КОМБИНИРОВАННАЯ ПАРОГАЗОВАЯ УСТАНОВКА
COMBINED-CYCLE GAS PLANT

Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности к комбинированным энергетическим установкам, производящим электрическую и тепловую энергию.
Известна парогазовая установка (ПГУ) [Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций: учебное пособие для вузов / С.В.Цанев, В.Д.Буров, А.Н.Ремезов; под ред. С.В.Цанева. - 2-е изд., стереот. - М.: Издательский дом МЭИ, 2006, с.538-540], включающая котел с кипящим слоем под давлением, с размещенными внутри корпуса топкой с кипящим слоем и циклоном, паровую турбину (ПТУ) с оборудованием регенеративного тракта, газотурбинную установку (ГТУ), керамический трубчатый фильтр. Недостатком известной ПГУ является недостаточный КПД газотурбинной установки.
Известна также парогазовая установка [Патент РФ №238288, опубл. 27.02.2010], включающая котел с кипящим слоем под давлением, с размещенными внутри корпуса топкой с кипящим слоем и циклоном, вихревую камеру с системой жидкого шлакоудаления, охладитель газов, служащий для очистки газов, газотурбинную установку, паровую турбину с оборудованием регенеративного тракта, теплообменники для охлаждения газов, выходящих из ГТУ, а также для охлаждения золы, удаляемой из кипящего слоя, устройства для очистки дымовых газов, выбрасываемых в атмосферу. Недостатком известной ПГУ является необходимость подвода горючего газа от постороннего источника газа, а также относительно невысокий КПД ПГУ в связи с ограничением значения температуры газов на выходе из шлакоулавливающего пучка, не превышающем температуры размягчения золы.
Техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение надежной работы ПГУ за счет использования горючего газа, вырабатываемого в собственном цикле ПГУ, а также повышение КПД ПГУ за счет повышения температуры газов перед газовой турбиной.
Предложена комбинированная парогазовая установка, включающая котел с кипящим слоем под давлением, с размещенными внутри корпуса топкой с кипящим слоем и циклоном, газотурбинную установку, паровую турбину с оборудованием регенеративного тракта, теплообменники для охлаждения газов, выходящих из газотурбинной установки, а также золы, уходящей из котла, газоочистительную установку, вихревую камеру с устройством для удаления шлака в жидком виде, охладитель газов, характеризующаяся тем, что параллельно с котлом по подаче воздуха, угля и сорбентов в установке размещен газификатор с кипящим слоем, поток горючего газа, выходящего из газификатора, делят на два подпотока, один подпоток горючего газа поступает на горение в вихревую камеру, продукты сгорания из вихревой камеры охлаждаются в шлакоулавливающем пучке и охладителе газов, очищаются в керамическом фильтре и подаются в камеру сгорания газовой турбины, а второй подпоток горючего газа последовательно проходит охладитель газов, сероочистительную установку, керамический фильтр и далее поступает в камеру сгорания газовой турбины, в которой происходит смешение продуктов сгорания и подпотока горючего газа, а также повышение температуры газов, образующихся за счет сжигания горючего газа перед поступлением образующихся газов в газовую турбину.
Указанный выше технический результат при осуществлении заявляемого изобретения достигается тем, что в состав ПГУ наряду с котлом с кипящим слоем под давлением, с размещенными внутри корпуса топкой с кипящим слоем и циклоном входит газификатор с кипящим слоем, служащий для получения горючего газа. Поток горючего газа, выходящего из газификатора, делят на два подпотока. В тракте газов, выходящих из котла с кипящим слоем под давлением между циклоном и газотурбинной установкой, размещена вихревая камера, в которую без предварительной очистки подается первый подпоток горючего газа. На выходе газов из вихревой камеры установлен шлакоулавливающий трубный пучок, а также устройство для удаления шлака в жидком виде. Газы, выходящие из вихревой камеры, охлаждаются в охладителе и очищаются в керамическом фильтре. Затем этот поток газов поступает в камеру сгорания газовой турбины. В камеру сгорания газовой турбины поступает также горючий газ после охладителя, сероочистки и керамического фильтра, установленных в тракте второго подпотока горючего газа, подаваемого из газификатора. В процессе работы ПГУ в топку с кипящим слоем под давлением подают уголь и сорбенты. При горении угля в кипящем слое с температурой, не превышающей 900°С, и подаче сорбентов удается организовать качественное сжигание угля и снизить выбросы оксидов азота и серы. Значительная часть теплоты, выделяющейся в топке котла при сжигании угля, воспринимается водой и паром, транспортируемым через поверхности нагрева. Дымовые газы, выходящие из котла с кипящим слоем под давлением, после циклона, поступают в вихревую камеру, в которой за счет сжигания горючего газа, подаваемого из газификатора, устанавливается температура среды, превышающая температуру начала жидкоплавкого состояния золовых частиц. Золовые частицы, поступающие с потоком газов в вихревую камеру, нагреваются, переходят в жидкоплавкое состояние, в процессе вращательного движения соударяются друг с другом и коагулируют. В процессе коагуляции капель золы происходит их коалесценция. Вследствие действия центробежной силы капли золы отбрасываются к стенкам вихревой камеры и шлак стекает в жидком виде по стенкам камеры вниз. Из нижней части вихревой камеры осуществляется жидкое удаление шлака. На выходе газов из вихревой камеры установлены шлакоулавливающий пучок и охладитель газов, в которых происходит охлаждение газов до температуры ниже температуры начала жидкоплавкого состояния. При остывании капли золы и шлака переходят в твердое состояние и в керамическом фильтре удаляются из газового тракта. Газы направляются в камеру сгорания газовой турбины, за счет горения горючего газа температура газов повышается и они совершают работу в ГТУ. Газы, покидающие ПГУ, подвергают очистке в устройстве для очистки газов. Зола и шлак, выводимые из тракта, направляются в теплообменник и отдают теплоту воде, подаваемой в котел.
Использование заявляемого изобретения позволяет организовать надежную работу ПГУ, сжигающей уголь, при условии обеспечения работы установки, использующей горючий газ, получаемый в собственном цикле. Повышение температуры газов в камере сгорания перед их подачей в газовую турбину позволяет повысить КПД ПГУ.
Проведенный заявителем анализ технических решений в аналогичных конструкциях по доступным источникам информации не выявил аналогов, характеризующихся всей совокупностью присущих ему существенных (или тождественных им) признаков. Выявленный ближайший аналог заявляемой ПГУ позволил выделить совокупность существенных по отношению к указанному заявителем техническому результату отличительных признаков, изложенных в формуле изобретения.
Следовательно, заявляемая ПГУ соответствует условию охраноспособности «новизна».
Проведенный заявителем дополнительный поиск известных решений в этой и в смежных областях техники не выявил известность использования отличительных признаков заявляемой ПГУ для решения таких же или аналогичных задач. Это доказывает, что заявляемая ПГУ не вытекает для специалистов явным образом из известного уровня техники.
Таким образом, заявляемая ПГУ соответствует условию охраноспособности «изобретательский уровень».
Поскольку для промышленного осуществления заявляемой ПГУ отсутствуют препятствия технического, технологического или иного порядка, то заявляемая ПГУ соответствует условию охраноспособности «промышленная применимость».
Сущность предлагаемого изобретения поясняет приводимый ниже конкретный пример его осуществления и чертеж, на котором схематично представлено заявляемое устройство. Это не исключает другие варианты промышленной реализации заявляемого объекта в пределах формулы изобретения.
Парогазовая установка включает котел с кипящим слоем под давлением, содержащий корпус котла 1, топку с кипящим слоем 2 и циклон для улавливания золовых частиц из газов 3, выходящих из топки. Подача воздуха в топку котла осуществляется от осевого компрессора ГТУ, а для подачи воздуха в газификатор установлен дополнительный нагнетатель 13. По тракту уходящих из котла газов размещена вихревая камера 4, на выходе из которой установлен шлакоулавливающий трубный пучок 5. В вихревую камеру поступает горючий газ 6. Для удаления шлака из вихревой камеры и золы после шлакоулавливающего пучка служат устройства 7 и 8. Для снижения температуры газов ниже температуры размягчения шлака установлен охладитель газов 9. Охлажденные газы очищаются в керамическом фильтре 10, затем поступают в камеру сгорания 11 и далее в газовую турбину 12. После газовой турбины по ходу газов размещены теплообменники 15 и газоочистительная установка 16. Для получения теплоты и связывания серы в топку котла поступает воздух, а также уголь и доломит из бункеров 17 и 18. Теплоту, выделяющуюся в топке, воспринимают пар и вода, проходящие через поверхности нагрева 24. Пар, получаемый в установке, поступает в паровую турбину 20, после паровой турбины пар и вода проходят через оборудование регенеративного тракта 19, 21 - 23. Для использования теплоты золы и шлака установлен теплообменник 25. С целью получения горючего газа в установке размещен газификатор 26. Поток горючего газа после газификатора разделяется на два подпотока. Один подпоток сразу поступает в вихревую камеру, а второй подпоток проходит охладитель газов 27, сероочистительную установку 28, керамический фильтр 10 и направляется в камеру сгорания ГТУ.
Парогазовая установка работает следующим образом. В воздушном компрессоре ГТУ воздух сжимается до давления не менее 1 МПа и поступает далее в топку котла с кипящим слоем под давлением. За счет подачи в топку с кипящим слоем угля и сорбентов, а через газораспределительную решетку воздуха с соответствующим избытком в топке происходит процесс горения угля с выделением теплоты. Температура кипящего слоя в топке поддерживается на уровне 850÷900°С. Это позволяет обеспечить низкие значения выбросов оксидов азота и в значительной мере связать оксиды серы. Газы, выходящие из топки с кипящим слоем, поступают в циклон, в котором происходит первичная очистка газов от золовых частиц. Частицы золы преимущественно крупных фракций, уловленные в циклоне, возвращаются обратно в кипящий слой. Слив лишнего слоя частиц выполняется из топки через устройство слива. Газы, прошедшие первичную очистку в циклоне, через улитку в закрученном виде поступают в вихревую камеру. Часть воздуха, сжатого в воздушном компрессоре ГТУ, поступает в нагнетатель, на выходе из которого давление воздуха возрастает. Этот воздух подается в газификатор, в котором в процессе газификации получают горючий газ. Поток горючего газа разделяется на два подпотока, один подпоток поступает в вихревую камеру, а второй подпоток последовательно проходит охладитель газов, сероочистительную установку, керамический фильтр и далее направляется в камеру сгорания ГТУ. За счет горения газа в вихревой камере устанавливается температура среды, превышающая температуру жидкоплавкого состояния золы [3: Тепловой расчет котельных агрегатов (Нормативный метод). /Под ред. Н.В.Кузнецова и др. М.: Энергия, 1973, 296 с.], которая, например, для основной массы углей превышает 1350°С [3]. При вихреобразном движении частиц золы, перешедших в жидкое состояние, они приобретают каплевидную форму, соударяются друг с другом и коагулируют. Затем коагулированные капли золы участвуют в процессе коалесценции, а объединенные капли жидкой золы, увеличившие свой размер за счет коалесценции, под действием центробежных сил отбрасываются к стенкам вихревой камеры и по стенкам камеры стекают вниз. Расплавленный шлак в жидком состоянии через устройство жидкого шлакоудаления выводят из вихревой камеры. Газы, выходящие из вихревой камеры, охлаждаются в шлакоулавливающем трубном пучке и охладителе газов до температуры ниже температуры размягчения золы (для основной массы углей 1200°С [3]). При этом происходят затвердевание и улавливание оставшихся частиц золы, прошедших через вихревую камеру. Частицы золы в твердом состоянии улавливаются в керамическом фильтре и удаляются из газового тракта. Газы, очищенные от частиц золы в вихревой камере и в керамическом фильтре, а также очищенный горючий газ из газификатора поступают в камеру сгорания газовой турбины. За счет сгорания горючего газа в камере сгорания температура газов возрастает, в результате возрастает мощность газовой турбины. После газовой турбины газы проходят через теплообменники регенеративного тракта паровой турбины и нагревают там конденсат и питательную воду. Охлажденные в теплообменниках газы проходят дополнительную очистку в газоочистительной установке и выбрасываются в атмосферу. Материал слоя, частицы золы и шлака, удаляемые из тракта, охлаждаются водой в теплообменнике.
Использование описываемой установки позволяет получать горючий газ непосредственно внутри парогазовой установки. Повышение температуры газов перед ГТУ за счет сжигания горючего газа обеспечивает повышение КПД парогазовой установки, поскольку позволяет в целом повысить интервал температур рабочего тела.