Котельная установка и способ эксплуатации и дооборудования котельной установки - RU2380548C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к котельной установке с признаками, приведенными в ограничительной части пункта 1 формулы изобретения, и к способу эксплуатации и дооборудования котельной установки согласно пункту 17 или пункту 23 этой формулы изобретения.

При сжигании ископаемого топлива в таких котельных установках образуется СО₂, оказывающий существенное влияние на разрушение озонного слоя атмосферы. Поэтому промышленность и университеты, занятые в сфере электростанций, проводят совместные разработки по отделению СО₂ от дымовых газов.

К таким совместным разработкам относятся преобразование СО с помощью Н₂О в СО₂ и Н₂ с последующим отделением СО₂ (способ IGCC) и сжигание ископаемого топлива в среде чистого кислорода с последующим отделением СО₂ (способ ««Oxy-Fuel»» (кислород - топливо)). Строительство новых котельных установок с применением способа ««Oxy-Fuel»», по современной оценке, возможно будет позднее, приблизительно через 10-20 лет, и будет сопряжено с значительными капитальными затратами.

В отношении дооборудования существующих обычных тепловых электростанций ситуация выглядит значительно благоприятнее, поскольку объем капиталовложений будет существенно меньше. В связи с мероприятиями, связанными с отделением СО₂ при сжигании в среде чистого кислорода, а также принимая во внимание затраты и размер используемых компрессоров, дооборудование с целью применения способа «Оху-Fuel» возможно будет только на тех блоках электростанций, которые имеют мощности от 100 до 300 МВт.

В основу изобретения положена задача дооборудовать аналогичную котельную установку топкой для использования чистого кислорода (способ «Оху-Fuel») таким образом, чтобы котельная установка могла эксплуатироваться как в режиме «Оху-Fuel», так и в обычном режиме.

Эта задача решается применительно к аналогичной котельной установке и способу эксплуатации или дооснащения такой котельной установки согласно изобретению посредством отличительных признаков пунктов 1, 17 и 23 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изобретения являются объектом зависимых пунктов формулы изобретения.

При дооборудовании согласно изобретению для перехода на способ «Оху-Fuel» в котельной установке согласно изобретению применяется существующий регенеративный подогрев питательной воды и существующий подогрев воздуха на стороне дымовых газов парогенератора, кроме того, требуется промежуточный перегрев. Схема котельной установки на стороне подачи воздуха для горения выбрана такой, чтобы по-прежнему был возможен без ограничения режим работы с использованием воздуха в качестве единственного источника кислорода. Следовательно, дооборудование до установки «Оху-Fuel» происходит без ущерба для традиционной котельной установки при вероятном режиме работы с применением первичного воздуха. Возможно масштабирование до более значительных единиц.

На чертеже представлено несколько примеров осуществления изобретения, которые вместе с преимуществами изобретения подробнее поясняются ниже.

При этом изображено:

фиг.1 - блок-схема котельной установки после дооборудования для режима работы с использованием кислорода (способ «Оху-Fuel»),

фиг.2-4 - дополнительные варианты выполнения котельной установки на фиг.1.

Котельная установка содержит парогенератор 1 с пароводяным контуром, паровой турбоагрегат 2, а также подвод воздуха, отвод дымовых газов и обогреваемый дымовыми газами регенеративный воздухоподогреватель 3 (подогреватель воздуха для горения). Эта часть котельной установки имеет обычную конструкцию. Ниже она поясняется лишь настолько, насколько это необходимо для понимания изобретения.

Паровой турбоагрегат 2 состоит из части 4 высокого давления, части 5 среднего давления и части 6 низкого давления, расположенных на общем валу и приводящих во вращение генератор 7 для выработки электрической энергии.

Изображенный парогенератор 1 выполнен в виде прямоточного парогенератора. Приводимое ниже описание применимо также и к барабанному котлу. Парогенератор 1 содержит камеру 8 сгорания с топкой для сжигания газообразного топлива. В принципе возможна эксплуатация на угле при условии очистки дымовых газов. За нагревательными поверхностями испарителя камеры 8 сгорания расположен перегреватель 9. Подключенный к перегревателю 9 паропровод 10 высокого давления проходит до части 4 высокого давления парового турбоагрегата 2. Выход отработавшего пара части 4 высокого давления сообщен соединительной линией 11 с промежуточным перегревателем 12 парогенератора 1. Через паропровод 13 вторичного пара промежуточный перегреватель 12 сообщен на выходной стороне с частью 5 среднего давления парового турбоагрегата 2. За частью 5 среднего давления расположена на паровой стороне часть 6 низкого давления.

Выходное отверстие для отработавшего пара на стороне части 6 низкого давления сообщено с конденсатором 14. К конденсатору 14 подключен конденсатопровод 15 с расположенным в нем конденсатным насосом 15′. В конденсатопроводе 15 последовательно расположено несколько подогревателей 16 питательной воды низкого давления, термический дегазатор 17 питательной воды, насос 18 питательной воды высокого давления и несколько подогревателей 19, 19′ питательной воды высокого давления. Последний подогреватель 19′ питательной воды высокого давления соединен с дополнительным, обогреваемым дымовыми газами подогревателем питательной воды или с испарителем парогенератора 1. Подогреватели 16, 19 питательной воды обогреваются отобранным паром части 4 высокого давления, части 5 среднего давления и части 6 низкого давления парового турбоагрегата 2.

Воздуходувка 20 расположена в подводящем воздухопроводе 21, подключенном на входной стороне к воздушной части регенеративного воздухоподогревателя 3 и проходящим вниз от воздухоподогревателя 3 к топке камеры 8 сгорания для снабжения этой камеры воздухом для горения. С отверстием парогенератора 1 для выхода дымовых газов сообщен дымоход 22, проходящий к газовой части регенеративного воздухоподогревателя 3 на входной стороне. По графическим причинам дымоход 22 показан на чертеже прерванным на участках "b". От места присоединения к воздухоподогревателю 3 дымоход 22 проходит до дымовой трубы 36.

Приведенные сведения касаются традиционной котельной установки. Далее описывается дооборудование котельной установки для применения способа «Оху-Fuel». Такое дооборудование может производиться дополнительно на существующей котельной установке или в самом начале на новой котельной установке.

От подводящего воздухопровода 21 выполнено ответвление воздухопровода 23 вниз от воздухоподогревателя 3 до воздушного компрессора 24. Выходное отверстие воздушного компрессора 24 сообщено с установкой 25 для разделения воздуха. Отверстие для выхода кислорода из установки 25 для разделения воздуха сообщено через кислородопровод 26 с газовым смесителем 27, расположенным в подводящем воздухопроводе 21 между воздухоподогревателем 3 и топкой камеры 8 сгорания парогенератора 1.

Воздушный компрессор 24 приводится в действие приводной паровой турбиной 28. Приводная паровая турбина 28 на фиг.1 снабжается паром, отбираемым от паропровода 13 вторичного пара между промежуточным перегревателем 12 парогенератора 1 и частью 5 среднего давления парового турбоагрегата 2 через паропровод 29. По графическим причинам на чертеже паропровод 29 показан прерванным на участках «а». Перед входом в приводную паровую турбину 28 на паропроводе 29 установлен регулирующий клапан 30. Выходное отверстие отработавшего пара в приводной паровой турбине 28 сообщено с конденсатором 31, который через конденсатопровод 32 с расположенным в нем насосом 33 сообщен с конденсатопроводом 15 парогенератора 1 в направлении вверх от первого подогревателя питательной воды низкого давления из группы 16 подогревателей питательной воды низкого давления.

При соответствующей конструкции конденсатора 14 отработавший пар приводной паровой турбины 28 может подаваться в главный конденсатор 14 парогенератора 1. В результате отпадает необходимость в конденсаторе 31 приводной паровой турбины 28 и его конденсатном насосе 33.

На фиг.2 показана приводная паровая турбина 28′, в которую вместо вторичного пара подается отобранный пар. Этот пар отбирается в соответствующем месте 47 от парового турбоагрегата 2 и по паропроводу 29′ подается в приводную паровую турбину 28′.

Как показано на фиг.3, может также применяться и приводная паровая турбина 28′′, питаемая по паропроводу 29′′ паром от наружного источника 48 пара. Таким наружным источником пара может служить парогенератор с непосредственным сжиганием.

Вместо приводной паровой турбины 28, 28′, 28′′ может также применяться, как показано на фиг.4, электродвигатель 49 для приведения в действие воздушного компрессора 24.

В воздухопроводе, на участке между воздухоподогревателем 3 и воздушным компрессором 24, расположены два воздухоохладителя 34, 35. Воздухоохладители 34, 35, аналогично паровой турбине 28, приводящей в действие воздушный компрессор 24, соединены с пароводным контуром парогенератора 1. Через расположенный выше воздухоподогревателя 3 воздухоохладитель 34 протекает питательная вода высокого давления, отбираемая из конденсатопровода 15, расположенного ниже подогревателя 19 питательной воды высокого давления, и отводимая назад в конденсатопровод 15, расположенный выше указанного подогревателя 19 питательной воды высокого давления. Если температура пара в промежуточном перегревателе 12 парогенератора 1 регулируется за счет внутренней циркуляции дымовых газов, то в этом случае последний подогреватель 19′ питательной воды высокого давления может быть дополнительно соединен с воздухоохладителем 34. Через расположенный ниже воздухоподогревателя 3 воздухоохладитель 35 протекает питательная вода низкого давления, отбираемая из конденсатопровода 15 ниже группы подогревателей 16 питательной воды низкого давления и отводимая обратно в конденсатопровод 15 выше группы подогревателей 16 питательной воды низкого давления.

В дымоходе 22 расположена ниже регенеративного воздухоподогревателя 37 и ответвления в сторону дымовой трубы 36 рециркуляционная воздуходувка 37. Ниже рециркуляционной воздуходувки 37 дымоход 22 разветвляется на два обводных дымохода 38, 39. Первый обводной дымоход 38 заведен в газовый смеситель 27.

Второй обводной дымоход 39 подведен к компрессору 40 для СО₂. Этот компрессор 40 приводится в действие расширителем 42 и двигателем-генератором 41. Компрессор 40 для СО₂ и расширитель 42 расположены вместе с двигателем-генератором 41 на общем валу.

Как показано в качестве примера на фиг.3 и 4, двигатель-генератор 41 может и не применяться. Вместо него на одновальном валопроводе 50 расположены воздушный компрессор 24, расширитель 42 и компрессор 40 для CO₂ вместе с приводной паровой турбиной 28" или электродвигателем 49 в качестве привода. Следует подчеркнуть, что показанная на фиг.3 и 4 трансмиссия может быть также применена и в котельной установке согласно фиг.1 и 2, равно как и трансмиссия согласно фиг.1 и 2 может применяться в котельной установке согласно фиг.3 и 4.

Во втором обводном дымоходе 39 перед его входом в компрессор 40 для СО₂ расположены теплообменники 43 для охлаждения дымовых газов до температуры ниже их точки росы, что обеспечивает отделение воды от дымовых газов. Теплообменники 43 соединены с расширителем 42 с помощью соединительной линии 44′ благодаря циклу Ренкина 44, в котором в качестве рабочей среды применяется хладагент с низкой температурой кипения, например NH₃. Насос 45, подключенный к выходу расширителя 42, обеспечивает циркуляцию рабочей среды через теплообменники 43 и расширитель 42.

Как изображено на чертеже и описано выше, воздухопровод 23, проходящий через воздушный компрессор 24 к установке 25 для разделения воздуха и содержащий воздухоохладители 34, 35, и кислородопровод 26, выходящий из установки 25 для разделения воздуха, параллельно подключены к подводящему воздухопроводу 21, ведущему к камере сгорания 8. Запорно-регулирующие клапаны 46 подводящего воздухопровода 21, воздухопровода 23, кислородопровода 26, первого обводного дымохода 38 и второго обводного дымохода 39 обеспечивают запирание соответствующей магистрали или регулирование протекающей через соответствующую магистраль среды.

Описанная выше котельная установка эксплуатируется следующим образом.

Воздух, необходимый для процесса «Оху-Fuel», т.е. для режима с использованием кислорода, охлаждается до максимально низкой температуры за регенеративным воздухоподогревателем 3 с помощью конденсата паровой турбины и сжимается в воздушном компрессоре 24 до величины давления, требуемой для установки разложения воздуха.

Привод воздушного компрессора 24 осуществляется от приводной паровой турбины 28, 28′, питаемой вторичным паром из промежуточного перегревателя 12 или отобранным на ступени 47 отбора паром части 5 среднего давления паровой турбины 2. Недостающая мощность парового турбоагрегата 2 остается при этом незначительной, так как отбор вторичного или отобранного пара количественно частично компенсируется тепловым смещением воздуха для горения в конденсатный контур парогенератора 1, при этом места отбора в паропроводах на стороне среднего и низкого давления закрыты или открыты лишь частично. Образующийся конденсат в приводной паровой турбине 28, 28′ подается в конденсатный контур парогенератора 1. В результате отпадает необходимость в дополнительных дегазаторе и пароконденсатной системе. Благодаря смещению тепла воздуха для горения из воздухоподогревателя 3 в контур для конденсата и питательной воды парогенератора 1 происходит существенная компенсация недостающей мощности отбором вторичного пара или отобранного пара для привода приводной паровой турбины 28, 28′,

Если пропускная способность парового турбоагрегата 2 является достаточной, а генератор 7 обладает дополнительными резервами, то можно отсоединять привод воздушного компрессора 24 от шины вторичного пара, состоящей из паропровода 13 вторичного пара, ступени отбора 47 и часта 5 среднего давления парового турбоагрегата 2. При этом в качестве привода может использоваться либо электродвигатель, либо непосредственно паротурбинный процесс с парогенератором непосредственного сжигания. Преимущество такой концепции с использованием последнего заключается как в свободном выборе параметров пара, так и в улучшенной динамике процесса перехода котельной установки на чисто воздушный режим в случае применения дополнительных турбомашин для процесса «Оху-Fuel». Для повышения эффективности применения привода тепло промежуточного и дополнительного охладителей воздушного компрессора 24 может полезно использоваться в рамках концепции дооборудования установки.

Воздух для установки 25 для его разделения сжимается до требуемого давления воздушным компрессором 24. Для повышения производительности котельной установки может применяться комбинация из осевых и радиальных компрессоров с промежуточными и дополнительными охладителями. В принципе может также применяться чисто моторный привод.

Пуск котельной установки проводится при 100% загруженности воздуходувки, причем около 60% количества воздуха подается на установку 25 для разделения воздуха, т.е. для минимальной загрузки этой установки 25, и около 40% - на парогенератор 1, т.е. для минимальной загрузки прямоточного парогенератора или котла с естественной циркуляцией. Приведенные показатели могут варьироваться в зависимости от процесса. Парогенератор 1 работает в режиме частичной нагрузки свежим воздухом до тех пор, пока не будет достигнуто соответствующее качество СО₂ в установке 25 для разделения воздуха. После этого следует переход на режим «Оху-Fuel», т.е. с воздушного режима с частичной нагрузкой на соответствующий кислородный режим с частичной нагрузкой. Последующее увеличение нагрузки происходит с учетом допустимых показателей установки 25 для разделения воздуха. Переход с кислородного режима на воздушный проводится в обратной последовательности.

Благодаря отсутствию азота при сжигании кислорода соответственно снижаются по сравнению с режимом, при котором применяется первичный воздух, массовые потоки дымовых газов в тракте дымовых газов парогенератора 1 и одновременно существенно возрастает температура сжигания. Повышение температуры сжигания может привести к значительным тепловым нагрузкам на трубы в камере 8 сгорания парогенератора 1. Однако в результате обратной подачи заданного большого количества дымовых газов в топочную систему парогенератора 1 через газовый смеситель 27 массовые потоки и температура сжигания доводятся до показателей, аналогичных показателям при режиме с использованием первичного воздуха. В результате объединения кислорода и рециркулированных дымовых газов в газовом смесителе 27 достигаются показатели содержания С₂, аналогичные показателям режима с использованием первичного воздуха. По термодинамическим причинам рециркулированные дымовые газы отводятся за воздухоподогревателем 3.

Как уже упоминалось, все элементы установки, относящиеся к процессу «Оху-Fuel», параллельно подключены к котельной установке. Кроме того, в подводящем воздухопроводе 21, воздухопроводе 23, кислородопроводе 26, первом обводном дымоходе 38 и во втором обводном дымоходе 39 установлены запорно-регулирующие клапаны 46. Процесс «Оху-Fuel» применяется в котельной установке 1 таким образом, что в любое время возможна эксплуатация только в режиме с использованием первичного воздуха без подачи кислорода. Для этого перекрываются соответствующие запорно-регулирующие клапаны 46. Работа котельной установки 1 только в режиме первичного воздуха возможна также и в случае выхода из строя или отключения турбомашин, таких как воздушный компрессор 24, расширитель 42 и компрессор 40 для СО₂. Байпасирование после завершения монтажа параллельно подключенных элементов установки, относящихся к процессу «Оху-Fuel», проводится во время ревизии котельной установки.

Остаточные дымовые газы, состоящие главным образом из СО₂ и Н₂О, охлаждаются с целью удаления из них воды с помощью цикла Ренкина 44 на основе

NH₃ до температуры значительно ниже точки росы дымовых газов. Благодаря выделяющемуся при этом теплу испарения водяного пара и скрытому теплу дымовых газов можно дополнительно генерировать электроэнергию с помощью расширителя 42.

Расширитель 42 приводит в действие через двигатель-генератор 41 компрессор 40 для СО₂, который в зависимости от назначения сжимает СО₂ до необходимого заданного конечного значения. При этом сжатие может происходить до 200 бар, которое необходимо для процесса EOR (Enhanced Oil-Recovering-Process: усовершенствованный процесс регенерации топлива). В зависимости от требуемой мощности привода компрессора 40 применяется либо двигатель, либо генератор.

Реферат

Изобретение относится к теплотехнике, в частности к котельным установкам. Котельная установка дооборудуется следующим образом: от подводящего воздухопровода вниз по потоку от воздухоподогревателя проходит воздухопровод и подводится к установке для разделения воздуха. В воздухопроводе расположены воздухоохладители, через которые протекает конденсат или питательная вода из контура «конденсат-питательная вода» парогенератора. Отверстие для выхода кислорода из установки для разделения воздуха сообщено через кислородопровод с топкой камеры сгорания. Изобретение позволяет дооборудовать котельную установку для использования чистого кислорода (способ "Oxy-Fuel"). 3 н. и 33 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула