СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГАЗО- И ПАРОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ И ГАЗО- И ПАРОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА, РАБОТАЮЩАЯ ПО ЭТОМУ СПОСОБУ Российский патент 2000 года по МПК F02C6/18 F01K23/06 

Изобретение относится к способу эксплуатации газо- и паротурбинной установки, при котором содержащееся в расширенной рабочей среде из соответствующей, могущей эксплуатироваться в качестве топлива, как на газе, так и на жидком топливе газовой турбины, тепло используют для получения пара для соответствующей включенной в пароводяной контур паровой турбины, причем конденсированный пар из паровой турбины подводят к пароводяному контуру в качестве конденсата, и при котором из пароводяного контура ответвляют частичный поток для целей подогрева. Изобретение направлено далее на работающую по этому способу газо- и паротурбинную установку.

Газо- и паротурбинная установка, в которой содержащееся в расширенной рабочей среде из газовой турбины тепло используется для получения пара для паровой турбины, содержит обычно парогенератор на отходящем тепле. Теплопередача происходит посредством множества нагревательных поверхностей, которые расположены в виде труб или пучка труб в парогенераторах на отходящем тепле. Они опять-таки включены в пароводяной контур паровой турбины. Пароводяной контур охватывает несколько, например две или три, ступеней давления, причем каждая ступень давления содержит нагревательные поверхности подогревателя (экономайзер), нагревательные поверхности испарителя и нагревательные поверхности перегревателя. С подобной, известной, например, из EP 0148973 B1 газо- и паротурбинной установкой в зависимости от господствующих в пароводяном контуре паровой турбины условий давления достигается термодинамический коэффициент полезного действия примерно от 50 до 55%.

Из FR-A-2551181 известна газо- и паротурбинная установка, газовая турбина которой может эксплуатироваться как на газе, так и на жидком топливе. Из пароводяного контура этой газо- и паротурбинной установки ответвляют частичный поток для целей подогрева.

Газо- и паротурбинная установка, в которой в качестве топлива для газовой турбины котельное топливо (мазут) предусмотрено только для краткой продолжительности работы, например для 100 - 500 час/год, в качестве аварийного резерва к природному газу, в первую очередь рассчитана и оптимирована для эксплуатации газовой турбины на природном газе. Чтобы повышать в режиме нагрева температуру питательной воды при входе в парогенератор на отходящем тепле без сложного отбора от турбины, необходимое тепло может быть отобрано различным образом из самого парогенератора на отходящем тепле. Одна возможность заключается в том, чтобы совсем или частично обойти обычно предусмотренный подогреватель конденсата и нагревать конденсат во включенной в пароводяной контур емкости питательной воды путем подвода пара низкого давления. Такой метод, конечно, требует при малых давлениях пара наличия имеющей большой объем и при необходимости, многоступенчатой системы горячего пара в емкости питательной воды, что при больших промежутках нагрева может ухудшать обычно реализуемую в емкости питательной воды функцию обезгаживания.

Для обеспечения эффективного обезгаживания конденсата температура конденсата в емкости питательной воды должна поддерживаться, по возможности, в диапазоне температур между 130 и 160^oС, причем промежуток нагрева конденсата в емкости питательной воды должен поддерживаться малым. Это может, например, происходить путем подогрева конденсата через обогреваемый посредством пара дополнительный подогреватель. Чтобы поставить в распоряжение достаточно тепла, в установках с двумя или тремя ступенями давления часто является необходимым отбор горячей воды из экономайзера высокого давления парогенератора на отходящем тепле. Это имеет, конечно, в частности, в установках с тремя ступенями давления недостаток, что может оказываться воздействие на обычно предусмотренный питательный насос высокого давления с точки зрения его производительности и что дополнительный подогреватель конденсата должен рассчитываться особенно неэкономичным образом для высокого давления, а также высоких разностей температуры. Далее отрицательным образом при эксплуатации на котельном топливе возникают потери дросселирования этого или каждого питательного насоса. Далее отбор горячей воды из экономайзера высокого давления приводит к уменьшению количества пара высокого давления путем снижения так называемой температуры приближения высокого давления, что опять-таки приводит к уменьшению коэффициента полезного действия установки.

В основе изобретения поэтому лежит задача указания способа эксплуатации газо- и паротурбинной установки вышеназванного вида, которым независимо от использованного для газовой турбины топлива достигается особенно высокий коэффициент полезного действия установки. Это должно достигаться в подходящей для осуществления способа газо- и паротурбинной установке с малыми техническими затратами.

Относительно способа эта задача согласно изобретения решается за счет того, что частичный поток из пароводяного контура используют как для подогрева конденсата, так и для подогрева топлива.

Изобретение при этом исходит из того соображения, что в газо- и паротурбиной установке с требованием высокого коэффициента полезного действия при эксплуатации на природном газе обычно предусмотрен подогрев топлива, как это в принципе известно из WO 95/00747. Согласно этому документу из пароводяного контура паровой турбины для подогрева топлива отбирают частичный поток нагретой воды и после косвенного теплообмена с топливом снова подводят к пароводяному контуру.

В предпочтительной форме выполнения при применении газа в качестве топлива его однако нагревают не непосредственно. Более того, тепло отдается промежуточному контуру, например, через теплообменник вода/вода так, что только протекающая в промежуточном контуре среда служит для нагрева топлива. Так как при применении в качестве топлива жидкого топлива эта система подогрева является ненужной, целесообразно ее используют в режиме работы на жидком топливе для подогрева конденсата, причем тогда промежуточный контур может быть отключен. Охлажденный при подогреве конденсата частичный поток предпочтительно снова примешивают к конденсату.

Содержащееся в отходящем газе из газовой турбины ощутимое тепло уменьшается в случае выполненного из трех ступеней давления, а именно из ступени низкого давления, ступени среднего давления и ступени высокого давления пароводяного контура в парогенераторе на отходящем тепле в направлении течения отходящего газа от системы высокого давления через систему среднего давления к системе низкого давления. Для подачи необходимого для подогрева конденсата тепла целесообразно как отбор частичного потока, так и возврат частичного потока производить из ступени среднего давления или соответственно в эту ступень. При этом частичный поток целесообразно снова подводить к ступени среднего давления тогда, когда обусловленное эксплуатационными требованиями производство пара низкого давления уменьшается ниже заданного значения. Целесообразно это происходит за счет того, что предпочтительно отобранную от экономайзера среднего давления и охлажденную при подогреве конденсата воду направляют не в систему конденсата, а к паровому барабану среднего давления и там снова нагревают. За счет этого сэкономленное для подогрева питательной воды тепло имеется в распоряжении для нагрева конденсата. Кроме того, соответственно уменьшается паропроизводительность ступени среднего давления так, что снижается также количество конденсата для ступени среднего давления.

Так как этим способом можно справляться с входными температурами парогенератора на отходящем тепле, например, до 135^oC, для этой цели (резервное топливо) можно практически перекрывать весь спектр котельного топлива так, что возможна стандартизация.

Относительно газо- и паротурбинной установки с включенным после паровой турбины в пароводяном контуре конденсатором названная задача согласно изобретению решается путем теплообменника, подходящего как для подогрева топлива газовой турбины, так и для подогрева конденсата посредством частичного потока из пароводяного контура.

В предпочтительной форме выполнения теплообменник включен на первичной стороне после расположенной в парогенераторе на отходящем тепле нагревательной поверхности подогревателя, предпочтительно экономайзера среднего давления.

Чтобы из соображений безопасности в случае утечки при косвенном теплообмене избежать контакта между топливом и частичным потоком, теплообменник для подогрева топлива включен предпочтительно на вторичной стороне в промежуточный контур. Тогда для подогрева конденсата происходит переключение с отключением промежуточного контура, причем тогда теплообменник подключен на вторичной стороне к трубопроводу конденсата. Для выбора подогрева или топлива газовой турбины или конденсата целесообразно предусмотрен, по меньшей мере, один вентиль, например, в промежуточном контуре и/или в соединении от теплообменника к трубопроводу конденсата.

Примеры выполнения изобретения поясняются более подробно с помощью чертежа. При этом фигура показывает в вырезе парогенератор на отходящем тепле, нагревательные поверхности которого включены в пароводяной контур газо- и паротурбинной установки.

Представленный в вырезе на чертеже парогенератор на отходящем тепле 1 является частью газо- и паротурбинной установки для производства электрической энергии. Через него протекает горячий отходящий газ AG из газовой турбины 2a и служит для производства пара, причем его нагревательные поверхности включены в пароводяной контур 3 паровой турбины 2b.

Для этого парогенератор на отходящем тепле 1 содержит подключенный к трубопроводу конденсата 4 подогреватель конденсата 6, который соединен на стороне выхода через циркуляционный насос 8 со своим входом. Для обвода в случае необходимости подогревателя конденсата 6 на напорной стороне конденсатного насоса 10 к трубопроводу конденсата 4 подключен байпасный трубопровод 12 с вентилем 14, который соединен с выходом подогревателя конденсата 6. Подогреватель конденсата 6 на стороне выхода через обратный клапан 16 и трубопровод 18 с вентилем 20 соединен с барабаном низкого давления 22. Подогреватель конденсата 6, кроме того, соединен на стороне выхода через трубопровод 24 с имеющим дегазатор 26 дегазационным баком или емкостью питательной воды 28. Емкость питательной воды 28 соединена на стороне выхода через трубопровод 30 с циркуляционным насосом 32, как через обратный клапан 16 и трубопровод 24 со своим входом, так и с трубопроводом 18. Емкость питательной воды 28, кроме того, соединена на стороне выхода через трубопровод 34 с насосом питательной воды 36 - как представлено стрелками а и b - с экономайзером высокого давления 38 и экономайзером среднего давления 40.

Для подогрева питательной воды в емкость питательной воды 28 входит паропровод 42, который подключен к ведущему от барабана низкого давления 22 к нагревательной поверхности перегревателя низкого давления 44 паропроводу 46. Нагревательная поверхность перегревателя низкого давления 44 образует вместе с барабаном низкого давления 22 и с подключенной к барабану низкого давления 22 нагревательной поверхностью испарителя низкого давления 48, а также с частью низкого давления паровой турбины 2b ступень низкого давления пароводяного контура 3.

Экономайзер среднего давления 40 соединен со стороны выхода через вентиль 50 с барабаном среднего давления 52, к которому подключена нагревательная поверхностью испарителя среднего давления 54. Экономайзер среднего давления 40 образует вместе с барабаном среднего давления 52 и нагревательной поверхностью испарителя среднего давления 54, а также с не представленной нагревательной поверхностью перегревателя среднего давления и частью среднего давления паровой турбины 2b ступень среднего давления пароводяного контура 3.

Соответственно, экономайзер высокого давления 38 является частью не представленной более подробно ступени высокого давления пароводяного контура 3.

Экономайзер среднего давления 40 соединен, кроме того, со стороны выхода теплообменником 56, который с первичной стороны включен в соединенный с трубопроводом конденсата 4 первичный трубопровод 58, в котором расположен редукционный клапан 60. Теплообменник 56 на вторичной стороне включен в промежуточный контур 62 с последующим теплообменником 64 для подогрева топлива. В образующем систему подогрева топлива промежуточном контуре 62, кроме того, в направлении течения после второго теплообменника 64 включены вентиль 66 и насос 68. К промежуточному контуру 62, то есть к вторичной стороне теплообменника 56, кроме того, подключены представленный штриховой линией первый трубопровод 70 и также представленный штриховой линией второй трубопровод 72. Первый трубопровод 70 входит через вентиль 74 в линию конденсата 4. Второй трубопровод 72, в который включен вентиль 76, соединяет трубопровод конденсата 4 со стороной всасывания включенного в промежуточный контур 62 насоса 68. К первичному трубопроводу 58 теплообменника 56 подключен также представленный штриховой линией трубопровод 78 с вентилем 80, который входит в соединяющий экономайзер среднего давления 40 с барабаном среднего давления 52 трубопровод 82.

При работе парогенератора на отходящем тепле 1 к подогревателю конденсата 6 через насос 10 и трубопровод конденсата 4 подводят конденсат K из подключенного после паровой турбины конденсатора 84. При этом подогреватель конденсата 6 через трубопровод 12 может быть обойден полностью или частично. Температура T_K составляет порядка 25 - 40^oC. Давление конденсата p_K составляет порядка 10-20 бар. Конденсат K нагревают в подогревателе конденсата 6 и для этого, по меньшей мере, частично прокачивают через циркуляционный насос 8. Нагретый конденсат К подводят через трубопровод 24 частично или полностью в емкость питательной воды 28 или в дегазатор 26, причем там происходит нагревание питательной воды посредством направляемого через трубопровод 42 пара и обезгаживание конденсата К. Нагретую питательную воду, с одной стороны, подводят к барабану низкого давления 22 и, с другой стороны, через насос питательной воды 36 к экономайзеру среднего давления 40, а также с повышенным давлением к экономайзеру высокого давления 38. Подведенная к ступени низкого давления питательная вода испаряется в нагревательной поверхности испарителя низкого давления 48 при низком давлении, причем отделенный в барабане низкого давления, находящийся при низком давлении пар частично подводят к емкости питательной воды 28 и частично к нагревательной поверхности перегревателя низкого давления 44. Перегретый там пар подводят к части низкого давления паровой турбины 2b.

Точно также находящуюся при среднем давлении p_M порядка 40 - 50 бар питательную воду с температурой T_M порядка 220 - 240^oC подводят к барабану среднего давления 52 и испаряют в нагревательной поверхности испарителя среднего давления 54. Отделенный в барабане среднего давления 52, находящийся при среднем давлении пар подводят к части среднего давления паровой турбины 2b. Аналогично находящуюся при высоком давлении и нагретую в экономайзере высокого давления 38 питательную воду испаряют и в перегретом состоянии подводят к части высокого давления паровой турбины 2b.

Отобранный из пароводяного контура 3 частичный поток t₁ направляют через теплообменник 56 и там охлаждают. Охлажденный частичный поток t₁ снова подводят к пароводяному контуру 3. При этом возврат охлажденного частичного потока t₁ может происходить или через трубопровод 58 путем примешивания к конденсату K или через трубопровод 78 путем запитывания в барабан среднего давления 52. Для переключения предусмотрены вентили 60 и 80. Охлаждение частичного потока t₁ происходит путем косвенного обмена в теплообменнике 56.

При применении газа в качестве топлива газовой турбины В происходит теплообмен частичного потока t₁ в теплообменнике 56 с введенной в циркуляцию в промежуточном контуре 62 средой W, предпочтительно водой, которая снова отдает это тепло через второй теплообменник 64 топливу газовой турбины B.

При применении жидкого топлива в качестве топлива газовой турбины B' промежуточный контур 62 через вентиль 66 отключают и производят теплообмен частичного потока t₁ в теплообменнике 56 с подведенным к теплообменнику 56 по трубопроводу 72 конденсатом K, который после охлаждения в теплообменнике 56 снова примешивают через трубопровод 70 к текущему через трубопровод конденсата 4 конденсату K. При этом частичный поток t₁ охлаждается до температуры примерно 50^oC, причем оттекающий на вторичной стороне через трубопровод 70 от теплообменника 56 конденсат K нагревается до температуры T_K, примерно 100 - 180^oC. Таким образом используемый при применении газа в качестве топлива B для газовой турбины 2a для подогрева топлива частичный поток t₁ привлекается при применении жидкого топлива в качестве топлива B' для газовой турбины 2a для подогрева конденсата.

Путем использования не требующейся при работе на жидком топливе в основном содержащей теплообменник 56 системы подогрева топлива 62, 68 для подогрева конденсата экономятся до сих пор производимые отборы из пароводяного контура 3, в частности из экономайзера высокого давления 38. Кроме того, отпадает внешний подогрев конденсата, включая необходимые для этого трубопроводы и арматуру, а также соответствующее регулирование. Таким образом, как при работе на газе, так и при работе на жидком топливе достигается особенно высокий коэффициент полезного действия установки. При этом переключение с подогрева топлива на подогрев конденсата является возможным простым образом.

Способ эксплуатации газо- и паротурбинной установки, содержащей включенный в пароводяной контур трубопровод конденсата, заключается в том, что содержащееся в расширенной рабочей сpeдe, соответствующей эксплуатируемой как на газе, так и на жидком топливе в качестве топлива газовой турбины, тепло используют для получения пара для соответствующей включенной в пароводяной контур паровой турбины. Конденсированный пар из паровой турбины подводят в качестве конденсата к пароводяному контуру. Из пароводяного контура отводят частичный поток для целей подогрева в теплообменнике как конденсата, так и топлива. Изобретения позволяют повысить КПД установки. 2 с. и 9 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ эксплуатации газо- и паротурбинной установки (2), при котором содержащееся в расширенной рабочей среде (AG), соответствующей эксплуатируемой как на газе, так и на жидком топливе в качестве топлива (b, b') газовой турбины (2a), тепло используют для получения пара для соответствующей включенной в пароводяной контур (3) паровой турбины (2b), причем конденсированный пар из паровой турбины (2b) подводят в качестве конденсата (K) к пароводяному контуру (3) и при котором из пароводяного контура (3) отводят частичный поток (t₁) для целей подогрева, отличающийся тем, что частичный поток (t₁) является используемым как для подогрева конденсата, так и для подогрева топлива. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для подогрева топлива производят косвенный теплообмен через промежуточный контур (62). 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что для подогрева конденсата промежуточный контур (62) отключают. 4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что охлажденный при подогреве конденсата частичный поток (t₁) подмешивают к конденсату (K). 5. Способ по любому из пп.1 - 4, причем пароводяной контур (3) выполнен из трех ступеней давления, отличающийся тем, что частичный поток (t₁) отбирают по ступени среднего давления (40, 52, 54) пароводяного контура (3). 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что охлажденный при подогреве конденсата частичный поток (t₁) снова подводят к ступени среднего давления (40, 52, 54) пароводяного контура (3). 7. Газо- и паротурбинная установка (2) с включенным в пароводяной контур (3) трубопроводом конденсата (4), отличающаяся тем, что теплообменником (56), пригодным по выбору, как для подогрева топлива газовой турбины (B), так и для подогрева конденсата (K), посредством частичного потока (t₁) из пароводяного контура (3). 8. Газо- и паротурбинная установка (2) по п.7, отличающаяся тем, что теплообменник (56) включен на первичной стороне после нагревательной поверхности подогревателя (40). 9. Газо- и паротурбинная установка (2) по п.7 или 8, отличающаяся тем, что теплообменник (56) для подогрева топлива газовой турбины (B) включен на вторичной стороне в промежуточный контур (62). 10. Газо- и паротурбинная установка (2) по п.7 или 8, отличающаяся тем, что теплообменник (56) для подогрева конденсата подключен на вторичной стороне к трубопроводу конденсата (4). 11. Газо- и паротурбинная установка (2) по любому из пп.7 - 10, отличающаяся тем, что для выбора подогрева топлива газовой турбины (B) или конденсата (K) предусмотрен, по меньшей мере, один вентиль (66, 74, 76).