СПОСОБ ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ СРЕДСТВА ОХЛАЖДЕНИЯ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК F02C7/18 F01K23/10 

Изобретение относится к способу для охлаждения средства охлаждения газовой турбины газо- и паротурбинной установки, с содержащим паровой барабан первым испарительным контуром. Оно направлено далее на устройство для охлаждения средства охлаждения газовой турбины газо- и паротурбинной установки для осуществления подобного способа.

Газо- и паротурбинная установка обычно используется для получения электрической энергии. При этом испаряют направляемую в испарительном контуре паротурбинной установки рабочую среду, обычно смесь вода-вода/пар, в испарителе, причем полученный при этом пар привлекают для получения энергии.

В испарительном контуре, обозначенном как контур естественной циркуляции, частичное испарение направляемой рабочей среды происходит в испарителе, причем циркуляция рабочей среды обеспечивается за счет устанавливающихся в процессе испарения разниц давления и/или за счет геодезического расположения испарителя и парового барабана. Альтернативно испарительный контур может быть также контуром принудительной циркуляции, в котором циркуляция рабочей среды обеспечивается циркуляционным насосом, причем рабочая среда также, по меньшей мере частично, испаряется в испарителе. Как при естественной циркуляции, так и при принудительной циркуляции смесь вода-вода/пар из испарителя подводят во включенный в испарительный контур паровой барабан. В паровом барабане воду и пар разделяют, причем воду от парового барабана снова подводят к испарителю.

Полное испарение с последующим частичным перегревом рабочей среды в проходе через испаритель происходит в контуре однократной принудительной циркуляции в качестве испарительного контура, в котором прохождение рабочей среды также обеспечивается насосами.

Независимо от того, какой принцип циркуляции естественный, многократный принудительный или однократный принудительный находит применение в паротурбинной установке, для повышения производительности газовой турбины и таким образом для достижения возможно высокого коэффициента полезного действия подобной газо- и паротурбинной установки, стремятся иметь на входе газовой турбины особенно высокую температуру рабочего газа, например, от 1000 до 1200^oC. Подобная высокая температура на входе турбины влечет за собой, конечно, проблемы материала, в частности, относительно жаропрочности турбинных лопаток.

Повышение температуры на входе турбины может быть допустимым тогда, когда лопатки турбины охлаждают настолько, что они постоянно имеют температуру, лежащую ниже допустимой температуры материала. Для этого из EP-PS 0379880 известно, что нужно отводить сжатый в приданном газовой турбине компрессоре воздух и охлаждать этот служащий в качестве средства охлаждения воздух перед входом в газовую турбину. Отобранное от охлаждающего воздуха при охлаждении тепло можно использовать, например, в качестве тепла испарения и применять для привода паровой турбины. В качестве испарительной системы при этом используют расширительный испаритель с циркуляционным насосом и расширительным сосудом. При этом из парового барабана испарительного контура отбирают воду, которую нагревают путем теплообмена со служащим в качестве средства охлаждения для газовой турбины охлаждающим воздухом и затем испаряют путем расширения в расширительном сосуде. Полученный таким образом пар подводят к паровой турбине.

Подобное устройство для охлаждения охлаждающего воздуха газовой турбины рассчитано для определенной разницы температур между отобранной из парового барабана водой и охлаждающим воздухом. Если, например, вследствие работы в режиме пиковой нагрузки или при отборе технологического пара давление в испарительном контуре и таким образом температура воды в паровом барабане возрастает, то возрастает также температура охлаждающего воздуха газовой турбины. Таким образом практически охлаждение охлаждающего воздуха до необходимой для охлаждения газовой турбины температуры больше не обеспечено, что может вызвать выход из строя газовой турбины.

Из EP-A-0106313 и GB-A 2264539 соответственно известна газовая турбина, средство охлаждения которой может охлаждаться путем оборотного охлаждения в теплообменнике, причем температура средства охлаждения может изменяться.

В основе изобретения поэтому лежит задача указания способа для охлаждения средства охлаждения газовой турбины газо- и паротурбинной установки с содержащим паровой барабан испарительным контуром, в котором особенно простым образом во всех режимах работы обеспечено достаточное охлаждение газовой турбины. Это должно достигаться с особенно подходящим устройством.

Эта задача для газо- и паротурбинной установки вышеназванного типа, в которой средство охлаждения газовой турбины охлаждают путем теплообмена со средой, циркулирующей в подключенном к паровому барабану втором или отдельном испарительном контуре, решается согласно изобретению тем, что температуру средства охлаждения газовой турбины устанавливают путем изменения определяемых теплообменником параметров, в частности путем изменения температуры среды, циркулирующей в отдельном испарительном контуре. При этом установку температуры производят путем инжекции конденсата в отдельный испарительный контур.

При этом охлаждение средства охлаждения газовой турбины рассчитано не только для определенной разницы температур между средством охлаждения газовой турбины и средством охлаждения, охлаждающим средство охлаждения.

Изобретение исходит из соображения, что путем изменения обусловленных теплообменом параметров, в частности путем изменения температуры циркулирующей в отдельном испарительном контуре среды, охлаждение средства охлаждения газовой турбины может быть согласовано с любым режимом работы газо- и паротурбинной установки. Таким образом температура средства охлаждения газовой турбины независимо от разности температур между средством охлаждения и циркулирующей средой, может поддерживаться на достаточном для охлаждения газовой турбины значении.

Оказалось, что путем инжекции конденсата в отдельный испарительный контур температуру циркулирующей в отдельном испарительном контуре среды и таким образом также температуру средства охлаждения газовой турбины можно особенно эффективно регулировать в широком диапазоне. При этом, в частности, высокая разность температур между инжектированным конденсатом и циркулирующей в отдельном испарительном контуре средой обуславливает эффективную возможность для изменения определяющих теплообмен параметров. Ввод конденсата путем инжекции при этом поддерживает кроме того вследствие струйного или засасывающего действия инжекции циркуляцию среды в отдельном испарительном контуре или запускает циркуляцию при вводе в действие. Также при работе газо- и паротурбинной установки в режиме пиковой нагрузки обеспечивается достаточное охлаждение средства охлаждения газовой турбины, причем приблизительно все имеющееся в пароводяном контуре газо- и паротурбинной установки количество конденсата можно инжектировать в отдельный испарительный контур.

Чтобы избежать перепитки парового барабана инжектированным в отдельный испарительный контур конденсатом, избыточную воду целесообразно выпускать из парового барабана в резервуар питательной воды газо- и паротурбинной установки.

Отдельный испарительный контур может представлять собой контур естественной циркуляции, контур многократной принудительной циркуляции или однократной принудительной циркуляции, причем в каждом случае тепло, отобранное от средства охлаждения газовой турбины путем охлаждения, можно подводить к процессу производства пара газо- и паротурбинной установки.

Относительно устройства для охлаждения средства охлаждения газовой турбины газо- и паротурбинной установки с содержащим паровой барабан испарительным контуром, названная задача решается тем, что связанный на вторичной стороне с питателем средства охлаждения газовой турбины теплообменник подключен на первичной стороне через отдельный испарительный контур к паровому барабану. Для инжекции конденсата в отдельный испарительный контур и тем самым для изменения температуры охлаждающего средство охлаждения газовой турбины средства охлаждения предусмотрено инжекторное соединение между подводящим трубопроводом питательной воды к паровому барабану и отдельным испарительным контуром.

Инжекторное соединение является предпочтительно дросселируемым и/или запираемым. Для спуска избыточной воды из парового барабана паровой барабан соединен с резервуаром питательной воды газо- и паротурбинной установки целесообразно с возможностью запирания.

Достигаемые изобретением преимущества состоят, в частности, в том, что за счет применения охлаждения средства охлаждения газовой турбины путем теплообмена со средой, циркулирующей в подключенном к паровому барабану отдельном испарительном контуре, а также путем возможного в случае необходимости запитывания конденсата в отдельный испарительный контур охлаждение средства охлаждения газовой турбины обеспечено во всех режимах работы газо- и паротурбинной установки, в частности также в режиме пиковой нагрузки. Подобное устройство для охлаждения средства охлаждения газовой турбины может быть рассчитано оптимально относительно критериев коэффициента полезного действия для режима номинальной нагрузки газо- и паротурбинной установки без необходимости выбора неэкономичного запаса параметров для работы при пиковой нагрузке. Охлаждение средства охлаждения газовой турбины, в частности в режиме пиковой нагрузки, обеспечено через возможное регулирование температуры среды, циркулирующей в отдельном испарительном контуре путем инжекции конденсата так, что подобная газо- и паротурбинная установка может эксплуатироваться особенно гибко и экономично. Кроме того, при старте газовой турбины с быстрорастущим вводом тепла является возможным нацеленное принудительное протекание среды, циркулирующей в отдельном испарительном контуре, через теплообменник, за счет чего оказывается благоприятное воздействие на поведение при пуске испарительной системы.

Пример выполнения изобретения поясняется более подробно с помощью чертежа. При этом фигура показывает схематично газо- и паротурбинную установку с устройством для охлаждении средства охлаждения для газовой турбины.

Схематически представленная на фигуре газо- и паротурбинная установка 1 содержит газовую турбину 2 с включенным после нее на стороне газа парогенератором на отходящем тепле 4, поверхности нагрева которого включены в пароводяной цикл б паровой турбины 8. Поверхностями нагрева при этом являются подогреватель низкого давления 10, испаритель низкого давления 12 и перегреватель низкого давления 14.

После паровой турбины 8 включен конденсатор 16, который соединен через конденсатный насос 18 и подводящий трубопроводом питательной воды 20 с подогревателем низкого давления 10. Последний со стороны выхода через закрываемый вентилем 22 подводящий трубопровод 24a соединен с резервуаром для питательной воды 26 и, параллельно к трубопроводу 24a, через закрываемый вентилем 28 трубопровод 24b с паровым барабаном или с сепаратором пароводяной смеси 30. На стороне выхода к резервуару для питательной воды 26 подключен подводящий трубопровод 32 для подвода питательной воды в непредставленную область испарителя высокого давления газо- и паротурбинной установки 1.

Паровой барабан 30 на стороне пара и воды соединен с включенным в первый испарительный контур 34 испарителем низкого давления 12. Испарительный контур 34 при этом является контуром естественной циркуляции. Однако он может также быть контуром многократной принудительной циркуляции или однократной принудительной циркуляции.

На стороне выхода пара паровой барабан 30 через трубопровод 36 соединен с перегревателем низкого давления 16, который со своей стороны через трубопровод 38 соединен на стороне выхода с паровой турбиной 8. Кроме того, паровой барабан 30 через запираемый вентилем 39 спускной трубопровод 40 подключен к резервуару для питательной воды 26.

К паровому барабану 30 подключен второй или отдельный испарительный контур 41. В отдельный испарительный контур 41 включен вход на первичной стороне теплообменника 42. Отдельный испарительный контур 41 является контуром естественной циркуляции, однако он может также быть контуром многократной принудительной циркуляции или однократной принудительной циркуляции. Теплообменник 42 включен во входящий в газовую турбину 2 трубопровод охлаждающего воздуха 43. В трубопроводе охлаждающего воздуха 43 при этом существует обозначенное точками a и b соединение к газовой турбине 2.

Подводящий трубопровод питательной воды 20 через инжекторное соединение 44, которое содержит запираемый вентилем 45 соединительный трубопровод 46 и инжектор 48, соединен с отдельным испарительным контуром 41. Инжектор 48 содержит при этом впрыскивающее сопло 50.

При работе газо- и паротурбинной установки 1 возникающий при сжигании в газовой турбине 2 горячий и находящийся при высоком давлении дымовой газ RG расширяют в газовой турбине 2. Расширенный дымовой газ RG направляют в парогенератор на отходящем тепле 4 и используют там для производства пара для паровой турбины 8. При этом находящееся в паровом барабане 30 рабочее средство или вода W через испарительный контур 34 подводят к испарителю низкого давления 12 и там полностью или частично преобразуют в пароводяную смесь WD. Пароводяную смесь WD снова подводят к паровому барабану 30, в котором пар D сепарируют от воды W. Отбираемый от парового барабана 30 полезный пар N через трубопровод 36 подводят к перегревателю низкого давления 14 и там перегревают, а затем по трубопроводу 38 - к паровой турбине 8, в которой он расширяется. Расширенный пар направляют в конденсатор 16 и там конденсируют. Полученный таким образом конденсат перекачивают конденсатным насосом 18 в подводящем трубопроводе для питательной воды 20 к подогревателю низкого давления 10 и оттуда по трубопроводу 24a к резервуару для питательной воды 26 или по трубопроводу 24b к паровому барабану 30.

Для охлаждения газовой турбины 2 к ней по трубопроводу 43 подводят охлаждающий воздух L. Чтобы при этом обеспечивать достаточное охлаждение газовой турбины 2, температура охлаждающего воздуха L не должна превышать максимальное значение. Для этого требуется охлаждение охлаждающего воздуха L, которое достигается путем теплообмена в теплообменнике 42. При этом теплообмен в теплообменнике 42 происходит с водой W, циркулирующей в подключенном к паровому барабану 30 отдельном испарительном контуре 41. Для регулирования температуры охлаждающего воздуха L газовой турбины 2 можно изменять параметры, определяющие теплообмен охлаждающего воздуха L с водой W. В частности, можно регулировать или дросселировать массовый поток циркулирующей в отдельном испарительном контуре 41 воды W. Кроме того, можно устанавливать температуру T_W циркулирующей в отдельном испарительном контуре 41 среды W.

Для установки этой температуры T_W предпочтительно через соединительный трубопровод 46 и инжектор 48 конденсат K отбирают из подводящего трубопровода для питательной воды 20 и вводят в отдельный испарительный контур 41. Отобранный таким образом конденсат K с температурой T_k порядка 40^oC является существенно более холодным, чем текущая из парового барабана 30 в отдельный испарительный контур 41 вода W с температурой T_W порядка 150^oC. За счет большой разницы температур Δ T подведенного конденсата K к отобранной из парового барабана 30 воды W в отдельном испарительном контуре 41 можно регулировать температуру T_g подведенной к теплообменнику 42 охлаждающей среды G, смеси из конденсата K и воды W, посредством устанавливаемого вентилем 45 количества подводимого конденсата K. Таким образом, является регулируемой также температура охлажденного путем теплообмена в теплообменнике 42 охлаждающего воздуха L газовой турбины 2. При работе в режиме пиковой нагрузки газо- и паротурбинной установки 1 достаточное охлаждение охлаждающего воздуха L газовой турбины 2 обеспечивается путем повышения инжектируемого в отдельный испарительный контур 41 количества конденсата K.

Путем инжекции конденсата K в отдельный испарительный контур 41 повышается циркулирующее в целом в подключенных к паровому барабану 30 испарительных контурах 34, 41 количество рабочей среды W воды и пара D. Поэтому собирающуюся в паровом барабане 30 избыточную воду W выпускают через спускной трубопровод 40 в резервуар питательной воды 26.

При инжекции конденсата K в отдельный испарительный контур 41 за счет впрыскивающего сопла 50 достигается струйное действие. За счет достигаемого при этом эффекта захвата и всасывающего действия можно поддерживать или возбуждать циркуляцию рабочей среды или воды W в отдельном испарительном контуре 41 при пуске в работу.

Способ для охлаждения средства охлаждения газовой турбины газо- и паротурбинной установки, содержащей первый испарительный контур с паровым барабаном, включает в себя охлаждение средства охлаждения путем теплообмена с циркулирующей в подключенном к паровому барабану во втором испарительном контуре средой. Температуру средства охлаждения регулируют путем температуры, циркулирующей во втором испарительном контуре среды. Регулирования температуры охлаждающей среды производят путем инжекции конденсата в отдельный испарительный контур. Изобретение позволяет обеспечить достаточное охлаждение газовой турбины. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ для охлаждения средства охлаждения (L) газовой турбины (2) газо- и паротурбинной установки (1) с содержащим паровой барабан (30) первым испарительным контуром (34), в котором средство охлаждения (L) охлаждают путем теплообмена с циркулирующей в подключенном к паровому барабану (30) втором испарительном контуре (41) средой (W), причем температуру средства охлаждения (L) регулируют путем изменения температуры (Tg) циркулирующей во втором испарительном контуре (41) среды (W) и регулирование температуры охлаждающей среды производят путем инжекции конденсата (K) в отдельный испарительный контур (41). 2. Способ по п.1 для содержащей резервуар питательной воды (26) газо- и паротурбинной установки (1), отличающийся тем, что избыточную воду (W) выпускают из парового барабана (30) в резервуар питательной воды (26). 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что отдельный испарительный контур (41) представляет собой контур естественной циркуляции, контур многократной принудительной циркуляции или однократной принудительной циркуляции. 4. Устройство для охлаждения средства охлаждения (L) газовой турбины (2) газо- и паротурбинной установки (1) с содержащим паровой барабан (30) первым испарительным контуром (34), в котором связанный на вторичной стороне с питателем средства охлаждения (43) газовой турбины (2) теплообменник (42) подключен на первичной стороне через второй испарительный контур (41) к паровому барабану (30) и в котором предусмотрено инжекторное соединение (44) между подводящим трубопроводом питательной воды (20) к паровому барабану (30) и отдельным испарительным контуром (41). 5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что инжекторное соединение (44) является дросселируемым и/или запираемым. 6. Устройство по п.4 или 5, отличающееся тем, что предусмотрен запираемый спускной трубопровод (40) для спуска избыточной воды (W) из парового барабана (30) в резервуар питательной воды (26).