ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ПАРОГАЗОВАЯ УСТАНОВКА С ОДНОВРЕМЕННЫМ СЖИГАНИЕМ ТВЕРДОГО И ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА Российский патент 2005 года по МПК F01K13/00 

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано при создании энергетических парогазовых установок (ПГУ), работающих на твердом топливе.

В настоящее время ПГУ получают все большее распространение. По сравнению с паротурбинными установками их удельная стоимость значительно ниже, а экономичность значительно выше и приближается к 58-60%. Принципиальным недостатком современных ПГУ является использование в качестве топлива только природного газа, ресурсы которого ограничены. В связи с этим во всем мире разворачиваются работы по получению горючего газа для ПГУ из твердого топлива путем внутрицикловой газификации [1] или при сжигании твердого топлива в кипящем слое под давлением [2]. Однако потребное для газификации оборудование достаточно сложно и дорого.

Существует принципиально другой путь обеспечения возможности использования твердого топлива в ПГУ. Он заключается в производстве высокотемпературного воздуха высокого давления в работающем на твердом топливе паровом котле с последующей подачей этого воздуха в качестве рабочего тела в воздушную турбину. Известна, в частности, принимаемая в качестве прототипа настоящего изобретения парогазовая установка, содержащая паротурбинный блок с работающим на твердом топливе паровым котлом и паровой турбиной и газотурбинный блок с воздушной турбиной и расположенным в газоходе парового котла подогревателем сжатого воздуха [3]. Недостатком известной ПГУ является недопустимость нагрева сжатого воздуха в газоходе котла до температуры рабочего тела, используемого в современных газовых турбинах (1250°С) из-за отсутствия подходящих жаропрочных материалов для изготовления соответствующего подогревателя. Возможный же подогрев сжатого воздуха в качестве рабочего тела воздушной турбины до допустимой максимальной температуры (650°С) существенно снижает термический КПД цикла ПГУ.

Достигаемым результатом изобретения является обеспечение возможности работы ПГУ со сжиганием твердого топлива при высокой экономичности.

Указанный результат обеспечивается тем, что в парогазовой установке, содержащей паротурбинный блок с работающим на твердом топливе паровым котлом и паровой турбиной и газотурбинный блок с воздушной турбиной и расположенным в газоходе парового котла подогревателем сжатого воздуха, согласно изобретению газотурбинный блок дополнительно содержит камеру сгорания газообразного топлива, включенную в тракт подачи сжатого горячего воздуха от указанного подогревателя в воздушную турбину.

Газотурбинный блок ПГУ согласно изобретению дополнительно может содержать регенератор тепла отработавшего в воздушной турбине рабочего тела, соединенный по холодной стороне воздухопроводами с выходом компрессора и входом подогревателя сжатого воздуха.

На фиг.1 схематически изображена ПГУ согласно настоящему изобретению в варианте с одноступенчатым нагревом сжатого воздуха; на фиг.2 - в варианте с двухступенчатым нагревом сжатого воздуха.

ПГУ по варианту фиг.1 содержит паротурбинный блок с работающим на твердом топливе паровым котлом 1 и паровой турбиной 2 и газотурбинный блок с воздушной турбиной 3 и расположенным в газоходе парового котла 1 (в высокотемпературной части конвективной шахты 4) подогревателем 5 сжатого воздуха. Газотурбинный блок дополнительно содержит камеру 6 сгорания газообразного топлива, включенную в воздухопровод 7 подачи сжатого горячего воздуха от подогревателя 5 в воздушную турбину 3. Компрессор 8 служит для подачи в подогреватель 5 сжатого воздуха. Кроме последнего, в конвективной шахте 4 за высокотемпературным подогревателем 5 сжатого воздуха могут быть установлены водяной экономайзер и другие низкотемпературные поверхности 9 нагрева паротурбинного блока. Газопровод 10 служит для подачи отработавшего в воздушной турбине 3 рабочего тела (воздуха в смеси с продуктами сгорания газообразного топлива) в топку парового котла 1, паропровод 11 - для подачи пара от котла 1 в паровую турбину 2.

По варианту фиг.2 ПГУ согласно изобретению дополнительно содержит регенератор 12 тепла отработавшего в воздушной турбине 3 рабочего тела, соединенный по холодной стороне воздухопроводами 13, 14 соответственно с компрессором 8 и подогревателем 5 сжатого воздуха. За регенератором 12 по ходу газов может быть установлена утилизационная установка 15 (котел-утилизатор, подогреватель сетевой воды и т.п.).

ПГУ согласно изобретению по варианту фиг.1 работает следующим образом. Воздух, сжатый в компрессоре 8 и догретый в подогревателе 5 до допускаемой работой металла подогревателя 5 и воздухопровода 7 температуры (650°С), подается в камеру 6 сгорания природного газа, где дополнительно подогревается до начальной температуры срабатывания рабочего тела в воздушной турбине 3 (1250°С). Отработавший в качестве рабочего тела воздух в смеси с продуктами сгорания газообразного топлива направляется по газопроводу 10 в топку парового котла 1 для использования в качестве окислителя в процессе горения твердого топлива. Вырабатываемый котлом 1 пар подается в паровую турбину 2.

Поскольку величина окончательного догрева воздуха в камере 6 сгорания здесь существенно меньше, чем в обычной ПГУ на природном газе, то на этот догрев соответственно требуется меньший расход природного газа. Очевидную выгоду ПГУ по настоящему изобретению можно проиллюстрировать простым расчетом. Пусть в камере сгорания обычной ПГУ, работающей на природном газе, сжатый в компрессоре воздух догревается, например, с 350 до 1250°С, то есть на 900°С. Соответствующий этим условиям расход природного газа обозначим G_o. Если согласно настоящему изобретению сжатый воздух догреется в подогревателе 5 с температуры 350 до 650°С, то для нагрева его до 1250°С соответствующий расход G природного газа будет составлять . Таким образом экономится 33% природного газа, его тепло замещается теплом твердого топлива. В меру возрастания реальных разрешающих способностей металла эта экономия может возрастать.

В ПГУ согласно изобретению по варианту фиг.2 сжатый воздух после компрессора 8 первоначально нагревается в регенераторе 12 воздушной турбины 3, а затем уже догревается в подогревателе 5. Наличие регенератора 12 позволяет уменьшить поверхность нагрева высокотемпературного подогревателя 5.

Большим достоинством настоящего изобретения является возможность его реализации на действующих электростанциях в порядке их технического перевооружения.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №174590, 5 F 01 K 13/00, 1990.

2. Международная заявка № WO 9709515, 6 F 01 K 23/06, 1997.2.

3. Патент РФ №2099653, 6 F 25 B 29/00, 1994.

Изобретение предназначено для использования в теплоэнергетике и может быть применено при создании энергетических парогазовых установок (ПГУ), работающих на твердом топливе. В ПГУ, содержащей паротурбинный блок с работающим на твердом топливе паровым котлом и паровой турбиной и газотурбинный блок с газовой турбиной, использующей в качестве рабочего тела нагретый сжатый воздух, поверхностный подогреватель сжатого воздуха продуктами сгорания твердого топлива и камеру сгорания газообразного топлива для дополнительного контактного подогрева сжатого воздуха, поверхностный подогреватель сжатого воздуха установлен в высокотемпературной части конвективного газохода парового котла. Изобретение позволяет повысить экономичность работы ПГУ при сжигании твердого топлива. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Парогазовая установка, содержащая паротурбинный блок с работающим на твердом топливе паровым котлом и паровой турбиной и газотурбинный блок с газовой турбиной, использующей в качестве рабочего тела нагретый сжатый воздух, поверхностный подогреватель сжатого воздуха продуктами сгорания твердого топлива и камеру сгорания газообразного топлива для дополнительного контактного подогрева сжатого воздуха, отличающаяся тем, что поверхностный подогреватель сжатого воздуха установлен в высокотемпературной части конвективного газохода парового котла.2. Парогазовая установка по п.1, отличающаяся тем, что газотурбинный блок дополнительно содержит регенератор тепла отработавшего в газовой турбине рабочего тела, соединенный по холодной стороне воздухопроводами с выходом компрессора и входом поверхностного подогревателя сжатого воздуха.