Парогазовая энергетическая установка

 

Установка предназначена для использования в теплоэнергетике, в частности на электрических станциях с теплофикационными установками. Установка содержит высокоманевренную газотурбинную установку, выполненную на базе двухконтурного газотурбинного двигателя с переменной степенью двухконтурности, с промежуточным охлаждением воздуха при сжатии и с промежуточным подогревом газа при расширении. Наличие значительного числа регулируемых элементов (входных направляющих аппаратов компрессоров низкого и высокого давления; сопловых аппаратов турбин) согласно изобретению обеспечивает маневренность и экономичную работу в трех режимах: базовом, в режиме снятия пиковых нагрузок и в режиме частичной нагрузки. 1 ил.

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано на электрических станциях с теплофикационными установками.

Известна комбинированная парогазовая установка (ПГУ), предложенная ИВТ РАН ("Теплоэнергетика", 1993, N 10, с. 46-52), которая позволяет вырабатывать тепловую и электрическую энергию. В этой схеме пар одного или двух давлений, выработанный в котле-утилизаторе (КУ), поступает в паровую турбину (ПТ) и к тепловым потребителям (ТП), причем предусмотрен ввод пара на охлаждение газовых турбин установки и энергетический ввод пара в камеру сгорания. Предложенная схема ПГУ имеет невысокую маневренность, которая обеспечивается только за счет ввода пара в камеру сгорания, при этом установка резко снижает свою экономичность, т.к. пар безвозвратно теряется, уходя вместе с выхлопными газами в атмосферу.

Схема ПГУ, разработанная ИВТ РАН, на сегодняшний день технически нереализуема из-за нерешенных проблем, связанных с технологией изготовления лопаток газовой турбины с проникающим пористым охлаждением.

Известна схема ПГУ, разработанная НПО "САТУРН" ("Теплоэнергетика", 1993, N 12, с. 42-48), которая позволяет вырабатывать тепловую и электрическую энергию. В предложенной схеме воздух подводится к компрессору низкого давления (КНД), на выходе из которого установлен воздухоохладитель (ВО), выход которого связан с компрессором высокого давления (КВД), после которого установлена камера сгорания (КС), связанная с турбиной высокого давления, на выходе из которой установлена турбина низкого давления, от которой выхлопные газы подводятся к котлу-утилизатору. В период сезонных провалов теплового потребления предусмотрен ввод пара в КС. В этой схеме так же, как и в схеме ИВТ РАН, имеют место значительные потери энергии, связанные с тем, что пар теряется, уходя вместе с выхлопными газами в атмосферу. Этот фактор значительно снижает экономичность установки. Кроме того, на режимах частичных нагрузок газотурбинную установку приходится резко дросселировать, что также значительно снижает ее экономичность.

Предлагаемое изобретение позволяет повысить экономичность и маневренность ПГУ, особенно при покрытии переменного графика электрической и тепловой нагрузки.

Это достигается тем, что в предложенной комбинированной парогазовой установке в канале подвода воздуха к компрессору низкого давления установлен регулируемый входной направляющий аппарат, а за компрессором низкого давления установлены регулируемые створки, которые связаны с воздушным каналом наружного контура и с воздушным каналом внутреннего контура, причем эти створки выполнены с возможностью распределения всего расхода воздуха после компрессора низкого давления между внутренним и наружным контуром, а на выходе из внутреннего контура установлен регулируемый входной направляющий аппарат компрессора высокого давления, на выходе из которого подключен коллектор подачи воздуха на охлаждение турбины высокого давления, причем этот коллектор расположен внутри воздухо-воздушного теплообменника, который установлен в наружном контуре, выход которого связан с дополнительной камерой сгорания, которая также связана с выходным трактом первой ступени турбины низкого давления, на входе в которую установлен регулируемый сопловой аппарат, причем на выходе из дополнительной камеры сгорания установлен регулируемый сопловой аппарат дополнительно установленной второй ступени турбины низкого давления, расположенной на одном валу с первой ступенью турбины низкого давления и с компрессором низкого давления, а выход второй ступени турбины низкого давления связан с регулируемым сопловым аппаратом силовой турбины.

На чертеже схематически изображена общая схема заявляемой ПГУ, содержащей канал подвода воздуха 1, связанный с регулируемым входным направляющим аппаратом (ВНА) 2, за которым установлен компрессор низкого давления (КНД) 3, выход которого связан с регулируемыми створками 4 второго (наружного) контура. За регулируемыми створками 4 установлен воздушный канал второго контура 5 и воздушный канал первого (внутреннего) контура 6. В воздушном канале 6 установлен воздухоотделитель (ВО) 7 и регулируемый ВНА 8, который связан с компрессором высокого давления (КВД) 9. В воздушном канале 5 установлен воздухо-воздушный теплообменник 10. Выход КВД 9 связан со входом камеры сгорания внутреннего контура (КС I) 11, а также коллектором 12 с ВВТ 10. ВВТ 10 установлен в воздушном канале 5 наружного контура, причем выход коллектора 12 соединен с охлаждающим трактом турбины высокого давления. На выходе из КС I установлена турбина высокого давления (ТВД) 13, которая расположена на одном валу 14 с КВД 9. Выход ТВД 13 связан с регулируемым сопловым аппаратом (СА) 15, за которым установлена первая ступень турбины низкого давления (ТНД) 16. Выход ТНД 16 связан с дополнительной камерой сгорания (КС II) 17, вход которой одновременно связан воздушным каналом 18, который соединен с каналом второго контура 5. Выход КС II 17 соединен с регулируемым СА 19, за которым установлена вторая ступень ТНД 20, расположенная на одном валу 21 с первой степенью ТНД 16 и КНД 3. Выход ТНД 20 связан с регулируемым СА 22, за которым установлена силовая турбина (СТ) 23, а ее выход связан с котлом-утилизатором (КУ) 24, на выходе из которого установлен трубопровод 25 подвода пара к коллектору распределения пара 26, который трубопроводом 27 связан с тепловыми потребителями (ТП), а трубопроводом 28 - со входом в паровую турбину (ПТ) 29. ПТ 29 с конденсатором 30 трубопроводом 31 соединена с деаэратором 32 и насосом подачи воды 33. Выход насоса 33 связан со входом ВО 7, выход которого соединен с КУ 24 трубопроводом 34.

При производстве тепла предлагаемая установка экономично работает как при снижении, так и при увеличении тепловой нагрузки. При производстве электроэнергии предлагаемая ПГУ может достаточно экономично работать в трех режимах: в базовом, в режиме снятия пиковых нагрузок, в режиме частичной нагрузки.

При значительном снижении теплового потребления (что носит ярко выраженный сезонный характер) предлагаемая схема работает как традиционная ПГУ, так как пар после КУ 24 направляется как к ТП, так и на обеспечение работы ПТ 29. Как известно (см. "Теплоэнергетика" N 12, 1992 г., с. 41), если газотурбинная установка (ГТУ) работает в составе ПГУ, то оптимальная степень сжатия воздуха в ее компрессоре в 3-5 раз меньше, чем для аналогичной ГТУ, работающей по простому открытому циклу. В этом режиме створки 4 прикрывают подачу воздуха во внутренний контур 6, а к КС I обеспечен небольшой подвод топлива. В результате во внутреннем контуре производится небольшая степень подогрева воздуха и соответствующая ее оптимальная степень сжатия воздуха в КВД. Через второй контур 5 увеличен расход воздуха, а к КС II соответственно увеличена подача топлива. Во втором контуре производится более высокая степень подогрева воздуха и соответствующая ей оптимальная степень сжатия воздуха КНД. Таким образом, в целом ГТУ будет иметь суммарную степень повышения давления, требуемую для экономичной работы ПГУ. При переходе на режим частичной электрической нагрузки производится снижение подачи топлива к КС II, снижение температуры газов (Т_г) перед ТНД 20 с одновременным прикрытием СА 15 и СА 19 и открытием СА 22, что приводит к увеличению работы ступеней ТНД, к увеличению оборотов ротора низкого давления. Это позволит получить потребную мощность ГТУ, работающей в составе ПГУ, при пониженных значениях Т_г и при поддержании необходимых величин степени сжатия воздуха в КНД, которые позволяют иметь более высокие значения внутреннего коэффициента полезного действия (КПД) ГТУ, обеспечивающего приемлемую экономичность установки. Снятие пиковой нагрузки будет обеспечено за счет увеличения подачи воздуха во внутренний контур и соответствующего увеличения подачи топлива в КС I 11.

При увеличении тепловой нагрузки (это также носит ярко выраженный сезонный характер) ПТ 29 отключается и весь пар после КУ 25 поступает к ТП. В этом случае ПГУ переходит на работу в режим ГТУ утилизационного типа. В этом режиме створки 4 прикрывают подачу воздуха во второй контур, обеспечивая небольшой расход воздуха через второй контур. К КС II производится небольшой подвод топлива. Основной подогрев рабочего тела осуществляется через КС I. Для поддержания высокого уровня надежности ТВД 13 при высоких значениях в охлаждающий тракт ТВД 13 поступает небольшое количество воздуха после КВД 9, прошедшего ВВТ 10, где он предварительно охлаждается воздухом второго контура, идущего по каналу 5. При этом КНД и КВД обеспечивают поддержание высокого значения суммарной степени повышения давления, требуемой для экономичной работы ГТУ.

При переводе ГТУ на режим частичной нагрузки производится снижение Т_г перед ТВД за счет уменьшения подачи топлива в КС I. При этом раскрывается СА ТНД 15 19, что приводит к увеличению степени расширения газа на ТВД (π_твд) и увеличению работы ТВД 13. Это позволит получить потребную мощность ГТУ в процессе дросселирования при более высоких значениях π_квд и при пониженных значениях Т_г, что позволит иметь более высокое значение внутреннего КПД ГТУ, а это в свою очередь обеспечит поддержание достаточной экономичности ГТУ. При переводе ГТУ на режим снятия пиковой нагрузки створки 4 приоткрывают подачу воздуха во второй контур 5 с одновременным раскрытием ВНА 2 КНД 3. Производится увеличение подачи топлива в КС II 17 с одновременным прикрытием СА 15 и СА19 ТНД, это приводит к увеличению работы ТНД. За счет увеличения степени двухконтурности растет расход рабочего тела через СТ, что обеспечивает увеличение ее мощности.

Технические преимущества предлагаемой ПГУ по сравнению с известными заключаются в том, что: 1. Установка имеет высокую маневренность и экономичность при выработке тепла, т. к. она способна переключаться из режима работы ПГУ (при небольших тепловых нагрузках) в режим работы утилизационной ГТУ (при увеличении тепловой нагрузки), обеспечивая при этом требуемое из условия экономичности необходимое значение степени повышения давления воздуха.

2. Установка имеет высокую маневренность при выработке электрической энергии за счет наличия управляемых ВНА компрессоров, СА турбин и регулирования расхода воздуха через внутренний и наружный контур. При управлении названными элементами обеспечивается приемлемая экономичность установки, как при работе на частичных нагрузках, так и при снятии пиковых нагрузок.

Формула изобретения

Парогазовая энергетическая установка, содержащая канал подвода воздуха к компрессору низкого давления, за которым установлен воздухоохладитель, выход которого связан с компрессором высокого давления, после которого установлена камера сгорания, связанная с турбиной высокого давления, на выходе из которого установлена турбина низкого давления, выход которой связан с котлом-утилизатором, отличающаяся тем, что в канале подвода воздуха к компрессору низкого давления установлен регулируемый входной направляющий аппарат, а за компрессором низкого давления установлены регулируемые створки, которые связаны с воздушным каналом наружного контура и с воздушным каналом внутреннего контура, причем эти створки выполнены с возможностью распределения всего расхода воздуха после компрессора низкого давления между внутренним и наружным контуром, а на выходе из внутреннего контура установлен регулируемый входной направляющий аппарат компрессора высокого давления, на выходе из которого подключен коллектор подачи воздуха на охлаждение турбины высокого давления, причем этот коллектор расположен внутри воздухо-воздушного теплообменника, который установлен в наружном контуре, выход которого связан с дополнительной камерой сгорания которая также связана с выходным трактом первой ступени турбины низкого давления, на входе в которую установлен регулируемый сопловый аппарат, причем на выходе из дополнительной камеры сгорания установлен регулируемый сопловый аппарат дополнительно установленной второй ступени турбины низкого давления, расположенной на одном валу с первой ступенью турбины низкого давления и с компрессором низкого давления, а выход второй ступени турбины низкого давления связан с регулируемым сопловым аппаратом силовой турбины.

РИСУНКИ

Рисунок 1