ПАРОГАЗОВАЯ УСТАНОВКА С ГЛУБОКОЙ УТИЛИЗАЦИЕЙ ТЕПЛА ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ
COMBINED-CYCLE PLANT WITH DEEP WASTE GAS HEAT RECOVERY

Изобретение относится к области энергетики и направлено на совершенствование парогазовых установок (ПГУ).
Области применения данного решения: ПГУ в любом составе: ПГУ-ТЭЦ (ТЭС, РТС, мини-ТЭЦ и пр.), газотурбинные приводы компрессоров газоперекачивающих, ГПС, станций магистральных газо- и нефтепроводов; при проектировании и создании новых и совершенствовании (реконструкции, модернизации) существующих ПГУ. При использовании известных методов охлаждения компримируемого воздуха в летнее время (процесс STIG, системы испарительного охлаждения, СИО) заявляемое устройство позволяет исключить потери воды.
Известны ПГУ с глубокой утилизацией (ГУ) тепла отходящих газов - например [1] (аналог). Охлаждение и конденсацию парогазовой смеси (ПГС) осуществляют в конденсационном теплообменнике-утилизаторе (КТУ), включенном в замкнутый холодильный контур испарителя абсорбционного бромистолитиевого трансформатора тепла (АБТТ). КТУ установлен в газоходе сразу за котлом-утилизатором с возможностью байпасирования и оборудован системой слива, сбора, удаления, обработки (очистки) и циркуляции конденсата продуктов сгорания (ПС). Схема требует больших эксплуатационных и особенно капитальных затрат (стоимость АБТТ с оборудованием и коммуникациями), производственных площадей, больших расходов циркуляционной воды.
В аналоге хладоносителем для КТУ является вола, охлажденная в испарителе АБТТ. В заявляемом решении охладителем служит конденсат паровой турбины ПТ, подаваемый из конднсатора на вход КТУ.
По сумме признаков наиболее близким к предлагаемому решению является ПГУ с утилизацией тепла отходящих газов, содержащая
- газотурбинную установку (ГТУ), включающую газовую турбину, многоступенчатый турбокомпрессор, камеру сгорания (КС) и электрогенератор;
- паровой котел-утилизатор (КУ) с газовым трактом и дымовой трубой;
- паротурбинную установку (ПТУ), состоящую из паровой турбины (ПТ) с конденсатором, снабженным конденсатосборником, электрогенератора, градирни и насосов - питательного, циркуляционного и конденсатного;
- ЕТУ [2] (прототип).
В отличие от аналогов и прототипа в предлагаемой ПГУ с целью
- исключения потерь воды с впрыском;
- повышения экономичности и энергоэффективности работы установки за счет глубокой утилизации тепла отходящих газов;
- улучшения экологических характеристик
вход КТУ соединен с конденсатосборником конденсатора ПТ, а выход - с линией подачи конденсата от конденсатора паровой турбины в котел-утилизатор.
Заявляемая установка схематично показана на Фиг. 1-4, где обозначены: 1 - электрогенератор ГТУ. 2 - многоступенчатый турбокомпрессор. 3 - комплексная воздухоочистительная установка (КВОУ) с системой испарительного охлаждения (СИО). 4 - узел распыления. 5 - запорно-регулирующие органы, интегрированные в САУ объекта. 6 - камера сгорания (КС). 7 - газовая турбина. 8 - паровой котел-утилизатор (ПКУ). 9, 10 - барабаны высокого, ВД, и низкого, НД, давления соответственно с встроенной деаэрационной колонкой. 11 - питательный насос ВД. 12 - теплофикационный отбор пара. 13 - конденсационный теплообменник-утилизатор, КТУ. 14 - съемная крышка камеры газохода. 15 - каплеуловитель (сетчатый фильтр). 16 - дымовая труба. 17 - электрогенератор ПТУ. 18, 19 - цилиндры ПТ низкого и высокого давления. 20 - конденсатор. 21 - станционная или индивидуальная градирня. 22 - циркуляционный насос. 23 - забор очищенного конденсата ПС на собственные нужды, СН. 24 - конденсатосборник. 25 - конденсатный насос ПТУ. 26 - общая конденсатная линия. 27 - регулятор расхода. 28 - трубопровод на котел. 29 - трубопровод на КТУ. 30 - поддон и резервуар для слива и сбора конденсата продуктов сгорания, ПС. 31 - бак запаса конденсата. 32 - дренажный насос. 33 - модуль ХВП (обработки конденсата ПС). 34 - бак запаса очищенного конденсата ПС. 35 - насос в контуре очищенного конденсата ПС. 36 - главный газоход. 37 - шибер главного газохода. 38 - байпасный канал. 39 - шибер байпасного канала.
На схеме Фиг. 1 показана ПГУ, оборудованная известной системой испарительного охлаждения, СИО, воздуха на входе в компрессор с распылом воды посредством форсунок; узел смонтирован в КВОУ.
Применим и известный процесс STIG (Steam Injection Gas) - с инжекцией пара в газовый тракт ГТУ (см. [1]).
Предусматриваются теплофикационный отбор 12 пара НД, забор 23 на СН.
P
P
P
Температура конденсата в ПТУ - от 20 до 40°С. Температура T точки росы ПС природного газа 50-55°С. В случае же впрыска воды или пара, т.е. образования парогазовой смеси, ПГС, высокой влажности, значение T повышается и в данных условиях достигает величины порядка 60-65°С. Это интенсифицирует теплообмен, обеспечивается в КТУ конденсацию содержащихся в ПС паров воды, а именно: 1. влаги наружного воздуха; 2. внесенных с впрыском воды или пара в газовый тракт; 3. образующихся при сжигании природного газа. По мере конденсации, с уменьшением влажности ПГС, значение T снижается, весь конденсат высадить (т.е осушить ПГС) невозможно, на выходе из КТУ влагосодержание смеси определяется ее термодинамическим равновесием при фактической температуре (порядка 40°С) и давлении (немного ниже атмосферного под тягой дымовой трубы и выше - при работе на нагнетательной стороне с дымосом). Таким образом, вода всех водяных паров возвращается в цикл, а избыток воды расходуется на СН, в основном на подпитку котла - через регулируемый отвод 23.
Конденсат ПС стекает по трубкам теплообменника 13, сливается в поддон 30, самотеком поступает в бак запаса конденсата 31, оттуда насосом 32 откачивается и подается на модуль ХВП - обработки (очитки) конденсата ПС 33. Дешевая, надежная технология очистки конденсата ПС природного газа, ПТ, (многолетняя эксплуатация котлов конденсационного типа за рубежом и у нас) включает дегазацию (деаэрацию) и декарбонизацию. Для нейтрализации небольших объемов используют сменные доломитовые наполнители (блоки с гранулятом), а больших - контейнеры с дозирующими устройствами для каустической соды (устройства жидкой нейтрализации). Вода впрыска требует, кроме того, деминерализации - обессоливания и фильтрации (штатные технологии ХВО котельных и электростанций).
Тепловую мощность КТУ, температуру ПС за КТУ регулируют байпасированием (Фиг. 2, 3, 4). Предложенное устройство байпаса с общей стенкой камеры с КТУ и байпасного канала делает конструкцию компактной, дешевой, экономичной, минимизирует теплопотери.
Повышение аэродинамического сопротивления тракта (теплообменник на пути ПС, байпас, шиберы) практически компенсируется его снижением за счет уменьшения объемов ПС благодаря убыванию расхода топлива и, главным образом, удалению водяных паров.
Небольшой брызгоунос за КТУ неизбежен (до 5%). Применяются капле -уловители 15 различного типа: стационарные, инерционные и простейшие - фильтры (в т.ч. самоочищающиеся): сетки, жалюзи, решетки и др.
Материал рабочих поверхностей теплообменника, газового тракта и дымовой трубы - коррозионностойкие нержавеющие стали и сплавы и пр., это общепринятая практика.
Система работает как с узлом глубокой утилизации, ГУ, так и без нее: газоход перекрывают шибером 37 (Фиг. 2), и ПС направляют в байпасный канал 38. а конденсат пара из конденсатора ПТ напрямую подают в котел (Фиг. 1).
В схеме реализуется практически безотходный процесс - материально и энергетически благодаря замкнутому водо-паро-газовому контуру.
3
Как показал оценочный расчетный анализ объекта по данным [3] для условий ПГУ-80, степень байпасирования, достаточная для сохранения в цикле воды впрыска 4,5 м3/ч, составляет Ψ=0,6. С учетом брызгоуноса и прочих потерь воды приняли Ψ=0,55, доля ПС, проходящих через узел ГУ (КТУ), равна 1-Ψ=0,45; тепловая нагрузка (мощность) КТУ составит 2,72 Гкал/ч. Это количество утилизированного в КТУ, т.е. сэкономленного тепла, или примерно 340 м/ч природного газа (ПГ). Оно возвращается в котел с конденсатом либо в технологическую схему объекта, а в случае работы котла с дожиганием составляет чистую экономию газа дожигания. Таким образом, приведенный удельный выигрыш в тепле 2,72/60=0,045 Гкал в час на один МВт электрической мощности ГТУ.
2
В результате, в режиме дожигания, с коэффициентом расхода воздуха.на выходе из котла α=1,3 получили расчетные ожидаемые данные: нагрев конденсата на 30°С, температурный напор в теплообменнике 37,5°С, температура ПС - смеси за КТУ 87°С (исключается конденсация в тракте), площадь поверхности теплообмена F=1406 м.
Полученные параметры вполне реализуемы, вписываются в рамки обычных режимов работы. Заметных технических трудностей в реализации предлагаемой ПГУ (расчет, устройство, работа, стандартное оборудование, проектирование и пр.) нет. Применение современных теплообменных аппаратов с высокой компактностью и интенсивностью теплообмена (развитые поверхности, турбулизаторы и пр.) резко снизит площадь нагрева.
Области применения данного решения: ПГУ бинарного типа в любом составе: ПГУ-ТЭЦ (ТЭС, РТС, мини-ТЭЦ и пр.), газотурбинные приводы компрессоров газоперекачивающих, ГПС, и дожимных компрессорных, ДКС, станций магистральных газо- и нефтепроводов, при проектировании и создании новых и совершенствовании (реконструкции, модернизации) существующих ПГУ.
В предлагаемой ПГУ достигаются:
- 1. исключение потери воды с впрыском воды или пара: Получение при этом избыточной воды актуально для засушливых и безводных районов с жарким и сухим климатом, т.е. там, где как раз наиболее востребовано охлаждение компримируемого воздуха ГТУ.
- 2. максимальная энергоэффективность - за счет глубокой утилизации. Удельная экономия тепла в пределах от 0,045 до 0,1 Гкал в час на один МВт мощности ГТУ.
- 3. экологический эффект - вплоть до экологически чистого процесса благодаря: снижению расхода топлива, но главным образом - орошению ПС капельной влагой, конденсатом, при прохождении ПС через КТУ (промывка отходящих газов, растворение оксидов в ПС).
Конденсация локализуется в одном месте - в камере КТУ, устраняется или сводится к минимуму конденсация в газовом тракте и дымовой трубе, улучшаются условия их службы, отпадает необходимость в рециркуляции дымовых газов для предотвращения конденсации, в установке водоводяного теплообменника в замкнутом контуре с котлом (в известных ПГУ).
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Е.Г. Шадек. Патент №2607574, 16.02.2015. Комбинированная парогазовая установка с инжекцией пара в газовый тракт с применением трансформатора тепла и способ ее работы (аналог).
2. В.Д. Буров, Е.В. Дорохов, Д.П. Едизаров и др. Тепловые электрические станции. М, МЭИ, 2005, с. 380. (прототип).
3. Березинец П.А., Ольшанский Г.Г. Перспективные технологии и установки производства тепловой и электрической энергии. 6,2 Газотурбинные и парогазовые установки. 6.2.2.ПГУ. Современные природоохранные технологии в энергетике. Инженерный сборник. Изд. Дом МЭИ. М., 2007 г.