ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА, УТИЛИЗАЦИОННЫЙ ПАРОГЕНЕРАТОР И СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ УТИЛИЗАЦИОННОГО ПАРОГЕНЕРАТОРА Российский патент 2014 года по МПК F01K23/10 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение касается утилизационного парогенератора, в частности в газопаротурбинной установке, и относится к использованию тепла при наибольших температурах отходящих газов. Кроме того, изобретение касается способа эксплуатации утилизационного парогенератора.

Уровень техники

В паротурбинной установке с паровой турбиной и двигателем внутреннего сгорания тепло его горячих отработавших газов может использоваться для работы паротурбинной установки. Если двигателем внутреннего сгорания является газовая турбина, которая вместе с паротурбинной установкой образует соответственно газопаротурбинную установку, то сжатый воздух смешивается с газообразным или жидким топливом, например природным газом или нефтью, и сжигается, а находящиеся под давлением отработавших газов расширяются в турбинной части газовой турбины, выполняя работу. Выходящие из газовой турбины горячие отработавшие газы имеют обычно еще температуру 550-650°C. Для использования содержащейся в этом тепле энергии отработавшие газы подаются к подключенному к газотурбинной установке со стороны отработавших газов утилизационному парогенератору, в котором расположены нагревательные поверхности в виде труб или пучков труб. В свою очередь, нагревательные поверхности включены в пароводяной контур паротурбинной установки, который имеет, по меньшей мере, одну, однако в большинстве случаев несколько ступеней сжатия. Последние отличаются друг от друга тем, что на нагревательных поверхностях при производстве пара господствуют разные уровни давления.

Обычно контур текучей среды включает в себя несколько, например три, ступени сжатия с собственным испарительным участком каждая. При этом испарительный участок включает в себя подогреватель питательной воды (экономайзер), испаритель и перегреватель. Из-за ограниченной термической нагружаемости обычно применяемых материалов стенок труб необходимо, чтобы при работе газопаротурбинной установки не был превышен верхний температурный предел для нагружаемых горячими ОГ компонентов в утилизационном парогенераторе. Это касается, в частности, промежуточного перегревателя высокого давления, расположенного на входе ОГ, т.е. в самой горячей зоне утилизационного парогенератора.

В частности, в режиме частичной нагрузки температура отработавших газов газовой турбины возрастает до так называемой угловой точки направляющих лопаток. Ниже этой угловой точки температура отработавших газов понижается, однако это связано также с повышенными выбросами. Поэтому наибольшие температуры отработавших газов (>600°C при высоких окружающих температурах или в режиме с подогревом всасываемого газовой турбиной воздуха) возникают также при пуске газовой турбины, пока еще не включена паровая турбина, или при работе газопаротурбинной установки с режиме слабой нагрузки (около 50% мощности).

Помимо термической нагрузки перегревательных поверхностей высокого давления при эксплуатации газопаротурбинной установки, в частности при ее разгоне, следует обратить внимание также на температуру паровой турбины при холодном или горячем пуске, которая по сравнению с высокими температурами отработавших газов газовой турбины составляет 350-400°C и является относительно низкой.

Когда процесс пуска завершен, а паровая турбина достигла рабочей температуры, температура пара не должна быть ограничена вверх. В отношении повышения к.п.д. установки максимальная температура пара выбирается в диапазоне предела использования температуры применяемой мартенситной стали. Из этого следует, что температура должна регулироваться относительно точно (минутный диапазон).

В традиционных пароэлектростанциях (отапливаемые и утилизационные парогенераторы) для регулирования температуры пара и для защиты восприимчивых к ней деталей в различных местах паропроводов используются впрыскивающие пароохладители, в которых за счет впрыска холодной питательной воды в паропровод снижается температура протекающего по нему пара и, тем самым, температура компонентов, через которые протекает этот охлажденный пар.

Однако концепция с промежуточными и конечными впрыскивающими пароохладителями наталкивается при максимальной интенсивности впрыска 15-20% на технические пределы и снижает к тому же к.п.д. установки при пуске и в режиме полной мощности.

Кроме того, впрыскивающие пароохладители в паропроводе свежего пара или в паропроводе промежуточного перегревателя некоторыми эксплуатационниками и изготовителями паровых турбин не признаются или допускаются с большой неохотой, поскольку существует риск попадания водяных капель в паровую турбину. Также из-за больших отличий в температуре впрыскиваемой воды и пара могут возникнуть проблемы «термоудара» при использовании конечного впрыскивающего пароохладителя, т.е. более холодная вода течет через нагретую до температуры пара форсунку.

Правда, существует возможность использования дополнительного впрыскивающего пароохладителя, однако это требует более длинных смесительных трактов и приводит к еще более комплексному регулированию, а также к тому, что ответвление к деривационной станции высокого давления должно располагаться на удалении от утилизационного парогенератора.

Одно возможное решение предусматривает снижение нагрузки на газовую турбину вплоть до уменьшения температуры отработавших газов. Однако это приводит к возрастанию выбросов и поэтому может иметь следствием ограничение числа пусков по достижении пределов выбросов.

Также может произойти уменьшение минимального количества пара для пуска паровых турбин большой мощности с двумя или тремя газовыми турбинами (2×1, 3×1). Однако это значительно ограничивает желаемую гибкость эксплуатации.

Наконец, возможен расчет материалов соответствующих системных участков перегревателя/промежуточного перегревателя для наибольшей температуры ОГ газовой турбины, однако в этом случае могут возникнуть проблемы с материалами при новых разработках газовых турбин, поскольку, например, может потребоваться применение аустенитных материалов.

В US 7174715 B2 (Armitage et al., Feb. 13, 2007; "Hot to Cold Steam Transformer for Turbine Systems") раскрыт другой путь решения проблемы. Здесь используется паропреобразователь, чтобы кондиционировать температуру пара в паровой турбине, например при ее холодном пуске. Для этого к паропреобразователю подаются пар и вода. За счет контакта с водой пар охлаждается и покидает паропреобразователь через каплеотделитель.

Однако недостаток этой установки в том, что температуру пара, правда, можно отрегулировать, но проблема слишком высокой температуры отработавших газов на самом перегревателе не решается.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является создание утилизационного парогенератора, который позволил бы достичь щадящей материал эксплуатации даже при наибольших температурах отработавших газов.

Согласно изобретению, эта задача решается в утилизационном парогенераторе с входом для отработавших газов, в котором между входом для отработавших газов и первым в направлении течения отработавших газов перегревателем расположена нагревательная поверхность.

Изобретение основано на идее расположения перед ближайшим к входу для отработавших газов первым перегревателем нагревательной поверхности, которая, в случае необходимости, отбирает у горячих отработавших газов тепло, прежде чем они попадут к перегревателю, благодаря чему можно избежать термической нагрузки перегревателя или слишком сильного нагрева пара в перегревателе.

Предпочтительным образом нагревательная поверхность с вторичной стороны и со стороны выхода соединена с паропроводом к ступени высокого давления паровой турбины (паропровод свежего пара).

При этом целесообразно, если к нагревательной поверхности с вторичной стороны подключен отделитель, чтобы в случае неполадки или при изменениях динамического давления избежать проникновения воды в паропровод свежего пара. Предпочтительным образом отделитель является гравитационным отделителем с баллоном. Самое лучшее отделение среди гравитационных отделителей достигается посредством центробежных отделителей. В этих центробежных отделителях, называемых иногда также циклонными отделителями, пар в противоположность центрифуге приводится во вращательное движение за счет своей собственной скорости течения и соответствующего конструктивного выполнения отделителя (например, за счет тангенциального затекания в цилиндр). Действующие на водяные капли центробежные силы ускоряют их радиально наружу, в результате чего они отделяются от потока пара. Сам поток пара направляется внутрь и отводится.

В предпочтительном варианте нагревательная поверхность питается с вторичной стороны водой, преимущественно горячей, слегка переохлажденной водой, например из подогревателя питательной воды, в частности из подогревателя питательной воды высокого давления.

Предпочтительным образом нагревательная поверхность является нагревательной поверхностью испарителя с принудительной циркуляцией. При этом нужное количество пароводяного потока для. целенаправленного установления нужного охлаждающего действия достигается посредством питательного насоса.

В альтернативном варианте нагревательная поверхность с вторичной стороны и со стороны входа соединена с первичным перегревателем высокого давления, так что нагревательная поверхность предпочтительным образом может быть использована также в качестве перегревателя высокого давления за счет отключения питания питательной водой высокого давления и включения пара высокого давления из первичного перегревателя высокого давления.

Это принципиально возможно также с паром из промежуточного перегревателя, так что в другом предпочтительном варианте нагревательная поверхность с вторичной стороны и со стороны входа соединена с промежуточным перегревателем.

Предпочтительным образом первый перегреватель является перегревателем высокого давления. В одной предпочтительной альтернативе первый перегреватель является промежуточным перегревателем.

Целесообразно, если утилизационный парогенератор включает в себя байпас для обхода промежуточного перегревателя.

Оба байпаса - байпас высокого давления и байпас промежуточного перегревателя - могут использоваться предпочтительным образом для точного регулирования температуры пара за счет того, что пар высокого давления или пар из промежуточного перегревателя направляется соответственно мимо перегревателя высокого давления или промежуточного перегревателя и подмешивается к свежему пару/пару из промежуточного перегревателя. В качестве альтернативы это точное регулирование мог быть выполнять также впрыскивающий пароохладитель.

В альтернативном варианте входным коллектором для нагревательной поверхности является входной коллектор «труба в трубе».

Предпочтительно, если газопаротурбинная электростанция, включающая в себя газовую и паровую турбины, включает в себя также предложенный утилизационный парогенератор.

В предложенном способе эксплуатации утилизационного парогенератора, включающего в себя первый в направлении течения отработавших газов перегреватель, горячие отработавшие газы охлаждаются до того, как они попадут на первый перегреватель.

При этом предпочтительно, если отработавшие газы охлаждаются горячей питательной водой высокого давления. Целесообразно, если охлаждающая мощность регулируется.

Также может быть предпочтительным, если отработавшие газы охлаждаются паром из первичного перегревателя.

Целесообразно, если образующийся при охлаждении отработавшие газы пар смешивается с паром высокого давления.

При запуске утилизационного парогенератора частично наполненная нагревательная поверхность, эксплуатируемая в качестве нагревательной поверхности испарителя с принудительной циркуляцией (так называемый принцип Бенсона), нагревается ОГ газовой турбины, и вода начинает испаряться (выброс воды в циклон с отделительным баллоном). Из подогревателя питательной воды высокого давления вода доливается, и нагревательная поверхность испарителя с принудительной циркуляцией эксплуатируется сначала в качестве испарителя с естественной циркуляцией до того, как ее температура будет целенаправленно регулироваться посредством регулирования долива (в зависимости от целевого заданного значения, например, 350°C). За счет обхода перегревателя (байпас пара высокого давления) после пуска испарителя высокого давления устанавливается температура свежего пара, необходимая для пуска паровой турбины. После ее пуска заданное значение температуры пара повышается, а долив воды из подогревателя питательной воды высокого давления в нагревательную поверхность испарителя с принудительной циркуляцией уменьшается. Байпас пара высокого давления осуществляет точное регулирование температуры пара. Теперь для охлаждения нагревательной поверхности испарителя с принудительной циркуляцией требуется еще лишь минимальная запитка, при этом температура на выходе достигает номинального заданного значения. Если температура ОГ газовой турбины соответственно низкая (например, низкие окружающие температуры, отсутствие подогрева всасываемого газовой турбиной воздуха), то запитка может быть также отключена, а к нагревательной поверхности может быть подан пар из первичного перегревателя высокого давления, чтобы повысить температуру перегревателя высокого давления (повышение к.п.д.).

В режиме частичной нагрузки утилизационного парогенератора следует различать две ситуации. При высоких окружающих температурах нагревательная поверхность испарителя с принудительной циркуляцией функционирует с минимальной запиткой и регулируется до максимальной номинальной температуры. При низких окружающих температурах запитка может быть отключена, а нагревательная поверхность функционирует в качестве перегревателя высокого давления. При обратном переключении на запитку водой высокого давления входные коллекторы «труба в трубе» обеспечивают надлежащее смешивание пара и воды из подогревателя питательной воды и, тем самым, щадящее охлаждение входных коллекторов до температуры подогревателя питательной воды.

При отъезде утилизационного парогенератора работа нагревательной поверхности зависит от окружающей температуры или от температуры отработавших газов газовой турбины. Если температура отработавших газов газовой турбины ниже определенного значения (например, 550°C), то запитка нагревательной поверхности испарителя с принудительной циркуляцией отключается.

Благодаря нагревательной поверхности испарителя с принудительной циркуляцией и отрегулированной температурой простым образом могут быть решены проблемы, которые приносят с собой промежуточные и впрыскивающие пароохладители, такие как риск капель и термоудар.

К.п.д. установки повышается, поскольку при запуске и в режиме частичной нагрузки можно использовать выходную воду подогревателя питательной воды высокого давления, что максимизирует производство пара.

Температура пара (промежуточный перегрев высокого давления) может гибко устанавливаться и регулироваться по сравнению с расчетной также при изменении температуры отработавших газов газовой турбины. Кроме того, можно ограничить температуру материала горячих нагревательных поверхностей и коллекторов. За счет широкого диапазона регулирования температуры возможна тонкая настройка по всему диапазону (для температур подогревателя высокого давления и промежуточного перегревателя.

Кроме того, можно упростить конструкцию перегревателя/промежуточного перегревателя, поскольку больше не требуется промежуточного впрыска (промежуточный коллектор с трактами впрыска и т.д.).

Нагревательная поверхность испарителя с принудительной циркуляцией используется в барабанных парогенераторах и парогенераторах Бенсона. Кроме того, она предпочтительна для стандартизации и является приемлемой, например, также на американском рынке.

Краткое описание чертежей

Изобретение более подробно поясняется на примере со ссылкой на чертежи, на которых схематично и не в масштабе изображают:

- фиг.1: газопаротурбинную установку с известным утилизационным парогенератором;

- фиг.2: газопаротурбинную установку с другим известным утилизационным парогенератором;

- фиг.3: утилизационный парогенератор согласно изобретению;

- фиг.4: альтернативное включение утилизационного парогенератора согласно изобретению;

- фиг.5: входной коллектор «труба в трубе»

Осуществление изобретения

На фиг.1 изображена паротурбинная установка, выполненная в виде газопаротурбинной установки 1 и включающая в себя в качестве ДВС газовую турбину 2, а также паровую турбину 3. Ротор газовой турбины 2, ротор генератора 5 и ротор паровой турбины 3 соединены между собой валом 4, причем роторы паровой турбины 3 и генератора 5 посредством муфты 6 могут вращательно отделяться друг от друга и соединяться между собой. Роторы генератора 5 и газовой турбины 2 жестко соединены между собой валом 4. Выпуск для отработавших газов газовой турбины 2 посредством трубопровода 7 для ОГ соединен с утилизационным парогенератором 8, который предназначен для выработки рабочего пара паровой турбины 3 из отходящего тепла газовой турбины 2.

Во время работы газопаротурбинной установки 1 вращающийся ротор газовой турбины 2 через вал 4 приводит в действие компрессор 9, который всасывает сжимаемый воздух из окружающего пространства и подает в камеру сгорания 10. В ней сжатый воздух смешивается с подаваемым из топливоподвода 11 топливом и сжигается, а горячие, находящиеся под давлением отработавших газов подаются к газовой турбине 2 и расширяются в ней, выполняя работу. Горячие отработавшие газы с температурой еще 550-650°C подаются затем по трубопроводу 7 к утилизационному парогенератору 8, протекают через него от входа 12 для отработавших газов к выходу 13 для них и попадают по трубе 14 в окружающее пространство. На своем пути через утилизационный парогенератор 8 они отдают свое тепло перегревателю высокого давления 15, затем первичному перегревателю высокого давления 16, промежуточному перегревателю 17, испарителю высокого давления 18, подогревателю высокого давления 19, затем перегревателю среднего давления 20, испарителю среднего давления 21, подогревателю среднего давления 22, затем перегревателю низкого давления 23, испарителю низкого давления 24 и, наконец, подогревателю 25 конденсата.

В перегревателе высокого давления 15 перегретый пар подается по пароотводящему трубопроводу 26 к ступени высокого давления 27 паровой турбины 3 и расширяется там, совершая работу. Благодаря этой работе - аналогично работе, выполненной в газовой турбине 2 - приводятся в движение вал 4 и, тем самым, генератор 5 для выработки электрической энергии. Частично расширенный на ступени высокого давления 27 горячий пар подается затем к промежуточному перегревателю 17, там снова нагревается, по отводящем трубопроводу 28 подается к ступени среднего давления 29 паровой турбины 3 и расширяется там, совершая механическую работу. Частично расширенный там пар по внутреннему подводящему трубопроводу подается к ступени низкого давления 30 паровой турбины 3 и расширяется там, отдавая механическую энергию.

Расширенный пар конденсируется в конденсаторе 31 паровой турбины 3, и образующийся конденсат посредством конденсатного насоса 32 после нагрева в подогревателе 25 подается непосредственно к ступени низкого давления 33 утилизационного парогенератора 8 или посредством насоса 34 питательной воды под созданным им давлением - к ступени среднего давления 35 или ступени высокого давления 36 утилизационного парогенератора 8, где конденсат испаряется. После своей выработки и перегрева пар по соответствующим отводящим трубопроводам утилизационного парогенератора 8 снова подается к паровой турбине 3 для расширения и совершения механической работы.

На фиг.1 также изображены промежуточный впрыскивающий пароохладитель 37, включенный между первичным перегревателем высокого давления 16 и перегревателем высокого давления 15, и включенный в направлении течения пара за перегревателем высокого давления 15 конечный впрыскивающий пароохладитель 38 для регулирования температуры пара.

На фиг.2 изображена газопаротурбинная установка 1, отличающаяся от установки на фиг.1 паровыми байпасами, а именно байпасом высокого давления 39, который идет в обход перегревателя высокого давления 15, и байпасом 40 промежуточного перегревателя 43, который идет в обход него. За счет регулирования приданных этим байпасам 39, 40 клапанов 41, 42 также можно установить температуру пара на ступени высокого давления 36 и в промежуточном перегревателе 43.

На фиг.3 изображен предложенный утилизационный парогенератор 8 с дополнительной нагревательной поверхностью 44 между входом 12 для отработавших газов утилизационного парогенератора 8 и перегревателем высокого давления 15. Нагревательная поверхность 44 питается питательной водой из подогревателя 29 питательной воды высокого давления. На выходе для пара этой нагревательной поверхности 44 предусмотрен циклонный отделитель 45 с отделительным баллоном, чтобы в случае неполадки или при изменениях динамического давления предотвратить проникновение воды в трубопровод свежего пара 26, соединенного с выходом отделителя 45.

На фиг.4 изображено альтернативное применение изобретения, при котором нагревательная поверхность 44 используется в качестве перегревателя высокого давления за счет того, что запитка из выхода подогревателя питательной воды высокого давления отключается и подключается пар из первичного перегревателя высокого давления 16. Это принципиально возможно также с паром из промежуточного перегревателя.

Для тонкого регулирования температуры пара пар из перегревателя высокого давления и промежуточного перегревателя направляется мимо перегревателя высокого давления 15 и промежуточного перегревателя 17 (байпасы перегревателя и промежуточного перегревателя) и подмешивается к свежему пару/пару из промежуточного перегревателя. В качестве альтернативы или дополнительно это тонкое регулирование может осуществлять также впрыскивающий пароохладитель 51.

На фиг.3 и 4 изображена только единственная труба нагревательной поверхности 44. В действительности перпендикулярно плоскости чертежа в утилизационном парогенераторе 8 рядом друг с другом расположено большое число таких одинаково выполненных труб, которые присоединены к входному и выходному коллекторам. Эти пучки труб в зависимости от требуемой мощности теплопередачи могут быть выполнены одно- или многослойными.

На фиг.5 изображен входной коллектор 47, выполненный особым образом, чтобы при обратном переключении запитки 50 нагревательной поверхности 44 с пара 49 из первичного перегревателя высокого давления 16 на воду 48 из подогревателя питательной воды высокого давления обеспечить щадящее охлаждение входного коллектора 47 до температуры подогревателя питательной воды за счет надлежащего смешивания пара и воды из подогревателя питательной воды. Для этого входной коллектор 47 в соответствии с системой «труба в трубе» выполнен с концентричными теплообменными элементами (см. DE 3741882 C1, GEA Luftkühlergesellschaft Happel GmbH & Со; DOLEZAHL RICHARD; 02.02.1989). Питательная вода перекачивается по центральной трубе 52 вверх, отклоняется и снова течет вниз между центральной трубой 52 и окружающей ее второй трубой 53, снова отклоняется и снова течет вверх между второй 53 и окружающей ее третьей 54 трубами и подается к нагревательной поверхности 44. Посредством поверхностей второй 53 и центральной 52 труб происходит теплообмен с затекающей питательной водой, в результате чего она непрерывно нагревается от входа в коллектор 47 до выхода и сначала испаряется. Этот относительно холодный пар все больше и больше охлаждает трубы 53, 54, пока затем последующая питательная вода не снизит температуру стенок труб до своей температуры.

Изобретение относится к энергетике. Утилизационный парогенератор с входом для отработавших газов, причем между входом для отработавших газов и первым в направлении течения отработавших газов перегревателем расположена нагревательная поверхность, причем к нагревательной поверхности с вторичной стороны подключен отделитель, а нагревательная поверхность выполнена с возможностью запитки с вторичной стороны водой. Также представлены газопаротурбинная установка и способ эксплуатации утилизационного парогенератора. Изобретение позволяет достичь щадящей материал эксплуатации даже при наибольших температурах отработавших газов. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Утилизационный парогенератор (8) с входом (12) для отработавших газов и нагревательной поверхностью (44), расположенной между входом (12) для отработавших газов и первым в направлении течения отработавших газов перегревателем (15, 17), причем к нагревательной поверхности с вторичной стороны подключен отделитель (45), отличающийся тем, что нагревательная поверхность (44) выполнена с возможностью запитки с вторичной стороны водой.

2. Утилизационный парогенератор (8) по п.1, отличающийся тем, что нагревательная поверхность (44) с вторичной стороны и со стороны выхода соединена с паропроводом (26) к ступени высокого давления (27) паровой турбины (3).

3. Утилизационный парогенератор (8) по п.1 или 2, отличающийся тем, что отделитель (45) выполнен в виде гравитационного отделителя.

4. Утилизационный парогенератор (8) по п.1, отличающийся тем, что нагревательная поверхность (44) выполнена с возможностью запитки с вторичной стороны водой из подогревателя питательной воды.

5. Утилизационный парогенератор (8) по п.4, отличающийся тем, что подогреватель питательной воды выполнен в виде подогревателя питательной воды высокого давления (19).

6. Утилизационный парогенератор (8) по п.1, отличающийся тем, что нагревательная поверхность (44) выполнена в виде нагревательной поверхностью испарителя с принудительной циркуляцией.

7. Утилизационный парогенератор (8) по п.1, отличающийся тем, что нагревательная поверхность (44) с вторичной стороны и со стороны входа соединена с первичным перегревателем высокого давления (16).

8. Утилизационный парогенератор (8) по п.1, отличающийся тем, что нагревательная поверхность (44) с вторичной стороны и со стороны входа соединена с промежуточным перегревателем (17).

9. Утилизационный парогенератор (8) по п.1, отличающийся тем, что первый перегреватель выполнен в виде перегревателя высокого давления (15).

10. Утилизационный парогенератор (8) по п.1, отличающийся тем, что содержит байпас (39) пара высокого давления для обхода перегревателя высокого давления (15).

11. Утилизационный парогенератор (8) по п.1, отличающийся тем, что содержит байпас (40) пара из промежуточного перегревателя (17) для его обхода.

12. Утилизационный парогенератор (8) по п.1, отличающийся тем, что входной коллектор (47) для нагревательной поверхности (44) выполнен в виде входного коллектора «труба в трубе».

13. Газопаротурбинная установка (1), отличающаяся тем, что содержит паровую турбину (3) и по одному из пп.1-12.

14. Способ эксплуатации утилизационного парогенератора (8), содержащий первый в направлении течения отработавших газов перегреватель (15, 17), причем горячие отработавшие газы охлаждают до того, как они попадут на первый перегреватель (15), при этом в циклонном отделителе с отделительным баллоном при охлаждении отработавших газов отделяют неиспарившуюся воду, отличающийся тем, что отработавшие газы охлаждают горячей питательной водой высокого давления.

15. Способ по п.14, отличающийся тем, что образующийся при охлаждении отработавших газов пар смешивают с паром высокого давления.