ПАРОГАЗОВАЯ УСТАНОВКА С КАМЕРАМИ СГОРАНИЯ ДВУХ ДАВЛЕНИЙ
STEAM AND GAS PLANT WITH COMBUSTION CHAMBERS OF TWO PRESSURES

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для повышения КПД стационарных и судовых парогазовых установок (ПГУ). Наибольший эффект может быть достигнут при использовании изобретения в ПГУ с газотурбинными двигателями (ГТД) с высокой степенью сжатия, в которых применение камер сгорания низкого давления для промежуточного подогрева газа в ГТД наиболее эффективно.
Используемые термины и определения (согласно ГОСТ Р 51852-2001 «Установки газотурбинные. Термины и определения»):
Газотурбинный двигатель, ГТД: машина, предназначенная для преобразования тепловой энергии в механическую. Машина может состоять из одного или нескольких компрессоров, одного или нескольких тепловых устройств, в которых повышается температура рабочего тела, одной или нескольких газовых турбин, вала отбора мощности, системы управления и необходимого вспомогательного оборудования. Теплообменники в основном контуре рабочего тела, в которых реализуются процессы, влияющие на термодинамический цикл, являются частью ГТД.
Газотурбинная установка, ГТУ: ГТД и все основное оборудование, необходимое для генерирования энергии в полезной форме (электрической, механической и др.).
Установка комбинированного цикла: Установка, термодинамический цикл которой включает комбинацию двух циклов, при которой теплота отработавших в ГТД газов в первом цикле используется для нагрева другого рабочего тела во втором цикле.
Парогазовая установка, ПГУ: установка комбинированного цикла, в которой рабочим телом второго цикла (утилизационного контура) является водяной пар, вырабатываемый на тепле отработанных газов ГТД.
Камера сгорания (основного [промежуточного] подогрева), КС ГТД: устройство газотурбинного двигателя для основного [промежуточного] подогрева рабочего тела путем окисления (сжигания) органического топлива в свободном кислороде, содержащемся в рабочем теле на входе в камеру сгорания.
В известных ГТД на вход по нагреваемому рабочему телу КС ГТД основного подогрева (или КС ГТД высокого давления) подают воздух высокого давления, на вход по нагреваемому рабочему телу КС ГТД промежуточного подогрева (или КС ГТД низкого давления) - продукты сгорания КС ГТД основного подогрева после их расширения в газовой турбине (ступени) высокого давления (Арсеньев Л.В. и др. Стационарные газотурбинные установки. - Л., Машиностроение, Ленингр. Отделение, 1989, стр.39, рис.1.27 и др.).
Промежуточный подогрев рабочего тела в ГТД в сочетании с промежуточным охлаждением воздуха в компрессоре (там же, стр.41, рис.129) относятся к основным способам повышения КПД ГТД с достаточно высокой степенью сжатия. Однако их применение по известной схеме затруднено из-за проблем с обеспечением надлежащей полноты сгорания топлива во второй камере сгорания, возникающих вследствие низкой концентрации кислорода в рабочем теле перед второй камерой. Из числа серийных ГТД с промперегревом, используемых в схеме ПГУ, известны только ГТД типа GT24 и GT26, выпускаемые компанией Alstom в настоящее время. Приемлемый уровень концентрации кислорода в газе перед второй камерой сгорания в этих ГТД обеспечен относительно большим расходом воздуха на охлаждение высокотемпературных ступеней газовой турбины, выводимого в проточную часть турбины перед КС низкого давления, а также высокой температурой воздуха за компрессором (перед первой камерой сгорания), достигаемой за счет высокой степени сжатия (равной 30) в основном компрессоре.
Последнее позволяет повысить содержание остаточного кислорода в продуктах сгорания за первой камерой, но, во-первых, исключает применение промежуточного охлаждения воздуха в компрессоре, во-вторых, существенно осложняет систему охлаждения газовой турбины. В GT24 и GT26, в частности, это потребовало проведения охлаждения воздуха, отбираемого за компрессором на охлаждение газовой турбины и, в итоге, не позволило достичь высокого уровня КПД ГТД, который у GT24 и GT26 оказался ниже, чем, например, у ГТД производства компании «General Electric» («GE») LM2500, LM6000 и LMS100, не имеющих промперегрева. КПД ПГУ на базе GT24 или GT26 не превосходит 59,2% (Power Up at Monterrey / p.3. E.Jeffs // Turbomachinery, Vol.44 №5, September/October 2003, с.16, fig.3), что также ниже достигнутого уровня в известных ПГУ с другими ГТД.
6
2-1
2-2
К2
С
С
2-2
1-1
2-2
Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого устройства является ПГУ (RU 2094636 МПК F02C 7/08, 1997, фиг.12, стр.4), содержащая ГТД с камерами сгорания высокого и низкого давления (КС и КС), двумя последовательно размещенными по ходу газа газовыми турбинами 8 и 9 (Т и Т), вторая из которых (Т) на входе по газу сообщена с выходом камеры сгорания низкого давления (КС) по газу, а также содержащая утилизационный парогенератор и компрессор низкого давления (К), сообщенный на выходе по воздуху с входом камеры сгорания низкого давления по рабочему телу (КС).
К1-1
К1-2
1-2
1-1
1-1
1-2
1-1
2
К2
1-1
2-2
1-2
2
С
К1-2
Данная ПГУ содержит также две газовые турбины Т, Т и компрессор высокого давления К, установленные на одном отдельном валу с компрессором низкого давления К, две камеры сгорания высокого и низкого давления КС и КС, на тепле которых осуществляется привод компрессора низкого давления К, и компрессор высокого давления К, установленный на одном отдельном валу с турбиной 8 (Т), при этом компрессор низкого давления К на выходе по воздуху сообщен с входом камеры сгорания низкого давления КС по рабочему телу через воздушный тракт воздухоохладителя 16 (X), а кроме того, сообщен с входами обоих компрессоров высокого давления К и К - также через воздушный тракт воздухоохладителя 16 по воздуху. ПГУ, таким образом, содержит в общей сложности три компрессора и четыре газовых турбины, установленные на трех валах, а также четыре камеры сгорания с разными уровнями давления, один промежуточный охладитель воздуха и один утилизационный парогенератор с двумя высокотемпературными входами по отработанным газам двух газовых турбин Т и Т.
2-2
К2
С
К1-2
2-1
К2
2-1
2-2
1-1
К2
2-2
2-2
2-2
2-1
2-1
Камера сгорания низкого давления КС на входе по рабочему телу сообщена также с выходом первой газовой турбины 8 (Т) по газу. Весь пар, вырабатываемый в парогенераторе на тепле отработанных газов за Т и Т, подают вместе с воздухом на вход по рабочему телу камеры сгорания высокого давления КС, затем, после расширения в турбине 8 (Т), пар вместе с продуктами сгорания КС (парогаз) поступает на вход по рабочему телу камеры сгорания низкого давления КС, при этом соотношение расходов воздуха из компрессора низкого давления К и парогаза из турбины 8 (Т) в КС должно быть достаточно большим - в обеспечение минимально-допустимого содержания свободного кислорода на входе камеры сгорания КС по рабочему телу (не ниже 14-15 объемн. %). С другой стороны, с увеличением подачи воздуха в КС будет возрастать и производительность утилизационного парогенератора. Подача же пара на вход камеры сгорания высокого давления КС ограничена по условию сохранения содержания кислорода в паровоздушной смеси на входе по рабочему телу КС на допустимом уровне, что практически может быть обеспечено только за счет снижения степени утилизации тепла уходящих газов в парогенераторе и повышения температуры уходящих газов.
2-2
2-2
1-1
1-2
1-2
2-2
Таким образом, недостатками прототипа являются чрезмерная сложность агрегата и низкий КПД, связанный, во-первых, с перерасходом топлива в КС из-за предварительного охлаждения воздуха в воздухоохладителе 16 перед КС, во-вторых, с установкой на одном валу компрессоров K и K при весьма большой разнице объемных расходов, что неизбежно приведет к снижению адиабатического КПД компрессора К, в-третьих, с необходимостью поддержания соотношения расхода воздуха в КС и производительности парогенератора на достаточно высоком уровне за счет повышения температуры уходящих газов за парогенератором.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является устранение указанных недостатков прототипа, осуществление промежуточного подогрева рабочего тела в ГТД с учетом имеющихся ограничений по начальным параметрам и составу рабочих тел на входе в камеры сгорания и газовые турбины ГТД, с минимальным отводом тепла в окружающую среду и, в итоге, повышение КПД ПГУ.
Данная задача решена в заявляемой ПГУ с камерами сгорания двух давлений, содержащей ГТД с двумя камерами сгорания высокого и низкого давления и, по крайней мере, двумя последовательно размещенными по ходу газа газовыми турбинами, вторая из которых на входе по газу сообщена с выходом камеры сгорания низкого давления по газу, а также содержащей утилизационный парогенератор и компрессор низкого давления, сообщенный на выходе по воздуху с входом камеры сгорания низкого давления по рабочему телу.
Согласно изобретению, ПГУ содержит также рекуперативный воздухоподогреватель, сообщенный на входе по греющим газам с выходом последней газовой турбины ГТД по отработанным газам, утилизационный парогенератор содержит пароперегревательный участок, размещенный по ходу газов параллельно рекуперативному воздухоподогревателю либо за ним, остальные участки парогенератора размещены по ходу газов за пароперегревательным участком, при этом камера сгорания низкого давления на входе по рабочему телу сообщена с выходом компрессора низкого давления по воздуху через тракт рекуперативного воздухоподогревателя по воздуху, а вторая газовая турбина на входе по газу сообщена также с выходом первой газовой турбины по газу.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение концентрации кислорода в рабочем теле на входе в камеру сгорания низкого давления вне зависимости от хим. состава газа за первой турбиной ГТД, снижение расхода топлива в камеру сгорания низкого давления за счет предварительного подогрева воздуха перед этой камерой сгорания в рекуперативном воздухоподогревателе и снижение отвода в окружающую среду теплоты конденсации пара, вырабатываемого в парогенераторе, без повышения температуры уходящих газов, за счет частичной утилизации отработанного тепла в рекуперативном воздухоподогревателе, что, в итоге, обеспечивает повышение КПД ПГУ.
Сущность изобретения поясняется схематическими чертежами, на которых изображено:
на фиг.1 и фиг.2 - ПГУ с камерами сгорания двух давлений. Варианты ПГУ контактного типа с парогенератором одного давления с размещением пароперегревателя параллельно рекуперативному воздухоподогревателю и за ним.
На фиг.3 - ПГУ с камерами сгорания двух давлений. Вариант ПГУ контактного типа с парогенератором двух давлений и компрессором пара низкого давления.
На фиг.4 - ПГУ с камерами сгорания двух давлений. Вариант ПГУ бинарного типа с трехвальным ГТД и промохлаждением воздуха в основном компрессоре.
На фиг.1 и фиг.2 схематически изображена заявляемая ПГУ, содержащая ГТД с двумя камерами сгорания (КС) высокого и низкого давления 1 и 2 и, в данном примере, двумя последовательно размещенными по ходу газа газовыми турбинами 3 и 4, вторая из которых (турбина 4) на входе по газу сообщена с выходом КС низкого давления 2 по газу, а также содержащая утилизационный парогенератор (в данном варианте - генератор пара одного давления, состоящий из пароперегревательного участка 5 и остальных участков 6), и компрессор низкого давления 7, сообщенный на выходе по воздуху с входом камеры сгорания низкого давления 2 по рабочему телу.
Согласно изобретению, ПГУ содержит также рекуперативный воздухоподогреватель (РВП) 8, сообщенный на входе по греющим газам с выходом последней газовой турбины ГТД по отработанным газам (в данном случае - турбины 4), утилизационный парогенератор содержит пароперегревательный участок 5, размещенный по ходу газов параллельно РВП 8 (фиг.1) либо за ним (фиг.2), остальные участки парогенератора 6 размещены по ходу газов за пароперегревательным участком 5, при этом КС низкого давления 2 на входе по рабочему телу сообщена с выходом компрессора низкого давления 7 по воздуху через тракт РВП 8 по воздуху, а вторая газовая турбина 4 на входе по газу сообщена также с выходом первой газовой турбины 3 по газу.
Помимо указанных ограничительных и отличительных признаков, ГТД в данном примере содержит также основной компрессор 9. Потребителем полезной мощности является электрогенератор 10. Как и прототип, данная ПГУ - контактного типа, парогенератор на выходе пароперегревателя 5 по пару сообщен с входом камеры сгорания высокого давления 1 по рабочему телу.
ПГУ работает следующим образом.
Сжатый в основном компрессоре 9 воздух подают вместе с паром, поступающим из пароперегревательного участка 5 утилизационного парогенератора, в КС высокого давления 1. Смесь продуктов сгорания и пара (парогаз) из КС 1 поступает на вход первой газовой турбины 3 по газу, где, расширяясь до низкого давления, совершает полезную работу и далее поступает на вход газовой турбины 4 по рабочему телу. Сжатый в компрессоре низкого давления 7 воздух подают в РВП 8 и, далее, в КС низкого давления 2, куда подают также топливо с регулированием по температуре газа за турбиной 4, при этом температура продуктов сгорания на выходе из КС 2 превышает температуру парогаза на выходе из турбины 3. Продукты сгорания за КС 2 смешиваются с парогазом за газовой турбиной 3 и подаются на вход второй турбины 4 по рабочему телу (парогазу), где расширяются до давления, близкого к атмосферному, производя полезную работу. Далее, из турбины 4 отработанные газы, проходя через газовый тракт РВП 8 и участков 5 и 6 утилизационного парогенератора, установленных по ходу газа, согласно указанным на фиг.1 или фиг.2 схемам, отдают свое тепло на подогрев воздуха низкого давления перед КС 2 и на генерацию и перегрев пара, затем отводятся в атмосферу.
Подача на вход по рабочему телу КС низкого давления 2 чистого воздуха (без продуктов сгорания КС высокого давления 1) обеспечивает возможность сжигания топлива в КС 2 с надлежащей полнотой сгорания, независимо от состава парогаза за турбиной 3, промежуточный подогрев которого осуществляется путем смешения с высокотемпературными продуктами сгорания КС 2. Оптимальное значение расхода воздуха в компрессор низкого давления 7 однозначно определяется по заданным (допустимым) значениям температуры газа за КС 2 и перед второй турбиной 4, его величина, отнесенная к расходу газа из турбины 3, оказывается в несколько раз ниже, чем в прототипе. Подогрев воздуха в РВП 8 перед КС 2 позволяет снизить расход топлива в КС 2, а также снижает расход тепла в утилизационный парогенератор без повышения температуры уходящих газов, снижая тем самым отводимую в окружающую среду теплоту конденсации пара, содержащегося в уходящих газах. В результате обеспечивается повышение КПД ПГУ в целом, в т.ч. и в случае исполнения ГТД по простейшей одновальной схеме.
Приведенный пример представлен для иллюстрации заявляемого изобретения в простейшем варианте и не исчерпывает всех других возможных вариантов его реализации. Формула изобретения ни в ограничительной, ни в отличительной части не накладывает никаких ограничений ни на кинематическую схему ГТД, ни на тип ПГУ (контактного или бинарного типа), ни на исполнение утилизационного парогенератора (за исключением взаимного размещения в газовом тракте пароперегревательного участка и рекуперативного воздухоподогревателя).
Так, утилизационный парогенератор может иметь участки не одного, а двух и более контуров давлений. На фиг.3 приведен схематический чертеж ПГУ контактного типа, содержащий утилизационный парогенератор двух давлений с участками парового контура низкого давления 11, а также паровой компрессор 12, сообщенный на входе по пару с выходом парового контура низкого давления 11 по пару, и приводную паровую турбину 13, установленную на одном валу с паровым компрессором 12 и сообщенную на входе по пару с выходом пароперегревателя высокого давления 5 по пару, при этом паровая турбина 13 и паровой компрессор 12 на выходах по пару сообщены с входом КС высокого давления 1 по рабочему телу.
Приведенное техническое решение по паросиловой части ПГУ позволяет повысить подачу пара в КС высокого давления 1 (примерно, на 15%) за счет снижения температуры уходящих газов и благодаря этому дополнительно повысить удельную мощность и КПД ПГУ.
Заявляемое изобретение может быть применено также и в ПГУ бинарного типа, в которой пар, вырабатываемый в утилизационном парогенераторе, подают не в газовоздушный тракт ГТД, как в прототипе и вышеприведенных примерах, а в паровую турбину с последующей конденсацией отработанного пара в конденсаторе. Кроме того, количество турбин в ГТД может быть больше двух, а исполнение ГТД может быть двух- и более вальным, компрессоры ГТД (компрессор низкого давления и основной компрессор) могут быть выполнены с промежуточным охладителем воздуха и т.п.
На чертеже, приведенном на фиг.4, схематически изображен пример реализации заявляемого изобретения в варианте ПГУ бинарного типа с трехвальным ГТД и промежуточным охлаждением воздуха в основном компрессоре ГТД.
Основной компрессор 9 данного ГТД выполнен двухкаскадным, с промежуточным охладителем 12 и приводной газовой турбиной высокого давления 13, установленной на одном отдельном валу каскада высокого давления. Общее число турбин и валов ГТД равно трем. Камера сгорания низкого давления 2 установлена перед последней (силовой) турбиной 4, а первой турбиной (по отношению к турбине 4), согласно формуле изобретения, является турбина 3, размещенная в данном случае по ходу газов за турбиной 13. ПГУ содержит также паровую турбину двух давлений 14 с конденсатором 15. Паровая турбина 14 установлена на одном валу с компрессором низкого давления 8 и каскада низкого давления основного компрессора 9 с турбиной 3. Утилизационный парогенератор, состоящий из пароперегревательного участка высокого давления 5 и остальных участков высокого и низкого давления 6 и 11, на выходах по пару высокого и низкого давления сообщен с входами паровой турбины 14 по пару высокого и низкого давления, на входе по конденсату - с выходом конденсатора 15 по конденсату.
Размещение элементов ПГУ поз.1-8, указанных в ограничительной и отличительной части, и гидравлические связи между ними представлены на чертеже фиг.4 в соответствии с формулой заявляемого изобретения. Промежуточный подогрев рабочего тела перед силовой турбиной 4 обеспечивается смешением газа за турбиной 3 с высокотемпературными продуктами сгорания за КС низкого давления 2. Утилизируемая теплота отработанных газов за турбиной 4 расходуется не только на выработку пара двух давлений, но и на подогрев воздуха перед КС низкого давления 2. В итоге обеспечивается повышение КПД ПГУ.
В заключение следует отметить, что компрессор низкого давления 7 может быть выполненным, как в прототипе, совмещенным с компрессором каскада низкого давления основного компрессора 9. Возможны и другие варианты построения заявляемой ПГУ.
Во всех рассмотренных вариантах, в том числе и в трехвальном варианте ПГУ с паровой турбиной, представленном на фиг.4, сохраняется один общий вывод мощности, что снижает стоимость электрической части и упрощает управление работой ПГУ на переменных режимах.