Способ работы парогазовой установки с котлом-утилизатором и испарителями мгновенного вскипания питательной воды
METHOD OF STEAM GAS INSTALLATION OPERATION WITH BOILER-UTILIZER AND INSTANT BOIL EVAPORATORS OF FEED WATER

Изобретение относится к теплоэнергетике и энергомашиностроению.
Известен способ [1] (с. 382, рис. 15.13), включающий преобразование тепловой энергии топлива в работу в ступенях расширения газотурбинной установки и паровой турбины, утилизацию теплоты газотурбинной установки в котле-утилизаторе за счет нагрева конденсата и питательной воды в газовом подогревателе конденсата и экономайзере, испарения питательной воды в испарителе и перегрева полученного пара в пароперегревателе.
При реализации способа [1] парогазовая установка (ПГУ) имеет невысокий КПД из-за высокой температуры уходящих газов из котла-утилизатора.
Более близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ работы парогазовой установки с котлом-утилизатором и испарителями [2] (с. 278, рис. 8.8), включающий преобразование тепловой энергии топлива в работу в ступенях расширения газотурбинной установки и паровой турбины, утилизацию теплоты газотурбинной установки в котле-утилизаторе за счет нагрева питательной воды в экономайзере, испарения питательной воды в испарителе высокого давления, перегрева пара высокого давления в перегревателе высокого давления, расположенном первым по ходу движения выхлопных газов в котле-утилизаторе, испарения питательной воды в испарителе низкого давления, перегрева пара низкого давления в перегревателе низкого давления, расширение пара в ступенях высокого давления, расширение пара в ступенях низкого давления.
Прототип имеет более высокий КПД, но из-за наличия испарителей недостаточно высокую надежность работы, сложность эксплуатации, высокую стоимость.
Отмеченные недостатки устранены в предлагаемом способе. В нем в качестве испарителей высокого и низкого давлений используют испарители мгновенного вскипания высокого и низкого давлений, всю питательную воду из экономайзера подают в испаритель мгновенного вскипания высокого давления, отработавший пар из ступеней расширения высокого давления паровой турбины вместе с водой из испарителя мгновенного вскипания высокого давления подают в испаритель мгновенного вскипания низкого давления, воду из него перед смешением с конденсатом из конденсатора предварительно охлаждают в теплообменнике, а полученный после смешения конденсат нагревают в газовом подогревателе конденсата.
При реализации предлагаемого способа парогазовая установка имеет из-за более высокого перегрева пара более высокий КПД, из-за отсутствия испарителей неконтактного типа более высокую надежность работы, меньшую стоимость и более простую конструкцию и эксплуатацию.
В прототипе испарение питательной воды в испарителе неконтактного типа производится за счет пузырькового кипения вблизи обогреваемой поверхности. В предлагаемом способе испарение происходит только в испарителях мгновенного вскипания, то есть при вскипании перегретой воды. Отсутствие испарителя неконтактного типа устраняет проблемы, связанные с тепловой и гидравлической разверкой системы параллельных труб, с образованием накипи на обогреваемых поверхностях, с расположением в пространстве обогреваемых поверхностей (при естественной конвекции). Нагрев конденсата в газовом подогревателе конденсата, питательной воды в экономайзере и перегрев пара в перегревателях осуществляется за счет прямоточной вынужденной конвекции. Это существенно сокращает количество разнообразных теплообменных поверхностей.
Расположение перегревателей высокого и низкого давления в начале котла-утилизатора по ходу движения выхлопных газов позволяет существенно увеличить перегрев пара, снизить его влажность в ступенях расширения паровой турбины и за счет этого повысить экономичность ПГУ.
На фиг. 1 приведена одна из возможных схем ПГУ с котлом-утилизатором и испарителями мгновенного вскипания питательной воды. Предлагаемая ПГУ включает энергетическую газотурбинную установку (ГТУ), основными элементами которой являются компрессор 1, камера сгорания 2, турбина 3. Котел-утилизатор ПГУ включает перегреватель пара высокого давления 4, перегреватель пара низкого давления 5, экономайзер 6 и газовый подогреватель конденсата 7. В состав ПГУ входят испаритель мгновенного вскипания высокого давления 8, испаритель мгновенного вскипания низкого давления 9, ступени расширения высокого давления 10 и низкого давления 11 паровой турбины, деаэратор 12, водоводяной теплообменник 13, конденсатор 16, водоводяной теплообменник очистки 14, блок химводоочистки 15, насос питательной воды 17, конденсатный насос 18, рециркуляционный насос 19, сетевой насос 20, насос циркуляционной воды 21.
ПГУ работает следующим образом. Атмосферный воздух поступает в компрессор 1 энергетической ГТУ. Топливо подается в камеру сгорания 2. ГТУ вырабатывает часть полезной электроэнергии, снимаемой с шин генератора, подключенного к газовой турбине 3. Выхлопные газы ГТУ направляются в котел-утилизатор, где последовательно передают теплоту пару и воде в перегревателях пара высокого 4 и низкого 5 давлений, экономайзере 6, газовом подогревателе конденсата 7. Таким образом, во всех поверхностях нагрева в качестве нагреваемой среды используется однофазная среда (вода или пар), что упрощает конструкцию, повышает надежность, снижает стоимость котла-утилизатора по сравнению с прототипом. Последовательность расположения поверхностей нагрева обеспечивает наиболее эффективное использование тепловой энергии выхлопных газов за счет минимизации температурных напоров на отдельных участках нагрева.
Генерация пара в контуре высокого давления осуществляется в испарителе мгновенного вскипания высокого давления 8, а в контуре низкого давления - в испарителе мгновенного вскипания низкого давления 9. Пар из испарителя мгновенного вскипания высокого давления 8, после перегрева в перегревателе высокого давления 4 направляется в ступени расширения высокого давления 10 паровой турбины. Из них отработавший пар поступает в испаритель мгновенного вскипания низкого давления 9, например, через барботажную тарелку, в который поступает также вода из испарителя мгновенного вскипания высокого давления 8. Пар из испарителя мгновенного вскипания низкого давления 9, после перегрева в перегревателе низкого давления 5 направляется в ступени расширения низкого давления 11 паровой турбины. Паровая турбина, состоящая из ступеней расширения высокого давления 10 и низкого давления 11, вырабатывает оставшуюся часть полезной электроэнергии. Вода из испарителя мгновенного вскипания низкого давления 9 направляется в деаэратор 12 и водоводяной теплообменник 13. Часть воды из испарителя мгновенного вскипания низкого давления 9 направляется в водоводяной теплообменник очистки 14, а затем в блок химводоочистки 15. Вода из блока химводоочистки 15 поступает в деаэратор 12. Отработавший пар из ступеней расширения низкого давления 11 паровой турбины поступает в конденсатор 16. Вода из деаратора 12 и конденсатора 16 откачивается соответственно насосом питательной воды 17 и конденсатным насосом 18. Рециркуляционный насос 19 обеспечивает рециркуляцию воды в контуре газового подогревателя конденсата 7 с целью регулирования температуры конденсата на его входе. Сетевая и циркуляционная вода соответственно через водоводяной теплообменник 13 и конденсатор 16 прокачивается сетевым насосом 20 и насосом циркуляционной воды 21.
На фиг. 1 показана схема ПГУ только с двумя испарителями мгновенного вскипания питательной воды. При увеличении их количества дополнительно появятся также соответствующие перегреватели пара и ступенини расширения пара в паровой турбине.
На фиг. 2 показана t-Q диаграмма теплообмена в котле-утилизаторе ПГУ. На диаграмме представлены результаты расчета теплообмена для одного из режимов работы предлагаемой ПГУ с котлом-утилизатором и испарителями мгновенного вскипания питательной воды.
Ломаная линия 2В-3В-6В-7В-9В''-12В-8В''-10В характеризует нагрев воды и пара в котле утилизаторе на четырех участках: 2В-3В - нагрев конденсата в газовом подогревателе конденсата 7; 6В-7В - нагрев воды в экономайзере 6; 9В''-12В - перегрев пара в перегревателе пара низкого давления 5; 8В''-10В - перегрев пара в перегревателе пара высокого давления 4. При этом точка 7В на диаграмме характеризует состояние перегретой воды на входе в испаритель мгновенного вскипания высокого давления 8; точка 8В'' - состояние насыщения в испарителе мгновенного вскипания высокого давления 8, при котором происходит сепарация пара и воды в испарителе мгновенного вскипания высокого давления; точка 9В'' - состояние насыщения в испарителе мгновенного вскипания низкого давления 9, при котором происходит сепарация пара и воды в испарителе мгновенного вскипания низкого давления. Точка 10В характеризует состояние перегретого пара на входе в ступени расширения высокого давления 10 паровой турбины. Точка 12В характеризует состояние перегретого пара на входе в ступени расширения низкого давления 11 паровой турбины.
Участок 1Г-2Г характеризует охлаждение выхлопных газов ГТУ в перегревателе пара высокого давления 4 с передачей теплоты пару контура высокого давления перед его поступлением в ступени расширения высокого давления 10 паровой турбины. Участок 2Г-3Г характеризует охлаждение выхлопных газов ГТУ в перегревателе пара низкого давления 5 с передачей теплоты пару контура низкого давления перед его поступлением в ступени расширения низкого давления 11 паровой турбины.
Участок 3Г-4Г характеризует охлаждение выхлопных газов ГТУ на участке экономайзера 6. Участок 4Г-5Г характеризует охлаждение выхлопных газов ГТУ в газовом подогревателе конденсата 7.
Источники информации
1. Буров В.Д., Дорохов Е.В., Елизаров Д.П. и др. Тепловые электрические станции. - М.: Изд-во МЭИ, 2005. - 454 с.
2. Цанев С.В., Буров В.Д., Ремезов А.Н. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций. - М.: Изд-во МЭИ, 2002. - 584 с.