ПАРОГАЗОВАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1997 года по МПК F01K21/04 

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в парогазовых установках (ПГУ) со сбросом газов газовых турбин (ГТ) в котел, предназначенных преимущественно для комбинированной выработки тепловой и электрической энергии.

Известно [1, 2] что в конденсационных ПГУ (при нулевом внешней тепловом потреблении) с высокотемпературными ГТ максимальный электрический КПД достигается в бинарном цикле либо в цикле с небольшим дожигания топлива за ГТ с использованием котлов-утилизаторов и паровых турбин двух и более давлений.

В теплофикационных же ПГУ при достаточно большой величине присоединенной теплофикационной нагрузки становится выгодным повышать дожигание топлива за ГТ постольку, поскольку это позволяет увеличить выработку паротурбинной мощности на базе заданного теплового потребления без повышения температуры уходящих из котла газов. Кроме того, при достаточно большом дожигании топлива вытесняется паровой контур второго давления, что делает возможным применение существенных серийных паровых турбин (ПТ) одного давления с незначительной модификацией тепловой схемы ПТУ применительно к конкретным условиям эксплуатации. Таким образом, при достаточно большом внешнем тепловом потреблении более экономичными являются сбросные ПГУ, причем оптимальное соотношение газо- и паротурбинной мощности зависит как от характеристик ГТ и ПТ, так и от соотношения вырабатываемых электрической и тепловой мощностей.

Известна принципиальная тепловая схема надстройки блока 300 МВт Рязанской опытной электростанции, предложенной ВТИ [3] Ее основными элементами являются ГТ с электрогенератором; трехцилиндровая сверкритическая ПТ с электрогенератором и системой генеративных подогревателей двух давлений (ПВД и ПНД); котел стопочной камерой, содержащий следующие поверхности теплообмена: ГВПНД, байпассирующий ПНД; ГВПВД, байпассирующий ПВД; общий (предвключенный) экономайзер; перегреватель вторичного пара; прямоточный парогенератор в. д. а также регенеративный воздухоподогреватель (РВП) и вентилятор (воздуходувка). Проблема снижения температуры дымовых газов, подаваемых в котел из ГТ, до расчетной величины порядка 400^oC в этой схеме решена размещением общего экономайзера, названного в [3] предвключенном, в газоходе, связывающим выхлоп ГТ со входом в топку, что позволило обеспечить долю газотурбинной мощности блока в номинальном режиме при работе ГТ в базовой нагрузке примерно до 20 - 25%
Недостатком данной схемы является большое количество оборудования, работающего только в одном режиме: РВП используется только при работе блока в паросиловом цикле, ГВПВД и предвключенный экономайзер только в режиме комбинированного цикла. Кроме того, в данной схеме не решена проблема расширения эксплуатационного диапазона нагрузок блока без снижения его экономичности, номинальная доля газотурбинной мощности остается невысокой, что ухудшает экономические показатели блока в конденсационном режиме и при ограниченном внешнем тепловом потреблении. С использованием высокотемпературных ГТ для повышения экономичности блока возникает необходимость повышения температуры воды на выходе из предвключенного экономайзера, что ограничивает эффективное применение данного решения мощными сверхкритическими ПТ от 300 МВт, не имеющими широкого применения в теплофикационных установках.

Примером надстройки менее мощных паробурбинных блоков 200 МВт по сбросной схеме является ПГУ-250 для Молдавской ГРЭС [4] Ее основными элементами являются ГТ с электрогенератором; трехцилиндровая ПТ с электрогенератором и системой регенеративных подогревателей двух давлений (ПВД и ПЕД); котел с барабаном, калорифером, топочной камерой (топкой), газоходом, сообщенным на входе с выхлопом ГТ с возможностью перекрытия данного входа газоплотной заслонкой, а на выходе с входом в топку. При этом котел содержит следующие поверхности теплообмена: ГВПНД, байпассирующий ПНД; ГВПВД, байпассирующий ПВД; общий экономайзер, вход которому по водяному тракту сообщен с выходами из ПВД и ГВПВД; перегреватели свежего и вторичного пара и испарительные поверхности, расположенные по ходу дымовых газов за топкой котла, а также поверхности паровой и водяной ступеней нагрева воздуха в калорифере. При этом котел снабжен резервной воздуходувкой с вентилятором добавочного воздуха, сообщенными через калорифер с топкой котла.

При работе установке в режиме паросилового цикла (с остановленной ГТ) к горелкам котла подается воздух от резервной воздуходувки, нагреваемый до требуемой температуры в калорифере. При работе установки в режиме комбинированного цикла выхлопные газы ГТ подаются в котел, где используются в качестве окислителя при сжигании топлива, воздуходувка отключается, В случае нехватки кислорода в выхлопных газах ГТ включается вентилятор добавочного воздуха, подающий воздух в калорифер в меньшем количестве. В противном случае, например, на частичных нагрузках, калорифер и вентилятор добавочного воздуха отключаются, к горелкам котла направляется лишь часть выхлопных газов, исходя из требуемой величины коэффициента избытка окислителя за топкой; излишки выхлопных газов сбрасываются в газоход между поверхностями нагрева котельного экономайзера.

Недостатками данной схемы являются во-первых, наличие громоздких резервных поверхностей калорифера и вентилятора добавочного воздуха, которые в режиме ПГУ с достаточно мощной ГТ не используются, во-вторых, нецелесообразность использования высокотемпературных ГТ с высокими КПД по причине возрастания стоимости газоходов, обеспечивающих подвод выхлопных газов ГТ в топку котла, в-третьих, присущее данной схеме низкое отношение величины расхода выхлопных газов из ГТ и паропроизводительности котла и ограниченные в связи с этим возможности загрузки блока при включенной ГТ, работающей в базовом режиме, что является дополнительной причиной снижения доли газотурбинной мощности блока, которая в приведенном прототипе при номинальной нагрузке составила порядка 12 15%
Технические результаты заявляемого изобретения
обеспечение использования всех поверхностей теплообмена на всех режимах работы блока, что снижает стоимость котельного оборудования;
снижение адиабатической температуры в топке и, следовательно, образования оксидов азота при одном и том же коэффициенте избытка воздуха за котлом;
обеспечение возможности использования высокотемпературных газовых турбин с большей мощностью по отношению к мощности паротурбинной части и с более высоким отношением паропроизводительности котла к расходу газа на выхлопе из ГТ и к расходу топлива в котел, чем в прототипе; тем самым обеспечивается более высокий электрический КПД комбинированного цикла, достигаемый в более широком эксплуатационном диапазоне без повышения присоединенной теплофикационной нагрузки и без снижения показателей блока для режима паросилового цикла (с неработающей ГТ).

Указанные технические результаты обеспечиваются в предлагаемой парогазовой установке, содержащей ГТ; ПТ с регенеративными подогревателями одного или двух давлений (ПВД или ПВД и ПНД); котел с топочной камерой (топкой) и горелками топки, снабженный барабаном и газоходом, сообщенным на входе с выхлопом ГТ с возможностью перекрытия указанного входа газоплотной заслонкой, а на выходе с топкой, и содержащий газоводяной подогреватель высокого давления или газоводяные подогреватели высокого и низкого давления (ГВПДВ и ГВПНД), включенные параллельно ПВД и ПНД по питательной воде, а также общий экономайзер, вход которого по тракту питательной воды снабжен гидравлической связью с выходами из ПВД и из ГВПВД, пароперегреватель и испарительные поверхности, размещенные по ходу дымовых газов за горелками топки, в которой согласно изобретению, котел снабжен дополнительной конвективной поверхностью теплообмена, размещенной по ходу выхлопных газов ГТ между горелками топки и выхлопом ГТ, при этом упомянутый газоход содержит вход по воздуху, сообщенный с воздуходувкой с возможностью перекрытия его другой газоплотной заслонкой и расположенный по ходу выхлопных газов перед указанной дополнительной поверхностью, причем вход последней по воде размещен в тракте выхлопных газов со стороны горелок топки и гидравлически связан с циркуляционным насосом барабана, выход по воде (пару) размещен со стороны входов по газу и воздуху и через регулирующие клапаны гидравлически связан с барабаном и входом по воде в ГВПВД, а вход по воде в общий экономайзер через регулирующий клапан гидравлически связан с паровым трактом пароперегревателя.

Размещение указанной конвективной поверхности в тракте выхлопных газов ГТ между горелками топки и выходами в газоход по газу и воздуху обеспечивает возможность использования данной поверхности в режиме паросилового цикла (с выключенной ГТ) в качестве калорифера, в режиме комбинированного цикла (с работающей ГТ) в качестве испарителя, при этом благодаря генерации дополнительного пара на данной поверхности обеспечивается более высокое отношение суммарной паропроизводительности котла к расходу газа на выхлопе из ГТ и к расходу топлива в котел, чем в прототипе, при одновременном снижении адиабатической температуры в топке; тем самым обеспечивается более высокий электрический КПД комбинированного цикла, достигаемый со снижением выбросов оксидов азота в атмосферу, в более широком эксплуатационном диапазоне и без ухудшения показателей блока для режима паросилового цикла.

Охлаждение дымовых газов ГТ на указанной поверхности обеспечивает также возможность применения высокотемпературных ГТ без использования дорогостоящих жаростойких материалов для газоходов, что позволяет дополнительно повысить долю газотурбинной мощности блока и электрический КПД комбинированного цикла без повышения присоединительной нагрузки.

На фиг. 1 приведен вариант теплофикационного блока ПГУ, который содержит ГТ 1; ПТ 2 с блоками ПВД 3 и ПНД 4; котел 5 с топочной камерой 6 с горелками 7, барабаном 8, воздуходувкой 10, связывающим выхлоп ГТ 1 с топочной камерой 6 с возможностью перекрытия его входа по газу газоплотной заслонкой 11. Котел также содержит ГВПНД 12 и ГВПВД 13, включенные параллельно блокам ПВД 3 и ПНД 4 по тракту питательной воды, общий экономайзер 14, вход которого по питательной воде снабжен гидравлической связью с выходами по питательной воде из ПВД 3 и из ГВПВД 13, пароперегреватель 15 и испаритель, выполненный частично в виде экранов 16 топки 6, частично в виде экранов 17 стенок котла и других испарительных поверхностей (не показаны), расположенных по ходу дымовых газов за горелками 7 топки 6.

Согласно отличительным особенностям заявляемого изобретения котел снабжен дополнительной конвективной поверхностью теплообмена 18, размещенной по ходу выхлопных газов ГТ (в приведенном варианте в газоходе 10) между горелками 6 топки 7 и выхлопом ГТ 1, при этом упомянутый газоход 10 содержит вход по воздуху, сообщенный с воздуходувкой 9 с возможностью перекрытия его другой газоплотной заслонкой 19 и расположенный по ходу выхлопных газов ГТ перед указанной дополнительной поверхностью 18, причем вход последней по воде размещен в тракте выхлопных газов со стороны горелок 6 топки 7 и гидравлически связан с циркуляционным насосом 20 барабана 8, выход по воде (пару) размещен со стороны входов газохода 10 по газу и воздуху и гидравлически связан через регулирующий клапан (РК) 21 с барабаном 8, через РК 22 с входом по воде в ГВПВД 13, а вход по воде в общий экономайзер 14 через РК 23 гидравлически связан с паровым трактом пароперегревателя 15 (в приведенном варианте на вход пароперегревателя 15 по пару).

В приведенном варианте ПГУ котел также снабжен дополнительным газоходом 24 с регулирующей заслонкой 25, связывающим выход газохода 10 с входом общего экономайзера 14 по газу, а экранные испарительные поверхности 17 совмещены по газовому тракту с пароперегревателем 15. Величина поверхности общего экономайзера 14 предполагается достаточной для закипания воды на горячем конце поверхности 14 с доведением паросодержания на выходе из общего экономайзера примерно до 20% в комбинированном цикле при минимальной нагрузке котла и базовой нагрузке ГТ, а величина поверхности пароперегревателя 15 достаточной для перегрева пара до номинальной температуры в этом режиме.

ПГУ содержит также деаэратор 26, блок ПСВ 27 и регулирующие клапаны 28 - 30, 34 и 35.

На всех режимах работы блока ПГУ:
подачу воды в ГВПНД 12 регулируют РК 28 и 29 по величине температуры воды за ГВПНД 12;
температуры воды перед ГВПНД 12 регулируют РК 30 и 31, распределяющие слив из ПСВ 27 между точками перед РК 29 и ПНД 4; в случае, если тепла слива из ПСВ 27 не хватает (РК 30 полностью закрыт), необходимое повышение температуры перед ГВПНД 12 обеспечивают РК 32 и 33 путем рециркуляции воды через РК 32.

При работе блока ПГУ в режиме комбинированного цикла воздуходувку 9 отключают, заслонки 11 и 19 приводят в положение, изображенное на фиг. 1, РК 21 открывают, РК 22 закрывают, поверхность 18 работает на тепле выхлопных газов ГТ как конвективный испаритель. В приведенном варианте ПГУ возможность регулирования температуры в топке обеспечивается регулирующей заслонкой 25 путем сброса части выхлопных газов по газоходу 24 в тракт дымовых газов котла на вход в общий экономайзер 14 по газу, исходя из требуемой величины коэффициента избытка окислителя за топкой. Подачу воды из деаэратора 26 в ГВПВД 13 регулируют при помощи РК 34 и 35 по величине температуры за ГВПВД 13 на уровне температуры питательной воды за ПВД 3 или ниже.

При работе блока по паросиловому циклу с остановленной ГТ включают воздуходувку 9, заслонку 19 и РК 22 открывают, заслонку 11 и РК 21 закрывают, регулирующую заслонку 25 и РК 34 также закрывают, поверхность 18 в этом случае работает как калорифер, а подачу воды из барабана в участок 18 насосом 20 регулируют при помощи РК 22 по величине температуры воды за поверхностью 18 на уровне температуры в деаэраторе или ниже по величине температуры за ГВПВД 13, поддерживаемой на уровне температуры воды за ПВД 3 или ниже. Поскольку номинальная подача воздуха в котел в общем случае ниже номинальной величины расхода входа выхлопных газов за ГТ (воздух подают с коэффициентом избытка порядка 1,05 1,1) а средний температурный напор на поверхности 18 выше, чем при работе блока с включенной ГТ, то теплосъема на поверхности 18 при номинальном давлении в барабане на уровне от 130 бар хватает для нагрева подаваемого воздуха до требуемой температуры 210 240^oC.

В связи с повышением адиабатической температуры в топке, коэффициентов теплоотдачи, температурных напоров и соответственно теплосъема в пароперегревателе 15 и в экранах 16 топки 6 паропроизводительность котла сохраняется на номинальном уровне со снижением вытеснения регенерации и температуры уходящих из котла дымовых газов, а регулирование температуры свежего пара за котлом на номинальном уровне обеспечивают регулируемым впрыском воды в пароперегреватель 15, при этом воду на впрыск отбирают из тракта питательной воды котла на входе в общий экономайзер 14 и подают через РК 23 в паровой тракт пароперегревателя 15 (в приведенном варианте на вход пароперегревателя по пару).

Возможность использования высокотемпературных газовых турбин и достижение максимального отношения паропроизводительности котла к расходу газа на выхлопе из ГТ и к расходу топлива в котел на всех режимах работы блока иллюстрируются на Q, t диаграммах (фиг. 2 и 3) для приведенной на фиг. 1 ПГУ в режимах работы по комбинированному и паросиловому циклу.

Номера областей теплосъема, проставленные вдоль осей абсцисс (фиг. 2 и 3), соответствуют номерам поверхностей теплообмена (фиг. 1). В режиме комбинированного цикла на фиг. 2 представлен вариант работы ПГУ с закрытой регулирующей заслонкой 25 (без сброса части продуктов сгорания на вход в общий экономайзер 14 по газу), что доказывает работоспособность заявляемого устройства без дополнительного газохода 24 с регулирующей заслонкой 25, при этом на горячем конце общего экономайзера 7 имеет место закипание воды, соответствующее горизонтальному участку графика t(Q) по воде в области 14; в режиме паросилового цикла (фиг. 3) вследствие перераспределения теплосъемов по поверхностям закипание воды на горячем конце поверхности 14 не происходит. Заштрихованная область на фиг. 2 соответствует части теплосъема на поверхности 18, связанного с охлаждением греющей воды до температуры воды на входе в общий экономайзер 14 (в данном примере до 250^oC). Эта теплота, обозначенная ниже через Q18^', вырабатывается поверхностями 14 17 (на фиг. 3 восполнение Q18^' отнесено целиком на теплосъем в экранах топки 16). Дальнейшее охлаждение воды на поверхности 18 до температуры ниже температуры в деаэраторе (в данном примере до 140^oC) восполняется нагревом воды в ПВД 3 и в ГВПВД 13. Паропроизводительность котла G_n определяется по формуле
G_n Q_n/(i i14),
где i_n энтальпия пара за котлом;
i14 энтальпия воды на входе в общий экономайзер 14;
Q_n Q14 + Q15 + Q16 + Q17 + Q18 в режиме комбинированного цикла;
Q_n Q14 + Q15 + Q16 + Q17 + Q18^' в режиме паросилового цикла.

Согласно приведенному выражению для G_n, паропроизводительность растет с увеличением i14 и Q_n, а Q_n при фиксированном расходе топлива в котел увеличивается с уменьшением Q18^' и температурного напора на входе в общий экономайзер 14, минимальные значения которых обеспечиваются предложенными схемными решениями. Полученный технический эффект обеспечивает расширение эксплуатационного диапазона ПГУ с максимальной экономичностью на всех режимах работы энергоблока.

Приведенный на фиг. 1 вариант принципиальной схемы предназначен для иллюстрации заявляемого изобретения и не исчерпывает всех возможных вариантов его конструктивной реализации применительно к конкретным условиям эксплуатации.

Использование: в теплоэнергетике и может быть использовано в парогазовых установках (ПГУ) со сбросом газов газовых турбин (ГТ) в котел, предназначенных преимущественно для комбинированной выработки тепловой и электрической энергии. Сущность изобретения: котел снабжен дополнительной конвективной поверхностью теплообмена 18, размещенной по ходу выхлопных газов ГТ между горелками 6 топки 7 и выхлопом ГТ 1, при этом газоход 10 содержит вход по воздуху, сообщенный с воздуходувкой 9 с возможностью перекрытия его другой газоплотной заслонкой 19 и расположенный по ходу выхлопных газов ГТ перед указанной дополнительной поверхностью 18, причем вход последней по воде размещен в тракте выхлопных газов со стороны горелок 6 топки 7 и гидравлически связан с циркуляционным насосом 20 барабана 8, выход по воде (пару) размещен со стороны входов газохода 10 по газу и воздуху и гидравлически связан через регулирующий клапан (РК) 21 с барабаном 8, через РК 22 - со входом по воде в газоводяной подогреватель высокого давления 13, а вход по воде в общей экономайзер 14 через РК 23 гидравлически связан с первым трактом пароперегревателя 15. 3 ил.

Парогазовая установка, содержащая газовую турбину, паровую турбину с регенеративными подогревателями одного или двух давлений (подогреватели высокого давления или подогреватели высокого давления и подогреватели низкого давления), котел с топочной камерой (топкой) и горелками топки, снабженный барабаном и газоходом, сообщенным на входе с выхлопом газовой турбины с возможностью перекрытия указанного входа газоплотной заслонкой, а на выходе - с топкой, и содержащий газоводяной подогреватель высокого давления или газоводяные подогреватели высокого и низкого давления, включенные параллельно подогревателям высокого и низкого давления по питательной воде, а также общий экономайзер, вход которого по тракту питательной воды снабжен гидравлической связью с выходами из подогревателя высокого давления и из газоводяного подогревателя высокого давления, пароперегреватель и испарительные поверхности, размещенные по ходу дымовых газов за горелками топки, отличающаяся тем, что котел снабжен дополнительной конвективной поверхностью теплообмена, размещенной по ходу выхлопных газов турбины между горелками топки и выхлопом газовой турбины, при этом упомянутый газоход содержит вход по воздуху, сообщенный с воздуходувкой с возможностью перекрытия его дугой газоплотной заслонкой и расположенный по ходу выхлопных газов перед указанной дополнительной поверхностью, причем вход последней по воде размещен в тракте выхлопных газов со стороны горелок топки и гидравлически связан с циркуляционным насосом барабана, выход по воде (пару) размещен со стороны входов по газу и воздуху и через регулирующие клапана, гидравлически связан с барабаном и входом по воде в газоводяной подогреватель высокого давления, а вход по воде в общий экономайзер через регулирующий клапан гидравлически связан с паровым трактом пароперегревателя.