Способ работы воздушно-аккумулирующей газотурбинной электростанции
METHOD OF OPERATION OF THE COMPRESSED-AIR POWER STATION

Изобретение относится к устройствам для выработки электроэнергии при покрытии переменной нагрузки электропотребления на основе технологии воздушного аккумулирования энергии и может быть использовано в теплоэнергетике.
Известны различные схемы воздушно-аккумулирующих газотурбинных электростанций (ВАГТЭ), реализующие возможность использования вырабатываемой ночью электроэнергии для покрытия пиков нагрузки. Компрессорная группа ВАГТЭ приводится во вращение электрическим двигателем, потребляющим недорогую электроэнергию. Воздух закачивается в воздушный аккумулятор, где его энергия сохраняется. В часы пика нагрузки воздух забирается из воздушного аккумулятора, подогревается за счет сжигания топлива и расширяется в турбине, вращающей электрический генератор. Как известно, уходящие газы газовой турбины имеют значительный энергетический потенциал, который в известных схемах ВАГТЭ используется не полностью.
Известен способ работы ВАГТЭ [Ольховский Г.Г. и др. Воздушно-аккумулирующие газотурбинные электростанции (ВАГТЭ). М.: РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2011, рис. 3.1], содержащей компрессорную группу в составе компрессоров высокого и низкого давлений, закачивающих воздух с давлением 6-7 МПа в подземный аккумулятор воздуха. В период разрядки воздух подается к газовой турбине с давлением 4,2 МПа, которое поддерживается постоянным при изменяющемся давлении в аккумуляторе. Уходящие газы после газовой турбины выбрасываются в атмосферу.
Недостатком известного способа является достаточно высокая температура уходящих газов, выбрасываемых в атмосферу, что приводит к снижению экономичности установки.
Известен способ работы ВАГТЭ [Ольховский Г.Г. и др. Воздушно-аккумулирующие газотурбинные электростанции (ВАГТЭ). М.: РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2011, с. 131, рис. 3.9], который представляет собой схему с подземным аккумулятором постоянного давления, которое поддерживается с помощью столба жидкости, соединяющего подземную емкость с расположенным на поверхности водоемом. При расходовании воздуха вода заполняет аккумулятор, при зарядке - вытесняется в пруд. В период спада электрической нагрузки в компрессорах низкого, среднего и высокого давлений сжимают воздух, забираемый из окружающей среды, охлаждают в промежуточных охладителях воздуха циркуляционной водой из градирни. После компрессора высокого давления сжатый воздух также охлаждают в концевом охладителе циркуляционной водой из градирни до 60°С и направляют в воздушный аккумулятор. В период подъема электрической нагрузки сжатый воздух направляют к регенератору газовой турбины. Подогретый в регенераторе сжатый воздух направляют в камеру сгорания высокого давления, смешивают с топливом и увеличенный объем продуктов сгорания подают в проточную часть газовой турбины высокого давления (ТВД). Из ТВД продукты сгорания направляют в камеру сгорания низкого давления, опять смешивают с топливом и подают в проточную часть газовой турбины низкого давления (ТНД). Недостатком данного способа является достаточно большое количество теплоты уходящих газов выбрасываемых в атмосферу, которое можно было бы утилизировать с целью дальнейшего повышения экономичности установки.
Известны способы работы ВАГТЭ [Ольховский Г.Г. и др. Воздушно-аккумулирующие газотурбинные электростанции (ВАГТЭ). М.: РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2011, рис. 3.17, 3.18, 4.1, 4.5, 7.1], также содержащие регенератор, в котором подогревается воздух, поступающий из воздушного аккумулятора уходящими газами газовой турбины. Подогретый в регенераторе воздух подается в камеру сгорания газовой турбины, тем самым позволяя экономить сжигаемое топливо. Недостатком данных способов является достаточно большое количество теплоты уходящих газов выбрасываемых в атмосферу, которое можно было бы утилизировать с целью дальнейшего повышения экономичности установки.
Известны способы работы ВАГТЭ [Ольховский Г.Г. и др. Воздушно-аккумулирующие газотурбинные электростанции (ВАГТЭ). М.: РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2011, рис. 2.12, 2.13, 2.14, 5.1а, 5.1б], содержащие турборасширительную воздушную турбину. Сжатый воздух из воздушного аккумулятора в режиме генерации подогревается в регенераторе отработавшими газами газовой турбины, расширяется в воздушной турборасширительной турбине с выработкой дополнительной электрической энергии и далее используется в схеме газотурбинной установки (ГТУ). Уходящие газы после ГТУ выбрасываются в атмосферу.
Недостатком данных способов является пониженная температура охлажденного в турборасширителе воздуха, используемого затем в камере сгорания ГТУ, что приводит к снижению экономичности производства пиковой энергии на базе аккумулированного воздуха.
Одним из методов повышения экономичности производства электроэнергии на базе избыточной теплоты продуктов сгорания газотурбинной установки является впрыск водяного пара в камеру сгорания газовой турбины.
Известен способ работы газотурбинной установки с впрыском водяного пара [патент на изобретение №2527010, МПК F02C 3/30. Газотурбинная установка с впрыском водяного пара / Иванов А.А.]. Газотурбинная установка с впрыском водяного пара в контур ГТУ содержит компрессор для сжатия воздуха, топливный насос, средства для подачи топлива, камеру сгорания, куда поступает сжатый компрессором воздух и подаваемое топливо и где происходит их смешение, воспламенение и сгорание, газовую турбину, электрогенератор для выработки электроэнергии, механические средства для передачи механической энергии от турбины на работу компрессора и вращение электрогенератора, котел-утилизатор, предназначенный для нагрева подаваемой воды и получения пара за счет теплоты продуктов сгорания, систему впрыска пара в камеру сгорания, дополнительную систему подачи вещества для ускорения сгорания топлива и продуктов его высокотемпературных превращений (активатора горения) и систему смешения активатора горения с водяным паром, впрыскиваемым в камеру сгорания. Изобретение позволяет ускорить процесс горения, увеличить полноту сгорания метана, повысить КПД ГТУ, снизить вредные выбросы оксидов азота и угарного газа, увеличить удельную мощность ГТУ, снизить удельный расход топлива в ГТУ.
Однако данный способ предназначен только для газотурбинных установок, в которых циклы сжатия в компрессоре, сжигания в камере сгорания и расширения в газовой турбине не разделены во времени, и не предназначен для воздушно-аккумулирующих газотурбинных электростанций, в которых циклы сжатия в компрессоре протекают в период суточного спада электрической нагрузки, а циклы сжигания в камере сгорания и расширения в газовой турбине - в период суточного подъема электрической энергии, т.е. циклы сжатия, сжигания и выработки разделены во времени. Кроме того, не рассмотрена возможность выработки электроэнергии паротурбинной установкой, достигаемой пропуском в паровую турбину пара, произведенного котлом-утилизатором после утилизации избыточного тепла уходящих газов газовой турбины.
Другим способом повышения экономичности производства электроэнергии на базе избыточной теплоты продуктов сгорания газотурбинной установки является комбинирование газовых и паровых циклов.
Известны комбинированные парогазовые схемы, в которых уходящие газы ГТУ направляются в котел-утилизатор, где значительная часть теплоты передается пароводяному рабочему телу и генерируется пар, который поступает в паровую турбину [Андрющенко А.И., Лапшов В.Н. Парогазовые установки электростанций. М-Л.: Энергия, 1965, рис. 1.9, 1.10, 7.11 б], [Арсеньев Л.В. и др. Комбинированные установки с газовыми турбинами. Л.: Машиностроение, 1982, рис. 11.1 а, б, в], [Цанев С.В. и др. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций. М.: МЭИ, 2002, рис. 8.1]. Парогазовые установки с котлом-утилизатором отличаются простотой и высокой эффективностью производства электрической энергии.
Недостатком известных способов является то, что отсутствует возможность аккумулирования сжатого компрессором воздуха в часы провала электрической нагрузки с целью дальнейшего его использования в газовой турбине в период пика электрической нагрузки.
Известен способ работы газотурбинной электростанции [DE 3331153, кл. F02C 3/14, 14.03.1985, фиг. 3], относящейся к установкам бинарного типа, в котором уходящие газы после газовой турбины 24 поступают в котлы-утилизаторы 34 и 38, выполненные в виде единого интегрированного блока. Пар, выработанный котлом-утилизатором 34, подают для расширения и совершения работы в паровую турбину 110, а пар, выработанный котлом утилизатором 38, разделяется на два потока. Одна часть этого потока направляется в паровую турбину 110. Конденсат из конденсатора 84 конденсатным насосом 88 перекачивается в котлы-утилизаторы 34 и 38. Другая часть пара, выработанная котлом-утилизатором 38, подается для впрыска в камеру сгорания 10 перед газовой турбины 24, тем самым увеличивают расход продуктов сгорания через проточную часть газовой турбины уходящими газами.
Недостатком известного способа является то, что отсутствует возможность аккумулирования сжатого компрессором воздуха в часы провала электрической нагрузки с целью дальнейшего его использования в газовой турбине в период пика электрической нагрузки.
Наиболее близким техническим решением (аналогом) является способ работы воздушно-аккумулирующей газотурбинной установки [патент на изобретение №2529615, МПК F01K 25/06. Способ аккумулирования энергии / Столяревский А.Я.]. В энергоустановку подают из хранилища сжатый воздух, а также газообразное топливо, продукты сжигания которого используют в периоды увеличения нагрузки электросети для газотурбинного привода мотор-генератора, который в периоды провала нагрузки электросети используют для сжатия воздуха и нагнетания его в хранилище сжатого воздуха, по меньшей мере часть сжатого воздуха, отбираемого из хранилища сжатого воздуха, используют для проведения паровоздушной конверсии природного газа в адиабатическом реакторе конверсии, продукты которой подают в периоды увеличения нагрузки электросети на сжигание в потоке сжатого воздуха с получением продуктов сгорания, подаваемых на расширение в газотурбинный привод мотор-генератора, а затем на охлаждение в водяном парогенераторе, из которого вырабатываемый водяной пар подают на смешение со сжатым воздухом перед паровоздушной конверсией природного газа. Способ позволяет за счет утилизации тепловой энергии продуктов сгорания в парогенераторе и применения сжатого воздуха, запасаемого в хранилище за счет провальной электроэнергии, получить водородосодержащую парогазовую смесь с повышенным содержанием водорода, сжигание которой повышает мощность газовой турбины в пиковом режиме и снижает выбросы вредных веществ.
Недостатком аналога является то, что он применим только для воздушно-аккумулирующих установок, имеющих в своем составе адиабатический реактор конверсии для проведения паровоздушной конверсии природного газа. Кроме того, не рассмотрена возможность выработки электроэнергии паротурбинной установкой, достигаемой пропуском в паровую турбину пара, произведенного парогенератором после утилизации избыточного тепла уходящих газов газовой турбины с целью повышения экономичности работы воздушно-аккумулирующих установки.
Технической проблемой является недостаточная эффективность воздушно-аккумулирующей газотурбинной электростанции, а именно избыточная теплота уходящих газов газовой турбины не используется для выработки дополнительной электрической мощности и повышения экономичности работы воздушно-аккумулирующей газотурбинной электростанции.
Техническая проблема решается тем, что в способе работы воздушно-аккумулирующей газотурбинной электростанции, позволяющем в период суточного подъема электрической нагрузки максимально полно использовать теплоту уходящих газов газовой турбины для генерации пара в дополнительно установленном котле-утилизаторе, часть пара, произведенного дополнительно установленным котлом-утилизатором, направить в дополнительно установленную паровую турбину, другую часть пара - в камеру сгорания газовой турбины, уходящие газы от дополнительно установленного котла-утилизатора направить в регенератор для подогрева воздуха после воздушного аккумулятора, тем самым выработать дополнительную электрическую мощность и повысить экономичность работы воздушно-аккумулирующей газотурбинной электростанции.
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в способе работы воздушно-аккумулирующей газотурбинной электростанции в период суточного спада электрической нагрузки сжатый компрессором воздух подают в воздушный аккумулятор, в период суточного подъема электрической нагрузки воздух смешивают в камере сгорания с топливом и направляют для расширения и совершения работы в газовую турбину, уходящие газы после газовой турбины направляют в дополнительно установленный котел-утилизатор, одну часть выработанного котлом-утилизатором пара подают для расширения и совершения работы в дополнительно установленную паровую турбину, другую часть пара направляют в камеру сгорания газовой турбины.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении электрической мощности воздушно-аккумулирующей газотурбинной электростанции за счет повышения электрической мощности паровой турбины, в составе дополнительно установленного утилизационного контура, использующего избыточное тепло уходящих газов газовой турбины, а также за счет повышения мощности газовой турбины, осуществляемого путем впрыска части пара, произведенного котлом-утилизатором в составе дополнительно установленного утилизационного контура, использующего избыточное тепло уходящих газов газовой турбины, что в целом повышает экономичность производства пиковой электроэнергии воздушно-аккумулирующей газотурбинной электростанции при неизменном расходе аккумулированного воздуха.
Технический результат заявляемого изобретения достигается за счет способа работы воздушно-аккумулирующей газотурбинной электростанции, заключающегося в повышении электрической мощности воздушно-аккумулирующей газотурбинной электростанции посредством выработки электроэнергии паротурбинной установкой, в составе дополнительно установленного утилизационного контура, достигаемой пропуском в паровую турбину части пара, произведенного котлом-утилизатором после утилизации избыточного тепла уходящих газов газовой турбины, а также посредством увеличения электрической мощности газовой турбины, достигаемой возрастанием количества продуктов сгорания через проточную часть газовой турбины после впрыска части пара, произведенного котлом-утилизатором после утилизации избыточного тепла уходящих газов газовой турбины. В результате заявляемого способа увеличивается электрическая мощность, экономичность и удельная выработка энергии на единицу расхода аккумулированного воздуха воздушно-аккумулирующей газотурбинной электростанции.
Предлагаемое изобретение поясняется с помощью чертежа, на котором представлена схема воздушно-аккумулирующей газотурбинной электростанции, реализующая заявляемый способ.
Позициями на чертеже обозначены:
1 - компрессор;
2 - охладитель воздуха;
3 - электрический двигатель;
4, 6 - трубопроводы сжатого воздуха;
5 - воздушный аккумулятор;
7 - регенератор;
8 - камера сгорания;
9 - газовая турбина;
10 - электрический генератор газовой турбины;
11 - газоход уходящих газов газовой турбины;
12 - котел-утилизатор;
13 - паропровод;
14 - паровая турбина;
15 - паропровод впрыска пара;
16 - электрический генератор паровой турбины;
17 - конденсатор;
18 - конденсатный насос;
19 - газоход уходящих газов котла-утилизатора;
20 - дополнительно установленный утилизационный контур.
Установка для реализации предлагаемого способа включает: компрессор 1, связанный через трубопровод сжатого воздуха 4, предварительно охлажденного в охладителе воздуха 2, с воздушным аккумулятором 5; электрический двигатель 3, приводящий в движение компрессор 1; регенератор 7, связанный с камерой сгорания 8 через трубопровод сжатого воздуха 6 с воздушным аккумулятором 5, через газоход уходящих газов котла-утилизатора 19 с котлом-утилизатором 12, входящим в состав дополнительно установленного утилизационного контура 20; газовую турбину 9, соединенную посредством газохода уходящих газов газовой турбины 11 с котлом-утилизатором 12; электрический генератор газовой турбины 10, приводимый в движение газовой турбиной 10; паропровод впрыска пара 15, впрыскиваемого в камеру сгорания 8, соединенный с котлом-утилизатором 12; паропровод 13 от котла-утилизатора 12 к паровой турбине 14, входящей в состав дополнительно установленного утилизационного контура 20; электрический генератор паровой турбины 16, приводимый в движение паровой турбиной 14; конденсатор 17, который связан выхлопным патрубком с паровой турбиной 14; конденсатный насос 18 для перекачки конденсата в котел-утилизатор 12.
Предлагаемый способ работы воздушно-аккумулирующей газотурбинной электростанции осуществляют следующим образом.
В период спада электрической нагрузки компрессор 1 приводят в движение электрическим двигателем 3, потребляя электроэнергию из сети.
Сжатый компрессором 1 воздух подают по трубопроводу сжатого воздуха 4 в воздушный аккумулятор 5, предварительно охладив в охладителе воздуха 5.
В период подъема электрической нагрузки сжатый воздух из воздушного аккумулятора 5 направляют по трубопроводу сжатого воздуха 6, подогревают в регенераторе 7 и направляют в камеру сгорания 8 газовой турбины 9. В камере сгорания 8 подогретый сжатый воздух смешивают с топливом и впрыскиваемым паром, образующиеся продукты сгорания подают в газовую турбину 9 для расширения и совершения работы. Газовая турбина 9 приводит в движение электрический генератор газовой турбины 10, вырабатывающий электроэнергию.
Продукты сгорания после газовой турбины 9 по газоходу уходящих газов газовой турбины 11 направляют в котел утилизатор 12, входящий в состав дополнительно установленного утилизационного контура 20, где за счет использования теплоты продуктов сгорания топлива вырабатывают в нем поток пара. Одну часть этого потока пара направляют по паропроводу 13 в паровую турбину 14, входящую в состав дополнительно установленного утилизационного контура 20, которая приводит в движение электрический генератор паровой турбины 16, вырабатывающий электроэнергию. Другую часть потока пара по паропроводу впрыска пара 15 - в камеру сгорания 8 для увеличения количества продуктов сгорания и повышения электрической мощности газовой турбины 9. Отработанный пар паровой турбины 14 по выхлопному патрубку направляют в конденсатор 17. Конденсат из конденсатора 17 с помощью конденсатного насоса 18 перекачивают в котел-утилизатор 12. Уходящие газы котла-утилизатора 12 по газоходу уходящих газов котла-утилизатора 19 направляют в регенератор 7 для подогрева сжатого воздуха, поступающего из воздушного аккумулятора 5 в камеру сгорания 8 газовой турбины 9 для выработки электрической энергии в период подъема электрической нагрузки.
В качестве примера рассмотрим способ работы воздушно-аккумулирующей газотурбинной электростанции для следующих условий.
В состав ВАГТЭ входит воздушный аккумулятор постоянного давления, в который подается воздух с давлением 6,6 МПа. Расход воздуха из воздушного аккумулятора равен 150 кг/с, давление воздуха перед камерой сгорания составляет 5,5 МПа; температура продуктов сгорания перед газовой турбиной принята 900°С. Время работы ВАГТЭ в режиме зарядки составляет 4 ч/сут, в режиме разрядки - 6 ч/сут.
В таблице представлены расчеты схем ВАГТЭ с использованием уходящих газов газовой турбины для подогрева воздуха в регенераторе и с использованием уходящих газов газовой турбины в дополнительно установленном утилизационном контуре.
Как видно, использование в схеме ВАГТЭ теплоты уходящих газов газовой турбины в дополнительно установленном утилизационном контуре в составе котла-утилизатора и паровой турбины, а также впрыска пара в камеру сгорания газовой турбины, приводит к увеличению электрической мощности на 20,5%; электрического КПД - на 12,2%; удельной выработки энергии на единицу расхода аккумулированного воздуха - на 14,3%.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет осуществлять:
- повышение экономичности производства пиковой электроэнергии при неизменном расходе аккумулированного воздуха;
- повышение электрической мощности воздушно-аккумулирующей газотурбинной электростанции за счет электрической мощности паровой турбины в составе дополнительно установленного утилизационного контура, использующего избыточное тепло уходящих газов газовой турбины;
- повышение электрической мощности воздушно-аккумулирующей газотурбинной электростанции за счет повышения электрической мощности газовой турбины, осуществляемого путем впрыска части пара, произведенного котлом-утилизатором в составе дополнительно установленного утилизационного контура, использующего избыточное тепло уходящих газов газовой турбины;
- подогрев уходящими газами котла-утилизатора в составе дополнительно установленного утилизационного контура сжатого воздуха после воздушного аккумулятора, направляемого в период подъема электрической нагрузки для совершения работы в газовой турбине.