Парогазовая установка с воздушным конденсатором Российский патент 2021 года по МПК F01K23/10 

Изобретение относится к оборудованию, применяемому в блочно-модульных электростанциях по технологии органического цикла Ренкина, газотурбинных и парогазовых установках, газоперекачивающих агрегатах на магистральных газопроводах, установках по сжижению природного газа и других установках с приводом от тепловых двигателей. Парогазовая установка с воздушным конденсатором предназначена для сжигания топлива с выработкой механической мощности, которая может использоваться для привода технологического оборудования, а также для привода электрогенераторов.

Из существующего уровня техники известно устройство с термодинамическим циклом, в частности устройство с органическим циклом Ренкина, содержащее: рабочую среду; испаритель для испарения и, при необходимости, дополнительного перегрева рабочей среды; расширительную машину для вырабатывания механической энергии при расширении испаренной рабочей среды; конденсатор для конденсации и, при необходимости, дополнительного переохлаждения рабочей среды, в частности рабочей среды, расширенной в расширительной машине; насос для перекачивания сконденсированной рабочей среды к испарителю при работе устройства с термодинамическим циклом; причем геометрическое расположение испарителя выбрано так, что обеспечено протекание перед запуском насоса сконденсированной рабочей среды под действием силы тяжести от конденсатора к испарителю и обеспечена циркуляция рабочей среды в замкнутом циркуляционном контуре через испаритель и конденсатор с обеспечением за счет этого достаточного количества рабочей среды перед насосом, и средства регулирования высоты подачи жидкой рабочей среды на насосе для обеспечения достаточной высоты подачи для обеспечения возможности запуска насоса (RU 2661998 C2 опубликовано 27.11.2017 г.).

Недостатками данного технического решения являются:

• В предложенной схеме невозможно регулировать уровень переохлаждения рабочей среды в конденсаторе, в связи с чем необходимо поднять высоту установки конденсатора по отношению к уровню всаса насоса на величину, обеспечивающую кавитационный запас насоса при всех температурах среды, охлаждающей конденсатор. Чем выше высота установки конденсатора, тем выше стоимость строительно-монтажных работ и опорных конструкций.

Из существующего уровня техники известна энергосистема, основанная на органическом цикле Ренкина, содержащая средство для перегревания испаренной органической рабочей текучей среды, модуль органической турбины, соединенный с генератором, и первую трубу, через которую перегретая органическая рабочая текучая среда подается к турбине, в которой средство для перегревания является комплектом змеевиков, через которые протекает испаренная органическая рабочая текучая среда, и которые находятся в прямом теплообменном взаимодействии с содержащими отходящее тепло газами, при этом средство перегрева содержит работающий на отходящем тепле парогенератор, имеющий входное отверстие, через которое подаются содержащие отходящее тепло газы, выходное отверстие, из которого выпускаются содержащие отходящее тепло газы с уменьшенным количеством отходящего тепла, камеру, расположенную между входным отверстием и выходным отверстием, через которую протекают содержащие отходящее тепло газы, и подогреватель, бойлер и перегреватель, к которому проходит вторая труба в теплообменном взаимодействии с упомянутыми содержащими отходящее тепло газами, причем подогреватель и перегреватель расположены в камере, бойлер расположен выше по потоку перегревателя, а перегреватель расположен выше по потоку подогревателя (RU 2502880 C2 опубликовано 20.04.2012 г.).

Данное техническое решение имеет следующие недостатки:

• Замкнутый контур рабочей среды не содержит устройств и систем удаления неконденсирующихся газов, таких как продукты разложения рабочей среды или запирающий газ уплотнений. В отсутствии указанных систем и устройств в конденсаторе будут накапливаться газы, подмешивание которых к парам рабочей среды понизит парциальное давление и температуру конденсации указанных паров, что приведет к росту общего давления на выходе из турбины при сохранении расхода рабочей среды, либо к необходимости снизить расход рабочей среды для сохранения давления на выходе из турбины. Оба варианта приведут к снижению механической мощности и КПД турбины.

В заявляемом изобретении в отличие от описанных выше аналогов применена эффективная система удаления неконденсирующихся газов, обеспечивающая минимальные утечки рабочего тела. Результат достигается за счет предварительного охлаждения посредством холодильной машины жидкого рабочего тела, распыляемого в дефлегматоре, что позволяет в процессе эффективного контактного теплообмена между газопаровой смесью и жидкостью снизить температуру смеси, тем самым снизив в ней долю пара. Охлажденная газопаровая смесь, содержащая главным образом неконденсирующиеся газы, подогревается встречным газопаровым потоком в теплообменнике-охладителе, снижая его температуру и содержание пара, тем самым увеличивая эффективность процесса выделения неконденсирующихся газов и снижая потери рабочего тела из контура. В заявляемом изобретении поддерживается гарантированный уровень переохлаждения рабочего тела на всасе конденсатного насоса, обеспечиваемый рециркуляцией части потока жидкости через воздухоохлаждаемый переохладитель, что повышает надежность работы насосов, а также позволяет снизить высоту установки воздушного конденсатора, тем самым уменьшить металлоемкость и затраты на возведение установки.

Задачей, для решения которой предназначено заявляемое изобретение является создание надежной, эффективной и компактной парогазовой установки, позволяющей вырабатывать механическую мощность за счет сжигания топлива.

Данная задача решается за счет того, что парогазовая установка с воздушным конденсатором включает: компрессор для сжатия атмосферного воздуха; камеру сгорания, в которой осуществляется процесс горения топлива в среде сжатого воздуха, поступающего из компрессора; газовую турбину, в которой горячие газы, поступающие из камеры сгорания, расширяются, вырабатывая механическую мощность, которая расходуется на сжатие воздуха в компрессоре и привод оборудования, потребляющего механическую мощность; утилизатор для нагрева рабочего тела органического цикла Ренкина за счет тепла газов, выходящих из газовой турбины; основную выхлопную трубу, через которую газы, охлажденные в утилизаторе, выпускаются в атмосферу; резервную выхлопную трубу, для выпуска в атмосферу газов из газовой турбины в обвод утилизатора; газовые клапаны, регулирующие направление газов в утилизатор и резервную выхлопную трубу; конденсатный насос рабочего тела органического цикла Ренкина, нагнетающий жидкое рабочее тело из конденсатного коллектора воздушного конденсатора на всас питательного насоса рабочего тела и в линию рециркуляции жидкого рабочего тела; питательный насос рабочего тела, нагнетающий жидкое рабочее тело через теплообменник-рекуператор в утилизатор и в дефлегматор через холодильную машину; турбину рабочего тела, осуществляющую привод оборудования, потребляющего механическую мощность, за счет механической мощности, вырабатываемой при расширении нагретого в утилизаторе рабочего тела; байпасную линию с установленным на ней регулятором давления «до себя», по которой пар рабочего тела перепускается в обвод турбины рабочего тела при регулировании частоты вращения ротора турбины; теплообменник-рекуператор, в котором жидкое рабочее тело, нагнетаемое питательным насосом нагревается паром рабочего тела с выхлопа турбины рабочего тела и паром рабочего тела, поступающим по байпасной линии; воздушный конденсатор, представляющий из себя теплообменный аппарат воздушного охлаждения с трубным пучком, присоединенным к коллектору пара рабочего тела с одной стороны и к конденсатному коллектору с другой, в котором пар рабочего тела после теплообменника-рекуператора охлаждается и конденсируется, проходя внутри трубного пучка, омываемого с наружной стороны атмосферным воздухом, нагнетаемым вентилятором; теплообменник-охладитель неконденсирующихся газов, представляющий из себя кожухотрубчатый теплообменник, в межтрубное пространство которого из конденсатного коллектора воздушного конденсатора поступают неконденсирующиеся газы, а трубах движется поток неконденсирующихся газов, охлажденных в дефлегматоре; дефлегматор, представляющий из себя контактный теплообменник, в котором неконденсирующиеся газы, поступающие из теплообменника-охладителя, охлаждаются при контакте с распыляемым через форсунки предварительно охлажденным в холодильной машине потоком рабочего тела, отбираемым из линии нагнетания питательного насоса, при этом охлажденные неконденсирующиеся газы из верхней части дефлегматора поступают в трубный пучок теплообменника-охладителя и далее в свечу для сброса неконденсирующихся газов, а жидкое рабочее тело из нижней части дефлегматора через гидрозатвор сливается в конденсатный коллектор воздушного конденсатора; свечу для сброса в атмосферу неконденсирующихся газов, после теплообменника-охладителя; теплообменник-переохладитель рабочего тела, представляющий из себя теплообменный аппарат воздушного охлаждения с трубным пучком, присоединенным с двух сторон к входному и выходному коллекторам, внутри труб которого поток рабочего тела движется из линии рециркуляции со стороны нагнетания конденсатного насоса в линию подачи рабочего тела на всас конденсатного насоса, при этом наружная сторона указанного трубного пучка омывается атмосферным воздухом, нагнетаемым вентилятором.

Нагнетание рабочего тела из коллектора конденсата воздушного конденсатора в утилизатор может осуществляться конденсатно-питательным насосом с промежуточным отбором рабочего тела из проточной части указанного насоса в линию рециркуляции жидкого рабочего тела.

Испаритель холодильной машины может быть размещен внутри корпуса дефлегматора.

Техническими результатами, обеспечиваемыми приведенной совокупностью признаков являются: снижение габаритов и стоимости теплообменного оборудования, повышение КПД при производстве механической энергии, а также повышение надежности парогазовой установки с воздушным конденсатором.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена парогазовая установка с воздушным конденсатором.

Парогазовая установка с воздушным конденсатором включает: компрессор 1 для сжатия атмосферного воздуха; камеру сгорания 2, в которой осуществляется процесс горения топлива в среде сжатого воздуха, поступающего из компрессора 1; газовую турбину 3, в которой горячие газы, поступающие из камеры сгорания 2, расширяются, вырабатывая механическую мощность, которая расходуется на сжатие воздуха в компрессоре 1 и привод оборудования 4, потребляющего механическую мощность; утилизатор 5 для нагрева рабочего тела органического цикла Ренкина за счет тепла газов, выходящих из газовой турбины 3; основную выхлопную трубу 6, через которую газы, охлажденные в утилизаторе 5, выпускаются в атмосферу; резервную выхлопную трубу 7, для выпуска в атмосферу газов из газовой турбины 3 в обвод утилизатора 5; газовые клапаны 8 и 9, регулирующие направление газов в утилизатор 5 и резервную выхлопную трубу 7; конденсатный насос 10 рабочего тела органического цикла Ренкина, нагнетающий жидкое рабочее тело из конденсатного коллектора воздушного конденсатора 11 на всас питательного насоса 12 рабочего тела и в линию рециркуляции 13 жидкого рабочего тела; питательный насос рабочего тела 12, нагнетающий жидкое рабочее тело через теплообменник-рекуператор 14 в утилизатор 5 и в дефлегматор 15 через холодильную машину 16; турбину рабочего тела 17, осуществляющую привод оборудования 18, потребляющего механическую мощность, за счет механической мощности, вырабатываемой при расширении нагретого в утилизаторе 5 рабочего тела; байпасную линию 19 с установленным на ней регулятором давления «до себя», по которой пар рабочего тела перепускается в обвод турбины рабочего тела 17 при регулировании частоты вращения ротора турбины; теплообменник-рекуператор 14, в котором жидкое рабочее тело, нагнетаемое питательным насосом 12 нагревается паром рабочего тела с выхлопа турбины рабочего тела 17 и паром рабочего тела, поступающим по байпасной линии 19; воздушный конденсатор 11, представляющий из себя теплообменный аппарат воздушного охлаждения с трубным пучком, присоединенным к коллектору пара рабочего тела с одной стороны и к конденсатному коллектору с другой, в котором пар рабочего тела после теплообменника-рекуператора 14 охлаждается и конденсируется, проходя внутри трубного пучка, омываемого с наружной стороны атмосферным воздухом, нагнетаемым вентилятором 20; теплообменник-охладитель неконденсирующихся газов 21, представляющий из себя кожухотрубчатый теплообменник, в межтрубное пространство которого из конденсатного коллектора воздушного конденсатора 11 поступают неконденсирующиеся газы, а трубах движется поток неконденсирующихся газов, охлажденных в дефлегматоре 15; дефлегматор 15, представляющий из себя контактный теплообменник, в котором неконденсирующиеся газы, поступающие из теплообменника-охладителя 21, охлаждаются при контакте с распыляемым через форсунки предварительно охлажденным в холодильной машине 16 потоком рабочего тела, отбираемым из линии нагнетания питательного насоса 12, при этом охлажденные неконденсирующиеся газы из верхней части дефлегматора 15 поступают в трубный пучок теплообменника-охладителя 21 и далее в свечу для сброса неконденсирующихся газов 22, а жидкое рабочее тело из нижней части дефлегматора 15 через гидрозатвор сливается в конденсатный коллектор воздушного конденсатора; свечу для сброса в атмосферу неконденсирующихся газов 22, после теплообменника-охладителя 21; теплообменник-переохладитель рабочего тела 23, представляющий из себя теплообменный аппарат воздушного охлаждения с трубным пучком, присоединенным с двух сторон к входному и выходному коллекторам, внутри труб которого поток рабочего тела движется из линии рециркуляции со стороны нагнетания конденсатного насоса 10 в линию подачи рабочего тела на всас конденсатного насоса 10, при этом наружная сторона указанного трубного пучка омывается атмосферным воздухом, нагнетаемым вентилятором 20.

Парогазовая установка с воздушным конденсатором работает следующим образом.

Компрессор 1 сжимает атмосферный воздух, который далее поступает в камеру сгорания 2 (КС), в которой осуществляется процесс горения топлива. Горячие газы после КС поступают в газовую турбину 3 (ГТ), в которой расширяются, вырабатывая механическую мощность, которая расходуется на сжатие воздуха в компрессоре 1 и привод оборудования 4 (компрессоры, насосы, электрогенераторы и прочее технологическое оборудование), потребляющего механическую мощность. После ГТ газы поступают в утилизатор 5, где отдают свое тепло рабочему телу (РТ) органического цикла Ренкина (ОЦР), и далее в основную выхлопную трубу 6, через которую выпускаются в атмосферу. При пуске установки горячие газы частично или полностью могут быть направлены в резервную выхлопную трубу 7. Регулирование направления потоков уходящих газов осуществляется газовыми клапанами 8, 9. РТ ОЦР нагнетается конденсатным насосом 10 из конденсатосборника воздушного конденсатора 11 на всас питательного насоса рабочего тела 12 и в линию рециркуляции жидкого рабочего тела 13. Далее питательный насос 12 перекачивает жидкое РТ через теплообменник-рекуператор 14 в утилизатор 5 и в дефлегматор 15 через холодильную машину 16. Жидкое РТ последовательно нагревается паром РТ в теплообменнике-рекуператоре 14 и газами с выхлопа ГТ в утилизаторе 5. Нагретое РТ расширяется в турбине рабочего тела 17, осуществляющей привод оборудования 18. Регулирование частоты вращения ротора турбины осуществляется перепуском части расхода РТ через байпасную линию с установленным на ней регулятором давления «до себя» 19. Пар с выхлопа турбины 17 и пар из байпасной линии обогревают теплообменник-рекуператор 14. Охлажденный в теплообменнике-рекуператоре 14 пар РТ поступает в воздушный конденсатор 11 где охлаждается и конденсируется, проходя внутри трубного пучка, омываемого с наружной стороны атмосферным воздухом, нагнетаемым вентилятором 20. В конденсатном коллекторе воздушного конденсатора 11 происходит разделение неконденсирующихся газов (НКГ) с остаточным содержанием пара и жидкого РТ. НКГ поступают в межтрубное пространство теплообменника-охладителя неконденсирующихся газов 21, в трубах которого движется поток НКГ, охлажденных в дефлегматоре 15. Указанный теплообменник является первой ступенью охлаждения входящего потока НКГ, и одновременно подогревателем НКГ, выбрасываемых в атмосферу. Из теплообменника-охладителя неконденсирующихся газов 21 охлажденный поток НКГ, со сниженным по отношению к входному потоку содержанием паров РТ поступает в дефлегматор 15, где промывается распыляемым форсунками охлажденным в холодильной машине 16 жидким РТ, нагнетаемым насосом 12. При охлаждении НКГ содержание паров РТ снижается еще больше. Далее охлажденные неконденсирующиеся газы из верхней части дефлегматора 15 поступают в трубный пучок теплообменника-охладителя 21, где подогреваются и через свечу для сброса неконденсирующихся газов 22 выпускаются в атмосферу. Жидкое РТ из нижней части дефлегматора 15 через гидрозатвор сливается в конденсатный коллектор воздушного конденсатора 11. Для поддержания необходимого для нормальной работы конденсатного насоса 10 кавитационного запаса часть потока РТ со стороны нагнетания указанного насоса пропускается через линию рециркуляции 13 и охлаждаемый воздухом теплообменник-переохладитель рабочего тела 23 на всас конденсатного насоса 10. Расход рециркуляции РТ и параметры теплообменника-переохладителя рабочего тела 23 подбирают таким образом, чтобы обеспечить температуру РТ на всасе конденсатного насоса 10 на 3-5 ^оС ниже температуры конденсации РТ в воздушном конденсаторе 10.

Парогазовая установка с воздушным конденсатором включает: компрессор, камеру сгорания, газовую турбину, утилизатор для нагрева рабочего тела органического цикла Ренкина за счет тепла газов, выходящих из газовой турбины, основную выхлопную трубу и резервную выхлопную трубу, для выпуска в атмосферу газов из газовой турбины в обвод утилизатора. Газовые клапаны регулируют направление газов в утилизатор и резервную выхлопную трубу. Конденсатный насос рабочего тела органического цикла Ренкина нагнетает жидкое рабочее тело из конденсатного коллектора воздушного конденсатора на всас питательного насоса рабочего тела и в линию рециркуляции жидкого рабочего тела. Питательный насос рабочего тела нагнетает жидкое рабочее тело через теплообменник-рекуператор в утилизатор и в дефлегматор через холодильную машину. Турбина рабочего тела осуществляет привод оборудования за счет расширения нагретого в утилизаторе рабочего тела. В байпасной линии, по которой пар рабочего тела перепускается в обвод турбины рабочего тела при регулировании частоты вращения ротора турбины, установлен регулятор давления «до себя». В теплообменнике-рекуператоре жидкое рабочее тело, нагнетаемое питательным насосом, нагревается паром рабочего тела с выхлопа турбины рабочего тела и паром рабочего тела, поступающим по байпасной линии. Воздушный конденсатор представляет из себя теплообменный аппарат воздушного охлаждения с трубным пучком, присоединенным к коллектору пара рабочего тела с одной стороны и к конденсатному коллектору с другой, в котором пар рабочего тела после теплообменника-рекуператора охлаждается и конденсируется, проходя внутри трубного пучка, омываемого с наружной стороны атмосферным воздухом, нагнетаемым вентилятором. Теплообменник-охладитель неконденсирующихся газов представляет из себя кожухотрубчатый теплообменник, в межтрубное пространство которого из конденсатного коллектора воздушного конденсатора поступают неконденсирующиеся газы, а в трубах движется поток неконденсирующихся газов, охлажденных в дефлегматоре. Дефлегматор представляет из себя контактный теплообменник, в котором неконденсирующиеся газы, поступающие из теплообменника-охладителя, охлаждаются при контакте с распыляемым через форсунки предварительно охлажденным в холодильной машине потоком рабочего тела, отбираемым из линии нагнетания питательного насоса, при этом охлажденные неконденсирующиеся газы из верхней части дефлегматора поступают в трубный пучок теплообменника-охладителя и далее в свечу для сброса неконденсирующихся газов, а жидкое рабочее тело из нижней части дефлегматора через гидрозатвор сливается в конденсатный коллектор воздушного конденсатора. Теплообменник-переохладитель рабочего тела представляет из себя теплообменный аппарат воздушного охлаждения с трубным пучком, внутри труб которого поток рабочего тела движется из линии рециркуляции со стороны нагнетания конденсатного насоса в линию подачи рабочего тела на всас конденсатного насоса, при этом наружная сторона указанного трубного пучка омывается атмосферным воздухом, нагнетаемым вентилятором. Достигается снижение габаритов и стоимости теплообменного оборудования, повышение КПД, а также повышение надежности. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Парогазовая установка с воздушным конденсатором, которая характеризуется тем, что она включает: компрессор для сжатия атмосферного воздуха; камеру сгорания, в которой осуществляется процесс горения топлива в среде сжатого воздуха, поступающего из компрессора; газовую турбину, в которой горячие газы, поступающие из камеры сгорания, расширяются, вырабатывая механическую мощность, которая расходуется на сжатие воздуха в компрессоре и привод оборудования, потребляющего механическую мощность; утилизатор для нагрева рабочего тела органического цикла Ренкина за счет тепла газов, выходящих из газовой турбины; основную выхлопную трубу, через которую газы, охлажденные в утилизаторе, выпускаются в атмосферу; резервную выхлопную трубу, для выпуска в атмосферу газов из газовой турбины в обвод утилизатора; газовые клапаны, регулирующие направление газов в утилизатор и резервную выхлопную трубу; конденсатный насос рабочего тела органического цикла Ренкина, нагнетающий жидкое рабочее тело из конденсатного коллектора воздушного конденсатора на всас питательного насоса рабочего тела и в линию рециркуляции жидкого рабочего тела; питательный насос рабочего тела, нагнетающий жидкое рабочее тело через теплообменник-рекуператор в утилизатор и в дефлегматор через холодильную машину; турбину рабочего тела, осуществляющую привод оборудования, потребляющего механическую мощность, за счет механической мощности, вырабатываемой при расширении нагретого в утилизаторе рабочего тела; байпасную линию с установленным на ней регулятором давления «до себя», по которой пар рабочего тела перепускается в обвод турбины рабочего тела при регулировании частоты вращения ротора турбины; теплообменник-рекуператор, в котором жидкое рабочее тело, нагнетаемое питательным насосом, нагревается паром рабочего тела с выхлопа турбины рабочего тела и паром рабочего тела, поступающим по байпасной линии; воздушный конденсатор, представляющий из себя теплообменный аппарат воздушного охлаждения с трубным пучком, присоединенным к коллектору пара рабочего тела с одной стороны и к конденсатному коллектору с другой, в котором пар рабочего тела после теплообменника-рекуператора охлаждается и конденсируется, проходя внутри трубного пучка, омываемого с наружной стороны атмосферным воздухом, нагнетаемым вентилятором; теплообменник-охладитель неконденсирующихся газов, представляющий из себя кожухотрубчатый теплообменник, в межтрубное пространство которого из конденсатного коллектора воздушного конденсатора поступают неконденсирующиеся газы, а в трубах движется поток неконденсирующихся газов, охлажденных в дефлегматоре; дефлегматор, представляющий из себя контактный теплообменник, в котором неконденсирующиеся газы, поступающие из теплообменника-охладителя, охлаждаются при контакте с распыляемым через форсунки предварительно охлажденным в холодильной машине потоком рабочего тела, отбираемым из линии нагнетания питательного насоса, при этом охлажденные неконденсирующиеся газы из верхней части дефлегматора поступают в трубный пучок теплообменника-охладителя и далее в свечу для сброса неконденсирующихся газов, а жидкое рабочее тело из нижней части дефлегматора через гидрозатвор сливается в конденсатный коллектор воздушного конденсатора; свечу для сброса в атмосферу неконденсирующихся газов, после теплообменника-охладителя; теплообменник-переохладитель рабочего тела, представляющий из себя теплообменный аппарат воздушного охлаждения с трубным пучком, присоединенным с двух сторон к входному и выходному коллекторам, внутри труб которого поток рабочего тела движется из линии рециркуляции со стороны нагнетания конденсатного насоса в линию подачи рабочего тела на всас конденсатного насоса, при этом наружная сторона указанного трубного пучка омывается атмосферным воздухом, нагнетаемым вентилятором.

2. Парогазовая установка с воздушным конденсатором по п. 1, отличающаяся тем, что нагнетание рабочего тела из коллектора конденсата воздушного конденсатора в утилизатор осуществляется конденсатно-питательным насосом с промежуточным отбором рабочего тела из проточной части указанного насоса в линию рециркуляции жидкого рабочего тела.

3. Парогазовая установка с воздушным конденсатором по п. 1, отличающаяся тем, что испаритель холодильной машины размещен внутри корпуса дефлегматора.