ЭНЕРГОУСТАНОВКА КОМБИНИРОВАННОГО ЦИКЛА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2016 года по МПК F01K23/10 

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0001] Описанное здесь изобретение относится к активной регулировке температуры выхлопа при помощи контролируемого пара, отбираемого в энергоустановке комбинированного цикла.

[0002] В энергоустановке комбинированного цикла для производства энергии используются совместно газотурбинный двигатель и паротурбинный двигатель. Энергоустановка устроена таким образом, что газотурбинный двигатель термически подсоединен к паротурбинному двигателю через теплоутилизационный парогенератор ("ТУПГ"). ТУПГ является бесконтактным теплообменником, который обеспечивает нагрев питательной воды для процесса производства пара выхлопными газами газотурбинного двигателя, которые в противном случае не будут утилизированы. ТУПГ представляет собой большой канал с пучками труб, которые установлены в этом канале таким образом, что вода нагревается до перехода в парообразное состояние при прохождении выхлопных газов через канал.

[0003] Как правило, в современных комбинированных циклах применяется два (2) или (3) давления выработки пара для получения энергии от выхлопа газотурбинного двигателя. Эти циклы также часто включают управление температурой подводимой воды для поддержания труб выше точки конденсации воды во избежание возможной коррозии. В подобных циклах температура газа на выходе из ТУПГ может устанавливаться на уровне около 150° по Фаренгейту (около 66° по Цельсию), но в некоторых случаях требуется более высокая температура газа на выходе из ТУПГ. Например, более высокая температура газа на выходе из ТУПГ может требоваться в соответствии с местным законодательством, чтобы обеспечить пониженную себестоимость выхлопа или меньшее количество выхлопа. Однако это может привести к неизбежному снижению рабочих характеристик, связанному с утилизацией меньшего количества энергии от выхлопа.

[0004] Ранее более высокая температура газа на выходе из ТУПГ достигалась путем уменьшения зоны поверхности низкого давления, поскольку уменьшенное таким образом производство пара низкого давления имеет наименьший потенциал для выполнения работы. В отличие от этого, в недавних попытках решить эту проблему в трубопроводе отбора пара низкого давления и подогревателе сконденсированной питательной воды достигнута требуемая температура газа на выходе из ТУПГ во всем диапазоне температуры окружающей среды. Однако в этом случае самая высокая температура в диапазоне окружающей среды будет влиять на технические условия на проектирование трубопровода отбора и подогревателя сконденсированной питательной воды. Таким образом, при более низкой температуре окружающей среды это последнее устройство вызвало бы увеличение температуры газа на выходе из ТУПГ выше температурного требования, снижая, таким образом, тепловой КПД ниже требуемого.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0005] В соответствии с одним аспектом изобретения предложена энергоустановка комбинированного цикла, в которой газотурбинный двигатель вырабатывает энергию, теплоутилизационный парогенератор (ТУПГ) производит пар с помощью высокоэнергетических текучих сред, получаемых от выработки энергии в газотурбинном двигателе, и паротурбинный двигатель вырабатывает дополнительную энергию от пара, полученного в ТУПГ, и которая содержит нагревательный элемент, размещенный между паротурбинным двигателем и ТУПГ с обеспечением проточного сообщения и предназначенный для нагрева текучей среды, выходящей из паротурбинного двигателя и подаваемой в ТУПГ, и систему управления для регулировки степени нагрева нагревательным элементом текучей среды, выходящей из паротурбинного двигателя, на основе разности между температурой в ТУПГ и температурой окружающей среды.

[0006] В соответствии с другим аспектом изобретения предложена энергоустановка комбинированного цикла, которая содержит газотурбинный двигатель, предназначенный для выработки энергии, теплоутилизационный парогенератор (ТУПГ), предназначенный для производства пара с помощью высокоэнергетических текучих сред, полученных от выработки энергии в газотурбинном двигателе, паротурбинный двигатель, предназначенный для выработки дополнительной энергии от пара, полученного в ТУПГ, нагревательный элемент, размещенный между паротурбинным двигателем и ТУПГ с обеспечением проточного сообщения и предназначенный для нагрева текучей среды, выходящей из паротурбинного двигателя и подаваемой в ТУПГ, и систему управления для регулировки степени нагрева нагревательным элементом текучей среды, выходящей из паротурбинного двигателя, на основе разности между температурой газа на выходе из ТУПГ и введенным заданным значением температуры.

[0007] Эти и другие преимущества и признаки станут более очевидными из следующего описания, приведенного совместно с прилагаемым чертежом.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖА

[0008] Рассматриваемое изобретение особенно выделено и четко заявлено в формуле изобретения, следующей за описанием. Упомянутые и другие признаки и преимущества изобретения очевидны из следующего подробного описания, приведенного со ссылкой на Фиг.1, который представляет собой:

[0009] Схематическое изображение энергоустановки комбинированного цикла.

[0010] В подробном описании раскрываются варианты выполнения изобретения вместе с преимуществами и признаками в виде примера со ссылкой на Фиг.1.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0011] Как видно из чертежа, предлагается энергоустановка 10 комбинированного цикла. Энергоустановка 10 содержит газотурбинный двигатель 12 с камерой 14 сгорания и турбиной 16. Энергоустановка 10 также содержит паротурбинный двигатель 18. Паротурбинный двигатель 18 содержит секцию 20 высокого давления, секцию 22 среднего давления и одну или несколько секций 24 низкого давления с несколькими точками впуска пара при различных давлениях. Секция 24 низкого давления выпускает пар в конденсатор 26. Паротурбинный двигатель 18 приводит в движение генератор 28, который вырабатывает электроэнергию. Газотурбинный двигатель 12, паротурбинный двигатель 18 и генератор 28 могут быть установлены на одном валу 30. Могут использоваться другие конфигурации.

[0012] Паротурбинный двигатель 18 связан с теплоутилизационным парогенератором (ТУПГ) 32, в котором имеются несколько зон с разными давлениями. ТУПГ 32 является противоточным теплообменником, в котором проходящая через него питательная вода нагревается за счет отдачи тепла выхлопными газами, выходящими из газотурбинного двигателя 12, и их охлаждения. ТУПГ 32 имеет три (3) различных рабочих давления (высокое, среднее и низкое) с компонентами для выработки пара при различных давлениях и температурах. Этот пар используется для подачи на соответствующие ступени паротурбинного двигателя 18. ТУПГ 32 может содержать, например, секцию 34 пониженного давления, секцию 36 среднего давления и секцию 38 высокого давления, каждая из которых может в целом включать один или несколько экономайзеров, испарителей и/или перегревателей.

[0013] Конденсат подается от конденсатора 26 на ТУПГ 32 через один или несколько трубопроводов 40 при помощи конденсатного насоса 42. За конденсатным насосом 42 размещен уплотнительный конденсатор 44, который также может использоваться для вторичных конденсационных операций. Затем конденсат проходит от конденсатного насоса 42 через секцию 34 низкого давления ТУПГ 32. Известным способом пар от секции 34 низкого давления подается в секцию 24 низкого давления паровой турбины 18 через трубопровод 46. Конденсат и/или питательная вода проходит через секцию 36 среднего давления и возвращается в секцию 22 среднего давления паровой турбины 18 через трубопровод 48. Окончательно конденсат проходит через секцию 38 высокого давления ТУПГ 32 и возвращается в секцию 20 высокого давления турбины 18 через трубопровод 50. Горячая вода, получаемая при помощи ТУПГ 32, также может использоваться для системы 52 подогрева топлива.

[0014] Кроме этого, имеется нагревательный элемент, как, например, подогреватель 56 отбираемой питательной воды низкого давления. Подогреватель 56 питательной воды установлен вокруг трубопровода 40 и функционально расположен за конденсатором 26. Дополнительный трубопровод 58, как, например, трубопровод отбора пара низкого давления, может напрямую соединять подогреватель 56 с секцией 24 низкого давления паротурбинного двигателя 18, причем пар низкого давления отбирается из секции 24 низкого давления паротурбинного двигателя 18, подается в подогреватель 56 и применяется, таким образом, для повышения температуры конденсата, подаваемого в ТУПГ 32. Таким образом, подогреватель 56 питательной воды увеличивает температуру конденсата, подаваемого в ТУПГ 32.

[0015] Дополнительный трубопровод 58 снабжен клапаном 60, например, пропорциональным клапаном или каким-либо другим клапаном похожего типа для регулировки количества пара низкого давления, отбираемого от секции 24 низкого давления паротурбинного двигателя 18. Клапан 60 управляется системой управления, включающей привод 70 клапана, блок 80 обработки данных и датчик 90 температуры. Привод 70 клапана функционально подсоединен к блоку 80 обработки данных. Блок 80 обработки данных получает данные измерения температуры в ТУПГ, например, данные измерения температуры газа на выходе из ТУПГ, от датчика 90 температуры, например, от термопары, функционально расположенной внутри ТУПГ 32.

[0016] Имеются случаи, когда желательно скорректировать температуру газа на выходе из ТУПГ до заданного значения, которое выше, чем естественная температура, при отсутствии какого-либо механизма для активной регулировки температуры, например, если местное законодательство устанавливает минимальную температуру газа на выходе из ТУПГ. В этих случаях блок 80 обработки данных сравнивает измеренную температуру газа на выходе из ТУПГ с заданным введенным значением температуры и/или с заданным значением желательной температуры и передает управляющий сигнал, например, коррекционный сигнал пропорционального клапана на привод 70 клапана на основе результатов этого сравнения. Затем привод 70 клапана открывает или закрывает клапан 60 соответственно для регулировки отбора пара низкого давления.

[0017] В конструкции подогревателя 56 питательной воды предусмотрена возможность достижения минимальной температуры газа на выходе из ТУПГ в данном диапазоне температур окружающей среды. При этом, как правило, минимальная температура газа на выходе из ТУПГ приходится на самый жаркий день в диапазоне температур окружающей среды, и при каждой более низкой температуре окружающей среды отбор пара низкого давления был бы чрезмерным без соответствующего управления клапаном 60, осуществляемого описанной здесь системой управления. Результатом чрезмерного отбора пара низкого давления может являться увеличение температуры газа на выходе из ТУПГ выше требуемого минимума, что снижает тепловой КПД энергоустановки 10 комбинированного цикла. Однако, поскольку управляемый блоком 80 клапан 60 имеет возможность корректировать отбор пара низкого давления таким образом, что отбирается только минимальное требуемое количество пара низкого давления для поддержания температуры газа на выходе из ТУПГ выше требуемого минимума для данного дня, имеющего данную температуру окружающей среды (например, заданное введенное значение температуры), то оставшийся поток будет расширяться через секцию 24 низкого давления паровой турбины 18, увеличивая таким образом тепловой КПД энергоустановки 10 комбинированного цикла.

[0018] В соответствии с дополнительными вариантами выполнения пар для использования в подогревателе 56 питательной воды может отбираться от секций 20, 22 высокого или среднего давления паротурбинного двигателя 18. В другом варианте блок 80 обработки данных прогнозирует температуру газа на выходе из ТУПГ на основе температуры на впуске в экономайзер низкого давления с понятной зависимостью между температурой на впуске в экономайзер низкого давления и температурой газа на выходе из ТУПГ. Затем блок 80 обработки данных передает сигнал коррекции потока на основе температуры на впуске в экономайзер низкого давления.

[0019] Другие дополнительные варианты выполнения включают добавление клапанов и трубопроводов или модификацию существующих клапанов и трубопроводов для обхода паротурбинного двигателя 18. В этих вариантах выполнения пар, отбираемый для использования в подогревателе 56 питательной воды, отводится непосредственно из трубопроводов 46, 48 и 50. Кроме того, пар после выхода из секции 20 высокого давления паротурбинного двигателя 18 направляется через трубопровод 471 холодного перегрева и смешивается с перегретым паром среднего давления из трубопровода 472. Пар, отбираемый от трубопровода 471 холодного перегрева или из трубопровода 472, может также использоваться для питания подогревателя 56.

[0020] Подогреватель 56 может иметься в любой конфигурации теплообмена и может включать дополнительные или альтернативные нагревательные элементы.

[0021] В соответствии с другими аспектами изобретения предложен способ управления энергоустановкой 10 комбинированного цикла. Способ включает направление сконденсированного пара низкого давления от паротурбинного двигателя 18 и конденсатора 26 в ТУПГ 32, нагрев сконденсированного пара низкого давления до его поступления в ТУПГ 32 и регулировку степени нагрева сконденсированного пара низкого давления. Нагрев выполняют в подогревателе 56 питательной воды, воздействуя на сконденсированный выхлоп турбины объемом пара низкого давления, отбираемым из паротурбинного двигателя 18. Как описано выше, управление выполняют путем корректировки количества пара низкого давления, воздействию которого подвергается сконденсированный выхлоп турбины, на основе сравнения измерения температуры ТУПГ 32, измерения температуры окружающей среды и заранее определенной установки температуры, которая может быть определена в соответствии с измерением температуры окружающей среды.

[0022] Несмотря на то, что изобретение подробно описано только в связи с ограниченным количеством вариантов выполнения, необходимо четко понять, что оно не ограничивается этими описанными вариантами выполнения. Более того, изобретение может быть модифицировано с включением любого количества вариантов, изменений, замен или эквивалентных конструкций, не описанных здесь, но которые соответствуют сущности и объему изобретения. Кроме этого, несмотря на то, что описаны различные варианты выполнения изобретения, необходимо понять, что его аспекты могут включать только некоторые описанные варианты выполнения. Соответственно, изобретение не должно ограничиваться предшествующим описанием, а ограничивается только объемом прилагаемой формулы изобретения.

Изобретение относится к энергетике. В энергоустановке комбинированного цикла, газотурбинный двигатель вырабатывает энергию, теплоутилизационный парогенератор (ТУПГ) производит пар с помощью высокоэнергетических текучих сред, получаемых от выработки энергии в газотурбинном двигателе, и паротурбинный двигатель вырабатывает дополнительную энергию от пара, полученного в ТУПГ. Энергоустановка комбинированного цикла дополнительно содержит нагревательный элемент, размещенный между паротурбинным двигателем и ТУПГ с обеспечением проточного сообщения и предназначенный для нагрева текучей среды, выходящей из паротурбинного двигателя и подаваемой в ТУПГ, и систему управления, предназначенную для регулировки степени нагрева нагревательным элементом текучей среды, выходящей из паротурбинного двигателя, на основе разности между температурой в ТУПГ и температурой окружающей среды. Изобретение позволяет повысить эффективность преобразования тепла. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Энергоустановка (10) комбинированного цикла, которая содержит газотурбинный двигатель (12), вырабатывающий энергию, теплоутилизационный парогенератор (ТУПГ) (32), производящий пар с помощью высокоэнергетических текучих сред, получаемых от выработки энергии в газотурбинном двигателе (12), и паротурбинный двигатель (18), вырабатывающий дополнительную энергию от пара, полученного в ТУПГ (32), и которая дополнительно содержит нагревательный элемент, размещенный между паротурбинным двигателем (18) и ТУПГ (32) с обеспечением проточного сообщения и предназначенный для нагрева текучей среды, выходящей из паротурбинного двигателя (18) и подаваемой в ТУПГ (32), и систему управления (70, 80, 90), предназначенную для регулировки степени нагрева нагревательным элементом текучей среды, выходящей из паротурбинного двигателя (18), на основе разности между температурой в ТУПГ (32) и температурой окружающей среды.

2. Энергоустановка (10) по п.1, в которой нагревательный элемент содержит подогреватель (56) питательной воды отбором пара низкого давления.

3. Энергоустановка (10) по п.1, содержащая трубопровод (58) отбора пара, предназначенный для отбора пара из паротурбинного двигателя (18) и подачи отбираемого пара в нагревательный элемент, и клапан (60), функционально установленный на трубопроводе (58) отбора пара и предназначенный для регулировки количества отбираемого пара, поступающего в нагревательный элемент.

4. Энергоустановка (10) по п.3, в которой трубопровод (58) отбора пара отбирает пар из секции (24) низкого давления паротурбинного двигателя (18).

5. Энергоустановка (10) по п.4, в которой система управления содержит датчик (90) температуры, предназначенный для определения температуры газа на выходе из ТУПГ, и блок (80) обработки данных, предназначенный для сравнения температуры газа на выходе из ТУПГ с заданным введенным значением температуры и выдачи управляющего сигнала для регулировки степени нагрева текучей среды, выходящей из паротурбинного двигателя, в соответствии с результатом сравнения.

6. Энергоустановка (10) по п.5, в которой температура газа на выходе из ТУПГ содержит температуру выхлопного газа, или прогнозируемую температуру выхлопного газа, или обе эти температуры.

7. Энергоустановка (10) по п.5, содержащая привод (70) клапана, функционально установленный для управления клапаном (60) в ответ на управляющий сигнал.

8. Энергоустановка (10) комбинированного цикла, содержащая газотурбинный двигатель (12), предназначенный для выработки энергии, теплоутилизационный парогенератор (ТУПГ) (32), предназначенный для производства пара с помощью высокоэнергетических текучих сред, получаемых от производства энергии в газотурбинном двигателе (12), паротурбинный двигатель (18), предназначенный для выработки дополнительной энергии от пара, полученного в ТУПГ (32), нагревательный элемент, размещенный между паротурбинным двигателем (18) и ТУПГ (32) с обеспечением проточного сообщения и предназначенный для нагрева текучей среды, выходящей из паротурбинного двигателя (12) и подаваемой в ТУПГ, и систему управления (70, 80, 90), предназначенную для регулировки степени нагрева нагревательным элементом текучей среды, выходящей из паротурбинного двигателя (18), на основе разности между температурой газа на выходе из ТУПГ и заданным введенным значением температуры.