СПОСОБ ЗАПУСКА ВОДОРОДНОЙ ПАРОТУРБИННОЙ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
METHOD FOR START-UP OF HYDROGEN STEAM TURBINE POWER PLANT AND DEVICE FOR ITS REALISATION (VERSIONS)

Изобретение относится к области энергетики, а именно к парогазовым энергоустановкам.
В настоящее время важной проблемой в создании и эксплуатации энергетических установок является обеспечение надежного запуска с малым временем выхода на режим (не более 30 с) при сохранении высокой надежности и долговечности.
Известна парогазовая установка (см. патент РФ №2142565, МПК F01K 23/10, по заявке №96108097 от 18.04.1996 г.), включающая газотурбинную установку с электрогенератором и источником пара, и способ ее запуска, основанный на поэтапной подаче топлива и воды в энергоустановку.
Известна паровая энергетическая установка, содержащую паровую машину, выходной вал, который связан с электрической машиной, систему управления (см. патент РФ №2144984, МПК F01C 1/16, по заявке №97122296/06 от 30.12.1997 г.), и способ ее запуска, основанный на поэтапной подаче топлива и воды в энергоустановку.
Известна энергетическая установка, содержащая паровую машину, кинематически связанную с электрогенератором, причем паровая машина выполнена в виде высокотемпературного парогазогенератора, например кислородно-водородного, на выходе которого установлен турбонасосный агрегат, выходной вал которого кинематически связан с электрогенератором и/или водяным насосом (см. патент РФ №2393358, МПК F01K 16/02, по заявке №2009102132 от 26.10.2010 - прототип), и способ запуска водородной паротурбинной энергоустановки, основанный на продувке полостей и магистралей нейтральным газом, поэтапной подаче компонентов топлива и воды в энергоустановку.
Недостатками известных устройств являются либо длительный запуск (до 12 часов), выполняемый с целью постепенного выхода конструкции на стационарный температурный режим для снижения термических напряжений и повышения долговечности, либо быстрый (до 30 с) запуск с повышенными термическими напряжениями и снижением долговечности.
Целью предлагаемого изобретения является повышение долговечности за счет снижения термических напряжений в конструкции при запуске с малым временем выхода на режим.
Указанная цель достигается тем, что при известном способе запуска водородной паротурбинной энергоустановки, основанном на продувке полостей и магистралей нейтральным газом, поэтапной подаче компонентов топлива и воды в энергоустановку, согласно первому варианту изобретения запуск осуществляют при сниженном расходе компонентов топлива, не более 80% от номинального, в процессе запуска регулируют расход пара через турбину, изменяя мощность на выходном валу, а при выходе на номинальный режим подают дополнительные компоненты топлива и воды.
Кроме того, подача дополнительных компонентов топлива и воды, в отличие от первого варианта, может быть выполнена регулируемое.
Способ по I варианту осуществляется в устройстве, включающем парогенератор, запальник, турбопривод, систему продувки нейтральным газом и системы подачи компонентов топлива и воды, в котором согласно изобретению по линии подачи компонентов топлива и воды установлены дополнительные дросселирующие устройства, между парогенератором и турбоприводом установлен регулируемый дроссель перепуска пара, а непосредственно на входе турбопривода установлен клапан аварийного сброса пара.
Кроме того, для реализации II варианта способа в устройстве вместо дополнительных дросселирующих устройств могут быть установлены дополнительные регулируемые дроссельные устройства.
Указанная совокупность признаков проявляет новые свойства, заключающиеся в том, что появляется возможность снизить термические напряжения за счет запуска через предварительный режим с пониженной температурой в парогенераторе, что снижает теплоперепады на элементах турбопривода и таким образом приводит к росту долговечности конструкции. Кроме того, использование указанного способа запуска позволяет за счет поэтапного (ступенчатого) нагрева конструкции снизить время запуска.
Принципиальная схема энергоустановки показана на рисунках фиг.1 (вариант I) и фиг.2 (вариант II) - где:
1 - парогенератор;
2 - запальное устройство;
3 - смесительная головка;
4 - камера сгорания с рубашкой охлаждения;
5 - смеситель;
6 - блок зажигания;
7 - турбопривод;
8 - колесо или колеса турбины;
9 - нагрузочное устройство;
10 - клапан подачи расхода газообразного водорода в запальное устройство;
11 - клапан подачи предварительного расхода газообразного водорода в камеру сгорания парогенератора;
12 - клапан подачи дополнительного расхода газообразного водорода в камеру сгорания парогенератора;
13 - дросселирующее устройство расхода газообразного водорода в камеру сгорания парогенератора номинального режима;
14 - клапан подачи расхода газообразного кислорода в запальное устройство;
15 - клапан подачи предварительного расхода газообразного кислорода в камеру сгорания парогенератора;
16 - клапан подачи дополнительного расхода газообразного кислорода в камеру сгорания парогенератора;
17 - дросселирующее устройство расхода газообразного кислорода в камеру сгорания парогенератора номинального режима;
18 - клапан подачи воды предварительного расхода в смесительную головку;
19 - клапан подачи воды предварительного расхода в камеру сгорания с рубашкой охлаждения;
20 - клапан подачи воды предварительного расхода в смеситель;
21 - дросселирующее устройство расхода воды в смесительную головку номинального режима;
22 - клапан подачи дополнительного расхода воды в смесительную головку;
23 - дросселирующее устройство расхода воды в камеру сгорания с рубашкой охлаждения номинального режима;
24 - клапан подачи дополнительного расхода воды в камеру сгорания с рубашкой охлаждения;
25 - дросселирующее устройство расхода воды в смеситель номинального режима;
26 - клапан подачи воды предварительного расхода в смеситель;
27 - регулируемый дроссель расхода газообразного водорода в камеру сгорания парогенератора номинального режима;
28 - регулируемый дроссель расхода газообразного кислорода в камеру сгорания парогенератора номинального режима;
29 - регулятор расхода воды в камеру сгорания с рубашкой охлаждения номинального режима;
30 - регулятор расхода воды в смеситель номинального режима;
31 - емкость с маслом;
32 - клапан подачи масла;
33 - клапан подачи нейтрального газа в полость подшипников ротора турбопривода;
34, 35, 36, 37, 38, 39, 40 - клапаны подачи нейтрального газа на продувку полостей энергоустановки;
41 - дроссель подачи пара мимо турбопривода;
42 - клапан аварийного сброса пара.
Энергоустановка включает в себя высокотемпературный кислородно-водородный парогенератор 1, состоящий из запального устройства 2, смесительной головки 3, камеры сгорания с рубашкой охлаждения 4, смесителя 5 и блока зажигания 6. На выходе парогенератора 1 установлен турбопривод 7, включающий колеса турбины 8, и кинематически связанное с ним нагрузочное устройство 9.
К парогенератору 1 подсоединены магистрали подачи на запальное устройство, в камеру сгорания предварительного и дополнительного расхода газообразного водорода, включающие в себя соответственно клапаны 10, 11 и 12, дросселирующее устройство режима предварительной ступени и дросселирующее устройство номинального режима 13. Также к парогенератору 1 подсоединены магистрали подачи на запальное устройство, в камеру сгорания предварительного и дополнительного расхода газообразного кислорода, включающие в себя соответственно клапаны 14, 15 и 16, дросселирующее устройство режима предварительной ступени и дросселирующее устройство номинального режима 17. Для охлаждения парогенератора 1 и организации процесса парообразования к нему подсоединены магистрали подачи предварительного расхода воды в смесительную головку 3 с дросселирующим устройством и клапаном 18, камеру сгорания с рубашкой охлаждения 4 с дросселирующим устройством и клапаном 19, смеситель 5 с дросселирующим устройством и клапаном 20. Также для выхода на номинальный режим к парогенератору 1 подсоединены магистрали подачи дополнительного расхода воды в: смесительную головку 3 с дросселирующим устройством 21 и клапаном 22, камеру сгорания с рубашкой охлаждения 4 с дросселирующим устройством 23 и клапаном 24, смеситель 5 с дросселирующим устройством 25 и клапаном 26.
Дросселирующие устройства подачи дополнительных расходов газообразных водорода 13 и кислорода 17 для выхода энергоустановки на номинальный режим могут быть заменены на регулируемые дроссели 27 и 28 соответственно, а дросселирующие устройства 23 и 25 подачи дополнительных расходов воды в камеру сгорания с рубашкой охлаждения 4 и смеситель 5 парогенератора 1 - на регуляторы 29 и 30 соответственно (см. фиг.2).
Смазка подшипников ротора турбопривода 7 энергоустановки осуществляется по магистрали подачи масла от емкости 31 с клапаном 32. Подача нейтрального газа в полость подшипников ротора турбопривода 7 выполняется по магистрали через клапан 33.
Продувка полостей энергоустановки перед запуском с целью удаления взрывоопасных газов происходит по магистралям подачи нейтрального газа через дросселирующие устройства и клапаны 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40.
В магистрали подачи пара мимо турбопривода 7 предусмотрен дроссель 41.
После парогенератора 1, перед турбоприводом 7, установлен клапан аварийного сброса пара 42.
Запуск водородной паротурбинной энергоустановки начинается с продувки ее полостей по линиям подачи водорода, кислорода и воды при открытых клапанах 34, 37, 38, 39, 40 подачи нейтрального газа, например азота. Затем открывается клапан 33 подачи нейтрального газа в полость подшипников ротора турбопривода 7 на все время работы энергоустановки. Далее открывается клапан 32 и масло из емкости 31 подается на смазку подшипников ротора турбопривода 7.
Выход на режим предварительной ступени работы происходит с запуска парогенератора 1, компоненты в котором поджигаются при помощи запального устройства 2.
Электрическое запальное устройство 2 выполнено на основе электроплазменного способа инициирования процесса горения. При запуске открываются клапаны подачи нейтрального газа 35 и 36 продувки линий кислорода и водорода запального устройства соответственно. Затем подается электропитание на блок зажигания 6 и открывается клапан 14 подачи газообразного кислорода в запальное устройство 2 в полость под электроэрозионную свечу и далее в камеру сгорания запального устройства; закрывается клапан 36 и прекращается продувка линии окислителя запального устройства. После открывается клапан 10, и газообразный водород поступает в запальное устройство 2 в зону выхода активного кислорода (плазмы) из-под электроэрозионной свечи, где воспламеняется; закрывается клапан 35 и прекращается продувка линии водорода запального устройства.
Далее открываются клапаны 18, 19, 20 и вода с предварительным расходом подается на завесное и регенеративное охлаждение и на балластировку в смесительную головку 3, рубашку охлаждения камеры сгорания 4 и смеситель 5 парогенератора 1 соответственно. Закрываются клапаны 38, 39, 40 и прекращается продувка полостей энергоустановки по линиям подачи воды.
Далее открывается клапан 11 подачи газообразного водорода в камеру сгорания парогенератора 1 и закрывается клапан продувки 34. Через незначительный промежуток времени открывается клапан подачи газообразного кислорода 15 в камеру сгорания парогенератора 1, закрывается клапан продувки 37. Образовавшиеся горячие газы, истекающие из запального устройства 2, поджигают топливную смесь в камере сгорания парогенератора 1.
После начала огневого процесса парогенератор 1, турбопривод 7 и нагрузочное устройство 9 выходят на режим предварительной ступени. Парогенератор 1 вырабатывает высокотемпературный водяной пар, который поступает в турбопривод 7 и раскручивает колесо или колеса турбины 8 с ротором. С ротора турбопривода 7 крутящий момент передается на нагрузочное устройство 9, в качестве которого может выступать, например, электрогенератор и/или водяной насос.
Затем закрывается клапан 14 и прекращается подача газообразного кислорода в запальное устройство 2, отрывается клапан 36 продувки линии окислителя запального устройства и снимается напряжение с блока зажигания 6. Газообразный водород поступает через клапан 10 в запальное устройство 2 для его охлаждения на протяжении всего времени работы энергоустановки.
При выходе на номинальный режим работы энергоустановки открываются клапаны 22, 24, 26, после чего расходы воды в смесительную головку 3, рубашку охлаждения камеры сгорания 4 и смеситель 5 парогенератора 1 увеличиваются на величину расходов через дросселирующие устройства 21, 23 и 25 соответственно и расход воды достигает величины на номинальном режиме. Закрывается клапан 36 продувки линии окислителя запального устройства.
Затем открывается клапан 12 и расход газообразного водорода в смесительную головку 3 парогенератора 1 возрастает на величину расхода через дросселирующее устройство 13. Далее открывается клапан 16 и расход газообразного кислорода также возрастает на величину расхода через дросселирующее устройство 17.
С целью регулирования расхода пара на турбопривод 7 предусмотрен дроссель 41 перепуска пара мимо него.
При возникновении аварийных ситуаций предусмотрен клапан аварийного сброса пара 38 перед турбоприводом 42.
При запуске энергоустановки, когда подача дополнительных компонентов топлива и воды выполняется регулируемо, дроссели подачи газообразного водорода и кислорода 27 и 28 соответственно и регуляторы 29 и 30 подачи воды в рубашку охлаждения камеры сгорания 4 и смеситель 5 парогенератора 1 соответственно настроены на минимальный расход.
При выходе на номинальный режим работы энергоустановки открываются клапаны 24, 26, после чего расходы воды в рубашку охлаждения камеры сгорания 4 и смеситель 5 парогенератора 1 увеличиваются на величину минимальных расходов через регуляторы 29 и 30. Далее открываются клапаны 12 и 16, и расход газообразных водорода и кислорода возрастает на величину минимальных настроек дросселей 27 и 28 соответственно.
После подаются команды на приводы регуляторов 29, 30 и дросселей 27, 28, которые выводят энергоустановку на номинальный режим и обеспечивают регулирование необходимых расходов компонентов топлива и воды во время работы.
В остальном запуск энергоустановки, когда подача дополнительных компонентов топлива и воды выполняется регулируемо, аналогичен запуску при нерегулируемой подаче дополнительных компонентов топлива и воды.
Таким образом, благодаря использованию изобретения, повышается долговечность конструкции при запуске с малым временем выхода на основной режим.