ПАРОГЕНЕРИРУЮЩАЯ УСТАНОВКА
STEAM GENERATING PLANT

Изобретение относится к установкам для выработки пара и может быть использовано в энергетике, например, для парогенерирующих установок с агрегатами наддува, обеспечивающих паром конденсационные паровые турбины, в том числе турбины с давлением пара на входе, превышающем критическое давление, и высокой температурой питательной воды, вплоть до критической.
Парогенерирующие установки предназначены, главным образом, для модернизации существующих паровых энергоблоков ГРЭС с целью повышения их КПД с 40 до 53-60%, конкретно - для выработки пара, параметры и количество которого обеспечивают нормальную работу имеющихся паровых турбин, без внесения каких-либо изменений в их конструкцию. Основная область использования парогенерирующих установок - электроэнергетика.
Известны установки, генерирующие пар для паровых турбин в паровом котле. В топке котла топливо сжигают в кислородосодержащем газе, поступающем с выхлопа газотурбинного двигателя (Мицубиси Хеви Индастри, Мицубиси корпорейшн, ОАО РАО ЕС, ОАО «ВТИ» Научно-технический семинар «Усовершенствованные газовые турбины и ПГУ фирмы «Мицубиси» 22 июня 2005 г., Москва, Россия. Глава 4, раздел «Случай С-ПГУ со сбросом газа в котел блока ТЭС Chita No. 1 и No. 2 энергокомпании Chubu Electric Power Co).
При этом тепло газов, отходящих из газотурбинного двигателя, вместе с газами поступает в топку и утилизируется. Главный недостаток таких установок - сравнительно низкий КПД по сравнению с другими парогазотурбинными установками. В этом случае КПД равен около 46%.
Причина тому - большие потери тепла с отходящими газами, температура которых из-за невозможности использования здесь воздушного экономайзера не может быть ниже температуры питательной воды.
Известна парогенерирующая установка с котлами-утилизаторами трех ступеней давлений пара и промежуточным перегревом. Установка состоит из двух ГТУ типа V 94.3А (Siemens) с котлами-утилизаторами и одной паровой турбины (С.В.Цанев и др. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций. М.: Изд. МЭИ, стр.1, 282-283, 2002). Основное топливо - природный газ, резервное топливо - жидкое, газотурбинное. Нагрев воды, а также испарение и перегрев пара осуществляют в котлах-утилизаторах за счет тепла выхлопных газов газотурбинных двигателей при давлении греющего газа, близком к атмосферному давлению.
Недостатки такой установки:
- практическая непригодность для совместной работы с наиболее эффективными паровыми турбинами с высокой (до 280°C, а в перспективе - и выше) температурой питательной воды из-за больших потерь тепла с отходящими газами как вследствие высокой их температуры, которая не может быть ниже температуры питательной воды, так и большего, чем в паровых котлах расхода отходящих газов, обусловленного прохождением по тракту ГТД значительных количеств избыточного воздуха, не участвующего в процессах горения;
- большие габариты, материалоемкость и стоимость газотурбинного и теплообменного оборудования в расчете на один киловатт полезной мощности паровой турбины.
Наиболее близким аналогом того же назначения, что и заявляемое техническое решение является паровой котел с агрегатом наддува (патент РФ №2056584, F02B 1/24, 17.11.1994), содержащий разделенный на две части газоход (канал горячего теплоносителя парогенератора), каждая часть которого образована своей теплообменной поверхностью. Одна из частей газохода на входе подключена к горелочному устройству. Причем части газохода подключены последовательно с образованием газового тракта. Агрегат наддува выполнен в виде компрессора с приводом от газовой турбины, нагнетающего в горелочное устройство воздух. Турбина подключена к газовому тракту между частями газохода. Теплообменная поверхность каждой части газохода выполнена в виде цилиндрических обечаек с полыми стенками, внутри которых выполнены спиральные каналы для прохода нагреваемой среды. Причем обечайки размещены одна относительно другой коаксиально с зазором и образованием между ними упомянутого газохода и сообщены между собой. Теплообменные поверхности разных частей газохода подключены последовательно по нагреваемой среде.
При одинаковой величине расхода топлива величина расхода воздуха на входе в горелочное устройство парового котла с агрегатом наддува значительно меньше, чем на входе в камеру сгорания газотурбинного двигателя из-за существенно меньшего коэффициента избытка воздуха в горелочном устройстве, чем в камере сгорания. Следовательно, при одинаковой величине расхода топлива габариты, материалоемкость и стоимость газотурбинного оборудования заявляемой установки будут намного меньшими, чем у парогенерирующей установки фирмы Siemens, рассмотренной выше.
Что касается теплообменного оборудования, то в паровом котле с агрегатом наддува большая часть тепла передается от греющего газа к нагреваемым воде и пару в первой секции газохода, в которой давление греющего газа существенно превышает атмосферное, вследствие чего процессы теплообмена идут в ней намного более интенсивно, чем в котле-утилизаторе установки фирмы Siemens, что позволяет значительно сократить площади поверхностей теплообмена, а значит, и габариты, материалоемкость и стоимость теплообменного оборудования.
Недостатками прототипа являются:
- низкий механический КПД установки, состоящей из парового котла и обслуживаемой им паровой турбины (около 40%), что значительно ниже, чем у установки фирмы Siemens и ей аналогичных (57 - 60%);
- большие габариты, материалоемкость и стоимость второй, низконапорной, части газохода;
- низкий ресурс парогенератора в наиболее горячей его части, обусловленный неблагоприятным сочетанием высокой температуры газа и высокого давления в нем на выходе из горелочного устройства;
- повышенное образование окислов азота из-за высокой температуры в горелочном устройстве.
В основу изобретения положено решение следующих задач:
- повышение КПД установки за счет повышения КПД парогенератора, агрегата наддува и паровой турбины потребителя;
- повышение ресурса работы парогенератора и агрегата наддува;
- снижение габаритов, материалоемкости и стоимости парогенератора и агрегата наддува;
- уменьшение количества окислов азота, образующегося при работе парогенерирующей установки с агрегатом наддува.
Поставленные задачи решаются тем, что парогенерирующая установка содержит агрегат наддува, горелочное устройство и парогенератор. Агрегат наддува состоит из газовой турбины и сопряженного с ней через силовую передачу, например вала, воздушного компрессора. Причем вход компрессора соединен с атмосферой. Парогенератор имеет каналы горячего и холодного теплоносителей соответственно с входами и выходами. Горелочное устройство снабжено входами для подачи воздуха, топлива и выходом горячего газа. Выход компрессора агрегата наддува соединен с входом для подачи воздуха горелочного устройства. Вход газовой турбины агрегата наддува соединен с выходом горелочного устройства через канал горячего теплоносителя парогенератора, а выход турбины - с атмосферой. Вход канала холодного теплоносителя парогенератора соединен с источником нагреваемой среды, а выход канала - с приемником нагреваемой среды.
Новым в изобретении является то, что установка содержит воздушный дожимной компрессор, компрессор балластного газа, вторую газовую турбину, соответственно все с входами и выходами, и полезную нагрузку, например электрогенератор. Воздушный дожимной компрессор, компрессор балластного газа, вторая газовая турбина и полезная нагрузка установлены на одном валу. Причем выход воздушного компрессора агрегата наддува соединен с входом горелочного устройства через воздушный дожимной компрессор. Вход канала горячего теплоносителя парогенератора соединен с выходом горячего газа горелочного устройства через вторую газовую турбину. Выход канала горячего теплоносителя парогенератора дополнительно соединен с входом в горелочное устройство через компрессор балластного газа.
При таком устройстве парогенерирующей установки:
- включение в схему парогенерирующей установки с агрегатом наддува дожимного компрессора, второй газовой турбины и полезной нагрузки позволяет повысить давление на входе в газовую турбину агрегата наддува до такой величины, при которой температура газа, покидающего эту газовую турбину, снизится до плюс 75-140°C. Это сделает ненужной вторую, низконапорную, секцию газохода прототипа, в которой процессы теплопередачи идут менее интенсивно, чем в первой, высоконапорной, его части, что приводит к уменьшению потребной площади теплообменных поверхностей парогенератора, а значит, к уменьшению размеров, материалоемкости и стоимости теплообменного оборудования;
- одновременно это позволяет повысить механический КПД установки, состоящей из парогенерирующей установки и агрегата наддува за счет передачи полезной нагрузке свободной работы на валу от второй газовой турбины, а также за счет уменьшения потерь тепла с отходящими газами вследствие снижения их температуры;
- кроме того, это позволяет повысить КПД парогенерирующей установки за счет повышения давления на входе в газовую турбину агрегата наддува, что, при прочих равных условиях, приводит к снижению температуры газов, отходящих с выхода этой турбины в атмосферу, и потерь тепла с отходящими газами.
- включение в парогенерирующую установку с агрегатом наддува прототипа компрессора балластного газа и оборудование камеры сгорания третьим, дополнительным, входом, на который поступает газ с выхода этого компрессора, позволяет снизить температуру горячих продуктов сгорания за счет разбавления их относительно холодным балластным газом, поступающим на вход компрессора с выхода канала горячего теплоносителя парогенератора, вследствие чего повышается ресурс установки с агрегатом наддува;
- понижение температуры горячих продуктов сгорания приводит к уменьшению количества окислов азота, образующихся при работе парогенерирующей установки с агрегатом наддува.
Таким образом, решены поставленные в изобретении задачи:
- повышено КПД установки за счет повышения КПД парогенератора, агрегата наддува и паровой турбины потребителя;
- повышен ресурс работы парогенератора и агрегата наддува;
- снижены габариты, материалоемкость и стоимость парогенератора и агрегата наддува;
- уменьшено количество окислов азота, образующихся при работе парогенерирующей установки с агрегатом наддува.
Настоящее изобретение поясняется последующим подробным описанием конструкции парогенеирующей установки и ее работы со ссылкой на чертеж.
Парогенерирующая установка содержит (см. чертеж) агрегат наддува 1, горелочное устройство 2 и парогенератор 3. Агрегат наддува состоит из газовой турбины 4 и сопряженного с ней через вал 5 воздушного компрессора 6. Вход 7 компрессора 6 соединен с атмосферой. Парогенератор 3 имеет каналы горячего и холодного теплоносителей соответственно с входами 8, 9 и выходами 10, 11. Горелочное устройство 2 снабжено входами 12 и 13 соответственно для подачи воздуха, топлива и выходом 14 горячего газа. Выход 15 компрессора 6 агрегата наддува 1 соединен с входом 12 для подачи воздуха в горелочное устройство 2. Вход 16 газовой турбины 4 агрегата наддува 1 соединен с выходом 14 горелочного устройства 2 через канал горячего теплоносителя парогенератора 3, а выход 17 турбины 4 - с атмосферой. Вход 9 канала холодного теплоносителя парогенератора 3 соединен с источником нагреваемой среды, а выход 11 канала - с приемником нагреваемой среды. Установка дополнительно содержит воздушный дожимной компрессор 18 с входом 19 и выходом 20, компрессор 21 балластного газа с входом 22 и выходом 23, вторую газовую турбину 24 с входом 25 и выходом 26 и полезную нагрузку, например электрогенератор 27. Воздушный дожимной компрессор 18, компрессор 21 балластного газа, вторая газовая турбина 24 и электрогенератор 27 установлены на одном валу 28. Выход 15 воздушного компрессора 6 агрегата наддува 1 соединен с входом 12 горелочного устройства 2 через воздушный дожимной компрессор 18. Вход 8 канала горячего теплоносителя парогенератора 3 соединен с выходом 14 горячего газа горелочного устройства 2 через вторую газовую турбину 24. Выход 10 канала горячего теплоносителя парогенератора 3 дополнительно соединен с входом 29 в горелочное устройство 2 через компрессор 21 балластного газа.
Работу парогенерирующей установки осуществляют следующим образом. На вход 9 канала холодного теплоносителя парогенератора 3 подают питательную воду от паровой турбины потребителя (не показано), с температурой плюс 250-280°C, в парогенераторе 3 воду нагревают и испаряют, а полученный пар перегревают. При этом температура греющего газа на выходе 10 канала горячего теплоносителя парогенератора 3 будет в пределах плюс 300-340°C, т.е. на 20-60°C выше температуры питательной воды. Поступающий с выхода 10 канала горячего теплоносителя парогенератора 3 газ разделяют на два потока. Один поток, используемый далее в качестве балластного газа, посредством которого снижают температуру газа на выходе 14 горелочного устройства 2, подают на вход 22 компрессора 21 балластного газа, второй поток газа - на вход 16 турбины 4 агрегата наддува 1. При расширении газа в турбине 4 его температура снижается до плюс 100-140°C, что ниже, чем в современных котлоагрегатах энергоблоков ГРЭС, а еще лучше - до более низких значений. Из теории газотурбинных двигателей известно, что для такого снижения температуры необходимая для этого степень расширения газа в турбине 4 примерно равна
T
где: π - степень расширения в турбине 4 агрегата наддува 1;
T
η≈0,9 - адиабатический КПД этой турбины;
13
14
t=330°C и t=75°C - температуры, соответственно, на входе 16 в турбину 4 и на выходе 17 газа в атмосферу;
k≈1,3 - показатель адиабаты расширяемого в турбине газа.
При таких условиях потребная степень расширения в турбине 4 агрегата наддува 1 по расчету равна 5,31. Технически это вполне осуществимо.
Отобранное у газа тепло турбина 4 преобразует в работу, расходуемую на привод компрессора 6. Компрессор 6 сжимает воздух, поступающий на его вход 7 из атмосферы, и с выхода 15 подает на вход 19 дожимного компрессора 18, с выхода 20 которого сжатый воздух поступает на вход 12 горелочного устройства 2. В горелочном устройстве 2 сжигают топливо, которое подают на его вход 13. Для того чтобы понизить температуру газа на выходе 14 горелочного устройства 2 до температуры плюс 1450-1700 К (1280-1430°C), горячие продукты, образующиеся при горении топлива, разбавляют балластным газом, который подают с выхода 23 компрессора балластного газа 21 на вход 29 горелочного устройства 2. С выхода 14 горелочного устройства 2 газ поступает на вход 25 газовой турбины 24. Расширяясь в турбине 24, газ совершает работу, расходуемую на привод компрессоров 18, 21 и электрогенератора 27. Охлажденный в турбине 24 до температуры плюс 650-1000°C газ поступает на вход 8 канала горячего теплоносителя парогенератора 3. Описанный выше процесс осуществляется непрерывно.