Парогазовая установка с полузамкнутой газотурбинной установкой
COMBINED-CYCLE PLANT WITH A SEMI-CLOSED GAS TURBINE PLANT

Парогазовая установка с полузамкнутой газотурбинной установкой относится к области энергетики.
Известна парогазовая установка с паротурбинным приводом компрессора, содержащая компрессор, камеру сгорания, газовую турбину, паровой котел - утилизатор, конденсационную паровую турбину. Ротор конденсационной паровой турбины соединен валом с ротором компрессора, а ротор газовой турбины соединен валом с ротором электрического генератора. (Зарянкин А.Е., Зарянкин В.А., Сторожук С.К., Арианов С.В. Сравнительный анализ схем ПГУ с газотурбинным и паротурбинным приводами компрессора. Газотурбинные технологии, №3. 2008, стр. 46). Парогазовая установка с паротурбинным приводом компрессора имеет меньшую, по сравнению с традиционными парогазовыми установками степень повышения давления воздуха в компрессоре и его мощность.
Известна парогазовая установка с паротурбинным приводом компрессора и регенеративной газовой турбиной содержащая паровую турбину, компрессор, камеру сгорания, газовую турбину, регенератор, паровой котел - утилизатор. Выход компрессора связан с газовой турбиной через регенеративный воздухоподогреватель (Патент РФ №2409746). Мощность газовой турбины полностью используется для привода генератора. КПД этой ПГУ увеличивается за счет уменьшения мощности компрессора и более полной утилизации теплоты выхлопных газов газовой турбины. Ее недостаткам является недостаточная паропроизводительность и высокая металлоемкость котла-утилизатора. Известна парогазовая установка с паротурбинным приводом компрессора и высоконапорным парогенератором (Патент РФ №2533593). Выход компрессора соединен с газовой турбиной через высоконапорный парогенератор. Ротор противодавленческой паровой турбины соединен валом с ротором компрессора. Ротор электрогенератора соединен валом с ротором газовой турбины. Эта установка позволяет увеличить долю расхода пара относительно расхода газов, снизить металлоемкость теплообменных поверхностей за счет их размещения в высоконапорном парогенераторе и повысить электрическую мощность парогазовой установки.
Известна когенерационная газотурбинная энергетическая установка (Патент РФ №2528214), содержащая компрессор низкого давления, компрессор высокого давления, высоконапорный регенеративный воздухоподогреватель, камеру сгорания, высоконапорный утилизатор теплоты выхлопных газов газовой турбины высокого давления, газовую турбину низкого давления, два электрогенератора. Газовая турбина низкого давления связана общим валом с компрессором низкого давления и с первым электрогенератором. Газовая турбина высокого давления связана общим валом с компрессором высокого давления и с вторым электрогенератором.
Известна парогазовая установка (Патент РФ №2101527), содержащая газотурбинную установку с компрессором, газовые турбины высокого и низкого давления, размещенный между ними высоконапорный парогенератор (котел-утилизатор), соединенный по перегретому пару с конденсационной паровой турбиной. За счет того, что давление продуктов сгорания расширенных в газовой турбине высокого давления и газов, поступающих в высоконапорный парогенератор, составляет 0,2-0,4 МПа, существенно снижаются его габариты и металлоемкость. Уменьшение температуры сбросных газов расширенных в газовой турбине низкого давления, в 1,5 - 2 раза уменьшает потери тепла газов отводимых в окружающую среду. Недостатками этой установки является значительное снижение ее экономичности при работе на частичных нагрузках, а также невысокие экологические характеристики.
Наиболее близкой по технической сущности к предполагаемому изобретению является ПГУ с полузамкнутой газотурбинной установкой (ПЗГТУ) (Г.К. Ведешкин, А.А. Пузач, Ю.Б. Назаренко «Парогазотурбинная установка с газотурбинной установкой полузамкнутой схемы»/ материалы LXVII Научно-технической сессии по проблемам газовых турбин и парогазовых установок «Научно-технические проблемы широкого применения газотурбинных и парогазовых установок в электроэнергетике РФ», 2020 г., с. 45-48). Парогазовая установка с ПЗГТУ включает - агрегат наддува, полузамкнутый газотурбинный двигатель, паротурбинную установку. Агрегат наддува содержит воздушный компрессор низкого давления (КНД), газовую турбину низкого давления (ТНД), и мотор-генератор (МГ) питаемый электроэнергией через частотный преобразователь из внешней электрической сети. КНД и ТНД связаны общим валом с МГ. Полузамкнутый газотурбинный двигатель этой установки содержит компрессор высокого давления (КВД), газовую турбину среднего давления (ТСД), компрессор балластного газа (КБГ), газовую турбину высокого давления (ТВД), камеру сгорания (КС), электрогенератор (Г1). КВД и ТСД связаны общим валом с электрогенератором П. КВД соединен трубопроводом сжатого воздуха с второй ступенью КС.КБГ соединен трубопроводом сжатого балластного газа с первой ступенью КС. Выход КС связан по продуктам сгорания с ТВД, соединенным с ТСД. Паротурбинная установка содержит высоконапорный парогенератор (ВПГ), в котором размещены: экономайзер, испаритель, пароперегреватели высокого и среднего давления, цилиндр высокого давления (ЦВД) и цилиндр низкого давления (ЦНД) паровой турбины, конденсатор, электрогенератор (Г2), электрогенератор (Г3), деаэратор, воздухоохладитель (ВО), охладитель продуктов сгорания (ОПГ). Пароперегреватель высокого давления связан паропроводом высокого давления с входом ЦВД, выход которого связан через пароперегреватель среднего давления с входом ЦНД, выход которого связан по пару с конденсатором соединенным по конденсату пара через поверхности теплообмена ОПГ и ВПГ с входом деаэратора. Выход деаэратора связан через питательный насос с экономайзером ВПГ. Выход КНД соединен воздуховодом через воздухоохладитель с входом КВД. Выход ТСД связан по продуктам сгорания с входом ВПГ, выход которого связан газопроводом с входом ТНД, а также связан через ОПГ с входом КБГ.
Преимуществами рассмотренной схемы парогазовой установки с ПЗГТУ, принятой в качестве прототипа предполагаемого изобретения, является, по сравнению с традиционными типами ПГУ, увеличение мощности ТСД за счет расширения в ней увеличенного расхода смеси воздуха и балластного газа, незначительное снижение КПД парогазовой установки с ПЗГТУ, при ее работе при пониженных нагрузках, а также уменьшение содержания окислов азота в уходящих газах.
Недостатками прототипа является некоторое снижение тепловой экономичности парогазовой установки с ПЗГТУ и увеличение ее стоимости за счет применения в ней мотор-генератора, питаемого электроэнергией из внешней электрической сети через частотный преобразователь.
Целью изобретения является повышение тепловой экономичности ПГУ с ПЗГТУ при работе на частичных нагрузках и снижение ее стоимости.
Технический результат достигается тем, что предлагаемая в изобретении парогазовая установка содержит: агрегат наддува с компрессором низкого давления, газовой турбиной низкого давления; полузамкнутую газотурбинную установку с компрессором высокого давления, газовой турбиной высокого давления, компрессором балластного газа, камерой сгорания, газовой турбиной среднего давления, воздухоохладителем с теплообменной поверхностью, электрогенератором; паротурбинной установки с цилиндром высокого давления и цилиндром низкого давления паровой турбины, конденсатором, электрогенератором; высоконапорный парогенератор с экономайзером, испарителем, пароперегревателями высокого и среднего давления; паропровод перегретого пара высокого давления, паропровод перегретого пара среднего давления; трубопровод питательной воды, питательный насос, конденсатопровод, деаэратор, воздухоохладитель, охладитель балластного газа, воздуховод среднего давления, газопровод балластного газа, газопровод охлажденного балластного газа, регулятор расхода, регулятор смешения, паропровод входа пара, паропровод выхода пара.
Газовая турбина среднего давления связана общим валом с электрогенератором. Компрессор балластного газа связан валом с газовой турбиной высокого давления. Компрессор высокого давления связан по сжатому воздуху с камерой сгорания, выход которой связан по продуктам сгорания с газовой турбиной высокого давления, соединененной по продуктам сгорания с газовой турбиной среднего давления, выход которой через высоконапорный парогенератор и газовую турбину низкого давления связан с атмосферой. Пароперегреватель высокого давления связан паропроводом перегретого пара высокого давления с входом цилиндра высокого давления, его выход связан по пару паропроводом перегретого пара среднего давления через пароперегреватель среднего давления с входом цилиндра низкого давления паровой турбины, выход которого связан по пару с конденсатором, который связан по конденсату пара с деаэратором. Выход высоконапорного парогенератора соединен газопроводом балластного газа с газовой турбиной низкого давления и, через охладитель балластного газа, связан с компрессором балластного газа. Компрессор низкого давления связан через воздухоохладитель с компрессором высокого давления, а также связан через регулятор смешения с входом охладителя балластного газа, причем агрегат наддува дополнительно снабжают противодавленческой паровой турбиной, ротор которой связан валом с ротором компрессора низкого давления, вход противодавленческой паровой турбины связан по перегретому пару высокого давления через регулятор расхода с паропроводом перегретого пара высокого давления, а ее выход связан с выходом цилиндра высокого давления паровой турбины; газовая турбина низкого давления связана общим валом с электрогенератором и с газовой турбиной среднего давления; теплообменная поверхность воздухоохладителя связана с трубопроводами охлаждающей воды; цилиндр низкого давления паровой турбины связан паропроводом отборного пара с деаэратором. На чертеже изображена тепловая схема парогазовой установки с ПЗГТУ. Тепловая схема которой содержит: агрегат наддува с компрессором низкого давления 1, газовой турбиной низкого давления 2, противодавленческой паровой турбиной 9; полузамкнутую газотурбинную установку с компрессором высокого давления 3, газовой турбиной среднего давления 4, компрессором балластного газа 5, газовой турбиной высокого давления 6, камерой сгорания 7, электрогенератором 8; паротурбинную установку с высоконапорным парогенератором 10 с размещенными в нем экономайзером, испарителем, пароперегревателями высокого и среднего давления; цилиндр высокого давления паровой турбины 11, цилиндр низкого давления паровой турбины 12, конденсатор 17, электрогенератор 15, паропровод перегретого пара высокого давления 24, паропровод перегретого пара среднего давления 29, питательный насос 16, деаэратор 18, трубопровод питательной воды 22, конденсатопровод 23, воздухоохладитель 14, охладитель балластного газа 13, воздуховод среднего давления 19, газопровод охлажденного балластного газа 20, газопровод балластного газа 21, паропровод входа пара 25, паропровод выхода пара 26, регулятор расхода 28, регулятор смешения 27, паропровод отборного пара 30.
Выход компрессора низкого давления 1 через воздухоохладитель 14 соединен воздуховодом среднего давления 19 с компрессором высокого давления 3, который связан по воздуху со второй ступенью камеры сгорания 7. Вход компрессора балластного газа 5 соединен с газопроводом охлажденного балластного газа 20, его выход связан с первой ступенью камеры сгорания 7, выход которой связан по продуктам сгорания с газовой турбиной высокого давления 6, соединенной по газам с газовой турбиной среднего давления 4, выход газовой турбины среднего давления 4 связан по расширенным продуктам сгорания с входом высоконапорного парогенератора 10, выход которого газопроводом балластного газа 21 связан с входом охладителя балластного газа 13, который через регулятор смешения 27 также связан с выходом компрессора низкого давления 1. Выход охладителя балластного газа 13 связан газопроводом охлажденного балластного газа 20 с компрессором балластного газа 5. Пароперегреватель высокого давления высоконапорного парогенератора 10 связан паропроводом перегретого пара высокого давления 24 с входом цилиндра высокого давления паровой турбины 11, а также паропроводом входа пара 25, через регулятор расхода 28, с входом противодавленческой турбины 9. Ее выход связан паропроводом выхода пара 26 с пароперегревателем среднего давления высоконапорного парогенератора 10. Выход цилиндра высокого давления паровой турбины 11 связан через пароперегреватель среднего давления и паропровод перегретого пара среднего давления 29 с цилиндром низкого давления паровой турбины 12, выход которого соединен по пару с конденсатором 17, который связан конденсатопроводом 23 через поверхность теплообмена охладителя балластного газа 13 с деаэратором 18. Цилиндр низкого давления 12 связан паропроводом отборного пара 30 с деаэратором 18. Деаэратор 18 связан через трубопровод питательной воды 22 и питательный насос 16 с входом экономайзера высоконапорного парогенератора 10. Парогазовая установка с полузамкнутой газотурбинной установкой работает следующим образом. Атмосферный воздух сжимают в компрессоре низкого давления 1, охлаждают водой, подаваемой в поверхность теплообмена воздухоохладителя 14, и по воздуховоду среднего давления 19 его направляют в компрессор высокого давления 3, сжимают и подают во вторую ступень камеры сгорания 7, где производят стехиометрическое сгорание топлива. Ротор компрессора низкого давления 1 приводят от ротора противодавленческой паровой турбины 9. Роторы газовой турбины среднего давления 4 и газовой турбины низкого давления 2 связаны валами с ротором электрогенератора 8. В первую ступень камеры сгорания 7 подают балластный газ, сжатый в компрессоре балластного газа 5. С помощью регулятора смешения 27 поддерживают требуемый избыток воздуха в первой ступени камеры сгорания 7. Продукты сгорания топлива камеры сгорания 7 расширяют сначала в газовой турбине высокого давления 6, а затем в газовой турбине среднего давления 4 и подают в высоконапорный парогенератор 10. Полезную работу газовой турбины среднего давления 4 и газовой турбины низкого давления 2 используют для привода электрогенератора 8 и выработки электроэнергии. Перегретый пар высокого давления, выработанный в высоконапорном парогенераторе 10, подают по паропроводу перегретого пара высокого давления 24 в цилиндр высокого давления паровой турбины 11. Расширенный в нем пар перегревают в промежуточном пароперегревателе высоконапорного парогенератора 10 и по паропроводу перегретого пара среднего давления 29 подают в цилиндр низкого давления паровой турбины 12. Полезную работу цилиндра высокого давления паровой турбины 11 и цилиндра низкого давления паровой турбины 12 используют для привода электрогенератора 15. Меньшую часть перегретого пара подают из паропровода перегретого пара высокого давления 24 по паропроводу входа пара 25 через регулятор расхода 28 в противодавленческую паровую турбину 9, приводящую компрессор низкого давления 1. Пар, расширенный в противодавленческой турбине 9, подают по паропроводу выхода пара 26 на выход цилиндра высокого давления паровой турбины 11. Пар, расширенный в цилиндре низкого давления паровой турбины 12, направляют в конденсатор 17, где его конденсируют. Конденсат пара по кондесатопроводу 23 направляют в поверхность теплообмена охладителя балластного газа 13 и частично охлаждают балластный газ. Конденсат, нагретый в поверхности теплообмена охладителя балластного газа 13, подают в деаэратор 18. Греющий пар из цилиндра низкого давления 12 подают в деаэратор 18 по паропроводу отборного пара 30. Деаэрированный конденсат по трубопроводу питательной воды 22 питательным насосом 16 подают экономайзер высоконапорного парогенератора 10. Продукты сгорания из высоконапорного парогенератора 10 направляют в газопровод балластного газа 21. В этот газопровод через регулятор смешения 27 подают небольшую часть воздуха сжатого в компрессоре низкого давления 1, для поддержания требуемого избытка воздуха в первой ступени камеры сгорания 7. Количество балластного газа, равное расходу воздуха через компрессор низкого давления 1, расширяют в газовой турбине низкого давления 2, а большую часть этого газа из газопровода балластного газа 21 смешивают в регуляторе смешения 27 с небольшим количеством воздуха сжатого в компрессоре низкого давления 1. Полученную смесь балластного газа и воздуха пропускают через охладитель балластного газа 13, в поверхность теплообмена которого подают охлаждающий конденсат из конденсатора 17. Охлажденную смесь балластного газа и воздуха подают по газопроводу охлажденного балластного газа 20 в компрессор балластного газа 5.
При работе парогазовой установки в режимах с пониженными нагрузками, уменьшают расход пара на противодавленческую паровую турбину 9, с помощью регулятора расхода 28, снижают ее число оборотов и мощность, уменьшая при этом расход воздуха и степень сжатия воздуха в компрессоре низкого давления 1, расход воздуха подводимого в компрессор высокого давления 3, расход балластного газа, подводимого в компрессор балластного газа 5. В результате этого обеспечивают уменьшение мощности газовой турбины среднего давления 4, газовой турбины низкого давления 2 и мощности электрогенератора 8, с поддержанием в нем постоянного числа оборотов электрогенератора 8 и частоты вырабатываемого электрического тока. В результате этих мероприятий, при работе установки с пониженными нагрузками, уменьшают мощности цилиндра высокого давления паровой турбины 11, цилиндра низкого давления паровой турбины 12 и электрогенератора 15. Предлагаемое изобретение позволяет:
- за счет привода компрессора низкого давления от противодавленческой паровой турбины, соединеных общим валом, и за счет регулирования расхода перегретого пара высокого давления на противодавленческую паровую турбину, производить изменение ее оборотов и мощности, что дает возможность при работе ПГУ при пониженных нагрузках производить регулирование ее электрической мощности, при поддержании ее высокого КПД;
- повысить экономичность ПЗГТУ за счет снижения температуры воздуха пред компрессором высокого давления, с подачей охлаждающей воды в теплообменную поверхность воздухоохладителя, и снижения температуры балластного газа за счет подачи конденсата пара в поверхность теплообмена охладителя балластного газа;
- повысить экономичность этой установки за счет подачи в деаэратор греющего пара из цилиндра низкого давления паровой турбины;
- упростить конструкцию и уменьшить стоимость установки за счет уменьшения числа электрогенераторов и отказа от применения в ПГУ мотор-генератора, питаемого электроэнергией из внешней электрической сети через частотный регулятор.