RU2823418C1

RU2823418C1 - Method and device for obtaining energy in thermodynamic cycles

Info

Publication number: RU2823418C1
Application number: RU2024104888A
Authority: RU
Inventors: Степан Юрьевич Дударев
Original assignee: Общество С Ограниченной Ответственностью "Алькатэк Инжиниринг"
Filing date: 2024-02-27
Publication date: 2024-07-23

Abstract

FIELD: power engineering.

SUBSTANCE: disclosed is a method and a device for obtaining energy in thermodynamic cycles. This solution consists in production of steam of high parameters in the first boiler plant, supply of steam of high parameters to steam turbine, supply of waste steam from steam turbine to condenser, supply of condensate by condensation pump to the first boiler plant. At that, the condensate supply by the condensation pump is first carried out into the second boiler plant using renewable energy sources, for its heating to the first boiler plant feed water effective temperature, where first condensate is supplied by condensation pump to low-temperature part of the second boiler plant, in which condensate is heated to temperature of not more than 170 °C, then the condensate is supplied to the deaerator, then after the deaerator there is an increase in the feed water pressure on the feed pump, and feed water is supplied to the high-temperature part of the second boiler plant, which heats it to a temperature of not more than 330 °C without phase transition, after which heated feed water is returned to the first boiler plant.

EFFECT: reduction of thermal corrosion of the RES boiler unit and increase of energy efficiency of the thermal cycle as a whole.

2 cl, 1 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к отрасли генерации электрической и тепловой энергии при энергетической утилизации отходов или топлива из отходов, биомассы, использования солнечной энергии и геотермальной энергии (далее ВИЭ) в термодинамических циклах с использованием теплоносителя.The present invention relates to the industry of generating electrical and thermal energy during the energy recovery of waste or fuel from waste, biomass, the use of solar energy and geothermal energy (hereinafter referred to as RES) in thermodynamic cycles using a coolant.

В частности, изобретение относится к способу получения энергии от комбинированного сжигания твердых коммунальных отходов (ТКО) или топлива из них (SRF), а так же геотермальной или солнечной энергии в отдельной котельной установке, для нагрева конденсата (питательной воды) до температуры не выше 330°С при соответствующем давлении, исключающим фазовый переход питательной воды в пар, до эффективной температуры котельных установок с высоким давлением и высокой температурой пара - не ниже 400°С, использующих ископаемое твердое, жидкое, газообразное и атомное топливо, а также, тепло отходящих газов газовых турбин, с дальнейшим расширением этого пара на мощных паровых турбинах и с возможным замещением регенеративных отборов пара с этих паровых турбин.In particular, the invention relates to a method for obtaining energy from the combined combustion of municipal solid waste (MSW) or fuel from them (SRF), as well as geothermal or solar energy in a separate boiler plant, for heating condensate (feed water) to a temperature not exceeding 330 °C at appropriate pressure, excluding the phase transition of feed water into steam, to the effective temperature of boiler plants with high pressure and high steam temperature - not lower than 400 °C, using fossil solid, liquid, gaseous and nuclear fuel, as well as waste gas heat gas turbines, with further expansion of this steam in powerful steam turbines and with the possible replacement of regenerative steam extraction from these steam turbines.

Уровень техникиState of the art

В настоящее время рекуперация энергии или использование таких возобновляемых источников энергии как отходы и биомасса, энергии солнца в концентраторах солнечной энергии и геотермальной энергии, состоит из цикла, который обычно осуществляется в теплообменных аппаратах, преобразующих тепло от дымовых газов, полученных от сжигания отходов, биомассы или топлива из них, а так же при использования тепла солнечной энергии и геотермальной энергии с производством перегретого пара для его последующего расширения в конденсационной турбине, которая обычно соединена с электрическим генератором.Currently, energy recovery or the use of renewable energy sources such as waste and biomass, solar energy in solar energy concentrators and geothermal energy, consists of a cycle that is usually carried out in heat exchangers that convert heat from flue gases obtained from burning waste, biomass or fuel from them, as well as by using the heat of solar energy and geothermal energy to produce superheated steam for its subsequent expansion in a condensing turbine, which is usually connected to an electric generator.

Этот процесс основан на цикле Ренкина, энергетическая эффективность которого определяется параметрами пара: чем выше параметры (давление и температура) тем выше эффективность термодинамического цикла.This process is based on the Rankine cycle, the energy efficiency of which is determined by the steam parameters: the higher the parameters (pressure and temperature), the higher the efficiency of the thermodynamic cycle.

Однако в котельных установках, существующих в настоящее время с топочными устройствами для сжигания отходов и некоторых биомасс, особенно в случае котлов для твердых коммунальных отходов (ТКО) или топлива из них, достигается максимальная температура выше 350°С, обычно более 400°С. Результаты многочисленных исследований и практической эксплуатации показывают, что при температурах выше 350°С теплообменные поверхности котельных установок испытывают чрезмерную коррозию, вызванную дымовыми газами от сгорания отходов и биомассы.However, in current boiler installations with combustion devices for burning waste and some biomass, especially in the case of boilers for municipal solid waste (MSW) or fuels from them, maximum temperatures are reached above 350°C, usually above 400°C. The results of numerous studies and practical operation show that at temperatures above 350°C, the heat exchange surfaces of boiler plants experience excessive corrosion caused by flue gases from the combustion of waste and biomass.

Наличие хлористого водорода при сжигании продуктов, содержащих хлор, выделяется среди факторов, вызывающих указанные коррозионные эффекты в случае твердых коммунальных отходов или топлива из них. Кроме того, в биомассе такой как древесина или сельскохозяйственные отходы растениеводства, такие как солома, шелуха зерновых культур и т. д., необходимо учитывать коррозионные эффекты, обусловленные содержанием щелочных металлов, присутствующего в отходах, которые в составе летучей золы, осаждаемой в пароперегревателях, вызывают шлакование теплообменных поверхностей, уменьшая КПД котельной установки, а при удалении с теплообменных поверхностей ускоряется коррозионный и эрозионный износ теплообменных поверхностей, что приводит к уменьшению коэффициента используемой мощности оборудования из-за более частого обслуживания и ремонтов.The presence of hydrogen chloride during the combustion of products containing chlorine is identified among the factors causing these corrosive effects in the case of municipal solid waste or fuels made from them. In addition, in biomass such as wood or agricultural crop residues such as straw, cereal husks, etc., it is necessary to take into account the corrosive effects due to the alkali metal content present in the waste, which is part of the fly ash deposited in the superheaters. cause slagging of heat transfer surfaces, reducing the efficiency of the boiler installation, and when removed from heat transfer surfaces, corrosive and erosive wear of heat transfer surfaces accelerates, which leads to a decrease in the power factor of the equipment due to more frequent maintenance and repairs.

Существующие в настоящее время традиционные котельные установки работают в основном на параметрах пара при давлении не менее 40 бар и температуре не менее 400°С, так что скорость коррозии на внешней стороне трубных пучков составляет в несколько раз больше того, что происходит в тех случаях, когда температура пара ниже 350°С. Однако снижение параметров пара резко снижает эффективность паровых турбин и в целом энергетической установки.Currently existing traditional boiler plants operate mainly on steam parameters at a pressure of at least 40 bar and a temperature of at least 400°C, so that the corrosion rate on the outside of the tube bundles is several times higher than what occurs in cases where steam temperature below 350°C. However, a decrease in steam parameters sharply reduces the efficiency of steam turbines and the power plant as a whole.

С целью преодоления указанных выше проблем коррозии пароперегревательных трубных пучков были разработаны методы, при которых пар вырабатывается в котле сжигания отходов высокого давления, превышающего 70 бар и обычно с значения около 100 бар, которые слегка перегреваются или не перегреваются, т. е. при температурах порядка 330°С, и в которых коррозионные эффекты не очень значительны. Однако снижение параметров пара резко снижает эффективность паровых турбин и электрический КПД в целом энергетической установки не превышает 18%. In order to overcome the above problems of corrosion of steam superheating tube bundles, methods have been developed in which steam is generated in a waste incineration boiler at high pressure, exceeding 70 bar and usually with a value of about 100 bar, which are slightly overheated or not overheated, i.e. at temperatures of the order 330°C, and in which the corrosive effects are not very significant. However, a decrease in steam parameters sharply reduces the efficiency of steam turbines and the electrical efficiency of the entire power plant does not exceed 18%.

Для повышения КПД паровой турбины в установках, использующих эти методы, образующийся пар высокого давления и умеренной температуры перегревается в части котла-утилизатора с отдельным газовым трактом, в котором дымовые газы от ископаемого чистого топлива (как правило природный газ) не смешиваются с дымовыми газами от сжигания отходов или SRF, что не вызывает коррозии достигая высоких параметров пара - давления, порядка 70-110 бар, и температуры, порядка 450-540°С с высокой эффективностью производства электрической энергии.To increase the efficiency of the steam turbine in installations using these methods, the resulting high-pressure and moderate-temperature steam is superheated in a part of the recovery boiler with a separate gas path in which flue gases from clean fossil fuels (usually natural gas) are not mixed with flue gases from waste incineration or SRF, which does not cause corrosion, achieving high steam parameters - pressure, about 70-110 bar, and temperature, about 450-540 ° C with high efficiency in the production of electrical energy.

Методы, подобные методам этого типа, описаны в испанских патентах ES-2006059-A6 и ES-2010890-A6, которые описывают методы, при которых пар высокого давления, образующийся в котле для ТКО, при температуре ниже температуры, при которой воздействие коррозии начинает быть значительным, перегревается в котле для рекуперации тепла газов сгорания чистого топлива или выхлопных газов газовой турбины. С помощью этих систем избегаются последствия коррозии, при этом производство электрической энергии увеличивается с высокой энергетической эффективностью при использовании обоих видов топлива.Methods similar to those of this type are described in Spanish patents ES-2006059-A6 and ES-2010890-A6, which describe methods in which high-pressure steam generated in a MSW boiler is at a temperature below the temperature at which the effects of corrosion begin to be significant, is overheated in the boiler to recover heat from combustion gases of clean fuel or gas turbine exhaust gases. With these systems, the effects of corrosion are avoided, while the production of electrical energy is increased with high energy efficiency when using both types of fuel.

Аналогично, американский патент № 5,724,807 также описывает способ перегрева пара при давлении выше 68 бар, образующегося в котле-утилизаторе, с использованием выхлопных газов газовой турбины, которые, кроме того, генерируют пар низкого давления, который используется для таких услуг, как охлаждение воздуха газовой турбины или предварительный нагрев воздуха для горения отработанной печи и конденсатов.Similarly, US Patent No. 5,724,807 also describes a method for superheating steam at pressures above 68 bar generated in a recovery boiler using gas turbine exhaust gases, which in addition generate low pressure steam which is used for services such as gas air cooling turbines or preheating combustion air of waste furnace and condensates.

Однако эффективное промышленное применение изложенных выше методов оказалось не очень успешным, поэтому обычные установки работают с паром при давлении ниже 60 бар и температуре выше 350°С, что связано со сложностью котельного оборудования с разделенными газовыми трактами для дымовых газов от различных видов топлива, с отсутствием наличия чистого и экономически эффективного топлива в непосредственной близости от мусоросжигательной установки, а также с тем, что повышение энергоэффективности, связанное с указанными выше методами, не позволяет экономически компенсировать необходимость внесения более высоких инвестиций и дополнительных затрат на вспомогательное топливо. However, the effective industrial application of the above methods has not been very successful, so conventional plants operate with steam at pressures below 60 bar and temperatures above 350 ° C, which is due to the complexity of boiler equipment with separated gas paths for flue gases from different types of fuel, with the lack of the availability of clean and cost-effective fuel in the immediate vicinity of the incinerator, and that the energy efficiency improvements associated with the above methods do not economically offset the need for higher investments and additional costs for auxiliary fuel.

С другой стороны, один из наиболее распространенных способов использования солнечной энергии состоит в концентрации прямого солнечного излучения, посредством использования зеркал, на концентраторе, внутри которого циркулирует не водяной органический теплоноситель. Этот метод применяется на тепловых электростанциях, в которых максимальный температурный уровень ограничен температурой разложения теплоносителя порядка 400°С.On the other hand, one of the most common ways to use solar energy is to concentrate direct solar radiation, through the use of mirrors, on a concentrator, inside which a non-water organic coolant circulates. This method is used at thermal power plants, in which the maximum temperature level is limited by the decomposition temperature of the coolant of about 400°C.

Вследствие этого технического ограничения котлы, солнечных концентрирующих установок с промежуточным теплоносителем предназначены для выработки пара при температурах порядка 380°C, что означает, что тепловые циклы, происходящие в этих солнечных установках, так же имеют низкую энергоэффективность.Due to this technical limitation, solar concentrating boilers with intermediate coolant are designed to produce steam at temperatures around 380°C, which means that the thermal cycles occurring in these solar plants are also of low energy efficiency.

С целью повышения энергоэффективности тепловых циклов на основе эксплуатации солнечной энергии было рассмотрено несколько методов, в том числе французский патент № FR-2450363-B1, в котором описана тепловая электростанция для получения электроэнергии из солнечной энергии путем перегрева пара под давлением 50 бар, генерируемого промежуточной органической жидкостью из солнечных коллекторов, посредством смеси расплавленных солей, нагретых при высокой температуре в солнечном коллекторе с центральной башней и гелиостатами.In order to improve the energy efficiency of thermal cycles based on the exploitation of solar energy, several methods have been considered, including French patent No. FR-2450363-B1, which describes a thermal power plant for producing electricity from solar energy by superheating steam at 50 bar pressure generated by an intermediate organic liquid from solar collectors, through a mixture of molten salts heated at high temperature in a solar collector with a central tower and heliostats.

Аналогичным образом, патентная заявка США № US-2006260314 описывает способ и систему, в которых низкотемпературный пар, генерируемый промежуточными органическими жидкостями из солнечных коллекторов, перегревается высокотемпературным паром из солнечных коллекторов. Комбинированный цикл, который также может быть выполнен с хвостовыми выхлопными газами газовых турбин комбинированного цикла, как описано в международной патентной заявке PCT WO-9511371.Similarly, US Patent Application No. US-2006260314 describes a method and system in which low temperature steam generated by intermediate organic liquids from solar collectors is superheated by high temperature steam from solar collectors. Combined cycle, which can also be performed with the tail exhaust gases of combined cycle gas turbines, as described in PCT international patent application WO-9511371.

С другой стороны, международные патентные заявки PCT WO-2007093464 и WO-2007093474 описывают использование внешнего теплоснабжения в цикле Ренкина, для которого используется турбина с промежуточным повторным нагревом и использованием невозобновляемого топлива.On the other hand, international patent applications PCT WO-2007093464 and WO-2007093474 describe the use of external heat supply in a Rankine cycle, which uses an intermediate reheat turbine using a non-renewable fuel.

Однако на практике все эти установки и способы повышения эффективности выработки электрической энергии с использованием тепла энергии солнца имеют дорогостоящее и сложное промышленное применение, так как требуют участия комплекса, например, такие системы, как объединение с комбинированными циклами, использование невозобновляемых видов топлива и использование расплавленных солей при высокой температуре, а так же, в случае с ТКО или SRF их большого количества на установку так как необходимо тратить тепло от них на парообразование.However, in practice, all these installations and methods for increasing the efficiency of generating electrical energy using solar heat have expensive and complex industrial applications, as they require the participation of a complex, for example, systems such as combined cycles, the use of non-renewable fuels and the use of molten salts at high temperatures, and also, in the case of MSW or SRF, there are large quantities of them for the installation since it is necessary to waste heat from them on vaporization.

Анализ современного состояния показывает, что для получения электрической энергии с умеренной температурой пара, как в котлах утилизаторах, преобразующих энергию возобновляемых источников в пар высоких параметров для получения электрической энергии, требуются более простые и эффективные тепловые циклы, предотвращающие воздействия коррозии, а также на электростанциях, использующих тепловую энергию солнца, для предотвращения разложения органических теплоносителей замещая регенеративный цикл паровых турбин для нагрева конденсата до эффективной температуры котельных установок, использующих ископаемое твердое, жидкое, газообразное и атомное топливо, а также, тепло отходящих газов газовых турбин.An analysis of the current state of affairs shows that in order to obtain electrical energy with moderate steam temperatures, as in waste heat boilers that convert energy from renewable sources into high-parameter steam to produce electrical energy, simpler and more efficient thermal cycles are required that prevent the effects of corrosion, as well as in power plants, using the thermal energy of the sun to prevent the decomposition of organic coolants, replacing the regenerative cycle of steam turbines to heat condensate to the effective temperature of boiler plants using fossil solid, liquid, gaseous and nuclear fuel, as well as the heat of exhaust gases of gas turbines.

Раскрытие изобретения.Disclosure of the invention.

На данный момент требуются более эффективные тепловые циклы для котлов, работающих от тепла возобновляемых источников энергии, на низких параметрах теплоносителя, без фазовых переходов, которые встроены в термодинамические циклы использования пара высокого давления и температуры в паросиловых циклах электростанций, работающих на ископаемых топливах, таких как природный газ, уголь, мазут, и ядерное топливо, а также, использующих тепло отходящих газов газовых турбин. Так что повышение энергоэффективности при использовании тепла от возобновляемых источников энергии, компенсирует потери энергии на паровой турбине как за счет регенеративных отборов, так и за счет увеличения общей эффективности термодинамических циклов, повышения экономически эффективной температуры питательной воды до теоретически наиболее эффективной температуры питательной воды котельной установки работающей на ископаемых топливах, таких как природный газ, уголь, мазут, и ядерное топливо, а также, использующих тепло отходящих газов газовых турбин, снижения удельных капитальных и операционных затрат на производство электрической энергии от возобновляемых источников тепловой энергии.At the moment, more efficient thermal cycles are required for boilers powered by heat from renewable energy sources, at low coolant parameters, without phase transitions, which are built into the thermodynamic cycles of using high pressure and temperature steam in the steam power cycles of power plants operating on fossil fuels, such as natural gas, coal, fuel oil, and nuclear fuel, as well as using the heat of exhaust gases from gas turbines. So, increasing energy efficiency when using heat from renewable energy sources compensates for energy losses in the steam turbine both through regenerative extractions and by increasing the overall efficiency of thermodynamic cycles, increasing the cost-effective feedwater temperature to the theoretically most efficient feedwater temperature of the boiler plant operating on fossil fuels such as natural gas, coal, fuel oil, and nuclear fuel, as well as using the heat of waste gases of gas turbines, reducing specific capital and operating costs for the production of electrical energy from renewable thermal energy sources.

Предлагаемое изобретение служит для целей:The present invention serves the following purposes:

- снижения затрат энергии на промежуточных, регенеративных отборах паровых турбин электростанций, - reducing energy costs in intermediate, regenerative extractions of steam turbines of power plants,

- снижение рисков тепловой коррозии котельного агрегата, извлекающего энергию из отходов, - reducing the risk of thermal corrosion of a boiler unit that extracts energy from waste,

- снижение капитальных затрат на преобразование энергии от возобновляемых источников энергии в механическую и электрическую энергию, так как получаемая энергия преобразуется в тепловых циклах регенеративных отборов паровых турбин большой мощности, что повысит энергетическую и эксплуатационную эффективность за счет уменьшения промежуточных - регенеративных отборов пара для подогрева конденсата и (или) питательной воды, с температурой теплоносителя в жидком агрегатном состоянии ниже 330°С и соответствующем давлении в тепловом цикле использования энергии от возобновляемых источников энергии, исключая фазовые переходы теплоносителя, в совмещенном с тепловыми циклами регенеративных отборов паровых турбин большой мощности. - reduction of capital costs for converting energy from renewable energy sources into mechanical and electrical energy, since the resulting energy is converted in thermal cycles of regenerative extractions of high-power steam turbines, which will increase energy and operational efficiency by reducing intermediate - regenerative steam extractions for heating condensate and (or) feed water, with a coolant temperature in a liquid aggregate state below 330°C and a corresponding pressure in the thermal cycle of using energy from renewable energy sources, excluding phase transitions of the coolant, combined with thermal cycles of regenerative extractions of high-power steam turbines.

Настоящее изобретение относится к способу получения энергии при комбинированном использовании энергии от возобновляемых источников энергии в цикле, обеспечивающим отсутствие фазового перехода теплоносителя из жидкого в газообразное состояние, замещающее энергию регенеративных отборов паровых турбин, работающих на паре, полученном от использования тепла от ископаемых топлив, таких как природный газ, уголь, мазут, а также ядерного топлива и использующих тепло отходящих газов газовых турбин, позволяющему повысить энергетическую, эксплуатационную и инвестиционную эффективность преобразования тепловой энергии, от возобновляемых источников тепловой энергии или топлива и достичь эффективную температуру питательной воды максимально приближенную, или совпадающую с теоретически наиболее эффективной температурой.The present invention relates to a method for obtaining energy through the combined use of energy from renewable energy sources in a cycle that ensures the absence of a phase transition of the coolant from a liquid to a gaseous state, replacing the energy of regenerative extractions of steam turbines operating on steam obtained from the use of heat from fossil fuels, such as natural gas, coal, fuel oil, as well as nuclear fuel and gas turbines using heat from exhaust gases, which allows increasing the energy, operational and investment efficiency of converting thermal energy from renewable sources of thermal energy or fuel and achieving an effective feedwater temperature as close as possible to, or coinciding with theoretically the most effective temperature.

Задачей настоящего изобретения является повышение энергетической эффективности циклов Ренкина при использовании тепла от ископаемых топлив, таких как природный газ, уголь, мазут, а так же ядерного топлива и использующих тепло отходящих газов газовых турбин с использованием энергии возобновляемых источников энергии, для уменьшения расхода пара на регенеративных отборах и повышение температуры питательной воды максимально близко к теоретически наиболее эффективной температуре питательной воды, в которых температура теплоносителя ограничена умеренными значениями, не превышающими значений порядка 330°C, что связано с коррозионными процессами в паровых котлах, использующих тепло от сжигания биомассы и ТКО или вследствие разложения органических теплоносителей для других видов ВИЭ, как было указано выше.The objective of the present invention is to increase the energy efficiency of Rankine cycles when using heat from fossil fuels, such as natural gas, coal, fuel oil, as well as nuclear fuel and gas turbines using heat from exhaust gases using energy from renewable energy sources, to reduce steam consumption in regenerative selections and increasing the temperature of the feed water as close as possible to the theoretically most effective temperature of the feed water, in which the coolant temperature is limited to moderate values not exceeding values of the order of 330 ° C, which is associated with corrosion processes in steam boilers using heat from the combustion of biomass and MSW or due to decomposition of organic coolants for other types of renewable energy sources, as mentioned above.

Очевидно, что изобретение применимо также к любому способу получения энергии, в котором температура теплоносителя ограничена какой-либо технической или экономической причиной, отличной от указанных ранее.It is obvious that the invention is also applicable to any method of generating energy in which the temperature of the coolant is limited by any technical or economic reason other than those previously mentioned.

Изобретение решает несколько задач, которые описаны ниже.The invention solves several problems, which are described below.

Первой задачей настоящего изобретения является достижение теплового цикла, в котором используется пар высокой температуры выше 400°С, с использованием энергии от возобновляемых источников для перегрева указанного пара на котельных установках, использующих ископаемое твердое, жидкое, газообразное и атомное топливо, а также, тепло отходящих газов газовых турбин и который в тоже время обладает лучшей энергетической и эксплуатационной эффективностью, чем те, которые предлагаются используемыми вышеуказанными методами с регенеративными отборами пара с паровой турбины.The first object of the present invention is to achieve a thermal cycle that uses high temperature steam above 400°C, using energy from renewable sources to superheat said steam in boiler plants using fossil solid, liquid, gaseous and nuclear fuels, as well as waste heat gases of gas turbines and which at the same time has better energy and operational efficiency than those offered by the methods used above with regenerative extraction of steam from a steam turbine.

Аналогичным образом, целью изобретения является достижение более высокой эффективности работы котельных установок для сжигания ТКО и прочих отходов, в том числе биомассы, и топлива из них, уменьшение скорости коррозии теплообменных поверхностей, следствием чего является сокращение простоев установки для выполнения ремонтных работ, с сопутствующими затратами, что в свою очередь позволяет увеличить годовой тоннаж отходов, сжигаемых в установке с использованием способа изобретения, а также увеличение вырабатываемой электрической энергии.Similarly, the purpose of the invention is to achieve higher operating efficiency of boiler installations for burning MSW and other waste, including biomass, and fuels from them, reducing the rate of corrosion of heat exchange surfaces, resulting in a reduction in installation downtime for repair work, with associated costs , which in turn makes it possible to increase the annual tonnage of waste burned in the installation using the method of the invention, as well as an increase in the generated electrical energy.

Технический результат - снижение высокотемпературной коррозии котельного агрегата ВИЭ и повышение энергетической эффективности теплового цикла в целом, снижение инвестиционных и эксплуатационных затрат при использовании возобновляемых источников энергии для генерации электрической энергии, что достигается применением способа и системы реализуемым данным способом.The technical result is a reduction in high-temperature corrosion of a renewable energy boiler unit and an increase in the energy efficiency of the thermal cycle as a whole, a reduction in investment and operating costs when using renewable energy sources to generate electrical energy, which is achieved by using the method and system implemented by this method.

Технический результат достигается тем, что способ получения энергии в термодинамических циклах заключается в получении пара высоких параметров в первой котельной установке, использующей ископаемое твердое, жидкое, газообразное и атомное топливо, а также тепло отходящих газов газовых турбин, подачи пара высоких параметров в, по меньшей мере одну, паровую турбину, подачи отработанного пара из паровой турбины на конденсатор, нагрева конденсата до эффективной температуры питательной воды и ее подачи конденсационным и питательным насосами в первую котельную установку. При этом подача конденсата конденсационным насосом сначала осуществляется во вторую котельную установку, использующую возобновляемые источники энергии, для его нагрева до эффективной температуры питательной воды первой котельной установки, при этом сначала конденсат подается конденсационным насосом в низкотемпературную часть второй котельной установки в которой осуществляется нагрев конденсата до температуры не более 170°С, далее, если необходимо, конденсат подается на деаэратор, затем после деаэратора происходит повышение давления питательной воды на питательном насосе, и питательная вода подается в высокотемпературную часть второй котельной установки, которая ее нагревает до температуры не более 330°С без осуществления фазового перехода, после чего нагретая питательная вода возвращается в первую котельную установку.The technical result is achieved by the fact that the method of obtaining energy in thermodynamic cycles consists in obtaining steam of high parameters in the first boiler plant using fossil solid, liquid, gaseous and nuclear fuel, as well as heat from the exhaust gases of gas turbines, supplying steam of high parameters to at least at least one, a steam turbine, supplying exhaust steam from the steam turbine to the condenser, heating the condensate to the effective temperature of the feed water and supplying it with condensation and feed pumps to the first boiler plant. In this case, the condensate is first supplied by the condensation pump to the second boiler plant using renewable energy sources, in order to heat it to the effective temperature of the feed water of the first boiler plant, while the condensate is first supplied by the condensation pump to the low-temperature part of the second boiler plant in which the condensate is heated to the temperature no more than 170°C, then, if necessary, the condensate is supplied to the deaerator, then after the deaerator the pressure of the feed water increases on the feed pump, and the feed water is supplied to the high-temperature part of the second boiler installation, which heats it to a temperature of no more than 330°C without implementation of a phase transition, after which the heated feed water is returned to the first boiler plant.

Устройство получения энергии в термодинамических циклах включает первую котельную установку, использующую ископаемое твердое, жидкое, газообразное и атомное топливо, а также тепло отходящих газов газовых турбин, осуществляющую подачу пара на паровую турбину, паровую турбину, конденсатор, преобразующий отработанный пар турбиной до конденсата и конденсационный насос и, если необходимо, деаэратор и питательный насос, подающие конденсат в первую котельную установку, отличающееся тем, что устройство дополнительно включает вторую котельную установку использующую возобновляемые источники энергии, включающую первый контур для нагрева конденсата до температуры не более 170°С и второй контур для нагрева питательной воды до температуры не более 330°С без осуществления фазового перехода, при этом конденсационный насос подает конденсат на первый контур второй котельной установки для нагрева конденсата, после чего конденсат поступает на деаэратор, откуда питательная вода питательным насосом подается во второй контур второй котельной установки и затем возвращается в первую котельную установку.A device for obtaining energy in thermodynamic cycles includes a first boiler plant using fossil solid, liquid, gaseous and nuclear fuel, as well as heat from exhaust gases of gas turbines, supplying steam to a steam turbine, a steam turbine, a condenser that converts exhaust steam from the turbine to condensate and condensation a pump and, if necessary, a deaerator and a feed pump supplying condensate to the first boiler installation, characterized in that the device additionally includes a second boiler installation using renewable energy sources, including a first circuit for heating condensate to a temperature of not more than 170°C and a second circuit for heating the feed water to a temperature of no more than 330°C without performing a phase transition, while the condensation pump supplies condensate to the first circuit of the second boiler plant to heat the condensate, after which the condensate is supplied to the deaerator, from where the feed water is supplied by the feed pump to the second circuit of the second boiler plant and then returns to the first boiler plant.

Заявленный способ и устройство поясняется фигурой, где позициями обозначены следующие элементы.The claimed method and device are illustrated by the figure, where the following elements are designated by positions.

1 - первая котельная установка, использующей ископаемое твердое, жидкое, газообразное и атомное топливо, а также, тепло отходящих газов газовых турбин.1 is the first boiler plant using fossil solid, liquid, gaseous and nuclear fuel, as well as heat from the exhaust gases of gas turbines.

2 - вторая котельная установка, использующая возобновляемые источники энергии, включающая, если необходимо, топочное устройство, газовый тракт, систему очистки дымовых газов. 2 - a second boiler plant using renewable energy sources, including, if necessary, a combustion device, a gas path, and a flue gas purification system.

2а - первый контур для нагрева конденсата до температуры не более 170^оС 2a - first circuit for heating condensate to a temperature of no more than 170 ^o C

2б - второй контур для нагрева питательной воды до эффективной температуры котельной установки, использующей ископаемое твердое, жидкое, газообразное и атомное топливо, а также, тепло отходящих газов газовых турбин, но не более 330^оС, 2b - second circuit for heating feed water to the effective temperature of a boiler plant using fossil solid, liquid, gaseous and nuclear fuel, as well as heat from exhaust gases of gas turbines, but not more than 330 ^o C,

3 - деаэратор, 3 - deaerator,

4 - питательный насос, 4 - feed pump,

5 - конденсационный насос5 - condensation pump

6 - паровая турбина, 6 - steam turbine,

7 - конденсатор паровой турбины7 - steam turbine condenser

Согласно изобретению, см фиг., способ получения энергии в термодинамических циклах с паром высокого давления включает следующие стадии: According to the invention, see Fig., a method for obtaining energy in thermodynamic cycles with high-pressure steam includes the following stages:

а) получение пара при температуре выше 400^о С в первой котельной установке 1, a) obtaining steam at a temperature above 400 ^o C in the first boiler plant 1,

б) расширение пара, образующегося на стадии а) в, по меньшей мере одной, паровой турбине 6, b) expansion of the steam generated at stage a) in at least one steam turbine 6,

в) подачу отработанного пара из паровой турбины 6 на конденсатор 7 с подачей воды в жидком агрегатном состоянии (конденсат) на конденсационный насос 5,c) supply of exhaust steam from steam turbine 6 to condenser 7 with supply of water in a liquid aggregate state (condensate) to condensation pump 5,

г) подачу воды в жидком агрегатном состоянии конденсационным насосом 5 во вторую котельную установку 2,d) supplying water in a liquid aggregate state by a condensation pump 5 to the second boiler plant 2,

д) нагрев воды в первом контуре для нагрева конденсата 2.а до температуры не более 170^оС второй котельной установки 2, e) heating water in the primary circuit to heat condensate 2.a to a temperature of no more than 170 ^o C of the second boiler installation 2,

е) подачу нагретой воды из первого контура для нагрева конденсата 2.а на деаэратор 3,e) supply of heated water from the primary circuit to heat the condensate 2.a to the deaerator 3,

ж) деаэрация нагретой воды с возможным вторичным перегретым паром деаэратором 3 и подачу деаэрированной питательной воды на питательный насос 4,g) deaeration of heated water with possible secondary superheated steam by deaerator 3 and supply of deaerated feed water to feed pump 4,

з) подачу деаэрированной питательной воды под давлением питательного насоса 4 во второй контур 2.б для нагрева питательной воды до эффективной температуры первой котельной установки, использующей ископаемое твердое, жидкое, газообразное и атомное топливо, а также, тепло отходящих газов газовых турбин, но не более 330°С для последующей выработки пара на стадии а).h) supply of deaerated feed water under the pressure of the feed pump 4 to the second circuit 2.b for heating the feed water to the effective temperature of the first boiler plant using fossil solid, liquid, gaseous and nuclear fuel, as well as heat from the exhaust gases of gas turbines, but not more than 330°C for subsequent steam production at stage a).

Устройство получения энергии в термодинамических циклах, включает первую котельную установку 1, осуществляющую подачу пара на паровую турбину 6, саму паровую турбину 6, конденсатор 7, преобразующий отработанный пар турбиной до воды и конденсационный насос 5.The device for obtaining energy in thermodynamic cycles includes the first boiler unit 1, which supplies steam to the steam turbine 6, the steam turbine 6 itself, the condenser 7, which converts the exhaust steam from the turbine to water, and the condensation pump 5.

Также устройство включает последовательно установленные на выходе конденсационного насоса 5:The device also includes sequentially installed at the output of the condensation pump 5:

- первый теплообменный аппарат 2.а, нагревающий воду от конденсационного насоса 5,- the first heat exchanger 2.a, heating water from the condensation pump 5,

- деаэратор 3,- deaerator 3,

- питательный насос 4,- feed pump 4,

- второй теплообменный аппарат 2.б, нагревающий деаэрированную воду от питательного насоса 4 и направляющий ее в первую котельную установку 1.- second heat exchanger 2.b, heating deaerated water from the feed pump 4 and directing it to the first boiler unit 1.

В зависимости от конкретных параметров описанной выше системы и требуемых параметров теоретически наиболее эффективной температуры питательной воды котельной установки, использующей ископаемое твердое, жидкое, газообразное и атомное топливо, а также, тепло отходящих газов газовых турбин, может быть использована одноступенчатая схема реализации котельной установки 2, использующей возобновляемые источники энергии, - только конденсационный насос 5 и низкотемпературный теплообменный аппарат 2.а с температурой нагрева питательной воды не более 170°С, без питательного насоса 4 и высокотемпературного контура 2.б.Depending on the specific parameters of the system described above and the required parameters of the theoretically most effective temperature of the feed water of a boiler plant using fossil solid, liquid, gaseous and nuclear fuel, as well as the heat of the exhaust gases of gas turbines, a single-stage scheme for the implementation of boiler plant 2 can be used, using renewable energy sources - only condensation pump 5 and low-temperature heat exchanger 2.a with a feedwater heating temperature of no more than 170°C, without feed pump 4 and high-temperature circuit 2.b.

Таким образом, достигается тепловой цикл вода - пар, позволяющий повысить производительность паровой турбоустановки до 10% (по данным ЦКТИ) без капиталоемкой реконструкции, а при капиталоемкой реконструкции до 25% (по данным УТЗ), и более - при новой паровой турбине, что повышает энергоэффективность в целом комбинированной котельной установки при использовании тепловой энергии ВИЭ для нагрева питательной воды и котельной установки с паром высоких параметров для паровой турбины при использовании тепла от ископаемых топлив, таких как природный газ, уголь, мазут, а также ядерного топлива и использующих тепло отходящих газов газовых турбин.Thus, a water-steam thermal cycle is achieved, which makes it possible to increase the productivity of a steam turbine unit up to 10% (according to TsKTI) without capital-intensive reconstruction, and with capital-intensive reconstruction up to 25% (according to UTZ), and more with a new steam turbine, which increases energy efficiency of a combined boiler plant as a whole when using thermal energy from renewable energy sources for heating feed water and a boiler plant with high-parameter steam for a steam turbine when using heat from fossil fuels such as natural gas, coal, fuel oil, as well as nuclear fuel and heat-using waste gases gas turbines.

В предлагаемых способе и устройстве генерация пара в котле ВИЭ 2 не осуществляется, а происходит нагрев сначала конденсата (воды) при давлении конденсационного насоса 4 до температуры не выше 170°С, а затем, если необходимо для достижения теоретически эффективной температуры деаэрация воды, при давлении питательного насоса 2 нагрев воды до температуры не выше 330°С. In the proposed method and device, steam generation in the RES boiler 2 is not carried out, but the condensate (water) is first heated at the pressure of the condensation pump 4 to a temperature not higher than 170°C, and then, if necessary to achieve a theoretically effective temperature, the water is deaerated at pressure feed pump 2 heats water to a temperature not higher than 330°C.

Преимущества изобретения: по сравнению с предшествующими паровыми циклами использования тепла ВИЭ при высоких капитальных и эксплуатационных затратах, связанных с необходимостью обеспечения инфраструктуры (электрогенерирующего оборудования, схемы выдачи мощности, водоподготовка и т.д) отдельно для каждого энергоблока соответствующей станции ВИЭ при низких параметрах пара и низкой эффективностью, в том числе тот факт, что способ изобретения имеет более высокую регенеративную способность, энергоэффективность и то, что коррозия теплообменных поверхностей не является существенной, что снижает затраты и время, необходимое на техническое обслуживание установки за счет ее остановок, а так же ее стоимость, а отсутствие фазовых переходов в котельной установке ВИЭ позволяет использовать ВИЭ при реконструкции существующих электростанций либо при строительстве и проектировании новых, использующих ископаемое твердое, жидкое, газообразное и атомное топливо, а также, использоваться тепло отходящих газов газовых турбин, с минимальными затратами. Таким образом, при существенном уменьшении удельных капитальных и операционных затрат, увеличивается коэффициент использования установленной мощности в год, повышается эффективность использование возобновляемых источников энергии. Advantages of the invention: compared to previous steam cycles using heat from renewable energy sources at high capital and operating costs associated with the need to provide infrastructure (electricity generating equipment, power distribution circuits, water treatment, etc.) separately for each power unit of the corresponding renewable energy station at low steam parameters and low efficiency, including the fact that the method of the invention has a higher regenerative capacity, energy efficiency and the fact that corrosion of the heat exchange surfaces is not significant, which reduces the costs and time required for maintenance of the installation due to its shutdowns, as well as its cost, and the absence of phase transitions in a RES boiler plant allows the use of RES in the reconstruction of existing power plants or in the construction and design of new ones using fossil solid, liquid, gaseous and nuclear fuels, as well as the use of heat from the exhaust gases of gas turbines, with minimal costs. Thus, with a significant reduction in specific capital and operating costs, the installed capacity utilization rate per year increases, and the efficiency of using renewable energy sources increases.

Отсутствие фазового перехода теплоносителя в котельной установке ВИЭ позволяет обеспечить применение данного изобретения для реконструкции существующих электростанций с паросиловым циклом для замещения регенерационного цикла паровых турбин с минимальными затратами на реконструкцию и повышение мощности паровых турбин с более эффективным использование энергии возобновляемых источников энергии. The absence of a phase transition of the coolant in a renewable energy boiler plant allows the use of this invention for the reconstruction of existing power plants with a steam power cycle to replace the regeneration cycle of steam turbines with minimal costs for reconstruction and increasing the power of steam turbines with more efficient use of energy from renewable energy sources.

Например, один из самых распространенных энергоблоков на базе паровой турбины ПТ-100-130:For example, one of the most common power units based on the PT-100-130 steam turbine:

Мощность электрическая 100 МВт три цилиндра, высокого среднего и низкого давлений, регенеративный отбор с цилиндров высокого и среднего давлений на нагрев питательной воды с 35 до 229°С. Температура пара 555°С, температура конденсата после конденсатора 34°С, перед деаэратором 152°С, Расход питательной воды на подогревателе питательной воды 493 т/ч, температура питательной воды 229°С.Electric power 100 MW three cylinders, high medium and low pressure, regenerative extraction from high and medium pressure cylinders to heat feed water from 35 to 229 ° C. Steam temperature 555°C, condensate temperature after the condenser 34°C, before the deaerator 152°C, Feed water consumption at the feed water heater 493 t/h, feed water temperature 229°C.

Замещение регенеративных отборов с турбины для подогрева конденсата и питательной воды на нагрев конденсата и питательной воды в котельной установке, использующей возобновляемые источники энергии на примере сжигания топлива из твердых коммунальных отходов (SRF) c теплотворной способностью 10 МДж/кг позволяет достичь увеличение мощности турбины на 10 % до 110 МВт. При КПД котельной установки, использующей энергию возобновляемых источников энергии (топлива из отходов) 80% необходимо 17,5 тонн/час такого топлива при коэффициенте использования мощности 6500 ч/г. Стандартный паросиловой энергоблок с потреблением такого топлива из отходов 17,5 т/ч и температурой пара 430^оС градусов имеет мощность не более 8 МВт электрических (технология WtE) с капитальными затратам по строительству полного технологического цикла электростанции, схемы выдачи мощности, инфраструктуры, водоподготовки, потребность в персонале и т.д.Replacing regenerative extractions from a turbine for heating condensate and feed water with heating condensate and feed water in a boiler plant using renewable energy sources using the example of burning fuel from municipal solid waste (SRF) with a calorific value of 10 MJ/kg allows achieving an increase in turbine power by 10 % up to 110 MW. With an efficiency of a boiler plant using energy from renewable energy sources (fuel from waste) of 80%, 17.5 tons/hour of such fuel is required with a power utilization factor of 6500 h/year. A standard steam power power unit with a consumption of such fuel from waste of 17.5 t/h and a steam temperature of 430 ^o C degrees has a power of no more than 8 MW electrical (WtE technology) with capital costs for the construction of the full technological cycle of the power plant, power delivery scheme, infrastructure, water treatment , staffing needs, etc.

Как видно из приведенного примера, эффективность использования возобновляемой энергии для производства электрической энергии выше более чем на 20% за счет высоких параметров пара на паровой турбине и значительно ниже скорость коррозии теплообменных поверхностей, а в случае использования органических теплоносителей существенное замедление их разложения.As can be seen from the above example, the efficiency of using renewable energy for the production of electrical energy is more than 20% higher due to the high steam parameters in the steam turbine and the corrosion rate of heat exchange surfaces is significantly lower, and in the case of using organic coolants, their decomposition is significantly slower.

Например, для замещения регенеративного отбора турбины ПТ100-130 паросилового блока, водогрейная котельная установка, использующая энергию топлива из твердых бытовых отходов (ВИЭ) может состоять из топочного устройства с тепловыми экранами как элемента низкотемпературной части котельной установки для нагрева конденсата под давлением конденсационного насоса, горение топлива осуществляется на валковой решетке под окислением первичным воздухом, нагретым на воздухоподогревателе котельной установки до 180°С и далее осуществляется дожигание дымовых газов вторичным воздухом до температуры выше 1100°С и их горении в камере дожигания топки в течении не менее 2 секунд для разложения диоксинов и фуранов при скорости дымовых газов не более 6,5 м/с, с дальнейшим нагревом питательной воды после деаэрации под давлением питательного насоса на конвективных теплообменных трубных пакетах высокотемпературной части котельной установки ВИЭ до температуры питательной воды 270°С для котельной установки, использующей тепло от ископаемых топлив, таких как природный газ, уголь, мазут, а также ядерного топлива или использующих тепло отходящих газов газовых турбин для выработки пара высоких параметров для турбины ПТ100-130.For example, to replace the regenerative extraction of the PT100-130 turbine of a steam power unit, a hot water boiler plant using fuel energy from solid waste (RES) may consist of a combustion device with heat shields as an element of the low-temperature part of the boiler plant for heating condensate under the pressure of a condensation pump, combustion fuel is carried out on a roller grate under oxidation with primary air heated on the air heater of the boiler installation to 180 ° C and then the flue gases are burned with secondary air to a temperature above 1100 ° C and burned in the afterburning chamber of the firebox for at least 2 seconds to decompose dioxins and furans at a flue gas velocity of no more than 6.5 m/s, with further heating of the feed water after deaeration under the pressure of the feed pump on convective heat exchange tube packages of the high-temperature part of the RES boiler plant up to a feed water temperature of 270 ° C for a boiler plant using heat from fossil fuels fuels such as natural gas, coal, fuel oil, as well as nuclear fuel or gas turbines using heat from exhaust gases to generate steam of high parameters for the PT100-130 turbine.

Claims

1. A method for obtaining energy in thermodynamic cycles, which consists in producing high-parameter steam in the first boiler plant using fossil solid, liquid, gaseous and nuclear fuel, as well as heat from the exhaust gases of gas turbines, supplying high-parameter steam to at least one steam turbine , supplying exhaust steam from the steam turbine to the condenser, supplying condensate by a condensation pump to the first boiler installation, characterized in that the condensate is supplied by the condensation pump to the second boiler installation using renewable energy sources, for heating it to the effective temperature of the feedwater of the first boiler installation, in this case, first the condensate is supplied by the condensation pump to the low-temperature part of the second boiler installation, in which the condensate is heated to a temperature of no more than 170 ° C, then the condensate is supplied to the deaerator, then after the deaerator the feed water pressure increases on the feed pump, and the feed water is supplied to the high-temperature part of the second boiler installation, which heats it to a temperature of no more than 330°C without performing a phase transition, after which the heated feed water is returned to the first boiler installation.

2. A device for obtaining energy in thermodynamic cycles, including the first boiler plant, using fossil solid, liquid, gaseous and nuclear fuel, as well as heat from the exhaust gases of gas turbines, supplying steam to the steam turbine, steam turbine, condenser, converting exhaust steam from the turbine to condensate and a condensation pump supplying condensate to the first boiler installation, characterized in that the device additionally includes a second boiler installation using renewable energy sources, including a first circuit for heating condensate to a temperature of not more than 170°C and a second circuit for heating feed water to a temperature not exceeding more than 330°C without a phase transition, while the condensation pump supplies condensate to the first circuit of the second boiler plant to heat the condensate, after which the condensate is supplied to the deaerator, from where feed water is supplied by the feed pump to the second circuit of the second boiler plant and then returned to the first boiler room installation.