УСТАНОВКА СТАБИЛИЗАЦИИ МОЩНОСТИ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

Полезная модель относится к теплоэнергетике и может быть использована на газоперекачивающих агрегатах с газотурбинным приводом и в системах когенерации электрической, тепловой энергии и технической воды.
Известна установка электро-тепло-водоснабжения (патент РФ на полезную модель №134993 по кл. F01K 17/02, опубл. в 2013 г.), которая содержит газотурбинную установку, подключенную по тракту выхлопных газов через дымовой шибер к паровому котлу-утилизатору и дополнительный паровой котел-утилизатор, выходные паропроводы которых связаны с паровой теплофикационной турбиной, кинематически соединенной с электрогенератором, теплообменник-конденсатор которой подключен к линии подогрева теплофикационной воды; сетевой циркуляционный насос; питательный насос; деаэратор с насосом, конденсатор воздушного охлаждения; нейтрализатор промстоков огневой с дымовой трубой, газоходом, шибером, форсункой водяного конденсата, конденсатным патрубком, входным топливным патрубком; насос пароструйный; охладитель водяного конденсата; фильтр водяного конденсата, при этом выход дымовых газов из газохода нейтрализатора подключен к входу дымовых газов в паровой котел-утилизатор, а выход дымовых газов из котла подключен к дымовой трубе нейтрализатора, форсунка размещена в дымовой трубе нейтрализатора, причем вход водяного конденсата в форсунку подключен к выходу охладителя водяного конденсата, вход которого соединен с выходом фильтра, вход которого подключен к выходу деаэратора, вход сконденсированной воды в который подключен к конденсатному патрубку дымовой трубы, вход пара в пароструйный насос подключен к выходу пара из котлов-утилизаторов, а вход водяного конденсата в пароструйный насос подключен к выходу теплообменника-конденсатора и к выходу конденсатора воздушного охлаждения, в которую дополнительно входят электрогенератор, кинематически соединенный с газотурбинной установкой (тепловым двигателем); дымовая труба с форсункой водяного конденсата, конденсатным патрубком и байпасным патрубком дымовых газов, размещенная на котле-утилизаторе; устройство ввода реагента, размещенное в газоходе нейтрализатора, причем форсунка подключена к выходу охладителя водяного конденсата, а конденсатный патрубок подключен к входу в деаэратор.
Достоинством установки является повышение эффективности (за счет более полного использования теплоты сжигаемого топлива и горючей части промстоков) генерации механической энергии, используемой для привода электрогенераторов, обеспечение генерации технической воды для нужд тепло-водоснабжения, а также повышение ее экологической безопасности.
Основным недостатком известной установки является отсутствие технических решений по стабилизации мощности (исключению потерь) газотурбинной установки (ГТУ) при ее эксплуатации при температуре окружающего воздуха, отличающейся от проектной, что снижает энергоэффективность и моторесурс газовой турбины (теплового двигателя) известной установки.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому решению (прототипом) является устройство для стабилизации мощности газотурбинных установок (патент РФ на изобретение №2126902 по кл. F02C 6/18, опубл. в 1999 г.), включающее воздухопромыватель и газоохладитель, подключенные соответственно к входному патрубку воздушного компрессора и выхлопному патрубку ГТУ, согласно изобретению, воздухопромыватель выполнен в виде двухступенчатого эжекторного скруббера, форсунки первой (по ходу воздуха) ступени которого подключены к входному коллектору технической воды, а форсунки второй ступени подключены к выходу циркуляционного насоса, всас которого подключен к выходному патрубку охлажденного дистиллята испарителя газоэжекторной холодильной установки (ГЭХУ), выходной жидкостный патрубок первой ступени воздухопромывателя подключен последовательно к фильтру, циркуляционному насосу и к форсункам первой (по ходу выхлопных газов) ступени газоохладителя (выполненного в виде двухступенчатого эжекторного скруббера, подключенного к выпускному патрубку ГТУ), а выходной жидкостный патрубок второй ступени воздухопромывателя подключен к входному патрубку нагретого дистиллята испарителя ГЭХУ, форсунки второй ступени газоохладителя подключены к выходному коллектору охладителя конденсата, а выходной жидкостный патрубок второй ступени газоохладителя подключен к последовательно соединенным циркуляционному насосу, входному коллектору охладителя дистиллята и системе внешнего теплоснабжения, выходной коллектор охладителя дистиллята подключен также к испарителю ГЭХУ, причем входной патрубок рабочей среды эжектора ГЭХУ подключен к коллектору топливного газа высокого давления, а выходной патрубок парогазовой смеси эжектора подключен к сепаратору, патрубок отвода жидкости из которого подключен к испарителю ГЭХУ, а выходной газовый патрубок сепаратора соединен с регулятором расхода топливного газа ГТУ.
Достоинствами известного устройства стабилизации мощности газотурбинных установок, по патенту РФ №2126902, являются:
- возможность стабилизации (исключения потерь) мощности ГТУ - привода газовых компрессоров или электрогенераторов при высоких или низких температурах окружающего воздуха (отличающихся от проектного оптимального уровня);
- повышение моторесурса ГТУ за счет снижения запыленности (в летнее время), а также исключения попадания льда (в зимнее время) в проточную часть воздушного компрессора ГТУ;
- повышение экологической безопасности установки и объекта за счет снижения выбросов в атмосферу оксидов азота.
Недостатками прототипа являются:
- отсутствие технических решений по обеспечению эксплуатации устройства в составе современных энергоэффективных комбинированных парогазовых установок, включающих ГТУ, котлы-утилизаторы и паровые турбины;
- ограниченная (располагаемым входным давлением топливного газа и его расходом) холодопроизводительность газоэжекторной холодильной установки, не обеспечивающая захолаживание до оптимальной температуры потока воздуха, подаваемого на воздушный компрессор ГТУ, а также генерацию необходимого количества дистиллята водяных паров, что приводит к снижению мощности ГТУ в жаркие дни при повышенной температуре окружающего воздуха.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является повышение энергоэффективности устройства при его эксплуатации в составе комбинированных парогазовых установок и установок электро-тепло-водоснабжения, а также увеличение его холодопроизводительности, обеспечивающей исключение потерь мощности ГТУ при повышенной температуре окружающего воздуха.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении полезной модели, является снижение затрат энергоресурсов (топлива и электроэнергии) при совместной генерации механической (электрической), тепловой энергии и технической воды.
Указанный технический результат достигается тем, что в установку стабилизации мощности газотурбинных установок, включающую воздухопромыватель 1 и газоохладитель 2, подключенные соответственно к входному патрубку воздушного компрессора 3 и выходу дымовых газов из ГТУ 4, причем воздухопромыватель 1 выполнен в виде двухступенчатого эжекторного скруббера, форсунки 5 первой (по ходу воздуха) ступени воздухопромывателя подключены к входному коллектору 6 технической воды, а форсунки 7 второй ступени воздухопромывателя подключены к выходу циркуляционного насоса 8, всас которого подключен к выходному патрубку 9 охлажденного дистиллята испарителя 10 холодильной установки, выходной жидкостный патрубок 11 первой ступени воздухопромывателя подключен последовательно к фильтру 12, насосу 13 технической воды и к форсункам 14 первой (по ходу выхлопных газов) ступени газоохладителя 2 (выполненного в виде двухступенчатого эжекторного скруббера), а выходной жидкостный патрубок 15 второй ступени воздухопромывателя подключен к входному патрубку 16 нагретого дистиллята испарителя холодильной установки, форсунки 17 второй ступени газоохладителя подключены к выходному коллектору 18 охладителя конденсата 19, а выходной жидкостный патрубок 20 второй ступени газоохладителя подключен к последовательно соединенным конденсатному насосу 21, входному коллектору 22 охладителя конденсата 19, выходной коллектор 18 охладителя конденсата 19 подключен также к испарителю 10 холодильной установки, согласно полезной модели, дополнительно входят фильтр водяного конденсата 23, установленный на входном коллекторе 22 перед охладителем конденсата 19; вакуум-компрессор 24; вход которого подключен к верху испарителя 10 холодильной установки, а выход соединен с патрубком 25 парогазовой смеси, размещенном между первой и второй ступенями газоохладителя 2; емкость водяного конденсата 26, отбор конденсата из которой осуществляется насосом 21; теплообменник 27 подогрева теплофикационной воды, вход водяного конденсата в который подключен к выходному жидкостному патрубку 20 газоохладителя 2, вход которого соединен по тракту выхлопных газов с выходом парового котла-утилизатора 28, подключенного через дымовой шибер 29 к выхлопному патрубку ГТУ 4, а выход газоохладителя 2 подключен к входу в дымовую трубу 30, ниже по уровню размещенного на ней байпасного патрубка дымовых газов 31, соединенного с выхлопным патрубком ГТУ 4, кинематически соединенной с потребителем механической энергии 32, причем при работе на топливном газе высокого давления перед регулятором расхода топлива 33 на линии подачи топлива на ГТУ 4 размещается детандер-генератор 34, генератор которого электрически связан с входным электронагревателем 35 топливного газа.
Повышение энергоэффективности предлагаемого устройства при его эксплуатации в составе комбинированных парогазовых установок и установок электро-тепло-водоснабжения, а также увеличение его холодопроизводительности, исключающее потери мощности ГТУ при повышенной температуре окружающего воздуха, обеспечивается за счет подключения вакуум-компрессора 24 для удаления водяных паров и газов дегазации из испарителя 10. По сравнению с газовым эжектором, коэффициент полезного действия которого не превышает 30%, а холодопроизводительность ограничена располагаемым входным давлением топливного газа и его расходом, вакуум-компрессор имеет лучшую энергоэффективность (КПД не менее 60%) и обеспечивает при эксплуатации меньшие потери энергии и более глубокий вакуум, причем мощность его привода не имеет технических ограничений. Таким образом, использование вакуум-компрессора позволяет повысить энергоэффективность, а также увеличить холодопроизводительность предлагаемой установки стабилизации мощности.
Этому же способствует последовательное (по ходу дымовых газов) размещение газопромывателя 2 за паровым котлом-утилизатором 28, обеспечивающим за счет рекуперации теплоты выхлопных газов увеличение выработки механической энергии, которая используется потребителем механической энергии (электрогенератором или газовым компрессором) 37, а также приводом вакуум-компрессора 24. Предварительное охлаждение в паровом котле-утилизаторе 28 дымовых газов, поступающих затем в газоохладитель 2, обеспечивает снижение энергозатрат на генерацию водяного конденсата (из водяных паров) за счет уменьшения энергопотребления привода вентилятора охладителя конденсата 19.
Повышению энергоэффективности предлагаемой установки за счет снижения потерь водяных паров способствует также размещение патрубка 25 парогазовой смеси между первой и второй ступенями газоохладителя 2. При этом водяные пары, отбираемые вакуум-компрессором 24 с верха испарителя 10, совместно с водяными парами, поступающими с первой ступени газоохладителя 2, подаются на вторую ступень газоохладителя, конденсируются там и могут быть использованы для собственных нужд установки.
Установка стабилизации мощности газотурбинных установок иллюстрируется чертежом, на котором представлена схема предлагаемой установки (показан один из нескольких параллельно подключенных энерготехнологических модулей).
Позиции на чертеже обозначают следующее: 1 - воздухопромыватель; 2 - газоохладитель; 3 - воздушный компрессор; 4 - газотурбинная установка, ГТУ; 5 - форсунки первой ступени воздухопромывателя; 6 - входной коллектор технической воды; 7 - форсунки второй ступени воздухопромывателя; 8 - циркуляционный насос охлажденного дистиллята; 9 - выходной патрубок охлажденного дистиллята; 10 - испаритель холодильной установки; 11 - жидкостной патрубок первой ступени воздухопромывателя; 12 - фильтр технической воды; 13 - насос технической воды; 14 - форсунки первой ступени газоохладителя; 15 - выходной жидкостной патрубок второй ступени воздухопромывателя; 16 - входной патрубок нагретого дистиллята в испаритель 10; 17 - форсунки второй ступени газоохладителя; 18 - выходной коллектор охладителя конденсата; 19 - охладитель конденсата; 20 - выходной жидкостной патрубок второй ступени газоохладителя; 21 - конденсатный насос; 22 - входной коллектор охладителя конденсата; 23 - фильтр водяного конденсата; 24 - вакуум-компрессор; 25 - патрубок парогазовой смеси; 26 - емкость водяного конденсата (деаэратор); 27 - теплообменник подогрева теплофикационной воды; 28 - паровой котел-утилизатор; 29 - дымовой шибер; 30 - дымовая труба; 31 - байпасный патрубок (дымовой трубы); 32 - потребитель механической энергии ГТУ (электрогенератор или газовый компрессор); 33 - регулятор расхода топлива; 34 - детандер-генератор; 35 - электронагреватель топливного газа; 36 - паровая теплофикационная турбина; 37 - потребитель механической энергии паровой турбины; 38 - теплообменник-конденсатор; 39 - сетевой циркуляционный насос; 40 - питательный насос; 41 - конденсатор воздушного охлаждения; 42 - насос пароструйный.
На чертеже также обозначены следующие технологические потоки: В - воздух на ГТУ; ВК - конденсат водяных паров; ВКО - охлажденный конденсат водяных паров; ВО - охлажденный воздух; ВП+ГД - парогазовая смесь (водяные пары и газы дегазации); ВТ - техническая вода; ГТ - газ топливный на ГТУ; Д - дренажные стоки; ДГ1 - дымовые газы (выхлопные газы ГТУ) на котел-утилизатор; ДГ2 - выхлопные газы от ГТУ, поступающие на байпасный патрубок; ДН - дистиллят нагретый; ДО - дистиллят охлажденный; ОВ - обратная вода из системы теплоснабжения; ПВ - прямая вода системы теплоснабжения; ПП - пар перегретый; ХПВ - вода на установку подготовки хозпитьевой воды.
Установка стабилизации мощности газотурбинных установок работает следующим образом.
При работе установки топливный газ высокого давления (поток ГТ на схеме), поступает на вход детандер-генератора 34, на котором обеспечивается снижение давления газа до рабочего давления перед ГТУ 4. Выработанная в детандер-генераторе 34 электрическая энергия подается на электронагреватель 35 топливного газа, обеспечивающий безгидратный режим эксплуатации системы газоснабжения ГТУ, включающей регулятор расхода топлива 33. Использование детандер-генератора позволяет, по сравнению с традиционными техническими решениями, уменьшить расход топливного газа на собственные нужды (на нагрев потока дросселируемого газа) системы газоснабжения ГТУ.
При работе установки для стабилизации мощности газотурбинных установок в летнее время (при повышенной температуре окружающего воздуха) запыленный атмосферный воздух поступает в первую (по ходу воздуха) ступень воздухопромывателя 1, в которую через форсунки 5 производится впрыск технической воды (поток ВТ). При контактном тепло-массообмене с воздухом происходит обеспыливание воздуха и его охлаждение за счет частичного испарения технической воды (или охлажденного конденсата водяных паров, части потока ВКО). Дальнейшее охлаждение воздуха происходит на второй ступени эжекторного воздухопромывателя 1, на форсунки 7 которой подается охлажденный дистиллят (поток ДО). Охлажденный воздух поступает в воздушный компрессор 3, нагнетающий воздух в камеру сгорания газотурбинной установки 4. Эжектирование потока воздуха спутными потоками распыленной форсунками воды обеспечивает практически отрицательные аэродинамические потери воздухопромывателя и наибольшую его энергоэффективность среди известных конструкций.
За счет охлаждения циклового воздуха массовая производительность воздушного компрессора повышается (по сравнению с компримированием горячего воздуха) и, тем самым обеспечивается стабилизация (исключение потерь мощности) ГТУ в жаркое время года. Обеспыливание воздуха в воздухопромывателе 1, осуществляемое при контакте потока воздуха с поверхностью капель распыленной форсунками воды, обеспечивает повышение моторесурса газотурбинной установки 4 за счет уменьшения (исключения) эрозионного износа лопаток.
Выхлопные (дымовые) газы из газовой турбины 4, поток ДГ1, поступают в паровой котел-утилизатор 28, в котором рекуперируется теплота дымовых газов и генерируется перегретый пар, поток ПП, подаваемый в паровую теплофикационную турбину 36, подключенную к потребителю механической энергии 37 (электрогенератору или газовому компрессору) паровой турбины 36. Расход дымовых газов (поток ДГ1), поступающих на паровой котел-утилизатор 28 и, соответственно, его теплопроизводительность, регулируется с помощью дымового шибера 29.
Остальная часть дымовых газов, поток ДГ2, подается на байпасный патрубок 31 дымовой трубы 30, минуя паровой котел-утилизатор 28 и газоохладитель 2.
Охлажденные в паровом котле-утилизаторе 28 дымовые газы поступают двухступенчатый эжекторный газоохладитель 2.
(Следует отметить, что предварительное охлаждение в паровом котле-утилизаторе 28 дымовых газов, поступающих затем в газоохладитель 2, обеспечивает снижение энергозатрат на генерацию водяного конденсата (из водяных паров) за счет уменьшения энергопотребления привода вентилятора охладителя конденсата 19.)
На первой (по ходу дымовых газов) ступени газоохладителя 2 охлаждение дымовых газов осуществляется путем впрыска через форсунки 14 технической воды, отводимой по патрубку 11 из первой ступени воздухопромывателя 1. Предварительно вода очищается от механических примесей в фильтре технической воды 12, а затем насосом технической воды 13 подается на форсунки 14.
При контактном тепло- и массообмене и испарении распыленной форсунками 14 технической воды дымовые газы в первой ступени газоохладителя 2 охлаждаются и увлажняются. Неиспарившаяся часть потока технической воды сбрасывается в дренаж (поток Д на схеме).
Во второй ступени газоохладителя 2 происходит дальнейшее охлаждение и осушка дымовых газов за счет впрыска через форсунки 17 охлажденного конденсата водяных паров (поток ВКО) в спутный поток дымовых газов. Охлажденные дымовые газы из газоохладителя 2 по дымовой трубе 30 отводятся в атмосферу.
Применение двухступенчатого эжекторного газоохладителя снижает газодинамические потери по тракту выхлопных газов ГТУ вследствие эжекции потока газов «факелами» распыла охлаждающей воды.
Нагретый конденсат, а также сконденсированные из дымовых газов водяные пары (поток ВК) выходят через патрубок 20 из второй ступени' газоохладителя 2 и подаются вначале в теплообменник подогрева теплофикационной воды 27, а затем поступают в емкость водяного конденсата (деаэратор) 26. Деаэрированный водяной конденсат из емкости 26 конденсатным насосом 21 подается во входной коллектор 22 и, пройдя через фильтр водяного конденсата 23, поступает в охладитель конденсата 19 (аппарат воздушного охлаждения).
Выходящий из охладителя конденсата 19 поток охлажденного конденсата водяных паров (поток ВКО) поступает в выходной коллектор 18 и из него подается на форсунки 17 второй ступени газоохладителя 2, а также на подпитку испарителя 10 холодильной установки. Обвязка установки предусматривает также подачу охлажденного водяного конденсата (поток ВКО) из коллектора 18:
- во входной коллектор технической воды 6 и на форсунки 5 первой ступени воздухопромывателя 1 (при низком качестве или отсутствии технической воды);
- на вход питательного насоса 40 и пароструйного насоса 42 для подпитки парового котла-утилизатора 28 (в дополнение к основному потоку конденсата отработанного пара из паровой теплофикационной турбины 36, выходящему из теплообменника-конденсатора 38 и конденсатора воздушного охлаждения 41);
- на вход сетевого циркуляционного насоса 39 для подпитки системы теплоснабжения;
- на установку подготовки хозпитьевой воды (поток ХПВ).
При работе установки стабилизации мощности ГТУ необходимый температурный уровень охлажденного воздуха (поток ВО) перед воздушным компрессором 3 обеспечивается испарителем 10 холодильной установки. В испарителе происходит частичное испарение нагретого дистиллята (поток ДН), поступающего из выходного жидкостного патрубка 15 второй ступени воздухопромывателя во входной патрубок 16 нагретого дистиллята. Отвод теплоты испарением от потока нагретого дистиллята в испарителе 10 интенсифицируется за счет вакуума, создаваемого в испарителе вакуум-компрессором 24. Отбираемая вакуум-компрессором 24 парогазовая смесь (поток ВП+ГД) водяных паров и газов дегазации дистиллята, подается на патрубок 25 парогазовой смеси, подключенный (по ходу потока дымовых газов) между первой и второй ступенями газоохладителя 2. Водяные пары из парогазовой смеси конденсируются на второй ступени газоохладителя 2, совместно с водяными парами влажных дымовых газов, поступивших с первой ступени газоохладителя, тем самым способствуя повышению энергоэффективности установки за счет исключения потерь водяного конденсата.
Из испарителя 10 охлажденный дистиллят (поток ДО), выходящий из патрубка 9 циркуляционным насосом 8 подается на форсунки 7 второй ступени воздухопромывателя 1, обеспечивая оптимальную температуру охлажденного воздуха (поток ВО) перед воздушным компрессором 3 ГТУ 4, исключающую потери мощности ГТУ в жаркое время года или образование ледяных отложений в проточной части воздушного компрессора (и снижение мощности и моторесурса) в холодное время года.
Таким образом, за счет приведенных выше технических решений предлагаемая установка стабилизации мощности газотурбинных установок обеспечивает повышение энергоэффективности устройства при его эксплуатации в составе комбинированных парогазовых установок и установок электро-тепло-водоснабжения, а также увеличение его холодопроизводительности, обеспечивающей исключение потерь мощности ГТУ при повышенной температуре окружающего воздуха.
Экономический эффект от ее применения обусловлен снижением потребления энергоресурсов (топлива и электроэнергии) при совместной генерации механической (электрической), тепловой энергии и технической воды за счет подключения вакуум-компрессора для удаления водяных паров и газов дегазации из испарителя, размещения газопромывателя по ходу дымовых газов за паровым котлом-утилизатором и размещения на линии подачи топлива на ГТУ детандер-генератора, генератор которого электрически связан с входным электронагревателем топливного газа.