ПАРОГАЗОВАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1998 года по МПК F02C6/18 

Изобретение относится к производству тепловой и электрической энергии, а более конкретно к производству тепловой и электрической энергии на базе установок, работающих по бинарному циклу при комбинированном использовании газотурбинных установок и паротурбинных установок.

Известны парогазовые установки с раздельными рабочими телами на базе бинарного цикла [1] Такие парогазовые установки содержат в своем составе газотурбинную установку, состоящую из воздушного компрессора, газовой турбины и генератора, размещенных на одном валу, и паротурбинной установки, состоящей из паровой турбины и генератора, размещенных на одном валу, оснащенную системой регенерации. Общим элементом газотурбинной и паротурбинной установок является высоконапорный парогенератор, который производит пар для паротурбинной установки на тепле продуктов сгорания, образующихся при сжигании топлива в среде сжатого воздуха, поданного из компрессора газотурбинной установки в камеру сгорания высоконапорного парогенератора. После высоконапорного парогенератора продукты сгорания, находящиеся под давлением и имеющие высокую температуру, направляются в газовую турбину для выработки электрической мощности.

Основным недостатком таких парогазовых установок является невысокая термодинамическая эффективность производства электроэнергии, связанная с тем, что тепло продуктов сгорания за газовой турбиной используется в системе подогрева питательной воды паротурбинной установки. Такое решение приводит либо к недоиспользованию тепла продуктов сгорания, либо к снижению подогрева питательной воды в системе паротурбинной установки, что снижает эффективность паротурбинной установки и, в конечном итоге, всей парогазовой установки. Недостатком такой парогазовой установки является также сложность изготовления и эксплуатации высоконапорного парогенератора при возрастании давления и температуры продуктов сгорания перед газовой турбиной у современных газотурбинных установок до 30-40 ата и 1100-1300 ^oС, соответственно.

Указанные недостатки устранены в парогазовых установках утилизационного типа, где пар для паротурбинной установки производится в котле-утилизаторе, который размещен на газоходе за газовой турбиной за счет тепла продуктов сгорания, имеющих давление на уровне атмосферного, а температуру достаточную для получения пара.

Наиболее близким техническим решением является известная парогазовая установка утилизационного типа, которая включает (см. фиг. 2) в себя газотурбинную установку, состоящую из компрессора, газовой турбины и генератора, расположенных на одном валу, камеру сгорания, размещенную между компрессором и газовой турбиной, и паротурбинную установку, состоящую из паровой турбины и генератора, расположенных на одном валу, системы регенерации, конденсатора, а также котел-утилизатор, расположенный на газоходе за газовой турбиной, который по воде и пару связан с паротурбинной установкой [3]
В этой парогазовой установке пар производится в котле-утилизаторе, имеющем значительные габариты, не уступающие габаритам традиционных энергетических котлов, так как давление продуктов сгорания, используемых в качестве греющей среды, находятся на уровне атмосферного, а температурный напор значительно ниже, чем в энергетическом котле.

Вторым недостатком является то, что температура продуктов сгорания за газовой турбиной у современных газотурбинных установок ниже температуры пара для традиционных паротурбинных установок, что приводит к необходимости снижения температуры пара в ущерб экономичности паротурбинной установки и всей парогазовой установки в целом.

Третьим серьезным недостатком является невозможность снижения температуры продуктов сгорания за котлом-утилизатором до уровня 100-150^oC при отсутствии внешнего теплового потребителя без снижения эффективности системы регенерации паротурбинного блока.

Технический результат изобретения достигается за счет устранения указанных недостатков путем повышения термодинамической эффективности производства электроэнергии и перевода существующих паросиловых энергетических установок в парогазовые, имеющие более высокие технико-экономические показатели.

Сущность изобретения, обеспечивающая технический результат, достигается тем, что в известной парогазовой установке газовая турбина выполнена по крайней мере из двух частей приводной и силовой газовых турбин, соединенных последовательно по ходу продуктов сгорания газоходом, на котором расположен котел-утилизатор, соединенный трубопроводами пара и питательной воды с паротурбинной установкой.

Парогазовая установка, содержащая газотурбинную установку, состоящую из воздухозаборного устройства, воздушного компрессора, газовой турбины, камеры сгорания, размещенной между воздушным компрессором и газовой турбиной, генератор, а также котел-утилизатор с подключенной к нему паротурбинной установкой, выхлопное устройство, регулирующую и запорную арматуру, соединительные трубопроводы, а газовая турбина разделена по крайней мере на две части, между которыми на газоходе установлен котел-утилизатор с подключенной паротурбинной установкой, является новой.

Парогазовая установка, снабженная дополнительным экономайзером и дополнительными трубопроводами, где газовая турбина выполнена по крайней мере из двух частей приводной газовой турбины и силовой газовой турбины, последовательно соединенных дополнительным газоходом, на котором размещены котел-утилизатор с дополнительным предвключенным экономайзером, а дополнительный трубопровод расположен между котлом-утилизатором и предвключенным экономайзером, не следует явным образом для специалиста из уровня техники, то есть имеет изобретательский уровень.

Парогазовая установка, содержащая газотурбинную установку, состоящую из воздухозаборного устройства, воздушного компрессора, газовой турбины, камеры сгорания, размещенной между воздушным компрессором и газовой турбиной, генератор, а также котел-утилизатор с подключенной к нему паротурбинной установкой, выхлопное устройство, регулирующую и запорную арматуру, соединительные трубопроводы, а газовая турбина выполнена по крайней мере из двух частей, последовательно соединенных дополнительным газоходом, на котором размещены котел-утилизатор с паротурбинной установкой, а также предвключенный экономайзер, может быть промышленно применима как при строительстве новых, так и реконструкции существующих электростанций. Перевод существующих паросиловых энергетических установок в парогазовые производится с минимальным объемом реконструкции и минимальным количеством заменяемого оборудования.

Таким образом, предлагаемое техническое решение отвечает всем трем критериям изобретения: по новизне, изобретательскому уровню и промышленной применимости и является изобретением.

На фиг. 1 изображена предлагаемая парогазовая установка; на фиг. 2 - парогазовая установка, соответствующая прототипу; на фиг. 3 бинарный цикл парогазовой установки в T-S диаграммах, поясняющих работу предлагаемой установки (арабскими цифрами показаны элементы установки, римскими номера рассматриваемых на фиг. 3 точек).

Предлагаемая парогазовая установка (фиг. 1) имеет воздухозаборное устройство 1, соединенное воздуховодом 2 с входом компрессора 3, выход которого соединен с входом камеры сгорания 4, выход которого сопряжен с входом в приводную газовую турбину компрессора 5, выходной патрубок которого дополнительным газоходом 6, снабженным отсечной арматурой 7, соединен с предвключенным экономайзером 8, который и по газу, и дополнительным трубопроводом 9 соединен с котлом-утилизатором 10, который, в свою очередь, дополнительным газоходом 11 соединен с входным патрубком силовой газовой турбины 12, непосредственно соединенной с электрогенератором 13, сбросной газоход 14 соединен с входным устройством выхлопного устройства 15. На этом газоходе может быть установлен, например, сетевой водонагреватель 16.

Трубопроводами 17 и 18 паросиловая установка 19 соединена с котлом-утилизатором 10 и предвключенным экономайзером 8.

Паротурбинная установка 19 включает в себя паровую турбину 20, расположенную на одном валу с электрогенератором 21.

Выходной патрубок турбины 20 соединен с конденсатором 22, далее с насосом высокого давления 23, с системой регенерации 24, деаэратором 25 и питательным насосом 26. Паротурбинная установка 19 связана трубопроводом 17 с газотурбинной установкой. Трубопроводы имеют регулирующую и запорную арматуру (не показаны).

Работу парогазовой установки можно пояснить при помощи фиг. 3.

Атмосферный воздух окружающей среды (Т_окр.ср.= 273^oK 0^oC, давление 1 атм) через воздухозаборное устройство 1 и воздуховод 2 (точка I) всасывается компрессором 3, где сжимается до давления порядка 10-30 ат (точка II) и подается в камеру сгорания 4 для сжигания топлива, после чего образовавшиеся продукты сгорания при температуре (Т_газа 700-1200^oC) и при давлении 10-30 ат (точка III) поступают в приводную газовую турбину компрессора 5, где совершают работу, необходимую для привода компрессора 3, затем при давлении 2-4 ат и температуре 600-800^oC поступают в предвключенный экономайзер 8 и в примыкающий к нему котел-утилизатор 10, где нагревают питательную воду, поступающую в котел-утилизатор 10, до получения пара (Т_пара 535-565^oC) (точка IV). Продукты сгорания в предвключенном экономайзере 8 нагревают в нем питательную воду, поступающую от питательного насоса 26, после чего поступают в силовую турбину 12 (точка V), совершают работу для выработки электроэнергии генератором 13 (точка V1), после чего при атмосферном давлении и температуре 100-150^oC поступают в сетевой подогреватель 16, в котором нагревают сетевую воду и с температурой 70-100^oC через дымовую трубу 15 сбрасываются в атмосферу.

Пар, произведенный в котле-утилизаторе 8 по паропроводу 18 поступает в паровую турбину 20, где совершает работу для выработки электроэнергии генератором 21, затем поступает в конденсатор 22, где конденсируется и в качестве конденсата подается насосом 23 через систему регенерации низкого давления 24 и деаэратор 25, после чего питательным насосом 26 подается через трубопровод 17 в экономайзер для получения пара.

При отключении паротурбинной установки 19 продукты сгорания при давлении 2-4 ат и температуре 600-800^oC поступают в силовую газовую турбину 12, где совершают работу по выработке электрической энергии, поступают с давлением на уровне атмосферного и температурой 250-400^oC в сетевой подогреватель 16, после которого с температурой 100-150^oC через дымовую трубу 15 сбрасываются в атмосферу.

В связи с использованием в качестве греющей среды в котле-утилизаторе продуктов сгорания при давлении 2-4 ат котел-анализатор имеет габариты в сечении в 1,5-2 раза, а объем в 2-4 раза меньше, чем котел-утилизатор в парогазовой установке традиционного утилизационного типа, объем реконструкции при переводе действующих паросиловых установок в парогазовые снижается в 1,5-2 раза, так как реконструируется практически только котельное отделение, причем без увеличения ячейки существующего блока.

Снижение температуры продуктов сгорания при давлении 2-4 ат до 200-300^oC дает возможность после расширения в газовой турбине до атмосферного давления снизить температуру сбросных продуктов сгорания до 80-150^oC, что снижает потери тепла в окружающую среду с продуктами сгорания 1,5-2 раза.

Установка котла-утилизатора между частями газовой турбины снижает габариты самого котла-утилизатора за счет повышенного давления продуктов сгорания, являющихся греющей средой в котле-утилизаторе, позволяет использовать высокоэкономичные паротурбинные установки отечественного производства с температурой пара 535-565^oC, а также позволяет сократить потери тепла за счет снижения температуры продуктов сгорания, выбрасываемых через дымовую трубу в окружающую среду с сохранением регенеративного подогрева питательной воды.

Установка предвключенного экономайзера котла-утилизатора на газоходе продуктов сгорания позволит при отключенной системе регенерации высокого давления паротурбинной установки снизить ущерб от снижения температуры питательной воды на выходе из паротурбинной установки.

Установка дополнительного сетевого подогревателя на выходном газоходе продуктов сгорания за частью низкого давления газовой турбины позволит снизить температуру продуктов сгорания на входе в дымовую трубу с минимальным запасом по отношению к температуре точки росы и снизить потери тепла в окружающую среду.

Газовая турбина предлагаемой установки разделена по крайней мере на две части приводную турбину компрессора и силовую турбину, соответственно на часть высокого и часть низкого давления.

Часть высокого давления газовой турбины является приводной для компрессора и вместе с ним образует газотурбинный двигатель, имеющий независимое число оборотов.

При реконструкции и техперевооружении электростанций по предлагаемому техническому решению следует учесть, что:
паротурбинная установка является традиционной и не подлежит реконструкции;
используются газотурбинные двигатели, автономные от рабочей турбины, которая выполнена на одном валу с электрогенератором;
габариты котлов-утилизаторов уменьшены в 3-4 раза по параметрам греющей среды;
немаловажно, что рабочие турбины могут быть подобраны из существующих типоразмеров.

При применении изобретения коэффициент полезного действия повышается до 0,6, в то время, как КПД прототипа ≤ 0,5, а экономия топлива составляет до 45 что дополнительно может окупить перевод паросиловых блоков в парогазовые.

Использование: в производстве тепловой и электрической энергии на базе установок, работающих по бинарному циклу при комбинированном использовании газотурбинных (ГТУ) и паротурбинных (ПТУ) установок. Сущность изобретения: парогазовая установка содержит ГТУ с воздухозаборным устройством, генератор, котел-утилизатор (КУ) с подключенной к нему ПТУ, выходное устройство, регулирующую и запорную арматуру, соединительные трубопроводы, а газовая турбина разделена на две части - приводную газовую турбину компрессора и силовую турбину, последовательно соединенные газоходом, на котором установлены КУ с предвключенным экономайзером, которые соединены между собой дополнительным трубопроводом по пару. 3 ил.

Парогазовая установка, содержащая газотурбинную установку, состоящую из воздухозаборного устройства, воздушного компрессора, газовой турбины, камеры сгорания, размещенной между воздушным компрессором и газовой турбиной, генератора, а также котел-утилизатор с присоединенной к нему паротурбинной установкой, выхлопное устройство, регулирующую и запорную арматуру, трубопроводы пара и воды, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительным экономайзером, дополнительным трубопроводом и газоходом, а газовая турбина выполнена по крайней мере из двух частей приводной газовой турбины компрессора и силовой газовой турбины, последовательно соединенных дополнительным газоходом, на котором размещены дополнительный предвключенный экономайзер и котел-утилизатор, а дополнительный трубопровод расположен между котлом-утилизатором и дополнительным экономайзером.