СПОСОБ УДАЛЕНИЯ УВЛЕЧЕННОГО ГАЗА В СИСТЕМЕ ГЕНЕРИРОВАНИЯ МОЩНОСТИ С КОМБИНИРОВАННЫМ ЦИКЛОМ Российский патент 2015 года по МПК F02C3/30 F02C6/18 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится вообще к энергетическим системам и, более конкретно, к системам генерирования мощности с комбинированным циклом типа, включающего в себя как цикл Ренкина, так и процесс горения. Более конкретно, изобретение относится к системам и способам уменьшения уровней нежелательных газообразных веществ, появляющихся в таких системах генерирования мощности с комбинированным циклом.

Предпосылки к созданию изобретения

Энергетические установки с комбинированным циклом широко используются, поскольку они содержат теплообменники, которые способны регенерировать тепло из горячего газоотводящего потока двигателя внутреннего сгорания. Регенерируемое тепло обычно используется для генерирования рабочей текучей среды паровой турбины. Это обеспечивает более эффективное генерирование мощности по сравнению с использованием только газовой турбины или только паровой турбины. Смотри, например, патент США № 5,375,410, который передан правоприобретателю настоящего изобретения и включен в данный документ посредством ссылки.

Системы генерирования мощности с комбинированным циклом обычно включают в себя первый источник мощности, который работает по циклу Ренкина, например паровому циклу, и второй источник мощности на основе процесса горения, в котором тепло, регенерированное из горячих отработавших газов процесса горения, передается рабочей текучей среде в цикле Ренкина. Такие системы обеспечивают общий кпд установки порядка 55% или выше. На эксплуатацию системы накладывается множество ограничений, для того чтобы уменьшить нежелательные атмосферные выбросы и уменьшить вредные воздействия на сложные, высокоскоростные механические элементы. Поэтому необходимо тщательно контролировать и регулировать множество процессов в системе генерирования мощности.

Например, показатель распространенности концентрированных и разбавленных кислот в обычном паровом цикле со временем изменяется, и возможность тщательно контролировать компоненты, такие как соляная кислота или уксусная кислота, имеет критическое значение для регулирования данных химических соединений до уровней, которые обеспечивают максимальный срок службы механических элементов. Однако при контроле содержания концентрированных кислот на основе катионной проводимости содержание разбавленных кислот, например, в результате захвата низких уровней диоксида углерода в паровом цикле может маскировать наличие концентрированных кислот. Данная проблема возникает при концентрациях диоксида углерода порядка менее 0,03%, основанных на атмосферных нарушениях. Например, конденсатор парового цикла обычно поддерживается под низким вакуумом, однако когда систему выключают, вакуум теряется. Вследствие этого небольшие количества диоксида углерода могут попадать в систему и абсорбироваться в подаваемую воду, насыщенную аммиаком. Когда система запускается, такое содержание разбавленной кислоты может дополнять рабочую текучую среду на всем протяжении цикла. Один способ предотвращения такого проникновения диоксида углерода заключается в том, чтобы поддерживать вакуум, пока паровая турбина выключена, и обеспечить непрерывную подачу пара в соответствующие сальниковые уплотнения. Способ удаления диоксида углерода из рабочей текучей среды заключается в том, чтобы просто отводить текучую среду, однако это может потребовать выпуска относительно больших количеств горячей текучей среды, что приводит к нежелательным потерям тепла. Расходы, связанные с тем или иным решением, должны быть исключены.

Компоненты процесса горения в системах генерирования мощности с комбинированным циклом также должны подвергаться тщательному контролю и регулированию, например, по экологическим соображениям. Процесс регулирования может быть сложным, поскольку уровни химических выбросов изменяются в зависимости от рабочего состояния. В идеале, процессы генерирования мощности может быть проще регулировать при установившихся режимах, однако часто бывает необходим и желателен динамический и изменяющийся отбор мощности. Например, во время запуска газовой турбины могут выпускать нежелательно высокие уровни регулируемых выбросов, особенно если мощность на выходе составляет менее 75% от максимальной мощности на выходе в установившемся режиме. Для того чтобы уменьшить выбросы NOx (например, NO₂ и NO₃) во время запуска процесса горения, необходимо ограничить температуру пламени (горения).

Вообще желательно найти более эффективные и практичные способы уменьшения вредных воздействий компонентов, появляющихся в процессах генерирования мощности.

Краткое описание чертежа

Изобретение объяснено в приведенном ниже описании со ссылкой на один чертеж, который показывает упрощенную схему системы генерирования мощности с комбинированным циклом, представляющей вариант осуществления изобретения.

Подробное описание изобретения

На чертеже показан упрощенный примерный вариант осуществления системы 10 с комбинированным циклом, содержащей газотурбинную систему 12, паровую турбину 14 высокого давления, паровую турбину 16 промежуточного давления, паровую турбину 18 низкого давления, парогенератор 20 с регенерацией тепла (Heat Recovery Steam Generator - HRSG)(показанный пунктирными линиями), и конденсатор 22, выполненный с возможностью приема рабочей текучей среды из паровой турбины 18 низкого давления. Газотурбинная система 12 содержит воздушный компрессор 24, камеру 26 сгорания и газовую турбину 28, которые показаны схематично. Другие обычные элементы и линии перемещения текучей среды не показаны для упрощения. Например, необходимо понимать, что линия перемещения текучей среды соединяет выходное отверстие для отработавших газов турбины 28 с входным отверстием на высокотемпературной стороне HSRG 20. Система с комбинированным циклом в соответствии с изобретением вообще может содержать множество паровых турбин низкого, промежуточного и высокого давления, множество газовых турбин и множество HRSG.

Отработавшие газы (не показанные) из газовой турбины 28 направляются через HRSG 20, после чего их выпускают (также не показано). HRSG 20 включает в себя ступени низкого, промежуточного и высокого давления, которые показаны схематично. Ступень низкого давления содержит экономайзер 42, барабан 30 низкого давления, испаритель 121 низкого давления и перегреватель 123 низкого давления. Экономайзер 42 нагревает воду 30, получаемую из пара, выходящего из паровой турбины 18 низкого давления, и которая вытекает из конденсатора 22 в жидкой форме. Экономайзер 42 выпускает в ступень низкого давления горячую воду 50, близкую к точке кипения, часть которой подается в барабан 30 низкого давления для циркуляции в испарителе 121 для образования пара 51, который проходит через барабан 30, через LP перегреватель 123 и через турбину 18. Часть горячей воды 50, выходящей из экономайзера 42, вводят в ступень промежуточного давления HRSG 20, которая содержит второй экономайзер 44, паровой барабан 32 промежуточного давления, испаритель 125 промежуточного давления и перегреватель 130. Вода 50, поступающая в ступень промежуточного давления, циркулирует через второй экономайзер 44, где она подвергается нагреванию до приблизительно температуры насыщения IP ступени, затем проходит в паровой барабан 32 промежуточного давления и затем через испаритель 125 промежуточного давления для генерирования пара 52 промежуточного давления. Пар, выходящий из барабана 32, является насыщенным. Пар 52 промежуточного давления из барабана 32 промежуточного давления проходит через перегреватель 130 промежуточного давления (который образует высокотемпературный нагревательный элемент промежуточной ступени HRSG 20) для дополнительного повышения температуры рабочей текучей среды перед входом в паровую турбину 16 промежуточного давления.

Основная часть горячей воды 50, выходящей из экономайзера 42, поступает в ступень высокого давления HRSG 20, которая содержит третий экономайзер 48, паровой барабан 34 высокого давления, испаритель 127 высокого давления и перегреватель 132 высокого давления. Сначала горячая вода 50 циркулирует через третий экономайзер 48 и затем проходит в паровой барабан 34 высокого давления. Из парового барабана 34 высокого давления вода перемещается в испаритель 127 высокого давления для генерирования пара 54 высокого давления.

В примерном варианте осуществления пар 54 высокого давления, генерируемый испарителем 127 высокого давления, является насыщенным. Испаритель высокого давления соединен с паровым барабаном 34 высокого давления, который соединен с перегревателем 132 высокого давления, который образует высокотемпературный нагревательный элемент ступени высокого давления HRSG 20. Пар 54 высокого давления проходит через барабан 34 высокого давления и перегреватель 132 высокого давления для дополнительного повышения температуры рабочей текучей среды, подаваемой в паровую турбину 14 высокого давления.

Хотя детали такого варианта не показаны в чертежах, показанный HRSG 20 может включать в себя траектории потока для схем с множеством давлений, каждая содержащая экономайзер, испаритель и перегреватель.

Каждый из барабанов 32 и 34 промежуточного и высокого давления включает в себя подсоединение проточной линии непосредственно к камере 26 сгорания. Линия 60 перемещения насыщенного пара высокого давления пропускает насыщенный пар 54 высокого давления из барабана 34 в камеру 26 сгорания. Поток через линию 60 регулируется посредством клапана 64. Проточная линия 60 также включает в себя конденсатор 66 и перегреватель 67. Перегреватель 67 может быть расположен в газовом канале HRSG 20 или может представлять собой электрически нагреваемый теплообменник. Линия 70 перемещения перегретого пара промежуточного давления пропускает насыщенный пар 52 промежуточного давления из барабана 32 в камеру 26 сгорания. Поток через линию 70 регулируется посредством клапана 74. Проточная линия 70 также включает в себя конденсатор 76 и перегреватель 77. Перегреватель 77 может быть расположен в газовом канале HRSG 20 или может представлять собой электрически нагреваемый теплообменник.

Во время запуска системы 10, как только пар 54 или 52, имеющий достаточное давление, генерируется из каждой из ступеней высокого и промежуточного давления HRSG 20, соответствующий и соответственный клапан 64 или 74 открывают, обеспечивая перемещение перегретого пара в камеру 26 сгорания. Первая отличительная особенность процесса заключается в том, что почти сразу же после генерирования пара 54 или 52, основная часть диоксида углерода, ранее растворенного в подаваемой воде, испаряется и смешивается с паром. Таким образом, объем инжекции пара, необходимый для удаления значительной части диоксида углерода, появляющегося в рабочей текучей среде, относительно мал. Вследствие этого потери тепла, связанные с удалением диоксида углерода, также относительно малы. Потери очищенной воды дополнительно уменьшают посредством введения конденсаторов 66 и 76, которые имеют конструкцию, подобную конденсаторам выпара, описанным в патенте США № 7,306,653, включенном в данный документ посредством ссылки.

Функционально конденсаторы 66, 76 способны уменьшать количество пара, которое должно быть перемещено в камеру 26 сгорания при перемещении диоксида углерода из проточной линии 60 или 70. Конденсаторы 66 и 76 расположены в системе 10 с негоризонтальной ориентацией, для того чтобы осуществить перемещение вверх пара и гравитационное перемещение вниз образующегося в них конденсата. Когда пар перемещается вверх вдоль конденсатора, значительная часть пара подвергается конденсации с возможностью образования потока воды по направлению к соответствующему барабану 32 или 34. Образованию конденсата может способствовать введение дистилляционной насадки 82 в конденсатор или создание охлаждающих ребер 84, которые облегчают теплообмен с охлаждающей средой вдоль внешней поверхности конденсатора. Смотри также патент США № 7,306,653. Размеры конденсаторов 66 и 76 будут зависеть от целого ряда факторов, в том числе от введения дистилляционной насадки и максимальной допустимой скорости потока пара, входящего в камеру 26. Концентрация диоксида углерода в конденсаторе 66 или 76 увеличивается в зависимости от положения, т.е. когда газы перемещаются к камере 26 сгорания, поскольку пар превращается в жидкость, которая перемещается вниз по конденсаторам. Источник относительно холодной воды (например, из конденсатора 22) может быть также вставлен около верхней части конденсатора 66 или 76 с возможностью нагревания поднимающимся вверх паром, таким образом охлаждая конденсат и облегчая конденсацию в конденсаторе 66 или 76. Добавление холодной воды уменьшает количество пара, переносимого в газовую турбину с диоксидом углерода, и таким образом уменьшает количество энергии, требующееся для перегрева пара до требуемой температуры, например, равной 50°F (10°С), перед вводом в камеру 26 сгорания.

Кроме того, во время запуска системы 10 вторая отличительная особенность процесса заключается в том, что при открытом одном или обоих из клапанов 64 или 74 и при постепенном увеличении с целью генерирования максимальной мощности введение перегретого пара снижает температуру пламени (горения), так что реакция горения не происходит при максимальной температуре пламени. Вследствие этого уровень выбросов NOx уменьшается. Это особенно предпочтительно, когда генератор работает с производительностью менее 75%.

Обычно в результате испарения первой части рабочей текучей среды, например, приводящего к образованию пара 52 или 54, часть увлеченного газа, появляющегося в системе, сразу смешивается с парообразной рабочей текучей средой, образуя газовую смесь, которая может быть введена в камеру 26 сгорания в соответствующие моменты времени, чтобы удалить часть увлеченного газа (например, уменьшить содержание диоксида углерода в рабочей текучей среде) или отрегулировать температуру горения, тем самым регулируя уровень выбросов NOx.

Хотя в данном документе показаны и описаны различные варианты осуществления настоящего изобретения, будет очевидно, что такие варианты осуществления представлены только в качестве примера. Множество вариантов, изменений и замен может быть выполнено без отхода от изобретения, описанного в данном документе. Таким образом, это надо понимать в том смысле, что изобретение ограничено только сущностью и объемом прилагаемой формулы изобретения.

Система генерирования мощности с комбинированным циклом содержит паротурбинную систему, газотурбинную систему, включающую в себя компрессор, камеру сгорания и газовую турбину; парогенератор с регенерацией тепла, проточную линию. Парогенератор с регенерацией тепла подсоединен между газотурбинной системой и паротурбинной системой для генерирования пара с тепловой энергией, принимаемой из газотурбинной системы. Парогенератор с регенерацией тепла включает в себя первую ступень, выполненную с возможностью выдачи пара высокого давления, вторую ступень, выполненную с возможностью выдачи пара промежуточного давления, и третью ступень, выполненную с возможностью выдачи пара низкого давления. Проточная линия выполнена с возможностью пропускания насыщенного пара, образованного в парогенераторе с регенерацией тепла, в камеру сгорания газотурбинной системы, Проточная линия содержит конденсатор и перегреватель. Конденсатор подсоединен между парогенератором с регенерацией тепла и перегревателем, а перегреватель подсоединен между конденсатором и камерой сгорания. Конденсатор расположен в системе генерирования мощности с комбинированным циклом с негоризонтальной ориентацией для того, чтобы осуществить перемещение вверх насыщенного пара из парогенератора с регенерацией тепла в камеру сгорания и гравитационное перемещение вниз образовавшегося в конденсаторе конденсата в парогенератор с регенерацией тепла с уменьшением количества пара, переносимого в камеру сгорания, при переносе диоксида углерода из проточной линии в камеру сгорания. Изобретение направлено на уменьшение вредных воздействий компонентов, появляющихся в процессах генерирования мощности. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Система (10) генерирования мощности с комбинированным циклом, содержащая:
паротурбинную систему (14, 16, 18);
газотурбинную систему (12), включающую в себя компрессор (24), камеру (26) сгорания и газовую турбину (28);
парогенератор (20) с регенерацией тепла, подсоединенный между газотурбинной системой и паротурбинной системой для генерирования пара с тепловой энергией, принимаемой из газотурбинной системы, причем парогенератор с регенерацией тепла включает в себя первую ступень, выполненную с возможностью выдачи пара высокого давления, вторую ступень, выполненную с возможностью выдачи пара промежуточного давления, и третью ступень, выполненную с возможностью выдачи пара низкого давления;
проточную линию (60, 70), выполненную с возможностью пропускания насыщенного пара, образованного в парогенераторе с регенерацией тепла, в камеру сгорания газотурбинной системы,
при этом проточная линия содержит конденсатор (66, 76) и перегреватель (67, 77), причем конденсатор подсоединен между парогенератором с регенерацией тепла и перегревателем, а перегреватель подсоединен между конденсатором и камерой сгорания,
при этом конденсатор расположен в системе генерирования мощности с комбинированным циклом с негоризонтальной ориентацией для того, чтобы осуществить перемещение вверх насыщенного пара из парогенератора с регенерацией тепла в камеру сгорания и гравитационное перемещение вниз образовавшегося в конденсаторе конденсата в парогенератор с регенерацией тепла, причем с уменьшением количества пара, переносимого в камеру сгорания, при переносе диоксида углерода из проточной линии в камеру сгорания.

2. Система (10) генерирования мощности с комбинированным циклом по п.1, в которой проточная линия (60) подсоединена между первой ступенью парогенератора (20) с регенерацией тепла и камерой (26) сгорания.

3. Система (10) генерирования мощности с комбинированным циклом по п.1, дополнительно включающая в себя клапан (64, 74), выполненный с возможностью селективного введения объемов перегретого пара в камеру (26) сгорания во время запуска системы.

4. Система (10) генерирования мощности с комбинированным циклом по п.3, в которой система выполнена с возможностью управления работой клапана (64, 74) для введения пара в камеру (26), так что температура горения в камере сгорания уменьшается.

5. Система (10) генерирования мощности с комбинированным циклом по п.3, в которой система выполнена так, что во время запуска проточная линия (60, 70) пропускает диоксид углерода, смешанный с перегретым паром, в газотурбинную систему (12).

6. Система (10) генерирования мощности с комбинированным циклом по п.5, в которой система выполнена так, что клапан (64, 74) обеспечивает введение диоксида углерода, смешанного с паром, как только пар генерируется.

7. Система (10) генерирования мощности с комбинированным циклом по п.1, в которой система выполнена так, что введение перегретого пара уменьшает выбросы NOx газотурбинной системы (12), когда она работает на уровне выходной мощности при частичной нагрузке.

8. Система (10) генерирования мощности с комбинированным циклом по п.7, в которой введение перегретого пара уменьшает выбросы NOx газотурбинной системы (12), когда она работает на уровне менее 75% от выходной мощности при максимальной нагрузке.