ВЫСОКОЭКОНОМИЧНАЯ ПАРОГАЗОВАЯ УСТАНОВКА МАЛОЙ МОЩНОСТИ Российский патент 2000 года по МПК F01K23/10 

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано при разработке парогазовых бинарных энергетических установок малой мощности.

Как известно, термический КПД парогазовой установки (ПГУ) повышается с ростом начальных параметров рабочих тел входящих в ее состав газотурбинной установки (ГТУ) и паротурбинной установки (ПТУ), что приводит, однако, при неизменном массовом расходе к уменьшению внутреннего относительного КПД первых ступеней газовой и паровой турбин. Это объясняется тем, что при повышении начальных параметров (температуры и давления) плотность рабочих тел, несколько уменьшаясь с ростом температуры, существенно увеличивается с ростом давления, вызывая из условия поддержания заданной скорости потока в лопаточном канале необходимость уменьшения высоты рабочих лопаток. При этом вследствие уменьшения объемного расхода через лопаточный канал существенно возрастает влияние паразитных перетоков среды через зазор между рабочими лопатками и корпусом, что и вызывает снижение КПД. В особенности это характерно для паротурбинной части ПГУ, так как вследствие значительно более высокой теплоемкости воды по сравнению с рабочим телом газовой турбины, при утилизации приходящейся на паротурбинную часть цикла теплоты горячего источника генерируется относительно небольшое количество пара.

Для уменьшения влияния перетоков обычно с ростом начальных параметров установки увеличивают высоту лопаток первых ступеней турбин за счет увеличения массового расхода рабочей среды через турбину, т.е. для повышения КПД увеличение начальных параметров сопровождается повышением единичной мощности установки. Для установок малой мощности (в интервале мощности моноблока ПГУ 40-100 МВт) возможность увеличить высоту лопаток газовой турбины достигается другим путем - увеличением угловой скорости вращения ротора с использованием редукторного привода электрогенератора. При этом поскольку мощность ступени турбины пропорциональна средней окружной скорости лопаточного венца рабочего колеса, равной произведению угловой скорости вращения ротора на средний радиус лопаточного венца, для сохранения мощности при увеличении угловой скорости вращения ротора требуется соответствующее уменьшение радиуса рабочего колеса (условие инвариантности треугольников скоростей турбинной ступени). При этом проходное сечение лопаточного венца для сохранения скорости движения рабочего тела в лопаточных каналах должно оставаться постоянным. Так как это проходное сечение равно произведению длины окружности среднего радиуса лопаточного венца на высоту лопатки, уменьшение радиуса рабочего колеса сопровождается увеличением высоты лопатки.

Для паровой турбины такой прием не может быть использован, так как ее выходные ступени, находясь в условиях низкого давления, имеют предельно возможные высоты лопаток, что не позволяет увеличивать скорость вращения ротора по условиям прочности. Возможно, правда, выполнение высокооборотным цилиндра высокого давления паровой турбины с установкой его на одном валу с высокооборотной газовой турбиной, но в этом случае в пусковых режимах при временном отсутствии пара паровая турбина будет перегреваться из-за вентиляционного трения. Для понижения потерь с уходящими из утилизационного парогенератора газами в него следует подавать воду с минимальной температурой без регенеративного парового подогрева и генерировать пар в различных по его давлению гидравлических контурах. Таким образом, для ПГУ малой мощности повышение общего КПД установки может быть достигнуто в основном за счет резервов ее газотурбинной части. Таким резервом является регенерация теплоты выхлопных газов в количестве, соизмеримом с неиспользуемыми затратами на промперегрев пара и на его начальный перегрев до стандартного уровня 540-565^oC. Однако применение традиционных схем регенерации для современных высокотемпературных ГТУ нарушает прямоточность их газовоздушного тракта и осложняется возросшим уровнем температуры выхлопных газов и давления воздуха. При величине давления 2,0 МПа и более обеспечить герметичность и ремонтопригодность наиболее компактного пластинчатого регенератора проблематично, а его гидравлическое сопротивление заметно возрастает после непродолжительной работы ПГУ на жидком (резервном) топливе.

Известна ПГУ, содержащая компрессор для сжатия циклового воздуха, камеру сгорания, газовую турбину, подключенный к ее выхлопу утилизационный парогенератор с пароперегревателем острого пара, паровую турбину и электрогенератор, а также поверхностный теплообменный элемент для регенеративного подогрева сжатого циклового воздуха с помощью циклового пара в качестве промежуточного теплоносителя [1]. Использование пара в качестве промежуточного теплоносителя позволяет исключить загрязнение и коррозию регенератора, а перепад давлений теплообменивающихся сред снизить. Согласно этому изобретению пар из отбора части высокого давления паровой турбины передает теплоту воздуху, сжатому в компрессоре ГТУ с промежуточным охлаждением. Относительно невысокая температура воздуха на выходе из компрессора позволяет осуществлять регенеративный нагрев воздуха главным образом в процессе конденсации пара, что повышает эффективность теплообмена.

Однако такая термодинамически эффективная возможность для бинарной (со сжиганием топлива только в камере сгорания ГТУ) ПГУ малой мощности исключается по ряду причин: во-первых, из-за нецелесообразности промежуточного охлаждения воздуха, вследствие которого уменьшается длина лопаток компрессора; во-вторых, температура воздуха на выходе из компрессора современных ГТУ простого цикла уже превышает критическую для водяного пара (373^oC), и его фазовый переход невозможен. Поэтому паром с температурой промежуточного отбора высокого давления паровой турбины в процессе регенерации нельзя передать достаточного количества теплоты, в особенности учитывая понижение из условий выбора высоты лопаток уровня оптимальных параметров (давления и температуры) острого пара в бинарной ПГУ малой мощности. И наконец, рассматриваемая схема регенерации обычно реализуется с помощью теплообменного аппарата, идентичного конденсатору паровой турбины. В условиях современной энергетической ГТУ гравитационно ориентированный по движению пара теплообменник с учетом того, что внутри труб в качестве охлаждающей среды пропускается не вода, как в конденсаторе, а воздух, оказывается недостаточно эффективным из-за громоздкости и значительных аэродинамических потерь.

В ПГУ согласно [1] (не бинарного типа) предусмотрен специальный контур с использованием в качестве промежуточного теплоносителя жидкого металла. Этот контур предназначен главным образом для передачи в цикл тепла сжигаемого в утилизационном парогенераторе дополнительного твердого топлива, продукты сгорания которого не могут быть направлены непосредственно в проточную часть газовой турбины. Использование такого контура в качестве только регенеративного нецелесообразно из-за значительной металлоемкости и высокой стоимости и взрывоопасности жидкометаллического теплоносителя (натрия).

Задача, на решение которой направлено изобретение, - повышение коэффициента полезного действия бинарной ПГУ малой мощности путем повышения эффективности регенерации тепла в газотурбинную часть термодинамического цикла парогазовой установки.

Для решения указанной задачи в парогазовой силовой установке, содержащей компрессор для сжатия циклового воздуха, камеру сгорания, газовую турбину, подключенный к ее выхлопу утилизационный парогенератор с пароперегревателем острого пара, паровую турбину и электрогенератор, а также поверхностный теплообменный элемент для регенеративного подогрева сжатого циклового воздуха с помощью циклового пара в качестве промежуточного теплоносителя, согласно изобретению вал газовой турбины присоединен к валу электрогенератора через понижающий редуктор, теплообменный элемент по промежуточному теплоносителю подключен в рассечку между выходом пароперегревателя острого пара и входом в паровую турбину, а поверхность пароперегревателя острого пара выбрана из условия обеспечения минимально возможного температурного напора между выхлопными газами на входе в парогенератор и паром на выходе из указанного пароперегревателя.

Компрессор, камера сгорания и газовая турбина могут быть объединены в однокорпусный турбоблок, а теплообменный элемент установлен внутри общего корпуса.

Для потребителя тепловой энергии, имеющего теплоиспользующую систему, к тракту промежуточного теплоносителя на участке до теплообменного элемента может быть подключен трубопровод с запорно-регулирующей арматурой, соединенный с теплоиспользующей системой.

Для потребителя, имеющего резервный источник технологического пара, к тракту промежуточного теплоносителя на участке между теплообменным элементом и паровой турбиной может быть подключен трубопровод с запорно-регулирующей арматурой, соединенной с резервным источником технологического пара.

На фиг. 1 изображена тепловая схема ПГУ согласно изобретению; на фиг. 2 - часть однокорпусного турбоблока ГТУ в месте размещения теплообменного элемента.

ПГУ содержит компрессор 1 для сжатия циклового воздуха, камеру сгорания 2, газовую турбину 3, подключенный к ее выхлопу с помощью газохода 4 утилизационный парогенератор 5 с общей экономайзерной поверхностью 6 и тремя испарительно-пароперегревательными поверхностями 7, 8, 9 соответственно низкого, среднего и высокого давления (острого пара). Кроме того, ПГУ содержит паровую турбину 10, а также поверхностный теплообменный элемент 11 для регенеративного подогрева сжатого циклового воздуха выхлопными газами с помощью циклового пара в качестве промежуточного теплоносителя. Теплообменный элемент 11 по промежуточному теплоносителю подключен трактом 12 в рассечку между выходом пароперегревателя 9 острого пара и входом в паровую турбину 10, а поверхность пароперегревателя острого пара выбрана из условия обеспечения минимально возможного температурного напора между выхлопными газами на входе в парогенератор и паром на выходе из пароперегревателя (3-50)^oC.

Компрессор 1, камера сгорания 2 и газовая турбина 3 объединены в однокорпусный турбоблок 13, а теплообменный элемент 11 установлен внутри общего корпуса (фиг. 2) в закомпрессорном объеме 14 перед камерой сгорания 2.

Вал электрогенератора 15 соединен с валом паровой турбины 10 с помощью расцепной муфты 16, а с валом турбоблока 13, имеющим повышенную частоту вращения (5-6 тыс. об/мин), - с помощью редуктора 17.

В состав ПГУ входят также конденсатор 18 пара и установленные на линиях 19, 20 соответственно подачи конденсата и нагретой в общей экономайзерной поверхности 6 воды конденсатный насос 21 и питательные насосы 22, 23 соответственно среднего и высокого давления. К тракту 12 (фиг. 1) промежуточного теплоносителя может быть подключен трубопровод 24 с запорно-регулирующей арматурой 25, соединенный с теплоиспользующей системой - подогревателем сетевой воды (на чертеже не показан), что позволяет осуществлять отбор высокотемпературного теплоносителя при возникновении пиковых теплофикационных нагрузок дополнительно к теплофикационным отборам (на чертеже не показаны) паровой турбины 10.

Для потребителя, имеющего резервный источник пара (на чертеже не показан), может быть подключен трубопровод 26 с запорно-регулирующей арматурой 27, соединяющий упомянутый источник с трактом промежуточного теплоносителя 12 на снабженном запорным органом 28 участке после теплообменного элемента 11.

Работа бинарной энергетической ПГУ малой мощности согласно изобретению осуществляется следующим образом. При пуске установки по основной схеме до выработки достаточного для работы паровой турбины количества пара вал паровой турбины 10 отсоединяется от вала электрогенератора 15 с помощью расцепной муфты 16. После включения камеры сгорания 2 газы из газовой турбины 3 поступают в парогенератор 5. Питательная вода предварительно нагревается в общей экономайзерной поверхности 6, после чего поступает в испарительно-пароперегревательные поверхности 7, 8, 9 низкого, среднего и высокого давления (острого пара), из которых направляется в соответствующие отсеки паровой турбины 10. При этом в испарительно-пароперегревательной поверхности 9 пар нагревается до температуры, максимально приближенной к температуре горючих газов на выхлопе газовой турбины 3 (на современном уровне - порядка 600^oC), а избыточное тепло по отношению к необходимому для подогрева острого пара перед паровой турбиной 10 используется для регенеративного подогрева сжатого воздуха с помощью теплообменного элемента 11. Из последнего пар направляется в паровую турбину 10, осуществляя ее разворот до номинальной частоты вращения 50 Гц электрогенератора 15. Затем вал электрогенератора и паровой турбины соединяются муфтой 16. Если соединить оба вала до включения в работу камеры сгорания 2, то пуск установки можно осуществить с помощью паровой турбины 10, направляя в нее пар от резервного источника по трубопроводу 26 с открытой арматурой 27 и закрытой 28. После включения камеры сгорания 2 работа ПГУ осуществляется с постепенным замещением подачи пара от резервного источника подачей пара из парогенератора 5, что потребует постепенного открытия арматуры 28 и закрытия - 27. Возможность резервной схемы пуска ПГУ повышает ее эксплуатационную надежность и готовность.

Благодаря высокой скорости пара, пропускаемого внутри теплообменного элемента 11, повышению минимального температурного напора между промежуточным теплоносителем и воздухом, а также возможности применения оребрения с внешней (воздушной) стороны он имеет значительно более высокий коэффициент теплопередачи по сравнению с традиционным газовоздушным регенератором. Это позволяет сделать теплообменный элемент 11 достаточно компактным для размещения в закомпрессорном объеме 14 однокорпусного турбоблока 13. В результате КПД ГТУ с учетом аэродинамических потерь можно повысить на (4,5-5,0)%, а общий КПД ПГУ с учетом уменьшения (вследствие применения регенерации) мощности паровой части ПГУ - на (1,5-2,0)%, что на (3,0-3,5)% снизит удельный расход топлива.

Источник информации
1. Патент СССР N 1521284, F 01 K 23/10, 1989.

Установка предназначена для использования при разработке парогазовых энергетических установок (ПГУ) малой мощности. Газовая турбина установки выполнена высокооборотной с соединением ее вала с валом генератора через редуктор. Для паровой турбины, скорость вращения вала которой лимитирована условиями прочности рабочих лопаток последних ступеней, начальные параметры рабочего тела (пара) сохраняют из условия высокого значения КПД проточной части. Для этого поверхность пароперегревателя утилизационного парогенератора ПГУ выбрана из условия нагрева в нем пара выхлопными газами турбины до максимально высокой температуры с передачей избыточного тепла в газотурбинный цикл на подогрев сжатого воздуха. Конструктивно это реализовано путем размещения в закомпрессорном объеме однокорпусного турбоблока теплообменного элемента, включенного в рассечку между выходом из пароперегревателя и входом в паровую турбину. Изобретение обеспечивает повышение КПД установки. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Парогазовая силовая установка, содержащая компрессор для сжатия циклового воздуха, камеру сгорания, газовую турбину, подключенный к ее выхлопу утилизационный парогенератор с пароперегревателем острого пара, паровую турбину и электрогенератор, а также поверхностный теплообменный элемент для регенеративного подогрева сжатого циклового воздуха с помощью циклового пара в качестве промежуточного теплоносителя, отличающаяся тем, что вал газовой турбины присоединен к валу электрогенератора через понижающий редуктор, теплообменный элемент по промежуточному теплоносителю подключен в рассечку между выходом пароперегревателя острого пара и входом в паровую турбину, а поверхность пароперегревателя острого пара выбрана из условия обеспечения минимально возможного температурного напора между выхлопными газами на входе в парогенератор и паром на выходе из указанного пароперегревателя. 2. Парогазовая силовая установка по п.1, отличающаяся тем, что компрессор, камера сгорания и газовая турбина объединены в однокорпусный турбоблок, а теплообменный элемент установлен внутри общего корпуса. 3. Парогазовая установка по пп.1 и 2 для потребителя тепловой энергии, имеющего теплоиспользующую систему, отличающаяся тем, что к тракту промежуточного теплоносителя на участке до теплообменного элемента подключен трубопровод с запорно-регулирующей арматурой, соединенный с теплоиспользующей системой. 4. Парогазовая установка по пп.1 и 2 для потребителя, имеющего резервный источник технологического пара, отличающаяся тем, что к тракту промежуточного теплоносителя на участке между теплообменным элементом и паровой турбиной подключен трубопровод с запорно-регулирующей арматурой, соединенный с резервным источником технологического пара.