Способ работы парогазовой установки в период прохождения провалов графика электропотребления
METHOD FOR OPERATION OF COMBINED CYCLE PLANT DURING PERIOD WHEN POWER CONSUMPTION SCHEDULE DIPS

Изобретение относится к области энергетического энергомашиностроения и может быть использовано в работе парогазовой установки (ПГУ) в периоды прохождения провалов графика электропотребления с переводом паровой турбины в моторный режим.
Известен способ работы многоцилиндровой турбины в моторном режиме, в котором осуществляют подвод пара заданных параметров на концевые уплотнения и в отборы, прямоточное движение пара в цилиндры среднего и низкого давления (ЦСД, ЦНД) и противоточное – в цилиндр высокого давления (ЦВД) при отводе пара из камеры регулирующей ступени через регулирующие клапаны. Особенность известного способа состоит в том, что пар из камеры регулирующей ступени отводят одновременно через концевое уплотнение в отбор, а через регулирующие клапаны – на переднее концевое уплотнение ЦСД (см. авторское свидетельство SU № 1208280, МПК F01K 13/02, опубл. 30.01.1986, бюл. № 4).
Недостатком данного технического решения является то, что снижение нагрузки обеспечивается переводом турбины в моторный режим с одновременным остановом и горячей консервацией котла энергоблока.
Известен способ работы парогазовой установки, в котором функционирование известной ПГУ связано с использованием пара, генерируемого во втором и в третьем контурах, для регенеративного нагрева воды в контуре высокого давления. При этом в тепловой схеме известной ПГУ имеется два независимых пароводяных контура – основной высокотемпературный контур высокого давления обеспечивает нормальную работу паротурбинного блока, а второй низкотемпературный контур низкого давления обеспечивает только двухступенчатый регенеративный подогрев питательной воды, поступающей в котел утилизатор (см. патент РФ № 2553477, МПК F01K 23/10, опубл. 20.06.2015, бюл. № 17).
Недостатком данного технического решения является недостаточный регулировочный диапазон, сложность эксплуатации на переменных режимах в условиях прохождения провалов нагрузки ТЭС, низкая эффективность утилизации теплоты газов, покидающих газовую турбину по контуру низкого давления котла утилизатора.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ работы парогазовой установки в период прохождения провалов графика электропотребления, в котором осуществляют перевод паровой турбины в моторный режим с распределением пара высокого и низкого давлений между подогревателями сетевой воды и ступенями паровой турбины. В моторном режиме вращение ротора паровой турбины осуществляется генератором при номинальной частоте вращения, при этом в конденсаторе турбины поддерживается давление, близкое к номинальному, а охлаждение проточной части, нагревающейся за счет трения, осуществляется паром сниженной температуры, подаваемым в ресивер ЦНД или в один из отборов ЦСД. Пуск паровой турбины при выходе из моторного режима обеспечивают за счет предварительного подогрева металла паровпускных частей паровой турбины путем подачи в паровую турбину дополнительного пара, в опережающем темпе регулируют температуру металла таким образом, чтобы она отличалась от температуры пара, поступающего на паровпуск паровой турбины при пуске от котла-утилизатора не более, чем 30 градусов.
Технологические параметры перевода ПГУ в режим ГТУ-ТЭЦ выбирают с учетом схем распределения пара высокого и низкого давлений между подогревателями сетевой воды (см. Аракелян Э.К., Андрюшин А.В., Бурцев С.Ю., Андрюшин К.А. Исследование технической и экономической целесообразности работы ПГУ - 450 в режиме ГТУ-ТЭЦ / Теплоэнергетика, № 12, 2018, с. 53-64).
Недостатками данного технического решения являются низкая маневренность паровой турбины и ПГУ в целом, т.к. при обратном пуске из моторного режима в известном способе потребуется дополнительное время на подогрев паровпускных органов и первых восьми ступеней ЦВД, малый диапазон регулирования ПГУ при прохождении провалов графика электропотребления и низкая надежность работы паровпускных органов, это связано с тем, что первичным является регулирование температуры металла, а температура пара, поступающего из котла утилизатора, произвольная и соответствует мощности газовой турбины. Регулирование температуры металла сложный процесс из-за малых расходов пара, допустимых к подаче в паровую турбину, и требует продолжительного времени.
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение маневренности ПГУ при переводе паровой турбины в моторный режим с последующим выходом на номинальный режим и быстрым набором нагрузки.
Технический результат заключается в повышении надежности работы паровпускных органов, а также улучшении экологических и эксплуатационных показателей энергоустановки в режиме ГТУ-ТЭЦ.
Это достигается тем, что в способе работы парогазовой установки в период прохождения провалов графика электропотребления, заключающемся в регулировании электрической мощности в теплофикационном режиме с использованием в составе парогазовой установки газовой турбины, котла утилизатора, многоцилиндровой паровой турбины, конденсатора, генератора, средств контроля и управления, в разгружении мощности газовой турбины до нижней границы регулировочного диапазона и переводе паровой турбины в моторный режим с отбором пара на охлаждение проточной части, согласно изобретению при переводе паровой турбины в моторный режим осуществляют отбор пара высокого давления на подогреватель сетевой воды, на паровпуск цилиндра высокого давления через байпасную линию главной паровой задвижки, на уплотнение цилиндра высокого давления через редукционно-охладительное устройство, и пара низкого давления на цилиндр низкого давления от подогревателя сетевой воды, после прохождения минимальной нагрузки провалов графика электропотребления, параллельно с набором нагрузки на газовой турбине, в опережающем режиме осуществляют контроль температурного состояния проточной части паровой турбины и, в соответствии с полученными показаниями, направляют в нее требуемое для быстрого набора нагрузки количество пара высокого давления из котла-утилизатора, температуру которого поддерживают выше температуры металла паровпускных органов на 0-30°С.
Дополнительно при регулировании электрической мощности в теплофикационном режиме в состав парогазовой установки используют, по крайней мере, две газовые турбины, два котла-утилизатора и одну паровую турбину, при этом распределяют электрическую нагрузку газотурбинной установки между газовыми турбинами по критерию минимального расхода топлива, обеспечивают регулирование электрической мощности парогазовой установки сбросом пара из котлов утилизаторов в количестве, необходимом для отпуска тепла в подогреватели сетевой воды, а разгружение паровой турбины осуществляют сбросом пара по обводным паропроводам в цилиндры высокого и низкого давления.
Кроме того, при переводе паровой турбины в моторный режим, осуществляют функционирование генератора в режиме синхронного компенсатора с подачей или потреблением из энергосистемы реактивной мощности в зависимости от уровня его возбуждения.
Способ работы парогазовой установки в период прохождения провалов графика электропотребления осуществляют следующим образом.
В соответствии с изобретательским замыслом достижение технического результата в предложенном способе работы ПГУ в периоды прохождения провалов графика электропотребления обеспечивается регулированием электрической мощности ПГУ. При этом энергоустановку сначала разгружают до допустимых значений порядка 55-60 %, на этой нагрузке фиксируют рабочие параметры газовой турбины и котла утилизатора, при этом такая нагрузка газовой турбины обеспечивает работу с минимальными выбросами в атмосферу. Последующее разгружение мощности ПГУ выполняют переводом паровой турбины в моторный режим с заранее выбранным оптимальным распределением отборов пара на охлаждение ее проточной части. Это осуществляют отбором пара высокого давления на подогреватель сетевой воды, на паровпуск цилиндра высокого давления через байпасную линию главной паровой задвижки, на уплотнение цилиндра высокого давления через редукционно-охладительное устройство, и пара низкого давления – на цилиндр низкого давления от подогревателя сетевой воды. Последующий выход ПГУ на номинальный режим в соответствии с предложенным способом осуществляется с меньшими энергетическими потерями и сопровождается повышением экологических показателей энергоустановки в периоды прохождения провалов графика электропотребления. После прохождения минимальной нагрузки провалов графика электропотребления параллельно с набором нагрузки на газовой турбине в опережающем режиме осуществляют контроль температурного состояния проточной части паровой турбины. В соответствии с полученными показаниями направляют в паровую турбину требуемое для быстрого набора нагрузки количество пара высокого давления, температуру которого поддерживают выше температуры металла паровпускных органов на 0-30°С. При регулировании электрической мощности в теплофикационном режиме в составе оборудования ПГУ, в ряде случаев, целесообразно использовать, по крайней мере, две газовые турбины, два котла утилизатора и одну многоцилиндровую паровую турбину. При этом регулирование электрической мощности ПГУ обеспечивают сбросом пара из котлов утилизаторов в количестве, необходимом для отпуска тепла в сетевые подогреватели, а разгружение паровой турбины осуществляют сбросом пара по обводным паропроводам – в ЦВД и ЦНД. При переводе паровой турбины в моторный режим обеспечивается возможность регулирования расхода и температуры пара, подаваемого в головную часть турбины для указанного поддержания рабочей температуры металла проточной части турбины в допустимых границах. Указанная разница между температурой острого пара и температурой металла паровпускных органов 0-30°С, обеспечивает надежность функционирования проточной части паровой турбины при быстром наборе нагрузки после прохождения минимальной нагрузки провалов графика электропотребления параллельно с набором нагрузки на газовой турбине. Для обеспечения требуемого качества электроэнергии и исключения дополнительных электрических потерь в электрической сети при переводе паровой турбины в моторный режим обеспечивают функционирование генератора в режиме синхронного компенсатора с подачей или потреблением из энергосистемы реактивной мощности в зависимости от уровня его возбуждения.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где показана блок-схема ПГУ, функционирующая в соответствии с предложенным способом.
В соответствии с предложенным способом ПГУ содержит: воздухопровод 1, воздушный компрессор 2, регулирующий клапан топлива 3, камеру сгорания 4, газовую турбину 5, котел утилизатор 6, главную паровую задвижку 7, паровую турбину с ЦВД 8 и ЦНД 9, конденсатор 10, циркуляционный и конденсационный насосы 11, 12, подогреватель сетевой воды 13, охладитель 14, сетевой насос 15 и генераторы 16, 17, регулирующие клапаны 18, 19, 20, 21 и паропроводы 22, 23, 24, 25, 26.
Заявляемый способ работы ПГУ в номинальном режиме и указанном составе с переводом паровой турбины в моторный режим и распределением пара высокого и низкого давлений, осуществляется следующим образом.
В камеру сгорания 4 от источника газоснабжения через регулирующий клапан топлива 3, поступает газовое топливо и сжатый внешний воздух с выхода воздушного компрессора 2. Полученные продукты сгорания с высокой температурой и давлением поступают на вход газовой турбины 5, где частично отдают тепло газов, за счет чего генератор 16 вырабатывает электроэнергию. Отработанные в газовой турбине 5 газы с остаточной температурой поступают в межтрубное пространство котла утилизатора 6, а на вход в его трубное пространство, с помощью конденсационного насоса 12, поступает конденсат из парового цикла. В котле утилизаторе 6 за счет использования остаточного тепла газов, поступающих из газовой турбины 5, образуется перегретый пар, который через паропровод 26 при открытой главной паровой задвижке 7, поступает в ЦВД 8 и затем в ЦНД 9 паровой турбины. Механическая энергия вращения паровой турбины в генераторе 17 преобразовывается в электрическую энергию. Отработавший в паровой турбине водяной пар конденсируется в конденсаторе 10, после чего конденсат перекачивается конденсационным насосом 12 обратно в котел утилизатор 6, завершая, таким образом, тепловой цикл ПГУ.
При работе ПГУ в теплофикационном режиме часть пара (при больших тепловых нагрузках почти весь пар) по паропроводу 22 через регулирующий клапан 18, при закрытом регулирующем клапане 19, поступает из ЦВД 8 паровой турбины в подогреватель сетевой воды 13. С другой стороны в подогреватель сетевой воды 13 через сетевой насос 15 и охладитель 14 греющего пара поступает обратная сетевая вода для использования избыточного тепла дренажа подогревателя сетевой воды 13.
В предложенном способе при работе ПГУ в регулировочном режиме при прохождении провалов графиков электропотребления, газовую 5 и паровую турбину разгружают до 50-60 % от номинальной нагрузки в соответствие с эксплуатационной инструкцией. Затем переводят паровую турбину в моторный режим путем закрытия главной паровой задвижки 7 без отключения генератора 17 от сети, а весь пар, поступающий из котла утилизатора 6 по паропроводу 26, направляют в подогреватель сетевой воды 13 по паропроводу 23. Для этого открывают регулирующий клапан 19 и закрывают регулирующий клапан 18. Для охлаждения паровой турбины открывают регулирующий клапан 20 для подачи пара через редукционно-охладительное устройство в голову ЦВД 8 паровой турбины и на передние концевые уплотнения, а также регулирующий клапан 21 для подачи охлаждающего пара в ЦНД 9.
Подбором параметров и количества охлаждающих потоков пара в проточной части паровой турбины создают температурное состояние, отличающегося от номинального не более 30°С. После прохождения минимальной нагрузки провала нагрузки электропотребления, пуск и набор нагрузки паровой турбины осуществляют открытием главной паровой задвижки 7 и регулирующего клапана 18 с одновременным закрытием регулирующих клапанов 19, 20 и 21. Для обеспечения быстрого пуска и набора нагрузки паровой турбины контролируют температурное состояние металла паровпускных органов и в опережающем режиме устанавливают эту температуру в пределах, отличающихся от ожидаемой температуры пара из котла утилизатора 6 в момент подачи в паровую турбину в диапазоне 0-30°С.При выводе паровой турбины из моторного режима осуществляют непрерывный контроль температурного состояния ее проточной части. В соответствии с полученными показаниями, с помощью главной паровой задвижки 7, в проточную часть паровой турбины направляют требуемое, для быстрого набора нагрузки, количество пара, температуру которого поддерживают близкой к температурному состоянию паровпускных органов в диапазоне 0-30°С путем изменения расхода топлива в газовую турбину 5 с помощью регулирующего топливного клапана 3. Предложенный способ устраняет также ограничения по темпу набора нагрузки паровой турбины, так как отсутствуют колебания температуры пара, поступающего из котла утилизатора 6.
В периоды прохождения провалов графика электропотребления режим резервирования паровой турбины осуществляют путем перевода ее в моторный режим с подачей небольшого количества острого пара в головную часть ЦВД 8 для поддержания температуры его ступеней и при подаче охлаждающего пара в проточную часть турбины. При этом обеспечивают эффективное регулирование электрической мощности ПГУ при максимальной скорости пуска паровой турбины уже при переводе ее из моторного режима в режим выдачи активной нагрузки и нагружения турбины до заданных значений электрической нагрузки. Как было указано, перед переводом паровой турбины из моторного режима в режим набора нагрузки, температуру паровпускных органов поддерживают на уровне, равном известной температуре пара, подаваемого из котла утилизатора 6. В итоге регулирование температуры пара и металла рабочих и направляющих лопаток паровой турбины в допустимых границах осуществляют изменением расхода и параметров подаваемого пара.
В предложенном способе температуру пара, поступающего из котла утилизатора, можно быстро изменить расходом топлива на газовую турбину, при этом осуществляют контроль температуры металла паровпускных органов и в зависимости от нее регулируют температуру пара на выходе из котла-утилизатора так, чтобы она отличалась от температуры металла в пределах 0-30°С, процесс этот малоинерционный.
Работа газовой турбины 5 и котла утилизатора 6 в предложенном способе осуществляется в экономичном и надежном режиме с обеспечением экологических показателей, повышением надежности и маневренности паровой турбины. В предложенном способе при пуске паровой турбины не требуется ее разгонять до номинальной частоты вращения и синхронизировать с сетью. Это упрощает пуск и облегчает работу эксплуатационного персонала, особенно в том случае, когда необходимо пустить одновременно несколько турбогенераторов.
Предложенный способ позволяет улучшить показатели надежности паровой турбины в связи с исключением циклических температурных колебаний ее паровпускных органов и вибрационных колебаний в последних ступенях цилиндра низкого давления 9 с возможностью работы генератора 17 паровой турбины в режиме синхронного компенсатора. Снижение нагрузки в режиме ГТУ-ТЭЦ по предложенному способу обеспечивается снижением мощности в пределах регулировочного диапазона, а также разгрузкой турбоагрегата до холостого хода или уровня потребностей собственных нужд электростанции или энергоблока.
Экспериментально доказана надежная длительная работы паровой турбины ПГУ в режиме ГТУ-ТЭЦ при отклонениях параметров пара от номинального значения в диапазоне 23,04-24,02 МПа и 530-545°С.
Реализация указанного способа обеспечивает непрерывное нахождение паровой турбины в горячем состоянии, что дает возможность использовать ее в любой момент времени как аварийный резерв и сократить продолжительность последующего нагружения.
Использование способа работы парогазовой установки в период прохождения провалов графика электропотребления позволяет повысить маневренность ПГУ при переводе паровой турбины в моторный режим с последующим выходом на номинальный режим и быстрым набором нагрузки, повысить надежность работы паровпускных органов, а также улучшить экологические и эксплуатационные показатели энергоустановки в режиме ГТУ-ТЭЦ.