СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГАЗОПАРОВОЙ ТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ И ПРЕДНАЗНАЧЕННАЯ ДЛЯ ЭТОГО ГАЗОПАРОВАЯ ТУРБИННАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2012 года по МПК F22D7/00 F01K23/10 

Изобретение относится к способу эксплуатации газопаровой турбинной установки, в которой выходящий из газовой турбины дымовой газ проходит через утилизационный парогенератор и в котором циркулирующая среда для приведения в действие паровой турбины проходит в контуре циркулирующей среды, включающем множество ступеней давления, причем, по меньшей мере, одна ступень давления имеет испарительный обвод с паровым барабаном, с множеством присоединенных к паровому барабану опускных труб и с множеством включенных после опускных труб также присоединенных к паровому барабану и нагреваемых дымовым газом в утилизационном парогенераторе подъемных труб. Кроме того, изобретение относится к газопаровой турбинной установке, предназначенной для такого способа эксплуатации.

В газопаровой турбинной установке содержащееся в разреженном рабочем веществе или дымовом газе, выходящем из газовой турбины, тепло используют для выпаривания циркулирующей среды, как правило, воды. Полученный таким образом (водяной) пар используется для приведения в действие паровой турбины. При этом теплообмен происходит в утилизационном котле или в утилизационном парогенераторе, соединенном по стороне дымового газа с газовой турбиной, в котором расположены нагревательные поверхности в виде труб или секций труб, в которых проходит испаряемая циркулирующая среда. Такие нагревательные поверхности, как правило, являются компонентами контура циркулирующей среды, например контура водяного пара, включающего также паровую турбину и по стороне циркулирующей среды соединенный с ней конденсатор, причем выходящее из паровой турбины разреженное рабочее вещество после конденсации в конденсаторе снова подают на нагревательные поверхности утилизационного парогенератора. Наряду с испаряющими нагревательными поверхностями в утилизационном парогенераторе могут быть предусмотрены дополнительные нагревательные поверхности, в частности для предварительно нагревания конденсата или питательной воды или для перегревания полученного газа. Кроме того, в утилизационный парогенератор может быть интегрирован дополнительный нагреватель, например топка на жидком топливе для повышения температуры дымового газа выше имеющегося уровня на выходе газовой турбины или для поддержания объема пара в утилизационном котле при отключенной или приостановленной газовой турбине (так называемая работа на жидком топливе).

Как правило, контур циркулирующей среды включает несколько, например три ступени давления с одним испарительным сегментом в каждой. Зарекомендовавшая себя вследствие относительной простоты конструкции и обслуживания конструктивная и расчетная концепция таких испарительных сегментов базируется на принципе естественной циркуляции, по крайней мере, в диапазоне докритических давлений пара. При этом расположенный сверху проточного канала дымового газа утилизационного парогенератора паровой барабан, иногда обозначаемый как «верхний барабан», служит в качестве резервуара для поступающего от конденсатного или питательного насоса подогретого конденсатным подогревателем или экономайзером конденсата или питательной воды. Во время эксплуатации за счет собственного веса или гидростатического давления водяного столба часть запаса воды непрерывно спускается через присоединенные к днищу или к отстойнику парового барабана необогреваемые опускные трубы. С помощью промежуточного распределительного коллектора, иногда обозначаемого как «нижний барабан», опустившаяся вода распределяется по множеству параллельно соединенных в нагревательные поверхности нагреваемых испускаемым теплом, содержащемся в дымовом газе, или с помощью дополнительной горелки утилизационного котла подъемных труб, в которых происходит требуемое испарение. При этом образованные подъемными трубами нагревательные поверхности могут быть расположены как часть ограждающей стенки утилизационного котла или в виде ширмовых нагревательных поверхностей внутри проточного канала дымового газа, окруженного ограждающей стенкой.

Вследствие меньшей по сравнению с жидким агрегатным состоянием плотности образующаяся в подъемных трубах при (частичном) выпаривании воды пароводяная смесь поднимается вверх и затем снова поступает в паровой барабан над поверхностью жидкости, таким образом, замыкая испарительный обвод. В паровом барабане происходит пароводяная сепарация, обозначаемая также как фазовая сепарация; находящийся над поверхностью воды в условиях насыщенного пара водяной пар отбирают через присоединенной к головке парового барабана паросъемный трубопровод и после перегрева, если это необходимо, подают его для дальнейшего использования, например, для приведения в движение паровой турбины.

Если в основе работы испарителя лежит принцип принудительной циркуляции, ступени испарителя имеют похожую конструкцию, однако дополнительно имеют включенный в испарительный обвод циркуляционный насос, который поддерживает рециркуляцию воды или пароводяной смеси или принудительно вызывает ее.

Вследствие ограниченной допустимой термонагрузки традиционно применяемых материалов для стенок нагревательных или подъемных труб в соответствии с уровнем техники при эксплуатации парогазовой турбинной установки вышеописанного типа необходимо обеспечивать достаточную подачу циркулирующей среды, как правило, воды или пароводяной смеси в подъемные трубы соответствующих ступеней испарителя во всех режимах эксплуатации. При этом стоит задача обеспечить заданное минимальное охлаждение стенок труб вследствие переноса тепла с внутренних поверхностей стенок труб на частично испаряющуюся циркулирующую среду и таким образом предотвратить возможные повреждения испарительного обвода и риск возникновения вследствие этого сбоев в эксплуатации. Другими словами, ни при каких условиях нельзя допускать так называемый сухой режим работы испарителя или режим со сниженным уровнем воды, при котором столб жидкости в паровом барабане и в соединенных с ним опускных трубах падает ниже уровня стыка опускных труб, или же опускные трубы и соединенные с ними последовательно подъемные трубы эксплуатируются полностью сухими так, что почти прекращает протекать циркулирующая среда.

Эти соображения были также учтены в действующем международном регулирующем документе DIN EN 12952, который распространяется в соответствии с частью 1 на «водотрубный котел объемом более 2 литров для получения пара и/или горячей воды с допустимым давлением более 0,5 бар и температурой выше 110°C» и в соответствии с частью 7 устанавливает допустимый минимальный уровень воды в паровом барабане на «150 мм выше самой высокой нагреваемой части барабана и самого верхнего стыка опускной трубы (верхнего края) на барабане котла». Хотя введенные в Германии в 2002 г. заменяющие международные стандарты DIN IEC 61508 и DIN IEC 61511 теперь не содержат таких подробных норм в явной форме, установленные в них требования к безопасности не стали менее строгими несмотря на более гибкие общие требования.

Чтобы обеспечить вышеназванные наименьшие уровни заполнения жидкой циркулирующей средой в паровом барабане, например, при быстрых изменениях нагрузки утилизационного парогенератора или при подаче питательной воды в случае непредвиденного прерывания или отключения при возникновении неисправности и, в частности, чтобы надежным и щадящим для материалов способом отводить в последнем случае имеющееся в системе тепло уходящих газов, обычно с учетом «предохранительного допуска» выбирается больший объем парового барабана и поддерживающиеся в нем количества циркулирующей среды (питательной воды) в нормальном режиме. Однако это трудоемко в изготовлении и, следовательно, имеет высокую себестоимость.

Из-за важности, которую имеет поддержание минимального уровня воды в паровом барабане, в существующих установках производится избыточное тройное измерение или контроль текущего уровня наполнения по отношению к днищу барабана или верхнему краю опускной трубы, что в значительной степени усложняет проектирование соответствующих предохранительных устройств. Как только выбор «два из трех» для трех измерений сообщает о падении уровня воды ниже заданного предельного значения, например, 150 мм в соответствии с требованиями DIN EN 12952, с помощью предохранительной системы прекращают дальнейшую подачу горячих отработавших газов газовой турбины в утилизационный парогенератор, например, с помощью аварийной остановки газовой турбины или отработавшие газы с помощью управления соответствующим клапаном направляют в обход утилизационного парогенератора в байпасную трубу для отвода газов. Однако в отношении обеспечения более высокой степени готовности установки подобная аварийная остановка является крайне нежелательной.

Более того, предписываемое в настоящее время поддержание уровня воды в барабане среднего и низкого давления выше минимального уровня при работе на жидком топливе требует сложного управления входной температурой для экономайзера системы высокого и среднего давления и для конденсаторного подогревателя. Изменения стационарных состояний вследствие различных условий эксплуатации при работе на жидком топливе приводят к внутренним тепловым смещениям в утилизационном парогенераторе, которые влияют на поглощение тепла испарителем среднего и низкого давления. Это может приводить, например, к колебаниям уровней воды в барабане среднего и низкого давления и нежелательному повышению давления в барабане низкого давления. Чтобы колебания не выходили за границы, требующиеся для устойчивой работы, количества воды нужно, дополнительно дублируя, регулировать с помощью байпасных вентилей экономайзера высокого и среднего давления, что требует значительных затрат на регулирование.

Наконец, предписываемое в настоящее время поддержание минимального уровня воды в барабане низкого давления в «спящем режиме» приводит к дополнительным расходам из-за необходимости достаточно больших размеров барабана пара низкого давления, что подробно изложено в патентном описании DE 100 04 178 C1, интересном с точки зрения базовой концепции, когда при экстренном отключении паровой турбины полученный в ступени высокого давления пар высокого давления направляют по байпасному трубопроводу непосредственно в конденсатор (обходной режим), в то время как с помощью целенаправленного смещения давления и смещения передачи и поглощения тепла в утилизационном генераторе необходимо прекратить создание пара среднего и низкого давления. В этом случае падение уровня воды в барабане низкого давления при экстренном отключении паровой турбины именно из-за целенаправленно вызываемого повышения давления в системе низкого давления очень заметно. Вопреки первоначальному изучению концепции на практике нельзя полностью отказаться от станции преобразования низкого давления, которая соответственно уменьшает падение уровня воды при экстренном отключении паровой турбины.

Поэтому задача изобретения состоит в создании способа эксплуатации газопаровой турбинной установки описанного в начале типа, который может легко адаптироваться к различным режимам эксплуатации, будучи надежным и безопасным в эксплуатации, и не требует больших затрат на проектирование компонентов соответствующего испарительного обвода. Кроме того, необходимо создать предназначенную для осуществления способа газопаровую турбинную установку. Способ предлагает решение задачи посредством контроля высоты столба циркулирующей жидкости в присоединенных к паровому барабану опускных трубах.

Изобретение основано на идее, что благодаря достигнутым достижениям в технологии и разработке материалов для нагревательных труб испарителя по сравнению с существующей до сих пор профессиональной точкой зрения технически реализуемо и экономически эффективно проектирование такой газопаровой турбинной установки, в которой, по меньшей мере, временно при особых режимах эксплуатации допустим частичный или полный сухой режим испарительного обвода, т.е. падение уровня жидкости в опускных трубах ниже уровня парового барабана.

Чтобы избежать при этом долговременных повреждений материала и связанных с этим эксплуатационных рисков, с одной стороны, термоустойчивость расположенных в канале циркуляции утилизационного парогенератора подъемных труб или образованных ими нагревательных поверхностей обычно рекомендуется рассчитывать исходя из возникающих температур дымовых газов на участке их монтажа, например 300°C для испарителя среднего давления или 200°C для испарителя низкого давления. До сих пор существующее охлаждение с помощью обычно циркулирующей в трубах среды не нужно учитывать при расчете температур для возможного сухого режима. Эти требования выполняются за счет множества известных специалистам марок стали, чьи температурные рабочие характеристики лежат частично выше 400°C, а их применение также является экономически эффективным.

С другой стороны, существующая до сих пор концепция контроля и предупреждения для подобной газопаровой турбинной установки и, в частности, для ее испарительных обводов, которая учитывает временные сухие режимы эксплуатации, нуждается в последовательной адаптации к изменившимся по отношению к существовавшим до сих пор принципам проектирования термическим нагрузкам и угрозам для конструкционной целостности компонентов испарителя. В качестве основного исходного значения для вспомогательной системы контроля и для принятия решения о способе и объеме необходимых предупреждающих мероприятий нужно, прежде всего, регистрировать показатель, который надежно будет информировать о начале сухого режима, а также о его «масштабах».

По этой причине в соответствии с представленной здесь концепцией, выходящей за рамки применяемого до сих пор метода измерения уровня наполнения в паровом барабане, предусмотрена регистрация измерений высоты уровня наполнения столба жидкой циркулирующей среды внутри опускных труб испарительного обвода. Другими словами, измерительное устройство информирует не только о том, опустился ли уровень жидкости в паровом барабане ниже минимального или ниже уровня стыка опускной трубы, но также и получает более точную количественную оценку этого состояния, контролируя другой уровень или множество дискретных точек замера высоты внутри опускной трубы и измеримо дифференцируя их. Разумеется, из соображений целесообразности можно предусмотреть также непрерывное или квазинепрерывное изменение высоты наполнения в опускной трубе, относительно расположенного на нижнем крае трубы распределительного коллектора.

Поскольку к паровому барабану присоединены несколько опускных труб и параллельно включены по стороне потока с общим распределительным коллектором, в соответствии с принципом сообщающихся труб во всех опускных трубах обычно устанавливается одинаковый уровень наполнения так, что состояние наполнения предпочтительно контролировать только в одной из труб.

Кроме того, в предпочтительном варианте исполнения контролируют температуру дымового газа в зоне подъемных труб, причем в режиме эксплуатации с уровнем жидкости в опускных трубах ниже стыка с паровым барабаном запускают предупреждающие мероприятия, как только температура дымового газа в зоне присоединенных после опускных труб подъемных труб превысит заданное предельное значение.

Таким образом контролируют температуру нагрева, действующую снаружи на подъемные трубы, именно в режиме эксплуатации с сопутствующими значительными угрозами при потенциально непосредственно предстоящем или уже начавшемся сухом режиме или при уменьшенном прохождении циркулирующей среды и при превышении значения, которое рассматривается как критическое, запускают предохранительный механизм. При этом, в частности, можно установить каскад дифференцированных предельных значений, при этом при превышении первого предельного значения сначала запускают относительно «мягкие», однако при дальнейшем повышении температуры нарастающие контрмеры.

Предпочтительно соответствующее предельное значение температуры при этом задают в зависимости от полученных в результате измерения уровня наполнения жидкости в опускных трубах так, что охлаждающее воздействие оставшегося количества, проходящего через присоединенные далее подъемные трубы, и при этом испаряющаяся циркулирующая среда могут учитываться соответственно при принятии решения о типе и времени запуска предохранительных мер.

Первая относительно мягкая предохранительная мера предпочтительно состоит в том, что открывают байпасный трубопровод конденсатного подогревателя, присоединенного перед испарительным обводом по стороне циркулирующей среды, или подогревателя питательной воды, вышестоящего и по стороне дымового газа, чтобы при любых различных режимах нагрузки, в частности при пуске или остановке газопаровой турбинной установки, избежать превышения допустимых температур дымового газа перед упомянутыми подогревателями. В случае когда затем снова возобновляют нормальный режим эксплуатации и в упомянутых испарительных ступенях снова генерируется пар, соответствующую испарительную систему наполняют горячей водой из предвключенного экономайзера (в случае испарителя среднего давления) или из конденсатного подогревателя (в случае испарителя низкого давления). Посредством целенаправленного закрытия холодного байпаса конденсатного подогревателя или байпаса экономайзера повышают соответствующую температуру нагрева и снова запускают генерацию пара.

В частности, в системе трех давлений с конденсатным подогревателем, включенным после конденсатного подогревателя экономайзера среднего давления для питательной воды испарителя среднего давления и включенным после экономайзера среднего давления экономайзера высокого давления для питательной воды ступени высокого давления, открытие байпасного трубопровода конденсатного подогревателя или байпасного трубопровода экономайзера среднего давления в типовом случае, как описано в DE 10004187 C1, когда подогреватель низкого давления по газовой стороне расположен перед испарителем среднего давления, а последний, в свою очередь, перед испарителем низкого давления, ведет к предпочтительному побочному эффекту, заключающемуся в том, что теперь испарительный обвод ступени высокого давления питается относительно охлажденной питательной водой так, что из дымового газа газовой турбины уже на входе в утилизационный парогенератор удаляется достаточно много теплоты. По сравнению со ступенью высокого давления умеренная тепловая нагрузка в зоне нагревательных поверхностей среднего и высокого давления при необходимости очень быстро и эффективно снижается. Именно при таком эффективном активизируемом при необходимости предохранительном механизме хорошо переносится временный сухой режим испарительного обвода среднего или низкого давления.

При этом предпочтительно контролировать как высоту столба жидкости в опускных трубах испарителя среднего и/или низкого давления, так и соответствующую температуру дымовых газов, причем вывод о состоянии потенциальной перегрузки одной из двух ступеней давления делается на основании двух соответствующих параметров высоты наполнения и температуры дымовых газов в месте монтажа нагревательных поверхностей. При определении предельных значений температуры для запуска предохранительных мероприятий целесообразно учитывать как объемно изменяющийся нагревательный профиль, так и возможно разный выбор материалов и расчет температур для разных испарительных обводов.

Другое более активное предохранительное мероприятие может состоять в сокращении нагрузки или экстренном отключении газовой турбины, например, путем регулирования байпасного клапана, отводящего, по крайней мере, частично выходящий из газовой турбины дымовой газ в утилизационный парогенератор.

В отношении устройства упомянутая в начале задача решается с помощью газопаровой турбинной установки, в которой устройство измерения уровня для измерения высоты столба, образованного циркулирующей средой, в присоединенных к паровому барабану опускных трубах по стороне сигнального выхода соединено с контрольно-распределительным устройством газопаровой турбинной установки.

Кроме того, предпочтительно, когда контрольно-распределительное устройство соединено по стороне сигнального выхода с устройством измерения температуры, контролирующим температуру дымового газа в зоне подъемных труб, и когда оно сконфигурировано таким образом, что в режиме эксплуатации, когда уровень наполнения жидкости в опускных трубах лежит ниже стыка с паровым барабаном, запускают предохранительное мероприятие, как только измеренная устройством измерения температура превысит заданное предельное значение.

Достигаемые с помощью изобретения преимущества заключаются, в частности, в том, что посредством последовательного расчета архитектуры установки и относящихся к ней предохранительных и контрольных систем обеспечивается безопасность эксплуатации в базирующейся на принципе естественной циркуляции испарительной системе, в частности испарительной системе среднего и/или низкого давления в газопаровой турбинной установке с утилизационным парогенератором, или возможность эксплуатации нагревательных поверхностей даже в сухом режиме, без необходимости остановки работы утилизационного парогенератора или газовой турбины. В частности, возможна настройка гибких минимальных параметров воды в соответствующем испарительном обводе в зависимости от определенных режимов эксплуатации без ущерба надежности.

Можно показать, что новые нормы безопасности, установленные в стандартах DIN IEC 61508 и DIN IEC 61511, позволяют реализовать подобную концепцию или даже выходят за ее рамки. Риск экстренного отключения утилизационного парогенератора при экстренном отключении регулирующих вентилей паровой турбины или при быстром изменении нагрузки значительно снижается, если уровень воды в испарительном обводе может безопасно опуститься ниже уровня барабана. При этом еще более повышается готовность газопаровой турбинной установки, в частности, при быстром пуске, возможность которого приходится учитывать для выравнивания кратковременных колебаний расхода и питания в сети. В частности, для газотурбинных установок без клапана байпасной трубы для отвода газов низкий риск экстренного отключения утилизационного парогенератора приводит к более низким нагрузкам и таким образом меньшему количеству эквивалентных часов эксплуатации газовой турбины. Так можно увеличить промежутки между плановыми осмотрами газовой турбины при неизмененном уровне надежности.

Кроме того, концепция изобретения позволяет снизить затраты на проектирование и конструирование особенно затратных для производства компонентов испарительной системы, так как особенно барабаны пара среднего и низкого давления могут выполняться как более компактные, чем это требовалось ранее. Это особенно важно в рамках вышеупомянутого «спящего режима» эксплуатации при отсутствии станции преобразования низкого давления для испарителя низкого давления, так как необходимое в других случаях для такого режима увеличение барабана теперь требуется в меньшей степени или не требуется совсем. Наконец, требуются меньшие, чем ранее, затраты на автоматическое регулирование для поддержания входных температур конденсатного подогревателя и экономайзера при работе на жидком топливе.

При соответствующей модификации и адаптации представленная здесь концепция может использоваться также для газопаровых турбинных установок с испарительными ступенями, базирующимися на принципе принудительной циркуляции.

Вариант исполнения изобретения подробно описывается с помощью чертежей. При этом на соответствующих схемах изображены:

на фиг.1 - газопаровая турбинная установка,

на фиг.2 - вырез из фиг.1, причем в целях лучшей различимости важнейших компонентов газопаровой турбинной установки опущены некоторые детали фиг.1 или показаны в немного отличной схематичной форме.

Одни и те же части на обоих фигурах имеют одинаковые обозначения.

Газопаровая турбинная установка 1 согласно фиг.1 включает газовую турбинную установку 1a и паровую турбинную установку 1b.

Газовая турбинная установка 1a включает газовую турбину 2 с подключенным воздушным компрессором 4 и включенную перед газовой турбиной 2 камеру 6 сгорания, в которой при подаче сжатого воздуха из воздушного компрессора 4 топливо B сгорает до рабочего вещества или горючего газа A для газовой турбины 2. Газовая турбина 2 и воздушный компрессор 4, а также генератор 8 расположены на валу 10 турбины.

Паровая турбинная установка 1b включает паровую турбину 12 с подключенным генератором 14 и конденсатор 18, включенный после паровой турбины 12 в выполненном как пароводяной контур контуре 16 циркулирующей среды, а также утилизационный парогенератор 20. Паровая турбина 12 имеет первую ступень давления или часть 12a высокого давления и вторую ступень давления или часть 12b среднего давления, а также третью ступень давления или часть 12c низкого давления, которые с помощью общего вала 22 турбины приводят в действие генератор 14.

Для подачи разреженного в газовой турбине 2 рабочего вещества или дымового газа R в утилизационный парогенератор 20 к утилизационному парогенератору 20 со стороны входа подключен выпускной газопровод 24. Разреженный дымовой газ R из газовой турбины 2 выходит со стороны выхода из утилизационного парогенератора 20 в направлении трубы для отвода газов, не изображенной на фигуре.

Утилизационный парогенератор 20 включает в качестве нагревательных поверхностей конденсатный подогреватель 26, который со стороны входа питается конденсатом К из конденсатора 18 через конденсатный трубопровод 28, в который включен конденсатный насос 30. Конденсатный подогреватель 26 со стороны выхода ведет к всасывающей стороне насоса 34 питательной воды. При необходимости конденсатный подогреватель 26 обходится с помощью байпасного трубопровода 36, в который включен подвижный регулируемый вентиль 38.

Насос 34 питательной воды выполнен в примере исполнения как насос высокого давления с забором среднего давления. Он доводит конденсат К до уровня давления, необходимого для ступени 40 высокого давления, соответствующей части 12а высокого давления паровой турбины 12 контура 16 циркулирующего средства. Проходящий через насос питательной воды конденсат K, который обозначен со стороны нагнетания насоса 34 питательной воды как питательная вода S, подается со средним давлением на подогреватель 42 питательной воды. Последний подключен со стороны выхода к барабану 44 пара среднего давления. Аналогично конденсатный подогреватель 26 со стороны выхода через подвижный регулируемый вентиль 46 подключен к барабану 48 пара низкого давления.

Барабан 44 пара среднего давления соединен с размещенным в утилизационном парогенераторе 20 испарителем 50 среднего давления и образует испарительный обвод 52 среднего давления. Испарительный обвод 52 среднего давления включает множество изображенных схематически на фиг.1 опускных труб 54, проходящих снаружи нагреваемого дымовым газом R канала циркуляции утилизационного парогенератора 20, верхний край которых присоединен к отстойнику парового барабана 44 и нижний край которых выходит в не описанный здесь подробно распределительный коллектор. С помощью распределительного коллектора множество параллельно включенных, собранных в расположенные в утилизационном парогенераторе 20 нагревательные поверхности 50 подъемных труб 56 питается жидкой циркулирующей средой, здесь водой, из парового барабана 44 или из опускных труб 54, которая при прохождении через подъемные трубы 56 частично испаряется и при этом поднимается вверх и как пароводяная смесь поступает в паровой барабан 44.

К барабану 44 пара среднего давления подключен по стороне пара перегреватель 58 среднего давления, который соединен со стороны выхода с паровыпускным трубопроводом 62, соединяющим часть 12a высокого давления с промежуточным перегревателем 60. Промежуточный перегреватель 60, в свою очередь, со стороны выхода присоединен к части 12b среднего давления паровой турбины 12 через паропровод 64, в который включен подвижный регулируемый вентиль 66.

Насос 34 питательной воды по стороне высокого давления проходит через первый экономайзер 68 высокого давления и включенный после него по стороне питательной воды и предвключенный по стороне дымового газа внутри утилизационного парогенератора 20 второй экономайзер 70 высокого давления к барабану 72 пара высокого давления. Барабан 72 пара высокого давления, в свою очередь, соединен с расположенным в утилизационном парогенераторе 20 испарителем 74 высокого давления и образует испарительный обвод 80, включающий множество опускных труб 76 и подъемных труб 78. Для отвода свежего пара F барабан 72 пара высокого давления подключен к расположенному в утилизационном парогенераторе 20 перегревателю 82 высокого давления, который на стороне выхода соединен с частью 12a высокого давления паровой турбины 12 через трубопровод 84 свежего пара с подвижным регулируемым вентилем 86. Первый экономайзер 68 высокого давления также шунтирован байпасным трубопроводом 88, в который также включен подвижный регулируемый вентиль 90.

Подогреватель 42 питательной воды и испаритель 50 среднего давления, а также перегреватель 58 среднего давления образуют вместе с промежуточным перегревателем 60 и частью 12b среднего давления паровой турбины 12 ступень 92 среднего давления выполненного как пароводяной контур циркуляционного контура 16 циркулирующей среды. Аналогично расположенный в утилизационном парогенераторе 20 и образующий вместе с присоединенным барабаном 48 низкого давления испарительный обвод 94 испаритель 96 низкого давления образует вместе с перегревателем 98 низкого давления, соединенным по стороне пара с барабаном 48 низкого давления, и частью 12c низкого давления паровой турбины 12 ступень 100 низкого давления контура 16 циркулирующей среды. Аналогично обводу 80 высокого давления и обводу 52 среднего давления обвод 94 низкого давления состоит из множества присоединенных к паровому барабану 48 опускных труб 102 и множества подключенных после них по стороне циркулирующей среды подъемных труб 104. Со стороны выхода перегреватель 98 низкого давления через паропровод 106, в который включен подвижный регулируемый вентиль 108, соединен с выходом части 12c низкого давления паровой турбины 12.

При необходимости обвода части 12a высокого давления паровой турбины 12 трубопровод 84 свежего пара, связывающий перегреватель 82 высокого давления с частью 12а высокого давления, через паропровод 110, в который включен подвижный регулируемый вентиль, напрямую связывают с конденсатором 18. При этом служащий в качестве обвода высокого давления паропровод 110 подключен в направлении потока свежего пара F перед вентилем 86 к трубопроводу 84 свежего пара.

Чтобы при низких затратах на проектирование и изготовление обеспечить гибкость адаптации режима эксплуатации к различным требованиям, газопаровая турбинная установка 1 рассчитывается таким образом, что уровень наполнения жидкой циркулирующей среды в опускных трубах 54, 102 испарительного обвода 52 среднего давления и испарительного обвода 94 низкого давления, по крайней мере, временно может опускаться ниже уровня подключения к соответствующим паровым барабанам 44, 48, если это необходимо вплоть до полностью сухого режима испарительных обводов 52 или 94.

Для этой цели материал стенок подъемных труб 56, 104, включенных по стороне циркулирующей среды после опускных труб 54, 102, конвективно нагреваемых посредством контакта с дымовым газом, с точки зрения термостойкости выбирают таким образом, что их температурный диапазон лежит выше обычно наблюдаемых или максимально возможных в этом участке утилизационного парогенератора 20 температур дымового газа R. Например, температура дымового газа R в зоне испарителя 50 среднего давления при обычных условиях составляет около 300°C, в зоне испарителя 96 низкого давления - около 200°C. Поскольку, например, подъемные трубы 56 испарителя 50 среднего давления имеют термостабильность, рассчитанную на примерно 400°C, а подъемные трубы 104 испарителя 96 низкого давления имеют термостабильность, рассчитанную на примерно 300°C, как правило, имеются достаточные запасы надежности, чтобы перенести временный сухой режим, например, при запуске или остановке газопаровой турбинной установки 1 или при быстрых изменениях нагрузки. Таким образом, в частности, барабан 44 пара среднего давления и барабан 48 пара низкого давления могут изготавливаться достаточно компактными, так как до сих пор поддерживаемые для выравнивания различных скоростей генерации пара и для обеспечения постоянного питания подъемных труб 56, 104 циркулирующей средой объемы жидкости могут стать сравнительно меньше.

Кроме того, чтобы также и в случае непредусмотренных температурных пиков во время непосредственно предстоящего или уже начавшегося сухого режима испарительный обвод 52 среднего давления и/или испарительный обвод 94 низкого давления можно было соответствующим образом реагировать, запуская предохранительные мероприятия, газопаровая турбинная установка 1 оборудована спроектированным для контроля и управления или регулирования таких режимов эксплуатации системой контроля и управления. В частности, контролируют независимо друг от друга далее описываемым способом испарительный обвод 52 среднего давления и испарительный обвод 94 низкого давления.

Контроль за испарительным обводом 94 низкого давления осуществляют следующим образом: наряду с до сих пор обычно применяемым контролем уровня воды в барабане 48 пара низкого давления, на фиг.2 схематически обозначенным двойной стрелкой 114, теперь предусмотрен контроль уровня заполнения, включающий также подключенные к барабану 48 пара низкого давления опускные трубы 102, здесь схематически обозначенные двойной стрелкой 116. Здесь подробно не представленное устройство измерения уровня заполнения измеряет высоту столба воды по отношению к самой нижней точке опускных труб 102, которая при нормальном режиме газопаровой турбинной установки 1 поднимается до парового барабана 48, а при экстренных ситуациях теперь так, как описано выше, может опускаться ниже уровня верхних стыков опускных труб. Также можно предусмотреть, что уровень заполнения соотносится со стыками опускных труб, т.е. с самой нижней точкой парового барабана 48, и, например, лежащий над ним уровень заполнения обозначается положительным знаком, а лежащий ниже уровень заполнения - отрицательным знаком. Таким образом, если высота опускных труб 102 составляет два метра, то уровень заполнения «минус 1,9 м» сигнализирует о потенциально предстоящем полностью сухом режиме.

Таким способом измеренный уровень заполнения жидкой циркулирующей среды в опускных трубах 102 испарительного обвода 94 низкого давления передается на здесь подробно не представленный блок обработки результатов устройства контроля и управления газопаровой турбинной установки 1. Следующим входным значением для контроля является температура T₁ дымового газа R в зоне подъемных труб 104, которую в примере варианта исполнения в соответствии с фиг.2 регистрируют с помощью устройства 118 измерения температуры или его чувствительного температурного датчика, расположенного в направлении потока дымового газа R непосредственно перед подъемными трубами 104 в утилизационном парогенераторе 20 и показанном здесь только схематически. Устройство контроля и управления выполнено или запрограммировано таким образом, что оно, по крайней мере, в режиме эксплуатации с уровнем жидкости в опускных трубах 102 ниже подключения к паровому барабану 48 запускает предохранительные мероприятия, как только измеренная устройством 118 измерения температуры температура T₁ превысит заданное предельное значение. Это предельное значение, в частности, может быть установлено в зависимости от уровня заполнения жидкости в опускных трубах 102.

Если, например, граница температурного диапазона подъемных труб 104 испарительного обвода 94 низкого давления составляет 300°C, то при заполненных примерно наполовину опускных трубах 102 первое предельное значение можно установить равным 290°C, при котором сначала открывают расположенный в байпасном трубопроводе 36 конденсатного подогревателя 26 вентиль 38. В случае полностью сухого режима эксплуатации данное первое предельное значение целесообразно устанавливать более низким, например приблизительно 270°C.

Открытие вентиля 38 приводит к тому, что конденсат K на стороне всасывания насоса 34 питательной воды имеет температуру T_M смеси, которая устанавливается вследствие, по меньшей мере, частичного обтекания конденсатного подогревателя 26. Также при подогреве частичного потока K' в конденсатном подогревателе 26 устанавливается температура T_M смеси, которая ниже температуры T_K" конденсата K, выходящего из конденсатного подогревателя 26 при работе паровой турбины 12. Таким образом сравнительно холодная питательная вода S попадает как в подогреватель 42 питательной воды, так и в первый экономайзер 68 высокого давления, благодаря чему дымовой газ R в направлении потока перед ступенью 100 низкого давления сравнительно сильно охлаждается. Благодаря этому ступень 100 низкого давления, т.е., в частности, испаритель 96 низкого давления, получает сравнительно меньше теплоты, в то время как одновременно сравнительно более холодный конденсат К поступает в барабан 48 пара низкого давления через конденсатный трубопровод 120. При этом в зависимости от положения вентиля 38 температурная нагрузка подъемных труб 104 ступени 100 низкого давления значительно уменьшается, и одновременно снова повышается уровень воды в барабане 48 пара низкого давления или в присоединенных к нему опускных трубах 102 так, что при необходимости можно активно и целенаправленно противодействовать возникновению потенциально опасных эксплуатационных состояний, обусловленных временным сухим режимом работы испарительного обвода 94 низкого давления.

Если же несмотря на описанные мероприятия температура T₁ дымового газа R в зоне испарителя 96 низкого давления продолжает подниматься и превышает второе предельное значение, равное, например, 320°C при заполненных водой наполовину опускных трубах 102 или, например, 300°C при сухом режиме, то устройство контроля и управления газопаровой турбинной установки 1 запускает дальнейшие предохранительные мероприятия, например экстренное отключение газовой турбинной установки 1a.

Аналогичное верно для контроля испарительного обвода 52 среднего давления. То есть предусмотрено, с одной стороны, устройство измерения уровня заполнения, обозначенное двойной стрелкой 124, для измерения высоты образованного циркулирующей средой столба жидкости в присоединенных к паровому барабану 44 опускных трубах 54 и, с другой стороны, расположенное в канале дымового газа непосредственно перед подъемными трубами 56 устройство 126 измерения температуры для измерения температуры T₂ дымового газа в зоне подъемных труб 56. Аналогично испарительному обводу 94 низкого давления связанное с датчиками температуры и измерения уровня устройство контроля и управления выполнено таким образом, что в режиме эксплуатации с уровнем заполнения жидкости в опускных трубах 54 ниже подключения к барабану 44 пара среднего давления оно запускает предохранительные мероприятия, как только определенная устройством 126 измерения температуры температура T₂ дымового газа превысит заданное предельное значение.

Первое предохранительное мероприятие может, например, опять состоять в том, чтобы открыть вентиль 38 в байпасном трубопроводе 36 конденсатного подогревателя 26. Альтернативно или дополнительно можно открыть вентиль 90 в байпасном трубопроводе 88 первого экономайзера 68 высокого давления так, что во второй экономайзер 70 высокого давления поступает сравнительно более холодная питательная вода S. Поэтому второй экономайзер 70 высокого давления отбирает у проходящего в этой зоне утилизационного парогенератора 20 дымового газа R по сравнению с режимом эксплуатации с закрытыми байпасными вентилями 38, 90 дополнительную теплоту, которую больше не получают подключенные после по стороне дымового газа нагревательные поверхности среднего давления или подъемные трубы 56. Вследствие этого, в частности, можно уменьшить температурную нагрузку подъемных труб 56 при сухом режиме эксплуатации. Вторые более активные предохранительные мероприятия могут заключаться опять в экстренном отключении газовой турбинной установки 1a.

Особые преимущества имеет возможность временно эксплуатировать в сухом режиме испарительный обвод 52 среднего давления или испарительный обвод 94 низкого давления при так называемом обходном режиме. Такой обходной режим, предусматриваемый, в частности, при запуске или остановке паровой турбины 12, а также при аварийном отключении паровой турбины, приводит к переводу генерируемого свежего пара F с обходом паровой турбины 12 непосредственно в конденсатор 18. Для этого закрывают вентиль 86 и открывают вентиль 112. Параллельно конденсатный подогреватель 26, по крайней мере, частично обтекается, когда открывают расположенный в байпасном трубопроводе 36 вентиль 38. При необходимости также открывают вентиль 90 в байпасном трубопроводе 88 так, что вследствие вышеописанных тепловых смещений в утилизационном парогенераторе 20 продукция пара низкого давления и при необходимости также пара среднего давления дросселируется или полностью прекращается. Вследствие этого производится только пар высокого давления или свежий пар F, который, тем не менее, непосредственно вводят в конденсатор 18 через обходящий паровую турбину 12 паропровод 110. Благодаря возможности безопасной эксплуатации испарительного обвода 52 среднего давления и/или испарительного обвода 94 низкого давления в сухом режиме можно отказаться от обычно необходимого в газопаровых турбинных установках без обводных станций увеличения барабана 44 пара среднего давления или барабана 48 пара низкого давления по сравнению с установками с обводными станциями.

Изобретение относится к энергетике. При эксплуатации газопаровой турбинной установки выходящий из газовой турбины дымовой газ проходит через утилизационный парогенератор, в котором циркулирующее средство для приведения в движение паровой турбины проходит в контуре циркулирующей среды, включающем множество ступеней давления, причем, по меньшей мере, одна ступень давления имеет испарительный обвод с паровым барабаном, с множеством присоединенных к паровому барабану опускных труб и с множеством включенных после опускных труб также присоединенных к паровому барабану и нагреваемых дымовым газом в утилизационном парогенераторе подъемных труб. Контролируют высоту столба жидкости, образованного циркулирующей средой в присоединенных к паровому барабану опускных трубах, таким образом определяют и предотвращают временный сухой режим эксплуатации испарительного обвода. Изобретение позволяет обеспечить гибкость адаптации процесса эксплуатации к различным требованиям при сохранении высокой надежности и эксплуатационной безопасности. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ эксплуатации газопаровой турбинной установки (1), при котором выходящий из газовой турбины (2) дымовой газ (R) проходит через утилизационный парогенератор (20), и при котором применяемая для приведения в движение паровой турбины (12) циркуляционная среда проходит в контуре (16) циркулирующей среды, включающем множество ступеней (40, 92, 100) давления, причем, по меньшей мере, одна ступень (100) давления имеет испарительный обвод (94) с паровым барабаном (48), с множеством присоединенных к паровому барабану (48) опускных труб (102) и с множеством включенных после опускных труб (102) и также присоединенных к паровому барабану (48) и нагреваемых дымовым газом (R) в утилизационном парогенераторе (20) подъемных труб (104), отличающийся тем, что контролируют высоту образованного циркулирующей средой в подключенных к паровому барабану (48) опускных трубах (102) столба жидкости.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что контролируют температуру (T₁) дымового газа (R) в зоне подъемных труб (104), причем в рабочем состоянии с уровнем заполнения жидкости в опускных трубах (102) ниже присоединения к паровому барабану (48) запускают предохранительные мероприятия, как только температура (T₁) дымового газа (R) в зоне подключенных после опускных труб (102) подъемных труб (104) превысит заданное предельное значение.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что предельное значение задают в зависимости от уровня заполнения жидкости в опускных трубах (102).

4. Способ по п.2 или 3, отличающийся тем, что в качестве предохранительного мероприятия открывают байпасный трубопровод (36) включенного перед испарительным обводом (94) по стороне циркулирующего средства конденсатного подогревателя (26) или перед испарительным обводом (94) по стороне дымового газа подогревателя (68) питательной воды.

5. Способ по п.2 или 3, отличающийся тем, что в качестве предохранительного мероприятия запускают снижение мощности или аварийное отключение газовой турбинной установки (1а), и/или выходящий из газовой турбины (2) дымовой газ (R), по крайней мере, частично обводят мимо утилизационного парогенератора (20).

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что в качестве предохранительного мероприятия запускают снижение мощности или аварийное отключение газовой турбинной установки (1а), и/или выходящий из газовой турбины (2) дымовой газ (R), по крайней мере, частично обводят мимо утилизационного парогенератора (20).

7. Способ по любому из пп.1-3, 6, отличающийся тем, что в контуре (16) циркулирующего средства, включающем, по меньшей мере, три ступени (40, 92, 100) давления с испарительным обводом (80, 52, 94) в каждой, причем подъемные трубы (78, 56, 104) испарительных обводов (80, 52, 94) с точки зрения направления потока дымового газа (R) расположены друг за другом в утилизационном парогенераторе (20), контролируют высоту столба жидкости в опускных трубах (102) последнего с точки зрения направления потока дымового газа (R) испарительного обвода (94), предпочтительно выполненного как испарительный обвод низкого давления.

8. Способ по п.4, отличающийся тем, что в контуре (16) циркулирующего средства, включающем, по меньшей мере, три ступени (40, 92, 100) давления с испарительным обводом (80, 52, 94) в каждой, причем подъемные трубы (78, 56, 104) испарительных обводов (80, 52, 94) с точки зрения направления потока дымового газа (R) расположены друг за другом в утилизационном парогенераторе (20), контролируют высоту столба жидкости в опускных трубах (102) последнего с точки зрения направления потока дымового газа (R) испарительного обвода (94), предпочтительно выполненного как испарительный обвод низкого давления.

9. Способ по п.5, отличающийся тем, что в контуре (16) циркулирующего средства, включающем, по меньшей мере, три ступени (40, 92, 100) давления с испарительным обводом (80, 52, 94) в каждой, причем подъемные трубы (78, 56, 104) испарительных обводов (80, 52, 94) с точки зрения направления потока дымового газа (R) расположены друг за другом в утилизационном парогенераторе (20), контролируют высоту столба жидкости в опускных трубах (102) последнего с точки зрения направления потока дымового газа (R) испарительного обвода (94), предпочтительно выполненного как испарительный обвод низкого давления.

10. Способ по п.7, отличающийся тем, что, кроме того, контролируют высоту столба жидкости в опускных трубах (54) предпоследнего с точки зрения направления потока дымового газа (R) испарительного обвода (52), предпочтительно выполненного как испарительный обвод среднего давления.

11. Способ по п.8 или 9, отличающийся тем, что, кроме того, контролируют высоту столба жидкости в опускных трубах (54) предпоследнего с точки зрения направления потока дымового газа (R) испарительного обвода (52), предпочтительно выполненного как испарительный обвод среднего давления.

12. Газопаровая турбинная установка (1) с газовой турбиной (2) и подключенным после нее по стороне отработавшего газа утилизационным парогенератором (20), а также с включающим множество ступеней (40, 92, 100) давления контуром (16) циркулирующего средства, в котором проходит применяемое для приведения в действие паровой турбины (12) циркулирующее средство, причем, по меньшей мере, одна ступень (100) давления имеет испарительный обвод (94) с паровым барабаном (48) с множеством присоединенных к паровому барабану (48) опускных труб (102) и множеством подключенных после опускных труб (102) также присоединенных к паровому барабану (48) и нагреваемых дымовым газом (R) в утилизационном парогенераторе (20) подъемных труб (104), отличающаяся тем, что с устройством контроля и управления газопаровой турбинной установки (1) соединено устройство измерения уровня заполнения для измерения высоты образованного циркулирующей средой столба жидкости в присоединенных к паровому барабану (48) опускных трубах (102) со стороны сигнального выхода.

13. Газопаровая турбинная установка (1) по п.12, отличающаяся тем, что устройство контроля и управления со стороны сигнального выхода соединено с контролирующим температуру (T₁) дымового газа (R) в зоне подъемных труб (104) устройством (118) измерения температуры и выполнено с возможностью запускать предохранительный механизм в рабочем состоянии с уровнем заполнения жидкости в опускных трубах (102) лежащем ниже присоединения к паровому барабану (48), как только измеренная устройством (118) измерения температуры температура (T₁) превысит заданное предельное значение.