СПОСОБ РАБОТЫ ПАРОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ
OPERATING METHOD OF COMBINED CYCLE PLANT

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к парогазовым установкам, работающим на смеси пара и продуктов сгорания топлива.
Известен способ работы газотурбинной установки, заключающийся в сжатии воздуха, сжигании в нем топлива, смешивании полученных продуктов сгорания с дополнительным сжатым воздухом и отбором части продуктов сгорания после их расширения в турбине и совместном их сжатии с дополнительно сжимаемым воздухом при одновременном уменьшении расхода последнего (см. авторское свидетельство SU №1744290, кл. F02С 3/34, 30.06.1992).
Данный способ, хотя и осуществляет рациональный процесс сгорания, но требует дополнительной энергии для дополнительно сжимаемого воздуха, что снижает кпд процесса.
Известен способ работы парогазовой установки, включающий образование рабочей парогазовой смеси, расширение последней в турбине с совершением работы, осушение потока парогазовой смеси путем введения в него воды с температурой ниже температуры конденсации воды в парогазовой смеси, удаление осушенных газов и отвод конденсата (см. авторское свидетельство SU №547121, кл. F01К 21/04, 07.12.1982).
Однако при данном способе работы установки имеют место большие потери теплоты (скрытая теплота парообразования), так как не вся вода удаляется из парогазовой смеси и воды из-за недоохлаждения парогазовой смеси, поскольку необходимо подать значительно большое количество холодной воды, что, в свою очередь, приводит к тому, что сливаемая вода из конденсатора будет также холодной, а значит теплота, возвращаемая через утилизационный контур, будет уменьшена, т.е. больше тепла будет потеряно в окружающую среду и еще больше энергии необходимо будет затратить для получения холодной воды.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ работы парогазовой установки, заключающийся в том, что компрессором сжимают окружающий воздух, который подают в зону горения камеры сгорания, в которую одновременно подают топливо, в последней топливо смешивают со сжатым воздухом и полученную горючую смесь сжигают, полученные в виде газовой смеси продукты сгорания смешивают с водяным паром с получением на выходе из камеры сгорания в качестве парогазовой смеси - рабочего парогазообразного тела, которое направляют в турбину, в которой энергию потока парогазовой смеси преобразуют в механическую энергию вращения ротора турбины, посредством которого приводят во вращение ротор компрессора и ротор электрогенератора для выработки последним электрической энергии (см. патент RU №2208684, кл. F01К 21/04, 20.07.2003).
Данный способ не реализует в полной мере возможности энергии парогазовой смеси и не использует некоторые особенности работы камер сгорания парогазовых установок с впрыском водяного пара, а именно чем выше энтальпия впрыскиваемого в камеру сгорания пара, тем больше его требуется для охлаждения и тем, следовательно, выше полезная мощность турбины. Данный способ не предусматривает также возврата отбираемой парогазовой смеси (после нагрева воды в теплообменниках) в турбину для ее последующего расширения до давления вакуума в конденсаторе, соответствующего давлению при работе конденсационных паровых турбин, с целью последующей выработки полезной мощности. Величина перегрева водяного пара в составе парогазовой смеси на выходе из парогазовой турбины велика.
Задача изобретения - обеспечение соответствия температуры пара в составе парогазовой смеси на выходе из турбины температуре насыщения водяного пара при заданном конструктивно давлении вакуума в конденсаторе, увеличение полезной мощности и кпд парогазовой установки, повышение надежности работы, снижение затрат на теплофикационные нужды.
Технический результат заключается в использовании в цикле работы парогазовой установки части тепла расширяющейся в турбине парогазовой смеси, отбираемой из турбины, для нагрева водяного пара, впрыскиваемого в камеру сгорания, что приводит к увеличению расхода впрыскиваемого пара и, в конечном итоге, - к увеличению полезной мощности турбины и повышению кпд всей парогазовой установки. Данный промежуточный отбор (как и в случае его работы только для теплофикационных нужд) позволяет исключить возможный перегрев водяного пара на входе в конденсатор из-за снижения температуры и энтропии возвращаемой после промежуточного отбора в турбину парогазовой смеси, что также способствует повышению экономичности парогазовой установки. Снижение затрат на теплофикационные нужды достигается возможностью использования воды, образовавшейся при сгорании топлива, в качестве навеваемой воды, подаваемой потребителю. Температура этой воды на входе в теплофикационный теплообменник находится на уровне 35°С, что позволяет также снизить затраты топлива на ее нагрев до требуемой температуры.
Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что способ работы парогазовой установки, заключающийся в том, что компрессором сжимают окружающий воздух, который подают в зону горения камеры сгорания, в которую одновременно подают топливо, образовавшиеся продукты сгорания смешивают в зоне смешения камеры сгорания с водяным паром с получением на выходе из камеры сгорания парогазовой смеси, которую в качестве рабочего тела направляют в парогазовую турбину, в которой энергию потока парогазовой смеси преобразуют в механическую энергию вращения ротора турбины, отличается тем, что далее водяной пар конденсируют в конденсаторе, разрежение в котором создается дополнительным компрессором, отводящим несконденсировавшиеся газообразные продукты сгорания, а затем сконденсированную воду раздельными потоками направляют в емкость-накопитель и в теплообменники для предварительного нагрева, далее потоки воды/водяного пара из теплообменников объединяют в смесителе, из турбины осуществляют промежуточный отбор перегретой парогазовой смеси, а установку снабжают регенеративным и/или теплофикационным теплообменниками, при этом теплом парогазовой смеси, отбираемой из промежуточного отбора турбины, в регенеративном теплообменнике дополнительно нагревают воду/водяной пар, подаваемую из смесителя, затем эту воду/водяной пар направляют в камеру сгорания, в теплофикационном теплообменнике нагревают воду (сетевую или подаваемую из емкости-накопителя) и подают ее потребителю, охлажденную парогазовую смесь возвращают в турбину для последующего расширения в ней, причем суммарное количество тепла, отведенного в регенеративном и теплофикационном теплообменниках таково, что охлажденная парогазовая смесь, возвращаемая в турбину, при дальнейшем расширении достигает на выходе из турбины температуры, соответствующей температуре насыщения водяного пара при характерном для конденсационных паровых турбин давлении вакуума в конденсаторе.
Наличие промежуточного отбора для регенеративного и теплофикационного теплообменников позволяет исключить возможный перегрев водяного пара на входе в конденсатор. При применении регенеративного и теплофикационного теплообменников частично не срабатывается теплоперепад в турбине из-за отбора части тепла парогазовой смеси. Однако вследствие повышения энтальпии впрыскиваемого в камеру сгорания пара при его нагреве в регенеративном теплообменнике и расширения возвращаемой после промежуточного отбора в турбину парогазовой смеси до давления вакуума в конденсаторе происходит такое увеличение расхода водяного пара через турбину, что суммарно полезная мощность турбины растет. Соответственно, повышается кпд всей парогазовой установки без использования дополнительного внешнего источника тепла. При использовании регенеративного теплообменника
- тепло, отведенное от парогазовой смеси, используемое для дополнительного нагрева водяного пара, впрыскиваемого в камеру сгорания, возвращается в цикл;
- необходимые расчетные параметры впрыскиваемого пара могут устанавливаться в достаточно широком диапазоне и определяются параметрами отбираемой парогазовой смеси;
- параметры воды/водяного пара, впрыскиваемой в камеру сгорания, могут достигать параметров перегретого пара, что позволяет упростить конструкцию камеры сгорания;
- общий кпд парогазовой установки увеличивается на 0,8-1,5%.
При использовании теплофикационного теплообменника
- промежуточный отбор парогазовой смеси для нагрева сетевой воды позволяет использовать избыточное тепло паровой компоненты парогазовой смеси для теплофикационных нужд;
- способ работы парогазовой установки позволяет снизить затраты на теплофикационные нужды.
Сочетание работы регенеративного и теплофикационного теплообменников позволит на определенных расчетных режимах осуществлять промежуточный отбор для теплофикационных нужд без снижения вырабатываемой электроэнергии станции.
На чертеже представлена схема парогазовой установки с регенеративным и теплофикационным теплообменниками для дополнительного нагрева воды/водяного пара или нагрева воды для теплофикационных нужд.
Парогазовая установка содержит компрессор 1, камеру сгорания 2, турбину 3, водопароперегреватель 4, электрогенератор 5, конденсатор 6, дополнительный компрессор 7, выходной теплообменник 8, блок разделения не сконденсировавшихся газообразных продуктов сгорания 9, смеситель 10, емкость-накопитель 11, теплообменник промежуточного охлаждения сжимаемого в компрессоре воздуха 12, питательный насос 13, теплообменник промежуточного охлаждения сжимаемых в дополнительном компрессоре не сконденсировавшихся продуктов сгорания 14, регенеративный теплообменник 15, адсорбер 16, теплофикационный теплообменник 17. Номером 18 обозначен потребитель теплофикационного теплоносителя. Конструктивно смеситель 10 и дополнительный теплообменник 15 могут быть выполнены как один элемент схемы. В качестве дополнительного теплообменника 15 для дополнительного нагрева воды/водяного пара может быть использован барабан парогенератора, вырабатывающего пар для обычной паровой турбины.
Компрессор 1 выходом сжатого воздуха подключен к входу воздуха в камеру сгорания 2, паровой вход которой подключен к выходу воды/водяного пара из дополнительного теплообменника 15 и выходу смесителя 10 при отключенном теплообменнике 15 (показано пунктиром). Выходом парогазовой смеси камера сгорания 2 подключена к входу в турбину 3. Выходом отбираемой парогазовой смеси турбина подключена к входу парогазовой смеси в регенеративный теплообменник 15 и теплофикационный теплообменник 17, а входом для возвращаемой парогазовой смеси турбина подключена к выходу парогазовой смеси из регенеративного теплообменника 15 и теплофикационного теплообменника 17. Конденсатор 6 входом для парогазовой смеси подключен к выходу из турбины 3, выходом для не сконденсировавшихся газообразных продуктов сгорания к входу адсорбера 16 и выходом для воды - к питательному насосу 13 и к выходу воды из адсорбера 16. Выход из питательного насоса подключен к входам воды в теплообменники 8, 12, 14, водопароперегревателю 4 и емкости-накопителю 11. (Нагрев воды в водопароперегревателе 4 может осуществляться за счет части тепла, подводимого к любому из теплообменников 8, 12, 14 (на чертеже не показано от какого конкретно). Параметры воды/водяного пара на выходе из водопароперегревателя 4 могут отличаться от соответствующих параметров на выходах из теплообменников 8, 12, 14). Емкость-накопитель 11 выходом подключена к магистрали подачи воды на вход теплофикационного теплообменника 17 (насос подачи воды не показан), а теплофикационный теплообменник 17 выходом для воды подключен к магистрали потребителя 18. Выходы воды/водяного пара из теплообменников 8, 12, 14 и выход водяного пара после охлаждения лопаток турбины 3 (если не предусмотрен выход пара после такого охлаждения в проточную часть турбины) подключены к входу смесителя 10. Выход из смесителя 10 подключен к входу воды/водяного пара в дополнительный теплообменник 15 и к камере сгорания (чертеже показано пунктиром). Выход не сконденсировавшихся газообразных продуктов сгорания из адсорбера 16 подключен к входу дополнительного компрессора 7. Выход не сконденсировавшихся газообразных продуктов сгорания из дополнительного компрессора 7 соединен с входом не сконденсировавшихся газообразных продуктов сгорания теплообменника 8, а выход охлажденных не сконденсировавшихся газообразных продуктов сгорания из теплообменника 8 соединен с входом в блок разделения 9 или с атмосферой. При наличии промежуточного охлаждения компрессора 7 промежуточный выход из дополнительного компрессора 7 частично сжатых нагретых не сконденсировавшихся газообразных продуктов сгорания для их промежуточного охлаждения подключен к входу частично сжатых нагретых не сконденсировавшихся газообразных продуктов сгорания теплообменника 14, а выход частично сжатых охлажденных не сконденсировавшихся газообразных продуктов сгорания из теплообменника 14 подключен к промежуточному входу дополнительного компрессора 7 для частично сжатых охлажденных не сконденсировавшихся газообразных продуктов сгорания. Компрессор 1 промежуточным выходом частично сжатого нагретого воздуха соединен с входом для частично сжатого нагретого воздуха теплообменника 12, выход для частично сжатого охлажденного воздуха из теплообменника 12 соединен с промежуточным входом компрессора 1 для частично сжатого охлажденного воздуха после его промежуточного охлаждения.
Парогазовая установка работает следующим образом.
Компрессором 1 сжимают необходимое и достаточное для полного сгорания топлива количество воздуха, который подают в зону горения камеры сгорания 2, в которую одновременно подают топливо. В камере сгорания 2 топливо смешивают со сжатым воздухом и полученную горючую смесь сжигают. Одновременно в зону смешения камеры сгорания 2 вводят водяной пар, предварительно нагретый теплом в теплообменниках 8, 12, 14 и дополнительно в теплообменнике 15 и, если конструктивно предусмотрено, совместно с теплом, полученным при охлаждении лопаток турбины 3. Водяной пар при последующем контакте с продуктами сгорания смешивается с ними с образованием парогазовой смеси, которую в качестве рабочего парогазообразного тела направляют в турбину 3. Энергию потока парогазовой смеси в турбине 3 преобразуют в механическую энергию вращения ротора турбины 3, посредством которого приводят во вращение роторы компрессоров 1, 7, ротор электрогенератора 5 для выработки последним электрической энергии.
На выходе из камеры сгорания 2 смешением водяного пара с продуктами сгорания горючей смеси формируют парогазовую смесь с заданной температурой перед сопловым аппаратом первой ступени турбины 3 и определяемой конструктивными особенностями выполнения лопаток лопаточного аппарата турбины 3, причем давление на выходе турбины 3 соответствует давлению вакуума в конденсаторе.
Из турбины 3 производят промежуточный отбор парогазовой смеси для дополнительного нагрева воды/водяного пара в регенеративном теплообменнике 15 и/или нагрева воды в теплофикационном теплообменнике 17, а затем парогазовую смесь возвращают в тракт турбины 3 для дальнейшего расширения. Отработавшую в турбине 3 парогазовую смесь направляют в конденсатор 6. Не сконденсировавшиеся газообразные продукты сгорания из конденсатора 6 направляют через адсорбер 16 на вход дополнительного компрессора 7 для сжатия продуктов сгорания до атмосферного давления. Часть сконденсированной воды из конденсатора 6 и адсорбера 16 направляют в емкость-накопитель 11, а остальную часть воды направляют в теплообменники 8, 12, 14 для ее нагрева теплом сжатых в дополнительном компрессоре 7 не сконденсировавшихся газообразных продуктов сгорания и теплом от промежуточною охлаждения в компрессорах 1 и 7 (при наличии промежуточного охлаждения). Из теплообменников 8, 12, 14 нагретую воду/водяной пар направляют в смеситель 10, затем в регенеративный теплообменник 15, далее подают на охлаждение стенок камеры сгорания 2 и далее в зону смешения камеры сгорания 2, замыкая таким образом контур циркуляции воды в парогазовой установке.
Если конструктивно предусмотрено охлаждение лопаток турбины 3, то часть воды подают в водопароперегреватель 4, где вода частью тепла от охлаждения компрессоров 1 или 7 превращается в водяной пар для последующей подачи на охлаждение лопаток турбины 3. После охлаждения лопаток турбины 3 водяной пар или направляют в тракт турбины, если это предусмотрено, или направляют в смеситель 10.
Из выходного теплообменника 8 сжатые в дополнительном компрессоре 7 не сконденсировавшиеся газообразные продукты сгорания подают, например, в блок разделения не сконденсировавшихся газообразных продуктов сгорания 9.
Настоящее изобретение может быть использовано в энергетике, судостроении, на газоперекачивающих станциях и в других отраслях промышленности, где используют газотурбинные установки с парогазовым циклом.