МНОГОРЕЖИМНАЯ ТЕПЛОФИКАЦИОННАЯ УСТАНОВКА
MULTI-MODE HEAT EXTRACTION PLANT

Многорежимная теплофикационная установка может быть применена в энергетике, преимущественно для надстройки теплоэлектроцентралей (ТЭЦ). На ТЭЦ для покрытия части теплофикационной нагрузки устанавливают пиковые водогрейные котлы с тепловой мощностью, близкой к мощности сетевых подогревателей теплофикационных турбин. В отопительные периоды работы это приводит к увеличению удельных расходов топлива на ТЭЦ. Надстройка теплоэлектроцентралей парогазовыми установками позволяет значительно повысить их тепловую экономичность.
Эффективна реконструкция ТЭЦ при их надстройке парогазовыми установками с одноконтурными паровыми котлами-утилизаторами, снабженными газоводяными подогревателями сетевой воды. Эти установки обеспечивают увеличение электрической и тепловой мощности ТЭЦ с достижением наиболее высоких технико-экономических показателей надстройки при умеренных дополнительных капиталовложениях.
Известна «Теплоэлектроцентраль с газотурбинной установкой» патент РФ №2280768, F01K 21/04, включающая котел-утилизатор с газоводяным подогревателем сетевой воды. Она позволяет при надстройке ТЭЦ одновременно увеличивать ее экономичность, электрическую и тепловую мощность.
Известна также «Высокоманевренная многорежимная теплофикационная газотурбинная установка» - патент РФ №2310759 F01K 23/06, содержащая газотурбинную установку, состоящую из компрессора, камеры сгорания, газовой турбины, водогрейный котел-утилизатор, снабженный камерой дожигания топлива, по меньшей мере, одну паротурбинную установку, включающую парогенератор, паровую турбину с подогревателями питательной воды низкого и высокого давления, конденсатор, конденсатный насос, деаэратор, питательный насос; газовая турбина связана по сбросным газам через камеру дожигания топлива и водогрейный котел-утилизатор с атмосферой, водогрейный котел-утилизатор соединен по сетевой воде трубопроводы прямой и обратной сетевой воды с запорно-регулирующей арматурой через питательный насос с водо-водяными подогревателями сетевой воды теплосети, а по питательной воде он включен в трубопровод питательной воды с питательным насосом и запорной арматурой между конденсатором и парогенератором паротурбинной установки.
Водогрейный котел-утилизатор может использоваться для подогрева теплоносителя - сетевой воды теплосети или питательной воды из конденсатора паротурбинной установки за счет теплоты сбросных газов газовой турбины. Наличие камеры дожигания топлива перед водогрейным котлом-утилизатором позволяет при необходимости значительно увеличить теплофикационную нагрузку установки и расширить диапазон ее регулирования при поддержании высокого КПД за счет низкого уровня температуры уходящих газов из котла-утилизатора.
Тепловая схема газотурбинной установки с водогрейным котлом-утилизатором может быть выполнена за счет наличия запорно-регулирующей арматуры, как автономной - для выработки электроэнергии и подогрева в водогрейном котле-утилизаторе сетевой воды теплосети, так и сопряженной с тепловой схемой паротурбинной установки - с подогревом в водогрейном котле-утилизаторе питательной воды для парогенератора паротурбинной установки, увеличения электрической и тепловой мощности, а также экономичности многорежимной теплофикационной установки.
Высокоманевренная многорежимная теплофикационная газотурбинная установка может работать в различных режимах:
1) автономно:
- с подогревом в водогрейном котле-утилизаторе сетевой воды за счет утилизации физического тепла сбросных газов ГТУ;
- с дожиганием топлива перед водогрейным котлом-утилизатором и увеличением тепловой мощности установки.
2) совместно с теплофикационной паротурбинной установкой ТЭЦ по сопряженной тепловой схеме:
- с полным или частичным подогревом питательной воды для парогенератора ТЭЦ в водогрейном котле-утилизаторе с вытеснением отборов пара из паровой турбины на регенеративные подогреватели и расширением в ней вытесненных потоков пара с увеличением ее электрической мощности.
Теплоснабжение потребителей при этом осуществляется за счет подогрева сетевой воды в сетевых подогревателях паровой турбины;
- с отключением теплофикационных отборов и работе паротурбинной установки в конденсационном режиме, с достижением максимальной электрической мощности.
Рассматриваемая установка принята в качестве прототипа предлагаемого изобретения. Наряду с перечисленными положительными качествами ей в то же время также присущи недостатки:
1. При работе газотурбинной установки с водогрейным котлом-утилизатором по сопряженной схеме с паротурбинной установкой ТЭЦ не производится деаэрация питательной воды, нагреваемой в водогрейном котле-утилизаторе и подаваемой в парогенератор паротурбинной установки.
2. Установка-прототип имеет два полнонапорных питательных насоса, что приводит к увеличению капитальных затрат в установку, повышению металлоемкости и снижению надежности водо-водяных подогревателей сетевой воды теплосети.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков при максимальном использовании положительных качеств теплофикационной установки-прототипа.
Поставленная задача решается за счет того, что многорежимная теплофикационная установка, содержащая газотурбинную установку, состоящую из компрессора, камеры сгорания и газовой турбины, водогрейный котел-утилизатор, снабженный камерой дожигания топлива, по меньшей мере, одной паротурбинной установкой, включающей парогенератор, паровую турбину с подогревателями питательной воды низкого и высокого давления, конденсатор, конденсатный насос, деаэратор, питательный насос; газовая турбина связана по сбросным газам через камеру дожигания топлива и водогрейный котел-утилизатор с атмосферой, по воде вход водогрейного котла-утилизатора соединен через насос трубопроводами, снабженными запорно-регулирующей арматурой, с конденсатным насосом паротурбинной установки и с выходом водо-водяных подогревателей сетевой воды теплосети, а его выход связан трубопроводами с запорной арматурой с входом парогенератора паротурбинной установки и с входом водо-водяных подогревателей сетевой воды теплосети, причем применен дополнительный насос теплоносителя среднего давления, в водогрейном котле-утилизаторе по ходу газов последовательно установлены первая и вторая поверхности нагрева, деаэратор паротурбинной установки через питательный насос и первую поверхность нагрева связан трубопроводом питательной воды, снабженным запорно-регулирующей арматурой, с парогенератором; напорный патрубок насоса теплоносителя среднего давления соединен трубопроводами, снабженными запорной арматурой, через вторую и первую поверхности нагрева водогрейного котла-утилизатора, и поверхность нагрева сетевого подогревателя сетевой воды теплосети с всасывающим патрубком насоса теплоносителя среднего давления, который связан также трубопроводом с запорно-регулирующей арматурой с деаэратором паротурбинной установки; вторая поверхность нагрева водогрейного котла-утилизатора соединена также трубопроводами конденсата с входом и выходом подогревателей питательной воды низкого давления паротурбинной установки.
Совокупность признаков: применение дополнительного насоса теплоносителя среднего давления, размещение в водогрейном котле-утилизаторе первой и второй поверхностей нагрева, связь деаэратора через питательный насос и первую поверхность нагрева водогрейного котла-утилизатора с парогенератором паротурбинной установки и соединение второй поверхности нагрева водогрейного котла-утилизатора с подогревателями питательной воды низкого давления паротурбинной установки с примененеием запорно-регулирующей арматуры, по сравнению с установкой-прототипом позволяет:
- уменьшить расход электроэнергии за счет применения насоса теплоносителя среднего давления для перекачки теплоносителя водо-водяных сетевых подогревателей и снизить капитальные затраты в многорежимную теплофикационную установку;
- дополнительно снизить капитальные затраты за счет размещения в водогрейном котле-утилизаторе второй поверхности нагрева со средним давлением теплоносителя;
- повысить надежность многорежимной теплофикационной установки за счет использования деаэратора паротурбинной установки для деаэрации питательной воды и воды - теплоносителя водо-водяных сетевых подогревателей;
- подогревать основной конденсат паровой турбины во второй поверхности нагрева водогрейного котла-утилизатора, вытесняя регенеративные отборы низкого давления паровой турбины с увеличением ее мощности при снижении расхода электроэнергии на собственные нужды.
На чертежах: на фиг.1 приведена принципиальная схема многорежимной теплофикационной установки, а на фиг.2 показана ее блок-схема. На фиг.1 показаны: блок газотурбинной установки 1, блок паротурбинной установки 2, блок сетевой теплофикационной установки 3.
Блок газотурбинной установки 1 включает: газотурбинную установку 4, включающую камеру сгорания и газовую турбину, электрогенератор 7, камеру дожигания топлива 8, водогрейный котел-утилизатор 9, трубопровод горячей питательной воды 10, первую 14 и вторую 15 поверхности нагрева водогрейного котла-утилизатора 9.
Блок паротурбинной установки 2 включает: парогенератор 5, теплофикационную паровую турбину 6 с конденсатором и электрогенератором, подогреватели питательной воды высокого давления 11, деаэратор высокого давления 12, подогреватели питательной воды низкого давления 13, соединительный трубопровод 16, трубопровод питательной воды 17, питательный насос 18, трубопровод подогретого основного конденсата 19, трубопровод конденсата 20, напорный трубопровод теплоносителя 21, насос теплоносителя среднего давления 22, сетевые подогреватели 26, паропровод теплофикационного отбора 27, запорно-регулирующая арматура a, b, c.
Блок сетевой теплофикационной установки 3 включает: трубопровод горячего теплоносителя 23, водо-водяные сетевые подогреватели 24, трубопровод охлажденного теплоносителя 25, трубопровод прямой сетевой воды 28, теплофикационный потребитель 29, сетевой насос 30, трубопровод обратной сетевой воды 31.
Так же, как и установка-прототип, многорежимная теплофикационная установка согласно изобретению может работать в следующих режимах. Первый режим - блок газотурбинной установки 1 сопряжен с блоком паротурбинной установки 2. Паровая турбина 6 работает в теплофикационно-конденсационном режиме с максимальной электрической мощностью.
Полезная работа газотурбинной установки 4 используется для привода электрогенератора 7, уходящее газы газовой турбины подаются в водогрейный котел-утилизатор 9. Перегретый пар из парогенератора 5 расширяется до конденсатора паровой турбины 6, полезная работа которой используется для привода ее электрогенератора. Конденсат пара из конденсатора паровой турбины 6 по трубопроводу конденсата 20 проходит через вторую 15 поверхность нагрева водогрейного котла-утилизатора 9, нагревается в ней за счет теплоты уходящих газов газовой турбины и по трубопроводу подогретого основного конденсата 19 подается на вход деаэратора высокого давления 12, байпасируя подогреватели питательной воды низкого давления 13. Вытесненный пар теплофикационных отборов дополнительно расширяется в паровой турбине 6 с увеличением ее электрической мощности. В деаэраторе высокого давления 12 основной конденсат деаэрируется и питательным насосом 18 питательная вода по трубопроводу питательной воды 17 проходит через первую 14 поверхность нагрева водогрейного котла-утилизатора 9, нагревается в ней теплотой уходящих газов газовой турбины и по трубопроводу горячей питательной воды 10 подается в парогенератор 5 блока паротурбинной установки 1. Паром теплофикационного отбора паровой турбины 6, подаваемым по паропроводу теплофикационного отбора 27 в сетевой подогреватель 26, производится подогрев сетевой воды, подаваемой теплофикационному потребителю 29 по трубопроводу прямой сетевой воды 28 и возвращаемой на вход сетевого подогревателя 26 по трубопроводу обратной сетевой воды 31 с помощью сетевого насоса 30. Для осуществления сопряженной работы блока газотурбинной установки 1 и блока паротурбинной установки 2 запорно-регулирующая арматура a на трубопроводах открыта при закрытой запорно-регулирующей арматуре b и c. При этом производится байпасирование подогревателей питательной воды высокого давления 11. Вытесненный греющий пар отборов на эти подогреватели дополнительно расширяется в паровой турбине 6 с увеличением ее электрической мощности. Второй режим - блок газотурбинной установки 1 сопряжен с блоком паротурбинной установки 2. Паровая турбина 6 работает в теплофикационно-конденсационном режиме с неполной электрической мощностью.
Отличие этого режима от вышеизложенного связано с тем, что конденсат пара из конденсатора паровой турбины 6 может параллельно подогреваться как во второй поверхности нагрева 15 водогрейного котла-утилизатора 9, так и в подогревателях питательной воды низкого давления 13. Соответственно, питательная вода может подаваться параллельно по трубопроводу питательной воды 17 как в первую поверхность нагрева 14 водогрейного котла-утилизатора 9, так и в подогреватели питательной воды высокого давления 11, подогреваться в них и поступать в парогенератор 5. Запорно-регулирующая арматура a на трубопроводах питательной воды 17 и горячей питательной воды 10 открыта, при закрытой запорно-регулирующей арматуре b. При этом запорно-регулирующая арматура c на трубопроводе питательной воды 17 частично или полностью открыта, а запорно-регулирующая арматура на трубопроводах конденсата 20 и подогретого основного конденсата 19 частично прикрыта.
Третий режим - блок газотурбинной установки 1 работает автономно с выработкой электроэнергии и подогревом сетевой воды теплосети последовательно в первой и второй поверхностях нагрева водогрейного котла-утилизатора за счет утилизации теплоты сбросных газов газовой турбины.
Полезная работа газотурбинной установки 4 используется для привода электрогенератора 7, уходящее газы газовой турбины подаются в водогрейный котел-утилизатор 9 и охлаждаются в нем, нагревая в его в первой 14 и второй 15 поверхностях нагрева теплоноситель, подаваемый насосом теплоносителя среднего давления 22 по напорному трубопроводу теплоносителя 21 через вторую поверхность нагрева 15, соединительный трубопровод 16, первую поверхность нагрева 16 водогрейного котла-утилизатора 9 и трубопровод горячего теплоносителя 23 в водо-водяные сетевые подогреватели 24, где за счет теплоты теплоносителя производится подогрев сетевой воды, подаваемой теплофикационному потребителю 29 по трубопроводу прямой сетевой воды 28 и возвращаемой на вход водо-водяных сетевых подогревателей 24 трубопроводу обратной сетевой воды 31 с помощью сетевого насоса 30. Запорно-регулирующая арматура a на трубопроводах питательной воды 17, горячей питательной воды 10, конденсата 20 и подогретого основного конденсата 19 закрыта, а запорно-регулирующая арматура b на напорном трубопроводе теплоносителя 21, соединительном трубопроводе 16, трубопроводе горячего теплоносителя 23 открыта. Подпитка теплоносителя производится из бака деаэратора высокого давления 12 паротурбинной установки 1. Подпиточный насос на тепловой схеме условно не показан.
Четвертый режим - блок газотурбинной установки работает автономно с выработкой электроэнергии со сжиганием топлива перед водогрейным котлом-утилизатором и подогревом сетевой воды теплосети. Отличие этого режима от предыдущего заключается в том, что в камере дожигания топлива 8 перед водогрейным котлом-утилизатором 9 дополнительно сжигается топливо, повышается температура газов перед ним, за счет чего увеличивается отпуск теплоты теплофикационному потребителю 29. Состояние запорно-регулирующей арматуры на трубопроводах то же, что и в предыдущем режиме.