СПОСОБ РАБОТЫ ПАРОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ, РАБОТАЮЩЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПАРОВОГО ОХЛАЖДЕНИЯ
OPERATING METHOD OF COMBINED-CYCLE PLANT OPERATING WITH STEAM COOLING

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к парогазовым установкам (ЛГУ), работающим на смеси пара и продуктов сгорания топлива.
Известен способ работы газотурбинной установки, заключающийся в сжатии воздуха, сжигании в нем топлива, впрыске водяного пара в камеру сгорания, частичном охлаждении камеры сгорания водяным паром, последующим смешиванием полученных продуктов сгорания с дополнительным сжатым воздухом и дальнейшем расширении в парогазовой турбине (Елисеев Ю.С., Беляев В.Е. и др. ПГУ смешения: проблемы и перспективы. // Газотурбинные технологии, март 2006 г., с. 18-20).
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, конденсацию водяного пара из парогазовой смеси в вакуумном конденсаторе, разрежение в котором создается вакуумным компрессором, отводящим не сконденсировавшиеся газообразные продукты сгорания, а сконденсированную воду нагревают в теплообменниках (см. авторское свидетельство RU №2412359, кл. F01K 21/04, 30.12.2009).
Однако при данном способе работы установки имеется ограничение по срабатываемому теплоперепаду в турбине высокого давления, что снижает экономичность ПГУ в целом. При работе на переменных режимах возможен достаточно заметный перегрев в вакуумном конденсаторе и становится невозможным сконденсировать присутствующий в нем вторичный пар в полном объеме, что требует внешней подпитки водой, а эффективность ПГУ еще больше снижается. При этом вакуумный компрессор вынужден работать на режимах, отличающихся от номинального в относительно узком диапазоне температуры охлаждающей циркуляционной воды.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ работы ПГУ, работающей с использованием парового охлаждения, 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 охлаждающим камеру сгорания водяным паром с получением на выходе из нее 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 не сконденсировавшиеся газообразные продукты сгорания, а сконденсированную воду нагревают в теплообменниках (см. патент RU №2625892, кл. F01K 21/04, 25.02.2016 г.).
Данный способ работы ПГУ обеспечивают экономичную работу ПГУ при применении парового охлаждения, поскольку не требуется увеличивать затраты на работу воздушного компрессора высокого давления, что необходимо при воздушном охлаждении горячих элементов турбины.
Данный способ работы ПГУ содержит возможность использования без парового деаэратора и предусматривает химводоподготовку питательной воды.
Данный способ работы ПГУ не требует внешней подпитки водой на всех режимах работы.
Однако данный способ работы ПГУ при работе на переменных режимах по мощности также не обеспечивает отсутствие перегрева парогазовой смеси на входе в вакуумный конденсатор, а вакуумный компрессор на таких режимах вынужден работать на режимах, отличающихся от номинального режима. При повышении температуры циркуляционной охлаждающей воды, подаваемой в вакуумный конденсатор, отклонение режима работы вакуумного компрессора от номинального режима становится еще более существенным и может привести к невозможности его работы.
Задача изобретения: обеспечение устойчивой работы ПГУ и ее высокой эффективности при различных переменных режимах по мощности и в условиях широкого диапазона изменения температуры охлаждающей воды и воздуха.
Технический результат заключается в том, что:
- давление и состав парогазовой смеси на входе в вакуумный и атмосферный конденсаторы на различных режимах по мощности ПГУ, поддерживается на уровнях близких к значениям, соответствующих номинальному режиму работы;
- вакуумный компрессор на переменных режимах по мощности работает на режиме близком к номинальному режиму;
- обеспечивается устойчивость работы ПГУ на различных режимах работы при одновальном исполнении турбоагрегата и с отдельной силовой турбиной;
- эффективность работы установки поддерживается на уровне, превышающем уровень эффективности любых турбоустановок в широком диапазоне изменения вырабатываемой мощности и температуры циркуляционной охлаждающей воды.
Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что способ работы ПГУ, работающей с использованием парового охлаждения, заключается в том, что воздушным компрессором сжимают воздух с промежуточным охлаждением, далее воздух 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 направляют в парогазовую турбину, состоящую из турбины высокого давления и турбины низкого давления, в которой энергию потока парогазовой смеси преобразуют в механическую энергию вращения ротора турбины, далее водяной пар частично конденсируют в вакуумном конденсаторе, разрежение в котором создают вакуумным компрессором, отводящим не сконденсированные газообразные продукты сгорания, охлаждающий вторичный водяной пар генерируют в горячем и холодном теплообменниках промежуточного охлаждения воздуха, в горячем и холодном теплообменниках охлаждения уходящих газов и горячем и холодном догревающих теплообменниках парогазовой смеси на выходе из турбины высокого давления, а также генерируют пар, предназначенный для системы парового охлаждения турбины высокого давления, нагреваемую воду деаэрируют, при этом установку снабжают теплообменником для генерации водяного пара, предназначенного для подачи в турбину низкого давления, теплообменником для промежуточного нагрева воды, из которой генерируют пар системы парового охлаждения турбины высокого давления и теплофикационным теплообменником, при этом не сконденсировавшиеся продукты сгорания с выхода из вакуумного компрессора подают раздельно в горячий теплообменник охлаждения уходящих газов, в теплообменник для генерации водяного пара, предназначенного для подачи в турбину низкого давления, в теплообменник для промежуточного нагрева воды, из которой далее генерируют пар системы парового охлаждения турбины высокого давления и в теплофикационный теплообменник, на выходе из которых не сконденсировавшиеся продукты сгорания объединяют и направляют в холодный теплообменник охлаждения уходящих газов, также установку снабжают смесителем, который устанавливают перед входом рабочего тела в турбину низкого давления, а в смеситель подают водяной пар с выхода из теплообменника для генерации водяного пара, предназначенного для подачи в турбину низкого давления и с выходов для парогазовой смеси: часть парогазовой смеси с выхода из турбины высокого давления, с выхода из холодного догревающего теплообменника парогазовой смеси и с выхода из теплообменника для генерации водяного пара системы парового охлаждения турбины высокого давления, на вход для воды теплообменника для генерации водяного пара системы парового охлаждения турбины высокого давления подают воду с выхода из теплообменника для промежуточного нагрева воды, из которой генерируют пар системы парового охлаждения турбины высокого давления, а на вход для парогазовой смеси теплообменника для генерации водяного пара системы парового охлаждения турбины высокого давления подают часть парогазовой смеси с выхода из турбины высокого давления, водяной пар с выхода из теплообменника для генерации водяного пара системы парового охлаждения турбины высокого давления подают в систему парового охлаждения турбины высокого давления.
При снижении мощности ПГУ ниже номинального значения путем уменьшения подачи вторичного охлаждающего пара в камеру сгорания содержание водяного пара в рабочей парогазовой смеси снижается. Установленный теплообменник для нагрева воды, предназначенной для подачи генерируемого из нее водяного пара в турбину низкого давления, вырабатывает необходимое количество водяного пара с требуемыми параметрами для последующего впрыска в турбину низкого давления.
Смеситель, который устанавливают перед входом рабочего тела в турбину низкого давления, позволяет на входе в турбину низкого давления получить равномерную по составу парогазовую смесь с требуемыми параметрами. На выходе из турбины высокого давления, при снижении величины паровой составляющей в составе парогазовой смеси температура этой смеси уменьшается по сравнению со значением на номинальном режиме работы. Соответственно снижается температура парогазовой смеси относительно номинального значения на выходах из холодного догревающего теплообменника парогазовой смеси и теплообменника для генерации водяного пара системы парового охлаждения. Часть парогазовой смеси, направляемой в смеситель с выхода из турбины высокого давления вместе с паром, направляемым на впрыск в турбину низкого давления, обеспечивают в смесителе достижение требуемых параметров, состава и расхода рабочего тела перед турбиной низкого давления. В результате содержание водяного пара в составе парогазовой смеси на входе в вакуумный конденсатор остается на уровне близком к номинальному уровню и отсутствует перегрев в вакуумном конденсаторе. Мощность турбины низкого давления остается на уровне, близком к ее мощности на номинальном режиме работы ПГУ и сохраняется общая суммарная эффективность работы турбины низкого давления и вакуумного компрессора на уровне соответствующем номинальному режиму.
Установка теплообменника для промежуточного нагрева воды, из которой далее генерируют пар системы парового охлаждения турбины, позволяет генерировать водяной пар системы парового охлаждения турбины высокого давления с давлением, превышающим давление в камере сгорания, что необходимо для движения данных потоков пара внутри турбины высокого давления.
Теплофикационный теплообменник устанавливают на выходе из вакуумного компрессора параллельно с горячим теплообменником уходящих газов, теплообменником для генерации водяного пара, предназначенного для подачи в турбину низкого давления и теплообменником для промежуточного нагрева воды, из которой далее генерируют пар системы парового охлаждения турбины высокого давления. Это позволяет в случае отключения вакуумного конденсатора и вакуумного компрессора, например, в режимах пуска-останова поддерживать температуру не сконденсировавшихся продуктов сгорания перед атмосферным конденсатором на уровне, который обеспечивает работу атмосферного конденсатора без перегрева на различных режимах работы установки в условиях изменения расходов теплоносителей через данные параллельно установленные теплообменники. Такое отключение может осуществляться путем разделения турбины низкого давления на две последовательно расположенные, соединенные между собой муфтой части: ТНД1, как входную часть турбины низкого давления и ТНД2, как выходную часть турбины низкого давления, что позволяет при необходимости обеспечивать работу ПГУ в режиме газотурбинного двигателя на режимах пуска-останова, или совсем исключать вакуумный конденсатор и вакуумный компрессор из цикла работы ПГУ при работе на различных режимах, например, при превышении температуры циркуляционной охлаждающей воды выше предельно допустимой, когда невозможно обеспечить нормальный процесс конденсации в вакуумном конденсаторе и соответственно требуемую работу вакуумного компрессора, или когда невозможно обеспечить нормальную работу вакуумного конденсатора и/или вакуумного компрессора по иным причинам.
Возможен также вариант работы ПГУ с отключением теплофикационного теплообменника при отключенных вакуумном конденсаторе и вакуумном компрессоре. В таком случае перегрев продуктов сгорания перед атмосферным конденсатором снижается дополнительным расходом охлаждающей циркуляционной воды, подаваемой в атмосферный конденсатор.
Также предлагаемый способ работы позволяет обеспечить стабильность работы турбоустановки в случае разделения ее на турбину-привод компрессоров и отдельную силовую турбину при работе в режиме газотурбинного двигателя при разъединенной муфте. При этом часть ступеней турбины высокого давления вместе с ТНД1 выполняют функцию привода воздушных компрессоров, мощность которых до определенного уровня падения мощности ПГУ остается неизменной. На переменных режимах работы, когда мощность, вырабатываемая данной частью ступеней турбины высокого давления понижается, то для поддержания мощности турбины-привода компрессоров на постоянном уровне осуществляют впрыск водяного пара в ТНД1 с целью компенсации потери мощности в части ступеней турбины высокого давления турбины-привода компрессоров.
ПГУ на фиг. 1 содержит: воздушный компрессор низкого давления 1, воздушный компрессор высокого давления 2, камеру сгорания 3, турбину высокого давления (ТВД) 4, входную часть турбины низкого давления (ТНД1) 5, электрогенератор 6, вакуумный конденсатор 7, вакуумный компрессор 8, горячий теплообменник охлаждения уходящих газов 9, горячий основной теплообменник промежуточного охлаждения воздуха 10, теплообменник для генерации водяного пара, предназначенного для подачи в турбину низкого давления (ТНД) 11, теплообменник горячей парогазовой смеси 12, выходную часть турбины низкого давления (ТНД2) 13, атмосферный конденсатор 14, емкость - накопитель 15, градирню 16, насос 17 для подачи воды, из которой генерируется водяной пар, предназначенный для подачи в ТНД, теплообменник холодной парогазовой смеси 18, теплообменник 19 для промежуточного нагрева воды, из которой генерируют пар системы парового охлаждения турбины высокого давления, теплообменник 20 для генерации водяного пара системы охлаждения турбины высокого давления, смеситель 21, теплообменник 22 для нагрева сетевой воды, без паровую деаэрационную установку 23, устройство для дополнительной очистки воды 24, которое устанавливается при необходимости, холодный теплообменник охлаждения уходящих газов 25, холодный основной теплообменник промежуточного охлаждения воздуха 26, блок химводоподготовки 27, насос 28 для подачи воды, предназначенной для генерации пара системы парового охлаждения турбины высокого давления, питательный насос 29, механическую муфту 30.
На фиг. 1 воздушный компрессор 1 выходом подключен к входу воздуха в теплообменник 10. Теплообменник 10 своим выходом воздуха соединен с входом воздуха теплообменника 26, выход воздуха из которого соединен с входом воздуха в воздушный компрессор высокого давления 2. Воздушный компрессор 2 своим выходом соединен с входом воздуха в камеру сгорания 3, паровой вход камеры сгорания 3 подключен к выходу воды/водяного пара из теплообменника 12 и выходу пара из системы парового охлаждения ТВД 4. Выходом парогазовой смеси камера сгорания 3 подключена к входу в ТВД 4. Выход парогазовой смеси из ТВД 4 соединен с входами для парогазовой смеси в теплообменники 12, 20 и смеситель 21. Выход парогазовой смеси из теплообменника 12 соединен с входом парогазовой смеси теплообменника 18, а выходы парогазовой смеси из теплообменников 18 и 20 соединены с входом в смеситель 21, который подключен также входом водяного пара к выходу водяного пара из теплообменника 11. Вход воды в теплообменник 18 соединен с выходом воды из теплообменника 9. Теплообменник 12 входом для водяного пара соединен с выходом воды/водяного пара из теплообменников 10 и 18. Теплообменник 20 входом воды/водяного пара подключен к выходу воды/водяного пара из теплообменника 19.
Смеситель 21 выходом парогазовой смеси подключен к входу в ТНД1 5, который выходом подключен к входу в ТНД2 13, к входам парогазовой смеси теплообменников 9, 11, 19 и 22 и выходу из вакуумного компрессора 8. ТНД2 13 выходом подключен к входу парогазовой смеси в вакуумный конденсатор 7, а выход не сконденсировавшихся продуктов сгорания из вакуумного конденсатора 7 соединен с входом в вакуумный компрессор 8.
Вход охлаждающей воды в вакуумный конденсатор 7 соединен с выходом из градирни 16, а выход соединен с входом в градирню 16 и через блок химводоочистки 27 - с входами воды в теплообменники 25 и 26. Выходы воды из теплообменников 25 и 26 соединены с входом воды в деаэрационную установку 23, выход воды из которой соединен с входом воды в питательный насос 29, насос 17 и устройство дополнительной очистки воды 24, которое устанавливается при необходимости, выход из которого соединен с входом в насос 28. Выход воды из питательного насоса 29 соединен с входами воды теплообменников 9 и 10. Выход воды из насоса 28 соединен с входом в теплообменник 19, а выход воды из насоса 17 соединен с входом в теплообменник 11. Вход воды в теплообменник 22 предназначен для входа обратной сетевой воды, а выход для подающей сетевой воды.
Выходы для парогазовой смеси из теплообменников 9, 11, 19 и 22 соединены с входом для парогазовой смеси теплообменника 25, выход из которого соединен с входом для парогазовой смеси атмосферного конденсатора 14. Вход для воды в атмосферный конденсатор 14 соединен с выходом воды из градирни 16, а выход воды из атмосферного конденсатора 14 соединен с входом воды в градирню 16 и в блок химводоочистки 27, а также с входом в емкость-накопитель 15. Валы ТНД1 5 и ТНД2 13 соединены механической муфтой, которая может размыкаться.
ПГУ по схеме, показанной на фиг. 1 работает следующим образом.
Атмосферный воздух сжимают с промежуточным охлаждением в теплообменниках 10 и 26 и подают в зону горения камеры сгорания 3, в которую подают топливо и полученную горючую смесь сжигают. Одновременно в зону смешения камеры сгорания 3 подают водяной пар, образующийся после смешения водяного пара с выхода из теплообменника 12 с водяным паром, возвращаемым из системы парового охлаждения ТВД 4. Образовавшуюся парогазовую смесь направляют в ТВД 4, расширяют и далее направляют раздельно: часть через теплообменник 12 в теплообменник 18, часть через теплообменник 20 в смеситель 21 и часть в смеситель 21, в который на переменных режимах работы ПГУ направляют водяной пар из теплообменника 11. Также в ТВД 4 подают из теплообменника 20 водяной пар в систему парового охлаждения ТВД 4.
Далее парогазовую смесь направляют в ТНД1 5, где расширяют и затем при работе с подключенной муфтой 30 и направляют в ТНД2 13 и далее в вакуумный конденсатор 7. Не сконденсировавшиеся газообразные продукты сгорания отводят из вакуумного конденсатора 7 вакуумным компрессором 8, охлаждают в параллельно установленных теплообменниках 9, 11, 19 и 22 и после объединения потоков на выходах подают в теплообменник 25. Затем не сконденсировавшиеся газообразные продукты сгорания подают в атмосферный конденсатор 14, где охлаждают водой с выхода из градирни 16 и далее выпускают в атмосферу.
Часть воды из вакуумного конденсатора 7 подают в теплообменники 25 и 26 через блок химводоподготовки 27, другую часть воды направляют в градирню 16. Воду из атмосферного конденсатора направляют в градирню 16 и емкость-накопитель 15. Из градирни 16 воду подают на вход для воды в вакуумный конденсатор 7, в атмосферный конденсатор 14 и на охлаждение в деаэрационную установку 23. В емкость-накопитель 15 направляют излишки сконденсированной воды, если это предусмотрено режимом работы ПГУ.
Воду с выходов теплообменников 25 и 26 подают для очистки от газов в деаэрационную установку 23, с выхода которой части деаэрированной воды подают раздельно: одну часть насосом 29 в теплообменники 9 и 10, другую часть через устройство для дополнительной очистки воды 24 (если такая очистка требуется) насосом 28 в теплообменник 19 и оставшуюся часть насосом 17 в теплообменник 11. Нагрев воды в теплообменниках 10 и 26 производится воздухом с выхода из воздушного компрессора 1, а охлажденный в них воздух направляют на вход воздушного компрессора 2. Воду с выхода теплообменника 9 подают в теплообменник 18 и далее в теплообменник 12. Воду из теплообменника 19 подают в теплообменник 20. Водяной пар из теплообменника 11 подают в смеситель 21. В сетевой теплообменник 22 подают оборотную воду из системы теплофикации.
На Фиг. 2 показана схема работы ПГУ в режиме работы газотурбинного двигателя с атмосферным выхлопом, а также, если не требуется использовать вакуумный конденсатор и вакуумный компрессор, или невозможно обеспечить нормальную работу вакуумного конденсатора и/или вакуумного компрессора, то есть при отключенной муфте 30. Отличие от схемы работы на Фиг.1 заключается в том, что с выхода ТНД1 парогазовую смесь направляют сразу на входы теплообменников 9, 11, 19 и 22. При работе установки в режиме работы газотурбинного двигателя муфта 30 отключена и из ТНД1 5 парогазовую смесь направляют на вход в теплообменники 9, 11, 19 и 22, минуя ТНД2 13, соответственно ТНД2 13, вакуумный конденсатор 7 и вакуумный компрессор 8 отключены. Воду подают в теплообменники 25 и 26 через блок химводоподготовки 27 с выхода из градирни 16 и с выхода для воды из атмосферного конденсатора 14.
При необходимости на выходе парогазовой смеси из теплообменника 25 организуют дренаж для отвода возможного образующегося конденсата.
Настоящее изобретение может быть использовано в энергетике, судостроении, на газоперекачивающих станциях и в других отраслях промышленности, где используют установки с парогазовым циклом.