ПАРОГАЗОВАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1998 года по МПК F01K7/00 

Изобретение относится к стационарной энергетике и может быть применено на тепловых электрических станциях преимущественно при реконструкции и техническом перевооружении действующих энергоблоков и при наличии низкопотенциальных потребителей теплоты.

Известны парогазовые установки со сбросом газов в котел, в которых выхлопные газы газовой турбины направляются в котел, работающий в блоке с паротурбинной установкой, где используются в качестве окислителя при сжигании топлива, а также как дополнительного теплоносителя (см., например, книгу Безлепкина В.П. Парогазовые установки со сбросом газов с котел. Л.: Машиностроение, 1984, стр. 9, рис.1-1).

В связи с частичной или полной заменой дутьевого воздуха котла выхлопными газами газотурбинной установки в парогазовых блоках такого типа теплота уходящих газов котла используется за счет ограничения регенераторного подогрева конденсата и питательной воды в схеме паротурбинной установки. Для этого котел, работающий в парогазовом блоке, вместо воздухоподогревателя оборудуется газоводяными теплообменниками, охлаждаемыми конденсатом и питательной водой, которые отобраны в обвод регенеративной системы паротурбинной установки, требующей реконструкции. При этом дополнительно для возможности работы блока при остановленной газовой турбине предусматривается резервная дутьевая система котла с воздухоподогревателем (на паре или перегретой воде).

Такая парогазовая установка имеет высокую экономичность, более низкую по сравнению с паротурбинным блоком удельную стоимость строительства, обеспечивает возможность использования в энергетическом котле различных видов топлива, подавление вредных выбросов в атмосферу и может быть реализована при модернизации действующих паротурбинных электростанций с блоками различной мощности.

Однако наряду с преимуществами имеются и существенные недостатки таких установок, затрудняющие из внедрение, особенно при модернизации, техническом перевооружении и реконструкции действующих паротурбинных энергоблоков. Основные из них следующие:
- сложная система подогрева конденсата и питательной воды частично в регенеративной системе турбины и частично в газоводяных подогревателях котла, при этом вытеснение регенеративных отборов в ряде случаев не позволяет сохранить расход пара на турбину и получить дополнительную электрическую мощность из-за ограничений по проточной части; для некоторых турбин расход пара согласно техусловиям завода-изготовителя должен быть снижен на величину уменьшения регенеративных отборов, в этом случае происходит даже снижение электрической мощности паротурбинной части, что значительно уменьшает эффективность парогазовой установки;
- большие затраты, связанные с установкой вместо воздухоподогревателей газоводяных теплообменников с размещением их в закрытом помещении, особенно при необходимости демонтажа существующего оборудования и газовоздуховодов, что связано с выводом на продолжительное время из эксплуатации действующего оборудования;
- снижение электрической мощности турбины с теплофикационными отборами из-за ограничения суммарной тепловой мощности отборов и невозможности увеличения расхода пара в конденсатор при работе на встроенном теплофикационном пучке.

Задачей предлагаемого изобретения является создание парогазовой энергетической установки со сбросом выхлопных газов газовой турбины в качестве окислителя в топку парового котла с частичной или полной заменой воздуха, которая устраняет или ослабляет недостатки указанной схемы.

Техническим результатом внедрения предлагаемой парогазовой установки является: исключение необходимости реконструкции системы регенерации паротурбинной установки; снятие возможного ограничения расхода пара на турбину со снижением мощности; исключение необходимости замены воздухоподогревателей и оборудования тягодутьевого тракта, что обеспечивает снижение объемов работ и начальных затрат, а также исключение недовыработки электроэнергии и теплоты, особенно при реконструкции действующего паротурбинного энергоблока с увеличением его электрической и тепловой мощности; улучшение ожидаемых эксплуатационных показателей надежности и маневренности при изменении нагрузки и при переходе блока из парогазового в паротурбинный режим и, наоборот, из паротурбинного в парогазовый, а также в связи с применением неагрессивного воздуха в качестве промежуточного теплоносителя.

Поставленная задача решается предлагаемой парогазовой энергетической установкой, содержащей паротурбинную часть, включающую паровой котел с воздухоподогревателем и оборудованием тягодутьевого тракта, паротурбинную установку с оборудованием пароконденсатного контура, а также газотурбинную часть, включающую газовую турбину с выхлопным газоходом, подключенным к дутьевой системе парового котла, снабженной согласно изобретению воздуховодом рециркуляции из выходного коллектора воздухоподогревателя на всас дутьевого вентилятора с установкой на этом воздуховоде регулирующего органа и теплообменника, охлаждаемого одним или несколькими теплоносителями, например, сетевой или подпиточной водой тепловой сети. Кроме того, предложенная парогазовая установка может быть дополнительно снабжена смесителем на выхлопном газоходе газовой турбины, к которому подведен воздуховод из выходного коллектора теплообменника, а также установленным на участке воздуховода к котлу до подключения выхлопного газохода от газовой турбины дополнительным регулирующим органом. Предложенная парогазовая установка может быть также снабжена перемычкой между выхлопным газоходом от газовой турбины и газоходом от котла к воздухоподогревателю с установленным на ней запорнорегулирующим органом.

Ожидаемый технический результат проявляется при реализации известных и новых существенных признаков и является свойством их совокупности.

На чертеже показана принципиальная схема предлагаемой парогазовой энергетической установки.

Парогазовая энергетическая установка содержит паровой энергетический котел 1, воздухоподогреватель 2, дымосос 3, дутьевой вентилятор 4, подвод котельного топлива 5, газоход котла 6, отвод уходящих газов 7, воздухозабор дутьевого вентилятора 8, воздуховод к котлу 9, паротурбинную установку 10, систему регенеративного подогрева питательной воды низкого и высокого давления 11, паропровод к турбине 12, конденсатно-питательный тракт 13, газотурбинную установку 14, воздухозабор газотурбинной установки 15, подвод газотурбинного топлива 16, выхлопной газоход газовой турбины 17, воздуховод рециркуляции 18, теплообменник (охладитель воздуха) 19, регулирующий орган на воздуховоде рециркуляции 20, теплоносители внутренних и внешних потребителей 21, смеситель 22, воздуховод к смесителю 23, регулирующий орган на воздуховоде к котлу 24, перемычку от выхлопного газохода газовой турбины в газоход котла (обвод котла) 25, регулирующий орган на перемычке (обводе котла) 26ю
Обозначения 1-17 относятся к известным элементам паротурбинной и парогазовой установки со сбросом газов в котел, в том числе 1-9 - элементы котельной установки и газовоздушного тракта, 10-13 - элементы паротурбинной установки и пароводяного тракта, 14-17 - элементы газотурбинной установки.

Обозначения 18-26 относятся к новым элементам, определяющим отличия схемы предлагаемой парогазовой установки.

Из схемы видно, что предлагаемая парогазовая установка полностью сохраняет все основные элементы паротурбинного блока без их замены или существенной реконструкции (обозначения 1-13). Это особенно важно при сооружении газотурбинной надстройки действующего паротурбинного энергоблока, так как строительство и монтаж газотурбинной установки 14, а также основных новых элементов оборудования и газовоздуховод 18-23 могут быть проведены без нарушения работы блока, а необходимые подключения к существующим газоходам и воздуховодам не потребуют значительного времени и могут быть выполнены в период планового останова без недовыработки электроэнергии и теплоты.

Основным отличительным элементом схемы предлагаемой парогазовой установки является воздуховод рециркуляции 18 с установленным на нем теплообменником 19 и регулирующим органом 20. В обычном паротурбинном режиме работы блока этот воздуховод может быть отключен. Воздух 8, забираемый дутьевым вентилятором 4, подогревается в воздухоподогревателе 2 уходящими газами котла и по воздуховоду 9 подается к горелкам котла 1, работающим на котельном топливе 5. Производительность дутьевого вентилятора регулируется его направляющим аппаратом в соответствии с нагрузкой котла. Продукты сгорания, передав теплоту рабочему телу паротурбинного контура 10-13, по газоходу 6 поступают в воздухоподогреватель 2, где охлаждаются дутьевым воздухом, и дымососом 3 отводятся через дымовую трубу в атмосферу 7. В парогазовом режиме выхлопные газы газовой турбины 14, содержащие около 15% кислорода, после сжигания газотурбинного топлива 16 в компремированном воздухе 15 подаются по газоходу 17 в воздуховод котла 9, вытесняя дутьевой воздух. Регулирование расхода окислителя в топку котла в соответствии с расходом котельного топлива 5 обеспечивается при работе дутьевого вентилятора 4 с открытым направляющим аппаратом за счет изменения расхода воздуха по линии рециркуляции 18 с помощью регулирующего органа 20. При этом в воздуховод 9 к котлу полностью поступают выхлопные газы турбины и дополнительно горячий воздух после воздухоподогревателя 2 в количестве, необходимом для горения. Таким образом, как в паротурбинном, так и в парогазовом режиме отвод теплоты от продуктов сгорания после котла производится в воздухоподогревателе 2 при работе штатных дутьевых вентиляторов 4 и дымососов 3. Одновременно при подаче в котел обедненного окислителя обеспечивается подавление окислов азота в топочном процессе.

Воздух после воздухоподогревателя, поступающий на рециркуляцию, охлаждается в теплообменнике 19 одним или несколькими теплоносителями 21, которые используются внутренними или внешними потребителями. Теплоноситель, обеспечивающий конечное охлаждение воздуха, должен быть низкопотенциальным, например, может использоваться обратная сетевая или подпиточная вода тепловой сети. Могут быть предложены и другие решения, в зависимости от конкретных характеристик объема применения и располагаемых теплоносителей. Минимальная степень охлаждения воздуха рециркуляции определяется допустимой максимальной температурой для дутьевого вентилятора, соотношением расходов рециркуляции 18 и воздухозабора 8, температурой наружного воздуха и экономикой процесса. Максимальная степень охлаждения воздуха определяется характеристиками теплообменника, параметрами теплоносителя, допустимой минимальной температурой воздуха перед дутьевым вентилятором и перед воздухоподогревателем.

Переход блока из парогазового в паротурбинный режим при отключении газовой турбины 14 осуществляется в предложенной схеме автоматически без включения новых механизмов и при сохранении системы регулирования расхода воздуха на котел за счет рециркуляции. С уменьшением расхода выхлопных газов газовой турбины в дутьевой тракт котла вплоть до полного прекращения регулирующий орган 20 отрабатывает на закрытие, уменьшая рециркуляцию и увеличивая расход воздуха в котел без снижения его нагрузки. Это маневренное качество схемы имеет важное значение для надежной эксплуатации.

Дополнение схемы элементами 22, 23, 24 может быть целесообразно при частичной замене дутьевого воздуха котла выхлопными газами газовой турбины, устанавливаемой в качестве надстройки действующего паротурбинного блока. В этом случае при температуре выхлопа более 500^oC схема позволяет за счет подмеса охлажденного воздуха по воздуховоду 23 в смеситель 22 снизить температуру в воздуховоде 9 к котлу (и в газоходе 17) до расчетной температуры ниже 400^oC и благодаря этому полностью сохранить существующие воздуховоды, их детали и элементы, а также горелочные устройства котельной установки, выполненные из углеродистой стали по действующим нормалям. При закрытом воздуховоде горячего воздуха после воздухоподогревателя к котлу весь дополнительный расход воздуха при работе блока в парогазовом режиме поступает в смеситель 22. Однако в зависимости от степени вытеснения дутьевого воздуха выхлопными газами газовой турбины, от температуры выхлопа, от температуры охлажденного воздуха может оказаться, что температура дутья в этом случае заметно ниже допустимой. Для возможности оптимизации режима схемой предусмотрен регулирующий орган 24, позволяющий пропустить часть дополнительного воздуха в обвод теплообменника 19 и тем самым поддержать температуру в воздуховоде 9 на заданном уровне. Регулирующий орган 24 может выполнять и дополнительные функции в переходных режимах.

Важное значение имеет дополнение схемы элементами 25, 26. Запорнорегулирующий орган 26 на перемычке 25 от выхлопного газохода 17 в газоход котла 6 (обвод котла) нормально закрыт. При работе в парогазовом режиме он служит для регулирования расхода окислителя в котел при снижении нагрузки после ограничения регулирования рециркуляцией, когда расход по газоходу 17 становится больше необходимого для горения. Это позволяет сохранить номинальную нагрузку газотурбинной установки при широком диапазоне регулирования нагрузки паротурбинной части, оптимальном избытке воздуха в топке и использовании теплоты уходящих газов. Кроме того, наличие указанной перемычки (обвода котла) позволяет сохранить в работе газовую турбину при остановке котла по причинам, не связанным с работой оборудования тягодутьевого тракта 2, 3, 4. В этом случае, например, при сбросе нагрузки и прекращении подачи топлива 5 в котел, запорнорегулирующий орган 26 открывается, обеспечивая при работающем тягодутьевом оборудовании отвод теплоты выхлопных газов газовой турбины в воздухоподогревателе рециркулирующим через теплообменник 19 воздухом. Тем самым обеспечивается сохранение в работе газовой турбины с использованием теплоты выхлопных газов. Даже если рассматривать данный режим как кратковременный, то он весьма удобен в эксплуатации, поскольку позволяет избежать аварийного останова газовой турбины и обеспечить ее работу в автономном режиме с использованием теплоты выхлопных газов.

Первоочередное внедрение изобретения намечено на Южной ТЭЦ АО "Ленэнерго". Предлагается реконструировать действующий с 1987 г. энергоблок ст. N 3(котел КП-1000-255 ГМ, турбина Т-250/300-240-3), снабдив его газотурбинной надстройкой (ГТ8С фирмы АВВ) по предложенной схеме с частичным вытеснением дутьевого воздуха выхлопными газами газовой турбины.

Проектные проработки показали, что газовая турбина и воздуховодяной теплообменник могут быть размещены в существующем главном корпусе ТЭЦ. Экономические расчеты для конкретных условий ТЭЦ показали рентабельность и эффективность предложенной реконструкции по сравнению с реконструкцией по схеме с полным вытеснением дутьевого воздуха с применением газовой турбины большего типоразмера, например, типа 13Д фирмы АВВ, и заменой регенеративных воздухоподогревателей котла газоводяными теплообменниками. По отношению к паротурбинному блоку электрическая мощность парогазового блока возрастает на 50 МВт (20%), тепловая на 70 Гкал/ч (20%), удельный расход условного топлива на отпуск электроэнергии снизится на 4% при одновременном снижении удельных выбросов окислов азота в атмосферу.

Изобретение предназначено для использования в энергетике и может быть применено на тепловых электрических станциях, преимущественно при реконструкции и техническом перевооружении действующих энергоблоков и при наличии низкопотенциальных потребителей теплоты. Установка включает известные элементы паротурбинного блока и парогазовой установки 1 - 17, включая паровой котел 1 с воздухоподогревателем 2 и оборудованием тягодутьевого тракта 3 - 9, паротурбинную установку 10 с оборудованием пароконденсатного контура 11 - 13, газотурбинную установку 14 - 16 с выхлопным газоходом 17, подключенным к дутьевой системе котла, а также новые элементы 18 - 26, включая теплообменник 19, смеситель 22, регулирующие органы 20, 24, 36 и воздуховоды 18, 23, 25. Наличие контура рециркуляции 18 позволяет обеспечить регулирование расхода окислителя в энергетический котел дополнительно к выхлопу газовой турбины. Подмес охлажденного воздуха 23 в выхлопной газоход 17 позволяет ограничить температуру в дутьевой системе котла. Перепуск (обвод котла) 25 позволяет обеспечить глубокое регулирование нагрузки паротурбинной части и автономную работу газовой турбины при прекращении подачи топлива в котел. Изобретение позволяет выполнить парогазовую энергетическую установку со сбросом выхлопных газов газовой турбины в котел по схеме с использованием воздуха в качестве промежуточного теплоносителя, что обеспечивает ряд конструктивных и эксплуатационных преимуществ, снижение объемов работ и начальных затрат, а также исключение недовыработки электроэнергии и теплоты, особенно при реконструкции действующего паротурбинного энергоблока. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Парогазовая энергетическая установка, содержащая паротурбинную часть, включающую паровой котел и паротурбинную установку, и газотурбинную установку с подключением выхлопного газохода газовой турбины к дутьевой системе парового котла, включающей дутьевой вентилятор и воздухоподогреватель, отличающаяся тем, что воздухоподогреватель выполнен газовоздушным, установлен непосредственно на газоходе и подключен по воздуху к дополнительному теплообменнику, обеспечивающему охлаждение воздуха одним или несколькими теплоносителями, например, сетевой или подпиточной водой тепловой сети, а выход теплообменника по воздуху через регулирующий орган соединен со всасом дутьевого вентилятора. 2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что выхлопной газоход газовой турбины снабжен смесителем, к которому подведен воздуховод из выходного коллектора теплообменника, а на участке воздуховода к котлу до подключения выхлопного газохода от газовой турбины установлен дополнительно регулирующий орган. 3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что снабжена дополнительной перемычкой между выхлопным газоходом от газовой турбины и газоходом от котла к воздухоподогревателю с установленным на ней запорнорегулирующим органом.