ТЕПЛОВАЯ ПАРОТУРБИННАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ С ПАРОГЕНЕРИРУЮЩЕЙ ВОДОРОД-КИСЛОРОДНОЙ УСТАНОВКОЙ (ВАРИАНТЫ)
THERMAL STEAM TURBINE POWER PLANT WITH STEAM-GENERATING HYDROGEN-OXYGEN PLANT (VERSIONS)

Изобретение относится к области паросиловых энергетических установок, а именно к тепловым электростанциям (ТЭС) с паровыми турбинами и системами обеспечения восстановления их работоспособности.
Из уровня техники известны различные конструкции ТЭС, например из патентов RU 2273740, RU 2335642, заявок WO 2009002179, RU 2006128017, RU 2004121728, JP 2006009574, JP 2005264800.
Все конструкции тепловых паротурбинных электростанций содержат систему парогенераторов, турбин и энергопреобразователей, а также систему восстановления работоспособности (запуска) станции после ее аварийной остановки. При этом общим недостатком известных ТЭС является необходимость использования нескольких различных устройств для восстановления электрических и паровых собственных нужд (СН), время и принцип работы которых, как правило, существенно отличаются, что влечет за собой сложности при восстановлении рабочего режима ТЭС после аварии.
Известно, что аварии с потерей паровых и электрических собственных нужд ТЭС являются достаточно редкими, но одними из наиболее тяжелых, поскольку требуют значительного (порядка многих часов) времени на восстановление нормальной работы ТЭС.
Причинами таких аварий обычно являются аварийное деление энергосистемы с резким нарушением баланса генерируемой и потребляемой мощности в выделившейся части энергосистемы; нарушение баланса может привести к резкому отклонению частоты в указанной части и срабатыванию защит, действующих на остановку оборудования электростанций этой части энергосистемы.
В настоящее время для восстановления электрических СН, как правило, предусматривают установку на ТЭС дизель-генераторов, оснащенных средствами автономного запуска. Время их пуска измеряется минутами. Для восстановления паровых СН на ряде ТЭС имеются пуско-резервные котельные, имеющие, как правило, два пусковых паровых котла небольшой мощности. Пуск таких котлов с набором необходимых параметров пара занимает порядка 2-3 часов.
Мощности указанных дизель-генераторов и пусковых паровых котлов должны быть достаточными для обеспечения СН одного энергоблока ТЭС с его выходом на минимально допустимую нагрузку (обычно 50-60% номинальной) после 2-3 часов простоя, связанного с вводом в работу пускового котла. Восстановление работоспособности одного энергоблока может дополнительно потребовать примерно такого же времени. Только после этого (через 4-6 часов после аварии) становится возможным начать восстановление мощности всей ТЭС.
Необходимо отметить, что все время после остановки ТЭС тепломеханическое оборудование энергоблоков расхолаживается. Чем больше время его простоя, тем больше требуется времени на восстановление температурного режима и нагрузки энергоблоков.
Задача настоящего изобретения состоит в сокращении времени восстановления паровых и электрических СН ТЭС.
Указанная задача решается посредством предложенной тепловой паротурбинной электростанции с парогенерирующей водород-кислородной установкой, используемой в конструкции ТЭС для повышения маневренности путем быстрого восстановления электрических и паровых собственных нужд после аварии.
Тепловая паротурбинная электростанция содержит парогенерирующую систему (любую известную из уровня техники для ТЭС, т.е. с соответствующими котлами, генераторами, магистралями и т.д.), обеспечивающую создание и подачу пара для вращения, по крайней мере, одной рабочей турбины (предпочтительно наличие двух турбин), соединенной с соответствующим генератором, подключенным к общей электрической сети выдачи мощности. При этом отличие предложенной ТЭС заключается в том, что она содержит, по крайней мере, одну противодавленческую турбину, конструктивно соединенную с генератором противодавленческой турбины, подключенным к электрической сети собственных нужд, и с магистралью паровых собственных нужд. При этом противодавленческая турбина выполнена с возможностью работы от пара, подаваемого непосредственно из отбора основной турбины и/или (как варианты выполнения) из паропровода рабочего пара, питающего основную турбину. Кроме того, перед противодавленческой турбиной установлена парогенерирующая водород-кислородная установка с возможностью аварийного запуска снабжения паром противодавленческой турбины и обеспечения поддержания давления в магистрали паровых собственных нужд и продолжения вращения генератора противодавленческой турбины для восстановления электрических и паровых собственных нужд.
Предпочтительно парогенерирующая водород-кислородная установка выполнена с магистралями подвода кислорода и водорода, а также охлаждающей и балластирующей воды и имеет автоматическое управление по заданной программе.
По другому варианту тепловая паротурбинная электростанция содержит парогенерирующую систему (любую известную из уровня техники для ТЭС), обеспечивающую создание и подачу пара для вращения, по крайней мере, одной рабочей турбины, соединенной с соответствующим генератором, подключенным к общей электрической сети выдачи мощности. Отличием данной ТЭС от известных является то, что указанный генератор рабочей турбины подключен также к электрической сети собственных нужд, указанная рабочая турбина дополнительно соединена с магистралью паровых собственных нужд. При этом указанная рабочая турбина выполнена с возможностью подачи на ее вход пара от парогенерирующей водород-кислородной установки, служащей для обеспечения аварийного восстановления электрических и паровых собственных нужд. Указанная парогенерирующая водород-кислородная установка установлена непосредственно на входе рабочей турбины и/или (как варианты выполнения) соединена с паропроводом рабочего пара, питающего рабочую турбину в нормальном режиме работы.
Также предпочтительно парогенерирующая водород-кислородная установка выполнена с магистралями подвода кислорода и водорода, а также охлаждающей и балластирующей воды и имеет автоматическое управление по заданной программе. Целесообразно, чтобы генератор рабочей турбины был выполнен с возможностью переключения с электрической сети выдачи основной мощности на электрическую сеть собственных нужд.
До настоящего времени парогенерирующая водород-кислородная установка (ПВКУ) не применялась на отечественных ТЭС для восстановления их работоспособности.
В качестве ПВКУ может быть использован парогенератор, например, по патентам RU 2309325 или RU 2300049. Использование ПВКУ для вращения паровой электрической турбины струей пара известно из заявки RU 93052419.
На фиг.1 показано схематичное изображение использования ПВКУ с противодавленческой турбиной в системе ТЭС.
На фиг.2 показано схематичное изображение использования ПВКУ без противодавленческой турбины в системе ТЭС.
Работа и устройство предложенных ТЭС с ПВКУ рассмотрены ниже.
ТЭС, представленная на фиг.1, содержит противодавленческую турбину 4 с генератором 5 и парогенерирующую водород-кислородную установку (ПВКУ) 3. Генератор 5 противодавленческой турбины 4 выдает мощность в сеть СН ТЭС. На вход противодавленческой турбины 4 подается пар или от отбора основной турбины 1 одного из энергоблоков, или как второй вариант - из паропровода свежего пара перед основной турбиной. Выбор варианта зависит от соотношения давлений свежего пара и пара, генерируемого ПВКУ 3. Основная турбина 1 вращает свой генератор 2, подключенный к сети выдачи мощности ТЭС. Пар с выхода противодавленческой турбины 4 поступает в магистраль паровых СН ТЭС (не показана).
На вход ПВКУ 3 подается водород и кислород под давлением от станционных хранилищ, а также (от бака запаса, находящегося под давлением) охлаждающая вода для охлаждения камеры сгорания и балластирующая вода для снижения температуры пара.
В нормальном режиме работы ТЭС работает все указанное оборудование, кроме ПВКУ 3. Линии подачи газов и воды в этом режиме перекрыты. В случае потери (или угрозы потери) СН ТЭС автоматически открываются линии подачи газов и воды к ПВКУ, и последняя включается в работу (время включения ПВКУ составляет 6-8 с). Одновременно перекрывается линия подачи пара от турбины 1. Таким образом, восстанавливаются паровые и электрические СН, достаточные для работы энергоблока с его выходом на минимально допустимую нагрузку. Генератор энергоблока переключается при необходимости на питание сети электрических СН ТЭС, а один из отборов турбины на питание магистрали паровых собственных нужд. Поскольку время восстановления СН не превосходит нескольких секунд, этот энергоблок, не успевший расхолодиться, может стать источником СН, достаточным для полного восстановления работоспособности ТЭС.
Необходимо отметить, что как ПВКУ 3, так и противодавленческая турбина 4 небольшой мощности и весьма компактны.
Принципиальным отличием предлагаемой тепловой паротурбинной электростанции является то, что в аварийном режиме используется паровая турбина, находящаяся в работе и при нормальном режиме. Эта турбина прогрета, и при переводе ее на аварийный источник пара - ПВКУ - не требуется время на ее прогрев. Для обеспечения аварийного резерва даже в случае нахождения турбины в ремонте на электростанции целесообразно иметь две одинаково оснащенных аварийными источниками турбины.
На фиг.2 приведен третий вариант ТЭС. По этому варианту отсутствуют противодавленческая турбина 4 и генератор 5. ПВКУ 3 подключена на вход основной турбины 1. В случае потери СН ТЭС ПВКУ включается в работу, обеспечивая питание магистрали паровых собственных нужд от отбора турбины 1, а питание сети электрических СН ТЭС - от генератора 2, который может автоматически переключаться с сети выдачи мощности на сеть электрических СН ТЭС.
Отличия ТЭС по фиг.1 и фиг.2 только в вариантах систем обеспечения паровых и электрических собственных нужд, в первом случае - с использованием противодавленческой турбины, во втором - с подключением основной турбины.
Преимущество вариантов, продемонстрированных на фиг.1, в их большей безопасности, поскольку ПВКУ 3, противодавленческую турбину 4 и генератор 5 можно вынести за пределы главного корпуса, исключив тем самым любую вероятность образования в нем взрывоопасной смеси газов. Преимущество третьего варианта состоит в меньших капитальных затратах.
На ранних стадиях внедрения предложенной системы (до полной отработки их безопасности) имеет смысл применять варианты, рассмотренные на фиг.1. В дальнейшем целесообразно перейти на вариант, предложенный на фиг.2.
Предложенное изобретение по всем вариантам обеспечивает возможность восстановления паровых и электрических собственных нужд ТЭС с использованием ПВКУ, сокращая время восстановления работоспособности ТЭС.