СИСТЕМА ОТВОДА ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ Российский патент 2019 года по МПК F01D25/30 F01K23/10 F02C9/16 F16K11/65 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится в целом к системе отвода для применения на установке комбинированного цикла.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Как известно, газотурбинные двигатели производят полезную работу путем приведения в действие вала турбины посредством горячих газов, получаемых путем сжигания сжиженного природного газа, такого как воздух. Для улучшения общей эффективности производительности работы, паровая установка комбинируется с газотурбинной установкой. В такой сборке, горячие газы, выходящие из турбины, протекают по выпускному газоходу к котлу-утилизатору (HRSG). Тепло от газов в этом случае используется в котле-утилизаторе для нагрева воды и производства пара, который, в свою очередь, используется для приведения в действие паровой турбины.

Традиционные установки комбинированного цикла, как описано выше, снабжены отводящим шибером, позволяющим электростанции, содержащей газотурбинную установку и паросиловую установку, работать либо в режиме простого цикла, либо в режиме комбинированного цикла. Для этого шибер в перепускном газоходе, как правило, имеет такую конфигурацию, чтобы перемещаться между закрытым или блокирующим положением, при работе в режиме простого цикла, когда горячие выхлопные газы, выходящие из газотурбинной установки, направляются по перепускной трубной части и выпускаются в атмосферу, и открытым положением, при работе в режиме комбинированного цикла, когда горячие выхлопные газы направляются в котел-утилизатор и используются для производства пара.

В существующих установках система отводящего шибера для газотурбинных применений как правило отделена от газотурбинной установки и котла-утилизатора посредством компенсатора, расположенного на впуске и выпуске из системы отвода. Эти известные системы отвода структурно не зависят от двух главных компонентов газотурбинной и паросиловой установок, расположены между ними на самостоятельных опорных конструкциях.

Эти системы содержат первый узел, имеющий отсечную пластину, верхние концы которой шарнирно соединены с опорной конструкцией, которая может перемещаться между вертикальным блокирующим положением и горизонтальным открытым положением, в котором выходящий поток направляется в котел-утилизатор. Ниже по потоку от системы отвода расположен компонент диффузора, выполненный с возможностью получения критических параметров потока для оптимального распределения температуры горячих газов и для максимального увеличения эффективности теплообмена внутри котла-утилизатора.

Однако такая конфигурация требует установки нескольких структурно независимых компонентов в ряд, таким образом, критически увеличивается общее пространство, требуемое для монтажа установок.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является решение вышеуказанных технических проблем путем обеспечения системы отвода, по существу в соответствии с заявленным в независимом пункте 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления определены в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения.

В соответствии с предпочтительными вариантами осуществлениями, которые будут описаны в следующем ниже подробном описании лишь в иллюстративных, а не ограничительных целях, данное решение позволяет интегрировать систему отвода в конструкцию впускного тракта котла-утилизатора, объединяя, в едином компоненте, функции перепуска потока горячих газов в конфигурации простого цикла, или направления его через котел-утилизатор, также выполняющую функцию диффузора, в открытой конфигурации комбинированного цикла.

Данное важное техническое преимущество достигается путем обеспечения системы отвода, имеющей такую конфигурацию, чтобы располагаться в установке комбинированного цикла ниже по потоку от выпускного конца газотурбинной установки, и чтобы быть объединенной с конструкцией впускного тракта котла-утилизатора, при этом система отвода является перемещаемой между закрытым положением простого цикла, при котором поток горячих выхлопных газов направляется через перепускную трубную часть, и открытым положением комбинированного цикла, при котором горячие выхлопные газы могут проходить в котел-утилизатор, система отвода также содержит основной отсечной узел, способный совершать возвратно-поступательное перемещение в вертикальном направлении между открытым и закрытым положениями, при этом основной отсечной узел содержит первый участок, расположенный вдоль боковой стенки перепускной трубной части, и второй участок, расположенный поперечно сечению трубной части.

В соответствии с дополнительным аспектом изобретения, второй участок основного отсечного узла наклонен относительно горизонтального направления с образованием диффузора верхней стенки для выхлопных газов, проходящих в котел-утилизатор, когда система отвода работает в открытом положении в режиме комбинированного цикла.

В соответствии с еще одним предпочтительным аспектом изобретения, основной отсечной узел содержит опорную пластину, помещенную между указанными первым и вторым участками. Предпочтительно, основной отсечной узел содержит аэродинамически профилированные направляющие поток элементы, закрепленные на опорной пластине.

В соответствии с дополнительным предпочтительным аспектом изобретения, система отвода соответственно содержит вспомогательную изолирующую отсечную пластину, расположенную смежно первому участку основного отсечного узла вдоль боковой стенки перепускной трубной части, и выполненную с возможностью возвратно-поступательного перемещения между указанными открытым и закрытым положениями. Предпочтительно, основной отсечной узел и вспомогательная отсечные пластины расположены на расстоянии друг от друга вдоль боковой стенки перепускной дымовой трубы с обеспечением заполненного воздухом уплотнительного зазора между ними.

В соответствии с дополнительными аспектами изобретения, основной отсечной узел и вспомогательная отсечные пластины предпочтительно перемещаются вдоль рельсовых путей, расположенных на боковой стенке перепускной трубной части, посредством двух независимых подъемных механизмов, которые могут быть механическими, например, на основе противовесов, или могут иметь электропривод.

Путем помещения системы отвода в соответствии с настоящим изобретением ниже по потоку от газотурбинной установки и на впускном участке котла-утилизатора можно получить важные преимущества. Фактически, предпочтительно, общую площадь установки можно уменьшить, поскольку расстояние между газовой турбиной и котлом-утилизатором сокращается за счет освобожденного пространства, которое раньше было занято традиционными отводящими шиберами.

Более того, достигается важная экономия материалов, поскольку участки впускного тракта котла-утилизатора действуют как внешняя облицовка для отводящего шибера; конструкционные стальные балки котла-утилизатора будут вмещать шумоглушитель и трубную часть отводного шибера, при этом потребуется только один компенсатор.

Применение механизмов электрического или механического привода для возвратно-поступательного перемещения отсечных узла и пластины устраняет угрозу пожара традиционных механизмов с гидравлическим приводом, которые применяются для шиберов традиционного типа.

Система отвода в соответствии с предпочтительными вариантами осуществлениями позволяет без труда работать на различных режимах газотурбинной установки. Основной отсечной узел используется для независимой работы в ходе разных режимов нагрузки станции.

Вспомогательная отсечная пластина обеспечивает максимальную безопасность для персонала, работающего за отсечной пластиной в ходе фаз монтажа, инспекций или обслуживания в области протекания горячих газов котла-утилизатора.

Предпочтительно, механизмы привода, направляющие основной отсечной узел и вспомогательную отсечные пластины, не зависят друг от друга. Несмотря на то, что традиционные отводящие шиберы работают лишь в режиме перепуска (байпаса) или в режиме без перепуска, и лишь в режиме переключения газотурбинной установки в выключенном состоянии или при низкой нагрузке, система отвода в соответствии с настоящим изобретением может работать, предпочтительно, на следующих рабочих режимах: а. Нормальный режим с подключенным котлом-утилизатором b. режим простого перепуска с. режим безопасного перепуска d. режим переключения газотурбинной установки при низкой нагрузке и полной нагрузке е. режим подогрева котла-утилизатора для переключения газотурбинной установки при полной нагрузке f. режим перепуска котла-утилизатора на 10-90% для максимально эффективной работы установки.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Вышеописанные задачи и множество преимуществ, достигаемых посредством настоящего изобретения, станут понятнее при рассмотрении со ссылкой на следующее описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения совместно с прилагаемыми чертежами, на которых:

Фиг. 1 и 2 изображают общий вид установки комбинированного цикла, включающей газотурбинную установку, паросиловую установку и систему отвода в соответствии с настоящим изобретением, расположенную между ними;

Фиг. 3-6 изображают вертикальный разрез системы отвода, изображенной на фиг. 1 и 2;

Фиг. 7-8 изображают различные подробности системы отвода в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг. 9-12 изображают различные режимы утилизации на режиме простого цикла или комбинированного цикла посредством системы отвода в соответствии с изобретением.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Со ссылкой на фиг. 1 в целом изображена установка 10 комбинированного цикла. Установка комбинированного цикла включает в себя газотурбинную установку 2 и котел-утилизатор 3 (далее называемый HRSG), соединенный с паросиловой установкой, в которой используется горячий выхлопной газ, выходящий из газотурбинной установки, для нагрева воды и производства пара. Установка комбинированного цикла содержит систему 1 отвода, которая встроена в конструкцию впускного тракта котла-утилизатора и расположена под перепускной трубной частью, обозначенной ссылочной позицией 4.

Более точно, со ссылкой на фиг. 2, горячие выхлопные газы, выхлопные из газотурбинной установки 2 из выпускного газохода 21, направляются в систему 1 отвода. Система 1 отвода обрабатывает газ и направляет его к перепускной дымовой трубе 4, расположенной выше, в случае простого цикла и/или необходимости выполнения обслуживания, или направляет его в котел-утилизатор 3 в случае необходимости комбинированного цикла. С этой целью, система 1 отвода является перемещаемой внутри между закрытым положением простого цикла, в котором горячий выхлопной газ направляется через перепускную трубную часть 4, и открытым положением комбинированного цикла, при котором горячий выхлопной газ направляется в котел-утилизатор 3.

Со ссылкой на фиг. 3 показан вертикальный разрез системы 1 отвода, на котором видны ее внутренние компоненты. В частности, система 1 отвода содержит основной отсечной узел 5, способный совершать возвратно-поступательное перемещение в вертикальном направлении между открытым и закрытым положениями, как будет объяснено ниже более подробно. На фиг. 3 основной отсечной узел 5 расположен в открытом положении в режиме комбинированного цикла. Основной отсечной узел 5 содержит первый участок 51, расположенный вдоль боковой стенки 41 перепускной трубной части 4, и второй участок 52, расположенный поперек перепускной трубной части 4. Предпочтительно, второй участок 52 основного отсечного узла 5 наклонен относительно горизонтального направления. Таким образом, когда система отвода занимает открытую конфигурацию комбинированного цикла, как показано на фиг. 3, второй участок 52 пластины 5 выполняет функцию диффузора верхней стенки для выхлопного газа, протекающего ниже по направлению к котлу-утилизатору (не показано на фигуре). Другими словами, второй участок 52, предпочтительно, имеет коническую форму так, чтобы получить критические параметры потока для оптимального распределения температуры горячих газов с тем, чтобы максимально увеличить эффективность теплообмена внутри котла-утилизатора (не показанного на чертеже), в который направляется газ.

Со ссылкой на следующую фиг. 4, показан вертикальный разрез системы отвода, на котором основной отсечной узел 5 расположен посередине между открытым положением в режиме комбинированного цикла, изображенным на фиг. 3, и закрытым положением в режиме простого цикла. Основной отсечной узел 5 может содержать опорную пластину 53, расположенную между первым и вторым участками 51 и 52. Опорная пластина 53 может поддерживать элементы аэродинамического профиля 54, для направления и наведения горячего потока с максимальной эффективностью через перепускную трубную часть 4.

Со ссылкой на фиг. 5 показана система отвода в соответствии с изобретением в закрытом положении в режиме простого цикла, т.е. когда основной отсечной узел 5 полностью опущен вниз. Таким образом, горячие выхлопные газы, выходящие из газотурбинной установки (не показано), отклоняются по направлению к расположенной выше перепускной трубной части 4. Система отвода содержит рельсовые пути 6, сообщающиеся с основной пластиной 5, по которым пластина 5 совершает возвратно-поступательное перемещение в вертикальном направлении так, чтобы переключаться между открытой и закрытой конфигурациями.

Со ссылкой теперь на фиг. 6, также показана система отвода в соответствии с изобретением в закрытой конфигурации простого цикла. В частности, система 1 отвода может также содержать вспомогательную изолирующую отсечную пластину 8, расположенную смежно первому участку 51 основной пластины 5 вдоль боковой стенки 41 перепускной дымовой трубы 4. Вспомогательная изолирующая пластина 8 предназначена для совершения возвратно-поступательного вертикального перемещения между открытым и закрытым положениями таким же образом, как основной отсечной узел 5. Изолирующая пластина 8 необходима для обеспечения дополнительных уплотнительных приспособлений для перепускной трубной части 4, в случае, когда рабочему персоналу необходимо выполнить действия по обслуживанию внутри котла-утилизатора. Таким образом, она имеет важнейшее значение в целях безопасности для обеспечения надлежащей термической изоляции котла-утилизатора от перепускной трубной части 4, куда горячие выхлопные газы направляются посредством системы отвода, когда система отвода занимает закрытое положение простого цикла. Для дополнительного улучшения термической изоляции котла-утилизатора посредством вспомогательной изолирующей пластины 8, первый участок 51 основной пластины 5 и вспомогательная пластина 8, предпочтительно, расположены на расстоянии друг от друга вдоль боковой стенки 41 так, чтобы образовывать заполненный воздухом уплотнительный зазор 9 между ними.

Со ссылкой теперь на фиг. 7, система отвода в соответствии с изобретением содержит первый приводной механизм 7, выполненный с возможностью возвратно-поступательного перемещения основного отсечного узла вдоль вертикального направления (не показан на фигуре, поскольку он расположен внутри конструкции впускного тракта котла-утилизатора). Предпочтительно, приводной механизм 7 содержит систему, основанную на противовесах. Подобным образом, вспомогательный изолирующий механизм содержит второй приводной механизм (не показано), выполненный с возможностью возвратно-поступательного перемещения вспомогательной пластины (не показано) между открытым и закрытым положениями. Предпочтительно, первый и второй механизмы привода не зависят друг от друга.

Далее на фиг. 8 показан вертикальный разрез системы отвода и перепускной трубной части 4, расположенной выше, при этом видна шумопоглощающая трубная часть 40.

Со ссылкой теперь на фиг. 9-12, показаны различные режимы работы, которые можно получить посредством системы отвода в соответствии с изобретением.

В частности на фиг. 9 изображает режим комбинированного цикла, при котором система 1 отвода расположена в открытом положении, когда отсечная пластина, встроенная в конструкцию впускного тракта котла-утилизатора 3, занимает верхнее положением. Таким образом, горячие выхлопные газы, выходящие из газотурбинной установки 2, попадают в котел-утилизатор 3. В частности, второй участок отсечного узла 5, с его конической формой, предпочтительно выполняет функцию диффузора верхней стенки для газа, протекающего под ним, таким образом, создавая оптимальное распределение температуры горячих газов для максимального увеличения эффективности теплообмена внутри котла-утилизатора 3.

Фиг. 10 изображает установку в режиме простого цикла, когда отсечной узел 5 системы 1 отвода расположен в опущенном положении. В такой рабочей конфигурации, горячие выхлопные газы отклоняются пластиной 5 к перепускной трубной части 4, расположенной выше.

Фиг. 11 изображает систему 1 отвода в режиме простого цикла, когда вспомогательная изолирующая пластина 8 также занимает опущенное положение. Такая конфигурация может быть использована, когда рабочий персонал располагается в котле-утилизаторе 3 для проведения операций по обслуживанию, и для дополнительной термической изоляции от горячих выхлопных газов, выходящих из газотурбинной установки 2, требуемой из соображений безопасности.

Наконец, фиг. 12 изображает промежуточную конфигурацию, при которой отсечной узел 5 поддерживается посередине между открытой конфигурацией для режима комбинированного цикла и закрытой конфигурацией для режима простого цикла. Путем регулирования высоты положения отсечного узла 5 вдоль перепускной дымовой трубы 4, посредством второго участка пластины, расположенного поперек перепускной дымовой трубы, можно регулировать поток горячих выхлопных газов через систему 1 отвода и разделять его на две части, одна часть подается в котел-утилизатор для регенерации тепла, и остальная часть выходит через перепускную дымовую трубу 4. Таким образом, предпочтительно, можно одновременно достичь режимов работы, как по простому, так и по комбинированному циклу.

Как следует понимать, система отвода в соответствии с изобретением предпочтительно позволяет управлять установкой комбинированного цикла гибким образом, по сравнению с известными типами установок.

Фактически, высота положения основного отсечного узла может быть отрегулирована так, чтобы достичь желаемого распределения нагрузок между потоком выходящего газа, протекающим через часть дымовой трубы, и газом, протекающим через котел-утилизатор для регенерации тепла: различные соотношения могут быть применены на основании конкретного сценария применения.

Более точно, отсечной узел может быть полностью расположен сверху, в открытом положении в режиме комбинированного цикла, таким образом, обеспечивается прохождение 100% выхлопных горячих газов через котел-утилизатор. Напротив, отсечной узел может быть опущен для получения другого соотношения, высота положения узла определяет соотношение между частью горячих газов, протекающих через котел-утилизатор, и оставшейся частью, выпускаемой через часть дымовой трубы.

Могут быть достигнуты следующие соотношения:

От 100% до 0% горячих газов протекает через котел-утилизатор – от 0% до 100% горячих газов выбрасывается через перепускную дымовую трубу.

Несмотря на то, что настоящее изобретение было полностью описано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления, очевидно, что в пределах изобретения могут быть выполнены модификации, и изобретение не должно рассматриваться как ограниченное этими вариантами осуществлениями, а лишь содержанием следующей формулы изобретения.

Настоящее изобретение в целом относится к системе отвода для использования на установке комбинированного цикла. В соответствии с изобретением система отвода встроена внутрь перепускной дымовой трубы и осуществляет, в едином компоненте, функции перепуска потока выхлопных газов в конфигурации простого цикла или направления их через котел-утилизатор, действуя как диффузор, в открытой конфигурации комбинированного цикла. Обеспечивается улучшенная термоизоляция установки. 8 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Система (1) отвода выхлопных газов, выполненная с возможностью расположения на установке комбинированного цикла ниже по потоку от выпускного конца (21) газотурбинной установки (2) и внутри конструкции впускного тракта котла-утилизатора (3), причем система (1) отвода выполнена с возможностью работы в закрытом положении в режиме простого цикла, при котором поток горячих выхлопных газов направляется через перепускную трубную часть (4), и в открытом положении в режиме комбинированного цикла, при котором обеспечивается протекание горячих выхлопных газов в котел-утилизатор (3), при этом система (1) отвода содержит:

основной отсечной узел (5), выполненный с возможностью совершения возвратно-поступательного движения в вертикальном направлении между открытым и закрытым положениями, причем указанный основной отсечной узел (5) содержит первый участок (51), расположенный вдоль боковой стенки (41) перепускной трубной части (4), и второй участок (52), расположенный поперек перепускной трубной части (4), и

вспомогательную изолирующую отсечную пластину (8), расположенную смежно указанному первому участку (51) указанного основного отсечного узла (5) вдоль боковой стенки (41) перепускной трубной части (4) и выполненную с возможностью возвратно-поступательного перемещения между открытым и закрытым положениями, при этом

основной отсечной узел (5) и вспомогательная изолирующая отсечная пластина (8) расположены на расстоянии друг от друга вдоль боковой стенки (41) перепускной трубной части (4) с образованием заполненного воздухом уплотнительного зазора (9) между ними.

2. Система (1) отвода по п. 1, в которой указанный второй участок (52) основного отсечного узла (5) наклонен относительно горизонтального направления с образованием диффузора верхней стенки для выхлопных газов, протекающих в котел-утилизатор (3), когда система (1) отвода работает в открытом положении в режиме комбинированного цикла.

3. Система (1) отвода по п. 1 или 2, в которой указанный основной отсечной узел (5) содержит опорную пластину (53), расположенную между указанным первым (51) и вторым (52) участками.

4. Система (1) отвода по п. 3, в которой указанный основной отсечной узел (5) содержит аэродинамически профилированные направляющие поток элементы (54), закрепленные на указанной опорной пластине (53).

5. Система (1) отвода по п. 1, дополнительно содержащая один или более первых рельсовых путей (6), связанных с указанным основным отсечным узлом (5).

6. Система (1) отвода по п. 1, содержащая первый приводной механизм (7), выполненный с возможностью возвратно-поступательного перемещения указанного основного отсечного узла (5) между указанными открытым и закрытым положениями.

7. Система (1) отвода по п. 6, в которой указанный первый приводной механизм (7) содержит систему, основанную на противовесах.

8. Система (1) отвода по п. 1, содержащая второй приводной механизм, выполненный с возможностью возвратно-поступательно перемещения указанной вспомогательной изолирующей отсечной пластины (8) между указанными открытым и закрытым положениями.

9. Система (1) отвода по п. 6, содержащая второй приводной механизм, выполненный с возможностью возвратно-поступательно перемещения указанной вспомогательной изолирующей отсечной пластины (8) между указанными открытым и закрытым положениями, причем указанный первый (7) и второй приводные механизмы не зависят друг от друга.