ГАЗОПАРОВАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
GAS-STEAM POWER PLANT

Изобретение относится к энергетике.
Известен способ преобразования тепловой энергии в механическую и газопаротурбинная установка для его реализации (Патент РФ №2224125). Газопаротурбинная установка содержит компрессор, камеру сгорания с первичной и вторичной зоной, газопаровую турбину, котел-утилизатор, конденсатор, теплообменник, электрогенератор. Роторы компрессора и газопаровой турбины связаны общим валом с ротором электрогенератора. Сжатый воздух разделяют на первичный и вторичный потоки. Первичный поток сжатого воздуха подают в первичную зону камеры сгорания, в ее вторичную зону подают вторичный поток воздуха и перегретый пар из котла-утилизатора. Газопаровую смесь расширяют в газопаровой турбине подают в котел-утилизатор где ее теплоту используют для выработки перегретого пара. Газопаровую смесь вышедшую из котла-утилизатора охлаждают в конденсаторе внешним теплоносителем и конденсируют ее паровую составляющую. Большую часть конденсата направляют в котел-утилизатор для выработки перегретого пара. За счет подачи перегретого пара в камеру сгорания и расширения в газопаровой турбине газопаровой смеси увеличивается мощность газопаровой турбины и снижается выброс в атмосферу оксидов азота.
Недостатками аналога являются затрата значительной доли мощности газопаровой турбины на привод компрессора, а также повышенная металлоемкость поверхностей нагрева и габариты котла-утилизатора.
Известна парогазовая установка с паротурбинным приводом компрессора, содержащая компрессор, камеру сгорания, газовую турбину, паровой котел - утилизатор, конденсационную паровую турбину. Ротор конденсационной паровой турбины соединен валом с ротором компрессора, а ротор газовой турбины соединен валом с ротором электрического генератора. (Зарянкин А.Е., Зарянкин В.А., Сторожук С.К., Арианов С.В. Сравнительный анализ схем ПГУ с газотурбинным и паротурбинным приводами компрессора. Газотурбинные технологии, №3. 2008, стр. 46). Парогазовая установка с паротурбинным приводом компрессора имеет меньшую по сравнению с традиционными парогазовыми установками степень повышения давления воздуха в компрессоре и его мощность.
Наиболее близкой по технической сущности к предполагаемому изобретению является способ комбинированной выработки электроэнергии, тепла и холода в парогазовой установке с инжекцией пара. (Патент РФ №2611921). Устройство для реализации этого способа содержит газовый контур, в котором установлены компрессоры низкого и высокого давления, воздухоохладитель, камера сгорания, газопаровая турбина, паровой котел-утилизатор с теплообменными поверхностями генерации перегретого пара и нагрева сетевой воды теплосети, сепараторы капельной влаги, блок очистки конденсата, многоступенчатый детандер, электрогенератор. Атмосферный воздух сжимают в компрессоре низкого давления, охлаждают в воздухоохладителе за счет испарения воды, сжимают в компрессоре высокого давления, подают в камеру сгорания, в не сжигают топливо и в продукты сгорания впрыскивают перегретый пар. Газопаровую смесь расширяют в газопаровой турбине, ее теплоту используют в котле-утилизаторе для выработки перегретого пара и нагрева сетевой воды теплосети в теплообменнике, что обеспечивает конденсацию большей части паровой составляющей газопаровой смеси, затем смесь расширяют в многоступенчатых детандерах до атмосферного давления, конденсируют ее паровую часть, в сепараторах отделяют капельную влагу, ее впрыскиваю в контактный воздухоохладитель, отделенную в нем воду подают в поверхности нагрева котла-утилизатора для выработки перегретого пара который затем подают в камеру сгорания. Роторы компрессоров, газопаровой турбины и детандеров связаны общим валом с валом электрогенератора вырабатывающего электроэнергию с постоянной частотой 50 Гц. Двухступенчатое сжатие воздуха и впрыск перегретого пара в камеру сгорания позволяет увеличить мощность газопаровой турбины и уменьшить вредные выбросы в атмосферу. Повышенное давление (0,3-0,5 МПа) газопаровой смеси в котле-утилизаторе позволяет значительно уменьшить его металлоемкость. Недостатком этой установки, принятой в качестве прототипа изобретения являются ее недостаточно высокая мощность и экономичность связанная с приводом компрессоров от газопаровой турбины, а также ухудшение экономичности при работе ее с пониженной электрической мощностью.
Техническим результатом изобретения является повышение удельной мощности и тепловой экономичности газопаровой энергетической установки при ее работе как при номинальной, так и при частичных нагрузках.
Технический результат достигается за счет того, что газопаровая энергетическая установка состоящая из компрессора низкого давления, компрессора высокого давления, камеры сгорания, газопаровой турбины, воздухоохладителя, парового котла-утилизатора с пароперегревателем, электрогенератора; котел-утилизатор установлен в выхлопном газоходе газопаровой турбины, ротор газопаровой турбины связан валом с ротором электрогенератора, причем в установке дополнительно применены газопаровая турбина низкого давления, две противодавленческие паровые турбины, устройство контактной конденсации пара и сепарации конденсата, бак сепарированной воды, градирня, химводоочистка, деаэратор, общий паропровод перегретого пара, паропровод перегретого пара с регулирующим вентилем; ротор первой противодавленческой турбины связан общим валом с роторами газопаровой турбины низкого давления, газопаровой турбины высокого давления, компрессора высокого давления, электрогенератора; ротор второй противодавленческой турбины связан валом с ротором компрессора низкого давления; выход пароперегревателя котла-утилизатора связан общим паропроводом перегретого пара с входом первой противодавленческой паровой турбины и паропроводом перегретого пара через регулирующий вентиль с входом второй противодавленческой турбины, выходы которых связаны трубопроводом расширенной газопаровой смеси с камерой сгорания.
Предлагаемое изобретение позволяет:
- за счет привода компрессора низкого давления от второй противодавленческой паровой турбины и регулирования расхода перегретого пара высокого давления на эту турбину с помощью регулирующего вентиля, производить изменение ее оборотов и мощности, а также оборотов и мощности компрессора низкого давления, что дает возможность при работе на пониженных нагрузках производить регулирование электрической мощности газопаровой энергетической установки при поддержании ее высокого электрического КПД;
- повысить ее экономичность установки за счет охлаждения в градирне воздуха, сжатого в компрессоре низкого давления;
- повысить экономичность установки за счет подачи в деаэратор греющего пара из отбора первой паровой турбины;
- упростить конструкцию и уменьшить стоимость установки за счет уменьшения числа электрогенераторов.
На фиг. 1 изображена тепловая схема газопаровой энергетической установки. Тепловая схема содержит:
компрессор низкого давления 1, компрессор высокого давления 2, камеру сгорания 3, газопаровая турбину высокого давления 4, электрогенератор 5, первую противодавленческую паровую турбину 6, газопаровую турбину низкого давления 7, вторую противодавленческую паровую турбину 8, деаэратор 9, химводоочистка 10, воздухоохладитель 11, котел-утилизатор 12, общий паропровод перегретого пара 13, трубопровод газопаровой смеси 14, трубопровод воздуха сжатого в компрессоре низкого давления 15, паропровод среднего давления 16, трубопровод охлажденной газопаровой смеси 17, паропровод перегретого пара 18 с регулирующим вентилем 19, устройство контактной конденсации пара 20, теплообменник 21, устройство сепарации 22, сборный бак конденсата 23, испарительную градирню 24.
Выход компрессора низкого давления 1 через воздухоохладитель 11 соединен воздуховодом сжатого воздуха 15 с компрессором высокого давления 2, выход которого связан с камерой сгорания 3, в которой сжигают топливо, ее выход по продуктам сгорания связан с входом газовой турбиной высокого давления 4, выход которой соединен трубопроводом газопаровой смеси 14 с котлом-утилизатором 12. Его выход соединен трубопроводом охлажденной газопаровой смеси 17 с газопаровой турбиной низкого давления 7, выход которой через теплообменник 21, содержащий устройство контактной конденсации пара 20 и устройство сепарации 22 соединен с атмосферой. Пароперегреватель котла-утилизатора 12 соединен общим паропроводом перегретого пара 13 с входом первой противодавленческой паровой турбины 6, а также связан паропроводом перегретого пара 18 с регулирующим вентилем 19 с входом второй противодавленческой паровой турбины 8. Выходы этих противодавленческих турбин связаны через паропровод среднего давления 16 с камерой сгорания 3. Устройство сепарации 22, установленное в теплообменнике 21 связано по конденсату пара со сборным баком конденсата 23, который связан трубопроводами с входом испарительной градирни 24 и с химводоочисткой 10. Выход испарительной градирни 24 связан по охлажденной воде с устройством контактной конденсации пара 20 и с поверхностью теплообмена воздухоохладителя 11. Химводоочистка 10 связана по конденсату с входом деаэратора 9 связанной по греющему пару с промежуточным отбором первой противодавленческой паровой турбины 6. Выход деаэратора 9 связан по питательной воде через питательный насос с экономайзером котла-утилизатора 12.
Газопаровая энергетическая установка работает следующим образом. Атмосферный воздух сжимают в компрессоре низкого давления 1, охлаждают водой, подаваемой в поверхность теплообмена воздухоохладителя 11 и по трубопроводу воздуха сжатого в компрессоре низкого давления 15 направляют в компрессор высокого давления 2, сжимают их и подают в камеру сгорания 3, где сжигают топливо и вводят пар по паропроводу среднего давления 16. Полученные продукты сгорания и газопаровую смесь расширяют в газопаровой турбину высокого давления 4 и по трубопроводу газопаровой смеси 14 направляют в котел-утилизатор 12. Теплоту газопаровой смеси используют для выработки перегретого пара высокого давления. Перегретый пар из пароперегревателя котла-утилизатора по общему паропроводу перегретого пара 13 направляют в первую противодавленческую паровую турбину 6 и по паропроводу перегретого пара 18 с регулирующим вентилем 19 подают во вторую противодавленческую паровую турбину 8. Полезную работу первой противодавленческой турбины 6, газопаровой турбины высокого давления 4 используют для выработки электроэнергии в электрогенераторе 5. Полезную работу второй противодавленческой турбины 8 используют для привода компрессора низкого давления 1. Из котла-утилизатора 12 газопаровую смесь по трубопроводу охлажденной газопаровой смеси 17 подают в газопаровую турбину низкого давления 7, расширяют и подают в теплообменник 21. В устройство контактной конденсации пара 20 впрыскивают водуохлажденную в градирне 24и конденсирую паровую составляющую газопаровой смеси. В устройстве сепарации 22 отделяют конденсат и направляют его в сборный бак конденсата 23. Большую часть конденсата из этого бака направляют в испарительную градирню 24, где его охлаждают. Охлажденную в нем воду используют для впрыска в устройство контактной конденсации пара 20 и для охлаждения воздуха в теплообменной поверхности воздухоохладителя 11. Меньшую часть конденсата из сборного бака 23 очищают от солей в химводоочистке 10 и деаэрируют в деаэраторе 9. В качестве греющего агента в деаэраторе используют пар из промежуточного отбора первой противодавленческой турбины 6. Деаэрированную воду подают с помощью питательного насоса в экономайзер котла-утилизатора 12 и используют в его поверхностях нагрева для выработки перегретого пара высокого давления. Из теплообменника 21 продукты сгорания сбрасывают в атмосферу.
При работе газопаровой энергетической установки с пониженной выработкой электроэнергии, с помощью регулирующего вентиля 19 уменьшают расход пара на вторую противодавленческую турбину 8, снижают ее число оборотов и мощность, уменьшают расход воздуха и степень сжатия в компрессоре низкого давления 1. В результате этого уменьшают мощность компрессора высокого давления 2, мощность газопаровой турбины высокого давления 4, выработку перегретого пара в котле-утилизаторе 12, мощность газопаровой турбины низкого давления 7 и электрогенератора 5.