УСТАНОВКА, СОДЕРЖАЩАЯ КОМПОНЕНТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ, И УСТАНОВКА, СОДЕРЖАЩАЯ КОМПОНЕНТ ТЕПЛОУТИЛИЗАЦИОННОЙ ПАРОГЕНЕРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ
PLANT CONTAINING POWER PLANT COMPONENT AND PLANT CONTAINING COMPONENT OF HEAT RECOVERY STEAM GENERATING PLANT

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Данное изобретение относится к энергетическим установкам с комбинированным циклом и более конкретно к удержанию тепла в их различных компонентах.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Установки с комбинированным циклом могут в целом содержать одну или более газовых турбин и паровых турбин, которые могут использоваться для выработки электроэнергии в силовых установках. В газовой турбине для выработки энергии может сжигаться топливо. Нагретый отработанный газ, выходящий из газовой турбины, может быть передан к теплоутилизационной парогенераторной (ТУПГ) установке в качестве источника энергии, который может использоваться для производства пара, служащего для приведения в действие паровой турбины. В ТУПГ установке нагретый отработанный газ может проходить через ряд теплообменных элементов, таких как перегреватели, подогреватели, испарители, экономайзеры и т.д. Указанные теплообменные элементы могут использоваться для переноса тепла от нагретого отработанного газа в конденсат, который затем может превращаться в перегретый пар.
Как правило, ТУПГ установка может работать при высокой температуре с обеспечением создания высокотемпературного пара. Во время запуска установки с комбинированным циклом от вспомогательной нагревательной установки может подаваться дополнительное тепло (за пределами потока комбинированного цикла, но в пределах силовой установки), обеспечивающее повышение температур в ТУПГ установке до требуемых высоких значений рабочих температур. При работе газовой турбины отработанный газ может обеспечивать достаточное тепло для поддержания высоких рабочих температур. Однако газовая турбина может отключаться через определенные промежутки времени, например в ночное время, когда потребность в электроэнергии снижена. Во время этих периодов отключения газовой турбины компоненты ТУПГ установки, а также другие компоненты комбинированного цикла могут отдавать тепло в окружающую среду. После завершения периода отключения в установку может быть введено дополнительное тепло для компенсации отдачи тепла в окружающую среду и возврата ТУПГ установки в оптимальный температурный режим работы для производства высокотемпературного пара. Введение дополнительного тепла может увеличить эксплуатационные расходы вследствие использования вышеупомянутой вспомогательной нагревательной установки.
В патенте США №3977197 описана установка, содержащая турбину и резервуар со сферическими элементами, которые непосредственно контактируют с перегретым паром, проходящим через указанный резервуар от бойлера к турбине, что вызывает переход цинкового сплава, содержащегося в сферических элементах, в жидкое состояние и соответственно аккумулирование в них тепловой энергии. При падении давления пара, подаваемого к турбине, ниже заданного значения эта тепловая энергия может быть регенерирована из металлических сферических элементов и содержащегося в них жидкого сплава для повышения температуры и давления пара, подаваемого в турбину. Таким образом, и аккумулирование и высвобождение тепла происходят во время работы установки, а резервуар служит для поддержания надлежащей работы бойлера, подающего пар в турбину.
Использование материалов с фазовым переходом описано, например, в патентах США №№4154292, 4708849 и 7608938. В частности, в патенте США №4154292 описано использование органического материала с фазовым переходом, а в патенте США №4708849 - использование нескольких различных материалов с фазовым переходом.
В патенте РФ №2377435 описано устройство для предпускового разогрева автомобильных двигателей внутреннего сгорания, содержащее трубопровод, который предназначен для отвода отработавших газов и в котором расположен материал с фазовым переходом. В процессе работы двигателя тепло от отработавших газов частично передается указанному материалу и затем используется для ускорения разогрева двигателя после простоя.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ниже приведено краткое описание некоторых вариантов выполнения, соответствующих объему первоначально заявленного изобретения. Предполагается, что эти варианты выполнения не ограничивают объем заявленного изобретения, а лишь представляют возможные варианты данного изобретения в кратком изложении. Фактически изобретение может охватывать различные варианты, которые могут быть аналогичны нижеописанным вариантам выполнения или отличаться от них.
В одном варианте выполнения энергетическая установка с комбинированным циклом содержит компонент энергетической установки, внутренний объем которого выполнен с возможностью удерживания конденсата пара или отработанного газа газовой турбины, материал с фазовым переходом, расположенный вокруг внешней поверхности указанного компонента, и ограничительную конструкцию, расположенную вокруг компонента энергетической установки с образованием наружного объема между указанным компонентом и конструкцией. При этом материал с фазовым переходом расположен в указанном наружном объеме и выполнен с возможностью поглощения тепла из внутреннего объема при работе установки с комбинированным циклом и высвобождения тепла с обеспечением возможности поддержания повышенной температуры внутреннего объема после отключения газовой турбины.
В другом варианте выполнения установка содержит компонент теплоутилизационной парогенераторной установки, внутренний объем которого выполнен с возможностью удерживания конденсата пара, ограничительную конструкцию, расположенную вокруг компонента теплоутилизационной парогенераторной установки с образованием наружного объема между указанным компонентом и ограничительной конструкцией, и материал с фазовым переходом, расположенный в указанном наружном объеме.
В еще одном варианте выполнения теплоутилизационная парогенераторная установка содержит первую компонентную установку и вторую компонентную установку. Указанная первая установка содержит первый компонент, выполненный с возможностью удерживания конденсата пара, и первый материал с фазовым переходом, расположенный вокруг первой внешней поверхности первого компонента. Указанная вторая установка содержит второй компонент, выполненный с возможностью удерживания конденсата пара, и второй материал с фазовым переходом, расположенный вокруг второй внешней поверхности второго компонента. Второй материал с фазовым переходом отличается от первого материала с фазовым переходом.
Использование материала (материалов) с фазовым переходом, расположенного в наружном объеме между компонентом энергетической установки с комбинированным циклом и ограничительной конструкцией, окружающей этот компонент, обеспечивает возможность аккумулирования тепла компонентов комбинированного цикла и последующего высвобождения аккумулированного тепла, например, в периоды отключения газовой турбины. Это обеспечивает пребывание установки при повышенной температуры в течение более длительного времени и сокращает подвод тепла, необходимый для ее повторного запуска.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие особенности, аспекты и преимущества данного изобретения станут более понятны после прочтения нижеследующего подробного описания, выполненного со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых одинаковые номера позиций обозначают одинаковые элементы и на которых:
фиг. 1 изображает структурную схему варианта выполнения энергетической установки с комбинированным циклом, в которой могут использоваться материалы с фазовым переходом,
фиг. 2 изображает поперечный разрез варианта выполнения компонента энергетической установки с комбинированным циклом, показанной на фиг. 1, и
фиг. 3 изображает график, показывающий вариант температурного профиля для компонента энергетической установки с комбинированным циклом, показанной на фиг. 1.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ниже приведено описание одного или более конкретных вариантов выполнения. В попытке создания краткого описания этих вариантов выполнения в описании могут быть приведены не все признаки фактического варианта реализации. Следует понимать, что при разработке любого такого фактического варианта реализации, как и при любом инженерном или опытно-конструкторском проектировании, необходимо принять множество решений, определяемых конкретным вариантом реализации, для достижения конкретных целей разработчика, таких как соблюдение системных и деловых ограничений, которые могут меняться от одного варианта реализации к другому. Кроме того, следует понимать, что такая опытно-конструкторская работа может быть сложной и трудоемкой, но тем не менее является обычным процессом при проектировании, изготовлении и производстве для специалистов в области техники, использующих преимущество данного изобретения.
При введении элементов различных вариантов выполнения данного изобретения подразумевается, что использование их названий в единственном числе и термина «указанный» означает наличие одного или более определяемых элементов. Подразумевается, что термины «содержащий», «включающий» и «имеющий» являются включающими и означают, что возможно наличие дополнительных элементов, отличающихся от перечисленных.
Целью данного изобретения является создание энергетических установок с комбинированным циклом, в которых на одном или более компонентах используются материалы с фазовым переходом. Указанные материалы могут быть предназначены для удержания тепла в энергетических установках с комбинированным циклом. В целом материал с фазовым переходом может поглощать физическое тепло при относительно постоянной температуре до тех пор, пока температура указанного материала не достигнет соответствующей ему температуры фазового перехода. Как определено в данном документе, температура фазового перехода является температурой, при которой материал переходит из твердого состояния в жидкое и/или из жидкого состояния в твердое. При достижении температуры фазового перехода материал может поглощать большие количества скрытой теплоты при относительно постоянной температуре. Например, при работе установки с комбинированным циклом температуры внутри нее могут подниматься выше температуры фазового перехода. Соответственно материал с фазовым переходом может поглощать достаточное количество скрытой теплоты для перехода из твердого состояния в жидкое. Затем указанный материал может аккумулировать скрытую теплоту до тех пор, пока температура не упадет до значения температуры фазового перехода или ниже него. Например, когда газовая турбина выключена, установка может начать охлаждаться, при этом температура может понижаться. По мере понижения температуры материал с фазовым переходом может высвобождать скрытую теплоту в установку с комбинированным циклом при его переходе из жидкой фазы в твердую фазу.
Материалы с фазовым переходом могут быть особенно полезны для удержания тепла в периоды отключения газовой турбины. Например, установки с комбинированным циклом, используемые в силовых установках, могут содержать газовые турбины, отключаемые в ночное время при снижении потребности в электроэнергии. При отключении газовой турбины компоненты комбинированного цикла могут начинать отдавать тепло в окружающую среду. Однако во время работы тепло, создаваемое газовой турбиной, может аккумулироваться в материалах с фазовым переходом. Затем указанные материалы могут высвобождать аккумулированное тепло, например, во время отключения газовой турбины, что может обеспечивать возможность пребывания установки с комбинированным циклом при повышенной температуре в течение более длительного периода времени. Поддержание повышенных температур в установке с комбинированным циклом может сокращать подвод тепла, необходимый для ее повторного запуска.
В целом величина тепла, аккумулируемого в материалах с фазовым переходом при их нахождении в жидкой фазе, зависит от удельной теплоемкости жидкой фазы указанного материала. Как и в случае большинства жидкостей, удерживаемая энергия может быть весьма значительной по сравнению с твердыми материалами, например изоляцией труб. Затем аккумулированная энергия может быть высвобождена материалами с фазовым переходом для поддержания повышенной температуры в установке с комбинированным циклом во время отключения газотурбинного двигателя.
В дополнение к аккумулированию энергии в жидкой фазе указанные материалы также могут обеспечивать возможность поддержания компонентов ТУПГ установки при почти постоянной температуре в течение более длительного периода времени вследствие использования теплоты плавления при переходе между жидкой и твердой фазами. Например, когда газовая турбина не работает, энергия в компонентах ТУПГ установки и содержащихся в них материалов с фазовым переходом может передаваться от горячей ТУПГ установки к окружающей среде. Сначала материалы с фазовым переходом могут находиться в жидкой фазе, при этом их температура может понижаться вследствие высвобождения энергии в окружающую среду в соответствии с изоляционными свойствами компонентов ТУПГ установки. Однако когда указанные материалы достигают температуры фазового перехода (т.е. критической температуры), их температура во время потери энергии может оставаться постоянной благодаря скрытой теплоте плавления при их переходе из состояния жидкой фазы в состояние твердой фазы. Соответственно скрытая теплота плавления материалов с фазовым переходом и/или аккумулирование тепла в жидкой фазе указанными материалами могут обеспечить возможность поддержания компонентов ТУПГ установки при повышенной температуре в течение более длительного периода времени.
В целом материалы с фазовым переходом могут аккумулировать и высвобождать достаточно энергии для обеспечения возможности запуска установки с комбинированным циклом в режиме «горячего» перезапуска, а не в режиме «теплого» перезапуска. В режиме «теплого» перезапуска для перезапуска установки может использоваться введение дополнительного тепла, например, от вспомогательной нагревательного установки, тогда как в режиме «горячего» перезапуска необходимость во введении дополнительного тепла может отсутствовать. Соответственно, применение материалов с фазовым переходом может сократить использование вспомогательной нагревательной установки, что, в свою очередь, может снизить общее энергопотребление. Более того, подведение меньшего количества тепла может обеспечить возможность более быстрого возобновления работы силовой установки с большей реализацией электроэнергии. Кроме того, в конкретных вариантах выполнения подведение меньшего количества тепла может уменьшить колебания температуры во время отключений, в результате чего сводится к минимуму тепловая нагрузка на компоненты установки, что, в свою очередь, может увеличить срок службы компонентов установки с комбинированным циклом.
На фиг. 1 изображена структурная схема варианта выполнения энергетической установки 2 с комбинированным циклом, в которой могут использоваться материалы с фазовым переходом. Указанная установка 2 может содержать газовую турбину 4, паровую турбину 6 и теплоутилизационную парогенераторную (ТУПГ) установку 8. В газовой турбине 4 газ, например синтетический газ или природный газ, может сжигаться с получением энергии в пределах «верхнего» цикла или цикла Брайтона. Отработанный газ, выходящий из газовой турбины 4, может подаваться к ТУПГ установке 8 для производства пара в пределах «нижнего» цикла или цикла Ренкина. В некоторых вариантах выполнения газовая турбина 4, паровая турбина 6 и ТУПГ установка 8 могут входить в состав единой силовой установки с комбинированным циклом газообразования. Следует понимать, что компоненты энергетической установки 2 представлены в упрощенном виде и не должны считаться ограничивающими. Например, в состав некоторых вариантов выполнения может входить дополнительное оборудование, например, среди прочего, клапаны, температурные датчики, датчики давления, регуляторы, резервуары-хранилища, воздухоразделительная установка и/или газификаторы.
Газовая турбина 4 обычно может сжигать топливо (например, газовое и/или жидкое топливо) для приведения в действие первой нагрузки 14, которая может представлять собой, например, электрогенератор для производства электроэнергии. Газовая турбина 4 может содержать турбину 16, топку или камеру 18 сгорания, а также компрессор 20. В дополнение к приведению в действие первой нагрузки 14 газовая турбина 4 может создавать отработанный газ 22. Отработанный газ 22 может подаваться к паровой турбине 6 (через ТУПГ установку 8) для приведения в действие второй нагрузки 24. Указанная вторая нагрузка 24 также может представлять собой электрогенератор для производства электроэнергии. Однако как первая, так и вторая нагрузки 14, 24 могут быть нагрузками других типов, которые могут приводиться в действие с помощью газовой турбины 4 и паровой турбины 6. Кроме того, несмотря на то что газовая турбина 4 и паровая турбина 6 могут приводить в действие отдельные нагрузки 14 и 24, как показано в изображенном варианте выполнения, газовая турбина 4 и паровая турбина 6 также могут использоваться совместно для приведения в действие единой нагрузки через единый вал. В изображенном варианте выполнения турбина 6 может содержать секцию 26 низкого давления (LP ST), секцию 28 среднего давления (IP ST) и секцию 30 высокого давления (HP ST). Однако конкретная конфигурация паровой турбины 6, а также газовой турбины 4 может определяться конкретным вариантом реализации и содержать любую комбинацию секций. Секция 26 низкого давления, а также секции 30 и 28 высокого и среднего давления могут быть заключены соответственно в кожухи 32 и 34. Указанные кожухи 32 и 34 могут быть выполнены с обеспечением направления пара через секции 26, 28 и 30. В изображенном варианте выполнения как секция 28 среднего давления, так и секция 30 высокого давления заключены в кожух 34. Однако в других вариантах выполнения для указанных секций 28 и 30 могут использоваться отдельные кожухи.
В дополнение к приведению в действие второй нагрузки 24 паровая турбина 6 может создавать отработанный пар 35. Указанный пар 35 может направляться из секции 26 низкого давления в конденсатор 36. Конденсатор 36 может обеспечивать конденсацию пара и может содержать приемник 37 конденсата, который служит в качестве резервуара для конденсата энергетической установки 2 с комбинированным циклом. Конденсат из конденсатора 36, в свою очередь, может направляться в секцию низкого давления ТУПГ установки 8 с помощью конденсатного насоса 38.
Установка 8 обычно может использовать отработанный газ 22, поступающий из газовой турбины 4, для нагревания конденсата с созданием пара, используемого для приведения в действие паровой турбины 6. При прохождении конденсата через ТУПГ установку 8 он может нагреваться отработанным газом 22, поступающим от газовой турбины 4. В частности, отработанный газ 22 может проходить через оболочку или систему 39 каналов в установке 8 и может отдавать тепло конденсату, проходящему через оборудование, например, среди прочего, через экономайзеры, испарители, перегреватели и подогреватели, расположенные в пределах указанной системы 39. Система 39 каналов может в целом определять путь прохождения отработанного газа через установку 8, при этом газ 22 может проходить через установку 8 от областей с наиболее горячим конденсатом пара и/или наиболее горячим паром к более холодному конденсату пара.
В ТУПГ установке 8 конденсат может течь через экономайзер 40 низкого давления (LPECON), в котором может происходить его нагрев. Из экономайзера 40 конденсат может быть направлен либо в испаритель 42 низкого давления (LPEVAP), либо к экономайзеру 44 среднего давления (IPECON). Испаритель 42 может содержать паровой барабан 45, который удерживает конденсат во время его нагревания с образованием пара. Пар из испарителя 42 может быть возвращен к секции 26 низкого давления паровой турбины 6. Аналогичным образом из экономайзера 44 конденсат может быть направлен либо в испаритель 46 среднего давления (IPEVAP), либо к экономайзеру 48 высокого давления (HPECON). Испаритель 46 может содержать паровой барабан 49, который удерживает конденсат во время его нагревания с образованием пара. Пар из испарителя 46 может быть направлен к секции 28 среднего давления паровой турбины 6. Затем пар из экономайзера 44 среднего давления также может быть направлен к нагревателю топливного газа (не показан), в котором указанный пар может использоваться для нагревания топливного газа, используемого в камере 18 сгорания газовой турбины 4.
Наконец, конденсат из экономайзера 48 высокого давления может быть направлен в испаритель 50 высокого давления (HPEVAP). Испаритель 50 высокого давления может содержать паровой барабан 51, который удерживает конденсат во время его нагревания с образованием пара. Пар, выходящий из парового барабана 51, может быть направлен в первичный перегреватель 52 высокого давления и конечный перегреватель 54 высокого давления, где пар перегревается и в итоге посылается к секции 30 высокого давления паровой турбины 6. Выхлоп из секции 30 высокого давления паровой турбины 6 может, в свою очередь, быт направлен в секцию 28 среднего давления, а выхлоп из секции 28 среднего давления может быть направлен в секцию 26 низкого давления паровой турбины 6.
Между первичным перегревателем 52 и конечным перегревателем 54 высокого давления может быть расположен промежуточный пароохладитель 56. Указанный пароохладитель 56 может обеспечить возможность более строгого контроля температуры выхлопного пара перегревателя 54. В частности, пароохладитель 56 может быть выполнен с возможностью управления температурой пара, выходящего из конечного перегревателя 54, путем впрыскивания более холодной питающей воды в перегретый пар до его прохождения через указанный перегреватель 54 всякий раз, когда температура выхлопного пара, выходящего из перегревателя 54, превышает заранее заданное значение.
Кроме того, выхлоп из секции 30 высокого давления паровой турбины 6 может быть направлен в первичный подогреватель 58 и во вторичный подогреватель 60, где он может быть повторно нагрет перед отправлением в секцию 28 среднего давления паровой турбины 6. Между подогревателями 58 и 60 может быть расположен промежуточный пароохладитель 62, обеспечивающий управление температурой пара, выходящего из указанных подогревателей 58 и 60. В частности, промежуточный пароохладитель 62 может быть выполнен с возможностью управления температурой пара, выходящего из вторичного подогревателя 60, путем впрыскивания холодной питающей воды в перегретый пар до его прохождения через указанный подогреватель 60 всякий раз, когда температура выхлопного пара, выходящего из подогревателя 60, превышает заранее заданное значение. Следует понимать, что ТУПГ установка 8 и ее компоненты приведены только в качестве примера и не должны считаться ограничивающими. Например, в других вариантах выполнения количество, расположение, типы и комбинации подогревателей 58 и 60, перегревателей 52 и 54, пароохладителей 56 и 62, экономайзеров 40, 44 и 48, испарителей 42, 46 и 50 и паровых барабанов 45, 49 и 51 могут изменяться.
В установках с комбинированным циклом, таких как установка 2, горячий отработанный газ может течь из газовой турбины 4 и проходить через ТУПГ установку 8 и может использоваться для получения пара высокого давления и высокой температуры. В ТУПГ установке 8 горячий выхлоп может проходить через систему 39 каналов и отдавать тепло конденсату, протекающему через компоненты ТУПГ установки, например, через экономайзеры 40, 44 и 48, испарители 42, 46 и 50, перегреватели 52 и 54 и подогреватели 58 и 60. Указанное оборудование может быть соединено трубопроводом 63, при этом отработанный газ также может отдавать тепло конденсату, протекающему по трубопроводу, расположенному в пределах системы 39 каналов. Части трубопровода 63 и некоторые компоненты ТУПГ установки, например паровые барабаны 45, 49 и 51, а также промежуточные пароохладители 56 и 62, могут быть расположены за пределами системы 39 каналов и, следовательно, могут не входить в контакт с горячим отработанным газом 22. В соответствии с конкретными вариантами выполнения для компонентов, расположенных за пределами системы 39 каналов, могут применяться материалы с фазовым переходом. Например, указанные материалы могут быть расположены вокруг внешних поверхностей барабанов 45, 49 и 51, вокруг внешних поверхностей пароохладителей 56 и 62 и/или вокруг внешних поверхностей трубопровода 63, расположенных за пределами системы 39. Материалы с фазовым переходом также могут быть расположены вокруг других компонентов установки с комбинированным циклом, например вокруг приемника 37 конденсата в конденсаторе и/или вокруг кожухов 32 и 34 паровой турбины.
Материал с фазовым переходом может быть выбран и/или специально разработан с обеспечением соответствия его температуры фазового перехода рабочим температурам компонентов установки. Например, в соответствии с некоторыми вариантами выполнения рабочая температура парового барабана 51 высокого давления может составлять по меньшей мере приблизительно 260°C, рабочая температура барабана 49 среднего давления может быть меньше рабочей температуры парового барабана высокого давления приблизительно на 100-200°C, а рабочая температура барабана 45 низкого давления может быть меньше рабочей температуры парового барабана высокого давления приблизительно на 200-300°C. В данном варианте выполнения вокруг каждого из барабанов 51, 49 и 45 могут быть расположены материалы с различным фазовым переходом, каждый из которых имеет температуру фазового перехода, согласованную с соответствующими рабочими температурами. Например, температура фазового перехода материала, расположенного вокруг барабана 51 высокого давления, может составлять по меньшей мере приблизительно 260°C, температура фазового перехода материала, расположенного вокруг барабана 49 среднего давления, может быть меньше температуры фазового перехода материала, расположенного вокруг парового барабана высокого давления, приблизительно на 100-200°C, а температура фазового перехода материала, расположенного вокруг барабана 45 низкого давления, может быть меньше температуры фазового перехода материала, расположенного вокруг парового барабана высокого давления, приблизительно на 200-300°C.
В другом примере рабочая температура барабана 49 среднего давления может составлять приблизительно 65% от рабочей температуры барабана 51 высокого давления, а рабочая температура барабана 45 низкого давления может составлять приблизительно 40% от рабочей температуры барабана 51 высокого давления. В данном примере вокруг каждого из барабанов 51, 49 и 45 могут быть расположены различные материалы с фазовым переходом. Температура фазового перехода материала, расположенного вокруг барабана 49 среднего давления, может составлять приблизительно 65% от рабочей температуры барабана 51 высокого давления. Температура фазового перехода материала, расположенного вокруг барабана 45 низкого давления, может составлять приблизительно 40% от рабочей температуры барабана 51 высокого давления. В других вариантах выполнения относительные процентные значения для различных материалов с фазовым переходом могут изменяться. Например, в некоторых вариантах выполнения температуры фазового перехода могут изменяться приблизительно на 10-90%, а также в пределах всех входящих в этот диапазон поддиапазонов. Более конкретно температуры фазового перехода могут изменяться приблизительно на 30-70%, а также в пределах всех входящих в этот диапазон поддиапазонов.
Материалы с фазовым переходом могут быть расположены вокруг различных комбинаций компонентов, таких как паровые барабаны 45, 49, 51, приемник 37 конденсата, кожухи 32 и 34 паровой турбины, пароохладители 56 и 62 и трубопровод 63, в установке 2 с комбинированным циклом. Кроме того, в соответствии с некоторыми вариантами выполнения материалы с фазовым переходом могут быть расположены, по меньшей мере, вокруг наиболее горячих компонентов в установке 2, поскольку в данных высокотемпературных компонентах может иметь место наибольшая потеря тепла. Например, материал с фазовым переходом может быть расположен вокруг парового барабана 51 высокого давления. Однако в других вариантах выполнения любые комбинации компонентов могут содержать материалы с фазовым переходом одного или различных типов. В соответствии с одним вариантом выполнения установка 2 может содержать материал с температурой фазового перехода, равной по меньшей мере приблизительно 180°C, 200°C, 230°C или 260°C. Как отмечено выше, материалы с фазовым переходом могут обеспечивать возможность удержания тепловой энергии в установке с комбинированным циклом в течение более длительного периода времени. Более того, в некоторых вариантах выполнения указанные материалы могут быть выполнены с возможностью высвобождения аккумулированной энергии при отключении газотурбинной установки, что создает возможность поддержания повышенной температуры установки 2 в течение более длительного периода во время отключения газотурбинной установки. Как изложено выше, указанные повышенные температуры могут сократить энергопотребление и время запуска.
Материалы с фазовым переходом могут быть установлены вокруг компонентов установки во время начального монтажа установки 2 с комбинированным циклом. Кроме того, в соответствии с некоторыми вариантами выполнения имеющиеся компоненты установки могут быть модернизированы с включением в их состав материалов с фазовым переходом. Например, указанные материалы могут быть установлены вокруг имеющегося трубопровода 63. В другом примере некоторые компоненты, такие как паровые барабаны 45, 49, 51, промежуточные пароохладители 56 и 62 и/или приемник 37 конденсата, могут быть заменены во время отключения установки компонентами, содержащими материалы с фазовым переходом.
На фиг. 2 изображен поперечный разрез установки 64 с комбинированным циклом через компонент 66, который может использоваться в установке 2, показанной на фиг. 1. Указанный компонент 66 может представлять собой паровой барабан 45, 49 или 51, приемник 37 конденсата, кожухи 32 или 34 паровой турбины, пароохладители 56 или 62, или трубопровод 63, расположенные за пределами системы 39 каналов ТУПГ, как показано на фиг. 1. Компонент 66 ограничивает внутренний объем 69, в котором может удерживаться конденсат и/или пар. Кроме того, в других вариантах выполнения компонент 66 может представлять собой систему 39 каналов (фиг. 1), а внутренний объем 68 может содержать отработанный газ, поступающий от газовой турбины 4. В целом компонент 66 может быть крупногабаритным компонентом, содержащим одну или более горячих текучих сред (например, жидкость или газ). В соответствии с некоторыми вариантами выполнения величина внутреннего объема может лежать в диапазоне по меньшей мере 20-190000 л, а также в пределах всех входящих в него поддиапазонов. Более того, в некоторых вариантах выполнения величина внутреннего объема 68 может составлять по меньшей мере приблизительно 1800 л (500 галлонов), 3800 л (1000 галлонов), 19000 л (5000 галлонов) или 190000 л (50000 галлонов). Кроме того, в соответствии с некоторыми вариантами выполнения размеры компонента 66, определяющие границы внутреннего объема 68, могут составлять по меньшей мере приблизительно 2 м × 2 м × 6 м.
Вокруг компонента 66 может быть расположена ограничительная конструкция 70 с обеспечением образования наружного объема 71 между внешней поверхностью компонента 66 и указанной конструкцией 70. Наружный объем 71 может содержать материал 72 с фазовым переходом. Указанный материал может быть расположен вокруг компонента 66 в пределах толщины 73, которая может в целом соответствовать ширине наружного объема 71. Как отмечено выше, материал 72 может быть специально разработан с обеспечением соответствия его температуры фазового перехода рабочей температуре внутри компонента 66. В соответствии с некоторыми вариантами выполнения температура фазового перехода материала 72 может находиться в пределах ±1, 5, 10 или 15% от рабочей температуры внутри компонента 66. Материал с фазовым переходом может представлять собой, среди прочего, органический материал, например термальную соль, парафин или жирную кислоту, или может представлять собой неорганический материал, например гидрат соли. В соответствии с некоторыми вариантами выполнения материал 72 может представлять собой алифатическое органическое соединение. Материал с фазовым переходом может быть выполнен в любой подходящей форме, такой как жидкость, гель, паста, порошок или гранулированный материал. Кроме того, в соответствии с некоторыми вариантами выполнения указанный материал может содержать микроинкапсулированный порошок или жидкостную смесь, которые могут препятствовать испарению или поглощению, в частности в случае использования органических термальных солей в качестве материала с фазовым переходом.
Материал 72 с фазовым переходом может быть расположен в пределах ограничительной конструкции 70, которая может быть выполнена из листового материала или другого подходящего материала. В соответствии с некоторыми вариантами выполнения указанная конструкция 70 может содержать воздуховыпускной клапан или отверстие, которое облегчает начальное размещение материала 72 во внутреннем объеме 71. Например, в некоторых вариантах выполнения материал 72 может быть нагрет с получением жидкой фазы для облегчения его размещения. Затем воздуховыпускной клапан или отверстие могут обеспечивать выпуск воздуха по мере введения материала 72 во внутренний объем 71, среди прочего, путем закачивания, впрыскивания или заливки. При охлаждении материал 72 может отверждаться во внутреннем объеме 71. Более того, объем 71 может быть непрерывным пространством или может быть разделен с образованием внутренних камер. Кроме того, в некоторых вариантах выполнения для поддержания конструкции 70 она может быть присоединена к компоненту 66 при помощи элементов жесткости или других опор.
Вокруг ограничительной конструкции 70 может быть расположена изоляция 74. В соответствии с некоторыми вариантами выполнения указанная изоляция может использоваться в увлажненном состоянии и наматываться или обертываться вокруг конструкции 70. Затем изоляция 74 может отверждаться с переходом в жесткое состояние по мере высыхания. В соответствии с некоторыми вариантами выполнения изоляция может содержать иглопробивное огнеупорное волокнистое покрытие и неорганические связующие вещества. Например, изоляция может представлять собой материал для влажного обертывания Cerafiber Wet Pack, коммерчески поставляемый компанией Thermal Ceramics, г. Огаста, штат Джорджия. Однако в других вариантах выполнения может использоваться любая подходящая изоляция. В целом изоляция 74 может быть выполнена для уменьшения скорости передачи тепла от компонентной установки 64 к окружающей среде. Изоляция 74 может иметь низкую теплопроводность, обеспечивающую удержание тепла в компонентной установке 64. Изоляция 74 также может обладать такими свойствами, как морозоустойчивость (например, замораживание не оказывает существенного влияния на ее прочность) и пониженная поверхностная миграция связующего вещества (например, обеспечивается сдерживание миграции частиц связующего вещества, присутствующих в изоляции, к поверхности).
Указанная изоляция может быть расположена вокруг ограничительной конструкции 70 в пределах толщины 75. В некоторых вариантах выполнения толщина 75 может лежать в диапазоне приблизительно 12-35 см, а также в пределах всех входящих в него поддиапазонов. Однако в других вариантах выполнения может использоваться любая подходящая толщина 75. Кроме того, относительные толщины 73 и 75 материала 72 с фазовым переходом и изоляции 74 могут изменяться в зависимости от свойств указанного материала 72 и/или изоляции 74. Например, в соответствии с некоторыми вариантами выполнения материал 72 может быть специально разработан с обеспечением соответствия его температуры фазового перехода рабочей температуре во внутреннем объеме 68. В соответствии с некоторыми вариантами выполнения температура фазового перехода материала 72 может находиться в пределах ±1, 5, 10 или 15% от рабочей температуры во внутреннем объеме 68. Более того, в некоторых вариантах выполнения температура фазового перехода материала 72 может быть ниже рабочей температуры во внутреннем объеме 68 приблизительно на 1-100°C, а также на любые значения в пределах всех входящих в указанный диапазон поддиапазонов. Более конкретно                                                                                                  температура фазового перехода материала 72 может быть ниже рабочей температуры во внутреннем объеме 68 приблизительно на 5-50°C ниже, а также на любые значения в пределах всех входящих в указанный диапазон поддиапазонов.
Другие свойства материала с фазовым переходом, такие как теплопроводность, удельная теплоемкость и скрытая теплота плавления, могут зависеть от расчетной температуры фазового перехода. Указанные другие свойства могут определять толщину 73 материала с фазовым переходом. Например, если указанный материал имеет относительно низкую теплоту плавления, то толщина 73 может быть увеличена для обеспечения возможности удержания им большего количества тепловой энергии. Толщина 75 изоляции 74 также может зависеть от свойств материала 72. Например, если материал 72 имеет относительно высокую теплопроводность, то изоляция 74 может быть расположена в пределах большей толщины 75 для обеспечения замедления скорости передачи тепла к окружающей среде.
Как отмечено выше в отношении фиг. 1, при работе установки 2 с комбинированным циклом материал 72 может поглощать тепло из внутреннего объема 68 с переходом из твердой фазы в жидкую фазу. После этого материал 72 может оставаться в жидкой фазе до тех пор, пока температура внутреннего объема 68 не упадет до температуры фазового перехода или несколько ниже. Например, температура объема 68 может снизиться при отключении газовой турбины. Во время снижения температуры внутреннего объема 68 материал с фазовым переходом может высвобождать аккумулированную скрытую теплоту к компоненту 66 с нагреванием, таким образом, указанного объема 68 и компонента 66. При высвобождении тепла материалом 72 он может переходить из жидкой фазы в твердую фазу. Высвобождение тепла материалом 72 может обеспечивать возможность поддержания повышенной температуры объема 68 и компонента 66 после отключения газовой турбины. При перезапуске газовой турбины и повышении температуры внутреннего объема материал 72 может поглощать физическое тепло до достижения указанным материалом температуры фазового перехода. После достижения температуры фазового перехода материал 72 может поглощать скрытую теплоту с обеспечением его перехода из твердой фазы в жидкую фазу.
На фиг. 3 изображен график 76, показывающий температурные профили 78 и 80 для компонента установки с комбинированным циклом, такой как установка 2, показанная на фиг. 1. Например, указанный компонент может представлять собой паровой барабан 51 высокого давления, показанный на фиг. 1. Температурный профиль 78 соответствует компоненту с расположенным вокруг него материалом с фазовым переходом, тогда как профиль 80 является температурным профилем того же самого компонента без материала с фазовым переходом. По оси 82 ординат графика 76 отложена температура компонента, а по оси 84 абсцисс отложены часы, прошедшие с момента отключения газовой турбины. На каждом профиле 78 и 80 имеется точка 88 и 90 перехода, отображающая температуру перехода. Температура перехода может в целом представлять собой температуру, ниже которой может использоваться «теплый», а не «горячий» перезапуск.
Как показано на графике 76, температурный профиль 80, соответствующий компоненту без материала с фазовым переходом, имеет точку 88 перехода, которая наблюдается через несколько часов после отключения, тогда как температурный профиль 78, соответствующий компоненту с указанным материалом, имеет точку 90 перехода, которая наблюдается только спустя значительно большее количество часов после отключения. Увеличенное время перед наблюдением точки 90 перехода обусловлено относительно плоским участком 92 температурного профиля 78. Указанный участок может в целом соответствовать фазовому переходу материала из жидкой фазы в твердую. Соответственно материал с фазовым переходом может обеспечивать возможность поддержания компонента при повышенной температуре в течение более длительного периода времени, что может уменьшить количество «теплых» запусков и создать возможность выполнения большего количества «горячих» запусков.
Как изложено выше, увеличенное количество «горячих» запусков может сократить использование вспомогательной нагревательной установки и/или может обеспечить возможность начала выработки электроэнергии силовой установкой спустя более короткое время после отключения. В соответствии с некоторыми вариантами выполнения материал с фазовым переходом может снизить скорость передачи тепла к окружающей среде по меньшей мере приблизительно на 30-50%, а также на любые значения в пределах всех входящих в указанный диапазон поддиапазонов. Следует понимать, что температурные профили 78 и 90 показаны только в качестве примера и не должны считаться ограничивающими. В других вариантах выполнения форма температурных профилей, значения температуры и значения прошедшего времени могут изменяться в зависимости, среди прочего, от условий эксплуатации, проектных условий, материалов компонентов и материалов с фазовым переходом.
В предложенном описании примеры используются для раскрытия данного изобретения, в том числе предпочтительного варианта выполнения, а также для обеспечения возможности реализации изобретения на практике, включая изготовление и использование любых устройств и установок и осуществление любых соответствующих или предусмотренных способов, любым специалистом. Объем правовой охраны изобретения определен формулой изобретения и может охватывать другие примеры, очевидные специалистам в данной области техники. Подразумевается, что такие другие примеры находятся в рамках объема формулы изобретения, если они содержат конструктивные элементы, не отличающиеся от описанных в дословном тексте формулы, или конструктивные элементы, незначительно отличающиеся от описанных в дословном тексте формулы.
ПЕРЕЧЕНЬ ЭЛЕМЕНТОВ
2
энергетическая установка с комбинированным циклом
4
газовая турбина
6
паровая турбина
8
теплоутилизационная парогенераторная установка
14
первая нагрузка
16
турбина
18
камера сгорания
20
компрессор
22
отработанный газ
24
нагрузка
26
секция низкого давления
28
секция среднего давления
30
секция высокого давления
32
кожух
34
кожух
35
отработанный пар
36
конденсатор
37
приемник конденсата
38
конденсатный насос
39
оболочка/система каналов
40
экономайзер низкого давления
42
испаритель низкого давления
44
экономайзер среднего давления
45
паровой барабан
46
испаритель среднего давления
48
экономайзер высокого давления
49
паровой барабан
50
испаритель высокого давления
51
паровой барабан
52
перегреватель высокого давления
54
перегреватель высокого давления
56
промежуточный пароохладитель
58
первичный подогреватель
60
вторичный подогреватель
62
промежуточный пароохладитель
63
трубопровод
64
компонентная установка
66
компонент
68
внутренний объем
70
ограничительная конструкция
71
объем
72
материал с фазовым переходом
74
изоляция
75
толщина
76
график
78
линия
80
линия
82
ось ординат
84
ось абсцисс
88
точка
90
точка
92
плоский участок