ПАРОГАЗОВАЯ УСТАНОВКА
STEAM GAS PLANT

Изобретение относится к производству тепловой и электрической энергии, а именно к производству тепловой и электрической энергии на базе установок, работающих по бинарному циклу при комбинированном использовании газотурбинных и паротурбинных установок.
Известна парогазовая установка утилизационного типа, которая включает в себя газотурбинную установку, состоящую из компрессора, газовой турбины и генератора, расположенных на одном валу, камеру сгорания, размещенную между компрессором и газовой турбиной, а также паротурбинную установку, состоящую из паровой турбины и генератора, расположенных на одном валу, системы регенерации, конденсатора, конденсатных и питательных насосов, деаэратора и соединительных трубопроводов, котла-утилизатора, расположенного на газоходе за газовой турбиной, который по воде и пару трубопроводами сообщен с паротурбинной установкой (патент США №4466241, МПК Р02С 6/18, дата публикации 21.08.1984).
Основным недостатком такой установки является то, что температура продуктов сгорания за газовой турбиной не позволяет получать в котле-утилизаторе пар с необходимой для традиционных паротурбинных установок температурой 535-565°С. Пар в известной установке имеет температуру 500-520°С. Работа турбины с пониженной температурой пара снижает экономичность паротурбинной установки и эффективность всей парогазовой установки в целом.
Ближайшим аналогом заявляемого изобретения является известная парогазовая установка, содержащая газотурбинную установку, соединенный с нею по газовому тракту переходным газоходом котел-утилизатор, паротурбинную установку, соединенную трубопроводами пара и воды с котлом-утилизатором и имеющую с ним общий пароводяной контур, сбросной газоход, дымовую трубу, соединительные трубопроводы, а также внешний газоход, подключенные к внешнему газоходу пароперегреватель и горелочное устройство, причем котел-утилизатор и пароперегреватель содержат модули поверхностей нагрева пароводяного контура паротурбинной установки (патент России на изобретение №2078229, МПК F02C 6/18, дата публикации 27.04.1997). Вход внешнего газохода соединен через шибер с переходным газоходом парогазовой установки, а выход - со сбросным газоходом.
Основным недостатком известной парогазовой установки является недостаточная эффективность использования теплоты газообразных продуктов сгорания, проходящих через внешний газоход при отсутствии тепловой нагрузки с сетевой водой. В данной установке вследствие соединения выхода внешнего газохода со сбросным газоходом, продукты сгорания из внешнего газохода поступают в сбросный газоход, смешиваются с продуктами сгорания, прошедшими котел-утилизатор, повышая температуру последних, и далее выводятся в дымовую трубу. В свою очередь, повышение температуры выводимых из установки продуктов сгорания приводит к снижению КПД парогазовой установки в целом. Кроме того, известная парогазовая установка обладает рядом конструктивных недостатков, в частности, сложностью регулировании расхода уходящих газов, сложностью изготовления и эксплуатации регулирующего шибера, при высокой температуре газов уменьшающего надежность установки, повышенным аэродинамическим сопротивлением газового тракта, снижающим мощность и КПД газовой турбины и парогазовой установки в целом.
Задачей изобретения является повышение КПД парогазовой установки за счет более рационального и полного использования теплоты газообразных продуктов сгорания, образующихся при сжигании топлива.
Поставленная задача достигается тем, что в известной парогазовой установке, содержащей газотурбинную установку, соединенный с нею по газовому тракту переходным газоходом котел-утилизатор, паротурбинную установку, соединенную трубопроводами пара и воды с котлом-утилизатором и имеющую с ним общий пароводяной контур, сбросной газоход, дымовую трубу, соединительные трубопроводы, внешний газоход, подключенные к внешнему газоходу пароперегреватель и горелочное устройство, причем котел-утилизатор и пароперегреватель содержат модули поверхностей нагрева пароводяного контура паротурбинной установки, в соответствии с предлагаемым техническим решением внешний газоход выполнен в виде рециркуляционного контура, оборудованного вентилятором, причем вход внешнего газохода подсоединен с котлу-утилизатору в зоне размещения модулей поверхностей нагрева, а выход выведен перед зоной размещения модулей поверхностей нагрева котла-утилизатора.
Возможно выполнение установки, в которой выход внешнего газохода подсоединен к котлу-утилизатору.
Возможно выполнение установки, в которой выход внешнего газохода подсоединен к переходному газоходу.
Возможно выполнение установки, снабженной паротурбинной установкой низкого давления с собственным пароводяным контуром одного или более давлений.
Возможно выполнение установки, в которой пароводяные контуры обеих паротурбинных установок выполнены с возможностью сообщения между собой.
Возможно выполнение установки, оборудованной контуром промежуточного перегрева пара, а котел-утилизатор и пароперегреватель содержат дополнительные модули поверхностей нагрева, входящие в состав упомянутого контура.
Возможно выполнение установки, оборудованной системой регенеративного подогрева конденсата и питательной воды паром от отборов турбины.
Возможно выполнение установки, в которой вход внешнего газохода оборудован воздухоподогревателем, выполненным с возможностью использования теплоты продуктов сгорания горелочного устройства пароперегревателя.
Возможно выполнение установки, в которой внешний газоход оборудован устройством ввода в него кислорода.
Возможно выполнение установки, в которой внешний газоход оборудован устройством ввода в него обогащенного кислородом воздуха.
Возможно выполнение установки, в которой внешний газоход оборудован устройством ввода в него атмосферного воздуха.
Техническим результатом является повышение эффективности использования теплоты газообразных продуктов сгорания, что становится возможным за счет направления части продуктов сгорания из котла-утилизатора во внешний газоход и последующего их использования для подогрева пара в пароперегревателе.
Оборудование парогазовой установки паротурбинной установкой низкого давления с собственным пароводяным контуром позволяет дополнительно увеличить количество вырабатываемой электроэнергии, а оснащение пароперегревателя дополнительными модулями поверхностей нагрева позволяет еще более эффективно использовать теплоту газообразных продуктов сгорания.
Выполнение пароводяных контуров обеих паротурбинных установок с возможностью сообщения между собой позволяет более гибко изменять режим работы парогазовой установки в зависимости от внешних условий.
Установка воздухоподогревателя во внешнем газоходе позволяет снизить расход топлива в горелочном устройстве пароперегревателя и снизить температуру продуктов сгорания, выходящих из внешнего газохода, до уровня температуры продуктов сгорания после газовой турбины перед котлом-утилизатором для обеспечения равномерности поля температур.
Становится возможным уменьшение аэродинамического сопротивления газового тракта парогазовой установки за счет исключения из схемы регулирующего шибера и увеличения таким образом электрической мощности газовой турбины, т.е. электрической мощности и КПД парогазовой установки в целом.
Оборудование установки системой регенеративного подогрева конденсата и питательной воды паром от отборов турбины позволяет более эффективно использовать теплоту пара в турбине.
Оборудование внешнего газохода устройством ввода в него кислорода, обогащенного кислородом воздуха или атмосферного воздуха,  позволяет обеспечить работу горелочного устройства при низком содержании кислорода в продуктах сгорания, отбираемых из котла утилизатора.
На чертеже приведена предлагаемая парогазовая установка.
Парогазовая установка имеет воздухозаборное устройство 1, соединенное воздухопроводом с газотурбинной установкой 2, которая по газовому тракту соединена переходным газоходом 3 с котлом-утилизатором 10 и сбросным газоходом 9 с дымовой трубой 11. Парогазовая установка оборудована горелочным устройством 6 и пароперегревателем 7, установленным на внешнем газоходе, выполненном в виде рециркуляционного контура, включающем вентилятор 5, воздухоподогреватель 43, газоходы 44, 45, 17, 18, 19. Входной газоход 18 рециркуляционного контура подсоединен к котлу-утилизатору 10 в зоне размещения модулей поверхностей нагрева, расположенных внутри котла-утилизатора 10. Входной газоход 18 может быть оборудован устройством ввода в него кислорода, обогащенного кислородом воздуха или атмосферного воздуха (на чертеже не показано). Выходной газоход 45 рециркуляционного контура подсоединен к котлу-утилизатору 10 перед зоной размещения модулей поверхностей нагрева в нем. Возможно подключение газохода 45 к переходному газоходу 3 на участке между газотурбинной установкой 2 и котлом-утилизатором 10.
Парогазовая установка содержит паротурбинную установку высокого давления 13, имеющую совместный с котлом-утилизатором 10 пароводяной контур, состоящий из конденсатопровода 14, регенеративного подогревателя конденсата 41, регенеративного подогревателя питательной воды 42, питательного насоса 28, трубопровода питательной воды 26, модулей поверхностей нагрева 35, 38, 39 в котле-утилизаторе 10, трубопровода 15, модулей поверхностей нагрева 32 в пароперегревателе 7, трубопровода 16. Паротурбинная установка высокого давления 13 также имеет контур промежуточного перегрева пара, состоящий из трубопровода 21, модулей поверхностей нагрева 36 в котле-утилизаторе 10, трубопровода 22, модулей поверхностей нагрева 33 в пароперегревателе 7, трубопровода 23. Трубопроводы питательной воды оборудованы запорной арматурой 31 и 29. В свою очередь подогреватели 41 и 42 вместе с трубопроводами, соединяющими их с турбиной паротурбинной установки 13, образуют систему регенеративного подогрева конденсата и питательной воды паром от отборов турбины.
Парогазовая установка содержит паротурбинную установку низкого давления 20 с пароводяным контуром низкого давления, состоящим из трубопровода 27, модулей поверхностей нагрева 37, 25, 12 в котле-утилизаторе 10, трубопровода 30. Пароводяные контуры высокого и низкого давлений соединены между собой трубопроводом 24 с установленной на нем запорной арматурой 40. Трубопровод 14, в свою очередь, оборудован запорной арматурой 34. Пароводяные контуры высокого и низкого давлений имеют общую деаэраторную установку 8, совмещенную с барабаном низкого давления 4 котла-утилизатора 10. Возможна установка отдельного деаэратора, не совмещенного с барабаном низкого давления 4.
Предлагаемая парогазовая установка работает следующим образом.
Атмосферный воздух через воздухозаборное устройство 1 подается на вход компрессора газотурбинной установки 2, из которой после сжигания топлива и выработки полезной работы горячие газообразные продукты сгорания подают газоходом 3 в котел-утилизатор 10, из которого после отдачи тепла на производство пара продукты сгорания с температурой 80-100°С сбрасывают по газоходу 9 в дымовую трубу 11. Произведенный в котле-утилизаторе 10 перегретый пар высокого давления подают в паровой контур высокого давления по трубопроводу 15, из которого он поступает в пароперегреватель 7, оснащенный горелочным устройством 6. В нем за счет сжигания дополнительного топлива и при помощи модулей поверхностей нагрева 32 осуществляется перегрев пара до температуры 540-570°С. Затем перегретый пар трубопроводом 16 подают в паротурбинную установку высокого давления 13. После частичного срабатывания и выработки полезной работы в паротурбинной установке 13 пар поступает в контур промежуточного перегрева по трубопроводу 21 к модулям поверхностей нагрева 36 в котле-утилизаторе 10. Затем по трубопроводу 22 пар поступает на дополнительный перегрев при помощи модулей поверхностей нагрева 33 в пароперегреватель 7. Далее перегретый пар трубопроводом 23 возвращается в паротурбинную установку 13, а после выработки полезной работы через деаэратор 8, совмещенный с барабаном низкого давления 4, насосом 28 в виде питательной воды возвращается по трубопроводам 14 и 26 в котел-утилизатор 10 для очередного производства пара при помощи модулей поверхностей нагрева 35, 38, 39. С помощью запорной арматуры 31 и 29 может быть отключена или включена система регенеративного подогрева питательной воды 42 паром от отборов турбины, а с помощью арматуры 40 и 34, соответственно, отключается или включается система регенеративного подогрева конденсата 41. Использование подогревателей 41, 42 дополнительно способствует повышению КПД паротурбинной установки.
В пароводяном контуре низкого давления паротурбиной установки 20 пар, нагретый при помощи модулей поверхностей нагрева 37 котла-утилизатора 10, трубопроводом 30 подается в паротурбинную установку низкого давления 20. Затем после выработки полезной работы в виде питательной воды по трубопроводу 27 вновь поступает для нагрева в котел-утилизатор 10.
Газообразные продукты сгорания, образующиеся в горелочном устройстве 6, отдают часть своего тепла модулям поверхностей нагрева 32, 33 в пароперегревателе 7. Затем, продукты сгорания по газоходу 19 поступают в воздухоподогреватель 43, где они так же отдают часть тепла для подогрева газов, всасываемых вентилятором 5, и далее по газоходу 45 подаются в котел-утилизатор 10 перед зоной размещения модулей поверхностей нагрева в нем, либо могут быть поданы в переходный газоход 3, в случае подключения газохода 45 к нему. Далее продукты сгорания в котле-утилизаторе 10 отдают тепло модулям поверхностей нагрева 35, 36 пароводяного контура высокого давления, т.е. используются наиболее рационально. Горячие продукты сгорания, имеющие достаточное содержание кислорода, газоходом 18 из котла-утилизатора 10 вентилятором рециркуляции 5 через газоход 44 подаются для подогрева в воздухоподогреватель 43 и далее газоходом 17 подаются в горелочное устройство 6 пароперегревателя 7. Использование воздухоподогревателя 43 в контуре рециркуляции позволяет уменьшить потребление топлива в горелочном устройстве 6, а также снизить температуру продуктов сгорания после пароперегревателя 7 до уровня температуры продуктов сгорания после газовой турбины на входе в котел-утилизатор 10. При недостаточном содержании кислорода в продуктах сгорания перед горелочным устройством 6 на газоходе 18 может быть установлено устройство для подачи в газоход 18 кислорода, обогащенного кислородом воздуха или атмосферного воздуха.