СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГАЗОТУРБИННОЙ КОМБИНИРОВАННОЙ ТЕПЛОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ И ГАЗОТУРБИННАЯ КОМБИНИРОВАННАЯ ТЕПЛОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ
METHOD OF OPERATION OF GAS-TURBINE COMBINED THERMAL POWER PLANT AND GAS-TURBINE COMBINED THERMAL POWER PLANT

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу эксплуатации газотурбинной комбинированной теплоэлектростанции, содержащей компрессорную установку и турбинную установку, при этом полезную работу отбирает по меньшей мере одно устройство, входящее в состав станции, в которой газообразные продукты сгорания производятся камерой сгорания, расположенной перед турбинной установкой, и в которой воду и/или пар нагревают с помощью теплообмена с потоком горячего газа после турбинной установки и/или в канале компрессора, и воду и/или пар впрыскивают в газовый поток перед камерой сгорания и/или в камеру сгорания в таком количестве, чтобы по меньшей мере 80% кислорода, содержащегося в воздухе в потоке газа, расходовалось на горение в камере сгорания, и в которой в потоке топочного газа после турбинной установки установлен конденсатор для отбора теплоты для нагрева теплоносителя, используемого в нагревательном устройстве. Изобретение также относится к газотурбинной комбинированной теплоэлектростанции.
Уровень техники
В WO 2004/106718 A1 (Euroturbine АВ) описан способ эксплуатации газотурбинной электростанции с двумя группами газовых турбин. Основное назначение изобретения, описанного в этом документе, заключается в получении высокой эффективности при подаче воды и/или пара в технологический поток, тем самым позволяя получить процесс горения, близкий к стехиометрическому. Вода улавливается ниже по потоку конденсатором топочного газа и возвращается в технологический поток на его начальном участке.
Цель и существенные признаки изобретения
Изобретение согласно известному уровню техники работает хорошо, и целью настоящего изобретения является создание дополнительных средств для осуществления способа эксплуатации комбинированной теплоэлектростанции, в котором упор делается на улучшение свойств подачи теплоты, используемой в нагревательном устройстве, предпочтительно в сети централизованного теплоснабжения.
Эта цель согласно настоящему изобретению достигается указанным выше способом, с помощью отличительных признаков, приведенных в независимых пунктах формулы изобретения.
Используя конденсатор топочного газа/рекуператор теплоты можно получить высокую температуру теплоносителя в магистрали теплоснабжения, близкую к 80°С. Это достигается за счет высокой точки росы, поскольку в топочном газе присутствует большое количество воды и конденсация происходит при высоких температурах. Таким образом, конденсация происходит при температурах от 80°С до приблизительно 50°С, которая является обычной температурой возвращаемого теплоносителя в сети централизованного теплоснабжения и, таким образом, большая часть сбросной теплоты становится доступной для централизованного теплоснабжения.
Таким образом, появляется возможность повысить температуру теплоносителя в такой степени, что его можно преимущественно использовать для целей внешнего теплоснабжения, например, для отопления зданий в погодных условиях, превалирующих большую часть года в большинстве регионов мира. Для более холодных периодов, когда потребность в теплоте вырастает, настоящее изобретение дает дополнительные решения для удовлетворения пиковых потребностей в теплоте.
Важно понять, что настоящее изобретение относится к способу, связанному с процессом, близким к стехиометрическому, при котором содержание воды в технологическом газе является максимально практически возможным. Подача воздуха удерживается на самом низком уровне, необходимом для эффективного сгорания в камере сгорания. Таким образом, ненужную работу по сжатию воздуха, содержащего кислород, не требующийся для сгорания, можно свести к минимуму. Часть теплоты, полученной в результате сгорания, также можно использовать для преобразования воды в пар.
В ранее известных нагревательных установках для централизованного теплоснабжения до сих пор было необходимо сжигать большое количество топлива для удовлетворения спроса на теплоту и достижения достаточных температур, что приводило к высокому потреблению энергии и высоким затратам на энергию. Способ по настоящему изобретению свободен от этого недостатка. Этот способ позволяет утилизировать теплоту пара, используемого в процессе, включая водяной пар, полученный сжиганием топлива.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения, поток топочного газа после турбинной установки и перед конденсатором топочного газа дополняется топочными газами из дополнительной камеры сгорания для повышения температуры теплоносителя, при этом кислород для горения в дополнительной камере сгорания поступает из атмосферного воздуха и/или из воздуха от входного увлажнителя и/или в форме остаточного кислорода в топочном газе после турбинной установки. Преимущественно эта дополнительная камера сгорания также улучшает условия для производства пара в камере сгорания и повышения температуры при производстве теплоты. Можно поддерживать условия, близкие к стехиометрическим, что позволяет эффективно производить энергию и поддерживать высокую температуру точки росы в топочном газе.
Далее, согласно первому аспекту настоящего изобретения, установлен дополнительный конденсатор для извлечения воды и теплоты из потока топочного газа после конденсатора топочного газа, а для подачи извлеченной теплоты и воды в воздух, входящий в компрессорную установку, установлен увлажнитель входящего воздуха. Тем самым предпочтительно из потока топочного газа после конденсатора топочного газа можно извлечь теплоту, имеющую температуру ниже температуры возвращающегося теплоносителя из сети централизованного теплоснабжения, и использовать ее для нагрева и увлажнения воздуха, подаваемого на компрессорную установку. Таким образом, теплота извлекается за счет дополнительной конденсации газа и повторно используется в процессе с помощью увлажнителя входящего воздуха.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения теплоту извлекают с помощью устройства теплообменника, установленного в потоке газа от компрессора перед камерой сгорания, и используют ее для нагрева теплоносителя, что позволяет преимущественно поднять температуру теплоносителя. Полезно также иметь возможность применять этот принцип охлаждения потока газа от компрессора для регулировки характеристик компрессора и камеры сгорания.
Благодаря этому аспекту достигаются улучшенные температурные характеристики и появляется возможность получения более высоких температур подаваемого теплоносителя. Осуществляемый для этого теплообмен с потоком газа от компрессора перед камерой сгорания особенно полезен, поскольку температура этого потока высока, типично достигает 500°С, что позволяет эффективно получить доступ к таким высоким температурам, которые нужны для разных условий.
Согласно настоящему изобретению эта задача решается без ухудшения характеристик станции и без снижения ее общего кпд.
Когда, в частности, согласно второму аспекту настоящего изобретения тепло извлекается этим устройством теплообменника, имеющего по меньшей мере один блок теплообмена, расположенный в потоке газа от компрессора, соответственно между по меньшей мере двумя компрессорными установками, преимущество такого промежуточного охлаждения проявляется в том, что температура газа на второй (возможно, третьей и т.д.) компрессорной установке (или ступени компрессора) снижается, что позволяет уменьшить работу, выполняемую компрессором. Таким образом, появляется возможность использовать множество блоков теплообмена, каждый из которых установлен между двумя компрессорными установками. Еще одним преимуществом является то, что согласно настоящему изобретению охлаждение осуществляется водой, что позволяет добиться большего охлаждения, чем в случае применения в остальном предпочтительного парогенератора.
Предпочтительно газообразные продукты горения подают на турбину под давлением 50-300 бар.
Предпочтительно также, что вода и/или пар, направляемые в газовый поток перед камерой сгорания и/или в камере сгорания, являются водой и/или паром, полученными путем теплообмена с указанным потоком горячего газа после турбинной установки и/или в потоке газа от компрессора, поскольку это является самым эффективным вариантом нагрева для процесса.
Предпочтительно имеющаяся теплота, извлеченная с помощью дополнительного теплообменника, установленного в потоке топочного газа между турбинной установкой и конденсатором топочного газа, используется для нагревания теплоносителя, поскольку это позволяет еще больше поднять температуру теплоносителя на выходе из станции.
Поток горячего газа предпочтительно является потоком топочного газа после турбинной установки.
Поток горячего газа является альтернативным потоком газа перед камерой сгорания.
Для дальнейшего повышения температуры теплоносителя пар или горячую воду можно извлекать из теплообменника, установленного после турбинной установки и первоначально предназначенного для производства пара для подачи в камеру сгорания, и, согласно этому аспекту настоящего изобретения, подавать на теплообменник для нагревания теплоносителя. Этот аспект снижает кпд производства электроэнергии, но может быть полезным для повышения температуры теплоносителя.
Однако вместо пара, недостающего для подачи в камеру сгорания из-за перераспределения теплоты на теплоноситель, в камеру сгорания можно направлять больше воды для получения пара внутри камеры сгорания, тем самым продолжая поддерживать стехиометрические условия процесса.
Самой важной функцией конденсаторов является использование теплоты парообразования пара, содержащегося в топочных газах.
Предпочтительно в поток газа перед камерой сгорания и/или в камеру сгорания направляют пропорциональные друг другу количества воды и пара, которые регулируют средством управления с поддержанием условий, близких к стехиометрическим для регулирования количества теплоты, доступной для извлечения из потока топочного газа после турбинной установки для нагрева теплоносителя и регулирования температуры теплоносителя, выходящего со станции.
Повышенный отбор теплоты и, следовательно, более высокая температура достигаются путем направления охлаждающего потока через еще один теплообменник, установленный в потоке топочного газа между турбинной установкой и конденсатором топочного газа, и подачи извлеченной теплоты для нагрева теплоносителя или наоборот. Это позволяет в этом дополнительном теплообменнике инкрементально переключаться между производством пара и производством горячей воды. Выделение теплоты на нагрев теплоносителя по существу приводит к снижению производства пара, что в свою очередь можно компенсировать впрыском большего количества воды (которая может быть, например, водой из конденсатора топочного газа) в камеру сгорания так, чтобы поддерживать стехиометрические условия, что является критичным для настоящего изобретения. Таким образом, появляется возможность быстрого реагирования на возникающие потребности при сохранении высокого кпд и возможностей регулирования. Этот аспект не приводит к потерям энергии и дает только преимущества в отношении управления.
В частности, предпочтительно кислород, содержащийся в потоке топочного газа, после турбинной установки измеряется средством измерения, а средство управления регулирует количество воды и/или пара, направляемого перед камерой сгорания и/или в камеру сгорания, в ответ на измеренное содержание кислорода. Типичное целевое количество содержания кислорода в топочных газах составляет приблизительно 0,4-4% по весу топочного газа, предпочтительно приблизительно 0,6-2%, более предпочтительно приблизительно 0,6-1,5% и наиболее предпочтительно приблизительно 1,0%. Измерения можно проводить разными способами, например, используя так называемый лямбда-зонд, входящий в поток топочных газов, и впрыск воды и/или пара можно регулировать с помощью центрального процессора, который управляет соответствующими потоками воды/пара.
Все меры, описанные выше, и, в частности, когда они скомбинированы, позволяют получить более высокий кпд процесса.
Все меры и признаки, описанные выше, можно комбинировать с первым и со вторым аспектами настоящего изобретения.
Соответствующие преимущества будут получены согласно пунктам формулы изобретения, направленным на газотурбинную комбинированную теплоэлектростанцию.
Краткое описание чертежей
Далее следует более подробное описание вариантов настоящего изобретения со ссылками на приложенные чертежи, где:
Фиг. 1 - схематическая иллюстрация комбинированной теплоэлектростанции по настоящему изобретению.
Фиг. 2 - типичный спрос на теплоту в сети централизованного теплоснабжения.
Фиг. 3 - требования к температуре теплоносителя в сети централизованного теплоснабжения.
Фиг. 4 - схематическая иллюстрация комбинированной теплоэлектростанции по второму варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 5 - схематическая иллюстрация комбинированной теплоэлектростанции по третьему варианту осуществления настоящего изобретения.
Описание вариантов осуществления
На фиг. 1 схематически показана комбинированная теплоэлектростанция, в которой первая газотурбинная группа содержит с одной стороны турбинную установку 1, а с другой стороны компрессорную установку 2, которые механически соединены друг с другом валом 3. Вал 3 также приводит в действие устройство 4 для отбора полезной работы от установки, например электрогенератор.
Вторая газотурбинная группа содержит с одной стороны турбинную установку 1′, а с другой стороны компрессорную установку 2′, которые механически соединены валом 3′. В этом варианте, таким образом, имеется две газотурбинные группы, по существу соответствующие решению, показанному в WO 2004/106718 А1.
В газовом потоке 13 после компрессорной установки 2′ и перед турбинной установкой 1′ установлена камера 5 сгорания для производства газообразных продуктов сгорания/топочных газов для привода турбинной установки 1′ и турбинной установки 1. В потоке 7 топочных газов после турбинной установки 1 установлен теплообменник 6 для нагрева потока, который вводится перед камерой сгорания или в камеру сгорания 5 по трубопроводу 8. Стрелкой 22 показана подача топлива.
Еще один теплообменник 14 для производства горячей воды расположен в потоке 7 топочного газа между турбинной установкой 1 и конденсатором 9 топочного газа и также используется для нагревания теплоносителя, поскольку подключен к теплообменнику 21, утилизируя избыток теплоты, имеющийся в потоке топочного газа перед конденсатором. Теплообменник 14 предпочтительно может быть интегрирован с теплообменником 6, что позволяет облегчить инкрементальное переключение между производством пара и горячей воды.
В поддерживаемых стехиометрических условиях выход теплоты от интегрированного теплообменника 6, 14 на теплообменник 21 можно регулировать, изменяя производство пара и/или горячей воды, впрыскиваемой в газовый поток перед камерой сгорания и/или в камере сгорания.
Позицией 8′ обозначен трубопровод для подачи горячей воды от теплообменника 14 в камеру сгорания 5.
Дальше в потоке 7 топочного газа расположен конденсатор 9 топочного газа, который извлекает теплоту из топочных газов, когда содержание воды в топочных газах снижается в результате конденсации, для нагревания в теплообменнике 21 теплоносителя внутри трубопровода 10, ведущего к нагревательному устройству 11, например централизованной сети теплоснабжения.
Вода, сконденсировавшаяся конденсатором 9 топочных газов, нагревается и вновь возвращается в цикл перед камерой сгорания или в камеру сгорания 5.
Теплообменник 12 расположен в газовом потоке 13 компрессора между компрессорными установками 2 и 2′ для охлаждения этого потока после сжатия первой компрессорной установкой 12. Теплота, отобранная теплообменником 12, подается в теплообменник 21 для дальнейшего нагрева теплоносителя для повышения температуры на выходе.
Теплообменник 12 предпочтительно может быть расположен так, чтобы можно было легко переключаться с производства пара на производство горячей воды и наоборот. Когда потребность в теплоте в сети централизованного теплоснабжения и т.п. позволяет, или типично невысока, теплообменник 12 можно использовать для подогрева воды и/или пара для впрыска в газовый поток перед камерой сгорания или в камере сгорания.
Дополнительная камера 16 сгорания расположена для производства горячих топочных газов для подачи в поток 7 топочного газа после турбинной установки 1 и перед конденсатором 9 топочного газа. Кислород для горения в дополнительной камере сгорания может поступать из атмосферного воздуха и/или из увлажнителя 18 и/или являться остаточным кислородом в топочных газах после турбинной установки (см. ниже).
Эта дополнительная камера 16 сгорания используется для повышения температуры потока 7 топочного газа, в частности, в условиях, когда необходимо дополнительно поднять температуру теплоносителя, например, для сети централизованного теплоснабжения в особо холодных погодных условиях.
После конденсатора 9 топочного газа расположен дополнительный конденсатор 17 для дополнительной конденсации топочных газов, которые, таким образом, дополнительно осушаются перед выпуском с установки. Вода и теплота, извлеченные дополнительным конденсатором 17, предпочтительно подаются в входной поток 23 воздуха через увлажнитель 18 входного воздуха.
На фиг. 2 и 3 показаны в качестве примера диаграммы, относящиеся к сети централизованного теплоснабжения. На фиг. 2 проиллюстрирована структура распределения типичного годового спроса на теплоту, где видно, что в течение относительно короткого периода существует высокий спрос на теплоту, тогда как большую часть года спрос относительно ниже.
На фиг. 3 показана диаграмма, иллюстрирующая требования к температуре теплоносителя в подающей магистрали 10 как функции количества часов в год. Как иллюстрирует эта диаграмма, для большей части года в подающей магистрали требуется поддерживать температуру приблизительно 90°С или немного ниже, тогда как чрезвычайно высокая температура до приблизительно 130°С требуется лишь в течение короткого периода в году.
Типично, основные части потребности в теплоте для сети централизованного теплоснабжения, например, в соответствии с потребностью согласно фиг. 3, покрываются утилизацией теплоты конденсатором топочного газа, который из-за высокого содержания воды в топочном газе позволяет получить температуру приблизительно 80°С, что соответствует первому уровню L1.
Также типично, температура второго уровня L2, равная 90°С, достигается относительно легко с помощью теплообменника 12, расположенного между первым и вторым компрессорами в компрессорной установке.
Третий уровень L3 температуры, до 100°С, достигается с помощью дополнительного теплообменника, расположенного перед конденсатором топочного газа. Этот уровень L3 также предпочтительно поддерживается путем отбора теплоты от парогенератора/теплообменника 6 и от теплообменника 14, что может быть достигнуто путем подачи произведенного пара и направляя избыток нагретой воды в теплообменник 21. Термином "нагретый избыток воды" в настоящем описании обозначается вода, количество которой превышает потребность в воде для производства пара и горячей воды для подачи в поток газа перед камерой сгорания или в камере 5 сгорания. Подача нагретого избытка воды, таким образом, означает уменьшенное производство пара для введения перед камерой сгорания или в камеру сгорания, что затем компенсируется дополнительным впрыском воды в камеру сгорания для поддержания условий, близких к стехиометрическим.
На четвертом уровне L4 температуры верхний предел температуры достигается типично за счет использования дополнительной камеры сгорания, которая расположена после турбинной установки 1. Следует отметить, что в различных рабочих ситуациях, связанных с более низкими уровнями температуры, теплота, производимая дополнительной камерой сгорания, также может быть полезна для процесса.
На фиг. 4 показан второй вариант осуществления настоящего изобретения, содержащий турбинную установку 1, соединенную с компрессорной установкой 2 с двумя компрессорами 2′ и 2″, а также устройство 4 для отбора работы, например электрогенератор. Основные признаки элементов, относящихся к внешнему подводу теплоты, совпадают с показанными на фиг. 1 и описанными выше. Остальные позиции по существу совпадают с использованными на фиг. 1.
Далее, топочные газы от камеры сгорания в этом варианте поступают на турбинную установку 1.
На фиг. 5 показан третий вариант осуществления настоящего изобретения, содержащий турбинную установку 1″, соединенную с компрессорной установкой 2 с двумя компрессорами 2′ и 2″. Вторая турбинная установка 1′ соединена с устройством 4 для отбора работы, например с электрогенератором. Основные признаки элементов, относящихся к внешнему подводу теплоты, совпадают с описанными выше, за исключением охлаждения теплообменника 12, расположенного в потоке 13 газа от компрессора между компрессорами 2′ и 2″ для охлаждения этого потока газа, сжатого первым компрессором 2′. Теплота, отобранная теплообменником 12, подается на теплообменник 21 для дальнейшего нагрева теплоносителя.
Как показано выше, когда потребность в теплоте в сети централизованного теплоснабжения невелика, теплоту, отбираемую от теплообменника 12, можно использовать для подогрева воды и/или пара для впрыска по трубопроводу 8″ в камеру 5 сгорания.
Далее, топочные газы из камеры 5 сгорания в этом варианте подаются на турбину 1″, являющуюся первой частью турбинной установки 1. Турбина 1′, являющаяся второй частью турбинной установки 1, установлена соосно с ней и вращается независимо от турбины 1″. Турбина 1′ через вал 3″ соединена с устройством 4 для отбора работы, например электрогенератором. Остальные позиции по существу совпадают с позициями на фиг. 4.
В порядке пояснения преимуществ настоящего изобретения следует отметить, что комбинированные теплоэлектростанции согласно предшествующему уровню техники имеют общий кпд (включая производство электроэнергии и теплоты) до приблизительно 90% в лучшем случае, рассчитанный по низшей теплотворной способности топлива.
Однако настоящее изобретение дает возможность добиться существенно более высокого общего кпд, поскольку оно дает возможность использовать энергию, содержащуюся в топочном газе в форме теплоты парообразования содержащегося в топочном газе пара. Благодаря ее особенности, кпд станции по настоящему изобретению не столь чувствителен к топливу с высоким содержанием влаги, например биотопливу, как ранее известные ТЭЦ, поскольку энергию, расходуемую на испарение воды в топливе, можно рекуперировать в конденсаторе или конденсаторах.
В настоящее изобретение могут быть внесены изменения в рамках объема формулы изобретения, например конденсатор топочного газа может быть дополнен различными теплообменниками, описанными выше, в соответствии с потребностями и условиями. В другой модификации теплообменник 6, предназначенный для нагрева воды и/или пара, и теплообменник 14 являются интегрированными функциональными частями одного и того же устройства. В качестве дополнительной меры к нагреву воды и/или пара в теплообменнике с горячим газом после турбины 1, нагретую воду и/или пар для подачи в поток технологического газа преимущественно производят в канале 13 компрессора.