Парогенерирующая установка
STEAM GENERATING UNIT

Изобретение относится к газотурбинным установкам с использованием продуктов сгорания в качестве рабочего тела, а именно к парогенерирующим установкам, и может быть использовано в энергетике.
Существующие парогенерирующие установки с агрегатами турбонаддува предназначены в основном для использования совместно с паровыми турбинами средней (30-120 МВт) мощности, в том числе в качестве силовых установок крупных морских судов и приводных двигателей газоперекачивающих агрегатов.
Известна парогенерирующая установка с котлами - утилизаторами трех ступеней давлений пара и промежуточным перегревом. Установка включает два газотурбинных устройства типа V94.3A (Siemens) с двумя котлами - утилизаторами и одной паровой турбиной (С.В. Цанев и др. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций. М., изд. МЭИ, 2002 г., стр. 282-283). В известном техническом решении нагрев питательной воды и перегрев пара осуществляется в котлах-утилизаторах за счет тепла выхлопных газов газотурбинных устройств при давлении греющего газа близком к атмосферному давлению. Существенными недостатками известного технического решения являются:
- невозможность его использования для совместной работы с паровыми турбинами с высокой температурой питательной воды из-за большего, чем в паровых котлах, расхода отходящих газов, что обусловлено прохождением значительного количества избыточного воздуха, не участвующего в процессе горения;
- наличие больших тепловых потерь, обусловленных высокой температурой отходящих газов, которая не может быть ниже температуры питательной воды;
- низкий коэффициент полезного действия (КПД) парового цикла среднего и низкого давления.
Известна парогенерирующая установка, содержащая агрегат наддува, включающий газовую турбину и связанный с ней воздушный компрессор и напорные паровые котлы (http://www.oborona.ru/includes/periodics/navy/2011/0607/12236491/detail.shtml). В известном техническом решении подача воздуха для горения осуществляется воздушным компрессором с приводом от газовой турбины, работающей на горячих газах. Существенным недостатком известного технического решения является низкий КПД, обусловленный тем, что температура генерируемого в установке пара не превышает 540-560°С при температуре греющего газа, превышающей 2000°С.
Известна парогенерирующая установка, содержащая агрегат наддува, парогенератор, и горелочное устройство, при этом агрегат наддува включает газовую турбину и связанный с ней при помощи вала воздушный компрессор с соответствующими входами и выходами, парогенератор включает каналы холодного и горячего теплоносителей с соответствующими входами и выходами, горелочное устройство включает входы для подачи воздуха и топлива и выход для отвода горячего газа (RU 2056584, 1996 г.). В известном техническом решении вход воздушного компрессора сообщен с атмосферой, а выход - с входом для подачи воздуха горелочного устройства, вход газовой турбины агрегата наддува сообщен с выходом горелочного устройства через канал горячего теплоносителя парогенератора, а выход турбины - с атмосферой, вход канала холодного теплоносителя парогенератора сообщен с источником питательной воды, а выход канала - с приемником нагреваемой воды.
Наиболее близкой по технической сущности и назначению к предлагаемому изобретению является известная парогенерирующая установка, содержащая агрегат наддува, парогенератор, горелочное устройство, дожимной компрессор, компрессор балластного газа, дополнительную газовую турбину и полезную нагрузку, выполненную например в виде электрического генератора, агрегат наддува включает основную газовую турбину с входом и выходом и связанный с ней при помощи вала воздушный компрессор с входом и выходом, парогенератор включает каналы холодного и горячего теплоносителей с соответствующими входами и выходами, горелочное устройство включает входы для подачи воздуха и топлива и выход для отвода горячего газа, дожимной компрессор, компрессор балластного газа, дополнительная газовая турбина и электрический генератор связаны между собой при помощи второго вала, причем дожимной компрессор, компрессор балластного газа и дополнительная газовая турбина включают соответствующие входы и выходы, при этом вход воздушного компрессора и выход основной газовой турбины агрегата наддува сообщены с атмосферой, выходы дожимного компрессора и компрессора балластного газа сообщены с входами для подачи воздуха горелочного устройства, а выход для отвода горячего газа горелочного устройства сообщен с входом дополнительной газовой турбины, выход которой сообщен с входом канала горячего теплоносителя парогенератора, а его выход - с входом основной газовой турбины агрегата наддува (RU 2466285, 2012 г.).
Общим существенным недостатком известных технических решений является низкий КПД, обусловленный использованием паровых турбин без систем регенеративного подогрева питательной воды.
Техническая проблема, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в повышении КПД парогенерирующей установки при использовании турбин без систем регенеративного подогрева питательной воды.
Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого изобретения, заключается в увеличении выходной мощности парогенерирующей установки без увеличения затрат тепла на подогрев питательной воды.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что в парогенерирующей установке, содержащей агрегат наддува, парогенератор, горелочное устройство, дожимной компрессор, компрессор балластного газа, дополнительную газовую турбину и полезную нагрузку, выполненную например в виде электрического генератора, агрегат наддува включает основную газовую турбину с входом и выходом и связанный с ней при помощи вала воздушный компрессор с входом и выходом, парогенератор включает каналы холодного и горячего теплоносителей с соответствующими входами и выходами, горелочное устройство включает входы для подачи воздуха и топлива и выход для отвода горячего газа, дожимной компрессор, компрессор балластного газа, дополнительная газовая турбина и электрический генератор связаны между собой при помощи второго вала, причем дожимной компрессор, компрессор балластного газа и дополнительная газовая турбина включают соответствующие входы и выходы, при этом вход воздушного компрессора и выход основной газовой турбины агрегата наддува сообщены с атмосферой, выходы дожимного компрессора и компрессора балластного газа сообщены с входами для подачи воздуха горелочного устройства, а выход для отвода горячего газа горелочного устройства сообщен с входом дополнительной газовой турбины, выход которой сообщен с входом канала горячего теплоносителя парогенератора, а его выход - с входом основной газовой турбины агрегата наддува. При этом установка дополнительно снабжена двумя теплообменниками, каждый из которых включает каналы холодного и горячего теплоносителя с соответствующими входами и выходами, соответствующие входы каналов холодного теплоносителя теплообменников сообщены с источником питательной воды, а соответствующие выходы этих каналов сообщены с входом канала холодного теплоносителя парогенератора, а входы каналов горячего теплоносителя теплообменников сообщены соответственно с выходом воздушного компрессора агрегата наддува и выходом канала горячего теплоносителя парогенератора, а выходы каналов горячего теплоносителя теплообменников сообщены соответственно с входом дожимного компрессора и входом компрессора балластного газа.
Указанные существенные признаки обеспечивают решение поставленной технической проблемы с достижением заявленного технического результата, так как:
- дополнительное снабжение установки двумя теплообменниками, каждый из которых включает каналы холодного и горячего теплоносителя с соответствующими входами и выходами при сообщении входов каналов горячего теплоносителя теплообменников соответственно с выходом воздушного компрессора агрегата наддува и выходом канала горячего теплоносителя парогенератора, а выходов каналов горячего теплоносителя теплообменников соответственно с входом дожимного компрессора и входом компрессора балластного газа позволяет снизить мощность, затрачиваемую на привод компрессоров, и увеличить мощность, передаваемую от дополнительной газовой турбины полезной нагрузке (электрическому генератору), что повышает КПД установки.
- сообщение соответствующих входов каналов холодного теплоносителя теплообменников с источником питательной воды, а соответствующих выходов этих каналов с входом канала холодного теплоносителя парогенератора позволяет увеличить выходную мощность парогенерирующей установки без увеличения затрат тепла на подогрев питательной воды, что повышает КПД установки.
Настоящее изобретение поясняется следующим подробным описанием конструкции парогенерирующей установки со ссылкой на иллюстрацию, где на фигуре представлена схема выполнения парогенерирующей установки.
На фигуре приняты следующие обозначения:
1 - агрегат наддува;
2 - парогенератор;
3 - горелочное устройство;
4 - дожимной компрессор;
5 - компрессор балластного газа;
6 - дополнительная газовая турбина;
7 - электрический генератор;
8 - основная газовая турбина;
9 - вал;
10 - воздушный компрессор;
11 - вход основной газовой турбины;
12 - выход основной газовой турбины;
13 - вход воздушного компрессора;
14 - выход воздушного компрессора;
15 - вход канала холодного теплоносителя парогенератора;
16 - выход канала холодного теплоносителя парогенератора;
17 - вход канала горячего теплоносителя парогенератора;
18 - выход канала горячего теплоносителя парогенератора;
19, 20 - входы подачи воздуха горелочного устройства;
21 - вход подачи топлива горелочного устройства;
22 - выход для отвода горячего газа горелочного устройства;
23 - второй вал;
24 - вход дожимного компрессора;
25 - выход дожимного компрессора;
26 - вход компрессора балластного газа;
27 - выход компрессора балластного газа;
28 - вход дополнительной газовой турбины;
29 - выход дополнительной газовой турбины;
30, 31 - теплообменники;
32, 33 - входы каналов холодного теплоносителя теплообменников;
34, 35 - выходы каналов холодного теплоносителя теплообменников;
36, 37 - входы каналов горячего теплоносителя теплообменников;
38, 39 - выходы каналов горячего теплоносителя теплообменников.
Парогенераторная установка содержащей агрегат 1 наддува, парогенератор 2, горелочное устройство 3, дожимной компрессор 4, компрессор 5 балластного газа, дополнительную газовую турбину 6 и полезную нагрузку, выполненную например в виде электрического генератора 7. Агрегат 1 наддува включает основную газовую турбину 8 и связанный с ней при помощи вала 9 воздушный компрессор 10. Основная газовая турбина 8 содержит вход 11 и выход 12, а воздушный компрессор 10 соответствующие вход 13 и выход 14. Парогенератор 2 включает канал холодного теплоносителя с входом 15 и выходом 16 и канал горячего теплоносителя с соответствующими входом 17 и выходом 18. Горелочное устройство 3 включает входы 19 и 20 для подачи воздуха и вход 21 для подачи топлива и выход 22 для отвода горячего газа. Дожимной компрессор 4, компрессор 5 балластного газа, дополнительная турбина 6 и электрический генератор 7 связаны между собой при помощи второго вала 23. Дожимной компрессор 4 содержит вход 24 и выход 25, компрессор 5 балластного газа содержит вход 26 и выход 27, а дополнительная газовая турбина 6 соответственно вход 28 и выход 29. При этом вход 13 воздушного компрессора 10 и выход 12 основной газовой турбины 8 агрегата 1 наддува сообщены с атмосферой, выход 25 дожимного компрессора 4 и выход 27 компрессора 5 балластного газа сообщены соответственно с входами 19 и 20 подачи воздуха горелочного устройства 3, а его выход 22 для отвода горячего газа сообщен с входом 28 дополнительной газовой турбины 6. Выход 29 дополнительной газовой турбины 6 сообщен с входом 17 канала горячего теплоносителя парогенератора 2, а его выход 18 сообщен с входом 11 основной газовой турбины 8 агрегата 1 наддува. Установка дополнительно снабжена двумя теплообменниками 30 и 31, каждый из которых включает каналы холодного теплоносителя с соответствующими входами 32, 33 и выходами 34, 35, и каналы горячего теплоносителя с соответствующими входами 36, 37 и выходами 38, 39. При этом входы 32 и 33 каналы холодного теплоносителя теплообменников 30 и 31 сообщены с источником питательной воды (на чертеже не показан), а соответствующие выходы 34 и 35 этих каналов сообщены с входом 15 канала холодного теплоносителя парогенератора 2. Входы 36 и 37 каналов горячего теплоносителя теплообменников 30 и 31 сообщены соответственно с выходом 14 воздушного компрессора 10 агрегата 1 наддува и выходом 18 канала горячего теплоносителя парогенератора 2. Выходы 38 и 39 каналов горячего теплоносителя теплообменников 30 и 31 сообщены соответственно с входом 24 дожимного компрессора 4 и входом 26 компрессора 5 балластного газа.
Работа парогенерирующей установки осуществляется следующим образом.
В горелочное устройство 3 через его вход 21 подается топливо, которое сжигается. Образующийся при сжигании горячий газ с температурой 600-700°С через выход 22 для отвода горячего газа горелочного устройства 3 поступает на вход 28 дополнительной газовой турбины 6, а с ее выхода 29 поступает на вход 17 канала горячего теплоносителя парогенератора 2. Одновременно от паровой турбины (на чертеже не показана) потребителя поступает питательная вода с температурой 24-44°С. При этом в канале горячего теплоносителя парогенератора 2 газ охлаждается до температуры 250-350°С, а отобранное тепло передается воде и пару. Поток питательной воды разделяют, при этом одну часть потока подают на вход 32 канала холодного теплоносителя теплообменника 30, а другую часть - на вход 33 канала холодного теплоносителя теплообменника 31. Части потока питательной воды, поступающие с выходов 34 и 35 каналов холодного теплоносителя теплообменников 30 и 31, объединяют и подают на вход 15 канала холодного теплоносителя парогенератора 2, а с выхода 16 последнего полученный перегретый пар высокого давления поступает обратно в паровую турбину потребителя. Это позволяет повысить температуру питательной воды, что обеспечивает уменьшение расхода тепла на приготовление одного килограмма пара необходимой кондиции и увеличивает выходную мощность парогенерирующей установки без увеличения затрат тепла на подогрев питательной воды, что в результате повышает КПД установки. Охлажденный газ поступает на выход 18 канала горячего теплоносителя парогенератора 2, после чего делится на два потока. Первый поток подается на вход 11 основной газовой турбины 8 агрегата наддува 1. Прошедший через основную газовую турбину 8 газ поступает на ее выход 12 и далее в атмосферу, при этом совершаемая основной газовой турбиной 8 работа расходуется на привод воздушного компрессора 10 агрегата 1 наддува. Второй поток газа с выхода 18 канала горячего теплоносителя парогенератора 2 подается на вход 37 канала горячего теплоносителя теплообменника 31. В канале газ охлаждается, нагревая при этом часть питательной воды, которая поступает на вход 33 канала холодного теплоносителя теплообменника 31. Охлажденный в последнем газ поступает на выход 39 канала горячего теплоносителя теплообменника 31 и далее на вход 26 компрессора 5 балластного газа. Отбираемый из атмосферы в избыточном количестве на входе 13 воздушного компрессора 10 агрегата 1 наддува воздух нагревается при сжатии и с выхода 14 воздушного компрессора 10 подается на вход 36 канала горячего теплоносителя теплообменника 30, в котором охлаждается. Отобранное тепло передается той части питательной воды, которая поступает на вход 32 канала холодного теплоносителя теплообменника 30. Охлажденный в последнем воздух через выход 38 канала горячего теплоносителя теплообменника 30 подается на вход 24 дожимного компрессора 4 и через его выход 25 на вход 19 подачи воздуха горелочного устройства 3. Таким образом, температура (250-350°С) на входах 36 и 37 каналов горячего теплоносителя соответствующих компрессоров 4 и 5 снижается на выходах 38 и 39 до температуры, на 25-50°С превышающей температуру питательной воды, которая в известных технических решениях без систем подогрева находится в пределах 24-44°С. Температуру образующихся в горелочном устройстве 3 продуктов сгорания снижают путем разбавления охлажденным балластным газом, поступающим от выхода 27 компрессора 5 балластного газа к входу 20 подачи воздуха горелочного устройства 3. Это позволяет снизить мощность, затрачиваемую на привод компрессоров 4 и 5, что обеспечивает увеличение мощности, передаваемой от дополнительной газовой турбины 6 полезной нагрузке (электрическому генератору 7), что в результате повышает КПД установки. Образующийся в горелочном устройстве 3 балластный газ подается на вход 28 дополнительной газовой турбины 6, которая через вал второй вал 23 приводит во вращение дожимной компрессор 4, компрессор 5 балластного газа и электрический генератор 7. Газ через выход 29 дополнительной газовой турбины 6 подается на вход 17 канала горячего теплоносителя парогенератора 2.
Описанный процесс осуществляется непрерывно.
Таким образом, дополнительное снабжение установки двумя теплообменниками, каждый из которых включает каналы холодного и горячего теплоносителя с соответствующими входами и выходами, сообщенными соответствующим образом с элементами установки обеспечивает увеличение выходной мощности парогенерирующей установки без увеличения затрат тепла на подогрев питательной воды, что позволяет решить проблему повышения КПД установки при использовании турбин без систем регенеративного подогрева питательной воды.