3. Концепция теплофикации (тригенерации) для водородной паротурбинной установки

Водородная паротурбинная установка (ВПУ) представляет собой объединение в один блок топливно-кислородного смесительного парогенератора с паровой турбиной, а топливом является водород, сжигаемый в кислородной среде.

Повысить энергетическую ВПУ можно за счет организации регенеративного подогрева технологических сред (горючее, окислитель и вода) и полезного использования сбросной теплоты рабочего тела для тепло- и/или холодоснабжения.

На рис. 5 показана принципиальная схема возможного использования теплоты рабочего тела при теплофикации (когенерации) на примере установки мощностью 5 МВт.

Схема работает следующим образом. Полученный в водородном парогенераторе (ВПГ) сильно нагретый водяной пар (парогаз) совершает работу в высокооборотной паровой турбине (ВПТ) за счет чего в электрогенераторе (ЭГ) вырабатывается электрическая мощность.

Перегретый водяной пар ( К) но с меньшим давлением ( МПа) из ВПТ поступает в газовый регенеративный подогреватель (ГРП) с расходом 5,95 кг/с. В ГРП за счет избыточной физической теплоты пара подогреваются горючее (водород H₂) и окислитель (кислород О₂). Подогретые газообразные H₂ и О₂ подаются в ВПГ (H₂ – 0,178 кг/с, О₂ – 0,145 кг/с).

Из ГРП водяной пар, имеющий существенный перегрев, поступает в водяной регенеративный подогреватель (ВРП), где подогревает воду, подаваемую в ВПГ на завесу, регенеративное охлаждение камеры сгорания и на балластировку в камеру испарения суммарным расходом 4,36 кг/с.

Для исключения конденсации греющего пара в ВРП его температура на выходе из ВРП поддерживается несколько выше температуры насыщения - порядка 10 К.

Рис. 5. Принципиальная схема теплофикации: ВПГ – водородный парогенератор; ВПТ – высокооборотная паровая турбина; ЭГ – электрогенератор; ГРП – газовый регенеративный подогреватель; ВРП – водяной регенеративный подогреватель; ВПУ – водородная паротурбинная установка; К – конденсатор; ОК – охладитель конденсата; ТС – тепловая сеть.

Затем греющий, немного перегретый, пар подается в конденсатор (К), где конденсируется и передает теплоту фазового перехода воде из тепловой сети (ТС).

После конденсатора, конденсат греющего пара имеет еще достаточно высокую температуру порядка 110 ^°С. Поэтому, для охлаждения конденсата до 80 ^°С предусмотрен охладитель конденсата (ОК). Охлаждение конденсата происходит частью воды из тепловой сети. По сетевой воде, конденсатор и охладитель конденсата включены в схему параллельно.

Чтобы не допустить перегрузку системы по рабочему телу, в конденсатопроводе после охладителя конденсата (ОК) предусмотрен отбор конденсата, в количестве равном суммарному расходу горючего и окислителя (H₂ + О₂) - 1,59 кг/с, в бак подпитки подготовленной воды, из которого, при необходимости, подпитывается система.

Оставшаяся часть конденсата (4,36 кг/с) через ВРП попадает в ВПГ.

Работа водородной паротурбинной установки в теплофикационном режиме позволяет получать для внешнего потребления электроэнергию и горячую воду для теплоснабжения.

На рис. 6 представлена принципиальная схема ВПУ для одновременной выработки электроэнергии, тепловой энергии и холода (тригенерация).

В отличие от схемы теплофикации на рис. 5, здесь вместо охладителя конденсата используется абсорбционная холодильная машина, которая вырабатывает холод для системы кондиционирования. А теплота фазового перехода полезно используется в системе теплоснабжения для отопления и горячего водоснабжения.

Рассматриваемая схема применима при достаточно большой нагрузке горячего водоснабжения и небольшой нагрузке системы кондиционирования. Длительная одновременная работа систем тепло- и холодоснабжения возможна только

	Рис. 6. Принципиальная схема тригенерации (1 вариант): АХМ – абсорбционная холодильная машина; ХП – холодопровод
	Рис. 7. Принципиальная схема тригенерации (2 вариант): ОПА – охладитель пара

в летний (не отопительный) период. Зимой охлаждать нечего – окружающая среда итак имеет низкую температуру.

Поэтому реализация данной схемы будет наиболее эффективна, например, для спортивных комплексов с плавательными бассейнами, где теплота из тепловой сети расходуется, в том числе, на подогрев воды в бассейнах.

Вариант тригенерационного производства энергии с достаточно большой нагрузкой системы кондиционирования представлен на рис. 7. Такая схема может быть реализована в крупных торгово-развлекательных центрах.

Здесь в зимний период установка работает по теплофикационной схеме - вырабатывает электроэнергию и теплоту для теплоснабжения.

В летний (не отопительный) период установка работает по тригенерационной схеме. Для этого перед АМ установлен охладитель пара (ОПА), где сетевая вода охлаждает греющий пар до температуры насыщения. Полученная теплота расходуется на горячее водоснабжение. Затем насыщенный пар попадает в АХМ, где за счет теплоты фазового перехода и последующего переохлаждения конденсата вырабатывается холод, оттуда конденсат подается в ВРП.