ГАЗОТУРБИННАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ

Настоящая полезная модель относится к теплоэнергетике и может быть применена в газотурбинных электростанциях - газотурбинных теплоэлектроцентралях и парогазовых установках, использующих газообразное топливо. Наибольший эффект она может принести при использовании в газотурбинных теплоэлектроцентралях (ГТТЭЦ) малой и средней мощности, осуществляющих комбинированную выработку тепловой и электрической энергии с отпуском тепла внешнему потребителю в виде нагретой сетевой воды или пара.
Составной частью таких электростанций, предназначенных для эксплуатации преимущественно в черте города, где нет газовых магистралей высокого давления, являются газодожимные установки, осуществляющие компримирование (дожимание до требуемого давления) и подачу газового топлива на станцию из городской трех-шестиатмосферной газовой магистрали.
Известны типовые технические решения [1, 2], в которых ГТТЭЦ содержит газотурбинный двигатель (ГТД) с электрогенератором и газодожимную установку, содержащую поршневой или винтовой маслозаполненный газодожимной компрессор (ГДК) с электроприводом.
ГДК указанного типа обеспечивает необходимое повышение давления газового топлива с надежным уплотнением вала, исключающим протечки сжимаемого газа в помещение, где размещена газодожимная установка, но требует громоздкого и дорогостоящего конструктивного исполнения, связанного с применением как промежуточного охлаждения газа в процессе его сжатия, так и средств защиты компримированного газа от попадания в него масла. Кроме того, в указанных аналогах расходуется большое количество электроэнергии на привод ГДК и сетевых насосов.
Ближайшим аналогом (прототипом) заявляемого изобретения является парогазовая установка [3], содержащая ГТД с электрогенератором, паровой КУ,
дожимной компрессор (ГДК) и пускопри водную паровую турбину (ППТ) с конденсатором и конденсатным насосом, ротор которой связан общим валом с ротором ГДК. Указанный в прототипе номинальный уровень частоты вращения роторов ГДК и ППТ составляет 10-12 тыс. оборотов в минуту, в связи с чем в качестве ГДК может быть использован только турбокомпрессор (ГДТК).
В сравнении с указанными аналогами данное техническое решение позволяет увеличить выходную электрическую мощность и электрический КПД станции, особенно в условиях ГТТЭЦ, поскольку для привода ГДТК используется не электроэнергия, а тепловая энергия отработанных газов ГТД. Необходимость в промежуточном охлаждении газа в процессе его сжатия в этом случае отпадает, в частности, потому, что энергию на привод ГДТК экономить не надо, и все тепло, сообщенное газу при его сжатии, возвращается в газотурбинный цикл.
Недостатком прототипа является отсутствие антипомпажного регулирования оборотов ротора ГДТК на переменных режимах, а также наличие расхода электроэнергии на привод циркуляционного насоса, осуществляющего циркуляцию охлаждающей воды через конденсаторы и охладитель воды (в описании прототипа циркуляционные насосы и охладитель воды не показаны, но являются неотъемлемой частью парогазовой установки).
Техническим результатом полезной модели является возможность регулирования частоты вращения ротора ГДТК для обеспечения устойчивой работы ГДТК на переменных режимах, а также снижение расхода энергии на собственные нужды.
Заявляемая газотурбинная электростанция содержит ГТД, паровой котел-утилизатор (ПКУ), сообщенный на входе по греющему теплоносителю с выходом ГТД по выхлопным газам, газодожимной турбокомпрессор (ГДТК), приводную паровую турбину (ППТ), конденсатор с конденсатным и циркуляционным насосами, охладитель циркуляционной воды, при этом ротор ППТ установлен на одном валу с ротором ГДТК, ГДТК сообщен на входе по газу с подводящей магистралью газового топлива, на выходе по газу - с ГТД, ППТ сообщена на входе по пару с выходом ПКУ по пару, конденсатор
сообщен на выходе по конденсату через конденсатный насос со входом ПКУ по конденсату, на входе по охлаждающей воде - с выходом циркуляционного насоса по воде, а охладитель циркуляционной воды сообщен на входе по циркуляционной воде с выходом конденсатора по охлаждающей воде, на выходе по циркуляционной воде - со входом циркуляционного насоса по воде.
Согласно заявляемой полезной модели, конденсатор снабжен байпасом по охлаждающей воде (обводящей гидравлической связью, соединяющей вход и выход конденсатора по охлаждающей воде) и регулирующим клапаном, установленным на байпасе.
Газотурбинная электростанция может также содержать приводную паровую турбину циркуляционного насоса (ПТЦН), ротор которой установлен на одном валу с ротором циркуляционного насоса, при этом ПТЦН сообщена на входе по пару с выходом ППТ по пару, на выходе по пару - со входом конденсатора по пару.
Установка байпаса с регулирующим клапаном в обход конденсатора по охлаждающей воде обеспечивает возможность регулирования расхода охлаждающей воды через конденсатор и за счет этого позволяет менять давление в конденсаторе и, следовательно, мощность ППТ на переменных режимах для регулирования частоты вращения ротора ГДТК.
Применение ПТЦН для привода циркуляционного насоса позволяет снизить расход электроэнергии станции на собственные нужды, поскольку для этой цели используется не электрическая, а тепловая энергия отработанных выхлопных газов ГТД.
Полезная модель поясняется чертежами, приведенными на фиг.1 и 2.
Фиг.1 - принципиальная тепловая схема заявляемой газотурбинной электростанции.
Фиг.2 - принципиальная тепловая схема заявляемой газотурбинной электростанции с приводной паровой турбиной циркуляционного насоса.
Газотурбинная станция (фиг.1) содержит ГТД 1 с электрогенератором 2, ПКУ 3, сообщенный на входе по греющему теплоносителю с выходом ГТД 1 по выхлопным газам, ГДТК 4, ППТ 5, конденсатор 6 с конденсатным и
циркуляционным насосами 7 и 8, охладитель циркуляционной воды 9, систему трубопроводов газа, пара и воды с регулирующей и запорной арматурой, включая дозатор газового топлива 10. При этом ротор ППТ 5 установлен на одном валу с ротором ГДТК 4, сообщенным на входе по газу с подводящей магистралью газового топлива 11, на выходе по газу - через дозатор топлива 10 - с ГТД 1, ППТ 5 сообщена на входе по пару с выходом ПКУ 3 по пару, конденсатор 6 сообщен на выходе по конденсату через конденсатный насос 7 со входом ПКУ 3 по конденсату, на входе по охлаждающей воде - с выходом циркуляционного насоса 8 по воде, а охладитель циркуляционной воды 9 сообщен на входе по циркуляционной воде с выходом конденсатора 6 по охлаждающей воде, на выходе по циркуляционной воде - со входом циркуляционного насоса 8 по воде.
В приведенном примере ПКУ 3 на выходе по греющему теплоносителю сообщен с дымовой трубой.
Согласно заявляемой полезной модели, конденсатор 6 снабжен байпасом (обводящей гидравлической связью) 12 по охлаждающей воде и регулирующим клапаном (РК) 13, установленным на байпасе 12 с возможностью регулируемого распределения охлаждающей воды, подаваемой циркуляционным насосом 8 в конденсатор 6, между байпасом 12 и входом конденсатора б по охлаждающей воде.
Устройство работает следующим образом.
Теплом выхлопных газов ГТД 1, поступающих в ПКУ 3, вырабатывают пар, подаваемый на вход ППТ 5. Давление пара - скользящее, нерегулируемое, устанавливается в зависимости от расхода и температуры пара перед ППТ 5, давления пара за ПТ 5 и пропускной способности ППТ 5. Отработанный в ППТ 5 пар поступает в конденсатор 6, где конденсируется, отдавая свое тепло охлаждающей воде, подаваемой в конденсатор 6 из охладителя 9 циркуляционным насосом 8. Конденсат отработанного пара насосом 7 возвращают в ПКУ 3.
В ППТ 5 вырабатывают мощность, необходимую для привода ГДТК 4, осуществляющего сжатие и подачу газового топлива в ГТД 1 через дозатор
топлива 10. В ГДТК 4 газовое топливо подают из подводящей магистрали 11. Расход топлива в ГТД 1 регулируют дозатором топлива 10 по условиям работы ГТД 1.
Частота вращения вала с роторами ГДТК 4 и ППТ 5 устанавливается в зависимости от сочетания величины потребной мощности ГДТК 4, соответствующей требуемым значениям давления и расхода газа за ГДТК 4 и текущим значениям параметров газа перед ГДТК 4, с одной стороны, и располагаемой мощности ППТ 5, с другой стороны. Располагаемая мощность ППТ 5 определяется параметрами пара перед ППТ 5 и уровнем давления пара за ППТ 5, т.е. в конденсаторе 6. Поскольку ПКУ 3 и ППТ 5 выполняются таким образом, что располагаемая мощность ППТ 5 не оказывается ниже потребной мощности ГДТК 4 ни на каком режиме работы ГТД 1, то в большей части эксплуатационного диапазона располагаемая мощность ППТ 5 существенно превышает потребную мощность ГДТК 4.
В этом случае, во избежание недопустимой раскрутки ротора ГДТК 4 (по условиям устойчивой работы турбокомпрессора ГДТК 4) РК 13 приоткрывают. При этом часть охлаждающей воды проходит через РК 13, минуя конденсатор 6. Температура воды за конденсатором 6 и давление в конденсаторе 6 возрастают, возрастает и давление пара за ППТ 5. Мощность ППТ 5 и обороты ротора ГДТК 4 снижаются до необходимого уровня. Давление в конденсаторе 6 может меняться указанным образом в достаточно широких пределах.
В соответствии с характеристиками известных из уровня техники турбокомпрессоров различного типа, указанное регулирование оборотов ротора ГДТК 4 обеспечивает также поддержание расхода газового топлива через ГДТК 4 и давления перед дозатором 10 на требуемом уровне, что позволяет стабилизировать и снизить до минимума регулировочные перепады давления газа на рабочих органах дозатора 10 и, в итоге, исключить его из схемы станции.
Газотурбинная станция (фиг.2) дополнительно содержит приводную паровую турбину циркуляционного насоса (ПТЦН) 14, ротор которой установлен на одном валу с ротором циркуляционного насоса 8, при этом
ПТЦН 14 сообщена на входе по пару с выходом ППТ 5 по пару, на выходе по пару - со входом конденсатора 6 по пару.
В этом примере циркуляционный насос 8 приводят в движение паровой турбиной ПТЦН 14. Отработанный в ППТ 5 пар подают в ПТЦН 14, далее - в конденсатор 6. В силу того, что мощность ПТЦН 14 относительно невелика, и степень расширения пара в ПТЦН 14 также мала, изменение давления в конденсаторе 6 позволяет менять давление за ППТ 5 в достаточно широких пределах. Данное решение обеспечивает антипомпажное регулирование оборотов ГДТК 4 и отсутствие расхода энергии на привод циркуляционного насоса 8.
В приведенном примере представлен простейший вариант использования полезной модели. В этом варианте расход циркуляционной воды через насос 8 не регулируется и устанавливается автоматически (сам собой, без применения специальных средств регулирования) в зависимости от мощности ПТЦН 14.
Рассмотренные примеры приведены лишь для иллюстрации заявляемой полезной модели по обоим пунктам формулы и не исчерпывают всех возможных вариантов ее реализации.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ:
1 Иноземцев А.А. и др. Эффективное использование топлива и энергосбережение при производстве электроэнергии и тепла за счет использования газотурбинных технологий //Энергосбережение №2/2001 (http://tav.khstu.ru/lib/artic/enerav/2001/2/6/2 6.html)
2 Termobahia combined cycle cogeneration plant / Приложение к журналу Modern Power Systems, 11, 2003.
3 Патент RU №2142565. Парогазовая установка //Денисов И.Н., Шелудько Л.П., дата публикации 1999.12.10.