RU2122642C1

RU2122642C1 - Combined-cycle steam power plant

Info

Publication number: RU2122642C1
Application number: RU96110798A
Authority: RU
Inventors: Э.П. Волков; А.И. Поливода; Б.С. Коробской; Ф.А. Поливода; Л.Т. Салехов
Priority date: 1996-05-28
Filing date: 1996-05-28
Publication date: 1998-11-27

Abstract

FIELD: environmentally oriented power plants supplying users with electricity and heat. SUBSTANCE: power plant has circulating heat-transfer loop running from heat generators which prevent emission of nitrogen oxides and are made in the form of catalytic generators burning organic or inorganic fuel or heat generators burning fissionable or isotope fuel; one of them incorporates double-stage thermoelectric generator, additional circulating loop running from thermoelectric generator, steam power circuit including rotary steam engine, heat- transfer apparatus for condensate heating, regenerative heat exchanger, and condensate drying heat exchanger. Plant does not emit nitrogen oxides, sulfur oxides, and other pollutants into the atmosphere. EFFECT: improved environmental friendliness of power plant. 7 cl, 2 dwg

Description

Предложение относится к электростанциям для экологически чистой выработки электроэнергии и теплоснабжения потребителя, в особенности в качестве замещающих энергоустановок в гибридных солнечных или миниатомных электростанциях. The proposal relates to power plants for the environmentally friendly generation of electricity and heat for consumers, in particular as replacement power plants in hybrid solar or miniatomic power plants.

Другая область применения предложения - автономные быстромонтируемые мобильные миниэлектростанции для промышленных и бытовых объектов, не подключенных к электросетям, а также применение в качестве аварийных и пиковых электростанций в энергосистемах. Another area of application of the proposal is autonomous quick-mounted mobile mini-power plants for industrial and domestic facilities that are not connected to power grids, as well as use as emergency and peak power plants in power systems.

В качестве аналога предложения принимается известная гибридная тепловая солнечная электрическая станция, содержащая циркуляционный контур теплопередачи, включающий теплопередающую петлю из расположенных последовательно приемников модульного зеркального параболоцилиндрического концентратора солнечной энергии с системой слежения за солнцем, парогенератора, пароперегревателя, циркуляционного насоса, соединенного одним своим выходом с входом теплопередающей петли приемников модульного концентратора солнечной энергии, а вторым выходом через замещающий в отсутствии солнца источника тепла, соединенный с входом указанного пароперегревателя, содержащая второй паросиловой контур с пароводяным рабочим телом, состоящий из последовательно размещенных: экономайзера, паросиловых частей парогенератора и пароперегревателя, турбины с генератором электроэнергии, конденсатора с охлаждением и конденсационного насоса. Webb G.M.Segs Plont design and operation. LUZ project to ENIN, LUZ Develop ment and Finantial Corporation Okt. 1989. As an analogue of the proposal, a well-known hybrid thermal solar power plant is used, containing a heat transfer circulation loop, including a heat transfer loop from successive receivers of a modular mirror parabolic cylinder concentrator of solar energy with a sun tracking system, a steam generator, a superheater, and a circulation pump connected to its input by a heat transfer input loops of receivers of a modular solar energy concentrator, and the second in progress through the replacement in the absence of solar heat source coupled to the input of said superheater, comprising a second steam-steam-circuit with the working medium consisting of successively arranged: the economizer, steam power and steam superheater parts, turbine power generator, a condenser cooling and condensing pump. Webb G. M. Segs Plont design and operation. LUZ project to ENIN, LUZ Develop ment and Finantial Corporation Okt. 1989.

Недостатком аналога является низкий, не более 14% коэффициент полезного действия чисто термодинамического пароводяного цикла Ренкина преобразования тепловой части солнечной энергии в электроэнергию, с чем связана высокая стоимость оборудования, длительные сроки окупаемости солнечной электростанции, а также отрицательный экологический эффект из-за выбросов в атмосферу окислов азота при работе замещающей энергоустановки. The disadvantage of the analogue is the low, not more than 14%, coefficient of efficiency of the purely thermodynamic steam-water cycle of Rankine, the conversion of the thermal part of solar energy into electricity, which is associated with the high cost of equipment, the long payback period of the solar power station, as well as the negative environmental effect due to emissions of oxides into the atmosphere nitrogen during operation of a replacement power plant.

В качестве прототипа принимается известная солнечная комбинированная электрическая станция содержащая: циркуляционные контуры теплопередачи, первый из которых включает теплопередающую петлю из расположенных последовательно приемников модульного зеркального параболоцилиндрического концентратора солнечной энергии с системой слежения за солнцем, парогенератор, пароперегреватель, циркуляционный насос, соединенный одним своим выходом со входом теплопередающей петли приемников модульного концентратора солнечной энергии с полупроводниковыми фотоэлектрическими преобразователями, а вторым выходом через замещающий (гибридный) источник тепла, соединенный со входом указанного пароперегревателя, содержащая второй паросиловой контур с пароводяным рабочим телом, состоящий из последовательно размещенных: экономайзера, паросиловых частей парогенератора и пароперегревателя, теплового двигателя с генератором электроэнергии, конденсатора с охлаждением и конденсатного насоса; инвертор с аккумулятором, систему низкопотенциального теплоснабжения с циркуляционным насосом (см. например авторское свидетельство СССР N 1726922 A1, кл. F 24 J 2/14; F 01 K 13/00). С помощью известной фототермодинамической электростанции не представляется возможным достигнуть выше 20% суммарный коэффициент преобразования тепловой энергии в электроэнергию. As a prototype, a well-known solar combined power plant is adopted comprising: heat transfer circuits, the first of which includes a heat transfer loop from successive receivers of a modular mirror parabolic cylinder concentrator of solar energy with a sun tracking system, a steam generator, a superheater, a circulation pump connected to its input by an output heat transfer loops of receivers of a modular solar energy concentrator with half-wires single photoelectric converters, and the second output through a substitute (hybrid) heat source connected to the input of the specified superheater, containing a second steam-power circuit with a steam-water working fluid, consisting of sequentially placed: economizer, steam-powered parts of the steam generator and superheater, a heat engine with an electric power generator, a condenser with cooling and condensate pump; an inverter with a battery, a low-potential heat supply system with a circulation pump (see, for example, USSR author's certificate N 1726922 A1, class F 24 J 2/14; F 01 K 13/00). Using the well-known photothermodynamic power plant, it is not possible to achieve above 20% the total coefficient of conversion of thermal energy into electricity.

Данный недостаток в первую очередь обусловлен тем, что прототипом предусмотрено применение низкотемпературных в том числе кремниевых фотоэлектрических полупроводниковых преобразователей работоспособных с КПД 10% лишь при температуре не выше 55^oC. Поэтому они располагаются на экономайзерах, которые используются главным образом для низкотемпературного подогрева воды, циркулирующей в сети теплоснабжения и лишь в малой степени для подогрева конденсата, образующегося в паросиловом цикле.This disadvantage is primarily due to the fact that the prototype provides for the use of low-temperature including silicon photoelectric semiconductor converters operable with an efficiency of 10% only at a temperature not exceeding 55 ^o C. Therefore, they are located on economizers, which are mainly used for low-temperature heating of water circulating in the heat supply network and only to a small extent for heating the condensate formed in the steam-power cycle.

В связи с этим фактором весьма незначителен вклад, менее 5%, сбросного тепла, получаемого при охлаждении низкотемпературных фотоэлементов, в выработку электроэнергии турбогенератором. In connection with this factor, the contribution of less than 5% of the waste heat obtained by cooling low-temperature solar cells to the generation of electricity by a turbogenerator is very insignificant.

Другим фактором, обуславливающим низкий термодинамический КПД прототипа являются невыгодные термодинамические свойства применяемого рабочего тела - воды в комбинированном фототермодинамическом паросиловом цикле солнечной электростанции. Это прежде всего высокие критические параметры водяного пара: давление 21,8 МПа, температура +374^oC, при высокой теплоте испарения 539 ккал/кг.Another factor determining the low thermodynamic efficiency of the prototype is the disadvantageous thermodynamic properties of the working fluid used - water in the combined photothermodynamic steam-power cycle of a solar power plant. This is primarily the high critical parameters of water vapor: pressure 21.8 MPa, temperature +374 ^o C, with a high heat of vaporization of 539 kcal / kg.

По указанным принципиальным причинам суммарный фототермодинамический коэффициент преобразования тепловой энергии в электрическую в прототипе может быть даже ниже 20%. For these fundamental reasons, the total photothermodynamic coefficient of conversion of thermal energy into electrical energy in the prototype may even be lower than 20%.

Помимо низкого КПД, использование воды в качестве рабочего тела в паросиловом цикле, обуславливающее применение высоких температур и давлений, влечет за собой требование высокой прочности и, соответственно, металлоемкости оборудования, при высокой стоимости, низкой надежности работы и опасности при эксплуатации прототипа. In addition to low efficiency, the use of water as a working fluid in the steam-power cycle, which necessitates the use of high temperatures and pressures, entails the requirement of high strength and, accordingly, metal consumption of equipment, at high cost, low reliability and danger during operation of the prototype.

Экологическим недостатком прототипа является выброс окислов азота в атмосферу с продуктами сгорания замещающим источником тепла, выполненным в виде традиционной котельной установки с горелками на газообразном топливе, сжигаемом в периоды отсутствия солнца. При сжигании газообразного топлива в горелке, при температуре пламени порядка 2000^oC, идет интенсивный синтез окислов азота и в атмосферу выбрасывается до 1400 см³ названных окислов на 1 м³ дымовых газов (в пересчете на NO_x), крайне токсичных для человека и животных.The ecological disadvantage of the prototype is the emission of nitrogen oxides into the atmosphere with combustion products as a substitute heat source, made in the form of a traditional boiler plant with burners on gaseous fuel burned during periods of lack of sun. When gaseous fuels are burned in a burner at a flame temperature of about 2000 ^° C, nitrogen oxides are intensively synthesized and up to 1400 cm ^{3 of} these oxides are emitted per 1 m ^{3 of} flue gases (in terms of NO _x ), which are extremely toxic to humans and animals .

Согласно прототипу невозможно выполнение электростанций небольшой мощности в том числе мобильных вариантов в связи с особенностями турбины в качестве двигателя. Вместо сложной, громоздкой, металлоемкой, тяжелой и соответственно дорогой турбины целесообразно применение более легких, простых и надежных агрегатов при высоком до 86%, термомеханическом КПД, низкой стоимости и металлоемкости. According to the prototype, it is impossible to perform power plants of low power, including mobile options, due to the features of the turbine as an engine. Instead of a complex, cumbersome, metal-intensive, heavy and accordingly expensive turbine, it is advisable to use lighter, simpler and more reliable units with high up to 86%, thermomechanical efficiency, low cost and metal consumption.

Энергетический, экологический и технический результат предлагаемого технического решения - повышение эффективности использования органического или ядерного топлива и тепловой энергии, повышение экологической чистоты окружающей среды при выработке электроэнергии в составе гибридной солнечной или атомной электростанции или применения в качестве экологически чистой автономной энергоустановки. The energy, environmental and technical result of the proposed technical solution is to increase the efficiency of using organic or nuclear fuel and thermal energy, to increase the environmental cleanliness of the environment when generating electricity as part of a hybrid solar or nuclear power plant or to use it as an environmentally friendly autonomous power plant.

Данный технический результат достигается тем, что электростанция с комбинированным паросиловым циклом, включает паросиловой контур с парожидкостным рабочим телом, состоящий из последовательно размещенных: экономайзера, парогенератора, пароперегревателя, теплового двигателя с генератором электроэнергии, конденсатора с охлаждением, конденсатного насоса, инвертора, системы теплоснабжения и циркуляционные контуры теплопередачи, первый из которых выполнен в виде теплопередающей петли с расположенными последовательно теплоприемниками, циркуляционным насосом, соединенным выходом с входом теплопередающей петли с теплоприемниками, выход из которой подключен ко входу парогенератора. Электростанция снабжена теплогенераторами, один из которых размещен у догревательного теплоприемника теплопередающей петли, двухкаскадным термоэлектрическим генератором с теплоприемными пластинами, тыльная сторона которых обращена к электроизолированным горячим спаям первого каскада, теплообменником подогрева конденсата, конденсационно-сушильным теплообменником, регенеративным теплообменником паросилового контура и дополнительной теплопередающей петлей с дополнительным теплоприемником, при этом второй теплогенератор размещен внутри термоэлектрического генератора, а приемная сторона теплоприемной пластины обращена к второму теплогенератору, теплоприемник теплопередающей петли размещен между электроизолированными холодными спаями первого каскада и электроизолированным горячими спаями второго каскада термоэлектрогенератора, а дополнительный теплоприемник дополнительной теплопередающей петли размещен у электроизолированных холодных спаев второго каскада термоэлектрического генератора, причем выход и вход циркулирующего теплоносителя из дополнительного теплоприемника соответственно подключен к входу и выходу горячей части теплообменника подогрева конденсата, газовые выходы из теплогенераторов соединены с входом конденсационно-сушильного теплообменника, а вход и выход регенеративного теплообменника подключены соответственно к выходу предыдущей и входу последней ступеней теплового двигателя. This technical result is achieved in that the power plant with a combined steam-power cycle includes a steam-power circuit with a steam-liquid working fluid, consisting of sequentially placed: economizer, steam generator, superheater, heat engine with electric power generator, condenser with cooling, condensate pump, inverter, heat supply system and heat transfer circulation circuits, the first of which is made in the form of a heat transfer loop with heat sinks arranged in series , The circulation pump connected to the input of the output loops with the heat transfer of the heat, the output of which is connected to the input of the steam generator. The power plant is equipped with heat generators, one of which is located at the heating heat sink of the heat transfer loop, a two-stage thermoelectric generator with heat transfer plates, the back of which is facing the electrically insulated hot junctions of the first cascade, the condensate heating exchanger, the condensation-drying heat exchanger, the heat-transferring heat exchanger and the heat-transferring heat exchanger additional heat sink, while the second heat generator is placed it is inside the thermoelectric generator, and the receiving side of the heat-receiving plate is facing the second heat generator, the heat-transfer loop heat receiver is located between the electrically insulated cold junctions of the first cascade and the electrically insulated hot junctions of the second thermoelectric generator cascade, and the additional heat receiver of the additional heat-transfer loop is located at the second thermally-electric heat-generating loop generator, the heat-insulating cold spa the output and input of the circulating coolant from The heat sink is respectively connected to the input and output of the hot part of the condensate heating heat exchanger, the gas outputs from the heat generators are connected to the input of the condensation-drying heat exchanger, and the input and output of the regenerative heat exchanger are connected respectively to the output of the previous and input of the last stages of the heat engine.

Электростанция снабжена термоэлектрическим генератором, выполненным с термоэлектрическими элементами в виде широкозонных, предпочтительно теллуридсвинцовых и сурьмяно-висмутовых полупроводниковых термоэлементов p и n типов. The power plant is equipped with a thermoelectric generator made with thermoelectric elements in the form of wide-gap, preferably telluride-lead and antimony-bismuth semiconductor thermoelements of p and n types.

В предлагаемой электростанции теплогенераторы выполнены каталитическими, в виде панелей из пористого материала, содержащего катализатор, предпочтительно кобальт-хромовый, при этом параллельно обоим поверхностям панели каталитического теплогенератора могут иметься зазоры величиной от нескольких миллиметров до сантиметров, образуемые между селективными теплоприемными пластинами с горячими спаями I-го каскада термоэлектрического генератора, причем в толще пористого катализатора расположены трубчатые перфорированные распределители газообразного или парообразного органического или неорганического топлива. In the proposed power plant, the heat generators are made catalytic, in the form of panels of a porous material containing a catalyst, preferably cobalt-chromium, while parallel to both surfaces of the panels of the catalytic heat generator there may be gaps ranging from a few millimeters to centimeters formed between selective heat-receiving plates with hot junctions I- cascade of thermoelectric generator, and in the thickness of the porous catalyst are perforated tubular distributors and gaseous or vaporous organic or inorganic fuel.

Теплоприемники могут быть выполнены кондуктивными непосредственно соединенными с поверхностью теплогенератора и (или) селективными, поглощающими всю лучистую инфракрасную радиацию, излучаемую теплогенератором, причем селективная поверхность располагается с зазором относительно излучающей поверхности. The heat sinks can be made conductive directly connected to the surface of the heat generator and (or) selective, absorbing all the radiant infrared radiation emitted by the heat generator, and the selective surface is located with a gap relative to the radiating surface.

В электростанции теплогенераторы могут быть выполнены в виде источников тепла на ядерном или изотопном топливе с регулируемым теплопотоком. In a power plant, heat generators can be made in the form of heat sources using nuclear or isotopic fuel with controlled heat flow.

В предлагаемой электростанции в качестве рабочего тела в паросиловом цикле применяются органическое или неорганическое вещество с более низким чем у воды критическим давлением, температурой и теплотой парообразования. In the proposed power plant, an organic or inorganic substance with a lower critical pressure, temperature and heat of vaporization is used as the working fluid in the steam-power cycle.

Тепловой двигатель электростанции выполнен в виде объемной паровой машины, в особенности роторной одно- или многоступенчатой, с винтовым двухвальным или трехвальным турбоэкспандером с профилями роторов предпочтительно типа "Лисхольм". The thermal engine of the power plant is made in the form of a volumetric steam engine, in particular a single or multi-stage rotary engine, with a twin-shaft or three-shaft turboexpander with preferably rotor profiles of the Lysholm type.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 схема предлагаемой электростанции с комбинированным паросиловым циклом, на которой показана 1/2 осесимметричная часть термоэлектрического генератора; на фиг. 2 термоэлектрический генератор в разрезе. The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 is a diagram of the proposed power plant with a combined steam-power cycle, which shows 1/2 axisymmetric part of the thermoelectric generator; in FIG. 2 cutaway thermoelectric generator.

Электростанция содержит паросиловой и циркуляционные контуры теплопередачи, первый из которых выполнен в виде теплопередающей петли с расположенными последовательно: догревательным теплоприемником 1 и теплоприемником 2, циркуляционным насосом 3, соединенной выходом с входом горячей части парогенератора 4 с экономайзером 5, при этом догревательный теплоприемник 1 выполнен в виде змеевиков или плоских панелей с кондуктивным или излучательным теплоприемом и вместе со змеевиком пароперегревателя 6 окружают первый теплогенератор 7, теплоприемные пластины 8 термоэлектрического генератора, окружающие второй теплогенератор 9, выполнены в виде пластин, теплопоглощающая сторона которых обращена к теплогенератору 9, а тыльная находится в тепловом контакте с электроизолированными горячими спаями 10 первого каскада 11 термоэлектрического генератора, причем электроизолированные холодные спаи 12 находятся в тепловом контакте с теплоприемником 2 с тыльной стороны которого находятся в тепловом контакте электроизолированные горячие спаи 13 второго каскада 14 термоэлектрического генератора; а электроизолированные холодные спаи 15 в тепловом контакте с дополнительным теплоприемником 16 дополнительной теплопередающей петли с циркуляционным насосом 17, при этом выход и вход циркулирующего теплоносителя из дополнительного кондуктивного теплоприемника 16 теплопередающей петли соответственно подключен ко входу и выходу горячей части теплообменника подогрева конденсата 18, газоходы 20, 19 из обеих теплогенераторов 7 и 9 подключены газопроводом 21 ко входу конденсационно-сушильного теплообменника 22 с эксгаустером 23, в паровой вход и выход регенеративного теплообменника 24 подключен к многоступенчатому тепловому двигателю со ступенями 25, 26, 27, соответственно к выходу предыдущей ступени 26 и входу последней ступени теплового двигателя 27 на валу которой расположен электрогенератор 28, подключенный к инвертору 29, к которому подсоединены: электроцепь первого 11 и второго 14 каскадов термоэлектрического генератора, электросеть потребителя 30 и электросеть для собственных нужд электростанции 31. The power plant contains steam-powered and circulation heat transfer circuits, the first of which is made in the form of a heat transfer loop with sequentially arranged: a heating heat receiver 1 and a heat receiver 2, a circulation pump 3 connected by the output to the inlet of the hot part of the steam generator 4 with an economizer 5, while the heating heat receiver 1 is made in in the form of coils or flat panels with conductive or radiative heat reception and together with the coil of the superheater 6 surround the first heat generator 7, heat thermoelectric generator mufflers 8 surrounding the second heat generator 9 are made in the form of plates whose heat-absorbing side faces the heat generator 9, and the rear is in thermal contact with the electrically insulated hot junctions 10 of the first cascade 11 of the thermoelectric generator, and the electrically insulated cold junctions 12 are in thermal contact with a heat sink 2 on the back of which are electrically insulated hot junctions 13 of the second stage 14 of the thermoelectric gene a radiator; and the electrically insulated cold junctions 15 in thermal contact with the additional heat receiver 16 of the additional heat transfer loop with the circulation pump 17, while the output and input of the circulating heat carrier from the additional conductive heat sink 16 of the heat transfer loop are respectively connected to the input and output of the hot part of the condensate heating exchanger 18, flues 20, 19 of both heat generators 7 and 9 are connected by a gas pipeline 21 to the input of the condensation-drying heat exchanger 22 with the exhauster 23, to the steam inlet and to the output of the regenerative heat exchanger 24 is connected to a multi-stage heat engine with stages 25, 26, 27, respectively, to the output of the previous stage 26 and the input of the last stage of the heat engine 27 on the shaft of which there is an electric generator 28 connected to an inverter 29, to which are connected: an electric circuit of the first 11 and the second 14 stages of the thermoelectric generator, the consumer’s power network 30 and the power supply network for own needs of the power plant 31.

Выход последней ступени 27 теплового двигателя соединен трубопроводом с конденсатором 32 с охлаждающим вентилятором 33, причем выход конденсатора 32 соединен со сборником конденсата 34, который конденсатопроводом подключен к конденсатной части конденсационно-сушильного теплообменника 22, выход которого подключен ко входу конденсатного насоса 35, причем выход его подключен ко входу холодной части теплообменника 18 подогрева конденсата, выход которого конденсатопроводом соединен со входом холодной части регенеративного теплообменника 24, а его выход со входом холодной части экономайзера 5, выход которой конденсатопроводом подключен ко входу парогенератора 4, который паропроводом подключен ко входу пароперегревателя 6 соответственно подключенного паропроводом к I-й ступени 25 теплового двигателя. The output of the last stage 27 of the heat engine is connected by a pipeline with a condenser 32 to the cooling fan 33, and the output of the condenser 32 is connected to a condensate collector 34, which is connected by a condensate line to the condensate part of the condensation-drying heat exchanger 22, the output of which is connected to the input of the condensate pump 35, and its output connected to the inlet of the cold part of the condensate heating exchanger 18, the output of which is connected by a condensate line to the inlet of the cold part of the regenerative heat exchanger 24, and e the output with the input of the cold part of the economizer 5, the output of which is connected by a condensate line to the input of the steam generator 4, which is connected by a steam line to the input of the superheater 6, respectively connected by the steam line to the first stage 25 of the heat engine.

Для теплоснабжения потребителя параллельно регенеративному теплообменнику 24 через дополнительный теплообменник может подключаться теплосеть потребителя. To heat the consumer in parallel with the regenerative heat exchanger 24 through the additional heat exchanger can connect the consumer heat network.

Электростанция с комбинированным паросиловым циклом работает следующим образом. В варианте работы на органическом топливе при включении эксгаустера 23, через газопроводы 19, 20 и 21 конденсационно-сушильного теплообменника 22 (фиг. 1, 2) атмосферный воздух (или чистый кислород O₂) засасывается в щелевые зазоры обоих каталитических генераторов 7 и 9 величиной от 5 до 20 мм, образованные поверхностями панели каталитических теплогенераторов и змеевиком пароперегревателя 6, догревающим теплоприемником 1, а также теплоприемными пластинами 8 с горячими спаями 10 I-го каскада 11 термоэлектрического генератора, окружающими теплогенераторы 7, 9 в которые подается газообразное или парообразное топливо и в течение нескольких минут происходит процесс розжига за счет внешнего искрового или термического поджога. На поверхности катализатора панелей 7, 9 теплогенератора происходит каталитическая реакция окисления топлива H₂(CH₂) и т.п. за счет кислорода воздуха O₂, движущегося в зазорах, а продукты сгорания вместе с воздухом всасываются через газопроводы 19, 20, 21 в теплообменник 22. Устанавливается устойчивый режим каталитической реакции при которой исключено образование окислов азота NO_x и химическая энергия топлива с высоким КПД (до 98%) преобразуется в инфракрасное излучение с длиной волны около 5 м при интенсивности около 30 кВт на 1 м² поверхности панели с каждой стороны. Эта радиация с КПД до 95% поглощается селективными пластинами 8 термоэлектрического генератора и поднимает до 600^oC и выше температуру горячих спаев 10 термоэлементов (пар n и p-типов ) I-го каскада 11 термоэлектрического генератора, которые генерируют термоэлектрический ток. Холодные спаи 12 термоэлементов I-го каскада при температуре 250-350^oC находятся в тепловом контакте с кондуктивным теплоприемником 2 первой циркуляционной петли, в которой циркулирует охлаждающий промежуточный теплоноситель, передающий с помощью насоса 3 большую часть (2/3) тепловой энергии, генерируемой панелью 9 в виде кондуктивного тепла, которое поступает на горячие спаи 13 II-го каскада 14 термоэлектрического генератора. Меньшая часть (1/3) циркулирующим теплоносителем при температуре до 350^oC передается в догревательный теплоприемник 1, в котором от догревательного каталитического теплогенератора 7 добавляется еще 40% тепловой энергии и температура теплоносители поднимается до 350-450^oC на входе в парогенератор 4. Причем догревательный теплоприемник 1 может быть выполнен в виде змеевика.Power plant with a combined steam-power cycle works as follows. In the fossil fuel option, when the exhauster 23 is turned on, through the gas lines 19, 20 and 21 of the condensation-drying heat exchanger 22 (Fig. 1, 2), atmospheric air (or pure oxygen O ₂ ) is sucked into the gap gaps of both catalytic generators 7 and 9 of from 5 to 20 mm, formed by the surfaces of the panel of catalytic heat generators and a superheater coil 6, a heating heat sink 1, as well as heat receiving plates 8 with hot junctions 10 of the 1st stage 11 of the thermoelectric generator surrounding the heat generator orors 7, 9 into which gaseous or vaporous fuel is supplied and within a few minutes the ignition process occurs due to external spark or thermal arson. On the catalyst surface of the heat generator panels 7, 9, a catalytic oxidation reaction of H ₂ (CH ₂ ) fuel and the like occurs. due to the oxygen in the air O ₂ moving in the gaps, and the combustion products are sucked in through the gas pipelines 19, 20, 21 into the heat exchanger 22. A stable catalytic reaction is established in which the formation of nitrogen oxides NO _x and the chemical energy of the fuel with high efficiency are eliminated ( up to 98%) is converted into infrared radiation with a wavelength of about 5 m at an intensity of about 30 kW per 1 m ^{2 of} the panel surface on each side. This radiation with an efficiency of up to 95% is absorbed by the selective plates 8 of the thermoelectric generator and raises the temperature of the hot junctions 10 of the thermoelements (n and p-type pairs) of the 1st stage 11 of the thermoelectric generator, which generate thermoelectric current, up to 600 ^o C and higher. Cold junctions of 12 thermoelements of the 1st stage at a temperature of 250-350 ^o C are in thermal contact with the conductive heat sink 2 of the first circulation loop, in which the cooling intermediate heat carrier circulates, transmitting with the help of pump 3 most of the thermal energy generated (2/3) panel 9 in the form of conductive heat that enters the hot junctions 13 of the II stage 14 of the thermoelectric generator. A smaller part (1/3) of the circulating coolant at a temperature of up to 350 ^o C is transferred to the heating heat sink 1, in which another 40% of thermal energy is added from the heating catalytic heat generator 7 and the temperature of the heat carrier rises to 350-450 ^o C at the inlet to the steam generator 4. Moreover, the heating heat sink 1 can be made in the form of a coil.

Циркулирующим теплоносителем в дополнительной теплопередающей петле с помощью дополнительного кондуктивного теплоприемника 16 холодные спаи 15 II-го каскада 14 термоэлектрического генератора охлаждаются до температуры 70^oC, а сбросная низкопотенциальная тепловая энергия термоэлектрического генератора по теплопроводу передается через теплообменник подогрева конденсата 18 в паросиловой цикл повышая его КПД. Оба каскада 11 и 14 термоэлектрического генератора соединены последовательно-параллельно, при КПД 6-8% генерируют постоянный ток, передаваемый по электропроводникам в инвертор 29, в котором постоянный ток преобразуется в трехфазный переменный ток суммирующейся с генерируемый током электрогенератором 28.The circulating heat carrier in the additional heat transfer loop using the additional conductive heat sink 16 cold junctions 15 of the II stage 14 of the thermoelectric generator are cooled to a temperature of 70 ^o C, and the waste low-potential thermal energy of the thermoelectric generator is transmitted through the heat exchanger through the condensate heating exchanger 18 to the steam-power cycle increasing its efficiency . Both stages 11 and 14 of the thermoelectric generator are connected in series-parallel, with an efficiency of 6-8% they generate a direct current transmitted through electric conductors to the inverter 29, in which the direct current is converted into a three-phase alternating current that is combined with the current generated by the generator 28.

Термоэлектрические элементы I-го каскада 11 и II каскада 14 термоэлектрического генератора выполнены например в виде столбиков диаметром 8 и длиной 22 мм полупроводниковых широкозонных теллурид-свинцовых и сурьмяно-висмутовых сплавов p и n типов. Горячие 10 и холодные 12 спаи I-го каскада 11, а также горячие 13 и холодные 15 спаи II-го каскада 14 термоэлектрического генератора имеют пленочную теплопроводящую электроизоляцию от пластин 8, теплоприемников 2 и 16. The thermoelectric elements of the 1st stage 11 and II stage 14 of the thermoelectric generator are made, for example, in the form of columns with a diameter of 8 and a length of 22 mm of semiconductor wide-gap telluride-lead and antimony-bismuth alloys of p and n types. Hot 10 and cold 12 junctions of the 1st stage 11, as well as hot 13 and cold 15 junctions of the 2nd stage 14 of the thermoelectric generator have a film of thermally conductive electrical insulation from the plates 8, heat sinks 2 and 16.

Поступивший на горячий вход парогенератора 4 теплоноситель передает большую часть тепловой энергии рабочему телу в результате чего происходит его кипение и испарение, а меньшая часть тепла с горячего выхода парогенератора 4 по трубопроводу поступает на горячий вход экономайзера 5 и далее на вход циркуляционного насоса 3. The coolant received at the hot inlet of the steam generator 4 transfers most of the thermal energy to the working fluid, as a result of which it boils and evaporates, and a smaller part of the heat from the hot exit of the steam generator 4 is piped to the hot inlet of the economizer 5 and then to the inlet of the circulation pump 3.

В качестве рабочего тела в паросиловом цикле применяется органическое или неорганическое вещество с более низким, чем у воды, критическим давлением, температурой и тепловой парообразования например полиметилсилоксан или пентафтортрихлорпропан. An organic or inorganic substance with a lower critical pressure, temperature and thermal vaporization, for example polymethylsiloxane or pentafluorotrichloropropane, is used as a working fluid in the steam-power cycle.

В паросиловом контуре подогретый выхлопными газами в теплообменнике 22 конденсат засасывается конденсатным насосом 35 и поступает в теплообменник подогрева конденсата 18, из которого подогретый сбросной тепловой энергией холодных спаев 15 II-го каскада 14 термоэлектрического генератора по конденсатопроводу поступает на вход регенеративного теплообменника 24 и далее по конденсатопроводу в экономайзер 5, из которого по конденсатопроводу поступает в парогенератор 4, в котором происходит кипение и испарение рабочего тела, а в пароперегревателе его перегрев. Пар с начальными параметрами по температуре 350-450^oC, давлении свыше 3,0 МПа из пароперегревателя 6 поступает на I ступень 25 турбоэкспандера и, расширяясь в его винтовых полостях, приводит во вращательное движение роторы, совершая при этом часть механической работы, необходимой для привода электрогенератора 28, а затем по паропроводу поступает на вход II ступени 26, где производит часть аналогичной работы, суммирующейся с полученной от I ступени. С выхода II ступени 26 турбоэкспандера, пар поступает на горячий вход регенеративного теплообменника 24, где около 9% тепловой энергии пара отбирается на подогрев конденсата, за счет чего соответственно возрастает термический КПД паросилового цикла, а затем по паропроводу поступает на вход III ступени 27 турбоэкспандера, где аналогично ступеням I, II, расширяясь, совершает последнюю часть механической работы для привода электрогенератора 28, а затем по паропроводу поступает на вход конденсатора 32 с вентилятором 33 продувающий через него охлаждающий воздух с температурой окружающей среды около 25^oC. Теплота конденсации пара передается воздуху, а жидкий холодный конденсат с температурой около 25^oC по конденсатопроводу стекает в конденсатосборник 34 и далее поступает на вход конденсационно-сушильного теплообменника 22, в котором выхлопные газы при температуре около 300^oC, отдавая большую часть тепловой энергии холодному конденсату подогревают его до 70^oC и выше, охлаждаются причем содержащаяся в продуктах сгорания вода вместе с возможными вредными примесями конденсируются и стекают в поддон конденсационно-сушильного теплообменника 22, а очищенный воздух через выхлопную трубу и эксгаустер 23 выводятся в атмосферу.In the steam-power circuit, the condensate heated by the exhaust gases in the heat exchanger 22 is sucked in by the condensate pump 35 and enters the condensate heating heat exchanger 18, from which the heated junctions of the cold junctions 15 of the II stage 14 of the thermoelectric generator heated by waste heat are supplied to the input of the regenerative heat exchanger 24 and then through the condensate line to the economizer 5, from which it enters the steam generator 4 through the condensate line, in which boiling and evaporation of the working fluid takes place, and to the superheater overheating. Steam with initial parameters at a temperature of 350-450 ^o C, pressure over 3.0 MPa from the superheater 6 enters the first stage 25 of the turboexpander and, expanding in its screw cavities, rotates the rotors, performing part of the mechanical work necessary for drive the electric generator 28, and then through the steam line it enters the input of stage II 26, where it performs part of the same work, summing up with that received from stage I. From the output of the second stage 26 of the turboexpander, steam enters the hot inlet of the regenerative heat exchanger 24, where about 9% of the thermal energy of the steam is taken to heat the condensate, due to which the thermal efficiency of the steam-power cycle increases accordingly, and then it enters the input of the third stage of the 27 stage turboexpander, where, similar to steps I, II, expanding, it performs the last part of the mechanical work to drive the electric generator 28, and then through the steam line it enters the input of the condenser 32 with a fan 33 blowing cool through it s air at ambient temperature of about 25 ^o C. The heat of condensation is transferred to the air and the liquid condensate from the cold temperature of about 25 ^o C for condensate flows into the siphon 34 and then input to condensation-dryer heat exchanger 22, which exhaust gases are at a temperature about 300 ^o C, giving most of the thermal energy to cold condensate is heated it to 70 ^o C or above, are cooled with combustion products contained in the water together with possible harmful impurities condense and flow down condensation-drying tray heat exchanger 22, and the cleaned air through the exhaust pipe and the extractor 23 are output to atmosphere.

При необходимости теплоснабжения потребителя, за счет некоторого снижения мощности электростанции параллельно регенеративному теплообменнику 24 через дополнительный теплообменник подключается теплосеть потребителя. If necessary, heat supply to the consumer, due to some reduction in the power of the power plant parallel to the regenerative heat exchanger 24 through an additional heat exchanger connects the consumer's heat network.

Инвертор 29 электросетью 31 подключен ко всем электроприводам насосом 3, 17 и 35, а также вентилятора 33 и эксгаустера 23. The inverter 29 electric network 31 is connected to all electric drives by a pump 3, 17 and 35, as well as a fan 33 and an exhauster 23.

В варианте работы электростанции с комбинированным паросиловым циклом на ядерном (U²³⁵, Pu²³¹ и др.) или изотопном (Cs¹³¹ и др.) топливе, теплогенераторы 7 и 9 с регулируемым теплопотоком могут быть выполнены в виде урановых (U) или плутониевых (Pu) реакторов с кадмиевыми или другими управляющими стержнями в системе регулировки известных типов.In a variant of operation of a power plant with a combined steam-power cycle using nuclear (U ²³⁵ , Pu ²³¹ , etc.) or isotopic (Cs ¹³¹ , etc.) fuel, heat generators 7 and 9 with adjustable heat flux can be made in the form of uranium (U) or plutonium ( Pu) reactors with cadmium or other control rods in a control system of known types.

Возможны также комбинированные схемы применения съемно-заменяемых теплогенераторов 7 и 9, в котором один из них может быть выполнен каталитическим на органическом топливе, а другой теплогенератор на ядерном или изотопном в целях более экономного использования его в связи с высокой стоимостью. Удельная производительность съемных или стационарных теплогенераторов на органическом или ядерном топливе определяется конкретными технико-экономическими требованиями к варианту электростанции с комбинированным паросиловым циклом. Требования к стационарным электростанциям предназначенным в качестве пиковых или аварийных в энергосистемах обуславливают применение преимущественно органического топлива - природного газа. Требования к автономным электростанциям в северных широтах обуславливают предпочтительно применение ядерного топлива и компоновку в виде мини АЭС с комбинированным паросиловым циклом. Требования к замещающей гибридной энергоустановки для солнечной электростанции, могут обусловить применение как органического, так и ядерного топлива, но в разные сезоны года в особенности в полярных зонах. Combined schemes for the use of removable-replaceable heat generators 7 and 9 are also possible, in which one of them can be catalytic on fossil fuels, and the other on a nuclear or isotopic heat generator in order to use it more economically due to its high cost. The specific productivity of removable or stationary heat generators using organic or nuclear fuel is determined by the specific technical and economic requirements for the option of a power plant with a combined steam-power cycle. The requirements for stationary power plants designed as peak or emergency power systems determine the use of predominantly fossil fuels - natural gas. The requirements for autonomous power plants in the northern latitudes are predominantly determined by the use of nuclear fuel and the layout in the form of mini-nuclear power plants with a combined steam-power cycle. The requirements for a substitute hybrid power plant for a solar power plant may result in the use of both organic and nuclear fuels, but in different seasons of the year, especially in the polar zones.

Применение процесса утилизации сбросной тепловой энергии термоэлектрических генераторов в комплексе с органическим рабочим телом и дополнительным пароперегревателем дают возможность получить высокий КПД предлагаемой электростанции, превышающий известные бинарные циклы, например, со ртутью в качестве рабочего тела, при значительно меньшей сложности, стоимости и металлоемкости энергоустановки. The use of the process of utilization of waste thermal energy of thermoelectric generators in combination with an organic working fluid and an additional superheater makes it possible to obtain a high efficiency of the proposed power plant that exceeds known binary cycles, for example, with mercury as a working fluid, with much less complexity, cost and metal consumption of a power plant.

Применение теплогенераторов 7, 9, выполненных в виде каталитических на органическом топливе или в виде теплогенераторов на ядерном топливе, исключает возможность выброса в атмосферу окислов азота NO_x, что в комплексе с применением теплообменников: регенеративного 24, подогрева конденсата 18 сбросным теплом термоэлектрического генератора и конденсационно-сушильным теплообменником 22, повышающими КПД паросилового цикла и снижающими тепловое загрязнение окружающей среды, делает всю электростанцию с комбинированным паросиловым циклом экологически чистой.The use of heat generators 7, 9, made in the form of catalytic on fossil fuels or in the form of heat generators on nuclear fuel, eliminates the possibility of the emission of nitrogen oxides NO _x into the atmosphere, which in combination with the use of heat exchangers: regenerative 24, heating the condensate 18 with waste heat of a thermoelectric generator and condensation -drying heat exchanger 22, which increase the efficiency of the steam-power cycle and reduce thermal pollution of the environment, makes the entire power plant with a combined steam-power cycle ecol clean.

Claims

1. A power plant with a combined steam-power cycle, including a steam-power circuit with a steam-liquid working fluid, consisting of a sequentially placed economizer, steam generator, superheater, heat engine with an electric power generator, a condenser with cooling, a condensate pump, an inverter, a heat supply system and heat transfer circulation circuits, the first of which is made in the form of a heat transfer loop with heat sinks arranged in series, a circulation pump connected by an output the input of the heat transfer loop with heat sinks, the output of which is connected to the input of the steam generator, characterized in that it is equipped with a heating heat sink, heat generators, one of which is located at the heating heat sink of the heat transfer loop, a two-stage thermoelectric generator with heat transfer plates, the back of which is facing the electrically insulated junctions of the first cascade, condensate heating heat exchanger, condensation-drying heat exchanger, regenerative heat a steam-power circuit exchanger and an additional heat transfer loop with an additional heat sink, with the second heat generator placed inside the thermoelectric generator, and the receiving side of the heat transfer plate facing the second heat generator, the heat transfer loop receiver located between the electrically insulated cold junctions of the first stage and the electrically insulated hot junctions of the second the heat sink of the additional heat transfer loop is located electrically insulated cold junctions of the second stage of the thermoelectric generator, the output and input of the circulating heat carrier from the additional heat sink respectively connected to the input and output of the hot part of the condensate heating heat exchanger, the gas outputs from the heat generators are connected to the input of the condensation-drying heat exchanger, and the input and output of the regenerative heat exchanger are connected respectively to the output of the previous and the input of the last stages of the heat engine.

2. The power plant according to claim 1, characterized in that the thermoelectric generator is made with thermoelectric elements in the form of wide-gap, preferably telluride-lead and antimony-bismuth semiconductor thermoelements of p and n types.

3. The power plant according to claim 1, characterized in that the heat sinks are made selective, absorbing all the radiant infrared radiation emitted by the heat generators.

4. The power plant according to claim 1, characterized in that the heat generators are made of catalytic, in the form of panels of a porous material containing a catalyst, preferably cobalt-chromium, while both surfaces of the panels of the catalytic heat generator are parallelly placed with a gap relative to the plates, and in the thickness of the porous catalyst located tubular perforated distributors of gaseous or vaporous organic or inorganic fuel.

5. Power plant according to .1, characterized in that the heat generators are made in the form of heat sources using nuclear or isotopic fuel with controlled heat flow.

6. The power plant according to claim 1, characterized in that an organic or inorganic substance with a lower critical pressure, temperature and heat of vaporization is used as a working fluid in the steam cycle.

7. The power plant according to claim 1, characterized in that the heat engine is made in the form of a volumetric steam engine, in particular a single or multi-stage rotary engine, with a twin-shaft or three-shaft pipe expander with rotor profiles preferably of the Lysholm type.