ПАРОГАЗОВАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2015 года по МПК F01K23/10 

Изобретение относится к энергетическому энергомашиностроению и должно обеспечить заметное увеличение кпд парогазовых установок.

Известные парогазовые установки ПГУ объединяют в единый комплекс газотурбинный и паротурбинный блоки, причем в данном сочетании паротурбинный блок полностью работает на базе тепловой энергии газов, покидающих газовую турбину. Связующим звеном между указанными установками является котел-утилизатор, генерирующий перегретый пар, необходимый для работы паровой турбины.

Таким образом, экономичность парогазовых установок, характеризуемая абсолютным кпд ПГУ (η_ПГУ), определяется коэффициентами полезного действия газотурбинной установки (η_ГТУ), котла-утилизатора (η_КУ) и паротурбинной установки (η_ПТУ).

Между указанными коэффициентами существует следующая простая связь [Трухний А.Д. Основы современной энергетики. Том 1. М. Издательский дом МЭИ, 2008].

$${\eta }_{ПГУ}={\eta }_{ГТУ}+\left(1-{\eta }_{ГТУ}\right)*{\eta }_{КУ}*{\eta }_{ПТУ}\left(1\right)$$

В настоящее время кпд ГТУ за счет использования сверхвысоких начальных температур газов перед газовой турбиной, достигающих 1500°С, составляет около 40% и дальнейший прирост начальных температур связан с большими техническими проблемами.

Кпд котла-утилизатора за счет перехода к двух- и трехконтурным котлам также приближается к максимальным значениям.

В то же время кпд паротурбинных установок, используемых в схемах ПГУ, оказывается существенно ниже (33-37%), чем кпд современных энергетических паротурбинных блоков, (η_ПТУ=40-45%). В основном эта разница определяется тем, что в схемах стандартных ПГУ начальные параметры пара (давление P_o и температура t_o) почти однозначно определяются температурой газов, покидающих газовую турбину, а паротурбинный цикл осуществляется при отсутствии регенеративного подогревателя питательной воды.

По этому поводу в научной литературе можно встретить весьма категорические утверждения о недопустимости введения регенеративного подогрева питательной воды в паротурбинном цикле ПГУ. Примером такой категоричности может служить следующее утверждение «ПТУ ПГУ не имеет системы регенерации. А иметь ее она в принципе не должна, так как повышение температуры t_gd (температуры питательной воды) приведет к большому снижению кпд котла-утилизатора» (Основы современной энергетики. Под редакцией профессора А.Д. Трухния. М. Издательский дом МЭИ, 2008, стр.236). Однако подобное утверждение, справедливое для одноконтурных котлов утилизаторов, теряет смысл при переходе к двух и трехконтурным котлам-утилизаторам.

Типичная схема современной одновальной ПГУ с двухконтурным котлом-утилизатором показана на фигуре 1, которая и принята нами в качестве прототипа. (В принципе в качестве прототипа можно принять и многовальную установку с двух или трехконтурным котлом утилизатором, но предлагаемый переход к ПГУ с регенеративным подогревом питательной воды проще рассматривать на одновальной ПГУ с двухконтурным котлом утилизатором.)

На фигуре 1 приняты следующие обозначения:

1 - газовая турбина

2 - воздушный компрессор

3 - камера сгорания

4 - электрический генератор

5 - утилизационная паровая турбина (часть высокого давления)

6 - цилиндр низкого давления утилизационной паровой турбины

7 - конденсатор

8 - конденсационный насос

9 - питательный насос низкого давлений

10 - экономайзер низкого давления

11 - барабан низкого давления котла-утилизатора, совмещенный с деаэратором

12 - питательный насос высокого давления

13 - пароперегреватель низкого давления

14 - экономайзер высокого давления

15 - барабан высокого давления котла-утилизатора

16 - пароперегреватель высокого давления

I - котел-утилизатор.

Парогазовая установка, выполненная по указанной схеме, работает следующим образом.

Газ после газовой турбины 1 с достаточно высокой температурой, которая зависит от начальной температуры газа перед газовой турбиной и степени расширения его в проточной части газовой турбины, поступает в котел-утилизатор I.

Во входной части котла располагаются все поверхности нагрева высокого давления (контур высокого давления), а в выходной части расположены поверхности нагрева низкого давления (контур низкого давления).

После контура высокого давления перегретый пар поступает в цилиндр высокого давления 5 паровой турбины и после него идет в цилиндр низкого давления 6. В этот же цилиндр поступает и пар после контура низкого давления котла утилизатора.

Оба указанных потока пара после совершения работы в ЦНД конденсируются в конденсаторе 7, и конденсаторным насосом 8 конденсат подается на вход питательного насоса низкого давления 9. В общем для двух рассматриваемых потоков в экономайзере низкого давления 10 питательная вода нагревается до температуры, на 10-15°С отличающейся от температуры насыщения в барабане 11 контура низкого давления.

После экономайзера 10 одна (основная) часть питательной воды идет на вход в питательный насос высокого давления 12, а другая - поступает в барабан низкого давления 11, где происходит испарение воды с последующим перегревом пара в перегревателе низкого давления 13, после которого, как уже отмечалось, перегретый пар поступает в цилиндр низкого давления 6.

В свою очередь в паровом контуре высокого давления генерируется основная часть пара высокого давления, поступающего в цилиндр высокого давления.

Переход к двухконтурным и трехконтурным котлам-утилизаторам позволил снизить температуру уходящих газов до 100-110 градусов и на несколько процентов увеличить кпд котла-утилизатора, повысив, тем самым, в формуле (1) ее второе слагаемое. Таким образом, в паротурбинной части ПГУ с двух- и трехконтурными котлами-утилизаторами реализуются как высокотемпературный (на базе первого контура высокого давления), так и низкотемпературный (на базе второго и третьего контуров) циклы Ренкина.

Если энергия пара, генерируемого в первом высокотемпературном контуре котла-утилизатора, преобразуется в механическую энергию вращения ротора турбины с кпд на уровне 33-37% (безрегенеративный цикл), то преобразование энергии пара, генерируемого во втором и третьем контурах котла-утилизатора, в механическую энергию происходит с кпд, равным 25-30%.

Другими словами, утилизация теплоты газов, покидающих газовую турбину на базе контуров низкого давления котла-утилизатора, осуществляется с весьма низкой эффективностью, что и является основным недостатком современных ПГУ (основной недостаток прототипа).

Этот недостаток отсутствует в предлагаемой новой схеме ПГУ с двухконтурным котлом-утилизатором, приведенной на фигуре 2.

Здесь все элементы тепловой схемы, идентичные с элементами схемы на фигуре 1, обозначены одинаковыми цифрами и добавлены следующие позиции:

17 - регенеративный подогреватель низкого давления

18 - регенеративный подогреватель высокого давления

19 - дэаэратор

20 - клапан подпитки конденсатом низкого давления

21 - клапан подачи пара в колонку деаэратора

II - котел-утилизатор.

ПГУ с регенеративным подогревом питательной воды работает следующим образом.

Как и в прототипе, газы после газовой турбины подводятся к двухконтурному котлу-утилизатору II. Однако при введении регенеративного подогрева воды условия нагрева воды в контуре высокого давления существенно отличаются от подогрева воды в контуре низкого давления.

В данном случае после конденсатора 7 конденсационный насос 8 подает конденсат в регенеративный подогреватель низкого давления 17 и далее в деаэратор 19. Из деаэратора конденсат подается на вход питательного насоса высокого давления 12. После питательного насоса питательная вода нагревается в регенеративном пароподогревателе высокого давления 18 и далее подается в барабан 15 контура высокого давления. Насыщенный пар из барабана 15 поступает в пароперегреватель 16, где осуществляется перегрев пара до расчетной температуры t°, и с этой температурой пар подводится к паровой турбине 5 части высокого давления и далее к цилиндру низкого давления, после которого идет в конденсатор 7.

Принципиальной отличительной особенностью предлагаемой тепловой схемы является то, что пар, генерируемый во втором, а при трехконтурном котле-утилизаторе и в третьем контурах, используется не для выработки электроэнергии, а для регенеративного нагрева воды в контуре высокого давления.

В этом случае пар из пароперегревателя 13 подается в подогреватель высокого давления 18, являясь греющей средой для питательной воды контура высокого давления. В подогревателе высокого давления 18 греющий пар конденсируется и образующийся при этом конденсат поступает в подогреватель низкого давления 17. После него подается на вход питательного насоса низкого давления 9. После насоса 9 питательная вода проходит экономайзер 10 и подается в барабан низкого давления 11, где, после испарения воды, насыщенный пар перегревается в пароперегревателе 13 и далее используется для подогрева питательной воды в основном контуре высокого давления в подогревателях высокого 18 и низкого 17 давления.

Кроме того, часть пара низкого давления используется для подогрева воды до температуры насыщения в деаэраторе 19. Количество этого пара регулируется клапаном 21. Возникающая потеря рабочего тела второго контура компенсируется за счет равного по массе подведенного конденсата в контур низкого давления через питательный клапан 20.

Таким образом, если в стандартной схеме ПГУ большая часть тепловой энергии пара генерируемого во втором контуре котла утилизатора теряется с охлаждающей водой, увеличивая тем самым тепловое загрязнение атмосферы, то в предлагаемой схеме вся энергия пара низкого давления полностью используется для подогрева питательной воды, существенно повышая экономичность ПГУ.

Оценим степень повышения экономичности ПГУ при использовании предлагаемой схемы, исходя из следующих условий.

Примем, что количество теплоты, передаваемое в контуре высокого давления котла-утилизатора Q, как в исходной, так и в новой схеме остается неизменным. Тогда при повышении температуры воды на входе в котел с tК=30°(температура конденсата) до tП.В. (темпера питательной воды в схеме с ее регенеративным подогревом) получим следующее очевидное соотношение

$$Q=G_{ЧВД}^I*{\eta }_{ку}^I\left(h_0^{II}-h_{к}^I\right)=*{\eta }_{ку}^{II}\left(h_0^{II}-h_{п.в.}^I\right)\left(1\right)$$

Здесь G_I - количество пара, генерируемого в контуре высокого давления в первой схеме;

G_II - количество пара, генерируемого в контуре высокого давления во второй схеме с регенеративным подогревом воды;

$${\eta }_{ку}^I$$ и $${\eta }_{ку}^{II}$$ - кпд котла-утилизатора в первой и второй схемах;

h₀, $$h_{к}^{/}$$ , $$h_{п.в.}^{/}$$ - энтальпии свежего пара на выходе из котла-утилизатора, конденсата и питательной воды.

Поскольку в сравниваемых схемах кпд котла-утилизатора почти не меняется, то из соотношения (1) находим

$$\frac{G_{чвд}^{II}}{G_{чвд}^I}=\frac{h_0-h_{к}^{/}}{h_0-h_{п.в.}^{/}}$$

При начальной температуре пара t₀=540°С и давлении пара P₀=8 МПа (типичные параметры пара для современных ПГУ) энтальпия пара h₀=3496,2 кДж/кг.

Энтальпия конденсата при температуре t_к=30°С, $$h_{к}^{/}=\mathrm{132,8}$$ кДж/кг

Энтальпия питательной воды, при ее нагреве до t_п.в.=200°С, $$h_{п.в.}^{/}=853$$ кДж/кг, тогда

$$\frac{G_{чвд}^{II}}{G_{чвд}^I}=\frac{\mathrm{3496,8}-\mathrm{132,8}}{\mathrm{3496,8}-853}=\mathrm{1,27}$$

Увеличение расхода пара через контур высокого давления на 27% увеличивает мощность ЧВД паровой турбины на те же 27%. Таким образом, увеличение мощности паровой турбины при введении регенеративного подогрева питательной воды за счет теплоты пара контура низкого давления котла утилизатора будет равно

$$\frac{N^{II}}{N^I}=\frac{G_{чвд}^{II}\cdot H_{0чвд}^{II}\cdot {\eta }_{0iчвд}^{II}+G_{чнд}^{II}\cdot H_{чнд}^{II}\cdot {\eta }_{0iчнд}^{II}}{G_{чвд}^I\cdot H_{0чвд}^I\cdot {\eta }_{0iчвд}^I+G_{чнд}^I\cdot H_{чнд}^I\cdot {\eta }_{0iчнд}^I}$$

При введении регенеративного подогрева воды внутренний относительный кпд цилиндров почти не меняется и можно принять для простоты анализа, что кпд части высокого давления (ЧВД) и цилиндра низкого давления (ЦНД) также равны между собой. Т.е. $${\eta }_{0iчвд}^I={\eta }_{0iчвд}^{II}={\eta }_{0iцнд}^I={\eta }_{0iцнд}^{II}={\eta }_{0i}.$$ В большинстве случаев располагаемые теплоперепады энтальпий H_0чвд и H_0цнд также близки между собой и тогда $$H_{0чвд}^I=H_{0чвд}^{II}\approx H_{0цнд}^I=H_{0цнд}^{II}=0.5H_0$$ (H₀ - располагаемый перепад энтальпий на всю турбину). В стандартных схемах во втором контуре котла-утилизатора генерируется около 20% пара, от количества пара, генерируемого в контуре высокого давления. Тогда расход пара через ЦНД в схеме без регенеративного подогрева воды будет равен $$G_{цнд}^I=1.2G_{чвд}^I$$ (Костюк А.Г., Фролов В.В., Булкин А.Е., Трухний А.Д. «Паровые и газовые турбины электростанций», М. Издательский дом МЭИ).

Согласно проведенным выше оценкам

$$G_{чвд}^{II}=1.27G_{чвд}^I$$ и $$G_{цнд}^{II}=G_{чвд}^{II}=1.27G_{чвд}^I$$

В результате

$$\frac{N^I}{N^{II}}=\frac{1.27\cdot H_{0чвд}^I\cdot {\eta }_{0iчвд}^I\cdot 2G_{чвд}^I}{H_{0чвд}^I\cdot {\eta }_{0iчвд}^I\cdot G_{чвд}^I\cdot \left(1+1.2\right)}=1.1545$$

При неизменном количестве теплоты, подводимой в цикле, кпд цикла растет пропорционально увеличению полезной мощности турбины. Соответственно, если принять, что кпд безрегенеративного цикла Ренкина, реализуемого на базе контура высокого давления, находится на уровне 35%, то при введении регенеративного подогрева воды кпд цикла увеличится до

$${\eta }_t^{II}=1.1545\cdot {\eta }_t^I=1.1545\cdot 0.35=0.404$$

В результате кпд ПТУ на базе турбины 94V3A (Siemens) увеличится согласно формуле (1) с 56.9% при условии, что кпд ГТУ η_ГТУ=0.392 (Данные фирмы «Siemens»), а котла-утилизатора η_КУ=0.83.

В результате кпд ПТУ увеличивается согласно формуле (1) с 56,9% до 61,6%, при условии, что кпд котла-утилизатора η_КУ=0,83, а кпд ГТУ η_ГТ=39,2%.

Следует особо отметить, что в новой тепловой схеме ПГУ рассматривается два независимых пароводяных контура, функционально решающих две самостоятельных задачи.

Первый, основной, высокотемпературный контур высокого давления обеспечивает нормальную работу паротурбинного блока, а второй низкотемпературный контур низкого давления обеспечивает только двухступенчатый регенеративный подогрев питательной воды, поступающей в котел-утилизатор. Таким образом, предлагается концептуально новая парогазовая установка, содержащая газовую турбину, компрессор, камеру сгорания, паровую турбину, конденсатор, деаэратор, конденсатный и питательный насосы, двухконтурный котел-утилизатор, отличающаяся тем, что второй контур низкого давления котла-утилизатора используется не для выработки дополнительной мощности в паровой турбине, а служит только для последовательного двухступенчатого подогрева конденсата и питательной воды, поступающей в основной (первый) контур высокого давления котла-утилизатора, в поверхностных подогревателях низкого и высокого давления.

Использованные источники информации

1. Трухний А.Д. «Основы современной энергетики». Том 1, М. Издательский дом МЭИ, 2008.

2. Костюк А.Г., Фролов В.В, Булкин А.Е., Трухний А.Д. «Паровые и газовые турбины электростанций», М. Издательский дом, 2008.

Изобретение относится к энергетике. Парогазовая установка, содержащая газовую турбину, компрессор, камеру сгорания, паровую турбину, конденсатор, деаэратор, конденсационный и питательный насосы, двухкамерный котел-утилизатор, который содержит основной (первый) контур высокого давления, а также второй контур низкого давления, причём второй контур низкого давления котла-утилизатора служит для двухступенчатого подогрева конденсата и питательной воды. Изобретение позволяет повысить экономичность парогазовой установки. 2 ил.

Парогазовая установка, содержащая газовую турбину, компрессор, камеру сгорания, паровую турбину, конденсатор, деаэратор, конденсатный и питательный насосы, двухконтурный котел-утилизатор, который содержит основной (первый) контур высокого давления, а также второй контур низкого давления, отличающаяся тем, что второй контур низкого давления котла-утилизатора служит для двухступенчатого подогрева конденсата и питательной воды.