ПАРОГАЗОВАЯ УСТАНОВКА С ДОЖИГАЮЩИМ УСТРОЙСТВОМ
COMBINED-CYCLE PLANT WITH AFTERBURNER

Изобретение относится к области теплоэнергетики, преимущественно к атомной энергетике, и предназначено для использования на паротурбинных установках атомных электростанций (АЭС) двухконтурного типа с водо-водяными энергетическими реакторами (ВВЭР), в частности, изобретение может быть применено на серийных и проектируемых отечественных энергоблоках АЭС при необходимости получения в них дополнительной мощности.
Изобретение представляется актуальным в свете энергетической стратегии Российской Федерации, направленной на дальнейшее повышение эффективности и безопасности АЭС с реакторами типа ВВЭР-1000 с одной стороны, и направлено на решение проблемы достаточной маневренности для обеспечения регулировочного диапазона в энергосистемах с высокой долей АЭС с другой.
В настоящее время известны различные установки с комбинированием, основанные на вытеснении теплотой рабочего тела газотурбинной установки (ГТУ) различных потоков теплоносителя в схеме турбоустановки АЭС. Так, в [1] описаны установки с подключением двух ГТУ типа ГТЭ-130-850 к реакторной установке с ВВЭР-1000 и турбиной К-1000-60/1500 или К-1000-60/3000. Рассматривались варианты парогазовых установок с перегревом острого пара, промежуточным перегревом и частичным подогревом питательной воды. В работе показано, что при раздельном использовании предложенных схем наибольшей эффективностью обладает установка с промежуточным перегревом пара в котле-утилизаторе за счет выхлопных газов. Замещение регенеративного подогрева питательной воды на подогрев в котле утилизаторе не приводит к заметному увеличению КПД энергоустановки.
Известна парогазовая установка [2], где промежуточный пароперегреватель подсоединен к трубопроводу выхлопных газов газовой турбины после основного пароперегревателя, а последний снабжен байпасными трубопроводами с запорной арматурой, один из которых включен в линию острого пара, а второй - в газопровод выхлопных газов. К трубопроводу выхлопных газов после промежуточного пароперегревателя подключен, по меньшей мере, один регенеративный теплообменник.
Наиболее близкой к заявленному техническому решению является парогазовая установка [3], содержащая паровую турбину с цилиндрами высокого и низкого давления, соединенными между собой паропроводом с включенными в него сепаратором, имеющим линию отвода воды, и промежуточным паропаровым пароперегревателем, и парогазовый промежуточный пароперегреватель, подключенный к тракту отработавших газов газовой турбины, при этом установка снабжена дополнительным теплообменником, включенным по нагреваемой стороне между линией отвода воды и паропроводом перед цилиндром низкого давления, по греющей - подключенным к тракту отработавших газов газовой турбины, а парогазовый промежуточный пароперегреватель подключен к паропроводу между цилиндрами высокого и низкого давления параллельно паропаровому пароперегревателю.
Недостатком известных установок, включая прототип, является то, что, несмотря на относительную технологическую простоту реализации и возможность применения порознь каждой из предложенных схем, они не позволяют реализовать полный потенциал дополнительной мощности во влажно-паровой турбине. Тихоходные турбины К-1000-60/1500 последних модификаций с минимальными модернизациями способны вырабатывать до 1180 МВт. В предлагаемых установках возможен невысокий перегрев свежего пара и (или) поднятие температуры перегрева пара на входе в цилиндр низкого давления, вследствие низких коэффициентов теплопередачи в газопаровом перегревателе и из-за ограничений температурного напора газопарового пароперегревателя со стороны греющих уходящих газов газотурбинной установки.
Задачей настоящего изобретения является повышение маневренности и экономической эффективности комбинированной установки за счет увеличения дополнительной мощности влажно-паровой турбины.
Поставленная задача достигается тем, что парогазовая установка, содержащая паровую турбину с цилиндрами высокого (ЦВД) и низкого давления (ЦНД), соединенными между собой паропроводом с включенными в него сепаратором и двухступенчатым промежуточным паропаровым пароперегревателем, газотурбинную установку, снабженную, по крайней мере, одной газовой турбиной, камерой сгорания и, по крайней мере, одним компрессором, установленным на валу газовой турбины, двухступенчатый газопаровой пароперегреватель, подключенный по греющей стороне к тракту отработавших газов газовой турбины, а по нагреваемой - к паропроводу между цилиндрами высокого и низкого давления параллельно паропаровому пароперегревателю, согласно предлагаемому техническому решению содержит дожигающее устройство, подогревающее газ до требуемой температуры, на входе соединенное с трактом отработавших газов газовой турбины, на выходе - с газопаровым пароперегревателем и снабженное байпасным газопроводом с запорной арматурой, газоводяной теплообменник, подключенный по греющей стороне к газопаровому пароперегревателю, а по нагреваемой - к трубопроводу питательной воды и установленный последовательно или параллельно подогревателю высокого давления, при этом газопаровой пароперегреватель по нагреваемой стороне подключен параллельно паропроводу острого пара.
Схема предложенной парогазовой установки представлена на чертеже.
Позициями на чертеже обозначены: 1 - цилиндр высокого давления; 2 - цилиндр низкого давления; 3 - сепаратор; 4 - двухступенчатый паропаровой пароперегреватель; 5 - дожигающее устройство; 6 - компрессор; 7 - камера сгорания; 8 - газовая турбина; 9 - электрогенератор газовой турбины; 10 - двухступенчатый газопаровой пароперегреватель; 11 - газоводяной теплообменник; 12 - электрогенератор паровой турбины; 13 - подогреватель высокого давления; 14 - паропровод острого пара из парогенератора; 15 - паропровод между цилиндрами высокого и низкого давления; 16 - тракт отработавших газов газовой турбины; 17, 18, 19, 20, 21, 22 - паропроводы к газопаровому пароперегревателю; 23, 24 - паропроводы к паропаровому пароперегревателю; 25 - газопровод к газоводяному теплообменнику; 26 - газопровод к дымовой трубе; 27 - отбор пара ЦВД к подогревателю высокого давления; 28, 29 - трубопроводы питательной воды; 30, 31 - трубопроводы к газоводяному теплообменнику; 32 - отбор пара цилиндра низкого давления; 33 - паропровод к конденсатору; 34 - байпасный газопровод; 35 - газопровод между дожигающим устройством и двухступенчатым газопаровым пароперегревателем; 36 - камера смешения питательной воды.
Парогазовая установка включает паровую турбину, газотурбинную установку, дожигающее устройство, связанное с газовой турбиной газотурбинной установки, двухступенчатый газопаровой пароперегреватель и газоводяной теплообменник. Паровая турбина состоит из цилиндров высокого 1 и низкого давления 2, установленных на одном валу с электрогенератором 12. Цилиндры между собой соединены паропроводом 15, на котором по ходу пара установлены сепаратор 3 и двухступенчатый паропаровой пароперегреватель 4. Цилиндр высокого давления 1 связан с парогенератором паропроводом острого пара 14. Цилиндр низкого давления 2 снабжен дополнительным отбором пара 32 и связан с конденсатором паропроводом 33. Двухступенчатый паропаровой пароперегреватель 4 по греющей стороне на входе связан паропроводами 23 и 24 с паропроводом острого пара 14 и с цилиндром высокого давления 1 соответственно, а по нагреваемой стороне - на входе связан паропроводом 15 с цилиндром высокого давления 1, на выходе - паропроводом 15 с цилиндром низкого давления 2. Газотурбинная установка снабжена газовой турбиной 8, соединенной последовательно с камерой сгорания 7 и компрессором 6, установленным на одном валу с газовой турбиной 8 и электрогенератором 9. Газовая турбина 8 на входе связана с камерой сгорания 7, а на выходе - трактом отработавших газов 16 с дожигающим устройством 5. Дожигающее устройство 5 снабжено байпасным газопроводом 34. Двухступенчатый газопаровой пароперегреватель 10 связан по газу на входе газопроводом 35 с дожигающим устройством 5, на выходе - газопроводом 25 с газоводяным теплообменником 11, а по пару - на входе паропроводом 21 с паропроводом острого пара 14 и паропроводами 17 и 19 с паропроводом 15 между цилиндрами высокого давления 1 и низкого давления 2, а на выходе - паропроводом 22 с паропроводом острого пара 14 и паропроводами 18 и 20 с паропроводом 15 между цилиндрами высокого давления 1 и низкого давления 2. Газоводяной теплообменник 11 по газу на входе связан газопроводом 25 с двухступенчатым газопаровым пароперегревателем 10, на выходе - газопроводом 26 с дымовой трубой, а по воде связан на входе трубопроводом 30 с трубопроводом питательной воды 29 на выходе - трубопроводом 31 с трубопроводом питательной воды 28 и камерой смешения 36. Подогреватель высокого давления 13 на входе связан с трубопроводом питательной воды 29 и отбором пара 27 с цилиндром высокого давления 1, на выходе - трубопроводом 28 с камерой смешения 36. Трубопроводы 14-35 снабжены запорной арматурой, обеспечивающей работу установки по заданному технологическому циклу.
Установка работает следующим образом.
В номинальном режиме работы АЭС промежуточный перегрев пара между цилиндрами высокого давления 1 и низкого давления 2 паровой турбины производят в двухступенчатом паропаровом промежуточном пароперегревателе 4 паром из отбора ЦВД 1, поступающим по паропроводу 24, и острым паром из парогенератора, поступающим по трубопроводу 23. Газотурбинная установка, двухступенчатый газопаровой пароперегреватель 10 и дожигающее устройство 5 при этом режиме отключены. Запорная арматура на газопроводах 16, 34 и паропроводах 17, 18, 19, 20, 21, 22 закрыта.
При работе АЭС в пиковом режиме дополнительная мощность может вырабатываться следующими способами.
1. Включают в работу газотурбинную установку, отработавшие газы по тракту 16 подают сначала в дожигающее устройство 5, где газ подогревается до требуемой температуры и затем поступает в двухступенчатый газопаровой пароперегреватель 10, куда одновременно по паропроводу 21 подают острый пар от парогенератора на подогрев. Значение температуры острого пара можно регулировать с помощью дожигающего устройства 5 [5], т.к. увеличение температуры отработавшего газа из газовой турбины 8, за счет сжигания большого количества природного газа, поступающего в дожигающее устройство 5, приводит к увеличению температуры острого пара на выходе из двухступенчатого газопарового пароперегревателя 10. Запорная арматура на паропроводах 21, 22 при этом открыта. Если теплообмен в двухступенчатом газопаровом пароперегревателе 10 возможен и без включения дожигающего устройства 5, то дожигающее устройство отключают с помощью запорной арматуры, установленной на тракте отработавших газов 16, и газ из газовой турбины 8 сразу подают в двухступенчатый газопаровой пароперегреватель 10 по байпасному газопроводу 34.
2. Включают в работу газотурбинную установку, отработавшие газы по тракту 16 подают сначала в дожигающее устройство 5, где газ подогревается до требуемой температуры и затем поступает в двухступенчатый газопаровой пароперегреватель 10, куда одновременно по паропроводам 17 и 19 подают пар из паропровода 15 на перегрев, отключая подачу в двухступенчатый паропаровой пароперегреватель 4 острого пара из парогенератора, закрывая при этом запорную арматуру на паропроводе 23, и пара из отбора ЦВД, закрывая при этом запорную арматуру на паропроводе 24. Перегретый пар из двухступенчатого газопарового пароперегревателя 4 подают в ЦНД 2 паровой турбины посредством паропровода 15, а высвобожденный поток острого пара из парогенератора при этом направляют в ЦВД 1. В результате увеличения расхода пара в обоих цилиндрах вырабатывается дополнительная пиковая мощность. Значение температуры пара на выходе из двухступенчатого газопарового пароперегревателя 10 можно увеличивать с помощью дожигающего устройства 5 по аналогии с предыдущим способом. Если теплообмен в двухступенчатом газопаровом пароперегревателе 10 возможен и без включения дожигающего устройства 5, то дожигающее устройство отключают с помощью запорной арматуры, установленной на тракте отработавших газов 16, и газ из газовой турбины 8 сразу подают в двухступенчатый газопаровой пароперегреватель 10 по байпасному газопроводу 34. Двухступенчатый паропаровой пароперегреватель 4 при этом отключают с помощью запорной арматуры, установленной на паропроводе 15. Запорная арматура на трубопроводах 17, 18, 19, 20 открыта. Возможен и совместный подогрев пара в промежуточной системе влажно - паровой турбины и в газопаровом пароперегревателе, при этом паропаровой пароперегреватель 4 не отключают, оставляя открытыми запорную арматуру на трубопроводах 17, 18, 19, 20.
3. Третий способ включает в себя принцип совместной работы двух предыдущих способов. Нагретый в дожигающем устройстве 5 до нужной температуры газ поступает в двухступенчатый газопаровой пароперегреватель 10. Сначала перегревают газом из газовой турбины 8 острый пар из парогенератора, поступивший в двухступенчатый газопаровой пароперегреватель по паропроводу 21, а затем перегревают пар, поступивший в двухступенчатый газопаровой пароперегреватель 10 по паропроводам 17 и 19 из паропровода 15 между ЦВД 1 и ЦНД 2, отключая при этом подачу острого пара из парогенератора и пара из отбора ЦВД 1 в двухступенчатый паропаровой пароперегреватель 4. Запорная арматура на паропроводах 23 и 24 при этом закрыта.
Величину вырабатываемой при этом дополнительной мощности повышают, осуществляя регенеративный подогрев питательной воды отработавшими газами газовой турбины 8, в газоводяном теплообменнике 11 за счет частичного или полного замещения подогревателя высокого давления (ПВД) 13. Газоводяной теплообменник 11 можно включать как последовательно с ПВД 13, так и параллельно [6]. В случае параллельной работы питательная вода смешивается в камере смешения 36. Запорная арматура на трубопроводах 30, 31 при этом открыта. Отбор пара 27 из ЦВД 1 регулируется в зависимости от замещения.
При значительном дополнительном пропуске рабочего тела, в условиях полного замещения двухступенчатого паропарового промежуточного перегревателя 4 на двухступенчатый газопаровой пароперегреватель 10, предлагается дополнительной отбор пара 32 для разгрузки выходного сечения последней ступени ЦНД 2.
Предлагаемая парогазовая установка позволяет:
1. Обеспечить выработку пиковой мощности при высокой экономичности работы турбоустановок АЭС и ГТУ, что обусловлено глубокой утилизацией уходящих газов ГТУ, дополнительной работой замещаемых греющих в двухступенчатом паропаровом пароперегревателе потоков пара, а также из-за увеличения температуры пара перед цилиндрами высокого и низкого давления;
2. В режиме штатного паропарового перегрева в промежуточной системе турбины АЭС в период провалов нагрузки можно повысить кпд турбины АЭС и ПГУ в целом за счет легкого перегрева пара перед ЦВД уходящими газами ГТУ без включения дожигающего устройства или за счет только вытеснения ПВД парового регенеративного подогрева воды газоводяным теплообменником;
3. Поднять КИУМ (коэффициент использования установленной мощности АЭС) при одновременном расширении регулировочного диапазона всей ПГУ;
4. Повысить надежность энергоснабжения собственных нужд за счет дополнительного автономного питания от генератора ГТУ.
Список используемых источников
1. В.Н.Нуждин, А.А.Просвирнов. Союз атома и газа // Материалы инновационного форума Росатома, 2007 г., с.28-33.
2. А.с. №941641 (СССР) Парогазовая установка/В.Я.Рыжкин, С. В.Цанев, И.М.Чухин. - Опубл. в БИ, №25, 1982 г.
3. А.с. №1060798 (СССР) Парогазовая установка/В.А.Хрусталев, О.И.Демидов, М.С.Доронин и др. - Опубл. в БИ, №46, 1983 г.
4. М.С.Доронин, В.А.Хрусталев. К вопросу о комбинировании ГТУ и АЭС // Известия вузов СССР - Энергетика, 1985 г., №8, с.93-94.
5. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций. Под ред. Цанева С. В. - М.: Издательство МЭИ. 2002 г., с.84-85.
6. В.В.Сурков. Комбинированная установка АЭС - ГТУ // Теплоэнергетика, 1981 г., №10, с.57-58.