Парогазовая установка на трех рабочих телах
COMBINED-CYCLE GAS TURBINE ON THREE WORKING BODIES

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а именно к установкам с более чем двумя двигателями, подающими энергию внешним потребителям и работающими на разных рабочих телах и предназначено для использования на тепловых электростанциях.
Известна парогазовая установка на трех рабочих телах (Цибульский С.А. Совершенствование тепловой схемы утилизационной парогазовой установки с целью повышения эффективности генерации электрической энергии: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук: спец. 05.14.14: дис. - 2018.), содержащая газотурбинную установку, связанную газоходом с котлом-утилизатором, в который встроены связанные между собой поверхности экономайзера высокого давления, испарителя и пароперегревателя, а также поверхность нагрева экономайзера низкого давления, являющиеся частью паротурбинной установки и установки, работающей по органическому циклу Ренкина. Паротурбинная установка состоит из последовательно соединенных пароперегревателя, паровой турбины высокого давления, испарителя органического цикла, конденсатного насоса, экономайзера высокого давления и испарителя, выход которого соединен с входом пароперегревателя. Установка, работающая по органическому циклу Ренкина, состоит из последовательно соединенных экономайзера низкого давления, испарителя органического цикла, турбины низкого давления, рекуператора, воздушного конденсатора и конденсатного насоса органического цикла, а также содержит конденсатный насос органического цикла, смешивающий регенеративный подогреватель, который связан с отбором турбины низкого давления, питательный насос органического цикла, выход которого соединен с экономайзером низкого давления.
Недостатком данного технического решения являются большие потери теплоты в воздушном конденсаторе.
Известна парогазовая установка на трех рабочих телах (Патент РФ №2561776, МПК F01K 21/04, опубл. 10.09.2015), содержащая газотурбинную установку, связанную газоходом с котлом-утилизатором, в который встроены связанные между собой поверхности экономайзера высокого давления, испарителя, пароперегревателя, промежуточного пароперегревателя, а также поверхность нагрева экономайзера низкого давления, являющиеся частью паротурбинной установки и установки, работающей по органическому циклу Ренкина. Паротурбинный установка состоит из последовательно соединенных пароперегревателя, паровой турбины высокого давления, промежуточного пароперегревателя, паровой турбины среднего давления, перегревателя и испарителя органического цикла, конденсатного насоса, экономайзера высокого давления и испарителя, выход которого соединен с входом пароперегревателя. Установка, работающая по органическому циклу Ренкина, состоит из последовательно соединенных экономайзера низкого давления, испарителя и пароперегревателя органического цикла, турбины низкого давления, рекуператора, конденсатора и конденсатного насоса органического цикла, а также содержит конденсатный насос органического цикла, смешивающий регенеративный подогреватель, который связан с отбором турбины низкого давления, питательный насос органического цикла, выход которого соединен с экономайзером низкого давления.
Недостатком данного технического решения являются большие потери теплоты в конденсаторе.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является парогазовая установка на трех рабочих телах (Balanescu D.Т., Homutescu V.М. Performance analysis of a gas turbine combined cycle power plant with waste heat recovery in Organic Rankine Cycle // Procedia Manufacturing. - 2019. - T. 32. - C. 520-528), содержащая газотурбинную установку, связанную газоходом с котлом-утилизатором, в который встроены связанные между собой поверхности нагрева экономайзера, первого испарителя и пароперегревателя, а также второго испарителя, являющиеся частью паротурбинной установки и установки, работающей по органическому циклу Ренкина. Паротурбинная установка состоит из последовательно соединённых пароперегревателя, паровой турбины, парового конденсатора, конденсатного насоса, смешивающего регенеративного подогревателя, соединенного с отбором паровой турбины, экономайзера и первого испарителя, выход которого соединен с входом пароперегревателя. Установка, работающая по органическому циклу Ренкина, состоит из последовательно соединённых второго испарителя, турбины низкого давления, конденсатора органического цикла и конденсатного насоса органического цикла, а также содержит конденсатный насос органического цикла.
Недостатком данного технического решения являются большие потери теплоты в паровом конденсаторе и конденсаторе органического цикла.
Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в снижении потери теплоты в холодных источниках парогазовых циклов.
Технический результат заключается в повышении электрического КПД нетто парогазовой установки на трех рабочих телах.
Это достигается тем, что предлагаемая парогазовая установка на трех рабочих телах, содержащая газотурбинную установку, котел-утилизатор, в который встроены связанные между собой поверхности нагрева экономайзера, испарителя и пароперегревателя, паровую турбину высокого давления, соединенные последовательно, паровую турбину низкого давления, расположенную на одном валу с паровой турбиной высокого давления и электрогенератором и соединенную с конденсатором паровой турбины, перегреватель низкокипящего рабочего тела, соединенный с турбиной низкокипящего рабочего тела, расположенной на одном валу со вторым электрогенератором, конденсатор низкокипящего рабочего тела, соединенный с насосом низкокипящего рабочего тела, при этом парогазовая установка снабжена промежуточным пароперегревателем, вход которого соединен с паровой турбиной высокого давления, а выход соединен с паровой турбиной низкого давления, и развитой системой регенерации, которая содержит первый конденсатный насос, первый подогреватель низкого давления, второй конденсатный насос, второй подогреватель низкого давления, третий конденсатный насос, третий подогреватель низкого давления, четвертый подогреватель низкого давления, деаэратор, питательный насос, первый, второй и третий подогреватели высокого давления, соединенные последовательно, кроме того входы подогревателей низкого давления соединены с отборами паровой турбины низкого давления, входы подогревателей высокого давления и деаэратора соединены с отборами паровой турбины высокого давления, а выход первого подогревателя высокого давления соединен с входом деаэратора, выход второго подогревателя высокого давления соединен с входом первого подогревателя, выход третьего подогревателя высокого давления соединен с экономайзером, его выход соединен с входом второго подогревателя высокого давления, при этом выход четвертого подогревателя низкого давления соединен с входом третьего подогревателя низкого давления, выход третьего подогревателя низкого давления соединен с входом второго подогревателя низкого давления, причем конденсатор паровой турбины соединен с первым конденсатным насосом, а также снабжена рекуператором низкокипящего рабочего тела, один вход которого соединён с выходом турбины низкокипящего рабочего тела, выход соединен с входом конденсатора низкокипящего рабочего тела, а другой вход соединен с выходом насоса низкокипящего рабочего тела, а другой выход с входом перегревателя низкокипящего рабочего тела.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена принципиальная тепловая схема парогазовой установки на трех рабочих телах.
Парогазовая установка на трех рабочих телах содержит в себе газотурбинную установку 1, котел-утилизатор 2, экономайзер 3, испаритель 4 и пароперегреватель 5, паровую турбину высокого давления 6 с развитой системой регенерации, промежуточный пароперегреватель 7, паровую турбину низкого давления 8 с развитой системой регенерации, электрогенератор 9, конденсатор паровой турбины 10, первый конденсатный насос 11 и подогреватель низкого давления 12, второй конденсатный насос 13 и подогреватель низкого давления 14, третий конденсатный насос 15 и подогреватель низкого давления 16, четвертый подогреватель низкого давления 17, деаэратор 18, питательный насос 19, первый 20, второй 21 и третий 22 подогреватели высокого давления, перегреватель низкокипящего рабочего тела (НРТ) 23, турбину НРТ 24, второй электрогенератор 25, рекуператор НРТ 26, конденсатор НРТ 27, насос НРТ 28, газоход 29 для отвода газов в дымовую трубу.
Газотурбинная установка 1 соединена с котлом-утилизатором 2, в котором установлен экономайзер 3, вход которого соединен с выходом третьего подогревателя высокого давления 22, а выход соединен с входом испарителя 4. Выход испарителя 4 соединен с входом пароперегревателя 5, выход которого соединен с входом паровой турбины высокого давления 6. Выход паровой турбины высокого давления 6 соединен с входом промежуточного пароперегревателя 7. Выход промежуточного пароперегревателя 7 соединен с входом паровой турбины низкого давления 8. Паровая турбина высокого давления 6 и паровая турбина низкого давления 8 расположены на одном валу, который механически соединен с электрогенератором 9. Выход паровой турбины низкого давления 8 соединен с конденсатором паровой турбины 10, выход которого соединен с входом первого конденсатного насоса 11. Выход первого конденсатного насоса 11 соединен с входом первого подогревателя низкого давления 12, другой вход которого соединен с отбором паровой турбины низкого давления 8. Выход подогревателя низкого давления 12 соединен с входом второго конденсатного насоса 13, выход которого соединен с входом второго подогревателя низкого давления 14. Выход второго подогревателя низкого давления 14, другой вход которого соединен с отбором паровой турбины низкого давления 8, соединен с входом третьего конденсатного насоса 15. Выход третьего конденсатного насоса 15 соединен с входом третьего подогревателя низкого давления 16, другой вход которого соединен с отбором паровой турбины низкого давления 8, а выход соединен с третьим входом второго подогревателя низкого давления 14. Другой выход третьего подогревателя низкого давления 16 соединен с входом четвертого подогревателя низкого давления 17, другой вход которого соединен с отбором паровой турбины низкого давления 8. Выход четвертого подогревателя низкого давления 17 соединен с третьим входом третьего подогревателя низкого давления 16. Другой выход четвертого подогревателя низкого давления 17 соединен с входом деаэратора 18. Выход деаэратора 18, другой вход которого соединен с отбором паровой турбины высокого давления 6, а еще один вход соединен с выходом первого подогревателя высокого давления 20, соединен с входом питательного насоса 19. Выход питательного насоса 19 соединен с входом первого подогревателя высокого давления 20, другой вход которого соединен с отбором паровой турбины высокого давления 6, а еще один вход соединен с выходом второго подогревателя высокого давления 21. Выход первого подогревателя высокого давления 20 соединен с входом второго подогревателя высокого давления 21, другой вход которого соединен с отбором паровой турбины высокого давления 6, а еще один вход соединен с другим выходом третьего подогревателя высокого давления 22, соединен с входом третьего подогревателя высокого давления 22. Другой вход третьего подогревателя высокого давления 22 соединен с отбором паровой турбины высокого давления 6. Выход перегревателя НРТ 23, установленного в котле-утилизаторе 2, соединен с входом турбины НРТ 24. Выход турбины НРТ 24, расположенной на валу, который механически соединен со вторым электрогенератором 25, соединен с одним входом рекуператора НРТ 26. Один выход рекуператора НРТ 26 соединен с входом конденсатора НРТ 27, выход которого соединен с входом насоса НРТ 28. Выход насоса НРТ 28 соединен с другим входом рекуператора НРТ 26, другой выход которого соединен с входом перегревателя НРТ 23. Котел-утилизатор 2 на выходе соединен газоходом 29 с дымовой трубой.
Парогазовая установка на трех рабочих телах работает следующим образом.
Газы, образовавшиеся в результате работы газотурбинной установки 1, поступают в котел-утилизатор 2, где нагревают воду в экономайзере 3 до температуры близкой к температуре насыщения, после чего вода поступает в испаритель 4. В испарителе 4 происходит нагрев и получение насыщенного пара, далее пар из пароперегревателя 5, где происходит его перегрев до температуры ниже температуры газов на 30°С, поступающих в котел-утилизатор 2, направляется в турбину высокого давления 6, где рабочая среда расширяется, совершая работу, и далее направляется в промежуточный пароперегреватель 7 для перегрева. Затем пар направляется в турбину низкого давления 8 для расширения до параметров в конденсаторе 10, установленном на выхлопе турбины низкого давления 8. Паровые турбины высокого 6 и низкого 8 давления находятся на одном валу и соединены с электрогенератором 9, который вырабатывает электроэнергию. В конденсаторе 10 осуществляется конденсация отработавшего в турбине низкого давления 8 пара с помощью охлаждения циркуляционной водой, далее конденсат направляется в первый конденсатный насос 11, который создает достаточный напор для прохождения конденсатом первого подогревателя низкого давления 12. В нем происходит смешение конденсата с потоком пара из отбора паровой турбины низкого давления 8 и нагрев почти до температуры насыщения. Далее подогретый поток конденсата направляется во второй конденсатный насос 13, который создает достаточный напор для прохождения средой второго подогревателя низкого давления 14, где происходит смешение с потоком пара из отбора паровой турбины низкого давления 8, а также с потоком дренажа из третьего подогревателя низкого давления 16. Далее подогретый поток конденсата направляется в третий конденсатный насос 15, который создает напор, достаточный для прохождения рабочей средой третьего 16 и четвертого 17 подогревателей низкого давления и подачи рабочей среды в деаэратор 18. Подогретый конденсат после третьего конденсатного насоса 15 направляется в третий подогреватель низкого давления 16, где с помощью конвективного теплообмена происходит нагрев конденсата паром из отбора паровой турбины низкого давления 8, а пар в свою очередь конденсируется и направляется во второй подогреватель низкого давления 14. Подогретый конденсат после третьего подогревателя низкого давления 16 направляется в четвертый подогреватель низкого давления 17, где с помощью конвективного теплообмена происходит нагрев конденсата паром из отбора паровой турбины низкого давления 8, а пар в свою очередь конденсируется и направляется в третий подогреватель низкого давления 16. Подогретый конденсат после четвертого подогревателя низкого давления 17 направляется в деаэратор 18, где происходит удаление агрессивных газов из поступающего конденсата и его подогрев, с помощью приходящего из отбора паровой турбины высокого давления 6 потока пара и потока дренажа от группы подогревателей высокого давления 20, 21 и 22. Питательная вода после деаэратора 18 направляется в питательный насос 19, который создает достаточный напор для прохождения среды через первый 20, второй 21 и третий 22 подогреватели высокого давления, пароводяной тракт котла-утилизатора 2 и паровые турбины высокого 6 и низкого давления 8. После первого 20, второго 21 и третьего 22 подогревателей высокого давления питательная вода направляется в экономайзер 3. На выхлопе котла-утилизатора 2 расположен перегреватель НРТ 23, в котором происходит нагрев НРТ, нагретое рабочее тело направляется в турбину НРТ 24, где происходит преобразование тепловой энергии пара в механическую работу с дальнейшей выработкой электроэнергии во втором электрогенераторе 25, а отработавшее рабочее тело направляется в рекуператор НРТ 26. Там оно отдает теплоту сконденсировавшемуся НРТ в конденсаторе НРТ 27 перед подачей в перегреватель НРТ 23. После рекуператора НРТ 26 рабочее тело направляется в конденсатор НРТ 27, где происходит конденсация НРТ и дальше с помощью насоса НРТ 28, который создает напор для прохождения НРТ через рекуператор НРТ 26, перегреватель НРТ 23 и паровую турбину НРТ 24, рабочее тело подается на вход рекуператора НРТ 26. Уходящие газы после перегревателя НРТ 23 направляются в газоход 29, который направляет газы в дымовую трубу.
По результатам математического моделирования тепловой схемы парогазовой установки на трех рабочих телах установлено, что электрический КПД нетто разработанной установки выше на 0,77% по сравнению с прототипом при одинаковых параметрах работы газотурбинной установки и величинах недогревов в поверхностях котла-утилизатора.
Использование изобретения позволяет повысить электрический КПД нетто за счет внедрения развитой регенерации в паротурбинной установке. Это позволяет повысить его эффективность, за счет уменьшения потери теплоты в конденсаторе паровой турбины, однако при этом также повышается температура уходящих газов после поверхностей нагрева паротурбинного цикла в котле-утилизаторе, что в свою очередь позволяет повысить начальную температуру установки, работающей по органического циклу Ренкина, и ее эффективность.