Электростанция смешанного типа с газовой и паровой турбинами Российский патент 2003 года по МПК F02C6/18 F01K23/10 

Изобретение относится к электрической станции смешанного типа, содержащей газовую турбину с генератором и парогенераторы для паровой турбины со ступенями давления с генератором, причем отработавший газ газовой турбины подается в первый котел-утилизатор с поверхностями нагрева для подогрева питательной воды, производства пара и его перегрева, а дымовые газы термопреобразующей установки подаются во второй котел-утилизатор.

Утилизация низкотемпературного отходящего тепла дымовых газов, образующихся при процессах термического преобразования, для выработки электроэнергии не представлялась возможной до настоящего времени вследствие низкой экономической эффективности совместно эксплуатируемого оборудования.

Относительно низкие и вследствие технологии сильно колеблющиеся температуры отработавшего газа таких источников отходящего тепла позволяли до настоящего времени получать пар лишь с низкими параметрами. Электрический кпд при выработке электроэнергии генератором в сочетании с паровой турбиной требовал проведения мероприятий, обеспечивающих необходимую температуру и давление пара.

Из патентной заявки ФРГ 19523062 A1 известна электрическая станция смешанного типа, состоящая из газотурбинной и паротурбинной электростанций.

На этой электрической станции смешанного типа, состоящей из газотурбинной и паротурбинной электрических станций, паротурбинная установка приводится в действие паром парогенератора, снабженного топкой, и/или паром котла-утилизатора, омываемого отработавшим газом газовой турбины. С целью регулируемого подогрева сжатого дутьевого воздуха газотурбинной установки предусмотрено наличие теплообменника. Для особо экономичной эксплуатации электрической станции смешанного типа в режиме частичной нагрузки теплообменник для дутьевого воздуха газотурбинной установки расположен в дымоходе парогенератора и выполнен в виде рекуператора, причем дымовой газ направляется вокруг поверхности труб рекуператора, а дутьевой воздух - внутрь этих труб. Рекуператор соединен с трубопроводом дутьевого воздуха, проложенным от компрессора к газовой горелке газотурбинной установки, через трехходовой клапан и вспомогательный трубопровод.

Из не опубликованной до настоящего времени патентной заявки ФРГ 19734862.9 известна тепловая электрическая станция, оборудованная газовой турбиной и парогенератором для паровой турбины со ступенями давления, причем отработавший газ газовой турбины отводится в котел-утилизатор, который в целях повышения производительности по пару высокого давления оснащен вспомогательной топкой и содержит теплообменник, используемый в производстве пара. Для экономичного производства пара, предназначенного для паровой турбины со ступенями давления, в частности также при колеблющейся нагрузке, предусмотрено, что при выработке пара высокого давления используются три последовательно расположенные ступени перегревателя высокого давления с двумя впрыскивающими пароохладителями, а при выработке пара промежуточного давления - две ступени перегревателя промежуточного давления с впрыскивающим пароохлаждением. Конечные ступени перегревателя высокого давления или перегревателя промежуточного давления расположены на одинаковом участке котла-утилизатора, при этом их трубы располагаются, чередуясь, в виде гребенки друг возле друга. Первая ступень перегревателя промежуточного давления располагается между или позади обеих ступеней перегревателя высокого давления. Первая топка, утилизирующая отработавший газ газовой турбины, расположена в зоне конечных ступеней перегревателей, вторая топка находится перед испарителем высокого давления, причем регулируются: первая топка в зависимости от температуры пара на выходе первой ступени перегревателя промежуточного давления, вторая топка в зависимости от нагрузки высоким давлением.

Задача изобретения состоит в том, чтобы вырабатывать электроэнергию на электрической станции смешанного типа, оборудованной газовой и паровой турбинами, таким образом, чтобы низкотемпературное отходящее тепло дымовых газов, образующихся при термических процессах преобразования, например технологические отходящие газы на мусоросжигающих заводах, и при аналогичных процессах, использовалось для производства пара и чтобы улучшилась экономическая эффективность общего процесса в результате утилизации отходящего тепла дымовых газов.

Данная задача решается благодаря отличительным признакам п. 1 формулы изобретения, в зависимых пунктах формулы изобретения представлен предпочтительный вариант осуществления изобретения.

Согласно изобретению, низкотемпературное отходящее тепло дымовых газов, образующихся при термических процессах преобразования, например, в производстве цемента и извести, в железорудных агломерационных установках, в производстве стали, при сжигании мусора и пр., отводится сначала в так называемый технологический котел-утилизатор, до того, как дымовые газы поступят на очистку и затем очищенные и охлажденные будут выброшены в атмосферу.

Эффективное использование тепла в технологическом котле-утилизаторе достигается благодаря установке испарителя высокого давления и испарительной системы низкого давления.

Для предупреждения конденсации оба паровых потока направляются через подвесные трубы соответствующих испарительных систем для перегрева. Такой перегретый пар высокого давления, поступая по соединительному трубопроводу, смешивается с паром, образующимся в котле-утилизаторе на стороне отработавшего газа газовой турбины.

Оба потока пара совместно перегреваются, по меньшей мере, в двух перегревателях котла-утилизатора газовой турбины до требуемой температуры. По соединительному трубопроводу перегретый пар поступает на ступень высокого давления паровой турбины.

Пар низкого давления, выработанный в технологическом котле-утилизаторе, поступает по низконапорному барабану и соединительным трубопроводам в резервуар питательной воды, в котором происходит термическая дегазация. Остаточное количество пара низкого давления поступает по соединительному трубопроводу на ступень низкого давления паровой турбины. Предупреждение потерь давления на стороне дымовых газов достигается последовательно подключенным, интегрированным в процесс вытяжным вентилятором.

Подогрев питательной воды происходит в общем экономайзере, расположенном на конце котла-утилизатора газовой турбины. Посредством трехходового клапана питательная вода распределяется между соответствующими высоконапорными барабанами.

С помощью наружного водо-водяного теплообменника питательная вода охлаждается поступающим от конденсатора конденсатом настолько, что при низкой температуре воды на входе экономайзера высокого давления становится возможной очень высокая степень утилизации отходящего тепла в котле-утилизаторе газовой турбины.

Выработка электроэнергии производится генератором газовой турбины с камерами горения DLN и генератором паровой турбины со ступенями давления.

При выходе из строя газовой турбины котел-утилизатор работает в так называемом имитируемом режиме утилизации. Дутьевой вентилятор подает в этом случае такое количество воздуха в котел-утилизатор, что образуется такое же количество отходящего газа, что и при работе газовой турбины.

Вспомогательные горелки на входе котла-утилизатора нагревают холодный воздух настолько, что обеспечиваются требуемые параметры пара.

Электрическая станция смешанного типа согласно изобретению сочетает утилизацию отходящего тепла на стороне технологических отходящих газов посредством испарителей высокого и низкого давления с последующим незначительным перегревом.

Полный перегрев пара происходит на стороне отработавшего газа газовой турбины посредством разъемного перегревателя, испарителя высокого давления и общего экономайзера высокого давления. Экономайзер высокого давления питает как испаритель высокого давления на стороне отработавшего газа газовой турбины, так и испаритель низкого давления на стороне дымовых газов термопреобразующей установки. Благодаря высокой степени утилизации отходящего тепла на стороне отработавшего газа газовой турбины возможна выработка электроэнергии в целом с высоким электрическим кпд.

Часть пара низкого давления используется для термической дегазации, остальная часть используется для получения электроэнергии, при этом давление и температура пара в существенной степени определяются параметрами технологического газа.

Недостатки прежних схем оборудования обусловлены тем, что:

- выработка электроэнергии только при использовании низкотемпературного отходящего тепла ограничивала электрический кпд,

- благодаря вспомогательной топке на стороне дымовых газов термопреобразующей установки повышается температура газа на участке перед парагенератором-утилизатором, что приводит не только к повышенной выработке электроэнергии, но и к повышенным энергетическим потерям и потерям отходящего газа (дополнительное количество дымового газа),

- в отходящих газах, содержащих в большинстве случаев пыль, из-за высокой эффективности вспомогательной топки достигается точка размягчения пылинок, что может вызвать сложные проблемы в связи с загрязнением поверхностей нагрева.

Преимущества электрической станции смешанного типа согласно изобретению могут быть сформулированы следующим образом:

- в результате смещения вспомогательной топки в газовую турбину повышается электрический кпд, благодаря выработке электроэнергии газовой турбиной, одновременно высокая температура отработавшего газа газовой турбины обеспечивает повышенные температуры горячего пара и, следовательно, дополнительно повышается кпд на стороне паровой турбины,

- высокий коэффициент затухания сильных колебаний количества пара в термопреобразующей установке (например, технологически обусловленные колебания температуры или количества отработавшего газа), благодаря парогенераторной системе на стороне отработавшего газа газовой турбины,

- характеристика отработавшего газа и большая динамика роторов используемых в таких процессах электрической станции газовых турбин с несколькими валами позволяет постоянно поддерживать в очень узких пределах допустимую для паровой турбины температуру пара и при больших изменениях нагрузки на газовую турбину с соответствующим регулированием,

- при выходе из строя или остановке на стороне процесса (термопреобразующей установки) возможна автономная выработка электроэнергии через котел-утилизатор газовой турбины,

- гибкое производство электроэнергии за счет применения газовых турбин с несколькими валами, сопровождаемое приведением в соответствие электрической мощности с общей паропроизводительностью перегреваемого пара,

- низкие значения NOx в результате применения горелок "Dry-Low-NOx" в газовой турбине (например, гибридные горелки при содержании NOx = 13 ppm),

- расширенный диапазон применения при термическом удалении специальных отходов, при котором, как правило, преобладают высокие технологические температуры при незначительных по массе потоках отходящих газов и большом загрязнении вредными веществами (ванадием, хлором и щелочами). По причинам, связанным с материалом, большой перегрев на стороне дымовых газов термопреобразующей установки не представляется возможным, в результате возможно смещение перегрева на сторону отработавших газов газовой турбины,

- отсутствие лимитирования параметров пара параметрами технологического отходящего газа,

- потенциал кпд при производстве электроэнергии составляет около 60 %,

- учитывая, что в термопреобразующих установках всегда образуется технологически управляемое отходящее тепло, то оно может рассматриваться как бесплатный потенциал тепла, используемый для достижения экономического эффекта.

Более подробно изобретение поясняется на примере схемы способа (см. чертеж), при этом электроэнергия производится генератором 28 газовой турбины 1 и генератором 29 паровой турбины 6.

Из не изображенной установки, например установки обжига известняка, установки агломерации руд, сталелитейной установки или мусоросжигательной установки, низкотемпературное отходящее тепло из термопреобразующей установки отводится в котел-утилизатор 10 технологического газа. Высокая степень утилизации тепла достигается благодаря установке испарителя высокого давления 16 и испарительной системы низкого давления 17.

Для предупреждения конденсации оба потока пара слегка перегреваются в подвесных трубах 13 и 14 соответствующих испарительных систем 16 и 17. Такой перегретый пар высокого давления поступает по соединительному трубопроводу 21 на смешивание с паром, образующимся в котле-утилизаторе 2 газовой турбины, посредством испарителя высокого давления 22 и барабана высокого давления 5.

Обе порции пара перегреваются до необходимой температуры в обоих перегревателях 23 и 24. По соединительному трубопроводу 20 перегретый пар поступает в паровую турбину 6.

Пар низкого давления, выработанный в технологическом котле-утилизаторе 10, поступает через барабан низкого давления 12 и по соединительным трубопроводам 25 - в резервуар питательной воды 9, в котором происходит термическая дегазация. Остальная часть пара низкого давления поступает по соединительному трубопроводу 19 в паровую турбину 6.

Потери давления в технологическом котле-утилизаторе 10 на стороне дымовых газов легко предупреждаются отсасывающим вентилятором 15, встроенным в термопреобразующую установку, так как в режиме утилизации вентилятор работает при более низких рабочих температурах.

Подогрев питательной воды происходит в общем экономайзере 3 на стороне отработавшего газа газовой турбины 2. С помощью трехходового клапана 26 питательная вода распределяется между соответствующими барабанами высокого давления 5 и 11.

Наружным водо-водяным теплообменником 8 питательная вода охлаждается поступающим из конденсатора 7 конденсатом настолько, что при установившейся низкой температуре воды на входе экономайзера высокого давления 3 возможна очень высокая степень утилизации отходящего тепла в котле-утилизаторе 2 газовой турбины.

Электроэнергия вырабатывается, как уже упоминалось, генератором 28 газовой турбины 1 и генератором 29 паровой турбины 6. В случае выхода из строя газовой турбины 1 котел-утилизатор работает в так называемом имитированном режиме утилизации. Дутьевой вентилятор 4 подает одинаковое количество воздуха по трубопроводу 42 в котел-утилизатор 2, что и при работе газовой турбины. При этом вспомогательная горелка 27 при сжигании природного газа 43 нагревает холодный воздух настолько, что обеспечиваются требуемые параметры пара для эффективного производства электроэнергии.

Два питательных насоса высокого давления 31 и два питательных насоса низкого давления 32 обеспечивают посредством трубопроводов 38 и 39 необходимой водой оба испарителя высокого давления 16 и 22 в котлах-утилизаторах 2 и 10 и испаритель низкого давления 17 в котле-утилизаторе 10.

Отработанный в паровой турбине 6 пар превращается в конденсат, который охлаждается в конденсаторе 7 и с помощью конденсатного насоса 33 отводится по конденсатному трубопроводу 34 в резервуар питательной воды 9.

Перечень позиций:

1 - газовая турбина;

2 - котел-утилизатор (сторона отработавшего газа

газовой турбины);

3 - экономайзер для подогрева питательной воды;

4 - дутьевой вентилятор;

5 - паровой барабан высокого давления;

6 - паровая турбина;

7 - конденсатор;

8 - водо-водяной теплообменник;

9 - резервуар питательной воды;

10 - котел-утилизатор, расположенный за

термопреобразующей установкой;

11 - паровой барабан высокого давления;

12 - паровой барабан низкого давления;

13 - подвесные трубы, система высокого давления;

14 - подвесные трубы, система низкого давления;

15 - вытяжной вентилятор;

16 - испаритель высокого давления;

17 - испаритель низкого давления;

18 - паропровод низкого давления, ведущий к 9;

19 - паропровод низкого давления, ведущий к 6;

20 - паропровод высокого давления;

21 - паропровод высокого давления;

22 - испаритель высокого давления;

23 - первый пароперегреватель высокого давления;

24 - второй пароперегреватель высокого давления;

25 - паропровод низкого давления, ведущий к 18 и 19;

26 - трехходовой клапан;

27 - вспомогательная горелка;

28 - генератор для 1;

29 - генератор для 6;

30 - двигатель для 4;

31 - питательные насосы высокого давления;

32 - питательные насосы низкого давления;

33 - конденсатный насос;

34 - конденсатный трубопровод;

35 - трубопровод дымовых газов;

36 - фильтр (очистка дымовых газов);

37 - труба для отвода отходящих газов;

38 - питательный трубопровод высокого давления;

39 - питательный трубопровод низкого давления;

40 - паропровод высокого давления;

41 - трубопровод для отвода отработавшего газа от 1;

42 - воздухопровод;

43 - трубопровод природного газа;

44 - питательный трубопровод высокого давления, предназначенный для 11;

45 - питательный трубопровод высокого давления, предназначенный для 5;

46 - охладитель поверхности, расположенный в 5.

Изобретение относится к электрической станции смешанного типа. Станция содержит газовую турбину (1) с генератором (28) и парогенераторы (2, 10) для паровой турбины (6) с генератором (29), причем отработавший газ газовой турбины отводится в первый котел-утилизатор (1) с перегревателями (23, 24), экономайзером (3), испарителем высокого давления (22) и вспомогательной горелкой (27), а дымовые газы термопреобразующей установки подаются во второй котел-утилизатор (10). Во втором омываемом дымовыми газами котле-утилизаторе (10) расположены с одной стороны испаритель высокого давления (16) с системой подвесных труб (13) и паровой барабан высокого давления (11), с другой стороны испаритель низкого давления (17) с системой подвесных труб (14) и паровой барабан низкого давления (12). Испаритель высокого давления (16) связан через паропровод (21) с расположенными в первом котле-утилизаторе (2) первым (23) и вторым (24) пароперегревателями высокого давления. Между обоими пароперегревателями высокого давления (23, 24) расположен паровой барабан высокого давления с наружным холодильником (46). Пароперегреватель высокого давления (24) связан через паропровод высокого давления (20), а испаритель низкого давления (17) - через паропровод низкого давления (25) с паровой турбиной (6). Изобретение позволяет использовать для производства пара низкотемпературное отходящее тепло дымовых газов, образующихся при термических процессах преобразования таким образом, чтобы улучшилась экономическая эффективность общего процесса. 12 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Электростанция смешанного типа, содержащая газовую турбину с генератором и парогенераторы для паровой турбины со ступенями давления с генератором, причем отработавший газ газовой турбины отводится в первый котел-утилизатор с поверхностями нагрева для подогрева питательной воды, производства пара и его перегрева, а дымовые газы термопреобразующей установки отводятся во второй котел-утилизатор, отличающаяся тем, что во втором, омываемом дымовыми газами, котле-утилизаторе (10) расположены с одной стороны испаритель высокого давления (16) с системой (13) подвесных труб и паровой барабан высокого давления (11), с другой стороны - испаритель низкого давления (17) с системой (14) подвесных труб и паровой барабан низкого давления (12), испаритель высокого давления (16) связан через паропровод (21) с расположенными в первом котле-утилизаторе (2) первым (23) и вторым (24) пароперегревателями высокого давления, второй пароперегреватель высокого давления (24) связан через паропровод высокого давления (20) с паровой турбиной (6), а испаритель низкого давления (17) связан через паропровод низкого давления (25) также с паровой турбиной (6) .2. Электростанция смешанного типа по п.1, отличающаяся тем, что между первым (23) и вторым (24) пароперегревателями высокого давления расположен паровой барабан высокого давления (5) с охладителем (46) поверхности.3. Электростанция смешанного типа по п.1, отличающаяся тем, что в более холодной части котла-утилизатора (2) расположен экономайзер (3) для подогрева питательной воды обоих котлов-утилизаторов (2) и (10).4. Электростанция смешанного типа по п.3, отличающаяся тем, что резервуар питательной воды (9) связан через питательный трубопровод (38) с питательными насосами высокого давления (31) и экономайзером (3).5. Электростанция смешанного типа по одному из пп.3 и 4, отличающаяся тем, что экономайзер (3) связан через питательный трубопровод (44) с паровым барабаном высокого давления (11) котла-утилизатора (10) и через питательный трубопровод (45) с паровым барабаном высокого давления (5), причем распределение соответствующего количества питательной воды между котлами-утилизаторами (2) и (10) обеспечивается посредством трехходового клапана (26) .6. Электростанция смешанного типа по одному из пп.3-5, отличающаяся тем, что резервуар (9) питательной воды связан через питательный трубопровод низкого давления (39) с питательными насосами низкого давления (32) и паровым барабаном низкого давления (12) котла-утилизатора (10).7. Электростанция смешанного типа по одному из пп.3-6, отличающаяся тем, что паровая турбина (6) и резервуар (9) питательной воды связаны через конденсатный трубопровод (34) с конденсатором (7) и конденсатным насосом (33).8. Электростанция смешанного типа по п. 7, отличающаяся тем, что в конденсатном трубопроводе (34) расположен водо-водяной теплообменник (8), через который пропущен питательный трубопровод высокого давления (38) .9. Электростанция смешанного типа по п.1, отличающаяся тем, что в трубопроводе (35) дымовых газов за котлом-утилизатором (10) установлены очиститель дымовых газов (36) и вытяжной вентилятор (15).10. Электростанция смешанного типа по п.9, отличающаяся тем, что в трубопроводе дымовых газов (35) между котлами-утилизаторами (2) и (10) расположена труба (37) для отвода отработавших газов.11. Электростанция смешанного типа по п.1, отличающаяся тем, что в трубопроводе (41) отработавших газов газовой турбины (1) на входе котла-утилизатора (2) расположена вспомогательная горелка (27).12. Электростанция смешанного типа по п.11, отличающаяся тем, что вспомогательная горелка (27) связана через трубопровод (42) с дутьевым вентилятором (4, 30).13. Электростанция смешанного типа по одному из п.11 или 12, отличающаяся тем, что газовая турбина (1) и вспомогательная горелка (27) подключены соответственно к газопроводу (43) или нефтепроводу.