СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПАРОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ В МАНЕВРЕННОМ РЕЖИМЕ
METHOD OF OPERATING COMBINED-CYCLE PLANT IN MANEUVERING MODE

Область использования
Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности к энергетическим комбинированным парогазовым установкам (ПГУ), и может быть использовано при разработке пусковых схем и организации эксплуатации современных утилизационных ПГУ в переменной части графика нагрузки энергосистемы.
Уровень техники
Современные ПГУ на природном газе и жидком (резервном) топливе должны быть не только высокоэкономичными и экологически безопасными, но одновременно и маневренными, поскольку возрастает тенденция увеличения доли возобновляемых естественно-переменных источников энергии (солнце, ветер) и атомных электростанций, не способных работать в маневренном режиме, а доля гидроэнергетики сокращается.
Широким диапазоном регулируемой мощности обладает ПГУ-надстройка к базовому паротурбинному энергоблоку (ПТЭБ) на газомазутном топливе (RU № 101090, F01K 23/06, 2011 [1] - аналог). Маневренные свойства в данном случае достигаются благодаря последовательному промежуточному перегреву пара в утилизационном парогенераторе (УПГ) выхлопных газов газотурбинной установки (ГТУ), а затем в топливосжигающем котлоагрегате (ТСКА) ПТЭБ. Температура пара согласно [1] поддерживается на номинальном уровне при глубоком разгружении ПГУ (в 4…5 раз меньше ее номинальной мощности). Несмотря на глубокое разгружение, толстостенные элементы пароводяного тракта (ПВТ) и узлы паровой турбины (ПТ) энергоблока не расхолаживаются. В таком режиме ПГУ эксплуатируют в период минимума суточного графика нагрузки энергосистемы и затем быстро нагружают без риска ускоренного исчерпания долговечности оборудования.
Недостатком ПГУ-надстройки [1] является ее сравнительно низкая экономичность, связанная с необходимостью сжигания части топлива не в камере сгорания (КС) ГТУ, а в ТСКА. При разгружении же более экономичной утилизационной ПГУ температура пара обычно стабилизируется путем согласованного изменения положения поворотного воздушного направляющего аппарата (ПВНА) на входе компрессора ГТУ и расхода топлива. Температура выхлопных газов ГТУ и соответственно перегрева пара в УПГ поддерживается на номинальном уровне при снижении мощности ПГУ от 1,0 до 0,55…0,60 от номинального значения или менее чем в 2 раза. После того как ПВНА полностью прикрыт, дальнейшее разгружение происходит только с уменьшением расхода топлива при неизменном расходе воздуха. Разгружение ПГУ до уровня менее 0,55…0,5 от номинальной мощности сопровождается существенным понижением температуры пара и экономичности, увеличением эмиссии вредных выбросов КС, а также расхолаживанием элементов ПВТ. Поэтому большинство ПГУ, разгруженных до порядка половины от номинальной мощности, либо продолжают эксплуатировать с этой частичной нагрузкой, например, по рабочим дням, чтобы затем быстро нагружать ГТУ, либо ускоренно останавливают в горячем состоянии (горячем резерве) на протяжении минимума нагрузки энергосистемы. Но ограничить расхолаживание элементов ПВТ ПГУ только пределом их естественного остывания не удается даже после кратковременного ночного простоя в горячем резерве. Это связано с тем, что при пуске ПГУ до розжига КС обязательно вентилируют газовый тракт УПГ атмосферным воздухом, который с достаточно высоким расходом нагнетается компрессором ГТУ. Дополнительное расхолаживание элементов ПВТ и обусловленное им понижение остаточного давления пара в барабане высокого давления УПГ значительно увеличивает продолжительность пуска ПГУ и ограничивает скорость ее нагружения. Еще значительнее продолжительность пуска утилизационной ПГУ из холодного состояния. Следует отметить, что у всех утилизационных ПГУ диапазон регулируемой мощности сужается в летнее время при температуре наружного воздуха более 15°C с понижением их номинальной мощности в результате уменьшения расхода, степени сжатия воздуха компрессором ГТУ и ухудшения вакуума в конденсаторе ПТ. Поддерживать в это время номинальную мощность или форсировать ее при пиковой нагрузке за счет повышения температуры газов не предусматривается из-за ускоренного исчерпания долговечности деталей горячего тракта ГТУ.
Известен способ эксплуатации парогазовой установки, содержащей по меньшей мере одну ГТУ, оборудованную компрессором с ПВНА на входе последнего, камерой сгорания (КС) и газовой турбиной (ГТ), а также паротурбинную установку (ПТУ), оборудованную утилизационными парогенераторами (УПГ) по числу ГТУ, причем каждый из указанных УПГ соединен системой паропроводов высокого и низкого давления с одной общей ПТ, заключающийся в том, что по меньшей мере часть вырабатываемого по меньшей мере одним УПГ пара направляют в газовый тракт ГТУ до ГТ с последующим отводом его в атмосферу вместе с уходящими газами  (US 5727377, F020 3/30, 1998 - ближайший аналог [2]).
Согласно [2] допускается возможность эксплуатации ГТУ без ПТ, выведенной из эксплуатации, например, при необходимости ее ремонта. Тогда весь пар, вырабатываемый УПГ, направляют через дроссельный клапан непосредственно в КС, где он подмешивается к газообразным продуктам сгорания топлива, поступающим в ГТ. В результате этого мощность и экономичность ГТУ увеличиваются без изменения температуры газов, а пар теряется. Его потери восполняют деминерализованной водой. Пар вырабатывают прямоточным одноконтурным УПГ с температурой перегрева, допустимой для ввода в КС (350…400°C), что соответствует температуре сжатого воздуха, охлаждающего стенки КС. Одноконтурный УПГ компактен, может изготавливаться из котельной стали с повышенной теплопроводностью. Тонкостенные элементы его ПВТ быстро прогреваются и не ограничивают пуск и нагружение ГТУ в свойственном ей высоком темпе.
Если ПТ вводится в эксплуатацию, то дроссельный клапан на отводе пара в КС закрывают и через БРОУ сбрасывают в конденсатор пар с параметрами, которые недостаточны для пуска ПТ. После того как параметры пара достигли в УПГ толчковых значений, сброс пара прекращают, ПТ разворачивают до холостого хода, ее электрогенератор синхронизируют с сетью и нагружают. Температуру перегрева пара стабилизируют на заданном (допустимом) уровне. Его превышение ограничивают увеличением расхода питательной воды УПГ и уменьшением, если температура перегрева пара оказывается ниже этого уровня. При работе ПТ под нагрузкой дроссельный клапан на отводе пара в КС открывают и вводят в нее часть свежего пара для увеличения мощности ГТУ одновременно с понижением мощности ПТ из-за отбора пара на входе в нее. Благодаря вводу пара ГТУ может использоваться как пиковая с максимальной нагрузкой не ниже номинальной и КПД до (43…45)%.
Применительно к современным более мощным и экономичным ПГУ способ согласно [2] обладает следующими недостатками:
ном
1. Диапазон регулируемой мощности N=(1,0…0,5)N недостаточен, экономичное использование ПГУ во всей переменной части графика нагрузки энергосистемы не обеспечивается.
2. Ввод пара непосредственно в КС ограничивает возможный диапазон регулируемой мощности ГТУ и ПТУ по нижней границе. При разгружении до мощности менее половины от номинальной после полного прикрытия ПВНА на входе компрессора с уменьшением расхода топлива в зоне горения увеличивается коэффициент избытка воздуха. В этих условиях концентрированный ввод пара непосредственно в КС чреват нарушением устойчивости горения и снижением эксплуатационной надежности ГТУ и ПТУ в целом. К тому же при таком способе ввода пара на малых нагрузках ухудшаются экологические характеристики выхлопных газов ГТУ.
3. Отбор части пара в КС ГТУ через дроссельный клапан при работе ПТ в режиме полной нагрузки снижает энергетический потенциал ПГУ и не увеличивает мощность ПГУ в целом.
4. При эксплуатации ГТУ без ПТ пар вводится в КС вынужденно непрерывно на всех режимах нагрузки и весь теряется. Восполнение его потерь связано чаще всего со значительными затратами на подготовку деминерализованной воды. Эти затраты могут существенно уменьшить выгоды от дополнительно вырабатываемой мощности.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является расширение диапазона экономичной работы и экологической безопасности ПГУ в режимах частичных нагрузок, а достигаемыми техническими результатами - снижение количества отводимого в атмосферу пара при форсировании им мощности ГТУ, уменьшение вредных газообразных выбросов в атмосферу и расширение регулировочного диапазона мощности ПГУ со стороны его нижней и верхней границ.
Указанные задача и технические результаты обеспечиваются тем, что при осуществлении способа эксплуатации ПГУ, содержащей по меньшей мере одну ГТУ, оборудованную компрессором с ПВНА на входе последнего, КС и ГТ, а также ПТУ, оборудованную УПГ по числу ГТУ, причем каждый из указанных УПГ соединен системой паропроводов высокого и низкого давления с одной общей ПТ, заключающегося в том, что по меньшей мере часть вырабатываемого пара направляют в газовый тракт ГТУ до ГТ с последующим отводом его в атмосферу вместе с уходящими газами, согласно изобретению указанный пар вводят в воздушную часть газового тракта ГТУ при полностью прикрытом или полностью открытом ПВНА.
При полностью открытом ПВНА пар вводят в воздушную часть газового тракта предпочтительно только при температуре наружного воздуха более 15°С и отбирают его из проточной части ПТ при давлении, минимально превышающем давление сжатого компрессором воздуха в месте ввода пара.
С началом разгружения ПГУ указанный отбор пара из проточной части ПТ прекращают, а с началом ее ускоренного разгружения при постоянном расходе топлива в КС ввод пара в воздушную часть газового тракта возобновляют из паропровода до ПТ только от одного УПГ, а после отключения ПТ при дальнейшем разгружении по меньшей мере одной ГТУ в воздушную часть газового тракта вводят весь генерируемый в соответствующих УПГ пар высокого давления с уменьшением расхода топлива до величины, выбираемой из условия поддержания параметров вводимого пара на уровне, достаточном для толчкового пуска ПТ из горячего резерва.
При пуске ПГУ из холодного состояния в воздушную часть газового тракта каждой ГТУ предпочтительно вводят из соответствующего паропровода весь байпасируемый при пуске в обвод ПТ пар высокого давления, за исключением его части, необходимой для прогрева паропроводного тракта, и прекращают указанный ввод пара после того, как его параметры достигнут значений, достаточных для толчкового пуска ПТ при продолжающейся работе ГТУ с полностью прикрытым ПВНА.
ном
Причинно-следственная связь между указанной совокупностью признаков и указанными техническими результатами заключается в том, что подмешивание пара к сжатому воздуху до КС увеличивает его влажность. Это снижает температуру горения и, как следствие, уменьшает эмиссию токсичных оксидов азота. Расход вводимого пара, который может принять ГТУ без ухудшения своих эксплуатационных характеристик, таков, что дополнительное увлажнение воздуха не изменяет полноту сгорания топлива и не увеличивает образование другого токсичного вещества - оксида углерода. Мощные одновальные ГТУ принимают пар с относительно небольшим расходом (до 5…7%) во всем интервале ее нагружения без чрезмерного переувлажнения воздуха и нарушения устойчивости сжигания природного газа или жидкого топлива. Летом при наружной температуре более 15°C мощность ГТУ, а значит, и ПГУ с полностью открытым ПВНА компрессора оказывается ниже номинальной. Ввод пара при таких условиях позволяет, с одной стороны, стабилизировать номинальную мощность ПГУ, форсировать ее при пиковой нагрузке и тем самым расширить диапазон регулируемой мощности ПГУ, а с другой - рационально ограничить продолжительность ввода наиболее значительного абсолютного расхода пара, его потери с уходящими газами УПГ и затраты на подготовку подпиточной воды. Этот технический результат обеспечивает и прекращение ввода пара с началом разгружения ПГУ, которая является номинально (без ввода пара) достаточно мощной. При вводе пара ее мощность увеличивается без превышения номинальной температуры газов и не сопровождается ускоренным исчерпанием долговечности деталей горячего тракта ГТУ. Возобновление ввода пара, когда ПВНА вновь полностью прикрыт, ПГУ разгружена до N~0,5 N и одновременно с началом быстрого полного разгружения только ПТ, приводит к увеличению мощности ГТУ без изменения расхода топлива, то есть, к повышению экономичности ПГУ в режиме ее разгружения. Кроме того, затраты на подготовку подпиточной воды при эксплуатации ПГУ с минимальной нагрузкой могут быть не больше затрат и тепловых потерь при пуске ПГУ без ввода пара после ежедневного простоя в резерве на протяжении минимума нагрузки энергосистемы. При наиболее продолжительном пуске ПГУ (из холодного состояния после простоя на выходные дни) ввод пара компенсирует указанные затраты и тепловые потери благодаря повышению мощности и экономичности частично нагруженной ГТУ, а прекращение ввода пара с началом пуска ПТ ограничивает его безвозвратные потери.
На чертеже в качестве примера изображена принципиальная тепловая схема ПТУ, работающей по способу согласно изобретению.
Условные обозначения
БГП - байпас главного паропровода
БРОУ - быстродействующая редукционно-охладительная установка
ГТ - газовая турбина
ГТУ - газотурбинная установка
КС - камера сгорания ГТУ
ПВНА - поворотный воздушный входной направляющий аппарат компрессора ГТУ
ПВТ - пароводяной тракт
ПГУ - парогазовая установка
ПТ - паровая турбина
ПТУ - паротурбинная установка
ПТЭБ - паротурбинный энергоблок
РОУ - редукционно-охладительная установка
ТСКА - топливосжигающий котлоагрегат
УПГ - утилизационный парогенератор
ЭГ - электрогенератор
N - величина мощности энергоустановки
ном
N - величина номинальной мощности энергоустановки
Перечень позиций чертежа
1 - компрессор ГТУ, 2 - ПВНА, 3 - КС, 4 - ГТУ, 5 - УПГ, 6 - ПТ, 7 - главный паропровод, 8 - БГП, 9 - БРОУ, 10 - конденсатор ПТ, 11 - отводной участок БГП, 12 - редукционный клапан, 13 - конденсатопровод, 14 - паропровод низкого давления, 15 - паропровод промежуточного отбора пара, 16 -конденсатный насос, 17 - деаэратор, 18 - питательный насос низкого давления, 19 - питательный насос высокого давления, 20 - главный паровой вентиль, 21 - регулирующий клапан высокого давления, 22 - паровой вентиль низкого давления, 23 - регулирующий клапан низкого давления, 24 - РОУ, 25 - регулятор промежуточного отбора пара, 26 - обратный клапан; 27 - фильтр для очистки пара, вводимого в газовый тракт; 28 - измеритель расхода пара, вводимого в газовый тракт; а - наружный воздух, б - топливо, в - выхлопные газы ГТУ, г - уходящие газы УПГ, д - циркуляционная вода охлаждения конденсатора ПТ, е - конденсат, ж - подпитка химически очищенной водой, з - питательная вода, и - пар низкого давления, к - пар высокого давления, л - пар для ввода в газовый тракт ГТУ.
Осуществление изобретения
Согласно изобретению ввод пара позволяет форсировать мощности не только ГТУ, что неизбежно, но и всей номинально достаточно мощной ПГУ с улучшением ее эксплуатационных характеристик при определенном изменении внешних условий, всегда в режимах глубокого разгружения и с таким расходом пара, чтобы не ухудшать эти характеристики ГТУ при ее работе в «сухом» режиме, когда собственного пара либо еще нет, либо его ввод не рационален. Умеренный по расходу, ограниченный по продолжительности, во многом сезонный и периодический ввод пара возможен и в условиях ПГУ без выделения пара из уходящих газов и ее усложнения дополнительным крупногабаритным дорогостоящим устройством - вторым конденсатором. Дополнительно умеренное увлажнение паром уходящих газов незначительно влияет на их температуру. Затраты на подготовку подпиточной деминерализованной воды меньше выгодны от увеличения поставляемой мощности ПГУ. К тому же повышается коэффициент использования ее номинальной мощности, сокращаются затраты и тепловые потери на пуск.
Способ эксплуатации ПГУ в маневренном режиме согласно изобретению на примере ПГУ с одной ГТУ осуществляется следующим образом.
При пуске ПГУ из холодного состояния она относительно быстро нагружается за счет маневренности ГТУ, которая работает с частичной нагрузкой, при которой температура ее отработавших газов достаточна для нормированного прогрева паровой части ПТУ. На этом этапе ПВНА 2 полностью прикрыт, регулирующие клапаны 21 и 23 на паропроводах 7 и 14 закрыты, и образующийся при прогреве УПГ 5 пар высокого и низкого давления, в основном, сбрасывается соответственно через БРОУ 9 и РОУ 24 в конденсатор 10. После того как давление пара высокого давления «к» достаточно повысилось, его вводят в воздушную часть газового тракта ГТУ из БГП 8 по отводному участку 11, на котором установлены редукционный клапан 12, фильтр 27 и измеритель 28 расхода вводимого пара. Одновременно сброс пара из БГП 8 в конденсатор 10 через БРОУ 9 по меньшей мере ограничивают. Часть пара из контура низкого давления направляют в деаэратор 17, а остальной этот пар продолжают сбрасывать через РОУ 24 в конденсатор 10. С началом пуска ПТ 6 ввод пара в газовый тракт прекращают, закрывая редукционный клапан 12. Далее при полностью открытом ПВНА 2 обеспечивается режим полной нагрузки ГТУ и ПТи всей ПГУ. К этому моменту прекращают сбросы пара высокого давления через БРОУ 9, низкого давления - через РОУ 24 и полностью открывают регулирующие клапаны 21 и 23 на паропроводах 7 и 14. Часть пара низкого давления «и» продолжает поступать в деаэратор 17. При полной нагрузке ПГУ и с условием, что температура наружного воздуха превышает 15°С, возобновляют ввод пара в воздушную часть газового тракта ГТУ, но уже не через БГП 8, а из промежуточного отбора (паропровод 15) ПТ 6, давление в котором минимально превышает давление сжатого воздуха, создаваемое компрессором 1 на входе в КС 3. Расход пара обеспечивают регулятором 25 с предотвращением обратного тока клапаном 26. На этапе разгружения ПГУ ввод пара повторно прекращают и возобновляют его в воздушную часть газового тракта ГТУ по отводному участку 11 БГП 8 после того, когда ПВНА 2 полностью прикрыт.
ном
Как показали расчеты, способ эксплуатации ПГУ в маневренном режиме согласно изобретению позволяет расширить диапазон регулируемой мощности ПГУ примерно на 20% с каждой его стороны при существенном сокращении вредных газообразных выбросов в атмосферу и уменьшить удельный расход тепла до 15% при работе ПГУ с частичной нагрузкой N<0,5 N без ПТ.
Способ эксплуатации согласно изобретению ПГУ, оборудованной более чем одной ГТУ, принципиально не отличается от описанного выше применительно к ПГУ с одной ГТУ. Наличие нескольких ГТУ, подключенных к одной общей ПТ, позволяет дополнительно расширить маневренные характеристики ПГУ за счет возможности ступенчатого изменения мощности путем последовательного подключения или отключения отдельных ГТУ.