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 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 обеспечивает в полной мере использование энергии парогазовой смеси за его выходом из турбины, что сужает возможности известного способа работы парогазовой установки. А неоптимальный режим работы компрессора при высокой степени сжатия приводит к неоправданно высоким затратам на его работу, что снижает эффективность известного способа работы парогазовой установки.
Задача изобретения - уменьшение потерь энергии парогазового потока и увеличение КПД парогазовой установки.
Технический результат заключается в снижении затрат на работу компрессоров путем использовании тепла от их промежуточного охлаждения в цикле работы парогазовой установки, что в конечном итоге приводит к увеличению полезной мощности турбины и всей парогазовой установки.
Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что способ работы парогазовой установки заключается в том, что компрессором сжимают окружающий воздух, который подают в зону горения камеры сгорания, в которую одновременно подают топливо, образовавшиеся в камере сгорания продукты сгорания смешивают с водяным паром с получением на выходе 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 электрогенератора для выработки последним электрической энергии, далее водяной пар конденсируют в конденсаторе и отделяют от него несконденсировавшиеся газообразные продукты сгорания, при этом установку снабжают дополнительным компрессором, предусматривающим промежуточное охлаждение сжимаемых в нем несконденсировавшихся газообразных продуктов сгорания, выходным теплообменником, теплообменником для промежуточного охлаждения несконденсировавшихся газообразных продуктов сгорания, теплообменником для промежуточного охлаждения сжимаемого воздуха в компрессоре и водопароперегревателем, при этом несконденсировавшиеся газообразные продукты сгорания направляют на вход дополнительного компрессора для их сжатия до расчетного давления, из промежуточного выхода дополнительного компрессора - в теплообменник для промежуточного охлаждения сжимаемых в дополнительном компрессоре несконденсировавшихся продуктов сгорания, а с выхода этого теплообменника направляют в выходной участок дополнительного компрессора, а после выхода из дополнительного компрессора - в выходной теплообменник, при этом воду, выходящую из конденсатора, частично направляют:
- в емкость-накопитель;
- в выходной теплообменник для нагрева теплом сжатых в дополнительном компрессоре выходящих из него газообразных несконденсировавшихся продуктов сгорания;
- в теплообменник промежуточного охлаждения сжимаемых в дополнительном компрессоре несконденсировавшихся продуктов сгорания (если сжатие газообразных несконденсировавшихся продуктов сгорания осуществляется ступенчато, то есть более чем одним дополнительным компрессором, то охлаждение несконденсировавшихся продуктов сгорания происходит между дополнительными компрессорами);
- в теплообменник промежуточного охлаждения сжимаемого воздуха в компрессоре (если конструктивно предусмотрено ступенчатое сжатие воздуха, то есть более чем одним компрессором, то охлаждение воздуха происходит между компрессорами);
- если это предусмотрено конструктивно, - в водопароперегреватель, нагреваемый теплом от любого из теплообменников установки, для получения водяного пара, направляемого на охлаждение лопаток турбины, или, если это предусмотрено конструктивно, подают часть воды в водопароперегреватель для получения водяного пара, направляемого на охлаждение лопаток турбины, с выхода любого из теплообменников установки,
а затем выходящую из теплообменников нагретую воду смешивают в смесителе, а если конструктивно предусмотрено охлаждение лопаток турбины, то в смеситель подают еще и выходящий из турбины после охлаждения лопаток водяной пар (если этот водяной пар после охлаждения лопаток не направляют в тракт турбины), нагретую воду смешивают в смесителе с водяным паром, выходящим после охлаждения лопаток турбины, затем из смесителя вновь подают на охлаждение стенок камеры сгорания и далее воду/водяной пар подают в зону смешения камеры сгорания.
В ходе проведенного анализа результатов расчетов было установлено, что при высоких степенях сжатия компрессоров вследствие повышения температуры рабочего тела происходит значительное снижение КПД процесса сжатия в последних ступенях компрессоров и увеличение затрачиваемой работы на сжатие рабочего тела. При использовании промежуточного охлаждения рабочего тела:
- уменьшается суммарная работа компрессора, затрачиваемая на сжатие рабочего тела;
- повышается КПД компрессора в целом;
- тепло, отведенное при охлаждении компрессора, используется для дополнительного нагрева воды, подаваемой в камеру сгорания;
- общий КПД парогазовой установки увеличивается на 1,4-1,7%.
На чертеже представлена схема парогазовой установки с охлаждением лопаток турбины.
Парогазовая установка содержит компрессор 1, камеру сгорания 2, турбину 3, водопароперегреватель 4, электрогенератор 5, конденсатор 6, дополнительный компрессор 7, выходной теплообменник 8, блок разделения несконденсировавшихся газообразных продуктов сгорания 9, смеситель 10, емкость - накопитель 11, теплообменник промежуточного охлаждения сжимаемого в компрессоре воздуха 12, питательный насос 13 и теплообменник промежуточного охлаждения сжимаемых в дополнительном компрессоре несконденсировавшихся продуктов сгорания 14. На фиг.1 не показано теплом какого из теплообменников происходит нагрев в водопароперегревателе и не показан вариант, когда в водопароперегреватель подают часть воды с выхода одного из теплообменников установки. Также на фиг.1 отсутствует типовое оборудование, присутствующее в парогазовых схемах, например блоки химводоподготовки, блок деаэрации, насос для подачи охлаждающей воды и т.п.
Компрессор 1 выходом сжатого воздуха подключен к камере сгорания 2, которая подключена к выходу воды из смесителя 10. Выходом парогазовой смеси камера сгорания 2 подключена к турбине 3. Конденсатор 6 входом подключен к выходу из турбины 3, выходом для несконденсировавшихся газообразных продуктов сгорания к входу дополнительного компрессора 7 и выходом для воды - к питательному насосу 13, выходом из питательного насоса к входам воды в теплообменники 8, 12, 14, водопароперегревателю 4 и емкости-накопителю 11, выходом водяного пара из водопароперегревателя 4, с входом на охлаждение лопаток турбины 3, выходом воды из теплообменников 8, 12, 14 и выходом водяного пара после охлаждения лопаток турбины 3 со входом смесителя 10, выходом несконденсировавшихся газообразных продуктов сгорания из дополнительного компрессора 7 со входом несконденсировавшихся газообразных продуктов сгорания теплообменника 8, промежуточным выходом из дополнительного компрессора 7 частично сжатых нагретых несконденсировавшихся газообразных продуктов сгорания для их промежуточного охлаждения со входом частично сжатых нагретых несконденсировавшихся газообразных продуктов сгорания теплообменника 14, выходом частично сжатых охлажденных несконденсировавшихся газообразных продуктов сгорания теплообменника 14 с промежуточным входом дополнительного компрессора 7 частично сжатых охлажденных несконденсировавшихся газообразных продуктов сгорания после их промежуточного охлаждения, выходом охлажденных несконденсировавшихся газообразных продуктов сгорания из дополнительного компрессора 7 с атмосферой или с входом в блок разделения 9, промежуточным выходом из компрессора 1 частично сжатого нагретого воздуха для его промежуточного охлаждения со входом частично сжатого нагретого воздуха теплообменника 12, выходом для частично сжатого охлажденного воздуха теплообменника 12 с промежуточным входом компрессора 1 частично сжатого охлажденного воздуха после его промежуточного охлаждения.
Парогазовая установка работает следующим образом.
Компрессором 1 сжимают достаточное для полного сгорания топлива количество воздуха, который подают в зону горения камеры сгорания 2, в которую одновременно подают топливо и воду для охлаждения стенок камеры сгорания 2. В камере сгорания 2 топливо смешивают со сжатым воздухом и полученную горючую смесь сжигают. Одновременно в камеру сгорания 2 вводят поданную в нее для охлаждения ее стенок воду. Вода, охлаждая стенки камеры сгорания, нагревается, испаряется и при 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 ротор компрессора 1, ротор электрогенератора 5 для выработки последним электрической энергии. В зону смешения камеры сгорания 2 подают воду, предварительно нагретую теплом в теплообменниках 8, 12, 14 и, если конструктивно предусмотрено, совместно с теплом, полученным при охлаждении лопаток турбины 3.
На выходе из камеры сгорания 2 смешением водяного пара с продуктами сгорания горючей смеси потока формируют путем регулировки количества подаваемой в камеру сгорания 2 воды (водяного пара), парогазовую смесь с заданной и определяемой конструктивными особенностями выполнения лопаток лопаточного аппарата турбины 3, температурой перед сопловым аппаратом первой ступени турбины 3, причем давление на выходе турбины 3 поддерживается не выше 0,04-0,07 бар, а температура на выходе из турбины 3 поддерживается близкой к температуре насыщения водяного пара.
Из турбины 3 отработавшую в ней парогазовую смесь направляют в конденсатор 6. Несконденсировавшиеся газообразные продукты сгорания из конденсатора 6 направляют на вход дополнительного компрессора 7 для сжатия продуктов сгорания до атмосферного давления. Часть воды из конденсатора 6 направляют в емкость-накопитель 11, а остальную часть воды направляют в теплообменники 8, 12, 14 для ее нагрева теплом сжатых в дополнительном компрессоре 7 несконденсировавшихся газообразных продуктов сгорания и теплом от промежуточного охлаждения в компрессорах 1 и 7. Из теплообменников нагретую воду направляют в смеситель 10 и вновь подают на охлаждение стенок камеры сгорания 2 и далее в зону смешения камеры сгорания 2. Как отмечалось выше (см. фиг.1), если конструктивно предусмотрено охлаждение лопаток турбины 3, часть воды подают в водопароперегреватель, где вода превращается в водяной пар для последующей подачи на охлаждение лопаток турбины 3, а затем после охлаждения лопаток турбины 3 водяной пар или направляют в тракт турбины, если это предусмотрено, или смешивают в смесителе 10 с водой из теплообменников 8, 12, 14. Полученную нагретую воду из смесителя 10 подают на охлаждение стенок камеры сгорания 2 и далее в зону смешения камеры сгорания 2, замыкая таким образом контур циркуляции воды в парогазовой установке. Конденсатор 6 охлаждают от внешнего источника, например, подаваемой насосом водой или нагнетаемым вентилятором воздухом (на чертеже не показано). Из выходного теплообменника 8 сжатые и нагретые в дополнительном компрессоре 7 несконденсировавшиеся газообразные продукты сгорания подают в блок разделения несконденсировавшихся газообразных продуктов сгорания 9 с выделением из них азота, кислорода и углекислого газа, которые подаются по назначению потребителю этих газов или, если нет потребности в этих газах, то несконденсировавшиеся продукты сгорания выбрасывают в атмосферу, минуя блок разделения. Полученную в виде побочного продукта воду, накопленную в емкости-накопителе 11, можно использовать по назначению в районах с дефицитом воды.
Настоящее изобретение может быть использовано в энергетике и других отраслях промышленности, где используют газотурбинные установки с парогазовым циклом.