ПАРОГАЗОВЫЙ ЭНЕРГОБЛОК С ПАРОГЕНЕРИРУЮЩИМИ ВОДОРОДНО-КИСЛОРОДНЫМИ УСТАНОВКАМИ
COMBINED-CYCLE POWER UNIT WITH STEAM-GENERATING HYDROGEN-OXYGEN PLANTS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области парогазовых энергетических установок (ПГУ) тепловых электростанций (ТЭС) с газовыми турбинами, котлами-утилизаторами, имеющими контуры высокого, среднего и низкого давлений, паровыми турбинами с частями высокого, среднего и низкого давлений (соответственно ЧВД, ЧСД и ЧНД) и электрогенераторами, а именно системам управления генерируемой мощностью для регулирования частоты в единой энергосистеме (ЕЭС).
Уровень техники
Из уровня техники известны различные технологические схемы ПГУ с системами управления генерируемой мощностью (патенты РФ №№2208689, 2211343, 2240472, 2315871, 2391516, 2395696, 2473817, патенты US №№6796129, 6960840, заявка JP №2006009574).
В большинстве известных систем предусмотрено управление генерируемой мощностью путем воздействия на расходы топлива и воздуха в газовую турбину. При этом непосредственное воздействие на генерируемую мощность паровой турбины не предусмотрено. Мощность паровой турбины следует за мощностью газовой с инерционностью котла-утилизатора.
При снижении частоты и необходимости быстрого увеличения генерируемой мощности энергоблока большая инерционность котла-утилизатора приводит к замедлению увеличения мощности паровой турбины и энергоблока в целом при временном излишнем увеличении мощности газовой турбины. Замедленное изменение мощности энергоблока снижает точность стабилизации частоты в энергосистеме.
Излишнее временное увеличение генерируемой мощности газовой турбины требует поддержания увеличенного (против требований Системного оператора ЕЭС России) запаса мощности ПГУ, то есть обычной работы с меньшей генерируемой мощностью. Это приводит к неполному использованию установленной мощности ПГУ - наиболее экономичного оборудования, и снижению экономичности ТЭС в целом.
Принципиально возможно привлечение и паровой турбины к регулированию генерируемой мощности ПГУ путем перемещения регулирующих клапанов паровой турбины, как это предусмотрено патентами РФ №2315871, РФ №2361092. Однако в таком случае для быстрого увеличения генерируемой мощности регулирующие клапаны паровой турбины должны находиться исходно в частично прикрытом положении, что также снижает экономичность паровой турбины и ПГУ в целом.
При повышении частоты допустимо быстрое снижение генерируемой мощности энергоблока путем временного прикрытия регулирующих клапанов паровой турбины с последующим их возвратом в исходное положение полного открытия. Допустимость такой процедуры объясняется малой длительностью нахождения клапанов в прикрытом положении.
Для быстрого увеличения генерируемой мощности паровой турбины с сохранением высокой экономичности необходим малоинерционный источник дополнительного пара. Такой источник предусмотрен в технологической схеме по патенту РФ №2395696, рассматриваемому в качестве прототипа. Малоинерционным источником дополнительного пара является парогенерирующая водородно-кислородная установка (ПВКУ), подключаемая на вход части высокого давления (ЧВД) паровой турбины при необходимости быстрого увеличения мощности энергоблока.
Однако давление дополнительного пара, генерируемого ПВКУ, ограничено предельными характеристиками камеры сгорания ПВКУ и оказывается недостаточным для его подачи на вход ЧВД паровых турбин наиболее экономичных ПГУ при их исходной мощности, близкой к номинальной. Подача общего потока дополнительного пара на вход части среднего давления (ЧСД) привела бы к дросселированию пара со снижением его энергетического потенциала.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является увеличение скорости изменения генерируемой мощности ПГУ при регулировании частоты в ЕЭС, независимое от значений давления и температуры пара, поступающего от котла-утилизатора, и дополнительного пара, генерируемого ПВКУ.
Указанная задача решается тем, что парогазовый энергоблок, содержащий, по меньшей мере, котел-утилизатор, паровую турбину, снабжаемую паром от котла-утилизатора по паропроводам высокого и среднего давлений, а также парогенерирующую водородно-кислородную установку, подключенную к паровой турбине и имеющую автоматическое управление по заданной программе, дополнительно содержит общий коллектор дополнительного пара с распределительным запорно-регулирующим клапаном, к выходам которого подключены паровой компрессор и вспомогательная паровая турбина, соединенные единым валом, при этом паровой компрессор имеет линию отвода в паропровод высокого давления паровой турбины, вспомогательная паровая турбина имеет линию отвода в паропровод среднего давления паровой турбины, а также первый впрыскивающий пароохладитель с впрыском воды через первый запорно-регулирующий клапан, установленный между первым выходом распределительного запорно-регулирующего клапана и паровым компрессором; второй впрыскивающий пароохладитель с впрыском воды через второй запорно-регулирующий клапан, установленный между вторым выходом распределительного запорно-регулирующего клапана и вспомогательной паровой турбиной; запорный клапан и третий впрыскивающий пароохладитель с впрыском воды через третий запорно-регулирующий клапан, последовательно установленные между общим коллектором дополнительного пара и паропроводом высокого давления паровой турбины, причем все указанные клапаны имеют автоматическое управление по заданной программе.
Предлагаемое устройство обеспечивает приведение давления и температуры дополнительного пара, генерируемого ПВКУ, в соответствие с любыми исходными значениями указанных параметров пара на входе ЧВД и ЧСД паровой турбины.
Главными компонентами устройства являются паровой компрессор и вспомогательная паровая турбина, соединенные общим валом.
Средством приведения давления дополнительного пара к исходным значениям давления пара на входе ЧВД и ЧСД паровой турбины является распределительный запорно-регулирующий клапан, имеющий автоматическое управление по заданной программе и распределяющий общий поток пара от ПВКУ на входы парового компрессора и вспомогательной паровой турбины.
Средствами приведения температуры дополнительного пара к исходным значениям температуры пара на входе ЧВД и ЧСД паровой турбины являются впрыскивающие пароохладители на линиях подвода дополнительного пара к вспомогательной паровой турбине и паровому компрессору. Линии подвода воды на впрыск в пароохладители снабжены запорно-регулирующими клапанами с автоматическим управлением по заданной программе.
При малых значениях давления пара на входе ЧВД паровой турбины для подачи дополнительного пара от ПВКУ в ЧВД предусмотрена отдельная линия с последовательно установленными запорным клапаном, имеющим автоматическое управление по заданной программе, и впрыскивающим пароохладителем. Линия подвода воды на впрыск в пароохладитель снабжена запорно-регулирующим клапаном с автоматическим управлением по заданной программе.
Краткое описание чертежа
Технологическая схема и состав оборудования, обеспечивающего решение указанной выше задачи, приведены на рисунке.
Котел-утилизатор наиболее экономичных ПГУ имеет контуры высокого, среднего и низкого давления. Паровые турбины имеют части высокого, среднего и низкого давлений (соответственно ЧВД, ЧСД и ЧНД).
На чертеже показаны: контур высокого давления (1) котла-утилизатора; паропровод высокого давления (2) от контура высокого давления котла-утилизатора к ЧВД паровой турбины; ЧВД (3) паровой турбины; контур среднего давления (4) котла-утилизатора; паропровод среднего давления (5) от контура среднего давления котла-утилизатора к ЧСД паровой турбины; ЧСД (6) паровой турбины; ПВКУ (7); общий коллектор дополнительного пара (8); распределительный запорно-регулирующий клапан, имеющий автоматическое управление по заданной программе (9); запорный клапан, имеющий автоматическое управление по заданной программе (10); первый впрыскивающий пароохладитель (11); паровой компрессор (12); второй впрыскивающий пароохладитель (13); вспомогательная паровая турбина (14); паропровод (15) с выхода парового компрессора; паропровод (16) с выхода вспомогательной паровой турбины; третий впрыскивающий пароохладитель (17); паропровод (18) с выхода третьего пароохладителя; первый запорно-регулирующий клапан, имеющий автоматическое управление по заданной программе (19) на линии подвода воды на впрыск в первый пароохладитель; второй запорно-регулирующий клапан, имеющий автоматическое управление по заданной программе (20) на линии подвода воды на впрыск во второй пароохладитель; третий запорно-регулирующий клапан, имеющий автоматическое управление по заданной программе (21) на линии подвода воды на впрыск в третий пароохладитель; газовая турбина ПГУ (22); паровая турбина (23); котел-утилизатор (24); контур низкого давления (25) котла-утилизатора; паропровод низкого давления (26) от контура низкого давления котла-утилизатора к ЧНД паровой турбины; ЧНД (27) паровой турбины.
Выход ПВКУ (7) подключен к общему коллектору дополнительного пара (8). С другой стороны к общему коллектору дополнительного пара (8) подсоединены вход распределительного запорно-регулирующего клапана, имеющего автоматическое управление по заданной программе (9), а также вход запорного клапана, имеющего автоматическое управление по заданной программе (10). Один из выходов распределительного запорно-регулирующего клапана, имеющего автоматическое управление по заданной программе (9), через первый впрыскивающий пароохладитель (11) соединен с входом парового компрессора (12). Второй выход распределительного запорно-регулирующего клапана, имеющего автоматическое управление по заданной программе (9), через второй впрыскивающий пароохладитель (13) соединен с входом вспомогательной паровой турбины (14). Паровой компрессор (12) механически соединен общим валом со вспомогательной паровой турбиной (14). Выход парового компрессора (12) через паропровод (15) соединен с паропроводом высокого давления (2). Выход вспомогательной паровой турбины (14) через паропровод (16) соединен с паропроводом среднего давления (5).
Выход запорного клапана, имеющего автоматическое управление по заданной программе (10), соединен с входом третьего впрыскивающего пароохладителя (17). Выход третьего впрыскивающего пароохладителя (17) паропроводом (18) соединен с паропроводом высокого давления (2).
Пар от контура высокого давления (1) подается по паропроводу высокого давления (2) в ЧВД (3). Пар от контура среднего давления (4) подается по паропроводу среднего давления (5) в ЧСД (6). Пар от контура низкого давления (25) подается по паропроводу (26) в ЧНД (27), предварительно смешиваясь с паром, поступающим с выхода ЧСД (6).
На вход ПВКУ (7) подается водород и кислород под давлением от хранилищ, а также вода для охлаждения камеры сгорания.
Вода к первому запорно-регулирующему клапану, имеющему автоматическое управление по заданной программе (19), второму запорно-регулирующему клапану, имеющему автоматическое управление по заданной программе (20), третьему запорно-регулирующему клапану, имеющему автоматическое управление по заданной программе (21), подается от общего коллектора воды (на рисунке не показан).
Осуществление изобретения
При снижении частоты в энергосистеме и необходимости быстрого увеличения генерируемой мощности энергоблока в условиях малых исходных значений давления пара в паропроводе высокого давления (2) автоматическим управлением по заданной программе включают ПВКУ (7); открывают запорный клапан, имеющий автоматическое управление по заданной программе (10); третий запорно-регулирующий клапан, имеющий автоматическое управление по заданной программе (21) приоткрывают для поддержания температуры пара за третьим впрыскивающим пароохладителем (17), близкой к температуре пара в паропроводе высокого давления (2), и в дальнейшем поддерживают эту температуру воздействием на третий запорно-регулирующий клапан, имеющий автоматическое управление по заданной программе (21); по мере достижения энергоблоком заданной мощности отключают ПВКУ (7). После отключения ПВКУ (7) закрывают запорный клапан, имеющий автоматическое управление по заданной программе (10), и третий запорно-регулирующий клапан, имеющий автоматическое управление по заданной программе (21).
При снижении частоты в энергосистеме и необходимости быстрого увеличения генерируемой мощности энергоблока в условиях больших исходных значений давления пара в паропроводе высокого давления (2) (больших, равных или несколько меньших давления дополнительного пара в общем коллекторе дополнительного пара (8)) автоматическим управлением по заданной программе включают ПВКУ (7); устанавливают распределительный запорно-регулирующий клапан, имеющий автоматическое управление по заданной программе (9) в заранее заданное положение в зависимости от разности давлений пара в паропроводе высокого давления (2) и общем коллекторе дополнительного пара (8); устанавливают первый запорно-регулирующий клапан, имеющий автоматическое управление по заданной программе (19) на линии подвода воды на впрыск в положение, обеспечивающее на выходе компрессора (12) температуру пара, близкую к температуре в паропроводе высокого давления (2); устанавливают второй запорно-регулирующий клапан, имеющий автоматическое управление по заданной программе (20) на линии подвода воды на впрыск в положение, обеспечивающее на выходе вспомогательной турбины (14) температуру пара, близкую к температуре в паропроводе среднего давления (5); по мере увеличения генерируемой мощности паровой турбины воздействием на распределительный запорно-регулирующий клапан, имеющий автоматическое управление по заданной программе (9), увеличивают давление, развиваемое компрессором; воздействием на первый запорно-регулирующий клапан, имеющий автоматическое управление по заданной программе (19), поддерживают на выходе парового компрессора (12) температуру пара, равную температуре в паропроводе высокого давления (2); воздействием на второй запорно-регулирующий клапан, имеющий автоматическое управление по заданной программе (20), поддерживают на выходе вспомогательной паровой турбины (14) температуру пара, равную температуре в паропроводе среднего давления (5). По мере достижения энергоблоком заданной мощности отключают ПВКУ (7). После отключения ПВКУ (7) закрывают распределительный запорно-регулирующий клапан, имеющий автоматическое управление по заданной программе (9), первый запорно-регулирующий клапан, имеющий автоматическое управление по заданной программе (19), и второй запорно-регулирующий клапан, имеющий автоматическое управление по заданной программе (20).
Технический эффект предложенного решения проявляется при снижении частоты в ЕЭС. Эффект состоит в ускоренном увеличении мощности ПГУ за счет дополнительной мощности, генерируемой электрогенератором паровой турбины. Это способствует ускорению восстановления частоты в ЕЭС.
Быстрое увеличение генерируемой мощности электрогенератором паровой турбины исключает перерегулирование мощности электрогенератором газовой турбины, что обеспечивает возможность нормальной эксплуатации ПГУ при большей мощности и экономичности.
Наличие независимого от основного оборудования средства генерации дополнительного пара (ПВКУ), а также средств регулирования параметров пара и его доставки в паровую турбину способствует восстановлению питания собственных нужд электростанции в случае их аварийной потери.