ПАРОГАЗОВАЯ УСТАНОВКА
COMBINED-CYCLE PLANT

Изобретение относится к области теплоэнергетики и предназначено для использования на тепловых электростанциях.
Известна парогазовая установка с двумя циклами на разных рабочих телах в паротурбинной части (воде и водяном паре в первом цикле и бутане - во втором) (Готовский М.А., Гринман М.И., Фомин В.А., Арефьев В.К., Григорьев А.А. Использование комбинированного пароводяного и органического циклов Ренкина для повышения экономичности ГТУ и ДВС. /Журнал «Теплоэнергетика». 2012. №3, с. 56-61.), содержащая газотурбинную установку, связанную газоходом с котлом-утилизатором, в который встроены поверхности нагрева экономайзера, испарителя и пароперегревателя. Испаритель котла-утилизатора трубопроводами связан с барабаном, который паропроводом связан с пароперегревателем котла-утилизатора и водопроводом с первым насосом, который водопроводом связан с деаэратором, который водопроводом связан с экономайзером котла-утилизатора. Паровая турбина высокого давления связана паропроводами с пароперегревателем котла-утилизатора, подогревателем сетевой воды и конденсатором-испарителем. Подогреватель сетевой воды водопроводом связан со вторым насосом, который водопроводом связан с экономайзером котла-утилизатора. Паровая турбина низкого давления паропроводами связана с конденсатором-испарителем и конденсатором, который водопроводом связан с третьим насосом, который водопроводом связан с конденсатором-испарителем. Конденсатор-испаритель водопроводом связан с четвертым насосом, который водопроводом связан с экономайзером котла-утилизатора. Паровая турбина высокого и паровая турбина низкого давления валами связаны с электрическим генератором.
Недостатком этой парогазовой установки является то, что в последних ступенях паровой турбины высокого давления при давлениях 0,06-0,25 МПа, необходимых для подогрева сетевой воды, пар имеет значительную влажность, что снижает кпд турбины, т.к. увеличение средней степени влажности на 1% снижает относительный кпд турбины на 1%. На паровую турбину низкого давления из конденсатора-испарителя идет насыщенный пар с температурой 70-110ºС. Это не позволяет получить высокий кпд второго цикла, т.к. из термодинамики известно, что термический кпд цикла Ренкина зависит от температуры пара перед турбиной, ее увеличение на 100ºС увеличивает кпд цикла примерно на 2-2,5%. Также недостатком является то, что конденсат пара, поступающий из подогревателя сетевой воды и конденсатора-испарителя в экономайзер котла-утилизатора имеет температуру 86-127ºС, в результате чего выходящие из котла-утилизатора газы будут иметь температуру 100 - 145ºС, и котел-утилизатор будет иметь пониженный кпд, т.к. увеличение температуры уходящих из котла-утилизатора газов на 10ºС снижает его кпд примерно на 2%. В результате парогазовая установка имеет пониженный кпд при производстве электроэнергии на 2-4%.
Известна парогазовая установка с двумя циклами на разных рабочих телах в паротурбинной части (бензоле в первом цикле и бутане - во втором) (А.М. Гафуров, Д.А. Усков, А.С. Шубина, «Энергетическая установка на базе ГТУ НК-37 с двумя теплоутилизирующими рабочими контурами» Журнал «Энергетика Татарстана», 2012, №3, с. 35-41), содержащая газотурбинную установку, связанную газоходом с котлом-утилизатором, в который встроены связанные между собой поверхности нагрева экономайзера, испарителя и пароперегревателя, паровую турбину высокого и паровую турбину низкого давления, валами связанные с отдельными электрическими генераторами. Паровая турбина высокого давления паропроводами связана входом с пароперегревателем котла-утилизатора и выходом через первый рекуператор - с конденсатором-испарителем, который водопроводом через первый насос связан с экономайзером котла-утилизатора. Паровая турбина низкого давления одним паропроводом через первый рекуператор связана с конденсатором-испарителем, а другим - через второй рекуператор с конденсатором, который водопроводом через второй насос и второй рекуператор связан с конденсатором-испарителем. Эта установка принята в качестве прототипа.
Недостатком этой установки в первую очередь является то, что в первом паротурбинном цикле в качестве рабочего тела используют бензол - токсичное, канцерогенное, взрывоопасное вещество, самовоспламеняется при температуре 534°С и замерзающее при температуре 5,5°С. Главной причиной выбора бензола послужило то, что по сравнению с другими органическими жидкостями он термоустойчив при температурах выше 600°С и позволяет получить перегретый пар на выходе из турбины, в результате чего последние ступени турбины работают без потерь энергии от влажности. Вторым недостатком является низкая температура бутана на входе в турбину низкого давления 79°С, что не позволяет получить высокий кпд второго цикла. Повысить эту температуру можно только повысив давление и температуру пара на выходе из первого цикла, но это приведет к снижению кпд первого цикла.
Задачей изобретения является повышение надежности и безопасности работы парогазовой установки и увеличение кпд производства электроэнергии.
Поставленная задача решена за счет того, что парогазовая установка, так же как в прототипе, содержит газотурбинную установку, связанную газоходом с котлом-утилизатором, в который встроены связанные между собой поверхности нагрева первого экономайзера, испарителя и пароперегревателя, который паропроводом связан с паровой турбиной высокого давления, причем первый рекуператор паропроводом связан с конденсатором-испарителем, который водопроводом через первый насос связан с первым экономайзером котла-утилизатора, который снабжен газоходом для отвода газов в дымовую трубу, а паровая турбина низкого давления одним паропроводом через первый рекуператор связана с конденсатором-испарителем, а другим через второй рекуператор связана с конденсатором, который через второй насос водопроводом связан со вторым рекуператором.
Согласно изобретению в котел-утилизатор дополнительно встроены поверхности нагрева промежуточного пароперегревателя и второго экономайзера, а паровая турбина высокого давления через промежуточный пароперегреватель паропроводом связана с паровой турбиной среднего давления, которая паропроводом связана с первым рекуператором, причем второй экономайзер водопроводами связан с конденсатором-испарителем и через третий насос с регенеративным подогревателем, который паропроводом связан с отбором паровой турбины низкого давления, а водопроводом связан со вторым рекуператором, при этом паровые турбины высокого, среднего и низкого давления через общий вал связаны с электрическим генератором.
В предложенной парогазовой установке, по сравнению с прототипом, в первом цикле в качестве рабочего тела используют воду и водяной пар и установлена турбина среднего давления, пар в которую поступает из турбины высокого давления через промежуточный пароперегреватель, встроенный в котел-утилизатор. Промежуточный перегрев пара в результате подвода теплоты от газов в котле-утилизаторе при более высокой средней температуре позволяет повысить кпд первого цикла на 0,5-1%. Кроме того, в результате подогрева в промежуточном пароперегревателе пар на выходе паровой турбины среднего давления имеет перегрев относительно температуры насыщения на 40-50°С, что позволяет за счет рекуперации тепла в первом рекуператоре иметь температуру пара хладона на входе в паровую турбину низкого давления на 2-5°С выше температуры насыщения и, таким образом, кпд цикла низкого давления можно повысить на 0,05-0,1%. Использование второго экономайзера позволяет понизить температуру отводимых из котла-утилизатора газов до 70-80°С и повысить кпд котла-утилизатора по сравнению с прототипом на 1-2%. Для надежной работы второго экономайзера, предотвращения коррозии его металла, температура подводимого к нему конденсата должна быть не ниже 60°С. Это обеспечено подогревом конденсата после конденсатора во втором рекуператоре и в регенеративном подогревателе. В итоге повышается надежность парогазовой установки, и ее кпд по производству электроэнергии увеличивается на 1,5-3% по сравнению с прототипом. Отказ от бензола в качестве рабочего тела первого цикла обеспечивает безопасную работу парогазовой установки.
Кроме того, по сравнению с прототипом за счет установки одного электрического генератора вместо двух уменьшаются капитальные вложения при создании предложенной парогазовой установки, а также уменьшаются затраты на приобретение рабочего тела первого цикла, т.к. вода значительно дешевле бензола.
На фиг. 1 представлена схема заявляемой парогазовой установки.
Парогазовая установка (фиг. 1) содержит газотурбинную установку 1 (ГТУ), связанную газоходом с котлом-утилизатором 2, в который встроены связанные между собой поверхности нагрева первого экономайзера 3, испарителя 4 и пароперегревателя 5, а также поверхности нагрева промежуточного пароперегревателя 6 и второго экономайзера 7. Паровые турбины высокого 8, среднего 9 и низкого 10 давления через общий вал связаны с электрическим генератором 11. Пароперегреватель 5 паропроводом связан с паровой турбиной высокого давления 8, которая паропроводом связана с промежуточным пароперегревателем 6, который паропроводом связан с паровой турбиной среднего давления 9. Паровая турбина среднего давления 9 паропроводом связана с первым рекуператором 12, который паропроводом связан с конденсатором-испарителем 13. Конденсатор-испаритель 13 водопроводом связан с первым насосом 14, который водопроводом связан с первым экономайзером 3. Второй экономайзер 7 водопроводом связан с конденсатором-испарителем 13, который паропроводом связан с первым рекуператором 12, который паропроводом связан с паровой турбиной низкого давления 10. Паровая турбина низкого давления 10 паропроводом связана со вторым рекуператором 15, который паропроводом связан с конденсатором 16. Конденсатор 16 водопроводом связан со вторым насосом 17, который водопроводом связан со вторым рекуператором 15. Второй рекуператор 15 водопроводом связан с регенеративным подогревателем 18, который паропроводом связан с отбором паровой турбины низкого давления 10, а водопроводом связан с третьим насосом 19, который водопроводом связан со вторым экономайзером 7. Котел-утилизатор 2 снабжен газоходом 20 для отвода газов в дымовую трубу.
Парогазовая установка работает следующим образом. Газы, образующиеся в результате работы газотурбинной установки 1 (ГТУ), с температурой, например, 450-650 ºС поступают в котел-утилизатор 2, где в первом экономайзере 3 нагревают первое рабочее тело, воду до кипения, в испарителе 4 превращают ее в насыщенный пар и в пароперегревателе 5 перегревают пар до температуры на 20-30 ºС ниже температуры газов, поступающих в котел-утилизатор 2. Перегретый пар поступает в паровую турбину высокого давления 8, где вырабатывает механическую мощность, и поступает в промежуточный пароперегреватель 6, где за счет тепла газов нагревается до температуры на 20-30 ºС ниже температуры газов, поступающих в котел-утилизатор 2. Из промежуточного пароперегревателя 6 перегретый пар поступает в паровую турбину среднего давления 9, где вырабатывает механическую мощность и при давлении выше атмосферного с температурой 140-160 °С уходит через первый рекуператор 12 в конденсатор-испаритель 13, в котором конденсируется. Образовавшийся конденсат насосом 14 сжимается до около или сверхкритического давления и подается в первый экономайзер 3. В конденсаторе-испарителе 13 за счет тепла конденсирующегося пара нагревается и испаряется второе рабочее тело, например бутан, которое перегревается в первом рекуператоре 12 на 2-5°С выше температуры насыщения и поступает в паровую турбину низкого давления 10, где вырабатывает механическую мощность, и при давлении выше атмосферного через второй рекуператор 15 уходит в конденсатор 16, в котором конденсируется. Образовавшийся конденсат вторым насосом 17 сжимается до давления на 30-50% выше, чем в регенеративном подогревателе 18, и через второй рекуператор 15 перекачивается в регенеративный подогреватель 18, из которого третьим насосом 19 сжимается до давления на 30-50% выше, чем в конденсаторе-испарителе 13, и через второй экономайзер 7 подается в конденсатор-испаритель 13. Передача тепла от газов к бутану во втором экономайзере позволяет снизить температуру отводимых в дымовую трубу газов 20 до 70-80°С. Подогрев конденсата в регенеративном подогревателе 18 производится паром из отбора турбины низкого давления 10. Подогрев конденсата во втором рекуператоре 15 и регенеративном подогревателе 18 обеспечивает его температуру на входе второго экономайзера 7 выше 60°С. Паровые турбины высокого 8, среднего 9 и низкого 10 давления через общий вал передают механическую мощность электрическому генератору 11, который вырабатывает электроэнергию.