УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАПУСКА ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ ПОД НОМИНАЛЬНЫМ ДАВЛЕНИЕМ
DEVICE FOR STARTING STEAM TURBINE AT RATED PRESSURE

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В целом изобретение относится к энергетическим системам с комбинированным циклом, а более конкретно, к устройству и способу запуска паровой турбины под номинальным давлением.
Известно, что энергетические системы с комбинированным циклом включают одну или несколько газовых турбин и теплоутилизационные парогенераторы (ТУПГ), а также паровую турбину. Процедуры запуска обычной системы с комбинированным циклом предполагают режим ожидания газовой турбины при низкой нагрузке и ограничения на скорость нагружения газовой турбины для управления скоростью подъема температуры пара. Указанные задержки и ограничения увеличивают выбросы в атмосферу в процессе самого запуска, могут привести к увеличению продолжительности запуска и этапа нагружения, а также могут увеличить расход топлива, потребляемого в ходе запуска и нагружения турбины.
Если говорить более конкретно, в системах с комбинированным циклом в пусковом режиме и на этапе нагружения, а также до того момента, когда нагрузка газовой турбины не достигнет максимума, газовая турбина остается в режиме ожидания до тех пор, пока температура пара, создаваемого ТУПГ, не будет соответствовать температуре металла цилиндра высокого давления и цилиндра среднего давления паровой турбины, и/или пока не закончится прогрев ТУПГ при допустимой интенсивности прогрева, и/или пока ТУПГ не нагреется до температуры, соответствующей его готовности для нагрева топлива. За счет того, что газовая турбина находится в режиме ожидания при пониженной нагрузке, ее работа отличается низкой эффективностью и высоким выбросом отработанных газов.
В недавнем прошлом указанные стандартные процедуры запуска были допустимы по меньшей мере отчасти, поскольку запуски производились редко. Однако учитывая, что в зависимости от времени суток тариф на электроэнергию изменяется, такие запуски стали производиться чаще.
В публикации США 2007/0113562, автор Томлинсон и др. (переступленной Дженерал Электрик Компани), описаны способы и устройство, обеспечивающие более низкий уровень выбросов в процессе запуска и нагружения по сравнению с уровнем выбросов известных обычных систем с комбинированным циклом. Кроме того, данные способы и устройство помогли добиться укороченного времени запуска и нагружения, а также пониженного расхода топлива в процессе самого запуска и нагружения по сравнению с известными обычными системами с комбинированным циклом.
Этот способ включает нагружение газовой турбины, вплоть до ее максимальной скорости нагружения, и нагружение паровой турбины при максимальной скорости нагружения, в то время как избыточный пар отводится в конденсатор, при этом температура пара, подаваемого в паровую турбину, по существу не изменяется с момента первоначального впуска пара в паровую турбину и до тех пор, пока весь пар, создаваемый теплоутилизационным парогенератором, не станет поступать в паровую турбину, при этом газовая турбина работает при максимальной нагрузке.
На Фиг.1 изображена схема системы 10 с комбинированным циклом, предназначенной для осуществления быстрого запуска. Как известно, система 10 включает газовую турбину 12 и паровую турбину 14, соединенную с генератором 16. Паровая турбина 16 соединена с теплоутилизационным парогенератором (ТУПГ) 18 посредством многочисленных трубопроводов, а выходящий из турбины пар попадает в конденсатор 20.
Система 10 включает регуляторы 22 температуры пара, установленные на выпускном конце пароперегревателя высокого давления, и регулятор 24 температуры пара, расположенный на выпускном конце промежуточного пароперегревателя в ТУПГ 18. ТУПГ 18 может быть снабжен прямоточным испарителем или испарителем барабанного типа, который способен выдерживать ежедневный запуск и нагружение газовой турбины 12 с оптимизированной скоростью и при этом соответствует нормативному сроку службы и регламентным работам.
В процессе запуска и нагружения газовой и паровой турбин регуляторы 22 и 24 температуры пара работают на уменьшение температуры горячего перегретого пара высокого давления, который создается ТУПГ 18 и подается в паровую турбину 14. В частности, регулятор 22 способствует тому, что паровая турбина отвечает требованиям, предъявляемым к газовой турбине 12, по соответствию температуры пара температуре металла цилиндра высокого давления при любой нагрузке. Температура горячего перегретого пара, предназначенного для впуска в секцию среднего давления паровой турбины, регулируется до ее соответствия температуре металла посредством концевого регулятора 24 температуры для перегретого пара.
Система 10 дополнительно включает байпасные трубопроводы 28, 30 и 32, идущие от ТУПГ 18 к конденсатору 20, и байпасный трубопровод 33, идущий от паровой магистрали высокого давления к паропроводу холодного перегретого пара, которые обеспечивают альтернативные проходы для пара высокого давления, при этом впускные клапана 40 паровой турбины плавно регулируются по отношению к нагрузке паровой турбины при самых высоких допустимых скоростях нагружения. Байпасные трубопроводы 28 и 33 включают клапана, которые плавно регулируются с целью регулировки давления пара высокого давления и скорости повышения давления пара высокого давления. Байпасный трубопровод 30 обеспечивает альтернативный трубопровод для горячего перегретого пара, при этом клапан, регулирующий промежуточное давление, плавно регулируется в процессе нагружения паровой турбины. Байпасный трубопровод 30 включает клапан, который плавно регулируется с целью регулирования давления пара промежуточного перегрева, при этом в процессе нагружения паровой турбины плавно регулируется клапан, регулирующий среднее давление паровой турбины. Байпасный трубопровод 32 обеспечивает альтернативный трубопровод для пара низкого давления, при этом в процессе нагружения паровой турбины плавно регулируется впускной клапан низкого давления паровой турбины. Такое перепускное устройство обеспечивает 100% или большее парообразование ТУПГ-ом 18 совместно с газовой турбиной 12, вплоть до максимальной загрузки паром турбины и при любой нагрузке (от нулевой до максимальной).
Кроме того, применяют такую процедуру нагружения паровой турбины, при которой температура пара поддерживается постоянной с момента первоначального впуска пара и до тех пор, пока в паровую турбину не будет поступать весь пар, создаваемый ТУПГ-ом совместно с газовой турбиной 12 при доведении ее до максимальной нагрузки, и можно будет выполнить загрузку паровой турбины при любой нагрузке газовой турбины, вплоть до ее максимального значения. Это можно осуществить путем поддержания заданного значения температуры концевого регулятора 22 температуры пара высокого давления либо при самой низкой допустимой температуре (например, около 700 градусов Фаренгейта (370°C)), либо (если температура металла цилиндра выше минимальной температуры) немного выше температуры металла цилиндра высокого давления паровой турбины, измеренной при первоначальном впуске пара высокого давления в паровую турбину. Подобным образом, уставка концевого регулятора 24 температуры для горячего перегретого пара поддерживается либо при самой низкой допустимой температуре, либо (если температура металла цилиндра среднего давления паровой турбины выше минимальной температуры, при которой начинается впуск пара) при температуре, соответствующей температуре металла цилиндра или немного выше. Указанная процедура запуска облегчает нагружение паровой турбины при обеспечении минимального механического напряжения, возникающего от нагрева корпуса турбины или ротора.
Главный регулирующий паровой клапан 40 предназначен для регулирования потока пара в паровую турбину 14. Главный запорный паровой клапан 41 предусмотрен для прямого отсечения пара, поступающего в турбину, и быстрого запирания с целью защиты паровой турбины. После достижения подачи всего пара в паровую турбину 14, поднимают температуру пара, выходя на нормативный кпд и эффективность паровой турбины, при этом скорость подъема согласуется с допустимым механическим напряжением и относительным расширением паровой турбины. Главный регулирующий паровой клапан 40 и главный запорный паровой клапан 41 могут быть объединены в едином корпусе. Концевые регуляторы 22 и 24 обеспечивают регулирование температуры пара в процессе запуска данной паровой турбины.
Обычно главный запорный и регулирующий клапана, используемые в устройствах с комбинированным циклом, проектируют в соответствии с нижеперечисленными требованиями: 1) быстрое запирание с целью защиты турбины в случае заброса скорости; 2) низкие потери давления, обеспечивающие оптимизированные кпд и рабочие характеристики турбины; и 3) непродолжительное дросселирование в облегченном режиме работы, при запуске паровой турбины. Таким образом, условия дросселирования сравнительно мягкие.
Для осуществления конфигурации быстрого запуска в соответствии с указанной публикацией США требуется, чтобы главный регулирующий клапан выполнял дросселирование в силовом режиме под полным номинальным давлением перед клапаном. Опыт прошлых лет, касающийся применения главных регулирующих паровых клапанов в устройствах с комбинированным циклом с менее интенсивным, но достаточно сильным дросселированием, не принес существенных положительных результатов. Были проблемы как с надежностью указанных главных регулирующих паровых клапанов (ГРПК), имеющих высокие эксплуатационные характеристики, так и с их управляемостью при пониженной нагрузке.
Следовательно, существует необходимость в обеспечении возможности дросселирования при сильных перепадах давления с сохранением управления паром в паровой турбине при пониженной нагрузке. Более того, такое устройство должно обеспечивать быстрое запирание с целью защиты турбины, и низкое падение давления при эксплуатации турбины.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Данное изобретение относится к устройству и способу усовершенствования перемещения и манипулирования стержнем статора, в частности, в ходе процедуры перемотки статора с жидкостным охлаждением.
Если говорить коротко, в соответствии с одним аспектом предложена система генерации электроэнергии с комбинированным циклом. Система содержит электрогенератор и газовую и паровую турбины, которые соединены с электрогенератором. Кроме того, система содержит теплоутилизационный парогенератор, предназначенный для подачи пара в паровую турбину, и по меньшей мере один регулятор температуры пара, соединенный с теплоутилизационным парогенератором. Помимо этого, система включает главный регулирующий паровой клапан, предназначенный для управления впуском пара в паровую турбину при нормальной эксплуатации паровой турбины, а также главный байпасный контур управления запуском, который предназначен для регулирования впуска пара в паровую турбину в процессе быстрого запуска.
В соответствии со вторым аспектом данного изобретения предложено устройство, которое предназначено для регулирования потока пара, поступающего в паровую турбину, в процессе быстрого запуска установки с комбинированным циклом. Установка с комбинированным циклом включает газовую турбину, теплоутилизационный парогенератор, предназначенный для подачи пара в паровую турбину, по меньшей мере один регулятор температуры пара, служащий для регулирования температуры пара, поступающего в паровую турбину, и по меньшей мере один байпасный трубопровод, ведущий к конденсатору и предназначенный для регулирования температуры пара, поступающего в паровую турбину. Устройство содержит байпасный контур управления запуском, включающий запорный клапан и регулирующий клапан.
В другом аспекте данного изобретения предложен способ быстрого запуска системы генерации электроэнергии с комбинированным циклом. Система включает газовую турбину, паровую турбину, теплоутилизационный парогенератор, который получает тепло отработанных газов от газовой турбины, оборудован регуляторами температуры пара, расположенными на выпускных концах пароперегревателя высокого давления и промежуточного пароперегревателя, и соединен с паровой турбиной, а также байпасные трубопроводы, идущие от теплоутилизационного парогенератора к конденсатору и от паровой магистрали высокого давления к паропроводу горячего перегретого пара, причем главный паропровод оборудован главным регулирующим паровым клапаном и регулирующим паровым клапаном байпасного контура.
Способ включает нагружение газовой турбины до ее максимальной скорости нагружения, при этом температуру пара, подаваемого в паровую турбину, поддерживают по существу постоянной с момента первоначального впуска пара в паровую турбину и до тех пор, пока весь пар, создаваемый теплоутилизационным парогенератором совместно с газовой турбиной, работающей при максимальной нагрузке, не будет поступать в паровую турбину через клапана байпасного контура. Кроме того, способ включает плавное регулирование потока пара через байпасные трубопроводы с обеспечением регулирования давления пара высокого давления, давления промежуточного перегрева и давления пара низкого давления, поступающего от теплоутилизационного парогенератора, и создания альтернативных проходов для пара, с одновременным плавным регулированием регулирующих клапанов байпасного пускового контура в процессе нагружения.
Управление впуском пара в паровую турбину переводят от регулирующего клапана байпасного контура к главному регулирующему паровому клапану. После того, как весь поток пара будет поступать в паровую турбину, температуру пара поднимают со скоростью, соответствующей допустимому механическому напряжению и относительному расширению паровой турбины для достижения нормативных кпд и эффективности паровой турбины.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие характерные особенности, аспекты и преимущества данного изобретения станут более понятными после прочтения приведенного ниже подробного описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых одинаковые условные обозначения относятся к подобным элементам и на которых:
Фиг.1 представляет собой схему типовой энергосистемы 10 с комбинированным циклом, предназначенной для выполнения быстрого запуска;
Фиг.2 изображает примерную линейную расходную характеристику регулирующего клапана байпасного контура управления запуском;
Фиг.3А и Фиг.3В изображают более подробные схемы примерной энергосистемы с комбинированным циклом, включающей вариант выполнения байпасного контура управления запуском;
Фиг.3А и Фиг.3В изображают схему расположения байпасных клапанов для главного запорного парового клапана и отсечного клапана;
Фиг.4 изображает вариант выполнения байпасного контура управления запуском, в вертикальной проекции;
Фиг.5 изображает вариант выполнения запорного клапана байпасного контура в разрезе и
Фиг.6 изображает вариант выполнения регулирующего клапана байпасного контура в разрезе.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Приведенные далее варианты выполнения данного изобретения имеют много преимуществ, включая упрощение выполнения низкоинерционного запуска в газотурбинных установках с комбинированным циклом.
Данное изобретение касается добавления внешнего байпасного контура управления запуском к главному регулирующему паровому клапану паровой турбины, который обеспечивает быстродействие/быстрый запуск энергетической установки с комбинированным циклом при полном давлении. Главный байпасный контур, управляющий запуском, включает регулирующий паровой клапан, что решает следующие задачи: 1) обеспечение работы главных регулирующих паровых клапанов (ГРПК) с высокой эффективностью и низкими потерями давления, которые в противном случае не смогли бы управлять дросселированием в тяжелых условиях эксплуатации в ходе запуска паровой турбины под максимальным давлением и 2) улучшение управляемости паровой турбиной, обеспечивая высокоточные элементы управления, необходимые для минимизации напряжений, возникающих в роторе паровой турбины. Основное преимущество такой конфигурации главного клапанного управления заключается в том, что в процессе запуска комбинированного цикла облегчается отсоединение газовой турбины от паровой. Путем отсоединения паровой турбины от газовой турбины имеется возможность более быстрого запуска газовой турбины, что приводит к гораздо меньшим пусковым выбросам газовой турбины и увеличенным поступлениям к потребителю. Если находящуюся в эксплуатации установку с комбинированным циклом преобразуют в энергетическую установку быстрого запуска/низкоинерционную установку, можно дополнительно использовать указанные клапана байпасного контура управления запуском, обеспечивающие точность управления и полноценное дросселирование, необходимое для запуска и нагружения паровой турбины под высоким давлением, что должно иметь место при полном разъединении паровой и газовой турбин.
Важной особенностью данного изобретения является дополнительное использование и/или применение байпасного контура управления запуском установок с комбинированным циклом, служащего для получения более надежных и управляемых нагрузочных пусковых характеристик при эксплуатации в условиях полной расчетной производственной мощности. Вариант выполнения данного изобретения включает быстро перекрывающийся встроенный запорный клапан байпасного контура, линейный регулирующий клапан байпасного контура и встроенный корзиночный или у-образный паровой фильтр.
Схема расположения позволяет проектировать главные регулирующие паровые клапаны на оптимальные параметры, обеспечивая при этом надежную работу, а также стартовые и нагрузочные характеристики, обеспечивающие точное регулирование турбины. Без использования данного изобретения конструкции указанных клапанов потребовали бы доработок, отвечающих за надежную эксплуатацию, что привело бы к таким конструкциям клапанов, которые неизбежно вызвали бы недопустимо более высокие потери давления.
В обход существующего ГРПК добавляют байпасный контур управления запуском. При том, что в отношении существующего ГРПК предполагается, что он функционирует как быстрозакрывающийся запорный клапан, блокирующий турбину, и как дросселирующий клапан, предназначенный для регулирования впуска пара в паровую турбину при ее нагружении, также предполагается, что он обеспечивает контроль за сильным дроссельным регулированием на низких уровнях впуска пара в процессе прогрева газовой турбины. Вариант выполнения байпасного контура управления запуском согласно изобретению включает быстродействующий запорный клапан (ЗК), служащий для защиты турбины. Регулирующий клапан (РК) байпасного контура обеспечивает улучшенное управление потоком в процессе быстрого запуска при линейной расходной характеристике Cv в зависимости от хода клапана. На Фиг.2 изображено стандартное представление линейной расходной характеристики 210 для РК. Другие возможные типичные расходные характеристики для регулирующего клапана байпасного контура могут включать равнопроцентные расходные характеристики 220 и характеристики 230, соответствующие быстрому открыванию. Каждый из клапанов, ЗК и РК, может включать гидравлический исполнительный механизм одностороннего действия, служащий для открывания, работа которого основана на запирании с использованием механической пружины. Корзиночный фильтр, расположенный перед быстродействующим запорным клапаном и регулирующим клапаном байпасного контура, защищает клапанное соединение от попадания посторонних материалов, которые могли бы ухудшить их показатели и надежность эксплуатации. В альтернативном варианте корзиночный фильтр может быть включен в состав любого из указанных клапанов.
Фиг.3А и Фиг.3В представляют собой более детальную схему типовой системы с комбинированным циклом, относящейся к варианту выполнения байпасного контура управления запуском. Тепло отработанных газов, выходящих из газовой турбины 12, может быть направлено в теплоутилизационный парогенератор (ТУПГ) 10. ТУПГ 10 может подавать пар для паровой турбины 14 через регулятор 22 температуры пара. Некоторое количество пара может быть отведено посредством байпасного трубопровода 32 высокого давления в деаэрирующий конденсатор 20. На впуске в паровую турбину 14 расположены главный регулирующий паровой клапан 40 и главный запорный паровой клапан 41, предназначенные для регулирования паровой турбиной в процессе эксплуатации под полной нагрузкой. Клапаны 40 и 41 могут включать гидравлические элементы 42 управления, при этом гидравлические сигналы регулирования создает система регулирования турбины (не показана). Клапан 41 обеспечивает быстродействие и прямое отсечение пара от паровой турбины 14. Клапан 40 обеспечивает впуск пара в соответствии с командой управления, поступающей от системы регулирования турбины (не показана). Байпасный контур 45 управления запуском включает запорный клапан 47 и регулирующий клапан 48. Байпасный контур 45 может дополнительно включать фильтр 46. В альтернативном варианте фильтр 46 может входить в состав запорного клапана 47 или регулирующего клапана 48. Элементы управления запорным и регулирующим байпасными клапанами могут иметь гидравлический исполнительный орган, использующий сигналы, исходящие от системы регулирования турбины (не показана). Клапана и фильтр байпасного контура управления запуском могут быть размещены на существующем паропроводе.
На Фиг.4 изображен вариант выполнения схемы байпасного контура управления запуском, питающего паровую турбину, в вертикальной проекции. Паровые турбины, в зависимости от размера и других факторов, могут иметь несколько впускных патрубков для пара. Паровая турбина 14, которая изображена на чертежах, имеет двойные впускные патрубки 51, 53 для пара. Следовательно, для подачи пара в двойной впускной патрубок нужен двойной паропровод 50, 52. Кроме того, используемые в данной конфигурации главный запорный паровой клапан 41 и главный регулирующий клапан 42 могут быть расположены в едином корпусе 49. Таким образом, комплект 49, состоящий их главных запорного и регулирующего клапанов, может подавать пар в первую паровую магистраль 50, состоящую из двух двойных паропроводов. Второй действующий комплект 49 из таких клапанов может подавать пар во второй двойной паропровод 52.
Байпасный контур 45 управления запуском запараллелен с двойными комплектами 49, состоящими из главных запорного и регулирующего клапанов. Байпасный контур 45 может включать фильтр 46, запорный клапан 47 и регулирующий клапан 48. За регулирующим клапаном 48 байпасного пускового контура выпускной трубопровод может иметь двойные паропроводы 50, 52, подающие пар в двойные впускные патрубки 51, 53 для впуска пара в паровую турбину 14. Паровая турбина 14 может быть соединена общим валом с электрогенератором 16.
Способ быстрого запуска может включать нагружение газовой турбины до ее максимальной скорости нагружения. Затем температуру пара, подаваемого в паровую турбину, поддерживают по существу постоянной с момента первоначального впуска пара в паровую турбину и до тех пор, пока в паровую турбину не станет подаваться весь пар, создаваемый теплоутилизационным парогенератором совместно с газовой турбиной, работающей при максимальной нагрузке, путем регулирования, выполняемого регулирующим паровым клапаном байпасного контура. Кроме того, способ включает плавное регулирование по байпасным трубопроводам потока пара, поступающего в конденсатор, с обеспечением регулирования давления пара высокого давления, давления промежуточного перегрева и давления пара низкого давления, выходящего из теплоутилизационного парогенератора, и создания альтернативных путей для пара с одновременным плавным регулированием регулирующих клапанов байпасного контура паровой турбины в процессе нагружения. После того, как в паровую турбину станет поступать заданное количество пара, поднимают температуру пара со скоростью, соответствующей допустимому механическому напряжению и относительному расширению паровой турбины, с достижением нормативных кпд и эффективности паровой турбины. Пар, протекающий в паровую турбину, перераспределяется от главного регулирующего клапана байпасного пускового контура к главному регулирующему паровому клапану.
На Фиг.5 изображен разрез варианта выполнения запорного клапана пускового байпасного контура. Этот клапан имеет корпус 310, предназначенный для быстрого и прямого отсечения пара в случае отказа паровой турбины, генератора или другой неполадки. Управляющая головка 320 может иметь пружинную систему (не показана), предназначенную для толкания управляющего штока 330 для установки диска 340 в закрытое положение у места 345 в отсутствие сигнала гидравлического управления (не показан) от системы регулирования турбины на удержание клапана открытым. В данном варианте выполнения имеется внутренний фильтр 350, предотвращающий засорение или повреждение посторонними веществами установочных поверхностей в запорном клапане или в расположенных за ним компонентах.
На Фиг.6 изображен разрез одного варианта выполнения регулирующего клапана пускового байпасного контура. Этот регулирующий клапан 400 имеет корпус 410. Управляющий шток 420 управляется у верхнего конца гидравлическими элементами управления (не показаны), служащими для открывания, преодолевая запирающее действие пружинного средства (не показано). Диск 425 управляющего штока воздействует на регулировочную втулку 430, расположенную внутри диска 440, управляя потоком пара через корпус 410 согласно в целом линейной расходной характеристике.
Несмотря на то, что в данном документе описаны разные варианты выполнения, из описания становится понятно, что можно использовать разные сочетания элементов, варианты или усовершенствования, не выходящие за рамки объема изобретения.