СПОСОБ РАБОТЫ ПАРОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ
OPERATING METHOD OF COMBINED-CYCLE PLANT

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к парогазовым установкам (ПГУ), работающим на смеси пара и продуктов сгорания топлива.
Известен способ работы газотурбинной установки, заключающийся в сжатии воздуха, сжигании в нем топлива, смешивании полученных продуктов сгорания с дополнительным сжатым воздухом и отбором части продуктов сгорания после их расширения в турбине и совместном их сжатии с дополнительно сжимаемым воздухом при одновременном уменьшении расхода последнего (см. авторское свидетельство SU №1744290, кл. F02C 3/34, 30.06.1992).
Данный способ, хотя и осуществляет рациональный процесс сгорания, но требует дополнительной энергии для дополнительно сжимаемого охлаждающего воздуха, что снижает КПД процесса.
Известен способ работы ПГУ, включающий образование рабочей парогазовой смеси, расширение последней в турбине с совершением работы, осушение потока парогазовой смеси путем введения в него воды с температурой ниже температуры конденсации воды в парогазовой смеси, удаление осушенных газов и отвод конденсата (см. авторское свидетельство SU №547121, кл. F01K 21/04, 07.12.1982).
Однако при данном способе работы установки имеют место большие потери теплоты (скрытая теплота конденсации), так как не вся вода удаляется из парогазовой смеси и воды из-за недоохлаждения парогазовой смеси, поскольку необходимо подать большое количество холодной воды, что, в свою очередь, приводит тому, что сливаемая вода из конденсатора будет также холодной, а значит теплота, возвращаемая через утилизационный контур, будет уменьшена, т.е. больше тепла будет потеряно в окружающую среду и еще больше энергии необходимо будет затратить для получения холодной воды.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ работы ПГУ, заключающийся в том, что компрессором сжимают окружающий воздух с промежуточным охлаждением, который подают в зону горения камеры сгорания, в которую одновременно подают топливо, образовавшиеся продукты сгорания смешивают в зоне смешения камеры сгорания с водяным паром с получением на выходе из камеры сгорания парогазовой смеси, которую в качестве рабочего тела направляют в парогазовую турбину, в которой энергию потока парогазовой смеси преобразуют в механическую энергию вращения ротора турбины, далее водяной пар конденсируют в вакуумном конденсаторе, разрежение в котором создается вакуумным компрессором, отводящим несконденсировавшиеся газообразные продукты сгорания, а сконденсированную воду нагревают в теплообменниках (см. патент RU №2476690, кл. F01K 21/04, 06.04.2011 г.).
Данный способ работы ПГУ обеспечивает отсутствие перегрева парогазовой смеси на входе в вакуумный конденсатор. Данный способ работы ПГУ обеспечивает одновременно высокий уровень экономичности ПГУ, поскольку позволяет осуществлять работу ПГУ с существенно более высоким давлением в камере сгорания при начальной температуре рабочего тела перед турбиной, по сравнению с эксплуатируемыми в настоящее время классическими бинарными ПГУ. С увеличением расчетного давления в камере сгорания растет расчетная экономичность ПГУ, работающая по данному способу.
Однако этот рост сдерживается тем, что в данном способе параметры воды на входе в догревающий теплообменник охлаждения парогазовой смеси на выходе из турбины высокого давления (ТВД) уже соответствуют параметрам воды в двухфазном состоянии. Необходимо поддерживать температуру парогазовой рабочей смеси на выходе из данного догревающего теплообменника выше температуры насыщения воды, подаваемой в него. С увеличением расчетного давления в камере сгорания необходимо повышать давление охлаждающего пара и соответственно давление воды на входе в догревающий теплообменник. С ростом расчетного давления в камере сгорания повышается температура насыщения питательной воды, и необходимо повышать температуру парогазовой смеси на выходе из догревающего теплообменника и, следовательно, на выходе парогазовой смеси из ТВД. По этой причине увеличение теплоперепада в ТВД, обусловленное ростом расчетного начального давления на входе в турбину, сопровождается частичным уменьшением теплоперепада в ТВД из-за повышения расчетной температуры и давления рабочего тела на выходе из ТВД. В конечном итоге данное обстоятельство приводит к уменьшению темпа роста расчетной экономичности ПГУ, обусловленной повышением давления рабочего тела перед первой ступенью турбины.
В описании способа работы ПГУ по патенту RU №2476690 не показана схема охлаждения горячих частей парогазовой турбины, а современные высокотемпературные ПГУ требуют такого охлаждения.
Задача изобретения: повышение экономичности ПГУ, обеспечение экономичной работы ПГУ с применением только парового охлаждения, обеспечение работы ПГУ в режиме комбинированной выработки тепловой и электрической энергии.
Технический результат заключается в том, что:
- увеличивают рабочий теплоперепад ТВД, снижая расчетное давление на выходе из ТВД;
- обеспечивают экономичную работу ПГУ при применении закрытого парового охлаждения, поскольку тепло, отбираемое от рабочего тела охлаждающим паром замкнутого охлаждения, используют для догрева вторичного охлаждающего пара до расчетного значения энтальпии;
- обеспечивают минимальное снижение экономичности работы ПГУ, вызванное применением открытого парового охлаждения в комбинации с закрытым, поскольку снижают затраты на работу воздушного компрессора высокого давления и дополнительно увеличивают расчетный рабочий теплоперепад ТВД;
- обеспечивают работу ПГУ в режиме комбинированной выработки тепловой и электрической энергии, нагревая воду, подаваемую на теплофикационные нужды теплом воздуха с выхода из топливоподогревателя, при этом снижают температуру воздуха перед воздушным компрессором высокого давления и, следовательно, уменьшают затраты на работу этого компрессора.
Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что способ работы ПГУ заключается в том, что воздушным компрессором сжимают воздух с промежуточным охлаждением, который подают в зону горения камеры сгорания, в которую одновременно подают топливо, образовавшиеся продукты сгорания смешивают в зоне смешения камеры сгорания с охлаждающим вторичным водяным паром с получением на выходе из камеры сгорания парогазовой смеси, которую в качестве рабочего тела направляют в парогазовую турбину, в которой энергию потока парогазовой смеси преобразуют в механическую энергию вращения ротора турбины, далее водяной пар частично конденсируют в вакуумном конденсаторе, разрежение в котором создается вакуумным компрессором, отводящим несконденсированные газообразные продукты сгорания, сконденсированную воду нагревают в основном и дополнительном теплообменниках промежуточного охлаждения воздуха, а также в догревающем теплообменнике охлаждения парогазовой смеси на выходе из турбины высокого давления и теплообменнике охлаждения уходящих газов, при этом:
- догревающий теплообменник охлаждения парогазовой смеси на выходе из турбины высокого давления выполняют в виде двух последовательно установленных теплообменников: теплообменника горячей парогазовой смеси и теплообменника холодной парогазовой смеси, в дополнительный теплообменник промежуточного охлаждения воздуха подают только часть воды с выхода теплообменника охлаждения уходящих газов, остальную часть этой воды подают на вход в теплообменник холодной парогазовой смеси, а на вход теплообменника горячей парогазовой смеси подают нагретую воду/водяной пар с выходов основного и дополнительного теплообменников промежуточного охлаждения воздуха и с выхода теплообменника холодной парогазовой смеси;
- установку снабжают теплообменником для догрева до расчетной энтальпии вторичного охлаждающего пара теплом от водяного пара, возвращаемого из тракта замкнутого охлаждения турбины;
- установку снабжают последовательно расположенным теплообменником для предварительного нагрева воды-охладителя и теплообменником для последующей генерации из этой воды-охладителя пара-охладителя, предназначенного для открытого парового охлаждения горячих элементов турбины с последующим выбросом пара-охладителя в проточную часть турбины;
- установку снабжают теплообменником для нагрева воды на теплофикационные нужды воздухом с выхода из топливоподогревателя.
Разделение потоков воды после ее выхода из теплообменника охлаждения уходящих газов и направление одного из этих потоков в теплообменник холодной парогазовой смеси позволяет снизить температуру парогазовой смеси на выходе из ТВД и, следовательно, увеличить в ней рабочий теплоперепад. При расчетных давлениях впрыскиваемого в камеру сгорания охлаждающего пара выше 32 бар температура воды на выходе из теплообменника охлаждения уходящих газов при условии его оптимальной работы не достигает величины температуры насыщения и является постоянной. Соответственно, если часть воды с выхода из теплообменника охлаждения уходящих газов направить в теплообменник холодной парогазовой смеси, то при расчетных давлениях в камере сгорания выше 32 бар можно поддерживать температуру парогазовой смеси на выходе из теплообменника холодной парогазовой смеси ниже температуры насыщения. Следовательно, и расчетная температура за ТВД будет снижена. В результате повышается экономичность ПГУ.
Проведенные расчеты показывают, что КПД ПГУ возрастает.
При применении замкнутого охлаждения турбины охладитель отбирает тепло от рабочего тела, расширяющегося в турбине. В результате снижается температура на выходе из ТВД и, следовательно, снижается количество передаваемого тепла вторичному охлаждающему пару в догревающем теплообменнике охлаждения парогазовой смеси на выходе из ТВД. Снабжение установки теплообменником для догрева до расчетной энтальпии вторичного охлаждающего воды/водяного пара теплом от водяного пара, возвращаемого из тракта замкнутого охлаждения турбины, позволяет компенсировать этот недогрев путем возврата отобранного от рабочего тела тепла, происходящем при замкнутом охлаждении.
Применение открытого варианта охлаждения с выбросом охладителя в проточную часть турбины однозначно приводит к заметному снижению полезной электрической мощности современных ПГУ. Снабжение установки теплообменником для предварительного нагрева воды-охладителя и теплообменником для последующей генерации пара-охладителя позволяет снизить температуру воздуха перед воздушным компрессором высокого давления без потери тепла цикла, поскольку пар-охладитель смешивается в турбине с основным рабочим телом, совершает полезную работу и участвует в нагреве вторичного охлаждающего пара за ТВД. Снижение температуры воздуха достигается за счет того, что доля воздуха, охлаждаемая до минимальной температуры перед воздушным компрессором высокого давления, увеличивается, поскольку охлаждение воздуха в воздушном теплообменнике предварительного подогрева воды-охладителя, предназначенной для открытого охлаждения, осуществляется за счет части воздуха, охлаждаемого в дополнительном теплообменнике промежуточного охлаждения воздуха. Воздух на выходе дополнительного теплообменника промежуточного охлаждения воздуха имеет более высокую температуру, чем на выходе основного теплообменника промежуточного охлаждения воздуха и теплообменника, предназначенного для предварительного нагрева воды-охладителя, идущей на открытое охлаждение. В результате температура воздуха перед воздушным компрессором высокого давления после смешения воздушных потоков становится ниже. Снижаются затраты на работу воздушного компрессора высокого давления, что в свою очередь уменьшает падение полезной электрической мощности ПГУ, возникающее из-за необходимости применения открытого охлаждения с выбросом пара-охладителя в проточную часть турбины.
Одновременно уменьшается расчетная доля воды, идущей в дополнительный теплообменник промежуточного охлаждения воздуха с выхода теплообменника охлаждения уходящих газов, а следовательно, возрастает доля воды, направляемая в теплообменник холодной парогазовой смеси. Это увеличение расхода воды позволяет снизить расчетный температурный напор на холодном конце теплообменника холодной парогазовой смеси за счет уменьшения расчетной температуры парогазовой смеси на выходе из теплообменника холодной парогазовой смеси. Данное обстоятельство также приводит к расчетному снижению температуры за ТВД, приводящее к росту теплоперепада в ней. В результате еще дополнительно уменьшается снижение полезной электрической мощности ПГУ, возникающее из-за необходимости применения открытого охлаждения.
Использование в качестве теплоносителя воздуха с выхода из топливоподогревателя для нагрева воды, подаваемой на теплофикационные нужды, позволяет осуществлять работу ПГУ в режиме комбинированной выработки тепловой и электрической энергии. При этом дополнительно снижается температура воздуха перед компрессором высокого давления. Соответственно снижаются затраты на его работу. Однако после передачи тепла от воздуха воде это тепло не возвращается в цикл, как в варианте с предварительным подогревом воздухом воды-охладителя, предназначенной для открытого охлаждения, а уходит из цикла. Соответственно снижение полезной мощности турбины будет частично компенсироваться лишь частичным снижением затрат на работу воздушного компрессора высокого давления.
На фиг.1 представлен вариант выполнения принципиальной тепловой схемы ПГУ с двухцилиндровой парогазовой турбиной. На фиг.2 показан вариант схемы ПГУ с учетом замкнутого парового охлаждения горячих элементов парогазовой турбины. На фиг.3 показан вариант схемы ПГУ с учетом открытого и замкнутого парового охлаждения горячих элементов парогазовой турбины. На фиг.4 показан вариант схемы ПГУ с учетом открытого и замкнутого парового охлаждения горячих элементов парогазовой турбины при комбинированной выработке тепловой и электрической энергии. На фигурах не показано типовое оборудование, присутствующее в парогазовых схемах, например система подачи топлива, блоки химводоподготовки, блок деаэрации, конденсатные и питательные насосы и т.п.
ПГУ на фиг.1 содержит воздушный компрессор низкого давления 1, воздушный компрессор высокого давления 2, камеру сгорания 3, парогазовую турбину высокого давления (ТВД) 4, парогазовую турбину низкого давления (ТНД) 5, электрогенератор 6, вакуумный конденсатор 7, вакуумный компрессор 8, теплообменник охлаждения уходящих газов 9, основной теплообменник промежуточного охлаждения воздуха 10, дополнительный теплообменник промежуточного охлаждения воздуха 11, теплообменник горячей парогазовой смеси 12, воздухоподогреватель 13, атмосферный конденсатор 14, емкость-накопитель 15, градирню 16, воздушный топливоподогреватель 17, теплообменник холодной парогазовой смеси 18.
На фиг.1 воздушный компрессор 1 входом подключен к выходу из воздухоподогревателя 13, а выходом подключен к входу воздуха в теплообменник 10 и входу воздуха в теплообменник 11. Теплообменник 10 своим выходом воздуха соединен с выходом воздуха из топливоподогревателя 17 и входом воздушного компрессора 2, теплообменник 11 своим выходом воздуха соединен с входом воздуха в топливоподогреватель 17. Воздушный компрессор 2 своим выходом соединен с входом воздуха в камеру сгорания 3, вход топлива в которую соединен к выходу топлива из топливоподогревателя 17, а паровой вход камеры сгорания 3 подключен к выходу воды/водяного пара из теплообменника 12. Вход для воды/водяного пара в теплообменник 12 соединен с выходами воды/водяного пара из теплообменников 10, 11 и 18. Выходом парогазовой смеси камера сгорания 3 подключена к входу в ТВД 4, которая выходом парогазовой смеси подключена к входу парогазовой смеси в теплообменник 12, а выход парогазовой смеси из теплообменника 12 подключен к входу парогазовой смеси в теплообменник 18, который выходом парогазовой смеси подключен к ТНД 5. Вакуумный конденсатор 7 входом для парогазовой смеси подключен к выходу из ТНД 5, выходом для несконденсировавшихся газообразных продуктов сгорания к входу вакуумного компрессора 8. Вакуумный конденсатор 7 входом для воды подключен к выходу воды из градирни 16, выходом для воды вакуумный конденсатор 7 соединен с входом воды в градирню 16 и с входом воды в теплообменники 9 и 10. Выход воды из теплообменника 9 соединен с входами воды в теплообменники 11 и 18. Выход воды из воздухоподогревателя 13 соединен с входом воды в градирню 16. Вход воздуха в воздухоподогреватель 13 соединен с атмосферой. Выход несконденсировавшихся газообразных продуктов сгорания из вакуумного конденсатора 7 подключен к входу вакуумного компрессора 8. Выход несконденсировавшихся газообразных продуктов сгорания из вакуумного компрессора 8 соединен с входом несконденсировавшихся газообразных продуктов сгорания теплообменника 9, а выход охлажденных несконденсировавшихся газообразных продуктов сгорания из теплообменника 9 соединен с входом в атмосферный конденсатор 14. Выход газов из атмосферного конденсатора 14 сообщается с атмосферой, а выход воды соединен с входом воды в воздухоподогреватель 13, емкостью-накопителем 15 и с входом воды в градирню 16.
Отличия фиг.2 от фиг.1 следующие.
На фиг.2 ПГУ содержит дополнительно теплообменник 19 для догрева вторичного охлаждающего пара до расчетной энтальпии теплом от водяного пара, возвращаемого из тракта замкнутого охлаждения ТВД 4.
Отличия фиг.3 от фиг.2 следующие.
На фиг.3 ПГУ содержит дополнительно водовоздушный теплообменник 20 для предварительного нагрева воды-охладителя и теплообменник 21 для последующей генерации пара-охладителя, предназначенного для открытого парового охлаждения горячих элементов турбины.
Отличия фиг.4 от фиг.3 следующие.
На фиг.4 ПГУ содержит дополнительно теплообменник 22 для нагрева сетевой воды.
Между фиг.1 и фиг.2 имеются отличия в соединениях узлов и агрегатов. На фиг.2 выход воды/водяного пара из теплообменника 12 соединен с входом для воды/водяного пара в теплообменник 19. Теплообменник 19 входом для водяного пара, поступающего с выхода из контура замкнутого парового охлаждения ТВД 4, соединен с выходом этого охлаждающего пара из контура замкнутого парового охлаждения ТВД 4. Выход из теплообменника 19 для нагретой в нем воды/водяного пара соединен с входом в контур замкнутого парового охлаждения ТВД 4 и далее - с выходом из теплообменника 19 для охлажденного в нем водяного пара из контура замкнутого парового охлаждения ТВД 4. Выход для смешавшихся после теплообменника 19 потоков водяного пара соединен с входом вторичного охлаждающего пара в камеру сгорания 3.
Между фиг.1 и фиг.3 имеются отличия в соединениях узлов и агрегатов. Пунктирной линией показано движение воды, из которой генерируется пар для проведения открытого охлаждения горячих элементов ТВД 4 с выбросом пара-охладителя в проточную часть ТВД 4. На фиг.3 выход воды из вакуумного конденсатора 7 соединен также с входом воды в теплообменник 20, выход воды/водяного пара из которого соединен с входом воды/водяного пара в теплообменник 21, а выход водяного пара из теплообменника 21 соединен с входом в отдельные горячие элементы ТВД 4, имеющие выход для пара в проточную часть ТВД 4. Вход для воздуха в теплообменник 20 соединен с выходом из воздушного компрессора 1, а выход для воздуха соединен с входом в воздушный компрессор 2. Теплообменник 21 входом для водяного пара, поступающего с выхода из контура замкнутого парового охлаждения ТВД 4, соединен с выходом охлаждающего пара из контура замкнутого парового охлаждения ТВД 4. Выход этого пара из теплообменника 21 соединен с входом для этого пара в теплообменнике 19, выход из которого для этого пара соединен с выходом вторичного охлаждающего пара из теплообменника 19 и с входом в камеру сгорания 3. Выход воды/водяного пара из теплообменника 12 соединен с входом для воды/водяного пара в теплообменнике 19, а выход для охлаждающего вторичного пара, образовавшегося из входящей в теплообменник 19 воды/водяного пара, соединен с входом в контур замкнутого охлаждения ТВД 4 и выходом в теплообменнике 19 для охлаждающего пара из контура замкнутого парового охлаждения ТВД 4. Выход для смешавшихся после теплообменника 19 потоков водяного пара соединен с входом вторичного охлаждающего пара в камеру сгорания 3.
Между фиг.3 и фиг.4 имеются отличия в соединениях узлов и агрегатов. На фиг.4 выход воздуха из топливоподогревателя 17 соединен с входом воздуха в теплообменник 22, выход воздуха из которого соединен с входом воздуха в воздушный компрессор 2. Вход воды в теплообменник 22 предназначен для входа обратной сетевой воды, а выход - для подающей сетевой воды потребителю.
ПГУ по схеме, показанной на фиг.1, работает следующим образом.
Атмосферный воздух предварительно нагревают в воздухоподогревателе 13, затем сжимают с промежуточным охлаждением в теплообменниках 10 и 11 и подают в зону горения камеры сгорания 3, в которую подают топливо, которое предварительно подогревают в топливоподогревателе 17, и полученную горючую смесь сжигают. Одновременно в зону смешения камеры сгорания 3 вводят водяной пар из теплообменника 12. Образовавшуюся парогазовую смесь направляют в ТВД 4, расширяют и далее направляют через теплообменник 12 в теплообменник 18 и далее в ТНД 5, где расширяют и затем направляют в вакуумный конденсатор 7. Несконденсировавшиеся газообразные продукты сгорания отводят из вакуумного конденсатора 7 вакуумным компрессором 8, охлаждают в теплообменнике 9 и подают в атмосферный конденсатор 14, где охлаждают водой с выхода из вакуумного конденсатора 7 и далее выпускают в атмосферу.
Часть воды из вакуумного конденсатора 7 подают в теплообменники 9 и 10, а другую часть воды направляют в градирню 16. Одну часть воды с выхода атмосферного конденсатора 14 направляют в воздухоподогреватель 13 для нагрева воздуха, другую часть воды направляют в градирню 16 и емкость-накопитель 15. Из воздухоподогревателя 13 воду далее подают в градирню 16, откуда подают на вход для воды в вакуумный конденсатор 7. Излишки сконденсированной воды, если это предусмотрено режимом работы ПГУ, направляют в емкость-накопитель 15.
Отличия в работе ПГУ по схеме, показанной на фиг.3, от схемы на фиг.1 следующие.
Часть воды с выхода вакуумного конденсатора 7 (показано пунктиром) нагревают в теплообменнике 20, с выхода которого воду/водяной пар направляют в теплообменник 21 для генерации пара-охладителя, который подают в ТВД 4 для осуществления открытого парового охлаждения горячих элементов турбины с последующим выбросом пара-охладителя в проточную часть ТВД 4. Нагрев воды в теплообменнике 20 производится частью воздуха после воздушного компрессора 1, а охлажденный в теплообменнике 20 воздух направляют на вход воздушного компрессора 2. Воду/водяной пар с выхода теплообменника 12 направляют в теплообменник 19, где ее догревают теплом водяного пара, возвращаемого из контура замкнутого охлаждения ТВД 4, а после теплообменника 19 часть образовавшегося водяного пара направляют в контур замкнутого охлаждения ТВД 4. Оставшуюся часть образовавшегося водяного пара направляют на смешение с водяным паром, возвращаемым из контура замкнутого охлаждения ТВД 4 и затем последовательно охлаждаемым в теплообменниках 21 и 19. Далее смешавшийся водяной пар направляют в камеру сгорания 3.
При работе ПГУ по схеме на фиг.2 в отличие от фиг.3 водяной пар, возвращаемый из контура замкнутого охлаждения ТВД 4, подают в теплообменник 19.
В отличие от работы ПГУ по схеме 3 при работе ПГУ по схеме на фиг.4 воздух с выхода топливоподогревателя 17 подают на вход теплообменника 22, в котором производят нагрев обратной сетевой воды для дальнейшей ее подачи потребителю. Воздух с выхода теплообменника 22 подают на смешение с воздухом, выходящим их теплообменников 10 и 20.
Настоящее изобретение может быть использовано в энергетике, судостроении, на газоперекачивающих станциях и в других отраслях промышленности, где используют установки с парогазовым циклом.