Паротурбинная установка с переключаемым местом подвода пара низкого давления котла-утилизатора Российский патент 2023 года по МПК F01K13/00 

Изобретение относится к энергомашиностроению и может быть использовано на конденсационных и теплофикационных паровых турбинах двух и более давлений.

Известны, принятые за прототип, паротурбинные установки в составе парогазовых установок, работающие в блоке с котлом-утилизатором, имеющие только одно место подвода пара контура низкого давления от котла-утилизатора (Книга «Паровые турбины и турбоустановки Уральского турбинного завода», 3-е издание, под общей ред. Ю.М. Бродова и А.Ю. Култышева, 2017 год, стр. 41, рис. 2.2). Недостатком таких решений является то, что в зимние периоды вместе со снижением электрической мощности газотурбинных установок (ГТУ) также происходит снижение КПД и паропроизводительности котла-утилизатора, вследствие чего происходит снижение мощности паровой турбины, и общее снижение мощности и эффективности всей парогазовой установки (ПГУ). При этом ПГУ-ТЭЦ, оснащенные теплофикационными турбинами и котлами-утилизаторами без дожигающих устройств, в период наибольших отопительных нагрузок вынуждены поддерживать наиболее оптимальный режим работы ПГУ с привязкой к процессу расширения пара в проточной части паровой турбины в ущерб к потенциальной возможности повышения когенерации и повышения эффективности цикла.

Одной из ключевых особенностей котлов-утилизаторов (КУ) по сравнению с энергетическими котлами является то, что практически всегда КУ работают в нерасчетных режимах, т.к. в большинстве случаев являются «пассивной» частью в производстве энергии и зависят от параметров уходящих газов за ГТУ. С учетом круглогодичной эксплуатации ПГУ в широком диапазоне температур наружного воздуха (в отдельных регионах от -40°С до +40°С) значительно меняется температура уходящих газов по тракту котла-утилизатора и принудительное поддержание давления пара в барабанах ведет к снижению паропроизводительности, особенно в контуре низкого давления. (Книга «Газотурбинные и парогазовые установки ТЭС», Цанев СВ. МЭИ, 2002 год, стр. 314).

При снижении давления воды в поверхностях нагрева котла-утилизатора (контура низкого давления) достигается более глубокая утилизация теплоты уходящих газов. (Книга «Паровые турбины и турбоустановки Уральского турбинного завода для ПГУ», под общей редакцией Култышева А.Ю. Екатеринбург, 2015 год, стр. 11).

Данное явление становится наиболее актуальным для турбин с теплофикационными отборами, где за счет повышенного расхода пара в контур низкого давления турбины, а затем и в теплофикационные отборы поступает большее количество пара, прошедшего по циклу когенерации, и таким образом, достигается повышение КПД производства тепловой энергии (Книга «Газотурбинные и парогазовые установки ТЭС», МЭИ, 2002 год, формула 9.15 на стр. 393, и 9.51 на стр. 419).

Однако в известных схемах ПГУ не допускается существенного несопряженного изменения давления пара между контурами высокого давления (ВД) и низкого давления (НД) котла-утилизатора, т.к. это ведет к непроектным режимам истечения пара в лопаточных каналах проточной части турбины и значительно снижает внутренний КПД отсеков, и, соответственно, мощности турбины. (Книга «Тепловые электрические станции», Рыжкин В.Я., М., Энергоатомиздат, 1987, стр. 58-61).

Чтобы избежать возникновения данного явления в проточной части турбины, а также повысить КПД котла-утилизатора, были разработаны варианты решений с установкой двухступенчатого дожита (Книга «Газотурбинные и парогазовые установки ТЭС», Цанев СВ., МЭИ, 2002 год, стр. 420). Недостатком решения является то, что оно более дорогостоящее и сложное в изготовлении и эксплуатации по сравнению с предлагаемым изобретением.

Технической проблемой, на решение которой направлено заявленное изобретение, является общее снижение эффективности, экономичности и мощности ПГУ, а в частности котла-утилизатора и мощности паровой турбины, при работе оборудования в периоды со значительным отклонением температур наружного воздуха относительно принятого расчетного значения, на основании которого осуществляется проектирование основного оборудования под номинальный режим работы.

Техническим результатом заявленного изобретения является достижение более высоких показателей годовой тепловой экономичности ПГУ, снижение удельного расхода теплоты на выработку электрической энергии, повышении максимальной электрической мощности паротурбинной установки при работе на конденсационном режиме по сравнению с аналогичной ПГУ без переключения подвода пара НД, повышение эффективности паровой турбины и всей ПГУ.

Помимо повышения эффективности работы ПГУ на теплофикационных режимах при возможности сохранения высоких экономических показателей при работе на конденсационных режимах достигаются следующие преимущества:

- улучшение годовых тепловых показателей экономичности ПГУ;

- возможность исключения дожигающего устройства для оптимизации режимов работы в зимний период, и соответствующее снижение капитальных и операционных затрат, а также упрощения конструкции котла-утилизатора;

- увеличение отпускаемой тепловой нагрузки турбины от теплофикационной установки с применением принципа когенерации;

- экономия топлива.

Наивысший экономический эффект достигается при внедрении данного технического решения на ПГУ с теплофикационными паровыми турбинами, предусматривающими работу как на режимах с противодавлением, так и при полном пропуске пара в конденсационную установку.

Технический результат достигается заявленной паротурбинной установкой, включающей в себя паровую турбину двух и более давлений, соединенную трубопроводами с контурами давлений котла-утилизатора. Отличительной особенностью такой паротурбинной установки является то, что в паровой турбине организованы две камеры подвода пара контура низкого давления через одну ступень, или группу ступеней друг от друга, а подвод пара низкого давления в эти камеры осуществляется по трубопроводам с устройствами регулирования. Подвод пара низкого давления в камеры подвода пара контура НД может быть осуществлен, либо по индивидуальным трубопроводам с установленной группой запорно-регулирующей арматуры, либо посредством трубопровода и трехходового клапанного устройства, жестко соединенного с корпусом цилиндра, например, при помощи сварки. Переключение места подвода пара низкого давления от котла-утилизатора осуществляется в зависимости от значений давлений пара в контуре низкого давления котла-утилизатора и по проточной части турбины.

В ходе разработки изобретения в качестве базового примера применения данного технического решения рассматривалась двухконтурная ПГУ без дожигающего устройства с теплофикационной паровой турбиной и двухстпенчатым подогревом сетевой воды.

В зависимости от предполагаемого режима работы происходит переключение камеры подвода: на конденсационном режиме работы (теплофикационная установка отключена, повышенное давление в контуре НД котла-утилизатора) подвод пара НД осуществлен в верхнюю камеру подвода; при теплофикационном режиме работы (с отпуском пара на бойлеры) подвод пара НД осуществлен в нижнюю камеру подвода.

Заявленное решение также может быть применено и для турбин конденсационного типа в составе ПГУ также не предусматривающих применение дожигающих устройств. При этом наибольший экономический эффект будет достигаться в регионах расположения ПГУ со значительным колебанием температур наружного воздуха в течение года (например, регионы резко континентального и субарктического климата).

Эффективность режимов работы всей ПГУ в течение года будет повышена как за счет более оптимального процесса расширения пара в проточной части турбины на конденсационных режимах работы в летний период, так и на тепловом потреблении в зимний период за счет повышения отпуска тепловой энергии и более оптимального режима работы котла-утилизатора в зависимости от температуры наружного воздуха. При этом суммарный экономический эффект от применения заявленного изобретения с учетом режимных характеристик эксплуатации ПГУ может быть рассчитан по известному методу (Книга «Газотурбинные и парогазовые установки ТЭС», Цанев С.В., МЭИ, 2002 год, стр. 414).

Выполненные расчеты для проекта теплофикационной паровой турбины Тп-96/185-9,5 предназначенной для работы в составе двухконтурной ПГУ показали повышение эффективности работы паровой турбины до 6% выработки электрической энергии на тепловом потреблении в случае снижения давления в контуре НД и переключении места подвода пара по сравнению с аналогичной ПГУ со снижением давления пара в контуре НД без переключения места подвода.

В ходе проведения патентно-информационного поиска не выявлены сведения, ставшие общедоступными в мире до даты приоритета, которые содержат совокупность существенных признаков, указанных в независимом пункте формулы заявленного изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию патентоспособности «новизна».

В ходе анализа известных паротурбинных установок, включающих паровые турбины двух и более давлений, проведения расчетов и нестандартных методов решения поставленных задач была разработана принципиально новая тепловая схема с изменяемым давлением контура НД котла-утилизатора, и переключаемым местом подвода пара НД в проточную часть паровой турбины, которая привела к неожиданному техническому результату. Таким образом, заявленное решение соответствует критерию патентоспособности «изобретательский уровень».

Заявленное изобретение может быть реализовано на конденсационных и теплофикационных паровых турбинах двух и более давлений. Наиболее актуально для высокоэффективных ПГУ, работающих в базовом режиме (в зимний период - с номинальной электрической и теплофикационной нагрузками, в летний период - с максимальной электрической мощностью). Следовательно, решение соответствует критерию патентоспособности «промышленная применимость».

Заявленное изобретение поясняется прилагаемой фигурой, на которой изображен пример реализации тепловой схемы паротурбинной установки с подводом пара НД в камеры подвода пара контура НД по индивидуальным трубопроводам с установленной группой запорно-регулирующей арматуры.

На фигуре обозначены следующие позиции:

1 - подвод пара контура ВД;

2 - подвод пара контура НД;

3 - блок стопорно-регулирующих клапанов ВД;

4 - блок стопорно-регулирующих клапанов НД;

5 - цилиндр высокого давления паровой турбины;

6 - группа запорно-регулирующей арматуры на трубопроводах к патрубкам паровпуска камер подвода пара низкого давления;

7 - отсек ступеней перед верхней камерой подвода пара НД;

8 - промежуточная группа ступеней между камерами подвода пара НД;

9 - отсек ступеней за нижней камерой подвода пара НД;

10 - верхний подогреватель сетевой воды;

11 - нижний подогреватель сетевой воды;

12 - охладитель конденсата бойлеров;

13 - обратная сетевая вода;

14 - прямая сетевая вода;

15 - конденсационная установка;

16 - основной конденсат.

Паротурбинная установка включает в себя паровую турбину двух давлений, котел-утилизатор и вспомогательное оборудование. Вспомогательное оборудование состоит из конденсационной установки 15, верхнего 10 и нижнего 11 подогревателя сетевой воды, охладителя конденсата бойлеров 12. При работе паротурбинной установки с включенной теплофикационной установкой конденсат пара сетевых подогревателей после охладителей конденсата бойлеров 12 закачивается в линию основного конденсата 16. Основной конденсат 16 подается в газовый подогреватель конденсата (ГПК) котла-утилизатора. Паровая турбина соединена трубопроводами с контурами высокого и низкого давлений котла-утилизатора, по которым осуществлен подвод пара контура ВД 1 через блок стопорно-регулирующих клапанов ВД 3 и подвод пара контура НД 2 через блок стопорно-регулирующих клапанов НД 4. В цилиндре высокого давления 5 паровой турбины организованы две камеры подвода пара контура НД: после отсека ступеней 7 находится верхняя камера подвода пара НД, далее по проточной части после располагается промежуточная группа ступеней 8, сразу за которой размещена нижняя камера подвода пара НД. На трубопроводах подвода пара НД вблизи цилиндра высокого давления 5 установлена группа запорно-регулирующей арматуры 6, осуществляющая пропуск и регулирование подачи пара в патрубки паровпуска камер подвода пара низкого давления, и переключение места подвода пара низкого давления от котла-утилизатора в зависимости от значений давления пара в контуре низкого давления котла-утилизатора и по проточной части турбины.

Заявленное изобретение работает следующим образом.

1. Турбина работает в конденсационном режиме без отпуска пара на верхний 10 и нижний 11 подогреватели сетевой воды. При этом в контуре низкого давления котла-утилизатора обеспечивается давление

где - давление в верхней камере подвода пара НД;

- запас давления на сопротивление трубопровода подвода пара НД и некоторое избыточное давление, соответствующее проектным характеристикам проточной части турбины.

Подвод пара контура ВД 1 от котла-утилизатора осуществляют через блок стопорно-регулирующих клапанов ВД 3 в цилиндр высокого давления 5, а подвод пара контура НД 2 осуществляют через блок стопорно-регулирующих клапанов НД 4 в верхнюю камеру подвода пара НД, в которой конструкция проточной части предусматривает номинальное давление

2. При снижении температуры наружного воздуха и включения теплофикационной установки (отборов пара на верхний 10 и нижний 11 сетевые подогреватели) происходит естественное снижение температуры уходящих газов за ГТУ, что ведет к снижению давления или паропроизводительности в контурах котла-утилизатора. Для многоконтурных КУ предусматривается установка индивидуальных групп питательных электронасосов (ПЭН), обеспечивающих необходимое давление в барабане соответствующего контура. С учетом высокой энергетической ценности пара в контуре ВД поддерживается давление близкое к номинальному, а в контуре НД посредством частотного регулирования ПЭН НД задается давление

где - давление в нижней камере подвода пара НД;

ΔР₂ - запас давления на сопротивление трубопровода подвода пара НД и некоторое избыточное давление, соответствующее проектным характеристикам проточной части турбины.

3. Процедура переключения подвода пара НД с верхней камеры на нижнюю осуществляется в следующем порядке.

Производят включение теплофикационной установки с заданием минимального давления в камере нижнего отопительного отбора. Затем автоматизированной системой управления технологическим процессом подают управляющий сигнал на частотный регулятор ПЭН НД, и одновременно управляющий сигнал в электрогидравлическую систему регулирования и защиты (ЭЧСРиЗ) паровой турбины на группу запорно-регулирующей арматуры на трубопроводах к патрубкам паровпуска камер подвода пара низкого давления 6 для закрытия клапана на паровпуске в камеру верхнего подвода и открытия клапана на паровпуске в камеру нижнего подвода пара НД при выполнении заданных условий по перепаду давлений ΔР₁ и ΔР₂ между давлениями в контуре НД и в соответствующих камерах проточной части турбины. Далее в штатном режиме производят управление паротурбинной установкой на тепловом потреблении. Повышенное количество пара низкого давления срабатывается в отсеке ступеней за нижней камерой подвода пара НД 9, после чего частично отбирается на верхний сетевой подогреватель 10, на нижний сетевой подогреватель 11, а оставшаяся часть направляется в конденсационную установку 15. Обратная сетевая вода 13 последовательно поступает в охладитель конденсата бойлеров 12, потом в нижний 11 и верхний 10 подогреватели сетевой воды. Из верхнего 10 подогревателя сетевой воды на нужды отопления и горячего водоснабжения выходит прямая сетевая вода 14.

4. Процедура переключения подвода пара НД с нижней камеры на верхнюю осуществляется в следующем порядке.

Производят отключение теплофикационной установки. Затем автоматизированной системой управления технологическим процессом подают управляющий сигнал на частотный регулятор ПЭН НД, и одновременно управляющий сигнал в ЭЧСРиЗ паровой турбины на группу запорно-регулирующей арматуры на трубопроводах к патрубкам паровпуска камер подвода пара низкого давления 6 для открытия клапана на паровпуске в камеру верхнего подвода и закрытия клапана на паровпуске в камеру нижнего подвода пара НД при выполнении заданных условий по перепаду давлений ΔР₁ и ΔР₂ между давлениями в контуре НД и в соответствующих камерах проточной части турбины. Далее в штатном режиме производят управление паротурбинной установкой на конденсационных режимах работы.

Таким образом, заявленное изобретение позволяет реализовать схемное решение парогазовой установки с изменяемым давлением в контуре НД и повысить уровень технологии отечественной отрасли.

Изобретение относится к энергомашиностроению и может быть использовано на конденсационных и теплофикационных паровых турбинах двух и более давлений. Технической проблемой, на решение которой направлено заявленное изобретение, является общее снижение эффективности и мощности ПГУ при работе оборудования в периоды со значительным отклонением температур наружного воздуха относительно принятого расчетного значения, на основании которого осуществляется проектирование основного оборудования под номинальный режим работы. Техническим результатом является повышение максимальной электрической мощности паротурбинной установки при работе на конденсационном режиме по сравнению с аналогичной ПГУ без переключения подвода пара НД, и эффективности паровой турбины и всей ПГУ. Технический результат достигается заявленной паротурбинной установкой, включающей в себя паровую турбину двух и более давлений, соединенную трубопроводами с контурами давлений котла-утилизатора. Отличительной особенностью такой паротурбинной установки является то, что в паровой турбине организованы две камеры подвода пара контура низкого давления через одну ступень, или группу ступеней друг от друга, подвод пара низкого давления в которые осуществляется по трубопроводам с устройствами регулирования, осуществляющими переключение места подвода пара низкого давления от котла-утилизатора в зависимости от значений давлений пара в контуре низкого давления котла-утилизатора и по проточной части турбины. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Паротурбинная установка, включающая в себя паровую турбину двух и более давлений, соединенную трубопроводами с контурами давлений котла-утилизатора, отличающаяся тем, что в паровой турбине организованы две камеры подвода пара контура низкого давления через одну ступень, или группу ступеней друг от друга, подвод пара низкого давления в которые осуществляется по трубопроводам с устройствами регулирования, осуществляющими переключение места подвода пара низкого давления от котла-утилизатора в зависимости от значений давления пара в контуре низкого давления котла-утилизатора и по проточной части турбины.

2. Паротурбинная установка по п. 1, отличающаяся тем, что в камеры подвода пара контура низкого давления подвод пара низкого давления осуществляется по индивидуальным трубопроводам с установленной группой запорно-регулирующей арматуры.

3. Паротурбинная установка по п. 1, отличающаяся тем, что в камеры подвода пара контура низкого давления подвод пара низкого давления осуществляется посредством трубопровода и трехходового клапанного устройства, жестко соединенного с корпусом цилиндра.