Способ работы парогазовой электростанции на комбинированном топливе (твердом с газообразным или жидким) и парогазовая установка для его реализации

 

Изобретение относится к отрасли парогазотурбостроения, в частности к парогазовым электростанциям. Способ работы парогазовой электростанции на комбинированном топливе включает процессы сжигания твердого топлива с образованием перегретого пара, смешения полученных продуктов сгорания с водяным паром, расширения газопаровой смеси с преобразованием ее потенциальной энергии в механическую с одновременным преобразованием последней в электрическую, утилизации теплоты отработавших газов, конденсации влаги и сжатия. Пар, полученный за счет утилизированной теплоты отработавших газов, перед смешением с продуктами сгорания соединяют с паром парового контура. Парогазовая установка содержит паровой контур и газопаровой контур. В газопраровой контур включены котел-утилизатор, теплообменник предварительного подогрева конденсата и конденсатор, узел охлаждения конденсата и дожимной компрессор, который связан валом с газотурбинным двигателем или паровой турбиной. Парогазовая установка обеспечена узлом отбора пара, который своим входом подключен одновременно к выходам по пару котла-утилизатора и промежуточного перегревателя пара парогенератора и своим выходом - к камере сгорания газопаротурбинного двигателя, а теплообменник предварительного перегрева конденсата подключен своим входом по воде через деаэратор к выходу конденсатора, а своим выходом - к питательному насосу парогенератора или промежуточного подогревателя. Изобретение позволяет повысить эффективность электростанции. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.,1 табл.

Изобретение относится к области парогазотурбостроения, в частности к парогазовым электростанциям.

В качестве аналога принят способ работы парогазовой электростанции на комбинированном органическом топливе (твердое + газообразное или жидкое), включающий процессы сжатия воздуха, сжигания в нем газообразного или жидкого топлива, преобразования в механическую работу потенциальной энергии полученных продуктов сгорания при их расширении, сжигании в их потоке твердого топлива и генерацию пара, преобразования его потенциальной энергии в механическую работу при расширении с промежуточным перегревом, конденсацию водяного пара и смешение продуктов сгорания с атмосферным воздухом (см. Рыжкин В.Я. Тепловые электрические станции. - М.: Энергия, 1976, 447 с.)

Известный способ обладает недостатком, заключающимся в том, что температура (тепловой потенциал) генерируемого пара низкая (около 600°С). Вследствие этого доля тепловой энергии пара, превращаемая в работу, незначительна.

В качестве прототипа принят способ работы комбинированной энергетической установки, включающий сжатие воздуха в компрессоре с последующей подачей с топливом в камеру сгорания газовой турбины и в камеру сгорания парогазовой турбины с вторичной зоной, расширение в турбинах продуктов сгорания топлива с последующим охлаждением в котлах-утилизаторах, дополнительное охлаждение продуктов сгорания парогазовой турбины с конденсацией водяных паров, подачу конденсата в котлы-утилизаторы с дальнейшим его нагревом, испарением и отделением пара в сепараторах и перегревом пара и смешение перегретого пара с воздухом, подаваемым в камеру сгорания парогазовой турбины, а часть воды из сепараторов вводят в тепломассо-обменике в контакт с отбираемым после компрессора сжатым воздухом с частичным испарением и охлаждением воды и с нагреванием паровоздушной смеси, причем последнюю дополнительно нагревают теплом продуктов сгорания перед охлаждением их в котлах-утилизаторах и подают в камеру сгорания парогазовой турбины, а охлажденую воду смешивают с конденсатом (см. SU 1830421 А1, кл. F 01 К 21/04, 30.07.93, Бюл. 28).

В качестве прототипа принята парогазовая установка, включающая компрессор, камеру сгорания с газовой турбиной и камеру сгорания с парогазовой турбиной, которая связанна валом с потребителем работы, и последовательно расположенные после турбин по направлению движения отработавших газов котлы-утилизаторы, которые своими входами по воде связаны с конденсатором, который по парогазовой смеси связан с выходом котла-утилизатора парогазовой турбины. Между парогазовой турбиной и ее котлом-утилизатором установлен нагреватель паровоздушной смеси, который связан с тепломассобмеником, в котором из горячей воды, отбираемой из барабанов-сепараторов котлов-утилизаторов, получают паровоздушную смесь в потоке воздуха, отбираемого за компрессором.

Камера сгорания парогазовой турбины связанна трубопроводами с нагревателем паровоздушной смеси и по пару с котлами-утилизаторами (см. SU 1830421 А1, кл. F 01 К 21/04, 30.07.93, Бюл. 28).

Известный способ обладает недостатком, заключающимся в том, что он не может использовать в качестве топлива каменный и бурый уголь.

В изобретении решается задача создания способа работы парогазовой электростанции на комбинированном топливе (твердом с газообразным или жидким).

Поставленная задача решается тем, что в способе работы парогазовой электростанции на комбинированном топливе, включающим процессы сжигания топлива с образованием перегретого пара, частичного расширения перегретого пара с преобразованием его потенциальной энергии в кинетическую, а кинетической в механическую с одновременным преобразованием ее в электрическую с дальнейшей подачей пара после расширения на промежуточный перегрев в паровом контуре, и включающий процессы сжатия воздуха, сжигания в нем топлива в камере сгорания, осуществления смешения в камере сгорания полученных продуктов сгорания с водяным паром, расширения газопаровой смеси и утилизации теплоты отработавших газов в котле-утилизаторе в газопаровом контуре, согласно изобретению в камере сгорания осуществляют сжигание газового или жидкого топлива, утилизацию теплоты отработавших газов после котла-утилизатора производят с получением конденсата и дожиманием отработавших газов, причем водяной пар, подаваемый в камеру сгорания, получают предварительным объединением пара газопарового контура, образованным в результате нагрева конденсата в котле-утилизаторе, и пара парового контура после промежуточного перегрева полученного из предварительно нагретого теплотой отработавших газов конденсата газопарового контура в результате сжигания твердого топлива, при этом при расширении газопаровой смеси осуществляют преобразование ее потенциальной энергии в кинетическую, а кинетической энергии в механическую с одновременным преобразованием последней в электрическую, при этом пар парового контура пред промежуточным перегревом расширяют до давления, которое превышает давление в камере сгорания на 3-4 бара.

Поставленная задача решается тем, что парогазовая установка (электростанция), содержащая паровой контур, состоящий из соединенных парогенератора, паровой турбины, связанной валом с преобразователем механической энергии в электрическую, и промежуточного перегревателя пара, системы регенеративных подогревателей, питательного насоса, и газопаровой контур, состоящий из газопаротурбинного двигателя, включающего последовательно расположенные компрессор, камеру сгорания с подводом пара и турбину, и последовательно расположенный по движению отработавших газов котел-утилизатор, согласно изобретению газопаровой контур дополнительно снабжен последовательно расположенными по движению отработавших газов после котла-утилизатора теплообменником предварительного подогрева конденсата, конденсатором и дожимным компрессором, сообщенным своим выходом с атмосферой и связанным валом с газопаротурбинным двигателем, соединенным валом с преобразователем механической энергии в электрическую, или паровой турбиной, конденсатор своим выходом по воде через деаэратор подключен к входу котла-утилизатора и одновременно своим выходом и входом по воде подключен соответственно к входу и выходу узла охлаждения конденсата, а парогазовая установка дополнительно снабжена узлом сбора пара, который своими входами подключен одновременно к выходам по пару котла-утилизатора и промежуточного подогревателя пара парогенератора и своим выходом к камере сгорания газопаротурбинного двигателя, а теплообменник предварительного подогрева конденсата подключен своим входом по воде через деаэратор к выходу конденсатора, а своим выходом через питательный насос и систему регенеративных подогревателей к парогенератору.

Новая совокупность существенных признаков отсутствует в известных технических решениях и позволяет получить следующие преимущества:

- значительно увеличивает температурный потенциал пара, получаемого за счет тепловой энергии твердого топлива и тем самым существенно (почти в 2 раза) увеличивает его работу, что значительно повышает термодинамическую эффективность энергетической установки;

- обеспечивает значительное (примерно в два раза) снижение вредных выбросов в окружающую среду;

- существенно снижает габариты, массу и стоимость киловатта установленной мощности энергетической установки.

Все перечисленные преимущества направлены на повышение эффективности производства и снижение себестоимости электрической энергии.

На чертеже изображена тепловая схема парогазовой установки, реализующая предложенный способ.

Парогазовая установка состоит из двух контуров парового и газопарового. Паровой контур включает парогенератор 1, паровую турбину 2, которая связана валом с преобразователем 3 механической энергии в электрическую (электрогенератор), промежуточный перегреватель пара 4, систему регенеративных водоподогревателей 5 и питательный насос 6. Газопаровой контур включает газопаротурбинный двигатель 7 с последовательно расположенными компрессором 8, камерой сгорания 9 и турбиной 10 и последовательно расположенные по движению отработавших газов котел утилизатор 11, теплообменник предварительного подогрева конденсата 12, конденсатор 13 и дожимной компрессор 14, который своим выходом сообщен с атмосферой и связан с газопаротурбинным двигателем 7 или паровой турбиной 2. Газопаротурбинный двигатель 7 соединен валом с преобразователем 15 механической энергию в электрическую. Конденсатор 13 своим выходом по воде через деаэратор (на чертеже не показан) подключен к входу котла утилизатора 11 и одновременно своими выходом и входом по воде подключен соответственно к входу и выходу узла 16 охлаждения конденсата. Парогазовая установка дополнительно снабжена узлом сбора пара 17, который своими входами подключен одновременно к выходам по пару котла-утилизатора 11 и промежуточного перегревателя пара 4 парогенератора, а теплообменник предварительного подогрева конденсата 12 подключен своим входом по воде через деаэратор к входу конденсатора 13, а своим выходом через питательный насос 6 и в систему регенеративных подогревателей 5 к парогенератору 1.

Способ осуществляется парогазовой установкой следующим образом. Предварительно подогретый в теплообменнике 12 и системе регенеративных подогревателей 5 конденсат подают питательным насосом 6 в парогенератор 1, где его испаряют, а полученный пар перегревают и направляют в паровую турбину 2, где частично расширяют до давления, которое превышает давление в камере сгорания 9 газопаротурбинного двигателя 7 на 3-4 бара, преобразуя при этом часть потенциальной энергии пара в кинетическую, а кинетическую энергию в механическую, которую одновременно преобразуют в электрогенераторе 3 в электрическую. После турбины 2 пар направляют в пароперегреватель 4 парогенератора 1 для промежуточного перегрева за счет теплоты твердого топлива. Одновременно с этим воздух через компрессор 8 газопаротурбинного двигателя 7 подают в камеру сгорания 9, куда направляют газовое или жидкое топливо и сжигают. Образовавшиеся при этом продукты сгорания смешивают в камере сгорания 9 с водяным паром, подаваемым из узла сбора пара 17. Причем часть пара подают в первичную зону камеры сгорания (зону горения) для подавления окислов азота и поэтому он называется экологическим паром. Полученную в камере сгорания 9 парогазовую смесь направляют в турбину 10, где ее расширяют, преобразуя при этом ее потенциальную энергию в кинетическую, которую затем преобразуют в механическую, а полученную механическую энергию одновременно преобразуют в электрическую в электрогенераторе 15. Отработавшую в турбине 10 парогазовую смесь (отработавшие газы) направляют в котел-утилизатор 11, где утилизируют ее теплоту с образованием водяного пара, который подают в узел сбора пара 17 и смешивают его там с поданным туда паром из промежуточного пароперегревателя 4 парогенератора 1, откуда полученную паровую смесь направляют в камеру сгорания 9. Охлажденные в котле-утилизаторе 11 отработавшие газы направляют в теплообменник 12 предварительного подогрева конденсата, где доутилизируют их теплоту с передачей ее конденсату, который через питательный насос 6 и систему регенеративных подогревателей 5 направляют в парогенератор 1. После теплообменника 12 доохлажденные отработавшие газы подают в конденсатор 13, где их охлаждают и конденсируют водяной пар при контакте с конденсатом, охлажденным в узле 16 охлаждения конденсата. Поданный и полученный в конденсаторе 13 конденсат разделяют на два потока: один через деаэратор направляют одновременно на входы котла утилизатора 11 и теплообменника 12 предварительного подогрева конденсата, а второй - в узел 16 охлаждения конденсата, а охлажденные и осушенные отработавшие газы направляют в дожимной компрессор 14, где их дожимают до атмосферного давления, и отводят в окружающую среду.

По сравнению с прототипом предлагаемый способ работы парогазовой установки обеспечивает работу электростанции на комбинированном (твердом с газообразным или жидким) топливе. По сравнению с аналогом предлагаемый способ работы парогазовой электростанции на комбинированном органическом топливе позволяет существенно увеличить ее коэффициент полезного действия, т.е. термодинамическую эффективность. Обусловлено это тем, что доля превращаемой в работу теплоты, подведенной к рабочему телу, однозначно зависит от его температуры.

L=Q(1-Т_о/Т_т),

где L - работа (доля теплоты, превращаемая в работу);

Q - теплота, подведенная к рабочему телу;

Т_о, Т_т - абсолютные температуры соответственно окружающей среды и рабочего тела на входе в турбину.

Из зависимости видно, что при постоянной температуре То окружающей среды тем больше теплоты превращается в работу, чем выше Т_т температура рабочего тела на входе в турбину. В рассмотренном же аналоге и других известных аналогах Т_т не превышает 873 К и перспектив ее роста пока не предвидится. Поэтому теоретическое количество теплоты, превращаемое в работу, не превышает 67%. В предлагаемом же способе при применении современных парогазовых установок Т_т=1523 К, что увеличивает долю теплоты, превращаемой в работу до 81%. С учетом дальнейшего нового повышения Т_т доля теплоты, превращаемой в работу, еще возрастет. Кроме того, при этом резко возрастет примерно в 1,7-2 раза удельная мощность электростанции, что существенно уменьшает капитальные вложения, а следовательно, и снижает стоимость киловатта установленной мощности. Это подтверждается нижеприведенной зависимостью, из которой следует, что мощность парогазовой установки растет пропорционально росту температуры рабочего тела на входе в турбину.

N_T=GС_рТ_т(1-1/П^к-к1/к_т)η_т

где G - расход рабочего тела;

С_р - изобарная теплоемкость рабочего тела;

Т_т - температура газа на входе в турбину;

П_т - степень расширения рабочего тела в турбине;

η_т - адиабатный КПД турбины;

N_т - мощность на валу турбины.

Одновременно при этом более чем в 2 раза уменьшаются выбросы вредных веществ в атмосферу в расчете на единицу выполненной работы.

В таблице приведены сравнительные данные ПТУ со сбросом отработавших газов газовой турбины в топку парогенератора (аналог) и предлагаемой парогазовой установки

Из приведенных данных следует, что предлагаемый способ работы парогазовой электростанции не только обеспечивает работу на комбинированном топливе, но при этом существенно повышает ее термодинамическую эффективность (возрастание КПД) и одновременно существенно увеличивает удельную мощность, что существенно снижает стоимость киловатта установленной мощности электростанции.

Формула изобретения

1. Способ работы парогазовой электростанции на комбинированном топливе, включающий процессы сжигания топлива с образованием перегретого пара, частичного расширения перегретого пара с преобразованием его потенциальной энергии в кинетическую, а кинетической энергии в механическую энергию с одновременным преобразованием ее в электрическую с дальнейшей подачей пара после расширения на промежуточный перегрев в паровом контуре и включающий процессы сжатия воздуха, сжигания в нем топлива в камере сгорания, осуществление смешения в камере сгорания полученных продуктов сгорания с водяным паром, расширение газопаровой смеси и утилизации теплоты отработавших газов в котле-утилизаторе в газопаровом контуре, отличающийся тем, что в камере сгорания осуществляют сжигание газового или жидкого топлива, утилизацию теплоты отработавших газов после котла-утилизатора производят с получением конденсата и дожиманием отработавших газов, причем водяной пар, подаваемый в камеру сгорания, получают предварительным объединением пара газопарового контура, образованным в результате нагрева конденсата в котле-утилизаторе и пара парового контура после промежуточного перегрева, полученного из предварительно нагретого теплотой отработавших газов конденсата газопарового контура в результате сжигания твердого топлива, при этом при расширении газопаровой смеси осуществляют преобразование ее потенциальной энергии в кинетическую, а кинетической энергии в механическую с одновременным преобразованием последней в электрическую.

2. Способ работы парогазовой электростанции по п.1, отличающийся тем, что пар парового контура перед промежуточным перегревом расширяют до давления, которое превышает давление в камере сгорания на 3-4 бара.

3. Парогазовая установка (электростанция), содержащая паровой контур, состоящий из соединенных парогенератора, паровой турбины, связанной валом с преобразователем механической энергии в электрическую, и промежуточного перегревателя пара, системы регенеративных подогревателей, питательного насоса, и газопаровой контур, состоящий из газопаротурбинного двигателя, включающего последовательно расположенные компрессор, камеру сгорания с подводом пара и турбину и последовательно расположенный по движению отработавших газов котел-утилизатор, отличающаяся тем, что газопаровой контур дополнительно снабжен последовательно расположенными по движению отработавших газов после котла-утилизатора теплообменником предварительного подогрева конденсата, конденсатором и дожимным компрессором, сообщенным своим выходом с атмосферой и связанным валом с газопаротурбинным двигателем, соединенным валом с преобразователем механической энергии в электрическую, или паровой турбиной, конденсатор своим выходом по воде через деаэратор подключен к входу котла-утилизатора и одновременно своим выходом и входом по воде подключен соответственно к входу и выходу узла охлаждения конденсата, а парогазовая установка дополнительно снабжена узлом сбора пара, который своими входами подключен одновременно к выходам по пару котла-утилизатора и промежуточного перегревателя пара парогенератора и своим выходом к камере сгорания газопаротурбинного двигателя, а теплообменник предварительного подогрева конденсата подключен своим входом по воде через деаэратор к выходу конденсатора, а своим выходом через питательный насос и систему регенеративных подогревателей к парогенератору.

РИСУНКИ

Рисунок 1