Способ работы газотурбодетандерной энергетической установки тепловой электрической станции
THERMAL POWER PLANT GAS TURBOEXPANDER POWER UNIT OPERATION METHOD

Изобретение относится к области энергетики, в частности к способу работы газотурбодетандерных агрегатов, и может быть использовано на тепловых электрических станциях.
Известна газотурбинная установка (Патент РФ №2338908, МПК F02C 6/18, опубл. 20.11.2008), содержащая компрессор, камеру сгорания, силовую газовую турбину, электрогенератор, теплообменный аппарат, турбодетандер. Высоконапорная магистраль природного газа соединена через теплообменный аппарат с входом турбодетандера, выход которого связан с камерой сгорания и с потребителем газа. Силовая газовая турбина связана валом с электрогенератором. Ротор высокооборотного турбодетандера соединен валом с ротором компрессора. Греющей средой теплообменного аппарата являются горячие газы, выходящие из силовой газовой турбины. Положительным качеством этой газотурбинной установки является привод компрессора от высокооборотного турбодетандера. Но эта газотурбинная установка не может быть применена на тепловых электрических станциях (ТЭС), так как давление газа, расширенного в ее турбодетандере и используемого для подачи в камеру сгорания, должно быть не менее 2,5 МПа, тогда как давление топливного газа, подаваемого в котельные агрегаты ТЭС, должно быть равным 0,13-0,15 МПа.
Известен также способ работы турбодетандерного агрегата (ТДА) (Е.А. Жигулина, Н.В. Калинин, В.Г. Хромченков. Эффективность подогрева природного газа при использовании детандергенераторных агрегатов на тепловых электрических станциях, http://www.combienergy.ru/stat/1215-Effektivnost-podogreva-prirodnogo-gaza-pri-ispolzovanii), применяемый для выработки электроэнергии на ТЭС с использованием потенциальной энергии сжатого природного газа, потребляемого котельными агрегатами. Согласно этому способу природный газ подают на газораспределительную станцию (ГРП) ТЭС с давлением 1,0-0,6 МПа, подогревают до температуры 80-100°С, расширяют в турбодетандерном агрегате с понижением его давления до 0,13-0,15 МПа и температуры в 3-5°С, исключающей гидратообразование. Этот газ подогревают после турбодетандера и используют как топливный газ для котельных агрегатов ТЭС. Теплоносителем для подогрева газа перед турбодетандером является вода, нагретая паром из отборов паровых турбин. Конденсат греющего пара возвращают в пароводяной цикл ТЭС. В зимнем режиме работы ТЭС греющую воду для ТДА подогревают также в пиковых водогрейных котлах.
Недостатком этого способа является необходимость связи ТДА трубопроводами теплоносителя и теплообменниками с отборами пара паровых турбин ТЭС. Кроме того, турбодетандерные установки, работающие по этому способу, имеют недостаточно высокую электрическую мощность из-за использования в них энергии теплоносителя, подогретого на ТЭС.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ работы энергетической газотурбодетандерной установки собственных нужд компрессорных станций магистральных газопроводов (Патент РФ №2541080, МПК F02C 6/00, F01K 27/00, F25B 11/00, опубл. 10.02.2015), содержащих газопровод высокого давления, подогреватель газа, газотурбодетандерную установку, состоящую из турбодетандера с регулируемым сопловым аппаратом, воздушного компрессора, камеры сгорания, газовой турбины, теплообменника-регенератора, электрогенератора, трубопроводы горячего и охлажденного теплоносителя, систему управления давлением газа, выходную газовую магистраль, при этом газопровод высокого давления соединен по газу с входом турбодетандера через теплообменник-регенератор, выход которого связан с выходной газовой магистралью и с камерой сгорания, воздушный компрессор соединен через камеру сгорания с газовой турбиной, выход газовой турбины связан по продуктам сгорания через теплообменник-регенератор с атмосферой.
Согласно этому способу газ высокого давления подогревают, расширяют в турбодетандере с регулирующим сопловым аппаратом, полезную работу турбодетандера используют для привода компрессора, а полезную работу газовой турбины используют для выработки электроэнергии в электрогенераторе. Подогрев газа высокого давления перед турбодетандером производят за счет теплоты выхлопных газов газовой турбины. При изменении давления газа высокого давления с помощью регулирующего соплового аппарата поддерживают постоянное давление газа, расширенного в турбодетандере. Данный способ работы энергетической газотурбодетандерной установки принят в качестве прототипа предлагаемого изобретения. Положительным качеством способа-прототипа является повышенная электрическая мощность энергетической газотурбинной установки за счет использования работы турбодетандера для сжатия воздуха в компрессоре.
Но способ-прототип предназначен для выработки электроэнергии на компрессорной станции с подачей газа высокого давления в турбодетандер. Природный газ высокого давления 5,5-7 МПа расширяют в турбодетандере и направляют его с давлением 2,5-3 МПа в камеры сгорания газоперекачивающих агрегатов. Этот способ не может быть применен для работы газотурбодетандерной энергетической установки тепловой электрической станции вследствие того, что на ГРП ТЭС подают природный газ с давлением до 1 МПа и расширяют его в дросселе до давления 0,13-0,15 МПа, необходимом для подачи топливного газа в котельные агрегаты ТЭС.
Технической задачей предлагаемого изобретения является увеличение электрической мощности и тепловой экономичности газотурбодетандерной энергетической установки тепловой электрической станции.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе работы газотурбодетандерной энергетической установки тепловой электрической станции, содержащей газопровод высокого давления, теплообменник подогрева газа высокого давления, турбодетандер с регулирующим сопловым аппаратом, теплообменник подогрева газа пониженного давления, газотурбинную установку с компрессором, камерой сгорания, газовой турбиной, электрогенератором, трубопроводы горячего и охлажденного теплоносителя (воды) с насосом, систему управлением давлением газа пониженного давления; при этом газопровод высокого давления через теплообменник подогрева газа высокого давления соединен с входом турбодетандера, выход турбодетандера связан через теплообменник подогрева газа пониженного давления с газопроводом пониженного давления, этот теплообменник связан с трубопроводами горячего и охлажденного теплоносителя, турбодетандер соединен валом с компрессором, газовая турбина соединена валом с электрогенератором, система управления давлением газа пониженного давления связана импульсными линиями с регулирующим сопловым аппаратом турбодетандера и с газопроводом пониженного давления, согласно этому способу атмосферный воздух сжимают в компрессоре, подают в камеру сгорания, сжигают топливо, продукты сгорания расширяют в газовой турбине, полезную работу газовой турбины используют для выработки электроэнергии, полезную работу турбодетандера используют для привода компрессора, причем в газотурбодетандерной энергетической установке дополнительно применяют регенеративный воздухоподогреватель, дожимной газовый компрессор, теплообменник утилизации теплоты уходящих газов газовой турбины, при этом теплообменники подогрева газа высокого давления и утилизации теплоты уходящих газов выполняют газоводяными, газоводяной теплообменник утилизации теплоты уходящих газов соединяют трубопроводами горячего и охлажденного теплоносителя с газоводяным теплообменником подогрева газа высокого давления и с газоводяным теплообменником подогрева газа пониженного давления; небольшую часть газа из газопровода высокого давления 1,0-0,6 МПа сжимают в дожимном газовом компрессоре и с давлением 2,5-3 МПа подают в камеру сгорания, большую часть газа высокого давления подогревают теплом горячего теплоносителя в газоводяном теплообменнике подогрева газа высокого давления, расширяют в турбодетандере до давления 0,13-0,15 МПа и температуры 3-5°С, затем этот газ подогревают теплом горячего теплоносителя в газоводяном теплообменнике пониженного давления и по газопроводу пониженного давления подают в котельные агрегаты тепловой электрической станции, теплоноситель, охлажденный в газоводяных теплообменниках подогрева газа высокого и пониженного давления, направляют для подогрева в газоводяной теплообменник утилизации теплоты уходящих газов газовой турбины; при изменении давления газа в газопроводе высокого давления систему управления давлением газа пониженного давления используют для изменения положения регулирующего соплового аппарата турбодетандера и поддержания постоянного давления газа в газопроводе пониженного давления, подаваемого в котельные агрегаты тепловой электрической станции.
Новые технические решения в предлагаемом способе работы газотурбодетандерной энергетической установки тепловой электрической станции позволяют увеличить электрическую мощность и экономичность газотурбодетандерной энергетической установки за счет дополнительного применения регенеративного воздухоподогревателя; газоводяных теплообменников высокого давления, пониженного давления и утилизации теплоты уходящих газов газовой турбины. Важно, что расход газа, подогреваемого в газоводяном теплообменнике высокого давления и в газоводяном теплообменнике пониженного давления, близок к расходу продуктов сгорания через газоводяной теплообменник утилизации теплоты уходящих газов газовой турбины. Это способствует снижению температуры уходящих газов и большей утилизации тепла выхлопных газов газовой турбины. За счет этого в предлагаемом способе работы газотурбодетандерной энергетической установки будет достигнут высокий уровень совместной когенерационной выработки электрической и тепловой энергии с повышением до 80-85% коэффициента использования тепла топлива, сжигаемого в камере сгорания газотурбинной установки.
Схема устройства для реализации способа работы газотурбодетандерной энергетической установки изображена на Фиг. 1. Устройство включает: газопровод высокого давления 1, газоводяной теплообменник подогрева газа высокого давления 2, турбодетандер 3, компрессор 4, регенеративный воздухоподогреватель 5, газовую турбину 6, электрогенератор 7, камеру сгорания 8, газоводяной утилизационный теплообменник уходящих газов 9, трубопроводы теплоносителя (воды) 10 с насосом, теплообменник подогрева газа пониженного давления 11, газопровод пониженного давления 12, дожимной газовый компрессор топливного газа газотурбинной установки 13, тепловую электрическую станцию 14, систему управления давлением газа пониженного давления 15. Газопровод высокого давления 1 с давлением 1,0-0,6 МПа связан с турбодетандером 3. Выход турбодетандера 3 через газоводяной подогреватель газа пониженного давления 11 связан с газопроводом пониженного давления 12 и с тепловой электрической станцией 14. Выход компрессора 4 через регенеративный воздухоподогреватель 5 и камеру сгорания 8 связан с входом газовой турбины 6. Выход газовой турбины 6 связан выхлопным газоходом с атмосферой через регенеративный воздухоподогреватель 5 и газоводяной утилизационный теплообменник уходящих газов 9, который трубопроводами теплоносителя (воды) 10 связан с газоводяным подогревателем газа высокого давления 2 и с газоводяным подогревателем газа пониженного давления 11. Турбодетандер 3 связан общим валом с компрессором 4, а газовая турбина 6 связана валом с электрогенератором 7. Выход турбодетандера 3 соединен газопроводом пониженного давления 12 через газоводяной подогреватель газа пониженного давления 11 с котельными агрегатами тепловой электрической станции 14. Газопровод высокого давления 1 связан с камерой сгорания 8 через дожимной газовый компрессор 13 топливного газа газотурбинной установки. Система управления давлением газа пониженного давления 15 связана импульсными линиями с регулирующим сопловым аппаратом турбодетандера 3 и с газопроводом пониженного давления 12.
Предлагаемый способ работы газотурбодетандерной энергетической установки тепловой электрической станции осуществляют следующим образом. Природный газ из газопровода высокого давления 1 подогревают в газоводяном подогревателе газа высокого давления 2 и подают в турбодетандер 3. Здесь его расширяют с понижением давления до 0,13-0,15 МПа и температуры 3-5°С и подают по газопроводу пониженного давления 12 через газоводяной подогреватель газа пониженного давления 11 к котельным агрегатам тепловой электрической станции 14. Атмосферный воздух сжимают в компрессоре 4 и через регенеративный воздухоподогреватель 5 и камеру сгорания 8 подают на вход газовой турбины 6. Продукты сгорания газовой турбины 6 подают через регенеративный воздухоподогреватель 5 и газоводяной утилизационный теплообменник уходящих газов 9 в атмосферу. В этом теплообменнике теплом уходящих газов газовой турбины подогревают теплоноситель (воду), и по трубопроводу горячего теплоносителя 10 ее подают в газоводяной теплообменник газа высокого давления 2, подогревая в нем газ высокого давления, а также в газоводяной подогреватель газа пониженного давления 11, подогревая газ пониженного давления, подаваемый в котельные агрегаты тепловой электрической станции 14. Газ из газопровода высокого давления 1 направляют в дожимной газовый компрессор 13, сжимают до давления 2,5-3 МПа и подают в качестве топливного газа в камеру сгорания 8. При изменении давления в газопроводе высокого давления 1 с помощью системы управления давлением газа пониженного давления 15 изменяют положение регулирующего соплового аппарата турбодетандера 3 и поддерживают постоянное давление топливного газа 0,13-0,15 МПа в газопроводе пониженного давления 12.