Теплофикационная парогазовая установка
COGENERATION COMBINED CYCLE PLANT

Изобретение относится к оборудованию, применяемому в блочно-модульных электростанциях по технологии органического цикла Ренкина, газотурбинных и парогазовых установках, газоперекачивающих агрегатах на магистральных газопроводах, установках по сжижению природного газа и других установках с приводом от тепловых двигателей. Теплофикационная парогазовая установка предназначена для сжигания топлива с выработкой тепловой энергии для собственных нужд и сторонних потребителей, а также для выработки механической мощности, которая может использоваться для привода технологического оборудования и электрогенераторов.
Из существующего уровня техники известна тепловая электростанция, содержащая газотурбинную установку (ГТУ), соединенную с электрогенератором, котел-утилизатор (КУ), подключенный к выходу газовой турбины газотурбинной установки и паровую турбину, подключенную входом к выходу пара котла-утилизатора и выходом отработавшего пара к конденсатору, который выходом подключен к конденсационному насосу для подачи конденсата в котел-утилизатор (см. книгу Цанев С.В. и др., Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций, М., МЭИ, 2002, с. 272).
Применение указанной выше классической схемы парогазовой установки, использующей в паровом цикле воду, требует размещения оборудования в отапливаемых зданиях, имеющих резервные источники тепла. Для объектов, расположенных в зонах холодного климата, это значительно повышает капитальные и эксплуатационные затраты.
Из опыта эксплуатации газотурбинных агрегатов, используемых в парогазовых установках, известно, что при температурах атмосферного воздуха в диапазоне -5…+5°С создаются условия для обледенения входной части воздушного тракта компрессора, также известно, что недостаточная защита воздушных фильтров от осадков приводит к снижению ресурса фильтрующих элементов и росту аэродинамического сопротивления воздухоочистительных устройств, что в свою очередь приводит к снижению КПД парогазовых установок и перерасходу топлива.
Для предотвращения обледенения проточной части применяют системы подогрева воздуха на входе в установку за счет подмешивания горячего воздуха, отбираемого за ступенями компрессора. Указанное техническое решение снижает КПД парогазовой установки в период работы антиобледенительной системы и не обеспечивает защиту от сильных (залповых) снегопадов.
Использование для антиобледенительной системы тепловой энергии отработавшего водяного пара из парогазовой установки требует применения промежуточных теплоносителей, не замерзающих при низких температурах воздуха. Примером такого решения, известного из существующего уровня техники, является подогреватель-каплеуловитель, характеризующийся тем, что он включает: обогреваемый жидким теплоносителем парогенератор, представляющий собой кожухотрубчатый теплообменник с кипением органического рабочего тела внутри корпуса на поверхности теплообменных труб, по которым циркулирует горячий жидкий теплоноситель, проток которого регулируется клапаном теплоносителя, приваренным к вваренному в крышку входной камеры жидкого теплоносителя патрубку входа теплоносителя в парогенератор с одной стороны и к подающему трубопроводу теплоносителя с другой стороны; запорный клапан теплоносителя, приваренный к обратному трубопроводу теплоносителя с одной стороны и к вваренному в крышку выходной камеры жидкого теплоносителя патрубку выхода теплоносителя из парогенератора с другой стороны; приваренный к верхней части парогенератора патрубок отвода пара органического рабочего тела, к которому приварен запорный паровой клапан; приваренный к запорному паровому клапану паропровод, по которому пар органического рабочего тела поднимается к раздающему паровому коллектору, в который вварен второй конец указанного паропровода; раздающий паровой коллектор, в который вварены патрубки ввода пара в верхние коллекторы теплообменников; теплообменники подогрева воздуха, каждый из которых состоит из вертикального пучка оребренных труб, вваренных в верхний коллектор, в который подводится пар органического рабочего тела, с одной стороны и в нижний коллектор, в который стекает жидкое органическое рабочее тело, с другой стороны; опорные рамы, вставленные в проем канала подвода воздуха, в которых закреплены теплообменники подогрева воздуха и установленные после указанных теплообменников по ходу воздуха жалюзийные каплеуловители с вертикальным расположением жалюзи; патрубки отвода жидкого органического рабочего тела, вваренные в нижние коллекторы теплообменников с одной стороны, и в сборный коллектор жидкого органического рабочего тела с другой стороны; трубопровод жидкого органического рабочего тела, приваренный к сборному коллектору жидкого органического рабочего тела, с одной стороны и к запорному клапану жидкого органического рабочего тела с другой стороны; приваренный к запорному клапану жидкого органического рабочего тела патрубок ввода жидкого органического рабочего тела, который с другой стороны вварен в корпус парогенератора (RU 195474 U1 опубликовано 29.01.2020 г.).
Недостатком указанного решения является наличие промежуточного теплообменника в виде парогенератора, что ограничивает температурный напор подогревателя воздуха и требует увеличения площади теплообмена указанного теплообменника. Рост площади теплообмена, в свою очередь, приводит к росту аэродинамического сопротивления на входе компрессора и, как следствие, к снижению мощности и КПД газотурбинного агрегата.
Задачей, для решения которой предназначено заявляемое изобретение является создание надежной, эффективной и компактной парогазовой установки, позволяющей вырабатывать тепловую и механическую мощность за счет сжигания топлива.
Данная, задача решается за счет того, что теплофикационная парогазовая установка включает: компрессор для сжатия атмосферного воздуха; камеру сгорания, в которой осуществляется процесс горения топлива в среде сжатого воздуха, поступающего из компрессора; газовую турбину, в которой горячие газы, поступающие из камеры сгорания, расширяются, вырабатывая механическую мощность, которая расходуется на сжатие воздуха в компрессоре и привод оборудования, потребляющего механическую мощность; утилизатор для нагрева рабочего тела органического цикла Ренкина за счет тепла газов, выходящих из газовой турбины; основную выхлопную трубу, через которую газы, охлажденные в утилизаторе, выпускаются в атмосферу; резервную выхлопную трубу, для выпуска в атмосферу газов из газовой турбины в обвод утилизатора; газовые клапаны, регулирующие направление газов в утилизатор и резервную выхлопную трубу; конденсатный насос рабочего тела органического цикла Ренкина, нагнетающий жидкое рабочее тело из конденсатного коллектора конденсатора на всас питательного насоса; питательный насос рабочего тела органического цикла Ренкина, нагнетающий жидкое рабочее тело через последовательно установленные теплообменник-охладитель и теплообменник-рекуператор в утилизатор; турбину рабочего тела, осуществляющую привод оборудования, потребляющего механическую мощность, за счет механической мощности, вырабатываемой при расширении нагретого в утилизаторе рабочего тела, имеющую промежуточный отбор пара рабочего тела из проточной части, который подают в теплопотребляющее устройство и в подогреватель воздуха на входе в компрессор; байпасную линию с установленным на ней регулятором давления «до себя», по которой пар рабочего тела перепускается в обвод турбины рабочего тела при регулировании частоты вращения ротора турбины; теплообменник-рекуператор, в котором жидкое рабочее тело, нагнетаемое питательным насосом нагревается паром рабочего тела с выхлопа турбины рабочего тела, паром рабочего тела, поступающим по байпасной линии, а также паром из теплопотребляющего устройства и паром из подогревателя воздуха; конденсатор, представляющий из себя теплообменный аппарат, в котором пар рабочего тела после теплообменника-рекуператора охлаждается и конденсируется, при охлаждении теплоносителем, подаваемым из внешней среды; линию отвода несконденсированного пара из теплопотребляющего устройства и подогревателя воздуха с установленным на ней регулятором давления «до себя», подключенную со стороны выхода пара к паровой линии перед теплообменником-рекуператором; линию отвода конденсата рабочего тела из теплопотребляющего устройства и подогревателя воздуха с установленным на ней регулятором давления «до себя», подключенную к входу в теплообменник-охладитель; теплообменник-охладитель, через который жидкое рабочее тело из линии отвода конденсата рабочего тела из теплопотребляющего устройства и подогревателя воздуха подается на всас питательного насоса.
Техническими результатами, обеспечиваемыми приведенной совокупностью признаков являются: снижение габаритов и стоимости оборудования, повышение коэффициента полезного использования топлива при производстве тепловой и механической энергии, а также повышение надежности теплофикационной парогазовой установки.
Сущность изобретения поясняется чертежом (Фигура 1), на котором изображена теплофикационная парогазовая установка со следующими позициями:
Компрессор 1;
Камера сгорания 2;
Газовая турбина 3;
Оборудование, потребляющее механическую мощность 4;
Утилизатор 5;
Основная выхлопная труба 6;
Резервная выхлопная труба 7;
Газовые клапаны 8, 9;
Питательный насос 10;
Конденсатный насос 11;
Конденсатор 12;
Теплообменник-охладитель 13;
Теплообменник-рекуператор 14;
Теплопотребляющее устройство 15;
Подогреватель воздуха 16;
Турбина рабочего тела 17;
Байпасная линия 18;
Оборудование, потребляющее механическую мощность 19;
Линия отвода несконденсированного пара 20;
Линия отвода конденсата 21.
Теплофикационная парогазовая установка работает следующим образом.
Компрессор 1 сжимает атмосферный воздух, который далее поступает в камеру сгорания 2 (КС), в которой осуществляется процесс горения топлива. Горячие газы после КС поступают в газовую турбину 3 (ГТ), в которой расширяются, вырабатывая механическую мощность, которая расходуется на сжатие воздуха в компрессоре 1 и привод оборудования 4, потребляющего механическую мощность (компрессоры, насосы, электрогенераторы и прочее технологическое оборудование). После ГТ газы поступают в утилизатор 5, где отдают свое тепло рабочему телу (РТ) органического цикла Ренкина (ОЦР), и далее в основную выхлопную трубу 6, через которую выпускаются в атмосферу. Установка может работать без выработки механической мощности в ОЦР. В этом случае горячие газы частично или полностью могут быть направлены в резервную выхлопную трубу 7. Регулирование направления потоков уходящих газов осуществляется газовыми клапанами 8, 9. РТ ОЦР прокачивается по контуру питательным насосом 10, на вход которого РТ подается конденсатным насосом 11, откачивающим РТ из конденсатосборника конденсатора 12. С выхода питательного насоса 10 РТ прокачивается через последовательно установленные теплообменник-охладитель 13, теплообменник-рекуператор 14 и подается в утилизатор 5. В указанных теплообменниках РТ последовательно нагревается конденсатом РТ из теплопотребляющего устройства 15 и подогревателя воздуха 16, паром рабочего тела с выхлопа турбины рабочего тела 17 и паром рабочего тела, поступающим по байпасной линии 18, а также несконденсировавшимся паром из теплопотребляющего устройства 15 и подогревателя воздуха 16, с финальным нагревом выхлопными газами ГТ 3. Нагретое РТ расширяется в турбине рабочего тела 17, осуществляющей привод оборудования 19. Из проточной части турбины 17 часть пара РТ направляется в теплопотребляющее устройство 15, в котором тепло конденсации пара РТ используется на отопительные и технологические нужды и в подогреватель воздуха на входе в компрессор 16, в котором тепло конденсации РТ используется для антиобледенительного нагрева атмосферного воздуха, поступающего в компрессор 1. Регулирование частоты вращения ротора турбины 17 осуществляется перепуском части расхода РТ через байпасную линию 18 с установленным на ней регулятором давления «до себя». Пар с выхлопа турбины 17, пар из байпасной линии 18, а также пар из теплопотребляющего устройства 15 и подогревателя воздуха 16 обогревают теплообменник-рекуператор 14. Охлажденный в теплообменнике-рекуператоре 14 пар РТ поступает в конденсатор 12 где охлаждается и конденсируется, отдавая тепло теплоносителю, поступающему из внешней среды. Несконденсированный пар с выхода теплопотребляющего устройства 15 и подогревателя воздуха 16 по линии отвода несконденсированного пара 20 с установленным на ней регулятором давления «до себя» подается в паровую линию до теплообменника-рекуператора 14. Конденсат рабочего тела из теплопотребляющего устройства 14 и подогревателя воздуха 15 по линии отвода конденсата 21 с установленным на ней регулятором давления «до себя» подается через теплообменник-охладитель 13 на всас питательного насоса 10. Регуляторы давления «до себя» на указанных линиях обеспечивают поддержание заданного по условиям теплоснабжения потребителей уровня давления и температуры конденсации РТ в теплопотребляющем устройстве 15 и подогревателе воздуха 16. Применение теплообменника-охладителя 13 обеспечивает переохлаждение конденсата РТ и, как следствие, поддержание кавитационного запаса питательного насоса 10. Подача пара РТ на турбину 17 может быть перекрыта с сохранением циркуляции РТ через теплопотребляющее устройство 15 и подогреватель воздуха 16.