ПАРОГАЗОВАЯ УСТАНОВКА
STEAM-GAS PLANT

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в энергетических парогазовых установках (ПТУ) бинарного типа, содержащих газотурбинные установки (ГТУ) с котлами-утилизаторами (КУ) и паровыми турбинами. Наибольший эффект может быть получен от внедрения изобретения в ПТУ малой и средней мощности.
Известна ПГУ /1/, содержащая газотурбинную установку (ГТУ) и котел-утилизатор (КУ) с паровыми контурами двух или более давлений и промежуточным пароперегревателем (ППП), паровой компрессор (ПК), сообщенный на входе по пару с выходом по пару контура низкого давления (н.д.), на выходе по пару - с входом ППП по пару, и приводную паровую турбину (ППП), сообщенную на входе по пару с выходом пароперегревателя высокого давления (ППВД) по пару, на выходе по пару - с входом ППП по пару, и установленную на одном валу с ПК. На выходе по пару ППП в этой ПТУ сообщен с входом ГТУ по пару.
Недостаток данной ПТУ состоит в недостаточно высоком КПД по сравнению с современными ПТУ бинарного типа вследствие относительно большого отвода тепла в окружающую среду при охлаждении и конденсации отработанного пара, что обусловлено, во-первых, сравнительно высоким уровнем температуры и содержания водяного пара в составе уходящих из КУ газов, во-вторых, малым теплоперепадом, срабатываемым в ППТ, т.к. мала мощность ПИТ, равная мощности ПК.
Технический результат заявляемой ПТУ состоит в увеличении теплоперепада, срабатываемого в ППТ, снижении суммарного отвода тепла в окружающую среду при конденсации отработанного пара и охлаждении уходящих из КУ газов до температуры наружного воздуха, что в итоге обеспечивает повышение КПД ПТУ.
Для достижения указанного технического результата заявляемая ПГУ, содержащая ГТУ с камерой сгорания (КС), по крайней мере, один турбогенератор, КУ с паровыми контурами двух или более давлений и ППП, ПК, сообщенный на входе по пару с выходом по пару испарителя контура н.д., на выходе по пару - с входом ППП по пару, и ППТ, сообщенную на входе по пару с выходом ППВД по пару, на выходе по пару - с входом ППП по пару, и установленную на одном валу с ПК, в соответствии с изобретением дополнительно содержит паровую турбину (ПТ) с конденсатором и компрессор рабочего тела ГТУ (КРТ), при этом ротор ПТ кинематически связан с ротором турбогенератора, ротор КРТ установлен на одном валу с роторами ППТ и ПК, ПТ на входе по пару сообщена с выходом ППП по пару, на выходе по пару - с входом конденсатора по пару, КРТ на входе по рабочему телу сообщен с внешним источником рабочего тела ГТУ, на выходе по рабочему телу - с входом КС ГТУ по рабочему телу.
ПК, ППТ и КРТ могут быть размещены в общем герметичном корпусе, с уплотнением вала, отделяющим газовый тракт за КРТ от парового тракта ППТ со стороны входа пара высокого давления (в.д.) в ППТ.
Изобретение поясняется схематическим чертежом, приведенным в качестве примера реализации заявляемой ПГУ.
ПГУ содержит ГТУ 1 с КС 2 и турбогенератором 3, КУ 4 с парогенерирующими контурами двух давлений, в которых контур н.д. содержит экономайзерную 5, испарительную 6 поверхности и барабан-сепаратор н.д. 7, контур в.д. - экономайзерную 8, испарительную 9 поверхности и ППВД 10. КУ 4 также снабжен ППП 11. ПГУ также содержит ПК 12, сообщенный на входе по пару с выходом по пару контура н.д. (в данном примере - барабана-сепаратора н.д. 7), на выходе по пару - с входом ППП 11 по пару, и ППТ 13, сообщенную на входе по пару с выходом ППВД 10 по пару, на выходе по пару - с входом ППП 11 по пару и установленную на одном валу с ПК 12.
Согласно изобретению ПГУ содержит ПТ 14 с конденсатором 15 и конденсатным насосом 16, и КРТ 17, при этом ротор ПТ 14 в данном примере кинематически связан муфтой 18 с ротором турбогенератора 3, ротор КРТ 17 установлен на одном валу 19 с роторами ПК 12 и ППТ 13, ПТ 14 на входе по пару сообщена с выходом ППП 11 по пару, на выходе по отработанному пару - с входом конденсатора 15 по пару. В данном примере КРТ 17 является компрессором газового топлива и на входе по рабочему телу сообщен с подводящим газопроводом, на выходе по рабочему телу - с входом КС 2 ГТУ 1 по газовому топливу.
ПК 12, ППТ 13 и КРТ 17 могут быть установлены в общем герметичном корпусе 20 с уплотнением 21 вала 19, отделяющим газовый тракт за КРТ 17 от парового тракта ППТ 13 со стороны входа пара высокого давления в ППТ 13.
Установка работает следующим образом.
Выхлопные газы ГТУ 1 поступают в КУ 4, где на поверхностях 5-6 и 8-11 теплом выхлопных газов вырабатывается пар двух давлений, а также осуществляется промежуточный перегрев пара за ПК 12 и ППТ 13. Пар в.д. из ППВД 10 поступает на вход ППТ 13, где совершает работу по приводу ПК 12 и КРТ 17. Из КРТ 17 сжатое рабочее тело (в данном примере - газовое топливо) подают на вход ГТУ 1 (в данном примере - на вход КС 2 по газовому топливу). Пар н.д. из барабана н.д. 7 подают на вход по пару ПК 12, где дожимают до давления пара за ППТ 13. Из ПК 12 и ППТ 13 пар подают на вход в ППП 11, где пар нагревается до максимальной температуры. Далее, из ППП 11 пар поступает на вход ПТ 14, где расширяется до давления в конденсаторе 15 с совершением работы привода турбогенератора 3. Конденсат отработанного в ПТ 14 пара подают из конденсатора 15 конденсатным насосом 16 в газовый подогреватель конденсата - экономайзерную поверхность 5 КУ 4.
Включение в состав ПГУ ПТ 14 с конденсатором 15 позволяет снизить конечную температуру и энтальпию пара, при которой осуществляется отвод теплоты в окружающую среду, с соответствующим снижением количества этой теплоты. Включение в состав ПГУ компрессора рабочего тела 17, ротор которого установлен на одном валу 19 с ПК 12 и ППТ 13, позволяет увеличить теплоперепад, срабатываемый в ППТ 13. При этом повышается расход тепла в ППП 11 с соответствующим снижением расхода тепла в паровой контур в.д. и суммарной паропроизводительности КУ 4, вследствие чего отвод тепла в окружающую среду при конденсации отработанного пара дополнительно снижается. Температура уходящих из КУ 4 газов при этом не возрастает, что в итоге обеспечивает повышение КПД ПГУ.
Установка ПК 12, ППТ 13 и КРТ 17 на одном отдельном валу 19 делает возможным размещение роторов ПК, ППТ и КРТ в общем герметичном корпусе 20, без выводов вала 19 за пределы корпуса. В частности, в приведенном примере общий корпус 20 представляет собой герметичную конструкцию с двумя опорами для вала с подшипниками 22, размещенными в области минимальных температур газового топлива и пара н.д. внутри корпуса 20, что в принципе исключает какие-либо протечки пара или газа за пределы корпуса 20.
Исполнение ППТ 13 и КРТ 17 с уплотнением 21 вала 19, отделяющим газовый тракт за КРТ 17 от парового тракта ППТ 13 со стороны входа пара высокого давления в ППТ 13, исключает протечки газа или воздуха в пароводяной тракт ПГУ, поскольку при оптимальном выборе номинальных давлений в паровых контурах КУ 4 и перед ПТ 14 давление газа за КРТ 17 оказывается ниже, чем давление пара в.д. перед ППТ 13, на всех режимах работы ПГУ. Возможны лишь протечки пара в.д. через уплотнение 21 вала 19 между ППТ 13 и КРТ 17, которые в случае их возникновения поступают в КС 2 и таким образом утилизируются в качестве дополнительного рабочего тела ГТУ 1, что дополнительно повышает КПД установки.
Приведенный пример предназначен лишь для иллюстрации изобретения по обоим пунктам формулы и не исчерпывает всего многообразия возможных технических решений по реализации заявляемого изобретения.
В частности, применение КРТ 17 для подачи газового топлива в КС 2 ГТУ 1 оказывается целесообразным только в случае, если давление в подводящем газопроводе является недостаточным, что может иметь место на объектах с малыми и средними ПТУ, снабжаемых газовым топливом из городской газовой сети. В других случаях рабочим телом КРТ 17 является воздух. В ПТУ может быть использован КУ не двух, а трех и более давлений, при этом ППТ 11 на выходе по пару будет также сообщен с выходом пароперегревателя среднего давления по пару. Потребителем мощности ПТ 14 может быть как турбогенератор 3 ГТУ 1, так и другой турбогенератор. В частности, ПГУ может быть многоблочной, на одну ПТ 14 может приходиться не одна, а две и более единиц ГТУ, КУ, ППТ и ПК. Ротор ПТ в этом случае будет кинематически связан с ротором отдельного турбогенератора, и не через муфту, а через редуктор или непосредственно, путем установки роторов ПТ и турбогенератора на один вал и т.п.
Источники информации
1. Парогазовая установка // Свидетельство на полезную модель RU №22197, F02С 6/18, опубл. 10.03.2002.