СПОСОБ РАБОТЫ ПАРОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ, РАБОТАЮЩЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПАРОВОГО ОХЛАЖДЕНИЯ
METHOD OF OPERATION OF STEAM GAS PLANT OPERATING WITH USE OF STEAM COOLING

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 воды, так как не вся вода удаляется из парогазовой смеси из-за недоохлаждения парогазовой смеси. Данный способ работы не предусматривает использование парового охлаждения горячих элементов турбины, что в отличие от воздушного охлаждения позволило бы обеспечить более высокую эффективность работы турбины при высоких температурах рабочего тела на входе в турбину.
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 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 №2561770, кл. F01K 21/04, 25.12.2013 г.).
Данный способ работы ПГУ обеспечивает отсутствие перегрева парогазовой смеси на входе в вакуумный конденсатор и обеспечивает одновременно высокий уровень экономичности ПГУ, поскольку позволяет осуществлять работу ПГУ с существенно более высоким давлением в камере сгорания при заданной начальной температуре рабочего тела перед турбиной, по сравнению эксплуатируемыми в настоящее время классическими бинарными ПГУ. С увеличением давления в камере сгорания повышается экономичность ПГУ, работающей по данному способу.
Современные высокотемпературные ПГУ требуют комбинированного охлаждения горячих частей парогазовой турбины, сочетающего замкнутый и открытый контуры. Данный способ работы ПГУ обеспечивают экономичную работу ПГУ при применении закрытого контура парового охлаждения, поскольку тепло, отбираемое от рабочего тела охлаждающим паром замкнутого охлаждения, используют для догрева вторичного охлаждающего пара до расчетного значения энтальпии. Также обеспечивается минимальное снижение экономичности работы ПГУ, вызванное применением открытого парового охлаждения в комбинации с закрытым, поскольку не требуется увеличивать затраты на работу воздушного компрессора высокого давления и дополнительно увеличивается расчетный рабочий теплоперепад ТВД.
Указанный способ работы ПГУ обеспечивает работу ПГУ в режиме комбинированной выработки тепловой и электрической энергии, нагревая воду, подаваемую на теплофикационные нужды теплом воздуха с выхода из топливоподогревателя, при этом снижается температура воздуха перед воздушным компрессором высокого давления и, следовательно, уменьшаются затраты на работу этого компрессора.
Способ работы ПГУ по патенту RU №2561770 не содержит возможности использования парового деаэратора, а применение беспарового деаэратора в этом способе требует внесения конструктивных изменений в схему работы ПГУ.
При открытом охлаждении охлаждающий газ из охлаждаемых элементов турбины (например, лопаток) выходит в проточную часть через щели и отверстия малого диаметра. Эти каналы в процессе работы турбины могут уменьшаться в сечении из-за отложения в них присутствующих в охлаждающем газе посторонних примесей, что приводит к нарушению расчетного режима охлаждения. По этой причине установлены повышенные требования к максимально допустимой концентрации примесей в охлаждающем газе, используемом для открытого охлаждения горячих элементов турбины.
В описании способа работы ПГУ, работающей с использованием парового охлаждения, по патенту RU №2561770 рабочим телом является парогазовая смесь, и соответственно на выходе из вакуумного конденсатора в конденсате содержится значительное количество коррозионно-активных газов, что предусматривает блоки химводоподготовки. Также названный способ работы предусматривает только паровое охлаждение горячих элементов турбины. Требования к чистоте пара, поступающего в камеру сгорания и в турбину непосредственно из камеры сгорания, а также осуществляющего замкнутое охлаждение горячих элементов турбины ниже, чем требования, предъявляемые к чистоте пара, используемого для открытого охлаждения горячих элементов турбины. Это обусловлено отсутствием проходных сечений малой площади, характерных для систем открытого охлаждения.
Соответственно нет необходимости в том, чтобы вся очищенная вода соответствовала по чистоте очистки воде, предназначенной для генерации пара, используемого для открытого охлаждения горячих элементов турбины, что приводило бы к неоправданным дополнительным затратам на оборудование для очистки и на расходные материалы и продукты. Необходимо производить стандартную химводоподготовку воды, направляемой в пароводяной тракт ПГУ, а затем осуществлять дополнительную очистку только части воды, предназначенной для генерации пара, используемого для открытого охлаждения горячих элементов турбины.
Задача изобретения: обеспечение защиты поверхностей пароводяного тракта ПГУ, работающей с использованием парового охлаждения, от коррозионного воздействия, обусловленного присутствием в питательной воде коррозионно-активных газов, и обеспечение требуемой максимально-допустимой концентрации примесей в охлаждающем газе, используемом для открытого охлаждения горячих элементов турбины, что обеспечит работу ПГУ в штатном режиме с нормативным ресурсом работы.
Технический результат заключается в том, что:
- питательную воду подают в тракт ПГУ, очищенной от коррозионно-активных газов;
- содержание примесей в паре, используемом для открытого охлаждения горячих элементов турбины, не превышает максимально допустимого значения.
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 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 теплообменнике охлаждения уходящих газов и двух последовательно установленных догревающих теплообменниках горячей и холодной парогазовой смеси для охлаждения парогазовой смеси на выходе из турбины высокого давления, а также осуществляют генерацию пара для охлаждения горячих элементов турбины и при необходимости производят нагрев воды для теплофикационных нужд, при этом установку снабжают беспаровой деаэрационной установкой, теплообменником начального нагрева воды-охладителя, предназначенной для генерации пара, используемого для открытого охлаждения горячих элементов турбины, и устройством для дополнительной очистки воды, предназначенной для генерации пара, используемого для открытого охлаждения горячих элементов турбины, основной теплообменник промежуточного охлаждения воздуха выполняют в виде двух последовательно установленных теплообменников: горячего и холодного основного теплообменника промежуточного охлаждения воздуха, теплообменник охлаждения уходящих газов также выполняют в виде двух последовательно установленных теплообменников: горячего и холодного теплообменника охлаждения уходящих газов, а с выходов воды из установленных холодных теплообменников и теплообменника начального нагрева воды-охладителя воду направляют на вход беспаровой деаэрационной установки, с выхода которой деаэрированную воду подают раздельно на входы: горячего основного теплообменника промежуточного охлаждения воздуха, горячего теплообменника охлаждения уходящих газов, а также в устройство для дополнительной очистки воды, предназначенной для генерации пара, используемого для открытого охлаждения горячих элементов турбины.
Выполнение основного теплообменника промежуточного охлаждения воздуха и теплообменника охлаждения уходящих газов каждого в виде двух последовательно установленных теплообменников позволяет встроить в схему ПГУ, работающей с использованием парового охлаждения, беспаровой деаэратор с возможностью его работы в штатном режиме. Это позволяет подавать питательную воду в тракт ПГУ очищенной от коррозионно-активных газов, и снизить интенсивность коррозионного разрушения поверхностей пароводяного тракта ПГУ в процессе эксплуатации, обеспечить нормативный ресурс работы установки.
Снабжение ПГУ, работающей с использованием парового охлаждения, устройством дополнительной очистки воды, предназначенной для генерации пара, используемого для открытого охлаждения горячих элементов турбины, позволяет обеспечить содержание примесей в паре, используемом для открытого охлаждения горячих элементов турбины, на уровне, не превышающим максимально допустимого значения. Это позволяет обеспечить работу ПГУ в штатном режиме с нормативным ресурсом работы.
На чертеже представлен вариант выполнения принципиальной тепловой схемы ПГУ, работающей с использованием парового охлаждения, с двухцилиндровой парогазовой турбиной. На чертеже не показано типовое оборудование, присутствующее в парогазовых схемах, например, система очистки топлива, различные насосы и т.п.
ПГУ на чертеже 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, горячий теплообменник охлаждения уходящих газов 9, горячий 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, теплообменник 19 для догрева вторичного охлаждающего пара до расчетной энтальпии теплом от водяного пара, возвращаемого из тракта замкнутого охлаждения ТВД, водовоздушный теплообменник 20 для предварительного нагрева деаэрированной воды-охладителя, теплообменник 21 для последующей генерации пара-охладителя, предназначенного для открытого парового охлаждения горячих элементов турбины, теплообменник 22 для нагрева сетевой воды, беспаровую деаэрационную установку 23, устройство для дополнительной очистки воды 24, холодный теплообменник охлаждения уходящих газов 25, холодный основной теплообменник промежуточного охлаждения воздуха 26, блок химводоподготовки 27, насос для подачи воды, предназначенной для генерации пара, используемого для открытого охлаждения горячих элементов турбины 28, питательный насос 29, водовоздушный теплообменник 30 для начального нагрева воды-охладителя перед деаэратором.
На чертеже воздушный компрессор 1 входом подключен к выходу из воздухоподогревателя 13, а выходом подключен к входам воздуха в теплообменники 10, 11 и 20. Теплообменник 10 своим выходом воздуха соединен с входом воздуха теплообменника 26, выход воздуха из которого соединен с выходом воздуха из топливоподогревателя 17, с выходом воздуха из водовоздушного теплообменника 20, с выходом воздуха из теплообменника 22 и входом воздуха в теплообменник 30. Выход воздуха из теплообменника 30 соединен с входом воздуха воздушного компрессора 2. Теплообменник 11 своим выходом воздуха соединен с входом воздуха в топливоподогреватель 17, выход воздуха из которого соединен с входом воздуха в теплообменник 22. Вход воды в теплообменник 22 предназначен для входа обратной сетевой воды, а выход - для подающей сетевой воды потребителю.
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 19, вход воды/водяного пара в который соединен с выходом воды/водяного из теплообменника 12. Теплообменник 19 входом для водяного пара, возвращаемого из контура замкнутого парового охлаждения ТВД 4 через теплообменник 21, соединен с выходом этого пара из теплообменника 21. 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. Выход из теплообменника 21 водяного пара, направляемого на открытое охлаждение горячих элементов турбины, соединен с входом в отдельные горячие элементы ТВД 4, имеющие выход для пара в проточную часть ТВД 4, а вход в теплообменник 21 для воды/водяного пара, предназначенного для открытого охлаждения горячих элементов ТВД 4, соединен с выходом воды/водяного пара из теплообменника 20, вход воды в который соединен с выходом из насоса 28 для подачи воды, предназначенной для генерации пара, используемого для открытого охлаждения горячих элементов турбины. Вход воды в насос 28 соединен с выходом из устройства дополнительной очистки воды 24, а вход воды в устройство дополнительной очистки воды 24 соединен с выходом воды из беспаровой деаэрационной установки 23, выход воды из которой соединен также с входом воды в питательный насос 29. Выход воды из питательного насоса 29 соединен с входами воды теплообменников 9 и 10.
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 через блок химводоочистки 27 - с входами воды в теплообменники 25, 26 и 30. Выходы воды из теплообменников 25, 26 и 30 соединены с входом воды в деаэрационную установку 23. 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 охлажденных несконденсировавшихся газообразных продуктов сгорания теплообменника 25, выход из которого 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.
ПГУ по схеме (см. чертеж) работает следующим образом.
Атмосферный воздух предварительно нагревают в воздухоподогревателе 13, затем сжимают с промежуточным охлаждением в теплообменниках 10, 26, 17, 22, 11 и 30 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 19. 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 последовательно в теплообменниках 9 и 25, а затем подают в атмосферный конденсатор 14, где охлаждают водой с выхода из градирни 16 и далее выпускают в атмосферу.
Часть воды из вакуумного конденсатора 7 через блок химводоподготовки 27 или напрямую подают в теплообменники 25, 26 и 30, 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.
Воду с выходов теплообменников 25, 26 и 30 подают в деаэратор, с выхода которого части деаэрированной воды насосом 29 раздельно подают в теплообменники 9 и 10, а в случае применения открытого охлаждения горячих элементов турбины часть воды с выхода деаэратора 23 подают в устройство для дополнительной очистки воды 24, затем насосом 28 подают в теплообменники 20 и 21, где ее последовательно нагревают и испаряют, а далее 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. Водяной пар, возвращаемый из контура замкнутого охлаждения ТВД 4, подают в теплообменник 19. 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 26 и 20 и далее в теплообменник 30.
Настоящее изобретение может быть использовано в энергетике, судостроении, на газоперекачивающих станциях и в других отраслях промышленности, где используют установки с парогазовым циклом.