ПАРОГЕНЕРАТОР НА ОТХОДЯЩЕМ ТЕПЛЕ
STEAM GENERATOR ON WASTE HEAT

Изобретение относится к парогенератору на отходящем тепле, который содержит котел-утилизатор, эксплуатируемый посредством отходящего газа газовой турбины.
Многие современные энергетические установки, которые для выработки электрической энергии оснащены газовыми турбинами, кроме того, содержат один или несколько котлов-утилизаторов, чтобы использовать горячий отходящий газ газовых турбин, который после выпуска из газовой турбины все еще обладает высоким энергетическим потенциалом, для дальнейшего преобразования в полезную энергию.
При этом, например, производство пара котла-утилизатора используют для эксплуатации, по крайней мере, одной паровой турбины так, что коэффициент полезного действия подобной электростанции с газовыми и паровыми турбинами (парогазотурбинная электростанция, GuD) по сравнению с чисто газотурбинной электростанцией является повышенным.
Наряду с паровой турбиной в сегодняшних парогазотурбинных электростанциях для самых различных других потребителей (например, параллельно-поточный дегазатор, отопление здания и т.д.) требуется вспомогательный пар.
Этот вспомогательный пар требуется, в частности, в состоянии простоя установки и при пуске в действие или отключении турбоагрегатов, но также и в нормальном режиме эксплуатации энергетической установки, например, с номинальной нагрузкой.
Во время состояния покоя установки газовая турбина не выбрасывает горячего отходящего газа так, что в этом случае эксплуатации посредством котла-утилизатора не может быть предоставлен в распоряжение никакой рабочий пар, а также никакой вспомогательный пар для паровой турбины, а также для других названных выше в качестве примера потребителей пара.
Для снабжения подобных потребителей пара вспомогательным паром в известных электростанциях используют в основном полностью отделенный от парогенератора на отходящем тепле и независимый отапливаемый вспомогательный парогенератор.
В таких вспомогательных парогенераторах в состоянии простоя установки и при пуске в действие или останове производят насыщенный пар, при необходимости перегревают и подводят к вышеназванным потребителям пара.
При нормальном режиме эксплуатации установки необходимый вспомогательный пар производят, например, в части низкого давления работающего на отходящем тепле парогенератора, причем выполненный отдельно от парогенератора на отходящем тепле вспомогательный парогенератор в нормальном режиме эксплуатации не обязательно требуется, так как вспомогательный пар может вырабатываться в самом парогенераторе на отходящем тепле на основе введенного в него горячего отходящего газа.
Отказ от вспомогательного парогенератора в известной энергетической установке является возможным часто только в исключительных случаях (например, в случае электростанций чисто базисной нагрузки, которые практически работают круглосуточно и поэтому горячий отходящий газ постоянно имеется в распоряжении для производства вспомогательного пара) и приводит к значительным ограничениям гибкости установки, так как, например, состояние полного простоя или эксплуатация с очень малой нагрузкой ведет к потере производства вспомогательного пара.
Другие требования к энергетическим установкам охватывают подогрев и поддержание в горячем резерве и поддержание давления котла-утилизатора и трубопроводов свежего пара, а также подогрев и поддержание в горячем состоянии паровой турбины на возможно высоком уровне температуры или, соответственно, давления; названные требования должны быть выполнены также в состоянии простоя установки при пуске в действие или останове турбин.
Например, время пуска в действие известной энергетической установки зависит от давления и температуры вспомогательного пара.
В основе изобретения поэтому поставлена задача создания парогенератора на отходящем тепле, который обеспечивает гибкую эксплуатацию энергетической установки и выполнен, в частности, экономичным с точки зрения затрат.
Эта задача решается согласно изобретению в парогенераторе на отходящем тепле электростанции с газовыми и паровыми турбинами, который содержит котел-утилизатор, к которому предусмотрен подвод отходящего газа газовой турбины и который также содержит, по крайней мере, один, расположенный в котле-утилизаторе испаритель для выработки рабочего пара для паровой турбины, причем к котлу-утилизатору предусмотрен подвод дымового газа из топочного устройства и, по крайней мере, часть дымового газа отбирается, по крайней мере, в одном месте котла-утилизатора и возвращается обратно к входному отверстию котла-утилизатора.
В соответствующем изобретению парогенераторе на отходящем тепле, следовательно, по крайней мере, часть дымового газа, который покидает котел-утилизатор и/или который отбирают, по крайней мере, в одном месте перед его выходным отверстием, направляют в циркуляционном контуре дымового газа.
Топочное устройство содержит, например, горелку, к которой подводят топливо и воздух для сжигания, а также часть дымового газа в качестве подлежащей нагреву среды. Нагретый посредством топочного устройства дымовой газ затем (снова) вводят в котел-утилизатор, где он отдает посредством теплообмена энергию испарителю так, что последний способен к производству вспомогательного пара. Вспомогательный пар затем можно отбирать, например, из парового барабана испарителя и подавать к потребителям вспомогательного пара, а также трубопроводам свежего пара и/или паровой турбине.
Остывающий во время своего протекания через котел-утилизатор дымовой газ после отбора, по крайней мере, одной части возвращают обратно к входному отверстию котла-утилизатора, причем его нагревают посредством топочного устройства.
Топочное устройство при этом предпочтительно рассчитано на паровые нагрузки, которые соответствуют необходимой нагрузке вспомогательного пара и/или необходимому количеству тепла для нагрева трубопроводов свежего пара и/или паровой турбины.
В случае соответствующего изобретению парогенератора на отходящем тепле, в частности, в случаях эксплуатации, в которых в распоряжении вообще не имеется горячего отходящего газа или его только мало (например, состояние простоя, пуск в эксплуатацию/останов и т.д.), снабжение вспомогательным паром обеспечено надежно. Кроме того, избегается ненужно высокий расчет топочного устройства, так как с его помощью не должен производиться рабочий пар паровой турбины.
Далее, в нормальном режиме эксплуатации энергетической установки необходимый вспомогательный пар альтернативно или в дополнение к топочному устройству можно вырабатывать посредством отходящего газа.
Избыточный дымовой газ после покидания котла-утилизатора можно вводить, например, в трубу для отвода газов.
Произведенное посредством соответствующего изобретению парогенератора на отходящем тепле количество вспомогательного пара определяется предпочтительно за счет того, что управляют количеством дымового газа, который направлен в котел-утилизатор, например, посредством регулирующей заслонки, которая расположена в направлении потока дымового газа перед и/или после горелки топочного устройства.
Температура дымового газа соответствующего изобретению парогенератора на отходящем тепле задана, в частности, через количество топлива, которое подведено к топочному устройству. Повышение подвода топлива при этом обуславливает повышение температуры сжигания и тем самым повышение температуры нагрева для дымового газа.
Количество воздуха для сжигания, которое требуется топочному устройству соответствующего изобретению парогенератора на отходящем тепле, предпочтительно является регулируемым, например, посредством другой регулирующей заслонки, которая включена в линию подачи воздуха для топочного устройства.
В дальнейшей форме выполнения парогенератор на отходящем тепле содержит, по крайней мере, два испарителя.
Оснащенные таким образом котлы-утилизаторы с испарителями, расположенными на различном температурном уровне, являются известными во множестве энергетических установок. Необходимый вспомогательный пар тогда можно отбирать от испарителя, который расположен на температурном уровне, пригодном для цели производства вспомогательного пара, например, от того испарителя, который при эксплуатации энергетической установки производит рабочий пар для ступени низкого давления паровой турбины.
При этом предпочтительно, по крайней мере, часть дымового газа является отбираемой от котла-утилизатора в направлении потока дымового газа перед, по крайней мере, одним из испарителей.
В таком месте отбора энергосодержание дымового газа еще не сильно понижено.
В следующей предпочтительной форме выполнения изобретения, по крайней мере, часть дымового газа является отбираемой от котла-утилизатора на его выходном отверстии или после выходного отверстия в направлении потока дымового газа.
При этом дымовой газ полностью проходит через котел-утилизатор прежде чем, по крайней мере, одну часть возвращают к топочному устройству.
Тем самым обеспечено, что практически все введенное в котел-утилизатор количество дымового газа может производить теплообмен с испарителем, от которого отбирают вспомогательный пар.
Для регулирования производства вспомогательного пара топочное устройство предпочтительно содержит, по крайней мере, одно управляющее устройство для установки температуры и/или количества дымового газа.
В этой форме выполнения в каждой рабочей ситуации электростанции можно нацеленно получать соответственно необходимое количество и энергосодержание дымового газа.
Также предусмотрен отбор, по крайней мере, от одного испарителя вспомогательного пара для нагрева и/или поддержания горячего резерва, и/или поддержания давления котла-утилизатора и/или трубопроводов свежего пара, и/или паровой турбины газопаротурбинной электростанции.
Кроме того, предусмотрен отбор вспомогательного пара независимо от состояния эксплуатации газовой турбины и/или паровой турбины.
Дополнительные формы выполнения изобретения касаются роли вспомогательного пара в качестве рабочего или, соответственно, греющего пара, причем вспомогательный пар может предпочтительно отбираться в каждой рабочей ситуации, в частности, также во время простоя установки и во время пуска установки в действие и останове.
В последующем более подробно представлены два примера выполнения изобретения.
На чертежах показано:
Фиг.1 - схематическое представление соответствующего изобретению парогенератора на отходящем тепле с топочным устройством, включенным в циркуляционный контур, и
Фиг.2 - альтернативная форма выполнения изобретения с топочным устройством, подключенным к циркуляционному контуру.
На Фиг.1 схематически представлено расположение соответствующего изобретению парогенератора на отходящем тепле 1.
Для лучшей наглядности при этом парогенератор на отходящем тепле 1 представлен в горизонтальном положении. В физической форме выполнения, само собой разумеется, парогенератор на отходящем тепле 1 может быть расположен вертикально, то есть иметь в основном вертикальную протяженность.
Парогенератор на отходящем тепле 1 содержит котел-утилизатор 3, в котором через входное отверстие 4 котла-утилизатора 3 вводится отходящий газ 7 газовой турбины 5.
В котле-утилизаторе 3 в настоящем примере выполнения расположены теплообменные поверхности трех испарителей, а именно испарителя высокого давления 15, испарителя среднего давления 13, а также испарителя низкого давления 11.
Названные испарители 15, 13, 11 содержат соответственно барабан высокого давления 31, барабан среднего давления 29 или, соответственно, барабан низкого давления 27.
К барабанам 31, 29, 27 при этом через не показанный более подробно трубопровод подана питательная вода 17.
Как бы параллельно к котлу-утилизатору 3 в возвратной линии 44 расположено топочное устройство 43, которое включает горелку 33, эксплуатируемую посредством топлива 35, воздуходувку 39, а также регулирующие заслонки 37, 41. Таким образом, нагревательным участком 52, 53 котла-утилизатора 3 и возвратной линией 44 образован циркуляционный контур 50.
Посредством горелки 33 за счет нагревания производится дымовой газ 9, который вводится в котел-утилизатор 3. Дымовой газ 9 протекает через котел-утилизатор 3 вдоль нагревательного участка 52, 53 и при этом приходит в контакт с поверхностями нагрева испарителей 15, 13, 11.
Во внутренние пространства поверхностей нагрева испарителей 15, 13, 11 посредством соответствующих паровых барабанов 31, 29 или, соответственно, 27 вводится питательная вода 17 так, что посредством теплообмена является производимым пар. Так от испарителя высокого давления 15 является отбираемым пар высокого давления 25, от испарителя среднего давления 13 пар среднего давления 23, а также от испарителя низкого давления 11 пар низкого давления 21. Этот соответственно произведенный посредством испарителей 15, 13, 11 пар 25, 23 или, соответственно, 21 тогда может подводиться не представленным более подробно образом к соответствующим ступеням давления паровой турбины.
От испарителя низкого давления 11, в частности его барабана низкого давления 27, можно отбирать, кроме того, вспомогательный пар 19, например, для потребителей вспомогательного пара электростанции или для обогрева компонентов установки, как, например, трубопроводов свежего пара.
Отбор вспомогательного пара 19 является возможным также в рабочих ситуациях, в которых в распоряжении не имеется совсем или имеется только мало отходящего газа 7 газовой турбины 5, например, в состоянии простоя или во время пуска в действие или останова газовой турбины 5. Необходимая для производства вспомогательного пара 19 энергия, в частности, в подобных случаях эксплуатации предоставляется дымовым газом 9, который производится посредством топочного устройства 43 и направляется через котел-утилизатор 3.
После того как дымовой газ 9 покинет котел-утилизатор 3 через его выходное отверстие 45, по крайней мере, часть его посредством возвратной линии 44 направляется обратно к входному отверстию 4 котла-утилизатора 3; то есть в соответствующем изобретению парогенераторе на отходящем тепле образуется контур дымового газа. За счет этого является особенно хорошим использование находящейся в дымовом газе 9 энергии.
Альтернативно или в комбинации, по крайней мере, часть дымового газа 9 можно отбирать в другом месте, чем выходное отверстие 45 котла-утилизатора 3, и возвращать к топочному устройству 43. Подходящим местом при этом является, например, место в направлении потока дымового газа 9 перед испарителем среднего давления 13, где дымовой газ 9 еще не так сильно охлажден; эта возможность к альтернативному или дополнительному возврату дымового газа 9 представлена на чертеже пунктирными линиями.
Температуру произведенного вспомогательного пара 19 можно устанавливать посредством изменения количества топлива 35, которое подведено к горелке 33; количество воздуха для сжигания 47, которое требуется для эксплуатации горелки 33, предпочтительно регулируют посредством регулирующей заслонки 41, которая включена в линию подачи воздуха к горелке.
Далее количество подлежащего выработке вспомогательного пара 19 является устанавливаемым посредством следующей регулирующей заслонки 37, которая включена перед горелкой в направлении потока дымового газа 9, чтобы устанавливать количество дымового газа 9, подведенного к горелке; дымовой газ 9 можно подавать к горелке 33 посредством воздуходувки 39.
Фиг.1 показывает схематически течение процесса производства вспомогательного пара соответствующего изобретению парогенератора на отходящем тепле 1 на примере парогенератора на отходящем тепле 1 для парогазотурбинного процесса трех давлений с промежуточным перегревом. Изобретение является также применимым для других процессов (например, процесс двух давлений с промежуточным перегревом и т.д.).
В режиме эксплуатации соответствующего изобретению парогенератора на отходящем тепле 1 включенные в питающие линии испарителя высокого давления и среднего давления заслонки закрыты так, что в эти ступенях давления пар не производится. Остывший дымовой газ отбирают на выходном отверстии 45 и, по крайней мере, часть дымового газа 9 направляют обратно к входному отверстию 4. Избыточный дымовой газ выпускают или через имеющуюся трубу для отвода газов или через специальную трубу для отвода газов с вытяжкой.
Горелкой 33 дымовой газ 9 за счет сжигания, например, природного газа нагревают до температуры, необходимой на входе парогенератора на отходящем тепле 1; необходимый воздух для сжигания 47 подводят, например, через воздуходувку воздуха для сжигания.
Количество вспомогательного пара регулируют путем изменения количества дымового газа, протекающего через парогенератор на отходящем тепле, например, посредством регулирующей заслонки 37.
Температуру дымового газа регулируют путем изменения количества топлива.
Для регулирования необходимого количества воздуха для сжигания служит, например, другая регулирующая заслонка 41.
Если используют отдельную трубу для отвода газов с вытяжкой, то давление в системе на стороне дымового газа регулируют, например, через дополнительную регулирующую заслонку.
В альтернативном режиме работы соответствующего изобретению парогенератора на отходящем тепле 1 упомянутые ранее заслонки являются открытыми так, что во всех ступенях давления производится пар. Пар из испарителя высокого давления 15 и/или испарителя среднего давления 13 парогенератора на отходящем тепле 1 можно использовать, например, для поддержания в горячем состоянии и подогрева трубопровода свежего пара паровой турбины электростанции.
Фиг.2 показывает альтернативную форму выполнения соответствующего изобретению парогенератора на отходящем тепле 1, причем в отличие от Фиг.1 топочное устройство 43 включено не в, а к возвратной линии 44.
Исследования показали, что подобное расположение топочного устройства 43 дает преимущества, так как, например, даже при временных неисправностях топочного устройства 43 рециркуляционный контур может быть сохранен, хотя и с уменьшенным при известных условиях энергосодержанием дымового газа 9. Далее при этом расположении объемный поток дымового газа 9 в возвратной линии 44 не нарушается промежуточно включенными компонентами, что способствует равномерному режиму эксплуатации; при форме выполнения согласно Фиг.1 рециркуляционный контур также может быть сохранен при неисправности топочного устройства 43, если вследствие неисправности не наступает нежелательного закрывания возвратной линии 44.
Воздуходувка 39 включена в возвратную линию 44 и берет на себя функцию рециркуляционной воздуходувки.
В возвратную линию 44 могут быть включены далее управляющие устройства для установки количества рециркулирующего дымового газа 9.
За счет соответствующего изобретению парогенератора на отходящем тепле получаются между прочими следующие преимущества:
- может отпадать отдельный вспомогательный парогенератор,
- парогенератор на отходящем тепле может поддерживаться также во время простоя в горячем резерве так, что могут отпадать возможно необходимые меры от обледенения,
- парогенератор на отходящем тепле может поддерживаться также во время простоя на относительно высоком давлении так, что при частых стартах нагрузки напряжения толстостенных деталей за счет температурных изменений (при нагреве и охлаждении) могут быть значительно снижены, и
- трубопровод свежего пара паровой турбины, а также сама паровая турбина могут поддерживаться в горячем резерве и/или подогреваться так, что возможны значительные сокращения времен пуска в действие всей установки, что между прочим приводит к значительному уменьшению эмиссии отходящего газа.