ПАРОГАЗОВАЯ УСТАНОВКА
STEAM-GAS INSTALLATION

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в энергетических парогазовых установках (ПГУ) бинарного типа, содержащих газотурбинные установки (ГТУ) с котлами-утилизаторами (КУ) и паровыми турбинами. Наибольший эффект может быть получен от внедрения изобретения в ПГУ, содержащей двух- и более вальную ГТУ с силовой газовой турбиной, установленной на одном валу с турбогенератором.
Повышение КПД паросиловой части ПГУ и, следовательно, ПГУ в целом, стремятся обеспечить путем увеличения суммарного теплоперепада в паровых турбинах, зависящего как от степени расширения пара в паровой турбине ПГУ, так и от внутренних адиабатических КПД ее проточной части. Повышение этих параметров достигается, в частности, повышением начального давления перед паровой турбиной за счет применения двухцилиндровых паровых турбин с повышенной частотой вращения ротора цилиндра высокого давления (ЦВД).
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является ПГУ, содержащая одновальную газотурбинную установку (ГТУ) с камерой сгорания и одним компрессором, паровой котел-утилизатор (КУ) двух давлений с промежуточным перегревателем пара и двухцилиндровую паровую турбину с конденсатором, сообщенную на входе первого цилиндра - цилиндра высокого давления (ЦВД) - по пару с выходом КУ по пару высокого давления, на выходе второго цилиндра - с входом конденсатора по пару, при этом на выходе по конденсату конденсатор гидравлически связан с входом КУ по конденсату. Вал ротора ЦВД соединен с валом второго цилиндра, ГТУ и потребителя мощности - турбогенератора - через редуктор, что позволяет повысить частоту вращения ротора ЦВД с соответствующим уменьшением диаметра и увеличением относительной высоты лопаток ЦВД и, благодаря этому, повысить внутренний относительный КПД ЦВД при высоком начальном давлении (Texas GT24: High Availability and Flexibility / E.Jeffs // Turbomachinery, January/February 2003, стр.23, 25, фиг.5).
Недостаток данного технического решения состоит в том, что оно является эффективным только применительно к мощным одновальным ПГУ, в которых оба ротора паровой турбины кинематически связаны не только с валом турбогенератора, но и с ротором компрессора ГТУ.
В ПГУ же с двух- или более вальной ГТУ и турбогенератором, установленным на валу силовой газовой турбины, соединение роторов паровой турбины только с валом этого или другого турбогенератора приводит к значительному усложнению системы регулирования паровой турбины, связанному, в частности, с установкой регулирующих клапанов на входах паровой турбины по пару. Это приводит к увеличению потерь давления в паровом тракте ПГУ и, как следствие, к снижению степени расширения пара и теплоперепада, срабатываемого в цилиндрах паровой турбины. Кроме того, возрастают объемы барабанов КУ - для снижения амплитуды колебания давлений в контурах КУ из-за работы регулирующих клапанов и, следовательно, растет металлоемкость КУ. Возникает необходимость в обеспечении защиты турбин от чрезмерной раскрутки роторов в случае аварийного сброса электрической нагрузки, в составе оборудования ПГУ появляется быстрое редукционно-охладительное устройство и т.п.
Далее, в ПГУ средней мощности повышение начального давления перед цилиндром высокого давления (ЦВД) паровой турбины с ротором, установленным на валу потребителя мощности с фиксированной частотой вращения 3000 об/мин, оказывается неэффективным из-за чрезмерного снижения высот лопаток и снижения КПД ЦВД. Применение же редуктора для повышения частоты вращения ротора ЦВД связано как с наличием дополнительных потерь энергии в самом редукторе, так и с усложнением оборудования и его эксплуатации вследствие наличия системы маслоснабжения редуктора и его охлаждения.
Техническим результатом заявляемой ПГУ является повышение теплоперепада, срабатываемого в паровой турбине, без использования редуктора и, в итоге, повышение КПД ПГУ во всем эксплуатационном диапазоне нагрузок.
Для достижения указанного технического результата заявляемая ПГУ, содержащая ГТУ, снабженную, по крайней мере, одной газовой турбиной, камерой сгорания и, по крайней мере, одним компрессором, установленным на валу газовой турбины, а также паровой котел-утилизатор (КУ) и двухцилиндровую паровую турбину с конденсатором, сообщенную на входе первого цилиндра по пару с выходом КУ по пару, на выходе второго цилиндра - с входом конденсатора по пару, при этом на выходе по конденсату конденсатор гидравлически связан с входом КУ по конденсату, согласно изобретению ПГУ снабжена дополнительным двухкаскадным компрессором, сообщенным на входе первого каскада по воздуху с атмосферным воздухом, на выходе второго каскада по воздуху - с выходом одного из компрессоров ГТУ по воздуху, при этом первый каскад дополнительного компрессора установлен на одном отдельном валу со вторым цилиндром паровой турбины, а второй его каскад - на одном отдельном валу с первым цилиндром паровой турбины.
Изобретение поясняется примером его реализации, схематически изображенном на чертеже.
ПГУ содержит ГТУ 1, снабженную, в данном примере, двумя газовыми турбинами 2 и 3 (при этом турбина 3 установлена на валу потребителя мощности - турбогенератора 4), камерой сгорания 5 и двумя компрессорами 6 и 7, установленными на валу газовой турбины 2, а также паровой КУ 8 и двухцилиндровую паровую турбину с конденсатором 9. Двухцилиндровая паровая турбина с конденсатором 9 сообщена на входе первого цилиндра 10 по пару с выходом КУ 8 по пару (в данном примере - по пару высокого давления - в.д.), на выходе второго цилиндра 11 по пару - с входом конденсатора 9 по пару, при этом на выходе по конденсату конденсатор 9 гидравлически связан с входом КУ 8 по конденсату. В данном примере КУ 8 предполагается выполненным по схеме КУ прототипа, т.е. с двумя контурами давлений и промежуточным перегревателем пара, и сообщенным на входе по промежуточному пару (промпару) с выходом первого цилиндра 10 по пару, на выходах по промпару и пару низкого давления (н.д.) - со входами второго цилиндра 11 паровой турбины по пару и пару н.д.
ПТУ снабжена дополнительным двухкаскадным компрессором, сообщенным на входе первого каскада 12 по воздуху с атмосферным воздухом, на выходе второго каскада 13 по воздуху - в данном примере - с выходом компрессора 6 ГТУ 1 по воздуху, при этом первый каскад 12 дополнительного компрессора установлен на одном отдельном валу 14 со вторым цилиндром паровой турбины 11, а второй его каскад 13 - на одном отдельном валу 15 с первым цилиндром 10 паровой турбины.
В данном примере валы 14 и 15 размещены концентрично, при этом вал 14 расположен внутри вала 15, выполненного в виде полого цилиндра.
Установка работает следующим образом.
Атмосферный воздух сжимают в компрессорах 6, 7, а также в каскадах дополнительного компрессора 12 и 13 и подают в камеру сгорания 5, куда подают также топливо. Продукты сгорания топлива (газы) из камеры сгорания 5 поступают в газовые турбины 2 и 3, где, расширяясь, совершают работу по приводу компрессоров 6, 7 и турбогенератора 4. В КУ 8 теплом выхлопных газов газовой турбины 3 вырабатывают пар. В данном примере в КУ 8 вырабатывают пар двух давлений, а также осуществляют промежуточный перегрев пара за первым цилиндром 10 паровой турбины. Пар из КУ 8 подают в цилиндры 10 и 11 паровой турбины, совершающей работу по приводу каскадов 12 и 13 дополнительного компрессора. Отработанный в паровой турбине пар расширяется до давления в конденсаторе 9, где конденсируется, а полученный конденсат возвращается в КУ 8.
Защита паровой турбины от раскрутки роторов в случае аварийного сброса электрической нагрузки в заявляемой ПГУ не нужна, т.к. роторы обоих цилиндров 10 и 11 установлены на валах дополнительного компрессора. Поскольку они не соединены с валом турбогенератора, имеющего фиксированную частоту (3000 об/мин), то могут быть выполнены с возможностью вращения на оптимальных оборотах, т.е. значительно более высоких, чем обороты вала турбогенератора, и благодаря этому, с оптимальным относительным удлинением лопаток, при котором номинальные значения адиабатических КПД проточных частей паровой турбины максимальны.
Роторы обоих каскадов дополнительного компрессора и паровой турбины работают не на постоянных, а на скользящих оборотах, причем снижение оборотов обоих роторов при уменьшении нагрузки сочетается с уменьшением расходов рабочих тел не только через компрессор, но и паровую турбину, поскольку с понижением нагрузки снижается температура газов перед КУ 3 и снижается его паропроизводительность. Благодаря этому средний уровень адиабатических КПД цилиндров паровой турбины на переменных режимах в заявляемой ПГУ выше, чем в прототипе.
Регулирование подачи пара в паровую турбину не требуется, потери давления на линии подачи пара в паровую турбину, по крайней мере, не выше, чем в прототипе.
Перечисленные факторы обуславливают повышение среднего теплоперепада, срабатываемого в паровой турбине заявляемой ПГУ, что, в итоге, повышает средний КПД ПГУ в реальном диапазоне нагрузок.
Указанный технический результат достигается без применения редуктора и связанных с ним потерь, что обеспечивает дополнительное повышение КПД ПГУ во всем эксплуатационном диапазоне.
Приведенный пример предназначен лишь для иллюстрации изобретения и не исчерпывает всего многообразия возможных технических решений по его реализации. В частности, согласно изобретению дополнительный компрессор (его второй каскад) на выходе по воздуху может быть сообщен с выходом не компрессора 6, а компрессора 7 ГТУ 1 по воздуху. На практике выбор места подачи сжатого воздуха из дополнительного компрессора - на выход по воздуху одного из компрессоров ГТУ - 6 или 7 - зависит от параметров исходной (надстраиваемой) ГТУ и планируемого объема модификации этой ГТУ.
Кроме того, надстраиваемая ГТУ может быть снабжена регенератором, может иметь одновальное исполнение - с одной газовой турбиной и возможно, с одним компрессором. Блоки каскадов дополнительного компрессора с цилиндрами паровой турбины могут быть разнесены и выполнены в раздельных корпусах, а не в общей корпусной конструкции с концентричным размещением вала 14 в полом валу 15, как показано на фигуре. Второй цилиндр паровой турбины на входе по пару может быть сообщен с выходом первого цилиндра паровой турбины по пару не через паровой тракт промежуточного перегревателя (КУ), а непосредственно, КУ 8 может содержать не два, а один или три парогенерирующих контура и т.п.