3 предлагаемой энергоустановки экономия только капитальных затрат в результате реализации заявляемого техрешения составит (415 - 305/415)•100% = 26,5% от суммы капитальных затрат, требующихся для строительства АТЭЦ и дополнительной атомной котельной, создаваемых по известным техническим решениям. In connection with the above, for considered
Кроме того, с учетом вышеуказанного (8%-ной) ежегодной экономии топлива, "сжигаемого" в дополнительной котельной, ежегодная экономия эксплуатационных затрат в результате реализации заявляемого техрешения составит не менее ≈25% от суммы годовых эксплуатационных затрат, требующихся при эксплуатации АТЭЦ и дополнительной атомной котельной, создаваемых по известным техническим решениям. In addition, taking into account the above (8%) annual saving of fuel “burned” in an additional boiler house, the annual savings in operating costs resulting from the implementation of the proposed technical solution will be at least ≈25% of the sum of annual operating costs required during operation of the nuclear power station and additional nuclear boiler room, created according to well-known technical solutions.
Вариант 4.
Режим эксплуатации варианта 4 ЭУ при минимальной (уменьшенной) выдаче тепловой энергии потребителю. The operating mode of
В период этого режима эксплуатации энергоустановки (см. фиг. 10 и 11) положения арматуры на трактах циркуляции рабочего тела и теплоносителей установки следующие: запорные арматуры 45 и 46 - открыты; а арматуры 43, 44 и 48 - закрыты. During this operation mode of a power plant (see FIGS. 10 and 11), the position of the valves on the circulation paths of the working fluid and the coolants of the installation are as follows: stop
Запуск в действие компрессоров 1, 4,37 турбины 25 производится электрогенератором 12, который работает в это время пусковым электродвигателем от внешней сети питания. Таким образом, в процессе работы ЭУ компрессор 1 засасывает охлажденное в холодильнике 27 (например, до Тж = 30oC) рабочее тело установки (исходное давление гелия 2 ата) и сжимает его до давления 2,98 ата, в результате чего температура рабочего тела повысится до величины Тз = 82oC. Далее гелий будет последовательно охлаждается до Ти = 30oC в холодильнике 3, сжиматься до давления 4,41 ата в компрессоре 4 (Тк = 82oC), охлаждаться в холодильнике 38 до Тл = 30oC и окончательно сжиматься (до 12,05 ата) в компрессоре 37 (Тм = 180oC. Далее под действием работы компрессоров рабочее тело установки поступает в обогреваемую сторону первого теплообменника-рекуператора 6, служащего постоянным регенератором установки. В теплообменнике-рекуператоре 6 за счет теплоты газа, вышедшего из турбины 25, рабочее тело подогревается (например, до Тн = 430oC при температуре вышедшего из турбины газа Тг = 450oC и затем через открытую арматуру 45 поступает в обогреваемую сторону второго теплообменника-рекуператора 42, служащего регенератором установки только в этом режиме ее эксплуатации.The start-up of the
В теплообменнике-рекуператоре 42 за счет теплоты рабочего тела, вышедшего из МГД-генератора 36, газ еще раз подогревается (например, до Tп = 630oC при температуре вышедшего из МГД-генератора газа Tб = 1000oC) и затем через открытую арматуру 46 направляется в нагреватель ЭУ (ядерный реактор 22), где нагревается при постоянном давлении (например, до Tа = 1500oC). Из реактора 22 сжатое и нагретое рабочее тело установки поступает в МГД-генератор 36, производящий электроэнергию в результате прямого преобразования части тепловой энергии рабочего тела в электрическую, при котором температура расширившегося рабочего тела снижается (например, до Tб = 1000oC). Далее рабочее тело поступает в греющую сторону теплообменника-рекуператора 42, где в результате вышеупомянутого регенеративного подогрева вышедшего из теплообменника-рекуператора 6 газа охлаждается (например, до Tв = 800oC). Потом рабочее тело установки поступает в турбину 25 и вращает ее в результате своего расширения и соответствующего охлаждения до Tг = 450oC. При этом свою механическую энергию турбина передает компрессорам 1, 4, 37, а также электрогенератору 12, который также, как и МГД-генератор 36, производит электроэнергию. Затем вышедшее из турбины 25 рабочее тело установки поступает в греющую сторону теплообменника-рекуператора 6, где в результате регенеративного подогрева вышедшего из компрессора 37 рабочего тела охлаждается до температуры (например, до Tд = 200oC), достаточной для ее использования в теплопотреблении. В связи с этим газ с указанной температурой Tд поступает в качестве греющей среды в газоохладитель 13, где охлаждается теплоносителем промежуточного контура до приемлемой температуры (Tе = 110oC). После газоохладителя 13 рабочее тало охлаждают в холодильнике 27 до минимальной температуры цикла Tж, после чего газ опять направляется на всас компрессора 1. Таким образом круговой термодинамический цикл изменения состояния рабочего тела энергоустановки замыкается.In the heat exchanger-
Для вышеупомянутого охлаждения рабочего тела от температуры Tд до температуры Tе через обогреваемую сторону газоохладителя 13 циркулятором 33 прокачивают теплоноситель (например, тот же газ, что служит основным составным элементом рабочего тела установки), который в теплообменнике 34 передает полученное тепло теплоносителю (например, воде) сетевого контура потребителя, по которому этот теплоноситель прокачивают циркулятором 35.For the aforementioned cooling of the working fluid from the temperature T d to the temperature T e through the heated side of the
Количественные оценки вышеописанного варианта 4 предлагаемой ЭУ в режиме ее эксплуатации с минимальной выдачей потребителю тепловой энергии. Quantitative assessments of the
Абсолютный электрический КПД ЭУ - 48,3%. The absolute electrical efficiency of the EU is 48.3%.
Отношение тепловой мощности, выдаваемой потребителю через газоохладитель 13 (Qт), к мощности нагревателя ЭУ - реактора .The ratio of thermal power supplied to the consumer through the gas cooler 13 (Q t ), to the power of the heater EU - reactor .
Как и для предыдущих вариантов 1, 2 и 3 ЭУ примем максимальную тепловую мощность реактора 22 в данном режиме - 600 МВт (т). As for the
Тогда электрическая мощность ЭУ составит - 290 МВт (эл). Then the electric power of the EU will be - 290 MW (e).
Выдаваемая потребителю тепловая мощность - 61,8 МВт (т). The heat output given to the consumer is 61.8 MW (t).
Коэффициент использования тепла топлива - 58,6%. The fuel heat utilization rate is 58.6%.
Коэффициент термодинамической эффективности цикла ЭУ - 51,8%. The coefficient of thermodynamic efficiency of the EU cycle is 51.8%.
Режим эксплуатации варианта 4 ЭУ при максимальной выдаче потребителю тепловой энергии. The operating mode of
Отличия работы энергоустановки в этом режиме от вышеописанного следующие. The differences between the operation of the power plant in this mode from the above are as follows.
Запорные арматуры 45 и 46 переключены в положение - "закрыто", а арматуры 43, 44 и 48 - в положение "открыто". В результате вышедшее из теплообменника-рекуператора 6 рабочее тело установки с тем же расходом, что и в предыдущем режиме работы ЭУ, поступает в обход теплообменника-рекуператора 42 по байпасному трубопроводу 47 через открытую арматуру 48 в нагреватель ЭУ - ядерный (или термоядерный) реактор 22. При этом мощность реактора 22 увеличивают соответственно расширенному в данном режиме диапазону температур нагреваемого рабочего тела. То есть для рассматриваемого количественного примера гелий нагревают в реакторе до Tа = 1500oC не с температуры Tп = 630oC, а с температуры Tн = 430oC. В итоге через МГД-генератор 36 и турбину 25 проходит, совершая полезную работу, тот же, что и в предыдущем режиме работы ЭУ расход рабочего тела с такими же величинами входных температур и давлений, в результате чего МГД-генератор 36 и электрогенератор 12 вырабатывают вместе такую же суммарную электрическую мощность (но с несколько меньшим КПД за счет выдачи потребителю дополнительного тепла).Shut-off
Отличие работы теплообменника-рекуператора 42 в данном режиме эксплуатации ЭУ от предыдущего состоит в том, что с помощью открывшихся арматур 43 и 44 через обогреваемую сторону этого теплообменника циркулятором 50 промежуточного теплообменного контура прокачивают газ (например, гелий), который в теплообменнике 49 отдает полученное тепло теплоносителю дополнительного (защитного) промежуточного теплообменного контура. В указанном защитном контуре с помощью циркулятора 51 полученное в теплообменнике 49 тепло передается в греющую сторону теплообменника 52, являющегося источником тепла сетевого контура потребителя тепла, по которому сетевой теплоноситель прокачивают циркулятором 53. Таким образом через теплообменник 52 потребителю может передаваться тепловая энергия высокого потенциала с температурой 800 - 950oC, что необходимо для многих энерготехнологических производств. Указанный высокий потенциал выделяемого потребителю тепла можно, например, так же использовать для эффективной транспортировки на большие расстояния (например, более 100 км) теплоты в химически связанном состоянии. Этот так называемый хемотермический способ передачи средне- и высокопотенциальной тепловой энергии на большие расстояния основан на свойстве обратимых химических реакций. Например, CH4 + H2O + теплота -> CO + 3H2 и CO + 3H2 -> CH4 + H2O + теплота (см., например, книгу "Теплофикационные системы", Л.С.Хрилев, М, Энергоатомиздат, 1988 г., стр. 259 - 260). КПД преобразования и транспортировки энергии по такой схеме может достигнуть 70 - 90%.The difference between the operation of the heat exchanger-
Количественная оценка работы варианта 4 ЭУ в рассмотренном режиме ее эксплуатации. Quantitative assessment of the operation of
Абсолютный электрический КПД ЭУ - 39,3%. The absolute electrical efficiency of the EU is 39.3%.
Отношение величин дополнительной тепловой мощности, выдаваемой требованию в этом режиме через теплообменник-рекуператор 42 (Qвт), к максимальной мощности нагревателя ЭУ в предыдущем (исходном) режиме ее работы - 0,23.The ratio of the values of the additional thermal power issued to the demand in this mode through the heat exchanger-recuperator 42 (Q W ) to the maximum power of the EA heater in the previous (initial) mode of its operation is 0.23.
За счет расширившегося диапазона температур нагреваемого рабочего тела ЭУ максимальная тепловая мощность реактора 22 в этом режиме увеличится с 600 МВт до 738 МВт(т). Due to the expanded temperature range of the heated working fluid of the electric power unit, the maximum thermal power of the
Тогда электрическая мощность ЭУ в этом режиме составит - 290 МВт(эл) - const. Then the electric power of the EU in this mode will be - 290 MW (e) - const.
Выдаваемая потребителю через газоохладитель 13 тепловая мощность - 61,8 МВт(т). The heat output to the consumer through gas cooler 13 is 61.8 MW (t).
Выдаваемая потребителю через теплообменник 42 тепловая мощность - 138 МВт(т). The heat output to the consumer through
Суммарная тепловая мощность, выдаваемая потребителю в этом режиме ЭУ - 200 МВт(т). The total thermal power supplied to the consumer in this mode of electric power plants is 200 MW (t).
Коэффициент использования тепла топлива - 66,4%. The fuel heat utilization coefficient is 66.4%.
Коэффициент термодинамической эффективности цикла ЭУ - 56,3%. The coefficient of thermodynamic efficiency of the EU cycle is 56.3%.
Таким образом, при переходе варианта 4 предлагаемой ЭУ с режима эксплуатации с минимальной выдачей потребителю тепловой энергии в режим эксплуатации при максимальной выдаче потребителю тепловой энергии реализуются следующие положительные факторы. Thus, when
При сохранении электрической мощности (290 МВт эл.), производимой электроустановкой, коэффициент использования тепла топлива ЭУ увеличивается с 58,6 до 66,4% (на 7,8 абс. %); коэффициент термодинамической эффективности цикла ЭУ возрастает с 51,8 до 56,3% (на 4,5 абс. %), а суммарная тепловая мощность, выдаваемая потребителю, возрастает в 3,24 раза (на 138 МВт). При этом потенциал выдаваемого тепла возрастает в 3 - 4 раза. While maintaining the electric power (290 MW el.) Produced by the electrical installation, the coefficient of heat utilization of fuel for electric power plants increases from 58.6 to 66.4% (by 7.8 abs.%); the thermodynamic efficiency coefficient of the EU cycle increases from 51.8 to 56.3% (by 4.5 abs.%), and the total heat output to the consumer increases by 3.24 times (by 138 MW). In this case, the potential of the generated heat increases by 3-4 times.
Изложенное позволяет сделать вывод о том, что по сравнению с известными (прототипными) энергоустановками предлагаемое решение (так же, как и для вариантов 1, 2, и 3 ЭУ) позволяет исключить необходимость в строительстве и эксплуатации дополнительной котельной, производящей необходимое потребителю в периоды максимального потребления высокопотенциальное тепло. The foregoing allows us to conclude that, in comparison with the known (prototype) power plants, the proposed solution (as well as for
Источник тепла для этой дополнительной котельной примем такой же, что и для основной энергетической установки - то есть ядерный. В связи с тем, что КПД атомной котельной с газоохлаждаемым ядерным реактором составит 0,92 - 0,95, номинальная мощность дополнительной котельной должна быть в 1,05 - 1,08 раз больше той величины дополнительной тепловой мощности, которая выдается через теплообменник-рекуператор 42 по предлагаемому способу эксплуатации от единой энергоустановки, производящей электрическую и тепловую энергию заданных параметров. The heat source for this additional boiler room is the same as for the main power plant - that is, a nuclear one. Due to the fact that the efficiency of an atomic boiler house with a gas-cooled nuclear reactor will be 0.92 - 0.95, the rated power of the additional boiler should be 1.05 - 1.08 times the value of the additional thermal power that is supplied through the heat exchanger-
Для вышерассмотренного количественного примера вышеизложенные факторы определяют следующие производственно-экономические показатели. For the above quantitative example, the above factors determine the following production and economic indicators.
Номинальная тепловая мощность дополнительной атомной котельной Nк = 1,08•138 = 150 МВт(т).Nominal thermal power of the additional nuclear boiler room N k = 1.08 • 138 = 150 MW (t).
Стоимость строительства (капитальных затрат) указанной котельной, производящей высокопотенциальное тепло, составит ≈80 млн.дол. США. The construction cost (capital cost) of the specified boiler house producing high potential heat will be ≈80 million dollars. USA.
Стоимость строительства основной известной АТЭЦ, производящей электроэнергию мощностью 290 МВт(эл) и низкопотенциальную тепловую энергию мощностью 61,8 МВт (режим эксплуатации при минимальной выдаче потребителю тепловой энергии) ≈270 млн.дол. США. The cost of building the main well-known nuclear power plant, generating electricity with a capacity of 290 MW (e) and low-grade thermal energy with a capacity of 61.8 MW (operating mode with a minimum supply of thermal energy to the consumer) ≈270 million dollars. USA.
Следовательно суммарные капитальные затраты на строительство основных на базе известных решений атомной котельной и АТЭЦ составят 80 + 270 = 350 млн. дол.США. Consequently, the total capital expenditures for the construction of the main ones on the basis of the well-known solutions of the nuclear boiler house and APEC will amount to 80 + 270 = 350 million US dollars.
В противовес этому капитальные затраты на строительство создаваемой по предлагаемому способу эксплуатации единой АТЭЦ, обеспечивающей решение производственных задач, поставленных перед вышеуказанными известными атомной котельной и АТЭЦ, составят ≈285 млн.дол. США. In contrast, the capital cost of building a unified nuclear power plant created by the proposed method of operation, which will solve the production problems posed to the aforementioned well-known nuclear boiler plants and nuclear power plants, will be ≈285 million dollars. USA.
Таким образом, для рассматриваемого варианта 4 предлагаемой ЭУ экономия только капитальных затрат в результате внедрения заявляемого технического решения составит (350 - 285/350)•100% = 18,6% от суммы капитальных затрат, требующихся для строительства АТЭЦ и дополнительной атомной котельной, создаваемых по известным техническим решениям. Thus, for the considered
Кроме того, с учетом вышеуказанной (8%-ной) годовой экономии топлива, нерационально "сжигаемого" в дополнительной атомной котельной, ежегодная экономия эксплуатационных затрат в результате реализации заявляемого техрешения по варианту 4 ЭУ составит не менее ≈25% от суммы годовых эксплуатационных затрат, требующихся при эксплуатации альтернативных АТЭЦ и дополнительной атомной котельной, создаваемых по известным техническим решениям. In addition, taking into account the above (8%) annual saving of fuel that is irrationally “burned” in an additional nuclear boiler room, the annual savings in operating costs resulting from the implementation of the claimed technical solution under
Таким образом, с учетом рассмотренных 4-х вариантов ЭУ реализация заявляемого способа эксплуатации энергетической установки, одновременно производящей электрическую и тепловую энергию обеспечивает в различных отраслях промышленности достижение следующих положительных производственных и экономических показателей. Thus, taking into account the considered 4 options for electric power plants, the implementation of the proposed method of operating a power plant that simultaneously produces electric and thermal energy ensures the achievement of the following positive production and economic indicators in various industries.
При сохранении постоянной величины эффективно производимой электрической энергии заявляемые энергоустановки будут экономично работать в режимах с минимальной (увеличенной) выдачей потребителю тепловой энергии заданных параметров (низкого, среднего и высокого потенциала). While maintaining a constant value of the effectively produced electrical energy, the claimed power plants will operate economically in modes with a minimum (increased) output of thermal energy to the consumer of the specified parameters (low, medium and high potential).
Вне зависимости от вида используемого топлива и в соответствии с современными параметрами закрытых или открытых термодинамических циклов для заявляемых вариантов энергоустановок при их переходе в режим эксплуатации с максимальной выдачей потребителю тепловой энергии коэффициент использования тепла топлива ЭУ увеличивается с 60 до 80%; коэффициент термодинамической эффективности циклов установок возрастает с 52 до 56%, а суммарная тепловая мощность, выдаваемая потребителю, возрастает в 2,5 - 5,0 раз (при увеличении потенциала выдаваемого тепла в 2 - 4 раза). Regardless of the type of fuel used, and in accordance with modern parameters of closed or open thermodynamic cycles for the claimed options for power plants, when they switch to operation mode with a maximum output of thermal energy to the consumer, the coefficient of heat utilization of fuel of the EA increases from 60 to 80%; the coefficient of thermodynamic efficiency of plant cycles increases from 52 to 56%, and the total heat output to the consumer increases by 2.5–5.0 times (with an increase in the potential of heat generated by 2–4 times).
При этом суммарная максимальная тепловая мощность, выдаваемая потребителю, может составлять до ≈ 40 - 50% от максимальной мощности нагревателя (или нагревателей) установки в исходном режиме ее эксплуатации с минимальной (уменьшенной) выдачей тепла потребителю. In this case, the total maximum thermal power supplied to the consumer can be up to ≈ 40 - 50% of the maximum power of the heater (or heaters) of the installation in the initial mode of its operation with minimal (reduced) heat output to the consumer.
Кроме того, по сравнению с известными аналогами заявляемое техническое решение, обеспечивая реализацию задачи одновременного эффективного производства электрической и тепловой энергии заданных параметров при сохранении номенклатуры и количества основных единиц оборудования известных энергоустановок, исключает необходимость в строительстве и соответствующей эксплуатации дополнительной известной котельной, производящей необходимое потребителю в периоды максимального теплопотребления средне - и высокопотенциальное тепло. In addition, in comparison with the known analogues, the claimed technical solution, ensuring the implementation of the task of simultaneous efficient production of electric and thermal energy of the specified parameters while maintaining the nomenclature and the number of basic units of equipment of known power plants, eliminates the need for the construction and appropriate operation of an additional well-known boiler house that produces what the consumer needs periods of maximum heat consumption are medium and high potential heat.
В связи с этим обеспечиваются следующие экономические показатели реализации заявляемого "Способа эксплуатации энергетической установки и установок для его осуществления":
- экономия капитальных затрат при строительстве теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) на базе предлагаемого техрешения составит не менее 10 - 25% от суммы капитальных затрат, требующихся при строительстве ТЭЦ и дополнительной котельной, создаваемых по известным техническим решениям;
- ежегодная экономия эксплуатационных затрат ТЭЦ, построенной на базе предлагаемых энергоустановок, составит не менее ≈ 25% от суммы годовых эксплуатационных затрат, требующихся при эксплуатации вышеупомянутых ТЭЦ и дополнительной котельной, созданных на базе известных технических решений.In this regard, the following economic indicators are provided for the implementation of the proposed "Method of operating a power plant and installations for its implementation":
- savings in capital costs during the construction of a heat and power plant (CHP) based on the proposed technical solution will be at least 10 - 25% of the amount of capital costs required for the construction of a CHP and an additional boiler house created according to well-known technical solutions;
- the annual savings in operating costs of the CHPP built on the basis of the proposed power plants will be at least ≈ 25% of the sum of the annual operating costs required for the operation of the above-mentioned CHPPs and an additional boiler house based on well-known technical solutions.
Кроме того, следует также ожидать, что и по сравнению с ТЭЦ, основанными на известных парогазовых энергетических установках, теплоэлектроцентрали, создаваемые на базе предлагаемого технического решения и решающие при этом такие же производственные задачи (по величине производимой электрической и тепловой энергии) будут также более экономичнее по капитальным и эксплуатационным затратам, так как в составе предлагаемых ТЭЦ отсутствуют паротурбинные части энергетических установок и обслуживающие их многочисленные системы. In addition, it should also be expected that, compared to thermal power plants based on well-known combined-cycle power plants, the combined heat and power plants created on the basis of the proposed technical solution and solving the same production problems (in terms of the amount of generated electric and thermal energy) will also be more economical in terms of capital and operating costs, since the composition of the proposed CHPs does not include steam turbine parts of power plants and numerous systems serving them.
Вышеперечисленные производственные и экономические показатели реализации заявляемого технического решения позволяют сделать вывод о его достаточно высокой конкурентоспособности по сравнению с известными аналогами. The above production and economic indicators of the implementation of the proposed technical solution allow us to conclude that it is quite competitive in comparison with the known analogues.
Claims (7)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU97121547A RU2125171C1 (en) | 1997-12-19 | 1997-12-19 | Power generating plant and method of its operation |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU97121547A RU2125171C1 (en) | 1997-12-19 | 1997-12-19 | Power generating plant and method of its operation |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2125171C1 true RU2125171C1 (en) | 1999-01-20 |
RU97121547A RU97121547A (en) | 1999-03-27 |
Family
ID=20200448
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU97121547A RU2125171C1 (en) | 1997-12-19 | 1997-12-19 | Power generating plant and method of its operation |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2125171C1 (en) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8166761B2 (en) | 2006-05-15 | 2012-05-01 | Newcastle Innovation Limited | Method and system for generating power from a heat source |
RU2539699C2 (en) * | 2009-11-24 | 2015-01-27 | Дженерал Электрик Компани | Device for direct evaporation and energy recovery system |
RU2548524C2 (en) * | 2009-09-15 | 2015-04-20 | Дженерал Электрик Компани | Direct-acting evaporator, plant for energy regeneration and method of energy regeneration |
RU2584749C1 (en) * | 2014-12-22 | 2016-05-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный космический научно-производственный центр имени М.В. Хруничева" | Turbo compressor power plant |
RU2647241C2 (en) * | 2015-08-20 | 2018-03-14 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Новосибирский Государственный Технический Университет" | Method of distribution of fuel costs at chpp |
RU2772096C2 (en) * | 2017-12-22 | 2022-05-16 | Джованни Д'АРЬЕНЦО | System for joint production of heat and electric energy for a boiler |
-
1997
- 1997-12-19 RU RU97121547A patent/RU2125171C1/en active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Крутов В.И. Теплотехника.-М.: Машиностроение, 1986, с.350, рис.9.14. * |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8166761B2 (en) | 2006-05-15 | 2012-05-01 | Newcastle Innovation Limited | Method and system for generating power from a heat source |
RU2548524C2 (en) * | 2009-09-15 | 2015-04-20 | Дженерал Электрик Компани | Direct-acting evaporator, plant for energy regeneration and method of energy regeneration |
RU2539699C2 (en) * | 2009-11-24 | 2015-01-27 | Дженерал Электрик Компани | Device for direct evaporation and energy recovery system |
RU2584749C1 (en) * | 2014-12-22 | 2016-05-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный космический научно-производственный центр имени М.В. Хруничева" | Turbo compressor power plant |
RU2647241C2 (en) * | 2015-08-20 | 2018-03-14 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Новосибирский Государственный Технический Университет" | Method of distribution of fuel costs at chpp |
RU2772096C2 (en) * | 2017-12-22 | 2022-05-16 | Джованни Д'АРЬЕНЦО | System for joint production of heat and electric energy for a boiler |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5444972A (en) | Solar-gas combined cycle electrical generating system | |
US5537822A (en) | Compressed air energy storage method and system | |
EP1016775B1 (en) | Waste heat recovery in an organic energy converter using an intermediate liquid cycle | |
US8881528B2 (en) | System for the generation of mechanical and/or electrical energy | |
Algieri et al. | Thermo-economic investigation of solar-biomass hybrid cogeneration systems based on small-scale transcritical organic Rankine cycles | |
Behar et al. | Design and performance of a modular combined cycle solar power plant using the fluidized particle solar receiver technology | |
US10677162B2 (en) | Grid scale energy storage systems using reheated air turbine or gas turbine expanders | |
Legmann | Recovery of industrial heat in the cement industry by means of the ORC process | |
Rusanov et al. | Highly efficient cogeneration power plant with deep regeneration based on air Brayton cycle | |
Robinson | Ultra-high temperature thermal energy storage. Part 1: concepts | |
US8584465B2 (en) | Method for increasing the efficiency of a power plant which is equipped with a gas turbine, and power plant for carrying out the method | |
RU2125171C1 (en) | Power generating plant and method of its operation | |
RU2266479C1 (en) | Heat supplying method | |
RU2199020C2 (en) | Method of operation and design of combination gas turbine plant of gas distributing system | |
Karaali et al. | Efficiency improvement of gas turbine cogeneration systems | |
JPH09144560A (en) | Hydrogen combustion gas turbine plant and its operating method | |
Wang et al. | Flexible PVT-ORC hybrid solar-biomass cogeneration systems: The case study of the University Sports Centre in Bari, Italy | |
GB2351323A (en) | Heat and power generation plant. | |
CN113982893B (en) | Closed micro gas turbine circulating system with adjustable peak energy storage and operation method thereof | |
JP2002242694A (en) | Energy storage type gas turbine generator | |
Klimenko et al. | On the possibility of generation of cold and additional electric energy at thermal power stations | |
RU97121547A (en) | METHOD FOR OPERATING POWER INSTALLATION AND INSTALLATION FOR ITS IMPLEMENTATION | |
RU2834314C1 (en) | Tower-type concentration solar power plant with pneumatic accumulation circuit | |
RU2836634C1 (en) | Method of carrying out transcritical energy cycle on carbon dioxide | |
RU2836635C1 (en) | Method of carrying out transcritical energy cycle on carbon dioxide |