БИНАРНАЯ ПАРОГАЗОВАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2005 года по МПК F01K23/10 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано при создании и модернизации комбинированных бинарных парогазовых установок (ПГУ).

Устройство таких ПГУ, за небольшим исключением, основано на применении газовых турбин, работающих по простому термодинамическому циклу Брайтона, с применением для использования теплоты уходящих газов, паротурбинных утилизационных контуров разной степени сложности (1). Основное направление повышения технического уровня, т.е. удельной мощности и экономичности ПГУ такой схемы проявляется, прежде всего, в увеличении основных параметров термодинамического цикла по начальной температуре перед турбиной и давлению, а также в увеличении степени утилизации теплоты уходящих газов за счет усложнения схем, увеличения теплообменных поверхностей и оборудования теплоутилизационного контура.

К настоящему времени (2000-2001 г.г.) уровень начальной температуры в коммерчески предлагаемых газовых турбинах доведен до 1415° С - (W501G) SIEMENS-Westinghouse, а степень повышения давления до 35 (Trent) Rolls-Royce (1).

Известны другие факторы повышения технического уровня ПГУ, связанные с некоторым усложнением термодинамического цикла самой газовой турбины, например введение промежуточного охлаждения воздуха при его сжатии в компрессоре.

Известно, что применение промежуточного охлаждения дает значительный выигрыш в удельной мощности газовой турбины (мощности, относимой к расходу рабочего тела) и достаточно просто реализуется на практике. Однако, в связи с отводом при этом теплоты из цикла, промежуточное охлаждение может ухудшать тепловой КПД ПГУ в целом (2). Вместе с тем, анализ термодинамического цикла газовой турбины с введением при сжатии воздуха в компрессорной группе промежуточного охлаждения показывает, что при определенных условиях такое введение, повышая удельную мощность, может не только не ухудшать экономичности ПГУ по КПД, но даже несколько повышать. Особенно это относится к ПГУ, в которых применяется газовая турбина, спроектированная со степенью повышения давления в цикле, исходя из достижения максимума по КПД, а не по удельной работе.

Известна бинарная ПГУ утилизационного типа (3) с применением промежуточного охлаждения, в которой в отработанных газах после газовой турбины перед котлом утилизатором осуществляется дополнительное сжигание топлива. ПГУ содержит ГТУ, состоящую из компрессоров низкого и высокого давлений с промежуточным воздухоохладителем между ними, камеры сгорания и газовой турбины, котел-утилизатор и паровую турбину.

В этой ПГУ технический результат обеспечивается тем, что часть питательной воды в паротурбинном контуре, превышающая ее расход, необходимый для оптимальных параметров пара при дожигании, направляется в воздухоохладитель ГТУ, в котором осуществляется ее нагрев до температуры кипения, которая затем обеспечивает повышение мощности паровой турбины.

Недостаток данного устройства состоит в том, что дополнительно полученная в охладителе низкопотенциальная теплота, используемая в паротурбинном контуре, имеющем относительно низкий КПД, не может полностью компенсировать его снижение, связанное с дополнительной затратой топлива на дожигание. При этом распределение степеней сжатия в компрессорах, принимаемое исходя из условий обеспечения необходимого нагрева воздуха после КНД для подогрева в охладителе питательной воды не ниже, чем до температуры кипения, не гарантирует эффективности промежуточного охлаждения по КПД, с точки зрения соотношения приращения мощности ГТУ к необходимому при этом дополнительному подводу теплоты в камере сгорания.

Известна также бинарная ПГУ (4), содержащая последовательно установленные компрессор низкого давления (КНД), промежуточный охладитель воздуха, компрессор высокого давления (КВД), камеру сгорания, газовые турбины высокого и низкого давлений, паровой котел-утилизатор двух давлений, паровую турбину и конденсатор. В данной схеме через первую по ходу воздуха относительно горячую секцию охладителя, пропускается в качестве теплосъемного реагента низкотемпературный пар из теплоутилизационного контура, возвращаемый после подогрева в зону второго давления парового котла, утилизируя таким образом теплоту, отводимую при промежуточном охлаждении.

Недостаток этой схемы, наиболее близкой к предлагаемой, состоит в том, что степень сжатия и температура воздуха за КНД, а следовательно, и соотношение степеней сжатия КНД и КВД, определяемое количеством ступеней компрессоров, устанавливается исходя из условий оптимизации по генерированию пара второго уровня давления котла-утилизатора, что может делать промежуточное охлаждение в целом не рациональным для ПГУ с точки зрения соотношений приращения удельной работы ГТУ к необходимой при этом дополнительной затрате теплоты в камере сгорания.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения эффективности бинарной ПГУ с промежуточным охлаждением по удельной работе за счет выполнения оптимального соотношения ступеней КНД и КВД.

Указанная задача решена в заявляемой бинарной парогазовой установке, содержащей последовательно установленные компрессор низкого давления, промежуточный охладитель воздуха, компрессор высокого давления, камеру сгорания, газовую турбину, котел-утилизатор и паровую турбину, за счет того, что количество ступеней компрессора низкого давления и компрессора высокого давления выбирается таким, что отношение давлений в компрессоре высокого давления определяется выражением:

где π *_КВД - отношение давлений в компрессоре высокого давления;

k - показатель изоэнтропы;

η _П - политропический КПД компрессора;

η _ПГУ - мощностной КПД парогазовой установки.

Такое устройство компрессорной группы и в целом ПГУ обеспечивает значительное увеличение удельной работы установки без снижения КПД от использования промежуточного охлаждения.

На чертеже изображена структурная схема заявляемой ПГУ.

Бинарная парогазовая установка содержит компрессор 1 низкого давления, промежуточный охладитель 2 воздуха, компрессор 3 высокого давления, камеру 4 сгорания, газовую турбину 5, котел-утилизатор 6, паровую турбину 7, генератор тока 8. При этом число ступеней КНД и КВД выбирается таким, чтобы обеспечить отношение давлений в КВД, равным соответствующей величине, рассчитанной по вышеприведенной формуле, исходя из проектируемого общего КПД ПГУ.

Знак равенства в формуле определяет идеальное барьерное значение отношения давлений в компрессоре высокого давления, необходимое для получения достаточно значимого увеличения по удельной работе бинарной ПГУ с промежуточным охлаждением. Превышение принимаемого отношения давлений в КВД против установленного барьерного значения приводит к снижению эффекта по удельной работе, при малозначимом для всего цикла ПГУ возможном росте по КПД, и его следует устанавливать исходя только из необходимости компенсации допустимых гидравлических потерь между КНД и КВД в случае допущения их существенных величин. Такое повышение устанавливается в каждом случае в результате подробного расчета цикла, с учетом всех особенностей устройств, при разделении компрессорной группы на КНД и КВД.

Устройство работает следующим образом.

Атмосферный воздух, пройдя КНД 1, охлаждается в промежуточном охладителе 2, поступает в КВД 3 и далее в камеру сгорания 4. Продукты сгорания после камеры сгорания 4 расширяются в газовой турбине 5, после которой подаются в паровой котел-утилизатор 6. Мощность газовой турбины снимается в генераторе тока 8 или в другом устройстве - потребителе механической энергии. Генерируемый в котле-утилизаторе 6 пар направляется в паровую турбину 7, мощность которой, так же как и мощность газовой турбины, передается потребителю мощности.

Для подтверждения возможности решения поставленной задачи с применением заявляемой формулы приводим пример сопоставительного тестового расчета термодинамических циклов ПГУ без промежуточного охлаждения воздуха в компрессоре и ПГУ с достижением такого же КПД_ПГУ при ГТУ тех же параметров, но с промежуточным охлаждением воздуха. В соответствии с получаемым результатом определяется оптимальное соотношение ступеней сжатия КНД и КВД.

Проводимый расчет основан на использовании официальных данных по фактически действующим образцам ГТД и ПГУ. Взяты данные по наиболее эффективной ПГУ с ГТД типа LM6000 с частотой вращения 50 герц фирмы Fiat Avio типа СС50 (1), у которой: КПД_ПГУ=52,8%, мощность ПГУ-53800 МВт, мощность ГТД=39200 МВт; мощность паровой турбины 14600 МВт. Остальные данные по ГТД приняты по данным LM6000-PC - разработчика этой газовой турбины фирмы General Electric Industrial Airoderivate Gas Turbines, в соответствии с которыми:

расход воздуха в цикле G=127 кг/с;

отношение давлений в компрессоре П_К*=29,4;

начальная температура принята 1250° С.

В результате расчета термодинамического цикла с использованием этих данных получено, что им соответствуют мощность компрессора N_К=68,43 МВт, при η _ад.=0,854, что соответствует η _пол=0,9. Мощность вала турбины 107,6 МВт. Подвод теплоты с топливом 97,62 МВт. КПД ГТД в составе ПГУ=39,17%, при мощности 39,2 МВт.

Затем в ПГУ, при одинаковом расходе воздуха через компрессор в компрессорной группе, вводится промежуточное охлаждение. В соответствии с предлагаемой формулой рассчитывается отношение давлений в КВД, необходимое для сохранения КПД ПГУ после введения промежуточного охлаждения.

При К=1,4; η _П=0,9; получаем π *_КВД≈_{11 - (это барьерное значение) без учета возможных дополнительных потерь в охладителе.}

С учетом знака в формуле ≥ и сохранении, несмотря на потери при промежуточном охлаждении, давления перед турбиной одинакового с расчетом ГТУ типа LM6000 при π _К=29,4, в сопоставляемом варианте принимается несколько большее значение π *_{К КВД}=12 и π *_{К КНД}=2,5.

Из сопоставительного газодинамического тестового расчета циклов следует, что при использовании в схеме ПГУ с ГТД типа LM6000, но с промежуточным охлаждением между КНД и КВД с рассчитанным отношением давлений 2,5× 12 при потере давления в охладителе 2% и начальной тепловой температуре перед КВД, равной 35° С, мощность компрессорной группы снизилась до 58,34 МВт (на 17%), мощность ГТУ увеличилась до 51,5 МВт (на 31%).

Подвод теплоты в цикле увеличился до 121,4 МВт, КПД ГТУ увеличился до 41,5% (на 6% относительных). Мощность ПГУ увеличилась до 65,3 МВт (на 24%). Мощность паровой турбины практически не изменилась. КПД ПГУ остался на уровне 52,8%.

Расчет с увеличенной степенью повышения давления в КВД до 15 и соответствующее перераспределение давлений в КНД и КВД показывает несколько большее увеличение КПД ПГУ до 53,18. Однако преимущества в мощностных показателях при этом значительно уменьшаются.

Таким образом, установка в ПГУ с промежуточным охлаждением КНД и КВД с числом ступеней, обеспечивающих отношение давлений в компрессорах, рассчитанное по заявляемой формуле, обеспечивает повышение эффективности бинарной ПГУ с промежуточным охлаждением по удельной работе.

Источники информации

1. GTW Handbook 1999-2000 Electric Power, Combined Cycle Plant Specification, p.47, 61.

2. J.G.Rice "Thermodynamic Evaluation of gas Turbine Cogeneration Cycles". Энергетические машины и установки. Труды американского общества инженеров-механиков. №1, 1987 г., стр.8.

3. Патент РФ №2084644, опубл. 20.07.1997.

4. Авторское свидетельство №1560733, опубл. 30.04.90.

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано при создании и модернизации комбинированных бинарных парогазовых установок (ПГУ). Бинарная парогазовая установка содержит компрессор 1 низкого давления (КНД), промежуточный охладитель 2 воздуха, компрессор 3 высокого давления (КВД), камеру 4 сгорания, газовую турбину 5, котел-утилизатор 6, паровую турбину 7, генератор тока 8. При этом число ступеней КНД и КВД выбирается таким, чтобы обеспечить отношение давлений в КВД, равным соответствующей величине, рассчитанной по формуле

исходя из проектируемого общего КПД ПГУ. Изобретение позволяет решить задачу повышения эффективности бинарной ПГУ с промежуточным охлаждением по удельной работе за счет выполнения оптимального соотношения ступеней КНД и КВД. 1 ил.

Бинарная парогазовая установка, содержащая последовательно установленные компрессор низкого давления, промежуточный охладитель воздуха, компрессор высокого давления, камеру сгорания, газовую турбину, котел-утилизатор и паровую турбину, отличающаяся тем, что количество ступеней компрессора низкого давления и компрессора высокого давления выбирается таким, что отношение давлений в компрессоре высокого давления определяется выражением

где - отношение давлений в компрессоре высокого давления;

k - показатель изоэнтропы;

η_П — политропический КПД компрессора;

η_ПГУ - мощностной КПД парогазовой установки.