ГАЗО- И ПАРОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА И СПОСОБ ЕЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ Российский патент 2003 года по МПК F01K23/10 

Изобретение относится к газо- и паротурбинной установке с подключенным после газовой турбины на стороне дымового газа, работающим на отходящем тепле парогенератором, поверхности нагрева которого включены в пароводяной контур паровой турбины. Оно относится, кроме того, к способу для эксплуатации подобной газо- и паротурбинной установки.

В случае газо- и паротурбинной установки тепло, содержащееся в расширенной рабочей среде (дымовой газ) из газовой турбины, используют для производства пара для паровой турбины. Теплопередача происходит в подключенном после газовой турбины на стороне дымового газа, работающем на отходящем тепле парогенераторе, в котором расположены поверхности нагрева в форме труб или трубных пучков. Они, в свою очередь, включены в пароводяной контур паровой турбины. Пароводяной контур обычно содержит несколько, например, две ступени давления, причем каждая ступень давления содержит подогревательную и испарительную поверхности нагрева.

Произведенный в работающем на отходящем тепле парогенераторе пар подводят к паровой турбине, где он расширяется с совершением работы. Паровая турбина при этом может содержать множество ступеней давления, которые по числу и выполнению согласованы с выполнением работающего на отходящем тепле парогенератора. Расширенный в паровой турбине пар обычно подводят к конденсатору и там конденсируют. Возникающий при конденсации пара конденсат снова подводят к работающему на отходящем тепле парогенератору в качестве питательной воды так, что возникает замкнутый пароводяной контур.

В конденсатор подобной газо- и паротурбинной установки обычно подают по типу теплообменника охлаждающую среду, которая извлекает из пара тепло для конденсации. В качестве охлаждающей среды при этом обычно предусмотрена вода; альтернативно конденсатор может быть, однако, выполнен в виде воздушного конденсатора, в который в качестве охлаждающей среды подается воздух.

В основе изобретения лежит задача создания газо- и паротурбинной установки вышеназванного вида, которая также при различных рабочих состояниях имеет особенно высокий коэффициент полезного действия установки. Кроме того, должен быть указан способ для эксплуатации подобной газо- и паротурбинной установки, которым является достижимым особенно высокий коэффициент полезного действия установки.

Эта задача для газо- и паротурбинной установки вышеназванного вида решается согласно изобретению за счет того, что к приданному в соответствие паровой турбине главному конденсатору на стороне воды-пара параллельно подключен дополнительный конденсатор, который является охлаждаемым всасываемым воздухом, подводимым к газовой турбине.

Изобретение исходит из соображения, что для особенно высокого коэффициента полезного действия установки нужно использовать в возможно большом объеме тепло, получающееся в процессе эксплуатации установки. При этом также нужно по меньшей мере частично возвращать в процесс эксплуатации установки тепло, извлеченное из пара при его конденсации. Вследствие температурного уровня пара при его конденсации порядка 60^oС передача извлеченного при этом тепла в подводимый к газовой турбине всасываемый воздух является особенно выгодной.

За счет подогрева всасываемого воздуха газовой турбины уменьшается подлежащий подведению к газовой турбине в целом в единицу времени общий массовый поток топливовоздушной смеси так, что максимально достижимая газовой турбиной отдача мощности является меньше, чем при отказе от подогрева всасываемого воздуха. Как во всяком случае оказалось, при подогреве всасываемого воздуха за счет подведения теплоты конденсации потребление топлива уменьшается сильнее, чем максимально достижимая отдача мощности, так что коэффициент полезного действия увеличивается.

Конденсатор при этом может быть нагружен по типу дополнительного конденсатора паром отбора из паровой турбины. В подобном устройстве конденсатор особенно выгодным образом является используемым для предоставления в распоряжение быстрого резерва мощности, который, например, может требоваться также через самое короткое время реакции для поддержки частоты сети в питаемой от газо- и паротурбинной установки сети тока. Для активирования резерва мощности при этом прерывают подачу пара к конденсатору так, что весь поток пара направляется через главный конденсатор. Тем самым подогрев всасываемого воздуха для газовой турбины не происходит, что приводит к быстрому росту поставляемой от газовой турбины максимальной мощности.

Обычно газовой турбине придан в соответствие компрессор, к которому является подводимым всасываемый воздух для газовой турбины через трубопровод для всасываемого воздуха. В предпочтительной форме выполнения конденсатор на стороне охлаждающего средства включен непосредственно в этот трубопровод всасываемого воздуха. В случае подобной формы выполнения конденсатор целесообразно выполнен в виде воздушного конденсатора, причем вследствие одноступенчатой теплопередачи от конденсируемого пара на всасываемый воздух потери вследствие процессов преобразования удерживаются особенно малыми.

В альтернативной предпочтительной форме дальнейшего развития конденсатор на стороне охлаждающего средства подключен через промежуточный контур охлаждения к теплообменнику, который со своей стороны включен на вторичной стороне в трубопровод всасываемого воздуха, подключенный перед газовой турбиной. В подобном устройстве транспортировка тепла, передаваемого при конденсации на среду, направляемую в промежуточном контуре охлаждения, является возможной сравнительно простым образом также на большие расстояния.

Соотношение количества пара между потоками пара, подлежащими подведению к конденсатору и к главному конденсатору, является целесообразно регулируемым предпочтительно в зависимости от состояния нагрузки газо- и паротурбинной установки. Направляемый через главный конденсатор поток пара при эксплуатации подобной установки обычным образом конденсируют с применением внешнего охлаждающего средства. За счет регулируемости соотношения количества пара между потоками пара рабочие параметры направляемого через конденсатор потока пара при этом могут поддерживаться примерно постоянными особенно простым образом так, что подобная установка может эксплуатироваться особенно надежно. Кроме того, за счет этого также для каждого рабочего состояния установки всасываемый воздух является подогреваемым до максимально достижимой для соответствующего рабочего состояния температуры.

Целесообразным образом при этом после главного конденсатора подключен подогреватель конденсата, причем конденсат, вытекающий из конденсатора, является запитываемым в пароводяной контур паровой турбины при рассмотрении в направлении течения конденсата после подогревателя конденсата. Таким образом остающееся в конденсате после конденсации пара остаточное тепло является особенно выгодным образом вводимым в пароводяной контур.

Относительно способа для эксплуатации газо- и паротурбинной установки названная задача решается за счет того, что подлежащий подведению к газовой турбине всасываемый воздух подогревают через тепло, отобранное при конденсации от вытекающего из паровой турбины пара.

Полученный при конденсации конденсат при этом предпочтительным образом примешивают к направляемому в пароводяном контуре паровой турбины подогретому конденсату.

Достигнутые с помощью изобретения преимущества заключаются, в частности, в том, что за счет передачи отобранного при конденсации пара тепла на всасываемый воздух для газовой турбины это тепло делают полезным для процесса эксплуатации установки. Подобная газо- и паротурбинная установка таким образом имеет особенно высокий коэффициент полезного действия установки. Вследствие сравнительно незначительно уменьшенной максимальной отдачи мощности газовой турбины высокий коэффициент полезного действия газовой и паровой турбины является достижимым при этом особенно в области частичной нагрузки газовой турбины.

Как далее оказалось, подобная газо- и паротурбинная установка имеет также сравнительно низкие выбросы вредных веществ. Наряду с другими величинами для выброса вредных веществ газо- и паротурбинной установки является существенным так называемая точка переключения, которая указывает, при какой мощности газовая турбина может быть переведена из диффузионного режима работы на режим работы с предварительным смешиванием. Газо- и паротурбинная установка с подогретым всасываемым воздухом для газовой турбины имеет сравнительно низкую точку переключения так, что она также при сравнительно низких состояниях нагрузки является эксплуатируемой в более выгодном для малых выбросов вредных веществ режиме работы с предварительным смешиванием.

Примеры выполнения изобретения поясняются более подробно с помощью чертежей.

Фиг.1 - схематически газо- и паротурбинная установка, и
фиг. 2 - схематически альтернативная форма выполнения газо- и паротурбинной установки.

Одинаковые детали на обеих фигурах снабжены одинаковыми ссылочными позициями.

Представленная схематически на фиг.1 и 2 газо- и паротурбинная установка 1 или соответственно 1' охватывает газотурбинную установку 1а и паротурбинную установку 1b. Газотурбинная установка 1а охватывает газовую турбину 2 с подсоединенным воздушным компрессором 4. Воздушный компрессор 4 подключен на стороне входа к трубопроводу всасываемого воздуха 5. Перед газовой турбиной 2 подключена камера сгорания 6, которая подключена к трубопроводу свежего воздуха 8 воздушного компрессора 4. В камеру сгорания 6 газовой турбины 2 входит топливопровод 10. Газовая турбина 2 и воздушный компрессор 4, а также генератор 12 сидят на общем валу 14.

Паротурбинная установка 1b охватывает паровую турбину 20 с подсоединенным генератором 22 и включенный в пароводяном контуре 24 после паровой турбины 20 главный конденсатор 26, а также работающий на отходящем тепле парогенератор 30. Паровая турбина 20 состоит из первой ступени давления или части высокого давления 20а и второй ступени давления или части среднего давления 20b, а также третьей ступени давления или части низкого давления 20с, которые приводят в действие через общий вал 32 генератор 22.

Для подведения расширенной в газовой турбине 2 рабочей среды AM' или дымового газа в работающий на отходящем тепле парогенератор 30 трубопровод отходящего газа 34 подключен к входу 30а работающего на отходящем тепле парогенератора 30. Расширенная рабочая среда AM' из газовой турбины 2 покидает работающий на отходящем тепле парогенератор 30 через его выход 30b в направлении не представленной более подробно дымовой трубы.

Работающий на отходящем тепле парогенератор 30 содержит в первой ступени давления или ступени высокого давления пароводяного контура 24 подогреватель высокого давления или экономайзер 36, который подключен через перекрываемый вентилем 38 трубопровод 40 к барабану высокого давления 42. Барабан высокого давления 42 соединен с расположенным в работающем на отходящем тепле парогенераторе 30 испарителем высокого давления 44 для образования пароводяного цикла 46. Для отведения свежего пара F барабан высокого давления 42 подключен к расположенному в работающем на отходящем тепле парогенераторе 30 перегревателю высокого давления 48, который на стороне выхода соединен с впуском пара 49 части высокого давления 20а паровой турбины 20.

Выпуск пара 50 части высокого давления 20а паровой турбины 20 соединен через паропровод 52 ("холодный ПП") с промежуточным перегревателем 54, выход 56 которого через паропровод 58 подключен к впуску пара 60 части среднего давления 20b паровой турбины 20. Ее выпуск пара 62 соединен через перепускной трубопровод 64 с впуском пара 66 части низкого давления 20с паровой турбины 20. Выпуск пара 68 части низкого давления 20с паровой турбины 20 подключен через паропровод 70 к главному конденсатору 26. Он соединен через трубопровод питательной воды 72, в который включен насос питательной воды 74 и подогреватель конденсата 76 с экономайзером 36 так, что возникает замкнутый пароводяной контур 24.

В примерах выполнения согласно фиг.1, 2 таким образом детально представлена только первая ступень давления пароводяного контура 24. В работающем на отходящем тепле парогенераторе 30, однако расположены еще другие, не представленные более подробно поверхности нагрева, которые приданы в соответствие соответственно ступени среднего или низкого давления пароводяного контура 24. Эти поверхности нагрева соединены подходящим образом с впуском пара 60 части среднего давления 20b паровой турбины 20 или с впуском пара 66 части низкого давления 20с паровой турбины 20.

Газо- и паротурбинная установка 1, 1' рассчитана на достижение особенно высокого коэффициента полезного действия. Для этого подключенный на стороне пара после паровой турбины 20 конденсатор 80, выполненный в виде дополнительного конденсатора, является охлаждаемым через подлежащий подведению к газотурбинной установке 1а всасываемый воздух А. Конденсатор 80 подключен после паровой турбины 20 через запираемый вентилем 82 трубопровод пара отбора 84. На стороне выхода конденсатор 80 подключен через конденсатный трубопровод 86 к трубопроводу питательной воды 72 так, что на стороне вода-пар получается параллельное включение конденсатора 80 к приданному в соответствие паровой турбине 20 главному конденсатору 26. Конденсатный трубопровод 86 при этом в месте запитывания 88 соединен с трубопроводом питательной воды 72. Место запитывания 88 расположено при рассмотрении в направлении течения вытекающего из главного конденсатора 26 конденсата К после подогревателя конденсата 76. Через вентиль 82 является устанавливаемым соотношение количества пара между частичным потоком пара, направляемым к главному конденсатору 26, и частичным потоком пара, направляемым к конденсатору 80. За счет изменения этого соотношения количества пара для соответственно актуальной отдачи мощности газо- и паротурбинной установки 1, 1' можно подогревать всасываемый воздух А до максимально достижимой температуры.

Газо- и паротурбинная установка 1 согласно фиг. 1 выполнена для одноступенчатого теплообмена между частичным потоком пара, подлежащим конденсации в конденсаторе 80, и всасываемым воздухом А, подлежащим подведению к газотурбинной установке 1а. Для этого в качестве конденсатора 80 предусмотрен воздушный конденсатор, к которому подается в качестве охлаждающей среды охлаждающий воздух. Конденсатор 80 в этом случае на стороне охлаждающей среды включен непосредственно в трубопровод всасываемого воздуха 5. В случае газо- и паротурбинной установки 1 потери, возникающие при теплопередаче конденсирующегося в конденсаторе 80 пара на всасываемый воздух А вследствие процессов преобразования, поддерживаются особенно малыми.

В противоположность этому в примере выполнения согласно фиг. 2 предусмотрена двухступенчатая теплопередача от подлежащего конденсации в конденсаторе 80 пара на всасываемый воздух А. Для этого в газо- и паротурбинной установке 1' согласно фиг. 2 в трубопровод всасываемого воздуха 5 включен отдельный теплообменник 90. Отдельный теплообменник 90 подключен на первичной стороне к промежуточному контуру 92, с которым конденсатор 80 соединен на стороне охлаждающего средства. Направляемая в промежуточном контуре 92 теплопередающая среда W при этом перекачивается посредством включенного в промежуточный контур 92 циркуляционного насоса 94.

При эксплуатации газо- и паротурбинной установки 1 или газо- и паротурбинной установки 1' отобранный из части низкого давления 20с паровой турбины 20 частичный поток пара направляют в качестве пара отбора через конденсатор 80. Этот частичный поток пара конденсируют в конденсаторе 80, причем отобранное от пара при его конденсации тепло передается на всасываемый воздух А для газотурбинной установки 1а. Полученный при конденсации пара в конденсаторе 80 конденсат подмешивают к подогретому конденсату К, вытекающему из главного конденсатора 26.

За счет передачи отобранного от частичного потока пара при его конденсации в конденсаторе 80 тепла на всасываемый воздух А для газотурбинной установки 1а это тепло возвращают в процесс преобразования энергии газо- и паротурбинной установки 1 или соответственно газо- и паротурбинной установки 1'. Таким образом газо- и паротурбинная установка 1, 1' имеет особенно высокий коэффициент полезного действия установки. С другой стороны, подогрев всасываемого воздуха А для газотурбинной установки 1а обуславливает, однако, также, что общий массовый поток подводимой к газовой турбине 2 рабочей среды AM является меньше, чем при отказе от подогрева всасываемого воздуха А. Достигаемая при эксплуатации газовой турбины 2 максимальная отдача мощности тем самым является сравнительно меньшей. Эксплуатация газо- и паротурбинной установки 1, 1' с подогревом всасываемого воздуха А за счет конденсации пара отбора в конденсаторе 80 является тем самым особенно пригодной для области частичной нагрузки. Кроме того, при этом режиме работы обеспечен в особенно простой форме быстрый резерв мощности газо- и паротурбинной установки 1, 1', так как при быстром отключении подогрева всасываемого воздуха А вследствие тогда сравнительно повышенного, поставляемого общего массового потока рабочей среды AM для газовой турбины 2 является возможным быстрое повышение отдачи мощности газовой турбины 2.

Изобретение относится к газо- и паротурбинной установке с подключенным после газовой турбины на стороне дымового газа, работающим на отходящем тепле парогенератором, поверхности нагрева которого включены в пароводяной контур паровой турбины, и к способу работы установки. В газо- и паротурбинной установке с подключенным после газовой турбины на стороне дымового газа работающим на отходящем тепле парогенератором, поверхности нагрева которого включены в пароводяной контур паровой турбины, подключенный после паровой турбины на стороне пара, конденсатор является охлаждаемым через подводимый к газовой турбине всасываемый воздух. Изобретение позволяет повысить коэффициент полезного действия. 2 с. и 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Газо- и паротурбинная установка (1, 1') с подключенным после газовой турбины (6) на стороне дымового газа работающим на отходящем тепле парогенератором (30), поверхности нагрева которого включены в пароводяной контур (24) паровой турбины (20), причем параллельно согласованному с паровой турбиной (20) главному конденсатору (26) на стороне вода-пар включен дополнительный конденсатор (80), охлаждаемый через подводимый к газовой турбине (2) всасываемый воздух (А). 2. Газо- и паротурбинная установка (1, 1') по п. 1, отличающаяся тем, что перед согласованным с газовой турбиной (2) компрессором включен трубопровод всасываемого воздуха (5), в который непосредственно включен на стороне охлаждающей среды дополнительный конденсатор (80). 3. Газо- и паротурбинная установка (1, 1') по п. 1, отличающаяся тем, что дополнительный конденсатор (80) на стороне охлаждающего средства подключен через промежуточный контур охлаждения (54) к теплообменнику (90), который на вторичной стороне включен в трубопровод всасываемого воздуха (5), который включен перед приданным в соответствие газовой турбине (2) компрессором. 4. Газо- и паротурбинная установка (1, 1') по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что соотношение количества пара подводимых к дополнительному конденсатору (80) и к главному конденсатору (26) потоков пара является регулируемым. 5. Газо- и паротурбинная установка (1, 1') по любому из пп. 1-4, отличающаяся тем, что после главного конденсатора (26) подключен подогреватель конденсата (76), причем конденсат, вытекающий из дополнительного конденсатора (80), при рассмотрении в направлении течения конденсата запитывается в пароводяной контур (24) паровой турбины (20) после подогревателя конденсата (76). 6. Способ эксплуатации газо- и паротурбинной установки (1, 1') по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что подводимый к газовой турбине всасываемый воздух (А) подогревают теплом, отработанным при конденсации вытекающего из паровой турбины (20) пара. 7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что полученный при конденсации конденсат подмешивают к подогретому конденсату и направляют в пароводяной контур (24) паровой турбины (20).