Комбинированная газопаротурбинная устанвока - RU2062332C1

Описание

Изобретение касается комбинированной газопаротурбинной установки с парогенератором, по которому протекает отходящий газ из газовой турбины, для получения пара для паровой турбины в пароводяном замкнутом цикле.

Известна комбинированная газопаротурбинная установка по авт. свид. СССР N 1560733, F 01 K 23/10, опубл. 1990, которая содержит подсоединенный к выхлопу газовой турбины парогенератор, включенный в замкнутый пароводяной контур с паровой турбиной. Эта установка содержит подключенный к замкнутому контуру теплообменник, расположенный вне парогенератора, внутри которого размещены поверхности нагрева пароводяного контура, при этом теплообменник подсоединен к последнему параллельно одной из указанных поверхностей нагрева.

Однако известная установка обладает более низким по сравнению с изобретением коэффициентом полезного действия вследствие невозможности согласования полученного в парогенераторе количества тепла с общей нагрузкой установки.

Так, при эксплуатации газопаротурбинной установки содержащееся в отходящем газе газовой турбины количество тепла используется для получения пара для паровой турбины. При этом пароводяной замкнутый цикл обычно охватывает две ступени давления, которые выполнены в виде экономайзера и перегревателя. Для того, чтобы преобразователь возможно большую долю количества тепла, содержащегося в отходящем газе газовой турбины, в парогенераторе обычно дополнительно предусмотрены промежуточный перегреватель для повторного перегрева пара, покидающего часть высокого давления паровой турбины, и конденсатный подогреватель для подогрева конденсированного пара из паровой турбины. При более высокой температуре отходящего газа, поступающего в парогенератор, и при большом имеющемся в распоряжении в пароводяном замкнутом цикле общем количестве воды достигаются особенно низкие температуры отходящего газа, покидающего парогенератор. Это означает, что в области полной нагрузки коэффициент полезного действия установки является особенно высоким. Это справедливо, в частности, также тогда, когда парогенератор эксплуатируется с дополнительной топочной камерой.

При работе подобной установки во всяком случае в различных состояниях эксплуатации количество тепла, подаваемого в парогенератор, является различным. В частности, в области частичной нагрузки путем уменьшения температуры пламени в случае парогенератора с дополнительной топочной камерой или путем снижения мощности газовой турбины количество подаваемого в парогенератор тепла падает, если даже при этом массовый поток отходящих газов газовой турбины остается примерно постоянным. Обусловленное этим уменьшение получаемого количества пара имеет следствием сверхпропорциональное уменьшение имеющегося в распоряжении общего количества воды или потока питательной воды так, что температура покидающих парогенератор отходящих газов увеличивается. За счет этого коэффициент полезного действия установки в области частичной нагрузки является более низким, чем в области полной нагрузки так, что общий коэффициент полезного действия установки является ограниченным.

В основе изобретения лежит задача достижения максимально высокого коэффициента полезного действия подобной установки во всех состояниях эксплуатации, в частности, также при работе на частичной нагрузке.

Эта задача решается согласно изобретению тем, что частичное количество предварительно подогреваемой воды подогревают при том же самом высоком давлении вне парогенератора, это частичное количество устанавливают в зависимости от имеющегося в распоряжении общего количества воды и подмешивают к подогретой в парогенераторе воде. Таким образом, в парогенераторе создается резервуар тепла с примерно постоянным для всех состояний эксплуатации количеством тепла.

Согласно дальнейшему развитию изобретения имеющимся в этом резервуаре количеством тепла или тепловой мощности испаряют в парогенераторе следующее частичное количество воды при низком давлении и подмешивают к пару низкого давления, поступающему к части низкого давления паровой турбины. Тем самым, независимо от области нагрузки или от состояния эксплуатации установки, получается дополнительный пар для паровой турбины.

Согласно дальнейшему развитию изобретения регулируемое количество тепла предварительно подогревают путем косвенного теплообмена с паром из паровой турбины. Это позволяет произвести подогрев регулируемого частичного количества до температуры, соответствующей температуре воды, предварительно подогретой в парогенераторе.

Комбинированная газопаротурбинная установка, реализующая вышеуказанные процессы, содержит парогенератор, по которому протекает отходящий газ из газовой турбины с, по меньшей мере, одним включенным в пароводяной замкнутый цикл паровой турбины экономайзером и включенным за экономайзером нагревательным устройством высокого давления. Пароводяной замкнутый цикл содержит подключенный параллельно экономайзеру вне парогенератора частичный контур, пропускная способность которого является регулируемой. В парогенераторе в области экономайзера расположен теплообменник для отвода полезного тепла. При этом теплообменник является, предпочтительно, нагревательным устройством низкого давления, которое расположено в направлении потока отходящего газа за нагревательным устройством высокого давления в парогенераторе, и включено параллельно последовательному соединению экономайзера и нагревательного устройства высокого давления.

Согласно изобретению, пропускная способность частичного контура является регулируемой в зависимости от количества тепла, подведенного к парогенератору. С помощью этого регулирования пропускная способность уменьшается в той степени, в которой снижается в результате уменьшения паропроизводительности общее имеющееся в распоряжении количество воды. При этом имеющийся в распоряжении диапазон регулирования должен быть рассчитан на предельный случай, например на пропускную способность в области частичной нагрузки, равную нулю. Для установки пропускной способности в частичный контур включен регулируемый вентиль.

Для согласования температур воды, подогреваемой в частичном контуре и в расположенном в парогенераторе экономайзере, в частичный контур включен теплообменник, через который протекает регулируемое количество пара.

Расположенный в парогенераторе экономайзер может быть выполнен двухступенчатым. В этом случае частичный контур предпочтительно со стороны выхода подключать к входу второй ступени экономайзера.

Для того, чтобы обеспечить дополнительное охлаждение отходящих газов, в парогенераторе в направлении протекания отходящих газов за устройством предварительного нагрева расположены нагревательные плоскости, которые со стороны выхода подключены к экономайзеру и к частичному контуру.

Достигаемые изобретением преимущества состоят, в частности, в том, что в результате дополнительного, включенного в замкнутый пароводяной цикл паровой турбины частичного контура, пропускная способность которого является регулируемой, в парогенераторе создается резервуар тепла, который позволяет независимо от состояния эксплуатации установки, с одной стороны, получить дополнительную паропроизводительность и, с другой стороны, во всех областях нагрузки снижение температуры покидающих парогенераторов отходящих газов до низкого значения, достигаемого в области полной нагрузки. Таким образом, достигается высокий общий коэффициент полезного действия установки.

Для более подробного изобретения с помощью чертежа описывается пример выполнения, при этом на фигуре показано схематическое представление расположения и включения частичного контура согласно изобретению в замкнутый пароводяной цикл паровой турбины комбинированной газопаротурбинной установки.

Комбинированная газопаротурбинная установка согласно приведенной на чертеже схеме содержит газотурбинную установку Ia и паротурбинную установку I. Газотурбинная установка 1а содержит газовую турбину 2 с подсоединенным воздушным компрессором 3 и генератором 4, а также включенную перед газовой турбиной топочную камеру 5, к которой подключен трубопровод свежего воздуха 6 воздушного компрессора 3.

Паротурбинная установка 1 включает паровую турбину 10 с подсоединенным генератором 11 в составе замкнутого пароводяного контура 12 с конденсатором 13 и включенным за конденсатором 13 резервуаром 14 питательной воды, а также парогенератор 15.

Для подвода отходящих газов из газовой турбины 2 в парогенератор 15 к входу 15а парогенератора 15 подключен трубопровод 9 отходящих газов. Отходящий газ покидает парогенератор 15 через его выход 15 в направлении трубы для отвода газов (на чертеже не показано).

В парогенераторе 15 установлены конденсатный подогреватель или нагревательные поверхности 20, нагревательное устройство 21 низкого давления, две включенные друг за другом ступени экономайзера 22 и 23, нагревательное устройство 24 высокого давления и промежуточный перегреватель 25.

Конденсатный подогреватель 20 подключен со стороны входа через трубопровод 30, в который включен конденсатный насос 31, к конденсатору 13, а со стороны выхода через трубопровод 32 к резервуару 14 питательной воды.

Ступень 22 экономайзера со стороны входа через трубопровод 33, в который включен вентиль 346 подключена к насосу 35 высокого давления, который соединен с резервуаром 14 питательной воды. Включенная за ступенью 22 вторая ступень 23 экономайзера подключена со стороны выхода через первую частичную ветвь 36 к резервуару 37 пароводяной смеси нагревательного устройства 24 высокого давления. Ступень 23, кроме того, через другую частичную ветвь 38, в которую включен угловой вентиль 39, подключена к сепаратору 40 пароводяной смеси.

Нагревательное устройство 34 высокого давления включает испаритель 45, который через обходной трубопровод 46 подключен к резервуару 37 пароводяной смеси. В обходной трубопровод 46 включен насос 47. Нагревательное устройство 24 высокого давления содержит также перегреватель 48, который со стороны входа подключен к резервуару 37 пароводяной смеси, а со стороны выхода через трубопровод 49 свежего пара подключен 10а высокого давления паровой турбины 10. Часть 1а высокого давления паровой турбины 10 подключена со стороны выхода через паропровод 50 к промежуточному перегревателю 25 и к сепаратору 40 пароводяной смеси.

Промежуточный перегреватель 25 подключен со стороны выхода через паропровод 51 к части 10 среднего давления паровой турбины 10. За частью 10 среднего давления подключена часть 10с низкого давления паровой турбины 10. Части 10а, 10b и 10с паровой турбины 10 приводят в действие через общий вал 52 генератор 11. Нагревательное устройство 21 низкого давления содержит испаритель 60, который через обходной трубопровод 61 с насосом 62 подключен к резервуару 63 пароводяной смеси.

Нагревательное устройство 21 низкого давления содержит также перегреватель 64, который со стороны входа через паропровод 65 подключен к резервуару 63 пароводяной смеси и к сепаратору 86 пароводяной смеси. Перегреватель 64 подключен со стороны выхода через паропровод 67 к части 10 с низкого давления паровой турбины 10. Резервуар 63 пароводяной смеси подключен через трубопровод 66 к резервуару 14 питательной воды. В трубопровод 66 включен насос 68 низкого давления. Замкнутый проводяной контур 12 паровой турбины 10 содержит находящийся вне парогенератора 15 частичный контур 70, который подключен параллельно расположенной в парогенераторе 15 ступени 22 экономайзера. Частичный контур 70 со стороны входа через насос 35 высокого давления подключен к резервуару 14 питательной воды, а со стороны выхода к контуру 12 в области между ступенями 22 и 23 экономайзера. В частичный контур 70 включен теплообменник 71, который через паропровод 72 соединен с частью 10 с низкого давления паровой турбины 10 и через водопровод 73 подключен к резервуару 14 питательной воды. В частичный контур 70 включен регулировочный вентиль 74, к которому по сигнальной линии 75 может подводиться управляющий сигнал. При эксплуатации установки 1 к топочной камере 5 по подводящему трубопроводу 7 подают уголь. Уголь сжигают со сжатым свежим воздухом, поступающим из воздушного компрессора 3. Возникающий при сжигании горячий дымовой газ по трубопроводу 8 дымового газа направляют в газовую турбину 2. Там он расширяется и при этом приводит в действие газовую турбину 2. Она в свою очередь приводит в действие воздушный компрессор 3 и генератор 4. Выходящие из газовой турбины горячие отходящие газы через трубопровод 9 отходящего газа вводят в парогенератор 15 и там используют для получения пара.

Поступающий из части 10с низкого давления паровой турбины 10 пар подводят через паропровод 80 к конденсатору 13, где конденсируют. Конденсатор перекачивают насосом 31 в конденсатный подогреватель 20, где подогревают. Подогретый конденсат течет из конденсатного подогревателя 20 по трубопроводу 32 в резервуар 14 питательной воды.

Питательная вода из резервуара 14 питательной воды подается насосом 35 как в ступень 22 экономайзера, так и в частичный контур 70. При этом протекающее через ступень 22 частичное количество устанавливается вентилем 34. Протекающее через частичный контур 70 частичное или пропускное количество питательной воды регулируют регулировочным вентилем 74 и подмешивают к питательной воде, подогретой в ступени 22. При этом протекающее в частичном контуре 70 частичное количество питательной воды подогревают за счет косвенного теплообмена с паром из части 10с низкого давления паровой турбины 10 до температуры, соответствующей температуре частичного количества питательной воды, протекающей через ступень 22 экономайзера.

Подогретая питательная вода протекает через вторую ступень 23 экономайзера и по трубопроводу 36 направляется к резервуару 37 пароводяной смеси нагревательного устройства 24 высокого давления. Затем собранная в резервуаре 37 пароводяной смеси подогретая питательная вода протекает через нагреваемый горячим газом испаритель 45 и при этом испаряется. Отделенный в резервуаре 37 пароводяной смеси пар подают через нагреваемый горячим отходящим газом перегреватель 48 и подводят по трубопроводу 49 свежего пара в перегретом состоянии при давлении порядка 110 бар к части 10а высокого давления паровой турбины 10. Расширившийся в части 10а высокого давления пар протекает при давлении порядка 30 бар через промежуточный перегреватель 25 и в заключение расширяется в части 10 среднего давления паровой турбины 10 до давления порядка 3 бар. Часть пара, расширившегося в части 10а высокого давления, протекает через паропровод 50 в качестве, так называемого, влажного пара к сепаратору 40 пароводяной смеси, где пар, находящийся под давлением порядка 30 бар, отделяют от воды. Вода направленная по трубопроводу 81, в который включен вентиль 82, в сепаратор 86 пароводяной смеси. Давление в сепараторе 86 пароводяной смеси составляет порядка 3 бар, в связи с чем вода, протекающая по трубопроводу 81, сразу испаряется. Отделенную в сепараторе 86 пароводяной смеси воду подводят по трубопроводу 83 к резервуару 14 питательной воды. Пар, отделенный в сепараторе 86 пароводяной смеси, подводят к нагревательному устройству 21 низкого давления.

Следующее частичное количество питательной воды нагнетается насосом 68 низкого давления из резервуара 14 питательной воды в резервуар 63 пароводяной смеси нагревательного устройства 21 низкого давления. Далее питательная вода нагнетается насосом 62 через испаритель 60 и затем обратно в резервуар 63 пароводяной смеси. Произведенный при этом пар вместе с паром, поступающим из сепаратора 86 пароводяной смеси, перегревают в перегревателе 64 и подводят по трубопроводу 67 к части 10с низкого давления паровой турбины 10, где пар вместе с паром, поступающим из части 10b среднего давления, расширяется и подводится по паропроводу 80 к конденсатору 13.

С помощью дополнительно предусмотренного согласно изобретению частичного контура 70 в замкнутом пароводяном контуре 12, а также газовой турбины 10 и парогенератора 15, который выполнен в виде не представленных более подробно парогенератора с дополнительной топочной камерой или, как это представлено в примере выполнения, в виде только котла-утилизатора, в области ступени 22 экономайзера создается резервуар тепла. Этот резервуар тепла предпочтительно используется для получения пара для части 10 с низкого давления паровой турбины 10. Резервуар тепла может также использоваться, например, для получения пара для части 10b среднего давления паровой турбины 10 или в дополнительной ступени экономайзера.

Частичное количество питательной воды, протекающее через расположенную в парогенераторе 15 ступень 22 экономайзера, устанавливают на имеющееся в распоряжении в режиме частичной нагрузки количество воды так, что дополнительно имеющееся в распоряжении в режиме полной нагрузки количество воды проходит через частичный контур 70. Другими словами, частичное или пропускное количество воды частичного контура 70 устанавливают таким образом, чтобы во всех состояниях эксплуатации частичное количество воды, протекающее через ступень 22 экономайзера, было примерно постоянным. Протекающее в частичном контуре 70 пропускное количество воды регулируют в зависимости от имеющегося в распоряжении общего количества воды. Другой целесообразной регулировочной величиной является количество тепла, принесенного в парогенератор 15 отходящими газами и, при необходимости, дополнительно полученными в случае парогенератора с дополнительной топочной камерой дымовыми газами. Соответствующий этим регулировочным величинам сигнал подводят к регулировочному вентилю 74 по управляющей линии 75.

В режиме полной нагрузки частичное или пропускное количество в частичном контуре 70 составляет порядка 30 50% предпочтительно 40% общего количества воды. При уменьшающейся нагрузке в случае парогенератора с дополнительной топочной камерой вначале отказываются от дополнительной топки и только в качестве следующей меры снижают мощность газовой турбины 2. При применении в качестве парогенератора 15 котла-утилизатора при уменьшении нагрузки сразу же снимают мощность газовой турбины 2. В обоих случаях количество тепла, принесенное в парогенератор 15, падает так, что вследствие меньшего парообразования уменьшается общее имеющееся в распоряжении количество питательной воды.

Наконец, с помощью включения согласно изобретению частично контура 70 достигается то, что протекающее через ступень 22 экономайзера в парогенераторе 15 частичное количество воды остается постоянным в большом диапазоне нагрузки, а именно: в режимах полной и частичной нагрузок, хотя в общем количество питательной воды уменьшают. При этом регулировочный вентиль 74 при уменьшении нагрузки закрыт. Одновременно подведенные к первичной стороне теплообменника 71 количество пара в области частичной нагрузки снижают до нуля. С помощью этой меры достигается то, что нагревательное устройство 21 низкого давления непрерывно производит пар так, что во всем диапазоне нагрузки температура отходящих газов в направлении потока за испарителем 60 остается примерно постоянной. Все это в целом имеет преимущество как в случае парогенератора 15 с дополнительной топочной камерой, так и в случае парогенератора 15, выполненного в виде котла-утилизатора. Во всех состояниях эксплуатации установки достигается оптимальное использование количества тепла, внесенного в парогенератор 15, при одновременно более низкой температуре покидающих парогенератор 15 отходящих газов.

Реферат

Использование: в комбинированных газопаротурбинных установках. Сущность изобретения: установка содержит парогенератор 15, по которому протекает отходящий газ из газовой турбины 2. В парогенераторе 15 размещены теплообменные поверхности нагрева замкнутого пароводяного контура 12 с паровой турбиной 10, в том числе две ступени 22, 23 экономайзера. Контур 12 содержит также теплообменник 71, размещенный вне парогенератора 15 и включенный в контур 12 параллельно ступени 21 экономайзера. 4 з.п.ф-лы, 1 ил.

Формула