УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ВЫХОДНОЙ МОЩНОСТЬЮ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ
DEVICE FOR CONTROL OF OUTPUT POWER OF POWER PLANT

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Изобретение в целом относится к контуру нагревателя питательной воды с возможностью регулирования, используемому в энергоустановке. Более конкретно, изобретение относится к контуру нагревателя питательной воды с возможностью регулирования, обеспечивающему возможность активного регулирования конечной температуры питательной воды для обеспечения оптимальной эффективности энергоустановки при различных условиях эксплуатации.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0002] В энергоустановках значительное воздействие на выходную мощность, температуру отработанного топочного газа и эффективность оказывает регулирование температуры системы питательной воды, т.е. конечной температуры питательной воды (КТПВ), при которой питательная вода поступает в парогенерирующий элемент, например расположенный в установке паровой котел. Указанные паровые котлы конструктивно выполнены так, чтобы обеспечивать сжигание различных видов топлива и/или обеспечивать работу при различных нагрузках, при этом для обеспечения максимальной эффективности ряд эксплуатационных режимов может потребовать конкретной конечной температуры питательной воды (КТПВ).
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0003] В первом аспекте изобретения предлагается конструкция, содержащая турбину, имеющую множество снабженных клапанами отбирающих пар проходов, проточно сообщающихся с отводным паропроводом с целью подачи пара к нагревателю питательной воды.
[0004] Во втором аспекте изобретения предлагается устройство для регулирования выходной мощности энергоустановки, содержащее нагревающую питательную воду с возможностью регулирования систему, содержащую турбину, имеющую множество снабженных клапанами отбирающих пар проходов, проточно сообщающихся с отводным паропроводом с целью подачи пара к нагревателю питательной воды, управляющую систему, обеспечивающую открытие и закрытие каждого клапана из множества снабженных клапанами отбирающих пар проходов в соответствии с требуемой конечной температурой питательной воды, и парогенератор, связанный обводным путем с нагревающей питательную воду с возможностью регулирования системой.
[0005] В третьем аспекте данного изобретения предлагается способ оптимизации конечной температуры питательной воды, включающий обеспечение системы, нагревающей питательную воду с возможностью регулирования, содержащей турбину, имеющую множество снабженных клапанами отбирающих пар проходов, проточно сообщающихся с нагревателем питательной воды; и активное регулирование открытия и закрытия каждого клапана из множества снабженных клапанами отбирающих пар проходов в соответствии с требуемой конечной температурой питательной воды.
[0006] Эти и другие аспекты, преимущества и существенные признаки изобретения будут более понятны из последующего подробного описания совместно с сопроводительными чертежами, изображающими варианты выполнения данного изобретения, на которых одинаковые номера позиций обозначают одинаковые элементы.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0007] Фиг.1 показывает схематический чертеж контура паровой турбины, содержащей один отбирающий конечную питательную воду проход.
[0008] Фиг.2 показывает схематический чертеж контура паровой турбины, содержащей множество отбирающих конечную питательную воду проходов, в соответствии с вариантом выполнения данного изобретения.
[0009] Фиг.3 показывает детальный вид множества отбирающих конечную питательную воду проходов, изображенных на фиг.2.
[0010] Фиг.4 представляет собой схематическое изображение управляющей системы, показанной на фиг.2, в соответствии с вариантами выполнения данного изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0011] Ниже приведено описание по меньшей мере одного варианта выполнения данного изобретения, в соответствии с его использованием при эксплуатации энергоустановки. Несмотря на то что варианты выполнения данного изобретения проиллюстрированы относительно энергоустановки, содержащей паровой котел и паровую турбину, следует понимать, что основные идеи данного изобретения точно так же применимы и к другим типам энергоустановок, включая, но, не ограничиваясь этим, геотермальные или солнечные энергоустановки, установки, работающие на ископаемом топливе, установки, использующие в качестве топлива биомассу, установки с комбинированным циклом, ядерные реакторы и другие типы энергоустановок. Кроме того, приведенное ниже описание по меньшей мере одного варианта выполнения данного изобретения относится к номинальному размеру и содержит ряд номинальных размеров. Однако специалистам в данной области техники следует понимать, что данное изобретение аналогичным образом может применяться для любой подходящей силовой установки. Помимо этого, специалисты в данной области техники должны понимать, что данное изобретение аналогичным образом может применяться для различных систем, имеющих другой масштаб номинального размера и/или номинальных размеров.
[0012] Как было указано выше, аспекты данного изобретения предлагают схему контура нагревателя питательной воды. В соответствии с фиг.1 предлагается общая схема энергоустановки 10. Энергоустановка 10 содержит по меньшей мере один нагреватель 20А питательной воды, но может содержать и большое количество нагревателей 20А, В,…n питательной воды, как показано на фиг.1. В других вариантах выполнения может использоваться больше или меньше трех нагревателей 20А - 20n питательной воды.
[0013] Нагреватели 20А-20n принимают питательную воду, подаваемую насосом 23 питательной воды через впускной трубопровод 25. Отметим, что для достижения и поддержания требуемого максимального рабочего давления по всей указанной системе могут использоваться дополнительные насосы.
[0014] Как показано на фиг.1, к нагревателю 20А через отводной паропровод 40 под высоким давлением и с высокой температурой поступает пар от паровой турбины 50 высокого давления (ВД). Отводной паропровод 40 проточно соединен с паровой турбиной 50 ВД в отбирающем питательную воду проходе 45, расположенном между ступенями паровой турбины 50 ВД. Часть массового потока пара полного контура, используемого для создания энергии ВД в паровой турбине 50 ВД, называемая отбираемой частью пара, подается к нагревателю 20А питательной воды. Отбираемая часть пара должна быть оптимизирована для доведения до максимума тепловой эффективности энергоустановки 10, так как увеличение отбираемой части приводит в результате к снижению выходной мощности.
[0015] Отбираемая часть пара из паровой турбины 50 ВД отводится по меньшей мере к одному из нагревателей 20А - 20n (на фиг.1 к нагревателю 20А), затем пропускается через него для нагревания питательной воды, проходящей через нагреватели 20А - 20n, для обеспечения заданной конечной температуры питательной воды (КТПВ). КТПВ является параметром системы, который может изменяться с видом топлива 15, используемого для парогенератора 30. После нагревания до КТПВ питательная вода подается от нагревателей 20А - С через трубопровод 60 к парогенератору 30, который может использовать любое количество источников тепла.
[0016] Парогенератор 30 в некоторых вариантах выполнения может быть паровым котлом, который сжигает ископаемое топливо, или другое топливо 15 для создания пара. В других вариантах выполнения парогенератор 30 может быть теплообменником, например, в ядерном реакторе, источником геотермальной энергии в геотермальной установке, отработанным теплом, например, в установке с комбинированным циклом, или другим подходящим источником пара. В любом случае парогенератор 30 создает пар, а затем высвобождает высокотемпературный пар через выпускной паропровод 70 и стравливает топочный газ 35.
[0017] Выпускной паропровод 70 подает пар под высоким давлением и с высокой температурой в турбину 50 высокого давления, в которой пар используется для создания энергии в турбине 50, которая приводит во вращение вал 51 для обеспечения вращения ротора в неподвижном статоре генератора 97. После этого выпускной паропровод 80 может подавать пар в подогреватель 84 (в случае цикла с вторичным перегревом пара) или непосредственно в турбину 90 промежуточного давления через паропровод 86 с целью создания на выходе промежуточного давления (ПД). Отбираемая часть пара направляется обратно к нагревателю 20А, как изложено выше, через отводной паропровод 40. Подобным образом, пар, используемый для создания энергии в турбине 90 ПД, подается в турбину 95 низкого давления (НД) с меньшей отбираемой частью пара, которая может быть направлена обратно в контур нагревателя питательной воды через второй отводной паропровод 41. В некоторых вариантах выполнения может использоваться больше одного отбора питательной воды в паровой турбине 90 ПД, как изложено выше в отношении турбины 50 ВД. После прохождения через паровую турбину 95 низкого давления пар конденсируется в конденсаторе 96 и повторно используется в контуре нагревателя питательной воды с проведением через впускной трубопровод 25 питательной воды с помощью водяного насоса 23.
[0018] Как изложено выше, конечная температура питательной воды является параметром регулирования энергоустановки, который можно идеально изменять в соответствии с видом топлива, используемым в соответствии с требованиями парогенератора 30 и нагрузки на энергоустановку. КТПВ оказывает существенное влияние на характеристики парогенератора 30. Регулирование КТПВ в соответствии с используемым источником топлива создает возможность для работы парогенератора 30 и, соответственно, установки 10 с оптимальной эффективностью. Подобным образом, регулирование КТПВ в режиме работы при частичной нагрузке также создает возможность для обеспечения улучшенной эффективности.
[0019] Как показано на фиг.2, предлагается структура, которая способствует оптимизации КТПВ при использовании, например, парогенератора 30, работающего на нескольких видах топлива. Парогенератор 30 может использовать один или несколько видов топлива 15, включая ископаемое топливо, например нефть, уголь или природный газ; кислород, воздух, биомассу, или вместо указанного может использоваться ядерный реактор или источник геотермальной или солнечной энергии, хотя данная структура также может работать с парогенераторами, работающими на одном топливе. Характеристики каждого источника энергии могут обеспечивать конкретную оптимальную КТПВ для каждого вида топлива.
[0020] Для изменения КТПВ паровая турбина 50 может быть снабжена множеством отбирающих пар проходов или отбирающих питательную воду проходов. Фиг.2-3 изображают один возможный вариант выполнения, содержащий первый, второй, третий и четвертый отбирающие питательную воду проходы 46, 47, 48, 49 (обозначенные ссылочными позициями на фиг.3). Однако не предполагается, что этот вариант выполнения является ограничительным, так как могут использоваться другие схемы расположения и другие количества указанных проходов. В других вариантах выполнения возможно использование только двух или не меньше семи отбирающих питательную воду проходов.
[0021] Предусмотрено множество паропроводов 56, 57, 58, 59 (обозначенных ссылочными позициями на фиг.3). Каждый паропровод первым концом присоединен к одному из множества отбирающих пар проходов 46, 47, 48, 49. Множество клапанов 66, 67, 68, 69 расположено так, что каждый из множества паропроводов 56, 57, 58, 59 содержит клапан 66, 67, 68, 69, обеспечивающий открытие и закрытие соответствующего паропровода 56, 57, 58, 59. Каждый из множества паропроводов 56, 57, 58, 59 вторым концом присоединен посредством текучей среды к отводному паропроводу 40 для подачи пара к нагревателю питательной воды, например к нагревателю 20А (фиг.2).
[0022] Открытие и закрытие клапанов 66, 67, 68, 69, в зависимости от требуемой конечной температуры питательной воды, может обеспечивать управляющая система 75. На фиг.4 более детально показана управляющая система 75, с которой клапаны 66, 67, 68, 69 связаны посредством устройства 100 сопряжения.
[0023] Как показано, управляющая система 75 содержит процессор 102, запоминающее устройство 104 и интерфейсы 106 ввода/вывода данных, функционально присоединенные друг к другу. Кроме того, показано, что управляющая система 75 сообщается с дисплеем 108, внешними устройствами/ресурсами 110 ввода/вывода, и блоком памяти 112. Указанные устройства 110 могут быть любым видом пользовательского устройства ввода, таким как мышь, клавиатура, джойстик или другое устройство по выбору. Как правило, процессор 102 выполняет управляющую программу, которая обеспечивает функции управляющей системы 75. Такая управляющая программа может быть выполнена в виде программных модулей, включая топливный модуль 114, модуль 116 нагрузки, модуль 118 окружающих условий и модуль 120 ухудшения параметров системы, среди прочих возможных модулей, и может быть сохранена в запоминающем устройства 104 и/или блоке 112 памяти, и выполнять функции и/или этапы данного изобретения, как изложено в данном документе. Запоминающее устройство 104 и/или блок 112 памяти может содержать любую комбинацию различных типов носителей сохраненных данных, которые постоянно хранятся в одном или более физических местоположениях. Блок 112 памяти может содержать одно или несколько запоминающих устройств, таких как накопитель на гибких магнитных дисках или на оптических дисках. Кроме того, следует понимать, что управляющая система 75 может содержать один или несколько дополнительных компонентов, не показанных на фиг.4. Помимо этого, в некоторых вариантах выполнения одно или несколько внешних устройств 110, дисплей 108 и/или блок 112 памяти могут быть расположены в управляющей системе 75, а не снаружи, как показано на чертеже.
[0024] Как было отмечено, управляющая система 75 может содержать не менее одного топливного модуля 114, обеспечивающего анализ поступающего вида топлива 15, модуля 116 нагрузки, обеспечивающего анализ нагрузки, при которой работает турбина, выражаемой обычно в мегаваттах, модуля 118 окружающих условий для анализа окружающих условий в турбине 50 ВД, возможно, определяемых датчиком или датчиками, расположенными в установке (не показаны), и модуля 120 ухудшения параметров системы, обеспечивающего анализ любого ухудшения параметров системы, которое может сильно влиять на эффективность, эксплуатационные характеристики и/или другие аспекты работы на протяжении срока службы различных компонентов. Кроме того, предполагается наличие других модулей, предназначенных для анализа других параметров системы, которые также могут использоваться.
[0025] По отдельности или вместе модули 114, 116, 118 и 120 могут содержать алгоритм для преобразования данных условий эксплуатации, включая топливо, нагрузку окружающие условия (например, температуру) и степень ухудшения параметров для конкретного отбирающего пар прохода 46, 47, 48, 49. В одном варианте выполнения указанная логическая часть может быть выполнена в каждом из модулей 114, 116, 118, 120. В другом варианте выполнения эта логическая часть может находиться в запоминающем устройстве 104 управляющей системы 75, получающей данные от различных источников данных, например от датчиков, расположенных в установке 10, от оператора, осуществляющего ввод данных, и т.д. Конкретный отбирающий пар проход 46, 47, 48, 49, для которого выполняется преобразование данных, является проходом, который обеспечивает оптимальную КТПВ, когда открыт соответствующий клапан 66, 67, 68, 69. После определения условия, при котором клапан 66, 67, 68, 69 должен быть открыт для обеспечения оптимальной КТПВ, через устройство 100 сопряжения поступает сигнал, вызывающий открытие (или закрытие) соответствующего клапана 66, 67, 68, 69. После определения и выполнения открытия и/или закрытия соответствующего клапана 66, 67, 68, 69 данные могут быть внесены в архив, в сводку данных и сохранены в запоминающем устройстве 104 и/или блоке 112 памяти. В различных вариантах выполнения модули 114, 116, 118, 120 могут быть частью автономной управляющей системы 75 или могут быть объединены с любой другой возможно используемой управляющей системой установки.
[0026] Со ссылкой на фиг.З, в некоторых вариантах выполнения клапаны 66, 67, 68, 69 могут быть открыты в разное время, т.е. единовременно один клапан. Каждый паропровод 56, 57, 58, 59 может иметь отличающиеся конструктивные параметры, такие как пропускная способность или маршрутизация, создающие возможность для прохождения через него различного объема пара. Таким образом, нагреватель 20А питательной воды нагревается до оптимальных рабочих условий за счет соответствующей подачи к нему отбираемого давления пара.
[0027] Как показано на фиг.2, пар проходит из отводного паропровода 40, нагревателя (нагревателей) 20А - 20n, и из трубопровода 60 к парогенератору 30. Как было отмечено выше, в различных вариантах выполнения парогенератор 30 может быть одним из группы, содержащей паровой котел, работающий на нескольких видах топлива, паровой котел, использующий в качестве топлива биомассу, паровой котел на ископаемом топливе, паровой котел, использующий для горения кислород, паровой котел, использующий для горения воздух, ядерный реактор или источник геотермальной или солнечной энергии. В зависимости от источника энергии или вида 15 топлива, а также рабочей нагрузки на установку, для парогенератора 30 может потребоваться различная конечная температура питательной воды для достижения максимальной эффективности парогенератора 30 и, соответственно, энергоустановки 10. Требуемую температуру можно получить за счет изменения местоположения отбора пара, проводимого к нагревателю (нагревателям) 20А - 20n.
[0028] В дополнение к воздействию на эффективность парогенератора 30 конечная температура питательной воды также воздействует на температуру топочного газа 35, выпускаемого из энергоустановки 10. Регулирование температуры топочного газа 35 является важным фактором из-за наличия в нем химических веществ, образующихся в процессе сгорания, в частности серы. Топочный газ 35 должен иметь достаточно высокую температуру для предотвращения конденсации серной кислоты в газопроводах топочного газа, чтобы избежать коррозионного разрушения. Однако излишне высокая температура топочного газа 35 приводит в результате к рассеиванию энергии в атмосферу, которая в противном случае могла быть использована для создания большего количества пара. Соблюдение баланса целей, которые заключаются в предотвращении коррозии, с одной стороны, и в доведении до максимума эффективности, с другой стороны, требует выполнения точного баланса, на который влияют посредством использования различных видов топлива 15 и регулированием при режимах частичной нагрузки, которые нарушают этот баланс. Эти факторы включены в факторы, которые учитываются в управляющей системе 75.
[0029] Как изложено выше, пар также возвращают в турбину 50 ВД так, что парогенератор 30 обводным путем связан с регулирующей питательную воду системой, т.е. указанный пар проходит через данный контур.
[0030] В дополнение к использованию многообразия источников топлива 15, как подробно было рассмотрено выше, использование множества отбирающих пар проходов 46, 47, 48, 49, как изложено выше, создает возможность для оптимизации КТПВ в соответствии с загрузкой турбины с целью доведения до максимума эффективности для заданного режима нагрузки. Оптимизированная конечная температура питательной воды может быть определена по существу в соответствии со следующей функциональной зависимостью
насыщ
КТПВ=Т (Р),
насыщ
где КТПВ - конечная температура питательной воды, Т - температура насыщения пара под давлением в отбирающем пар проходе и
Р - давление в отбирающем пар проходе, подаваемое в нагреватель 20А питательной воды.
Например, если нагрузка составляет приблизительно 50% от полной нагрузки (т.е. от максимальной производительности), то давление падает на 50%, по сравнению с давлением при режимах полной нагрузки, при этом также понижается КТПВ. Однако клапаны 66, 67, 68, 69 могут быть отрегулированы в соответствии с вышеприведенной функциональной зависимостью для достижения максимальной эффективности и регулирования топочного газа при этих режимах работы.
[0031] В варианте выполнения, показанном на фиг.2, только нагреватель 20А, т.е. верхний нагреватель в указанном устройстве, изображен как принимающий регулируемую подводимую энергию через отводной паропровод 40. Однако в других вариантах выполнения, не показанных исключительно для простоты объяснения, нагреватели 20В - 20n также подобным образом могут принимать регулируемую подводимую энергию.
[0032] Кроме того, предложен способ для оптимизации конечной температуры питательной воды. Предложена система, нагревающая питательную воду с возможностью регулирования, которая содержит турбину 50 высокого давления, содержащую множество отбирающих пар проходов 46, 47, 48, 49, причем множество паропроводов 56, 57, 58, 59 соединяют каждый из указанных проходов 46, 47, 48, 49 с отводным паропроводом 40. Каждый из множества паропроводов 56, 57, 58, 59 содержит клапан 66, 67, 68, 69, обеспечивающий закрытие и открытие соответствующего паропровода 56, 57, 58, 59 для прохождения пара. Отводной паропровод 40 соединяет посредством текучей среды множество паропроводов 56, 57, 58, 59 с нагревателем 20А - С. В соответствии с требуемой конечной температуры питательной воды управляющая система 75 обеспечивает активное регулирование открытия и закрытия клапанов 66, 67, 68, 69. Как изложено выше, управляющая система 75 создает возможность для обеспечения соответствующего давления отбираемого пара, проводимого к нагревателям 20А,…n, для достижения максимальной эффективности и/или регулирования температуры топочного газа 35.
[0033] Применительно к данному документу термины «первый», «второй», и им подобные не указывают на какой-либо порядок, количество или важность, а используются для отличия одного элемента от другого, при этом употребление единственного числа в данном документе не указывает на ограничение количества, а указывает на наличие по меньшей мере одной детали, на которую делается ссылка. Уточняющее определение «приблизительно», используемое в сочетании с количественным показателем, определяет заданную величину включительно и имеет значение, обусловленное контекстом (например, учитывает степень погрешности, связанную с измерением конкретного количественного показателя). Употребление множественного числа, применительно к данному документу, указывает как на единственное, так и на множественное число определяемого термина, и, соответственно, включает не менее одного термина (например, слово металл (металлы) включает один или более металлов). Приведенные в данном документе диапазоны значений являются включительными, а также используются с возможностью независимого сочетания (например, формулировка диапазоны «приблизительно вплоть до 25 мм, или, более конкретно, приблизительно 5-20 мм», обозначает включение граничных точек и всех промежуточных значений диапазонов от «приблизительно 5-20 мм» и т.д.)
[0034] Несмотря на то что в данном документе приведено описание различных вариантов выполнения, из данного описания следует понимать, что специалистами в данной области техники могут быть внесены различные сочетания элементов, изменения и улучшения в данное изобретение, которые подпадают под объем правовой охраны данного изобретения. Кроме того, возможно выполнение различных модификаций, приспосабливающих конкретную ситуацию или материал к идеям и принципам данного изобретения без отклонения от сущности данного изобретения. Таким образом, подразумевается, что данное изобретение не ограничивается конкретным вариантом выполнения, приведенным в качестве предпочтительного варианта выполнения данного изобретения, а распространяется на все варианты - выполнения, подпадающие под объем правовой охраны, определенный в прилагаемой формуле изобретения.