ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ С КОМБИНИРОВАННЫМ ЦИКЛОМ
COMBINED CYCLE POWER PLANT

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к электростанции с комбинированным циклом, содержащей газовую и паровую турбины и парогенератор с рекуперацией тепла, и, в частности, к электростанции с комбинированным циклом, объединенной с теплоэлектростанцией и/или системой централизованного отопления посредством отбора пара. Изобретение относится, в частности, к устанавливаемому на полу, одновальному исполнению генератора и газовой и паровой турбины.
Уровень техники
Тепловые электростанции, имеющие паровую турбину, часто оснащают отбором пара, который обеспечивает тепловую энергию, чтобы обслуживать другую установку, такую как промышленное предприятие или система централизованного отопления.
Например, в документе US 4492084 раскрыта электростанция, содержащая паровые турбины и отбор пара, выполненный в перепускной трубе, ведущей от выхлопной трубы паровой турбины среднего давления к впускному отверстию паровой турбины низкого давления. Отбираемый пар используют для удаленной отопительной системы, имеющей теплообменник и резервуар, который обеспечивает тепло во время периодов времени пиковых электрических нагрузок и пониженного потока в отборе пара. Кроме того, удаленная отопительная система содержит трубопроводы для рециркуляции нагревающей среды от резервуара до теплообменника для повторного нагрева.
Документ US 2008/0010968 раскрывает тепловую электростанцию, содержащую множественные паровые турбины на едином валу и отбора пара в выхлопных трубах двух двухпоточных паровых турбин среднего давления, выполненных параллельно. Отборы пара соединяют с двумя теплообменниками, выполненными последовательно в удаленном отопительном контуре. Расположение обеспечивает возможность безопасного управления большими объемами потока греющего пара.
В электростанциях, как описано выше, отборы пара обычно выполняют из соображений большей устойчивости и безопасности у основания паровых турбин, которое находится у нижней полуоболочки кожуха.
Сущность изобретения
Целью этого изобретения является обеспечение электростанции с комбинированным циклом с отбором пара для объединения с теплоэлектростанцией или системой централизованного отопления, которая улучшена по сравнению с электростанциями с комбинированным циклом этого типа предшествующего уровня техники.
Электростанция с комбинированным циклом содержит газовую турбину и паровые турбины, выполненные на едином валу для приведения в действие генератора. Паровые турбины приводятся в действие паром, генерируемым в парогенераторе с рекуперацией тепла, использующем тепловую энергию горячих газов, выпущенных газовой турбиной. Некоторые паровые турбины содержат, по меньшей мере, турбину высокого давления, турбину среднего давления и турбину низкого давления, выполненные на едином валу. Паровая турбина среднего давления содержит один или более отборов пара, от которых пар направляют к теплоэлектростанции, системе централизованного отопления или промышленному предприятию, содержащему потребитель тепла.
В соответствии с изобретением, одновальная электростанция является устанавливаемой на полу, и отборы пара паровой турбины среднего давления выполнены наверху кожуха турбины или, другими словами, в верхней полуоболочке ее кожуха.
Термин «устанавливаемая на полу» означает, что опорные плиты, на которых установлены основные турбомашины, то есть система газовой турбины, система паровых турбин и единственный генератор, выполнены прямо на основании. Основание является полом здания электростанции или ее фундаментом. Нет никаких подкладок, подвески или пружин, необходимых или выполненных между основными турбомашинами и основанием. Опорная плита обычно является массивным бетонным блоком. Его земельная площадь имеет размеры, чтобы поддерживать соответствующие турбомашины. Высоты опорных плит одной одновальной энергоустановки имеют размеры такие, чтобы сумма высоты опорной плиты и высоты от крепления основания до оси соответствующих турбомашин, подлежащих укреплению на каждой опорной плите, была постоянной. В результате ось всех турбомашин энергоустановки можно выравнивать на одном уровне.
Один или более отборов пара предназначены и выполнены с возможностью отбора любой части пара турбины среднего давления, вплоть до всего пара турбины, и направления его в один или более теплообменников, выполненных с возможностью нагрева теплообменной среды посредством отбираемого пара. Отбор тепла можно регулировать, регулируя поток отбора пара. Для обеспечения возможности регулирования потока отбора пара, в трубах отбора пара выполнены клапаны регулирования. Для обеспечения монтируемой на полу установки, трубы отбора пара, а также клапаны регулирования выполняют выше, чем ось вращения одновальной энергоустановки. Для работы клапанов регулирования потока, система дренажа также выполнена в поднятом местоположении выше оси вращения одновальной энергоустановки.
Теплообменники выполнены в системе централизованного отопления, промышленном предприятии или теплоэлектростанции, которые способны работать от тепловой энергии, обеспеченной теплообменной средой, нагретой отбираемым паром в теплообменниках.
В одном варианте осуществления обходной трубопровод обеспечен пропускной способностью, которая достаточна для перепуска общего весового расхода пара, произведенного парогенератором с рекуперацией тепла к первому теплообменнику и/или второму теплообменнику в случае, если паровая турбина не функционирует. Это обеспечивает возможность независимой работы системы газовой турбины, что улучшает операционную гибкость электростанции.
В одном варианте осуществления обратный клапан выполняют в трубопроводе отбора пара в поднятом местоположении выше оси вращения единого вала. Обратный клапан используют для обеспечения сохранения работы паровой турбины во время работы паровой турбины без отбора пара. Когда подача пара паровых обменников будет отключена, например, из-за отказа регулятора уровня централизованного обогревателя, клапаны регулирования будут закрыты. Обратные клапаны также будут закрыты и предотвратят любой обратный поток, таким образом обеспечивая возможность безопасной работы паровой турбины без отбора пара.
В дополнительном варианте осуществления для улучшения операционной гибкости установки, отбор пара можно также выполнить в качестве обходного трубопровода вокруг системы паровой турбины. Такой трубопровод отбора пара имеет пропускную способность, которая достаточна, чтобы брать топливный весовой расход пара в случае, если паровая турбина опорожнится, чтобы обеспечить возможность независимой работы системы газовой турбины от паровой турбины. Для режима обхода пар подают прямо от главного парового трубопровода прежде в теплообменники.
В варианте осуществления изобретения отборы пара выполнены в парах в верхней полуоболочке кожуха турбины и в положении выбранной ступени паровой турбины среднего давления. Два отбора каждой пары отбора помещают на той и другой стороне от наивысшей точки кожуха. Такие пары отборов можно выполнять в одном или более положениях или ступенях в паровой турбине среднего давления, например, в конечной ступени или в промежуточной ступени турбины. В зависимости от отобранного объема пара, пары отборов или однократные отборы могут быть более предпочтительными. В дополнительном варианте осуществления изобретения только один отбор выполняют на выбранной ступени турбины, где этот отбор помещают в наивысшую точку или около наивысшей точки верхней полуоболочки кожуха турбины.
В случае двухпоточной паровой турбины среднего давления один или более отборов пара выполняют на обоих потоках турбины, где в каждом потоке либо однократный отбор, либо пара отборов выполнены в верхней полуоболочке кожухов.
Расположение отбора пара в верхней половине турбины среднего давления облегчает установку турбин на полу, которая приводит к конкретным преимуществам электростанции в целом. По сравнению с электростанциями с комбинированным циклом в многовальном и установленном на столе исполнении, одновальное и установленное на полу исполнение электростанции в соответствии с изобретением обеспечивает возможность, в частности, эффективной по стоимости и занимаемому пространству реализации. Конкретно, требуемую высоту машинного зала для электростанции можно значительно уменьшить.
В варианте осуществления изобретения паровой конденсатор с водяным охлаждением выполняют в поперечной конфигурации относительно паровой турбины низкого давления, таким образом, избегая необходимости полости для вертикально выполненного конденсатора.
Электростанция с комбинированным циклом в соответствии с изобретением обеспечивает возможность работы электростанции с более высокой эффективностью по сравнению с электростанциями этого типа предшествующего уровня техники, и с частичной нагрузкой, а также при работе с полной нагрузкой. Благодаря одновальному исполнению, более крупногабаритный и более эффективный генератор можно приводить в действие, тогда как, напротив, при многовальном исполнении газовая турбина и паровая турбина, каждая, приводит в действие генератор, который является меньшим по габаритам и менее эффективным. Кроме того, одновальное и устанавливаемое на полу исполнение обеспечивает более легкое и более экономичное техническое обслуживание.
Чтобы обеспечить возможность регулирования отбираемого потока пара, трубопроводы отбора наверху паровой турбины среднего давления содержат дроссельные клапаны и/или обратные клапаны.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 показывает схематичное изображение примерного варианта осуществления электростанции с комбинированным циклом в соответствии с изобретением.
Фиг. 2 показывает вид сбоку электростанции с комбинированным циклом в соответствии с изобретением и, в частности, размещение отборов пара в паровой турбине среднего давления.
Фиг. 3 показывает вид сверху горизонтальной секции отборов пара в верхней полуоболочке кожуха паровой турбины среднего давления.
Фиг. 4 показывает меридиональный разрез паровой турбины среднего давления фиг. 3.
Фиг. 5 показывает продольный разрез паровой турбины среднего давления в соответствии с V-V на фиг. 4.
Одинаковые ссылочные позиции на различных чертежах относятся к аналогичным элементам.
Лучшие способы выполнения изобретения
На фиг. 1 показана электростанция 1 с комбинированным циклом, выполненная на едином валу 2, на котором выполнены система GT газовой турбины и система ST паровой турбины, приводящие в действие генератор G. Электростанция 1 объединена с теплоэлектростанцией 100, например, промышленным предприятием, или централизованной отопительной системой 100, включающей в себя потребитель 30 тепла. Тепло обеспечено потребителю тепла посредством отборов пара от системы ST паровой турбины и одного или более теплообменников 31 и 32.
Система GT газовой турбины включает в себя, например, компрессор 3, камеру 4 сгорания и расширительную турбину 5, от которой отработавшие газы направляются к парогенератору H с рекуперацией тепла (не показан). Система ST паровой турбины, которую приводит в действие пар, генерируемый в парогенераторе H, содержит паровую турбину 6 высокого давления, паровую турбину 7 среднего давления и двухпоточную паровую турбину 8 низкого давления.
Пар, расширенный и выпущенный паровой турбиной низкого давления, направляется к конденсатору C, от которого конденсат и питательная вода рециркулируют к парогенератору H, таким образом, завершая пароводяной цикл электростанции.
Паровую турбину 7 среднего давления приводят в действие паром, подогретым в парогенераторе H и направляемом к турбине посредством трубопровода 9, факультативно также трубопровода 10. Пары отборов пара выполняют в паровой турбине 7 среднего давления, например, отборы 12a и 12b пара, выполненные в промежуточной ступени этой паровой турбины 7, и отборы 11a и 11b пара, выполненные на последней ступени турбины 7 среднего давления. Нагревающая среда теплоэлектростанции 100 направляется от потребителя 30 тепла через трубопровод 30', чтобы подогреваться в первом и втором теплообменниках 31 и 32 соответственно, которые выполнены последовательно. Затем пар направляется через трубопровод 30" к потребителю 30 тепла. Отбираемый пар из отборов 11a, b на последней ступени турбины 7 направляется к первому теплообменнику 31, где пар из отборов 12a и b в промежуточной ступени турбины 7 направляется ко второму теплообменнику 32.
Поток пара через трубопроводы 11a и b отбора регулирует на каждом трубопроводе дроссельный клапан 11', где давление потока пара регулируется в соответствии с эксплуатационными требованиями теплообменника 31, например, давлением пара приблизительно 1 бар. Дроссельный клапан 11" выполнен на трубопроводе 11c, ответвляющемся от трубопровода 11a, b отбора к впускному отверстию паровой турбины 8 низкого давления, где этот клапан 11" может увеличивать давление пара до 2 бар.
Точно так же поток пара через трубопровод 12a, b отбора регулируют посредством дроссельного клапана 12' в соответствии с требованиями теплообменника 32.
Клапаны 11', 11", 12' действуют, чтобы регулировать поток пара к теплообменникам 31 и 32 и паровой турбине низкого давления в зависимости от потребностей тепловой энергии в теплоэлектростанции 100 и нагрузки электростанции. В случае полного отбора пара турбина низкого давления работает с минимальным потоком пара, достаточным, чтобы обеспечивать возможность только охлаждения турбины.
Клапаны обеспечивают возможность управления степенью отбора в пределах от отбора нулевого процента и полной работы паровой турбины низкого давления до работы электростанции с полным отбором пара от паровой турбины среднего давления, чтобы эксплуатировать теплоэлектростанцию. В таком случае турбина низкого давления работает только с минимальной нагрузкой охлаждения.
Электростанция 1 в соответствии с изобретением, как показано на фиг. 2, включает в себя систему GT газовой турбины и паровую турбину ST, выполненные на едином валу 2, на котором вращается единственный генератор G. Все элементы установки устанавливают на уровне FL пола. Каждое главное оборудование турбомашин устанавливают на полу FL или опорной плите, которая выполнена прямо на основании. В показанном примере система GT газовой турбины установлена на опорной плите 23, генератор G установлен на опорной плите 24, паровая турбина 6 высокого давления установлена на опорной плите 25 и паровая турбина 7 среднего давления установлена на опорной плите 26. Паровая турбина 8 низкого давления установлена прямо на полу FL электростанции 1 с комбинированным циклом, который в этом случае является достаточно прочным фундаментом. Обычно также паровую турбину 8 низкого давления устанавливают на опорной плите. Дополнительно, эта компоновка позволяет расположить конденсатор C паровой турбины 8 низкого давления на том же уровне, что и паровая турбина 8 низкого давления на основании электростанции 1 с комбинированным циклом. Таким образом, подземного размещения можно избежать, что приводит к значительному снижению производственных затрат. Расположение трубопровода отбора пара в паровой турбине 7 среднего давления показано более подробно, в частности, их расположение в верхней полуоболочке 7' паровой турбины 7, которое облегчает монтаж на полу электростанции. Первое переходное устройство 21 выполняют на последней ступени турбины 7 и в верхней полуоболочке 7' кожуха турбины, где переходное устройство вмещает пару двух паровых выпускных отверстий через кожух, или отборы, как они были обозначены 11a и 11b на фиг. 1. Два паровых выпускных отверстия выполняют по обе стороны от наивысшей точки кожуха 7'. Единая паровая труба 11 ведет от переходного устройства 21 и к первому теплообменнику 31. На уровне паровой турбины 8 низкого давления, трубопровод 11c ведет от трубопровода 11 и к впускному отверстию турбины 8 низкого давления. (Клапаны регулирования паровой турбины не показаны на этой фигуре). Позади по ходу направления движения к паровой турбине 8 низкого давления клапан 12' регулирования потока выполнен в трубе 11 отбора пара, которая позволяет регулирование отбора пара к первому теплообменнику 31. Подобно трубе 11 отбора пара непосредственно клапан 12' регулирования потока выполнен выше вала 2. Для безопасной кратковременной работы обратный клапан 14' также выполнен в трубе 11 отбора пара.
В примерном варианте осуществления, показанном на фиг. 2, в промежуточной ступени турбины 7 выполнено второе переходное устройство 22, которое содержит вторую пару отборов, обозначенных ссылочными позициями 12a и 12b на фиг. 1, пару выпускных отверстий для пара через кожух турбины. Выпускные отверстия для пара снова выполнены на той и другой стороне от наивысшей точки верхней полуоболочки 7' кожуха турбины. Единая паровая труба ведет от переходного устройства 22, вмещая объем пара, выпущенного турбиной 7 в промежуточной ступени, и отводит его ко второму теплообменнику 32. Клапан 11' регулирования потока выполнен в трубе 12 отбора пара, и этот клапан обеспечивает возможность регулирования отбора пара к теплообменнику 32. Подобно трубе 12 отбора пара сам клапан 12' регулирования потока выполнен выше вала 2.
Дополнительно, системы 13', 13" дренажа отбора пара выполнены в клапанах 11', 12' регулирования потока и обратном клапане 14'. Предпочтительно системы 13', 13" дренажа также выполняют выше вала 2.
На примерных вариантах осуществления показаны две пары отборов пара на различных ступенях паровой турбины среднего давления. Вариант осуществления только с одной парой отборов также возможен, в зависимости от потребностей теплоэлектростанции. В варианте изобретения отбор пара можно осуществить посредством только трубопровода отбора, вместо пары отборов, по меньшей мере для отбора в промежуточной ступени турбины, где объем потока пара может быть вмещен единственным трубопроводом.
Фиг. 3 показывает вариант осуществления паровых выпускных отверстий в кожухе паровой турбины 7 среднего давления для отбора пара. Пример показывает расположение пары выпускных отверстий 11a и b отборов в заключительной ступени турбины и второй пары выпускных отверстий 12a и b отборов в промежуточной ступени турбины. Они оба выполнены симметрично относительно наивысшей точки полуоболочки кожуха.
На фиг. 4 показан отбор 12a в промежуточной ступени и отбор 11a в заключительной ступени турбины 7, каждый выполнен около наивысшего положения кожуха. Точно так же на фиг. 5 показан пример пары отборов 11a и 11b в симметричном расположении в заключительной ступени турбины.
Список ссылочных позиций
1 - электростанция с комбинированным циклом
2 - вал
3 - компрессор газовой турбины
4 - камера сгорания газовой турбины
5 - расширительная газовая турбина
6 - паровая турбина высокого давления
7 - паровая турбина среднего давления
8 - паровая турбина низкого давления
9 - подводящий трубопровод пара
10 - подводящий трубопровод пара
11 - трубопровод отбора пара
11a, b - выпускное отверстие отбора пара
11c - паровая перепускная труба к паровой турбине низкого давления
11', 11ʺ - клапан регулирования потока
12a - выпускное отверстие отбора пара
12b - выпускное отверстие отбора пара
12' - клапан регулирования потока
12 - паровой трубопровод
13', 13" - система дренажа отбора пара
14' - обратный клапан
15 - обводной трубопровод
21 - первое переходное устройство в заключительной ступени турбины
22 - второе переходное устройство в промежуточной ступени турбины
23 - опорная плита газовой турбины
24 - опорная плита генератора
25 - опорная плита паровой турбины высокого давления
26 - опорная плита паровой турбины среднего давления
30 - потребитель тепла
30' - трубопровод от потребителя тепла
30ʺ - трубопровод к потребителю тепла
31 - первый теплообменник
32 - второй теплообменник
100 - теплоэлектростанция, система централизованного отопления
H - парогенератор с рекуперацией тепла
C - конденсатор
FL - уровень пола
GT - система газовой турбины
ST - система паровой турбины
G – генератор.