ПАРОГАЗОВАЯ УСТАНОВКА
COMBINED-CYCLE PLANT

Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности к комбинированным энергетическим установкам, производящим электрическую и тепловую энергию.
Известна парогазовая установка (ПГУ) [1], включающая котел с кипящим слоем под давлением, с размещенными внутри корпуса топкой с кипящим слоем и циклоном, паровую турбину с оборудованием регенеративного тракта, газотурбинную установку (ГТУ), теплообменники для охлаждения газов, выходящих из газотурбинной установки. Недостатком известной ПГУ является недостаточная степень очистки газов в циклоне перед их подачей в ГТУ.
Известна также парогазовая установка [2], включающая котел с кипящим слоем под давлением, с размещенными внутри корпуса топкой с кипящим слоем и циклоном, керамический фильтр, служащий для дополнительной очистки газов, выходящих из циклона, от мелкодисперсных фракций золы перед подачей газов в ГТУ, газотурбинную установку, паровую турбину с оборудованием регенеративного тракта, теплообменники для охлаждения газов, выходящих из ГТУ, а также для охлаждения золы, удаляемой из кипящего слоя, устройствами для очистки дымовых газов, выбрасываемых в атмосферу. Недостатком известной ПГУ является необходимость периодической очистки керамического фильтра, а также относительно невысокий КПД ПГУ в связи с ограничением температуры газов на выходе из кипящего слоя значением, не превышающим 900°С.
Техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение надежной работы ПГУ за счет непрерывной качественной очистки газов после циклона перед подачей в газовую турбину, а также повышение КПД ПГУ.
Указанный выше технический результат при осуществлении заявляемого изобретения достигается тем, что в состав ПГУ входит котел с кипящим слоем под давлением, с размещенными внутри корпуса топкой с кипящим слоем и циклоном, газотурбинная установка, паровая турбина с оборудованием регенеративного тракта, теплообменники для охлаждения газов, выходящих из ГТУ, а также для охлаждения золы и шлака, устройство для очистки уходящих газов. В тракте газов, выходящих из котла, с кипящим слоем под давлением между циклоном и газотурбинной установкой размещена вихревая камера, в которую подается горючий газ. На выходе газов из вихревой камеры установлен шлакоулавливающий трубный пучок, а также устройства для удаления шлака и золы. В процессе работы ПГУ в топку с кипящим слоем под давлением подают уголь и сорбенты. При горении угля в кипящем слоем с температурой, не превышающей 900°С, и подаче сорбентов удается организовать качественное сжигание угля и снизить выбросы оксидов азота и серы. Значительная часть теплоты, выделяющейся в топке котла при сжигании угля, воспринимается водой и паром. Дымовые газы, выходящие из котла с кипящим слоем под давлением после циклона, поступают в вихревую камеру, в которой за счет сжигания горючего газа устанавливается температура среды, превышающая температуру начала жидкоплавкого состояния золовых частиц. Золовые частицы, поступающие с потоком газов в вихревую камеру, нагреваются, переходят в жидкоплавкое состояние и в процессе вращательного движения соударяются друг с другом. При соударениях капли золы коагулируют. Вследствие действия центробежной силы капли золы отбрасываются к стенкам вихревой камеры и шлак стекает в жидком виде по стенкам камеры вниз. Из нижней части вихревой камеры осуществляется жидкое удаление золы в виде шлака. На выходе газов из вихревой камеры установлен шлакоулавливающий пучок, в котором происходит охлаждение газов до температуры ниже температуры начала жидкоплавкого состояния. Капли золы переходят в твердое состояние, удаляются из газов, шлак и частицы золы с помощью соответствующих устройств удаляются из газового тракта. Газы направляются в газовую турбину и совершают там работу. Газы, покидающие ПГУ, подвергают очистке в устройстве для очистки газов. Зола и шлак, выводимые из тракта, направляются в теплообменник и отдают теплоту воде, подаваемой в котел.
Использование заявляемого изобретения позволяет организовать надежную работу ПГУ, сжигающей уголь, при условии обеспечения качественной очистки газов перед газовой турбиной в непрерывном режиме. Повышение температуры газов после котла с кипящим слоем до температуры, превышающей температуру кипящего слоя, позволяет повысить КПД ПГУ.
Проведенный заявителем анализ технических решений в аналогичных конструкциях по доступным источникам информации не выявил аналогов, характеризующихся всей совокупностью присущих ему существенных (или тождественных им) признаков. Выявленный ближайший аналог заявляемой ПГУ позволил выделить совокупность существенных по отношению к указанному заявителем техническому результату отличительных признаков, изложенных в формуле изобретения.
Следовательно, заявляемая ПГУ соответствует условию охраноспособности «новизна».
Проведенный заявителем дополнительный поиск известных решений в этой и в смежных областях техники не выявил известность использования отличительных признаков заявляемой ПГУ для решения таких же или аналогичных задач. Это доказывает, что заявляемая ПГУ не вытекает для специалистов явным образом из известного уровня техники.
Таким образом, заявляемая ПГУ соответствует условию охраноспособности «изобретательский уровень».
Поскольку для промышленного осуществления заявляемой ПГУ отсутствуют препятствия технического, технологического или иного порядка, то заявляемая ПГУ соответствует условию охраноспособности «промышленная применимость».
Сущность предлагаемого изобретения поясняет приводимый ниже конкретный пример его осуществления и чертеж, на котором схематично представлено заявляемое устройство. Это не исключает другие варианты промышленной реализации заявляемого объекта в пределах формулы изобретения.
Парогазовая установка включает котел с кипящим слоем под давлением, содержащий корпус котла 1, топку с кипящим слоем 2 и циклон для улавливания золовых частиц из газов 3, выходящих из топки. В тракте уходящих из котла газов размещена вихревая камера 4, на выходе из которой установлен шлакоулавливающий трубный пучок 5. В вихревую камеру поступает горючий газ 6. Для удаления шлака из вихревой камеры и золы после шлакоулавливающего пучка служат устройства 7 и 8, для слива слоя из топки с кипящим слоем установлено устройство 9. На выходе газов из вихревой камеры установлена газовая турбина ГТУ 10, а после газовой турбины ГТУ по ходу газов размещены теплообменники 11 и газоочистительная установка 12. Для получения теплоты в топку поступает воздух и уголь 13, а для снижения вредных выбросов сорбенты 14. Теплоту, выделяющуюся в топке и вихревой камере, воспринимают пар и вода, проходящие через поверхности нагрева 15. Пар, получаемый в установке, поступает в паровую турбину 16, после паровой турбины пар и вода проходят через оборудование регенеративного тракта 17. Для использования теплоты золы и шлака установлен теплообменник 18.
Парогазовая установка работает следующим образом. В воздушном компрессоре ГТУ воздух сжимается до давления порядка 1 МПа и поступает далее в топку котла с кипящим слоем под давлением. За счет подачи в топку с кипящим слоем угля, сорбентов и через газораспределительную решетку воздуха с соответствующим избытком в топке происходит процесс горения угля с выделением теплоты. Температура кипящего слоя в топке поддерживается на уровне 850÷900°С. Это позволяет обеспечить низкие значения выбросов оксидов азота и в значительной мере связать оксиды серы. Газы, выходящие из топки с кипящим слоем, поступают в циклоны, в которых происходит первичная очистка газов от золовых частиц. Частицы золы преимущественно крупных фракций, уловленные в циклоне, возвращаются обратно в кипящий слой. Слив лишнего слоя частиц выполняется из топки через устройство слива. Газы, прошедшие первичную очистку в циклоне, через улитку в закрученном виде поступают в вихревую камеру. В поток газов в вихревой камере подают также природный газ. За счет горения природного газа в вихревой камере устанавливается температура среды, превышающая температуру жидкоплавкого состояния золы [3], которая, например, для Ирша-Бородинского угля составляет 1300°С [3]. При вихреобразном движении частиц золы, перешедших в жидкое состояние, они приобретают каплевидную форму, соударяются друг с другом и коагулируют. Объединенные капли жидкой золы под действием центробежных сил отбрасываются к стенкам вихревой камеры и по стенкам камеры стекают вниз. Расплавленные частицы золы в виде шлака в жидком состоянии через устройство жидкого шлакоудаления выводят из вихревой камеры. Газы, выходящие из вихревой камеры, охлаждаются в шлакоулавливающем трубном пучке до температуры ниже температуры размягчения золы (для Ирша-Бородинского угля 1180°С). При этом происходит затвердевание и улавливание оставшихся частиц золы, прошедших через вихревую камеру. Частицы золы в твердом состоянии удаляются из газового тракта. Газы, очищенные от мелких фракций золы в вихревой камере, поступают в газовую турбину и совершают там работу, вращая вал генератора. После газовой турбины газы проходят через теплообменники регенеративного тракта паровой турбины и нагревают там конденсат и питательную воду. Охлажденные в теплообменниках газы проходят дополнительную очистку в газоочистительной установке и выбрасываются в атмосферу. Материал слоя, частицы золы и шлака, удаляемые из тракта, охлаждаются водой в теплообменнике.
Использование описываемой установки позволяет очищать газы, выходящие из котла с кипящим слоем под давлением ПГУ, в непрерывном режиме. Повышение температуры газов перед ГТУ за счет сжигания горючего газа обеспечивает повышение КПД парогазовой установки, поскольку позволяет в целом повысить интервал температур рабочего тела.
Литература
1. Экология энергетики: Учебное пособие / Под общей редакцией В.Я.Путилова. М.: Издательство МЭИ, 2003, - 716 с.
2. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций: учебное пособие для вузов / С.В.Цанев, В.Д.Буров, А.Н.Ремезов; под ред. С.В.Цанева. - 2-е изд., стереот. - М.: Издательский дом МЭИ, 2006, 584 с.
3. Тепловой расчет котельных агрегатов (Нормативный метод). Под ред. Н.В.Кузнецова и др. М.: Энергия, 1973, 296 с.