Парогазовая установка с охлаждаемым диффузором
COMBINED CYCLE GAS TURBINE WITH COOLED DIFFUSER

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в энергетических газопаровых установках (ГПУ) бинарного типа, содержащих газотурбинные установки (ГТУ) с котлами-утилизаторами (КУ) и паровыми турбинами, которые, как, известно, позволяют повысить к.п.д. энергоустановки до 60...65 % вместо 33...38%. Изобретение применимо для случаев как горизонтального, так и вертикального расположения КУ. Наибольший эффект может быть получен от внедрения изобретения в бинарных ГПУ с ГТУ средней мощности, с температурой газов на выходе 500 - 650°C.
Парогазовая установка содержит газотурбинную установку с выходным охлаждаемым диффузором, паровой котел-утилизатор, паротурбинную установку (ПТУ) с конденсатором (К) и двумя паровыми турбинами (ПТ). В газоходе КУ расположены парогенерирующие контуры двух давлений, содержащие экономайзерные и испарительные поверхности двух давлений и перегреватель пара высокого давления (в.д.). Первая ПТ на входе по пару сообщена с выходом перегревателя пара в.д. по пару, на выходе по пару сообщена с входом второй ПТ по пару. Вторая ПТ на выходе по пару сообщена с входом по пару конденсатора, сообщенного на выходе по конденсату с входом КУ по конденсату. Промежуточный перегреватель пара низкого давления (н.д.) сообщён на входе по пару с выходом барабана-сепаратора низкого давления, а на выходе по пару - с входом второй ПТ по пару. Промежуточный перегреватель пара н.д. выполнен в виде парогазового рекуператора, расположенного на поверхности выходного диффузора ГТ, и сообщен на входе по греющим газам соответственно с выходом газов из ГТ, а на выходе по греющим газам – с их входом в основной газоход КУ. Изобретение обеспечивает уменьшение потерь теплоты в окружающую среду через поверхность диффузора. Оно позволяет заменить внутреннюю теплоизоляцию поверхности диффузора на существенно более дешевое и технологичное наружное изоляционное покрытие поверхности выходного диффузора. Изобретение увеличивает суммарный теплоперепад, срабатываемый в паровых и газовой турбинах, за счет снижения потерь теплоты и давления в трактах диффузора и промежуточного пароперегревателя.
Известна “Бинарная парогазовая установка”, [Патент RU № 156586 опубликован 10.11.2015], содержащая воздушный компрессор, связанный через камеру сгорания высокого давления с газовой турбиной высокого давления, газовая турбина высокого давления, в свою очередь, связана с газовой турбиной низкого давления, газовая турбина низкого давления связана с котлом-утилизатором помощью диффузора. Продукты сгорания, проходя через котел-утилизатор, поступают в экономайзер, к которому по водопроводу от питательного насоса подводится питательная вода, а по паропроводу отводится пар к парогенератору низкого давления. Питательный насос связан водопроводом с деаэратором, к которому с одной стороны подводится по водопроводу основной и вторичный конденсат от подогревателя низкого давления, а с другой стороны, по паропроводу подводится пар от отборов паровой турбины. Из паровой турбины пар через выходной патрубок поступает в конденсатор и с помощью конденсатного насоса через водопровод поступает к подогревателю низкого давления и далее к деаэратору и питательному насосу. Между газовыми турбинами высокого и низкого давления дополнительно установлены напорный пароперегреватель и камера сгорания низкого давления. Напорный пароперегреватель соединен с котлом-утилизатором и паровой турбиной по холодной стороне, с газовой турбиной высокого давления и камерой сгорания низкого давления - по горячей стороне. Камера сгорания низкого давления, в свою очередь соединена с напорным пароперегревателем и газовой турбиной низкого давления.
Известна "Парогазовая установка" [Патент RU № 2561780, 10.09.2015], содержащая газотурбинную установку, связанную газоходом с котлом-утилизатором, который снабжен газоходом для отвода газов в дымовую трубу, и в который встроены связанные между собой поверхности нагрева экономайзера, испарителя и пароперегревателя, который паропроводом связан с паровой турбиной высокого давления, причем первый рекуператор паропроводом связан с конденсатором-испарителем, который водопроводом связан с первым насосом, а паровая турбина низкого давления одним паропроводом через первый рекуператор связана с конденсатором-испарителем, а другим через второй рекуператор связана с конденсатором, который через второй насос водопроводом связан со вторым рекуператором, отличающаяся тем, что в котел-утилизатор дополнительно встроены поверхности нагрева промежуточного пароперегревателя, а паровая турбина высокого давления через промежуточный пароперегреватель паропроводом связана с паровой турбиной среднего давления, которая паропроводом связана с первым рекуператором, причем охладитель-подогреватель водопроводами связан с первым насосом и экономайзером котла-утилизатора и паропроводом - с конденсатором-испарителем и со вторым рекуператором, при этом паровые турбины высокого, среднего и низкого давления через общий вал связаны с электрическим генератором.
Заявленные аналоги имеют общий недостаток, который заключается в том, что не используются возможности передачи теплоты для перегрева пара перед паровой турбиной низкого давления через поверхность выходного диффузора ГТУ. Такой подход позволил бы снизить температуру стенок диффузора, уменьшить объём, занимаемый теплообменными поверхностями внутри тракта КУ и, кроме того, увеличить суммарный теплоперепад, срабатываемый в паровых и газовой турбинах, за счёт снижения потерь теплоты и давления в трактах диффузора и промежуточного пароперегревателя.
В качестве прототипа заявляемого изобретения выбран патент "Парогазовая установка" [Патент RU № 2391517], содержащий газотурбинную установку, паровой котел-утилизатор с парогенерирующими контурами двух давлений и паротурбинную установку. Парогенерирующие контуры содержат экономайзерные и испарительные поверхности двух давлений и перегреватель пара в.д. Паротурбинная установка содержит конденсатор и две паровые турбины: высокого и низкого давления (ПТВД и ПТНД). ПТВД на входе по пару сообщена паропроводом с выходом перегревателя пара в.д., ПТНД на выходе по пару сообщена паропроводом с входом конденсатора. Конденсатор сообщен на выходе по конденсату с входом КУ по конденсату. Промежуточный перегреватель пара, сообщенный на входе по пару паропроводом с выходом ПТВД, а на выходе по пару - с входом ПТНД, отличается тем, что промежуточный перегреватель пара низкого давления выполнен в виде водяного пароперегревателя и сообщен на входе по пару с выходом из турбины высокого давления, а также – с выходом из водяного пароперегревателя н.д. (ВПНД) котла-утилизатора.  На входе по пару ВПНД соединен с выходом по пару барабана-сепаратора н.д. На входе и выходе по греющей воде этот пароперегреватель соединен соответственно с выходом и входом экономайзера в.д. КУ по воде. В ГПУ, выполненной по представленной схеме для перегрева парового потока н.д. также используются пароводяные теплообменники. Один для предварительного перегрева пара н.д., второй является промежуточным пароперегревателем пара перед турбиной н.д. и сообщен на входе по пару с выходом КУ по пару н.д., на выходе по пару с турбиной н.д., на входе и выходе по греющей воде сообщён соответственно с выходом и входом экономайзера в.д. по воде. Достоинством прототипа является использование компактных пароводяных пароперегревателей, и существенно более простая схема установки, чем в аналогах. Однако, и в выбранном прототипе имеется недостаток, отмеченный ранее в аналогах: не используется поверхность выходного диффузора ГТУ для перегрева пара низкого давления, охлаждения диффузора и увеличения суммарного теплоперепада, срабатываемого в паровых и газовой турбинах, за счёт снижения потерь теплоты и давления в трактах выходного диффузора и промежуточного пароперегревателя.
Таким образом, технической проблемой является создание ГПУ, промежуточный перегреватель пара в которой вынесен из газового тракта КУ и расположен на поверхности выходного диффузора ГТУ. Такое расположение промежуточного пароперегревателя позволяет решить несколько проблем: снизить температуру стенок диффузора, избежать необходимости теплоизолировать диффузор изнутри, уменьшить тепловые потери в окружающую среду, снизить потери давления по газу в диффузоре, увеличить срабатываемый теплоперепад в паровых и газовой турбинах.
Решение указанной технической проблемы достигается тем, что в газопаровой установке, содержащей газотурбинную установку, паровой котел-утилизатор с парогенерирующими контурами двух давлений, содержащими экономайзерные и испарительные поверхности двух давлений и перегреватель пара в.д., паротурбинную установку с конденсатором и двумя паровыми турбинами, первая из которых на входе по пару сообщена с выходом перегревателя пара в.д. по пару, на выходе по пару с входом второй турбины по пару, вторая паровая турбина на выходе по пару сообщена с входом по пару конденсатора, сообщенного на выходе по конденсату с входом КУ по конденсату, и промежуточный перегреватель пара, сообщенный на входе по пару с выходом по пару барабана-сепаратора н.д., на выходе по пару - с входом второй паровой турбины по пару. Особенностью предлагаемой ГПУ является то, что промежуточный перегреватель пара выполнен в виде газопарового рекуператора, расположенного на поверхности выходного диффузора ГТУ и сообщенного на входе по пару с выходом барабана-сепаратора КУ по пару н.д., на выходе по пару - с входом второй паровой турбины, на входе и выходе по греющим газам - соответственно с выходом из ГТ и входом в основной газоход КУ.
Технический результат заключается в снижении температуры стенок диффузора, отсутствии необходимости теплоизолировать диффузор изнутри, уменьшение тепловых потерь в окружающую среду, снижение потерь давления по газу в диффузоре, увеличение срабатываемого теплоперепада в паровых и газовой турбинах.
На прилагаемых к изобретению чертежах представлены схемы, иллюстрирующие сущность изобретения.
Фиг. 1 - схема ГПУ с охлаждаемым диффузором:
п.1 - газотурбинная установка; п.2 - охлаждаемый диффузор; п.3 - основной газоход котла утилизатора; п.4 - экономайзер низкого давления; п.5 - испаритель низкого давления; п.6 - барабан-сепаратор низкого давления; п.7 - экономайзер высокого давления; п.8 - испаритель высокого давления; п.9 - барабан-сепаратор высокого давления; п.10 - пароперегреватель высокого давления; п. 11 - конденсатор пара; п.12  -  паровая турбина высокого давления; п.13  -  паровая турбина низкого давления; п.14 - конденсатный насос низкого давления; п.15 -  промежуточный перегреватель пара (ППП) низкого давления; п.16  - конденсатный насос высокого давления; п.17 – турбогенератор;
Фиг.2 - схема ППП 15, расположенного на поверхности диффузора:
п.18 - теплопередающая поверхность диффузора от газов к пару; п.19 - наружная поверхность паровых каналов (крышка диффузора); п.20 - стенка парового канала; п.21 - теплоизоляция диффузора; п.22 - поток газов от ГТУ; п.23 - входной паровой коллектор; п.24 - выходной коллектор.
Сущность изобретения поясняется графическими материалами, представленными на фиг. 1—фиг. 2.
На фиг. 1. представлена ГПУ, которая содержит ГТУ 1 с безотрывным охлаждаемым выходным диффузором 2, паровой КУ, в основном газоходе 3 которого расположены паровые  контуры двух давлений, содержащие экономайзер н.д. 4, испаритель низкого давления  5 с барабаном-сепаратором н.д. 6, экономайзер в.д. 7, испаритель в.д. 8 с барабаном-сепаратором  в.д. 9 и перегреватель пара в.д. 10, паротурбинную установку с конденсатором 11 и двумя паровыми турбинами 12 и 13, первая из которых - паровая турбина в.д. (ПТВД) 12 - на входе по пару сообщена с выходом перегревателя пара в.д. 10 по пару на выходе по пару сообщена с входом второй турбины, вторая паровая турбина н.д. (ПТНД) 13 - на выходе по пару сообщена с входом по пару конденсатора 11, сообщенного на выходе по конденсату через конденсатный насос 14 с входом КУ  по конденсату 4, и ППП 15, расположенный на поверхности выходного диффузора 2,  сообщенный на входе по пару с выходом парогенератора н.д. 6, сообщённый на выходе по пару с входом  паровой турбины ПТНД 13 по пару, сообщенный на входе по греющим газам - соответственно с выходом газов из  газовой турбины и на выходе по газу с входом газов в основной газоход КУ 3.  Экономайзер в.д. 7 на входе по воде сообщен с выходом экономайзера н.д. 4 по воде через питательный насос в.д. 16, по выходу сообщённый с барабаном-сепаратором в.д. 9, сообщенный по выходу пара с входом основного пароперегревателя 10, сообщённого по выходу пара с входом ПТВД 12, сообщённой по выходу пара также с входом ПТНД 13.
Схема ППП 15 представлена на фиг. 2.
Между поверхностью выходного диффузора 18 и крышкой 19 расположены паровые каналы, разделённые перегородками-рёбрами 20. Крышка 19 покрыта слоем теплоизолирующего материала 21. Насыщенный пар из барабана - сепаратора 6 поступает в каналы из входного коллектора 23, перегретый пар подаётся на вход турбины низкого давления 13 из коллектора 24.
ГПУ работает следующим образом. ГТУ 1 совершает работу по приводу турбогенератора 17. В газоходе КУ 3 теплом выхлопных газов ГТУ вырабатывается пар двух давлений. Пар в.д. подают из перегревателя пара в.д. 9 в ПТВД 12, где он расширяется до давления в контуре н.д., совершая работу по приводу турбогенератора 17. Далее, отработанный пар ПТВД 12 вместе с перегретым паром, поступающим из контура н.д., в данном примере - из ППП 15, поступает в ПТНД 12, где пар расширяется до давления в конденсаторе 14, совершая при этом работу по приводу турбогенератора. Поскольку пар в ПТВД 12 расширяется до давления в контуре н.д., температура пара при расширении в ПТВД снижается примерно до уровня температуры насыщения, соответствующей н.д. При смешении насыщенного пара н.д. с паром н.д., перегретым в ППП 15, получается перегретый пар, температура перегрева которого зависит от соотношения расходов пара н.д. и в.д., и от степени перегрева пара низкого давления в ППП 15. Регулирование расходов конденсата в контурах в.д. и н.д. позволяет получать оптимальный перегрев пара, подаваемого на ПТНД 13. Это особенно важно при работе ГПУ на переменных режимах.
Ключевым и оригинальным элементом предлагаемой схемы ГПУ является ППП 15, представляющий собой парогазовый теплообменник-рекуператор, расположенный на поверхности выходного диффузора ГТУ. Газовый теплообменник обычно имеет больший объём, чем водяной, предусмотренный в прототипе. Однако в данном случае для теплообмена используется существующая поверхность выходного диффузора 18, вдоль которой внутри диффузора движется газ 22, снаружи (вне зоны газохода КУ) расположены каналы 20 теплообменника, по которым движется перегреваемый пар. Каналы образованы перегородками (рёбрами) между корпусом диффузора и внешней крышкой 19. Снаружи крышка покрыта теплоизоляцией 21. Таким образом, дополнительного объёма внутри газохода КУ для организации промежуточного перегрева н.д. не требуется.
Температура пара, движущегося по каналам пароперегревателя н.д., увеличивается за счет отбора теплоты от газа с 170°С до 250°С, а температура наружной поверхности рекуператора при наличии теплоизоляции 22 будет существенно ниже (на 80°С..100°С).  При отсутствии пароперегревателя на поверхности диффузора, который в этом случае должен быть теплоизолирован изнутри, его поверхность будет иметь температуру на те же 80°С..100°С ниже, чем температура газов, составляющая 550°С - 600°С. Таким образом, наличие пароперегревателя на поверхности выходного диффузора приводит к значительному снижению температуры массивной конструкции диффузора. Диаметр оптимального диффузора ГТУ мощностью 150 - 170 МВт изменяется от ~3м на входе до ~6м на выходе, а его длина составляет 10 - 12м. Снижение температуры поверхности диффузора приводит к снижению тепловых потерь на диффузоре не менее чем в 3 раза и составляет для ГПУ указанной мощности примерно 0.3 - 0.4 МВт.
1
2
Σ
р
р
2
Для оценки возможности организации перегрева пара низкого давления на поверхности выходного диффузора ГТУ были использованы данные по ПГУ-450Т. Перегрев пара низкого давления (7.7 бар) с расходом 56 т/час осуществляется от 169 до 200°С. Расход газов, выходящих из ГТУ с температурой 537°С составляет 534 кг/с при давлении ~ 1 бар. В расчётах использовались размеры модели диффузора ГТУ SGT-5-3000E: длина L = 12м, входной диаметр D = 3.175м, выходной диаметр D = 5.238м, общая поверхность диффузора F ≈ 91 м.  Расчёты выполнялись при условии, что диффузор выполнен из нержавеющей стали толщиной 10мм, учитывалась теплопередача от газов к стенке диффузора как за счёт конвекции, так и за счёт излучения. Продольные паровые каналы на внешней поверхности диффузора 20 имели радиальный размер l = 40мм толщина стенки канала δ =4мм, их количество (n) изменялось от 660 до 66.  Кроме того, был выполнен расчёт для случая течения без перегородок, т.е. при течении пара в кольцевом канале (n=0). Результатом расчётов была величина поверхности диффузора, необходимая для перегрева пара от 169 до 200°С, которая требуется в ПГУ-450Т. Результаты расчётов приведены в Таблице 1.
Таблица 1
n(число каналов)
F (м<sup>2</sup>)
T<sub>ст1</sub> (°С)
T<sub>ст2</sub> (°С)
660
48.7
264
252
132
59.0
324
310
66
61.8
336
321
0
84.1
395
385
2
Как следует из таблицы, площади поверхности выходного диффузора ГТУ вполне достаточно для перегрева пара низкого давления ПГУ-450Т до заданной температуры. Даже при отсутствии рёбер требуемая поверхность меньше располагаемой (91м), а при наличии рёбер получается большой запас, т.е. расход пара низкого давления может быть увеличен.