ПАРОГАЗОВАЯ НАДСТРОЙКА К ГАЗОТУРБИННОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Полезная модель относится к тепло- и электроэнергетике и может быть использована для реконструкции существующих газотурбинных электростанций с целью повышения их коэффициента полезного действия, электрической мощности и выработки тепловой энергии.
Известно устройство когенерационной установки, предназначенной для одновременного получения электроэнергии и тепла, включающей в себя двигатель внутреннего сгорания с электрогенератором на одном валу, линии подачи топлива, контур охлаждения двигателя, отопительный контур (система теплоснабжения с потребителями тепла), систему теплообменников, обеспечивающую передачу тепла охлаждающей жидкости двигателя и высокотемпературных отработанных газов в отопительный контур, и щит управления ("Строительное обозрение" //Журнал качества//, СПб., N 5 (32), май-июнь 1999, стр.16-17). Однако данное устройство обладает недостаточной эффективностью при достаточно повышенном расходе топлива.
В связи с этим появляются проекты создания небольших энергетических установок типа ТЭЦ, которые позволили бы гарантировано обеспечить электрической энергией небольшие районы, подключение которых к централизованной системе энергораспределения нецелесообразно экономически.
Добыча нефти всегда сопровождается попутным нефтяным газом (ПНГ). В настоящее время большая часть ПНГ сжигается нефтяными компаниями в факелах. Такое положение вызвано тем, что затраты по транспортировке газа до газосборных сетей и его технологической подготовке для передачи в газотранспортную сеть превышают ту цену, которую нефтяные компании могут получить от продажи этого газа на входе в централизованную газотранспортную сеть, т.е. сбор ПНГ является убыточным для нефтяных компаний. В то же время сжигание ПНГ в факелах наносит значительный экологический ущерб окружающей среде, в связи с чем государство постоянно поднимает штрафные санкции для нефтяных компаний, сжигающих ПНГ в факелах.
Идея по утилизации попутного нефтяного газа (ПНГ) через строительство энергогенерирующих установок уже повсеместно работает в России. При этом одним из основных направлений является строительство газотурбинных электростанций (ГТЭС) на базе адаптированных авиационных двигателей, либо специально разработанных газовых турбин, которые приводят в движение электрические генераторы. КПД ГТЭС составляет до 27-29%. Выхлопные газы на выходе из газовых турбин имеют температуру от 350 до 500С° и более, а также имеют в своем составе не полностью сгоревшее топливо и кислород. Так как ПНГ для нефтяных компаний является попутным продуктом и не «стоит» денег, они не усложняют ГТЭС дополнительными технологическими надстройками, позволяющими повысить их КПД.
Также известны электрические станции, использующие парогазовый цикл, или когенерацию при выработке электрической и, при необходимости, тепловой энергии - парогазовые электростанции (ПГЭС). В ПГЭС высокотемпературные выхлопные газы газовых турбин используются для производства пара в котлах-утилизаторах, а пар, в свою очередь, приводит в движение паровые турбины, которые соединены с генераторами. Использование такой схемы позволяет повысить КПД ПГЭС до 50%.
Газовые турбины имеют небольшой межремонтный срок, что приводит к достаточно частому их выводу в ремонт и на регламентное обслуживание. ПГЭС стандартной схемы при этом теряют мощность по выработке электроэнергии как по газогенерации от вывода газовой турбины, так и по парогенерации от снижения количества тепла, поступающего в котел-утилизатор от выхлопа турбин. Кроме этого на период вывода газовой турбины опять возникает необходимость сжигания в факеле избыточного ПНГ.
Например, известна парогазовая электрическая станция, характеризующаяся тем, что включает в себя два энергетических модуля, каждый из которых содержит сообщенную с каналом подвода попутного нефтяного газа газовую турбину, механически связанную с электрическим генератором, котел-утилизатор с отдельной газовой горелкой, сообщенный с каналом подвода попутного нефтяного газа и с отдельным каналом подвода выхлопных газов и несгоревшего в газовой турбине топлива, а также паровую турбину, которая механически связана с электрическим генератором и одновременно сообщена с выходами котлов-утилизаторов обоих энергетических модулей, при этом энергетические модули сообщены с общим каналом подвода попутного нефтяного газа, а каналы подвода пара в паровые турбины сообщены между собой через регулируемый вентиль (RU №87503, F25B 29/00, опубл. 10.10.2009). Решение принято в качестве прототипа для заявленных объектов.
Недостатком данной энергетической установки заключается в том, что она представляет собой стационарно смонтированную станцию, являющуюся неотъемлемой частью энергетического комплекса, параметры которого закладываются на стадии подготовки технического проекта. В то же время в реалиях работают такие энергетические станции, которые не оборудованы котлами-утилизаторами, попутный нефтяной газ поступает на газовую турбину и утилизируется. Утилизация тепла отходящих газов газовых турбин и дожиг содержащегося в них несгоревшего ПНГ в котле-утилизаторе позволяет повысить КПД по выработке электроэнергии, а также дополнительно получить тепловую энергию.
Настоящая полезная модель направлена на достижение технического результата, заключающегося в улучшении эксплуатационных характеристик и повышении эффективности в части утилизации попутного нефтяного газа и дожига неотработанного в газовых турбинах газового топлива.
Указанный технический результат для первого варианта исполнения достигается тем, что парогазовая надстройка к газотурбинной электростанции, содержит по крайней мере два энергетических модуля, каждый из которых включает в себя котел-утилизатор по крайней мере, с одной отдельной газовой отдельной газовой горелкой, выполненный с возможностью сообщения с каналом подвода попутного нефтяного газа и с выпускным каналом газовой турбины газотурбинной электростанции, и паровую турбину, которая механически связана с электрическим генератором и одновременно сообщена с выходами котлов-утилизаторов обеих энергетических модулей, при этом каналы подвода газа в паровые турбины сообщены между собой через регулируемый вентиль.
Указанный технический результат для второго варианта исполнения достигается тем, что парогазовая надстройка к газотурбинной электростанции содержит по крайней мере два энергетических модуля, каждый из которых включает в себя котел-утилизатор, по крайней мере, с одной отдельной газовой отдельной газовой горелкой, выполненный с возможностью сообщения с каналом подвода попутного нефтяного газа и с отдельным каналом подвода топлива, несгоревшего в газовой турбине газотурбинной электростанции, и паровую турбину, которая механически связана с электрическим генератором и одновременно сообщена с выходами котлов-утилизаторов обеих энергетических модулей, при этом каналы подвода газа в паровые турбины сообщены между собой и с полостью дымовой трубы. Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг.1 - блок-схема парогазовой надстройки по первому варианту исполнения;
фиг.2 - блок-схема парогазовой надстройки по второму варианту исполнения.
Согласно настоящей полезной модели рассматривается конструкция парогазовой надстройки, которую можно использовать в качестве дополнения к уже существующими и работающим газотурбинным электростанциям, что позволит обеспечить 100% утилизацию ПНГ при всех режимах ПГЭС, а также минимизировать потери в выработке электрической и тепловой энергии при выводе газовых турбин на ремонты и регламентные обслуживания. Суть полезной модели состоит в том, что к уже существующей газотурбинной электростанции предлагается поставить парогазовую надстройку, забрав выхлоп турбин в активный котел-утилизатор с горелками, и подведя к котлу-утилизатору газ для дожига несгоревшего топлива и работы котла в автономном режиме при выводе газовых турбин в ремонты и обслуживание. Предлагаемая схема ПГЭС содержит в своем составе активные котлы-утилизаторы, которые используют не только тепло, поступающее от выхлопа газовых турбин, но также имеют собственные газовые горелки. В нормальном режиме при параллельной работе газовой турбины + котла-утилизатора + паровой турбины, в котел-утилизатор дополнительно подается топливо на горелки, что позволяет дожечь несгоревшее в газовой турбине топливо и поднять температуру пара, что увеличивает паропроизводительность котла-утилизатора и позволяет установить более мощную паровую турбину. При выводе газовой турбины в ремонт или на регламент, образовавшиеся излишки топлива (ПНГ) подаются на горелки котла-утилизатора, что обеспечивает параметры пара котла как при нормальном режиме работы. Таким образом, для ПГЭС, выполненной по указанной схеме, потери в выработке электроэнергии снижаются только на мощность выведенной из работы газовой турбины, а выработка электроэнергии паровой турбиной и выработка тепловой энергии сохраняются в полном объеме. Также отсутствует необходимость сжигания в факеле избыточного ПНГ, который при предложенной схеме ПГЭС утилизируется в полном объеме на всех режимах работы станции, в том числе при выводе на обслуживание газовых турбин.
Парогазовая надстройка (фиг.1) к газотурбинной электростанции по первому примеру исполнения содержит по крайней мере два энергетических модуля, каждый из которых включает в себя котел-утилизатор, по крайней мере, с одной отдельной газовой горелкой, выполненный с возможностью сообщения с каналом подвода попутного нефтяного газа и с выпускным каналом газовой турбины газотурбинной электростанции, и паровую турбину, которая механически связана с электрическим генератором и одновременно сообщена с выходами котлов-утилизаторов обеих энергетических модулей, при этом каналы подвода газа в паровые турбины сообщены между собой через регулируемый вентиль.
Парогазовая надстройка (фиг 2) к газотурбинной электростанции по второму примеру исполнения содержит по крайней мере два энергетических модуля, каждый из которых включает в себя котел-утилизатор, по крайней мере, с одной отдельной газовой горелкой, выполненный с возможностью сообщения с каналом подвода попутного нефтяного газа и с отдельным каналом подвода топлива, несгоревшего в газовой турбине газотурбинной электростанции, и паровую турбину, которая механически связана с электрическим генератором и одновременно сообщена с выходами котлов-утилизаторов обеих энергетических модулей, при этом каналы подвода газа в паровые турбины сообщены между собой и с полостью дымовой трубы.
Парогазовая электрическая станция в комплексе с парогазовой надстройкой (фиг.1) содержит сообщенную с каналом 1 подвода попутного нефтяного газа газовую турбину 2, механически связанную с электрическим генератором 3, котел-утилизатор 4 по крайней мере, с одной отдельной газовой газовой горелкой, сообщенный с каналом 1 подвода попутного нефтяного газа и с отдельным каналом 5 подвода несгоревшего в газовой турбине топлива в дымовую трубу и с паровой турбиной 6, которая механически связана с электрическим генератором 7, а газовая турбина выполнена с возможностью отключения от канала подвода попутного нефтяного газа. Такая конструкция может представлять собой отдельный энергетический модуль 8. Дымовая труба обозначена поз.9. Парогазовая электрическая станция может быть составлена из двух энергетических модулей 8 и 10, каждый из которых содержит сообщенную с каналом подвода попутного нефтяного газа газовую турбину, механически связанную с электрическим генератором, котел-утилизатор с отдельной газовой горелкой, сообщенный с каналом подвода попутного нефтяного газа и с отдельным каналом подвода несгоревшего в газовой турбине топлива. Для таких модулей можно использовать одну паровую турбину 6, которая механически связана с электрическим генератором 7 и одновременно сообщена с выходами 11 котлов-утилизаторов 4 обеих энергетических модулей, при этом энергетические модули сообщены с общим каналом 1 подвода попутного нефтяного газа, а каналы подвода газа в паровые турбины сообщены между собой через регулируемый вентиль 12.
В этой парогазовой электрической станции применяется парогазовая надстройка (фиг.1) (первый вариант исполнения), которая в качестве отдельного блока содержит по крайней мере два энергетических модуля, каждый из которых включает в себя котел-утилизатор с отдельной газовой горелкой, выполненный с возможностью сообщения с каналом подвода попутного нефтяного газа и дополнительно выполнен с возможностью сообщения с полостью дымовой трубы для утилизации несгоревшего в газовой турбине газоткрбинной электростанции газового топлива, и паровую турбину, которая механически связана с электрическим генератором и одновременно сообщена с выходами котлов-утилизаторов обеих энергетических модулей, при этом каналы подвода газа в паровые турбины сообщены между собой через регулируемый вентиль.
В парогазовой электрической станции может применяться парогазовая надстройка (фиг.2) (второй вариант исполнения), которая содержит по крайней мере два энергетических модуля, каждый из которых включает в себя котел-утилизатор по крайней мере, с одной отдельной газовой отдельной газовой горелкой, выполненный с возможностью сообщения с каналом подвода попутного нефтяного газа и с отдельным каналом подвода топлива, несгоревшего в газовой турбине назотурбинной электростанции, и паровую турбину, которая механически связана с электрическим генератором и одновременно сообщена с выходами котлов-утилизаторов обеих энергетических модулей, при этом каналы подвода газа в паровые турбины сообщены между собой и с полостью дымовой трубы.
Настоящая полезная модель промышленно применима, может быть реализована с использованием технологий, используемых при изготовлении газотурбинных установок и систем формирования горячих газовых потоков.