СПОСОБ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ КОМБИНИРОВАННОГО ЦИКЛА С КОГЕНЕРАЦИЕЙ И ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ КОМБИНИРОВАННОГО ЦИКЛА ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ЭТОГО СПОСОБА
METHOD OF OPERATION OF COMBINED CYCLE POWER PLANT WITH COGENERATION AND COMBINED CYCLE POWER PLANT FOR REALISATION OF THIS METHOD

Область техники
Настоящее изобретение относится к области технологии электростанций и, в частности, к способу работы электростанции комбинированного цикла с газотурбинной установкой, по меньшей мере, одной паровой турбиной и рекуперирующим тепло парогенератором, а также к процессу когенерации за счет тепла, предоставляемого отбором пара. Изобретение также относится к электростанции комбинированного цикла для реализации этого способа.
Предшествующий уровень техники
Некоторые области применения электростанций требуют одновременной выработки электричества и тепла. Эти две формы производимой энергии необязательно относятся к одному и тому же профилю спроса подключенными потребителями. Производство электричества традиционно регулируется требованиями системы подачи электрической мощности или, в некоторых случаях, крупными локальными промышленными потребителями. Спрос на тепло типично регулируется требованиями производственного процесса или дневными или сезонными отклонениями в сети центрального теплоснабжения или в установке по обработке питьевой воды. Что касается обработки питьевой воды, в тех странах, в которых работает много заводов по опреснению морской воды, спрос на электроэнергию подвержен сильным отклонениям в течение года, тогда как потребность в питьевой воде практически постоянна.
Большая часть потребности в тепловой энергии по существу удовлетворяется за счет отбора пара из паровой турбины или от главных паропроводов в тепловой электростанции. Если пар генерируется в парогенераторе-рекуператоре (рекуперирующем тепло парогенераторе) на электростанции комбинированного цикла, его генерация непосредственно связана с управлением нагрузкой газотурбинной установки и, следовательно, не может быть полностью отделена от генерации электричества.
Конструкция и эксплуатация газотурбинной установки обычно ориентированы на высокую эффективность в процессе генерации электричества. Хотя работа газотурбинной установки под частичной нагрузкой в определенных пределах возможна, она, однако, ограничена выбросами опасных веществ, которые увеличиваются при низкой нагрузке. Во время работы под частичной нагрузкой потоки воздуха для сгорания и потоки выхлопных газов через газотурбинную установку обычно уменьшаются, в результате чего генерация пара в рекуперирующем тепло парогенераторе, который следует ниже по потоку, ограничивается в это же время.
Ранее предлагались разные способы работы электростанции комбинированного цикла в ситуациях, когда спрос на электроэнергию низок, а спрос на тепловую энергию высок (например, как происходит при испарении морской воды в опреснительных установках, которые работаю на паре). Один известный вариант управления низким производством электроэнергии заключается в ограничении входных вентилей паровой турбины или даже в полном их закрытии, и в пропускании избытка пара в охлаждаемый водой или воздухом конденсатор в обход турбины.
Другой известный вариант максимизации генерирования пара независимо от нагрузки на газотурбинную установку заключается в установки вентилятора для предоставления необходимого дополнительного воздуха, который требуется для большой вспомогательной горелки в рекуперирующем тепло парогенераторе.
Одно очень простое решение заключается в создании вспомогательного котла, который производит пар для потребителей, чтобы газотурбинные установки можно было независимо отключать.
Если на электростанции имеется множество газотурбинных блоков, часть блоков можно отключить, чтобы снизить производство электроэнергии, если вспомогательная горелка в рекуперирующем тепло парогенераторе достаточно большого размера, для того чтобы продолжать отбор пара в том же количестве, что и при работе всех газотурбинных установок. Сравнимое решение раскрыто в документе ЕР 1701006 А2. Такого рода решение требует дополнительного оборудования, усложнения паропроводов, предохранительных клапанов и обходных паропроводов.
Пар, отобранный из электростанции комбинированного цикла можно использовать для процесса когенерации, например, в установке по опреснению морской воды с блоками многоступенчатой дистилляции (МСД). Установки такого типа обычно требуют сравнительно невысокой температуры и низкого давления, поскольку испарение морской воды происходит под давлением ниже атмосферного. В типичной установке пар, поэтому, отбирается с выхода турбины низкого давления. Такая конфигурация способствует производству большого количества электроэнергии на электростанции комбинированного цикла, поскольку низкое давление отбора позволяет пару лучше расширяться в паровой турбине.
Усовершенствованный способ опреснения известен под названием "многоступенчатая дистилляция с тепловым сжатием пара", как, например, раскрыто в WO 2005/105255 А1. При таком способе многоступенчатую дистилляцию осуществляют с использованием теплокомпрессора (который работает как обычный пароструйный эжектор), чтобы вернуть пар из испарительной ячейки с самой низкой температурой в испарительную ячейку с наивысшей температурой. Работа пароструйных эжекторов приводит к более высокому уровню давления в линии отбора пара на электростанции комбинированного цикла. Преимущество такой конфигурации заключается в снижении расхода пара на то же количество произведенной питьевой воды по сравнению с простой многоступенчатой дистилляцией. С другой стороны, более высокое давление отбора пара приводит к небольшому снижению производства электроэнергии на электростанции комбинированного цикла.
Краткое изложение существа изобретения
Одной задачей настоящего изобретения является создание способа работы электростанции комбинированного цикла с когенерацией, который позволяет избежать недостатков известных способов и обеспечивает высокий выход тепловой энергии и уменьшенное производство электричества, в то же время, без чрезмерного увеличения выбросов опасных веществ в выхлопных газах, а также создание электростанции комбинированного цикла для реализации этого способа.
Эта задача достигается с помощью признаков, перечисленных в формуле изобретения. В способе по настоящему изобретению воздух для горения подают, по меньшей мере, в одну газотурбинную установку, сжимают и подают, по меньшей мере, в одну камеру сгорания для сжигания топлива, и полученный выхлопной газ расширяется, по меньшей мере, в одной турбине, производя работу, причем выхлопной газ, который выходит из, по меньшей мере, одной турбины, пропускают через рекуперирующий тепло парогенератор для генерирования пара, причем генератор является частью пароводяного контура, содержащего, по меньшей мере, одну паровую турбину, конденсатор, бак питающей воды и питающий насос, в котором тепло получают, отбирая пар, из, по меньшей мере, одной паровой турбины. Способ согласно изобретению содержит этапы, на которых: для ограничения производства электроэнергии при том, что тепловая энергия, предоставляемая посредством отбора пара, остается на постоянном уровне и часть подаваемого воздуха для горения пропускают через, по меньшей мере, одну турбину в рекуперирующий тепло парогенератор без участия в процессе сжигания топлива в газотурбинной установке, и эту часть воздуха для горения используют для работы, по меньшей мере, одной вспомогательной горелки в рекуперирующем тепло парогенераторе.
Один вариант способа по настоящему изобретению отличается тем, что, по меньшей мере, одна газотурбинная установка имеет только одну камеру сгорания и только одну турбину для расширения выхлопных газов, и тем, что часть сжатого воздуха для горения, которая не используется для сжигания топлива, пропускают на турбину в обход камеры сгорания.
Другой вариант способа по настоящему изобретению отличается тем, что, по меньшей мере, одна газотурбинная установка предназначена для последовательного сжигания и содержит две камеры сгорания и две турбины для расширения выхлопных газов, и тем, что часть сжатого воздуха для горения, которая не используется для сжигания топлива, подают для работы вспомогательной горелки путем отключения второй из двух последовательно расположенных камер сгорания.
Еще один вариант способа по настоящему изобретению отличается тем, что, по меньшей мере, одну турбину снабжают регулируемыми входными направляющими лопатками, и тем, что входные направляющие лопатки одновременно устанавливают в максимально открытое положение, когда вторая камера сгорания отключена.
Другой вариант отличается тем, что часть сжатого воздуха для горения дополнительно обходит первую из двух последовательно расположенных камер сгорания.
Еще один вариант отличается тем, что, по меньшей мере, одну вспомогательную горелку размещают на входе в рекуперирующий тепло парогенератор.
Согласно еще одному варианту способа по настоящему изобретению, рекуперирующий тепло парогенератор содержит первый пароперегреватель, при этом вспомогательную горелку размещают ниже по потоку от первого пароперегревателя.
Другой вариант способа по настоящему изобретению отличается тем, что отобранный пар используют в установке по опреснению морской воды, которая может факультативно работать на паре низкого давления или на паре промежуточного давления, и тем, что для ограничения производства электроэнергии работу опреснительной установки дополнительно переводят с пара промежуточного давления на пар низкого давления.
Еще один вариант способа по настоящему изобретению отличается тем, что опреснительная установка содержит блоки для многоступенчатой дистилляции, которые работают на паре низкого давления, и каждый из которых дополнительно оснащен устройством, которое работает на паре промежуточного давления для теплового сжатия пара, и тем, что устройства для теплового сжатия пара включают для ограничения производства электроэнергии.
Электростанция комбинированного цикла по настоящему изобретению для реализации способа содержит, по меньшей мере, одну газотурбинную установку с компрессором для сжатия поступающего воздуха для горения, камеру сгорания для сжигания топлива с использованием сжатого воздуха для горения и турбину для расширения выхлопных газов, образовавшихся во время сжигания, а также пароводяной контур, содержащий, по меньшей мере, одну паровую турбину и рекуперирующий тепло парогенератор, через который протекают выхлопные газы из газотурбинной установки. Электростанция отличается тем, что в, по меньшей мере, одной газотурбинной установке имеется регулируемый обход, через который на турбину может подаваться часть сжатого воздуха для горения в обход камеры сгорания, и тем, что в рекуперирующем тепло парогенераторе установлена вспомогательная горелка, в которой можно сжигать топливо для подогрева поступающих выхлопных газов, используя воздух для горения, прошедший в обход камеры сгорания.
Один вариант электростанции комбинированного цикла по настоящему изобретению отличается тем, что в обходе установлен клапан.
Другой вариант отличается тем, что, по меньшей мере, одна газотурбинная установка предназначена для последовательного сжигания и имеет две камеры сгорания и две турбины для расширения выхлопных газов.
Еще один вариант отличается тем, что электростанция комбинированного цикла содержит связанную с ней опреснительную установку, которая обрабатывает пар, отобранный из паровой турбины для опреснения морской воды, и тем, что опреснительная установка содержит устройства многоступенчатой дистилляции, на которые подается пар низкого давления от паровой турбины.
Другой вариант отличается тем, что каждое устройство многоступенчатой дистилляции имеет связанное с ним устройство теплового сжатия пара, которое работает на паре промежуточного давления из паровой турбины, и тем, что устройства теплового сжатия пара выполнены с возможностью отключения.
Еще один вариант отличается тем, что на входе в рекуперирующий тепло парогенератор расположена первая вспомогательная горелка, а ниже по потоку от первого пароперегревателя расположена вторая вспомогательная горелка.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает упрощенную схему электростанции комбинированного цикла с соединенной опреснительной установкой по одному примерному варианту осуществления изобретения,
фиг. 2 изображает схему электростанции комбинированного цикла, сопоставимую с электростанцией комбинированного цикла на фиг. 1, в частности с последовательным сжиганием в газотурбинной установке и с подключенной опреснительной установкой, подходящей для реализации способа согласно изобретению, и
фиг. 3 изображает схему опреснительной установки, которая может работать в рамках настоящего изобретения селективно или на паре низкого давления, или на паре низкого давления и на паре промежуточного давления.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
Концепция работы газотурбинной установки в электростанции комбинированного цикла с когенерацией, которая приводит к обширному потоку выхлопных газов от газотурбинной установки, имеющий низкую температуру выхлопных газов, в то же время открывает доступ к широкому спектру вспомогательных горелок в рекуперирующем тепло парогенераторе, что позволяет производить большое количество пара для подключенной опреснительной установки, которая работает на паре, даже когда спрос на электричество со стороны распределительной сети снижается. Вспомогательная горелка в этом случае может быть ограничена до входа в рекуперирующий тепло парогенератор, в результате чего, однако, производство пара ограничивается. Если, наоборот, вспомогательные горелки установить между пароперегревателями, которые расположены в рекуперирующем тепло парогенераторе, производство пара можно существенно увеличить, но паровую турбину, вероятно, придется остановить, поскольку уровень температуры произведенного пара на выходе рекуперирующего тепло парогенератора будет слишком низок.
Фиг. 1 изображает упрощенный план установки электростанции комбинированного цикла с подсоединенной опреснительной установкой, согласно одному примерному варианту осуществления настоящего изобретения, с помощью которой можно реализовать соответствующую концепцию работы. Изображенная электростанция 10 комбинированного цикла содержит газотурбинную установку 11, пароводяной контур 12 и опреснительную установку 15. Газотурбинная установка 11, которая приводит в действие первый генератор G1, содержит компрессор 18, камеру 19 сгорания и турбину 20. Компрессор 18 принимает воздух для горения через вход 16 для воздуха, сжимает его и затем направляет в камеру 19 сгорания, где вместе с поданным топливом он питает процесс горения, в результате которого образуются горячие выхлопные газы, которые расширяются в расположенной ниже по потоку турбине 20, производя работу. Количеством поданного воздуха можно управлять с помощью регулируемой входной направляющей лопатки 17.
Горячие выхлопные газы от газотурбинной установки 11 протекают через рекуперирующий тепло парогенератор 13, который расположен в пароводяном контуре 12 для преобразования питающей воды из бака 28 питающей воды в перегретый пар с помощью соответствующих экономайзеров 26, 27 и пароперегревателей 22, 24. Для направления питающей воды на рекуперирующий тепло парогенератор 13 установлены соответствующие насосы Р2, Р3. Кроме того, имеется барабан 25 высокого давления, включенный известным способом, а также клапан V5, посредством которого поток, входящий в барабан 25 высокого давления, можно регулировать. Пар высокого давления, произведенный в рекуперирующем тепло парогенераторе 13, через клапан V3 турбины 29 высокого давления подается на паровую турбину 14, которая расположена в пароводяном контуре и приводит в действие еще один генератор G2, где он расширяется до промежуточного давления, прежде чем попасть в турбину 30 промежуточного давления паровой турбины 14. Пар низкого давления, выходящий из турбины 30 промежуточного давления, затем проходит через соответствующую турбину 31 низкого давления и конденсируется в конденсаторе 32 и закачивается обратно в бак 28 питающей воды конденсатным насосом Р1. Через конденсатор 32 течет охлаждающая среда, которая перемещается посредством еще одного насоса Р4.
Пар отбирается из паровой турбины 14 через клапан V4 между турбиной 30 промежуточного давления и турбиной 31 низкого давления, и подается на опреснительную установку 10, которая, например, может иметь конструкцию, изображенную на фиг. З. Конденсат, образовавшийся в опреснительной установке, возвращается обратно в контур по штриховой линии на фиг. 1.
В установке, изображенной на фиг. 1, в рекуперирующем тепло парогенераторе 13 установлены две вспомогательные горелки 21, 23, одна (21) из которых расположена прямо на входе рекуперирующего тепло парогенератора 13 (так называемая «канальная горелка»), а вторая (23) расположена между пароперегревателями 22 и 24 (так называемая «межблочная горелка»). Подходящее топливо на обе вспомогательные горелки 21 и 23 подается через соответствующие клапаны V1 и V2.
Особый признак установки, изображенной на фиг. 1, заключается в том, что по обходу 33, расположенному на турбине 11, камеру сгорания 19 обходит переменная часть воздуха для горения, сжатого в компрессоре 18, которым можно управлять с помощью клапана V6, и эта часть воздуха для горения, таким образом, не участвует в горении в газотурбинной установке 11. Это обеспечивает постоянно высокий массовый расход выхлопного газа, даже когда нагрузка на газотурбинную установку 11 относительно низкая. Такая работа приводит к снижению температуры выхлопных газов, что позволяет независимо управлять генерацией пара посредством вспомогательных горелок 21 и 23 в рекуперирующем тепло парогенераторе 13.
В то же время, из-за уменьшенного расхода воздуха для горения, в камере сгорания 19 можно поддерживать подходящие параметры горения, вследствие чего количество выбросов опасных веществ можно удерживать на низком уровне, даже если нагрузка на газотурбинную установку сравнительно низкая. Поскольку содержание кислорода в выхлопных газах из газотурбинной установки в результате операции обхода существенно увеличено по сравнению с обычным режимом работы, вспомогательные горелки в рекуперирующем тепло парогенераторе 13 могут работать на полную мощность без подачи дополнительного воздуха извне.
На фиг. 2 изображен другой возможный вариант реализации описанного способа для электростанции 40 комбинированного цикла, которая содержит газотурбинную установку 34 с последовательным сжиганием. При последовательном сжигании, как в данном случае и как известно, например, из документа ЕР 1914407 А2, первая и вторая камеры сгорания, 19 и 36, соответственно, в газотурбинной установке 34 соединены одна за другой с газорасширительными турбинами 35 и 37, расположенными ниже по потоку, соответственно. В этом случае, когда производство электроэнергии ограничивается, вторая камера 36 сгорания отключается и, одновременно, входная направляющая лопатка 17 полностью открывается. Это позволяет поддерживать полный массовый расход, даже когда нагрузка на газотурбинную установку 34 сравнительно низкая, при этом первая камера 19 сгорания работает в режиме, близком к ее номинальной рабочей точке, и выбросы опасных веществ остаются низкими.
Получающаяся в результате температура выхлопных газов низкая и, даже в такой ситуации, позволяет независимо управлять генерацией пара с помощью вспомогательных горелок в рекуперирующем тепло парогенераторе 13. Содержание кислорода в выхлопных газах газотурбинной установки также существенно увеличено по сравнению с обычным режимом такого типа, что позволяет вспомогательным горелкам в рекуперирующем тепло парогенераторе 13 работать на полную мощность без подачи дополнительного воздуха извне.
Однако, в дополнение к выключению второй камеры 36 сгорания, можно также создать обход, как изображено на фиг. 1, для первой камеры 19 сгорания, чтобы направлять часть сжатого воздуха в обход камеры 19 сгорания. Это позволяет обеспечить возможность работы первой камеры 19 сгорания с температурой пламени, близкой к номинальной рабочей точке, что приводит к низкой температуре выхлопных газов с, одновременно, высоким массовым расходом, в результате чего, как описано выше, возникает возможность независимого управления генерацией пара вспомогательными горелками 21 и 23.
Две вспомогательные горелки 21 и 23, изображенные на фиг. 1 и 2, дают преимущество, заключающееся в том, что первая вспомогательная горелка 21 по существу дает возможность обеспечить минимальную температуру пара на выходе из рекуперирующего тепло парогенератора 13, чтобы поддерживать паровую турбину 14 в пределах ее нагрузки, тогда как вторая вспомогательная горелка 23 предназначена по существу для генерирования и управления требуемым количеством пара.
Другие варианты, влияющие на описываемый способ, состоят в конструкции опреснительной установки 15, как изображено на фиг. 3, так, чтобы она могла выборочно работать через отдельные линии отбора с паром промежуточного давления из турбины 30 промежуточного давления, или с паром низкого давления из турбины 31 низкого давления. Это можно сделать, используя опреснительные блоки 15a-15d в опреснительной установке 15, с так называемыми устройствами 38 многоступенчатой дистилляции в комбинации с устройствами 39 теплового сжатия пара. Для устройств 38 многоступенчатой дистилляции нужен пар низкого давления, приблизительно 0,5 бар, тогда как для устройств 39 теплового сжатия пара нужен пар под давлением приблизительно 3 бар.
В примерном варианте, изображенном на фиг. 3, паровая турбина 14 имеет общую турбину 29 высокого давления и турбины промежуточного и низкого давления 30 и 31, соответственно, расположенные в двух параллельных трактах, которые приводят в действие генераторы G3 и G4, соответственно, и принимают пар промежуточного давления из турбины 29 высокого давления через клапаны V7 и V8, а турбина 29 высокого давления принимает пар 41 высокого давления через клапан V3. Опреснительная установка 15 соединена с верхним трактом паровой турбины 14, а работа устройств 39 теплового сжатия пара управляется посредством соответствующих клапанов V9. Нижняя часть взаимодействует непосредственно с конденсатором 32.
Опреснительная установка 15 такого типа может работать попеременно в двух разных режимах: в одном режиме опреснительные блоки 15а-15d работают без устройств 39 теплового сжатия пара (клапан V9 закрыт), чтобы добиться максимального производства электричества. В другом рабочем режиме устройства 39 теплового сжатия пара работают, чтобы поддерживать производство питьевой воды, когда потребность в электричестве является низкой периодически или сезонно.
Одним из преимуществ такой конфигурации является то, что размеры вспомогательных горелок в рекуперирующем тепло парогенераторе, которые обычно должны быть рассчитаны на работу газотурбинной установки с частичной нагрузкой, можно уменьшить, поскольку для опреснения того же количества воды требуется меньше пара благодаря совместной работе устройств 38 многоступенчатой дистилляции и устройств 38 теплового сжатия пара.
Перечень позиций
10, 40 - электростанция комбинированного цикла (с когенерацией)
11, 34 - газотурбинная установка
12 - пароводяной контур
13 - рекуперирующий тепло парогенератор
15 - опреснительная установка
15a-15d - опреснительный блок
16 - вход для воздуха
17 - входная направляющая лопатка
18 - компрессор
19, 36 - первая/вторая камера сгорания
20, 35, 37 - турбина
21, 23 - вспомогательная горелка
22, 24 - пароперегреватель
25 - барабан высокого давления
26, 27 - экономайзер
28 - бак питающей воды
29 - турбина высокого давления
30 - турбина промежуточного давления
31 - турбина низкого давления
32 - конденсатор
33 - обход
34 - газотурбинная установка
35, 37 - первая и вторая газорасширительные турбины
38 - устройство многоступенчатой дистилляции
39 - устройство теплового сжатия пара
41 - пар высокого давления
G1 - G4 - генератор
P1-P4 - насос
V1-V9 - клапан