Способ получения полезной энергии в комбинированном цикле (его варианты) и устройство для его осуществления
Изобретение относится к области тепловой энергетики. Парогазовый цикл представляет собой надстройку паросилового цикла (Ренкина) газотурбинным циклом (Брайтона) и может быть осуществлен как с раздельными контурами рабочих тел этих циклов (водяного пара и горячих газов), так и в совмещенном контуре, где используется энергия расширения смеси этих двух рабочих тел. Для удешевления реализации парогазовых установок целесообразно использовать существующие в больших количествах авиационные газотурбинные двигатели (АГТД) и подобные им судовые и другие двигатели. Они представляют собой готовый газогенератор горячих газов с избыточным давлением, энергию которых легко преобразовать в полезную энергию в свободной силовой турбине и в водопаровом утилизаторе тепла выхлопных газов. Данная группа изобретений обеспечивает использование АГТД путем создания газотурбинной надстройки к парогазовому циклу, что увеличивает КПД парогазового цикла за счет увеличения в нем доли газотурбинной мощности (цикла Брайтона), в том числе за счет использования паросиловой мощности (цикла Ренкина) не для прямого производства полезной энергии, а так же, как и надстройка - для максимального увеличения доли цикла Брайтона в общей мощности парогазового цикла; кроме того, данная группа изобретений увеличивает эффективность утилизатора тепла выхлопных газов при переменных режимах работы парогазовых установок и улучшает компоновку оборудования подобных установок за счет использования свойств, присущих АГТД. 3 с. и 4 з.п. ф-лы, 7 ил.
Областью применения данной группы изобретений является тепловая энергетика, применяющая парогазовые циклы преимущественно для выработки электроэнергии. В частности, в данной области техники ищутся возможности использования газотурбинных двигателей авиационного типа (АГТД), представляющие собой двух-трехконтурную компактную газовую турбину, имеющую на выхлопе поток горячих газов с температурой около 650-800 К и некоторым избыточным давлением. При переводе АГТД с жидкого на газообразное топливо небольшие переделки касаются, в основном, камеры сгорания и топливных систем. Существуют большие запасы АГТД от старых типов самолетов, мало используемых в настоящее время. Эти АГТД II и III поколений имеют (относительно АГТД современного уровня IV и V поколений) низкую температуру перед турбиной, которую в целях увеличения ресурса работы в наземных условиях снижают еще на 200°С. В результате такого снижения температуры соответственно падает КПД и температура на выхлопе свободной силовой турбины при конвертировании АГТД в ГТУ наземного применения, что делает ПГУ бинарного типа на базе таких ГТУ малоэффективным и сдерживает инвестиции в их создание и сооружение.
В других отраслях полезная энергия парогазового цикла может использоваться для силового привода агрегатов, обычно приводимых во вращение газовыми или паровыми турбинами, например - для сжатия газа в турбокомпрессоре.
Существуют две группы способов получения полезной энергии в парогазовом цикле, представляющем собой комбинацию цикла Брайтона, рабочим телом которого является газ, и реализуемого при помощи воздушного компрессора и газовой турбины, и цикла Ренкина, рабочее тело которого используется в двух фазах - жидкой и парообразной, и реализуется при помощи насоса, парогенератора и турбины (в замкнутом цикле Ренкина используется еще и конденсатор пара).
В первой группе - в газотурбинном и паросиловом контурах цикла используют отдельно друг от друга различные виды рабочего тела, в газотурбинном контуре - воздух с продуктами сгорания топлива, а в паросиловом контуре - воду и ее пар. Во второй группе - используют смесь этих рабочих тел.
В первой группе способов энергию выхлопных газов газовой турбины, состоящих из воздуха с небольшой примесью продуктов сгорания топлива, полезно используют в несколько ступеней расширения в свободной силовой турбине, то есть турбине, не приводящей во вращение компрессор, подающий в нее воздух. Перед ступенью свободной силовой турбины низкого давления при наличии достаточной концентрации кислорода для повышения КПД цикла повышают энергию рабочего тела силовой турбины путем сжигания топлива в дополнительной камере сгорания с дальнейшей утилизацией тепловой энергии более горячих (в сравнении с отсутствием дополнительного сжигания топлива) выхлопных газов в утилизационной теплообменной установке.
При наличии постоянной потребности в тепловой энергии в простейшем утилизаторе можно получать горячую воду. Однако более рационально для увеличения производства электроэнергии предусматривать утилизаторы тепла выхлопных газов в виде парогенераторов с последующим расширением образованного в них пара в паровой турбине, являющейся приводом электрогенератора. Такие парогазовые установки могут работать по теплофикационному и конденсационному циклу с одним или несколькими давлениями генерируемого пара. При генерации пара обеспечивают не только его необходимые расход и давление, но и температуру, существенно превышающую температуру насыщения при давлении его генерации, для увеличения КПД цикла и полезной мощности турбины. Для увеличения параметров и расхода пара применяют дожигание топлива в утилизаторе, если концентрация кислорода в утилизируемых выхлопных газах позволяет вести качественный процесс горения [1].
Во второй группе способов использование пара осуществляют путем его ввода в рабочее тело газовой турбины (так называемый цикл "STIG"). При их смешении температура пара поднимается, охлаждая наиболее напряженные элементы конструкции - стенки камеры сгорания, лопаточный аппарат турбины, а в некоторых случаях и компрессора, приближая процесс сжатия к изотермическому. Одновременно снижается потребность в сжатом воздухе, используемом для охлаждения, что повышает КПД цикла. Экологический ввод пара в высокотемпературную зону горения топлива в камере сгорания газовой турбины подавляет эмиссию наиболее вредных веществ группы NOx. При этом мощность газовой турбины увеличивается незначительно (так как расход подаваемого на экологический впрыск пара приблизительно равен расходу топлива) и не оказывает существенного влияния на энергетические показатели цикла и на концентрацию кислорода в выхлопных газах ГТУ. Энергетический ввод пара создает новое рабочее тело с новыми свойствами, в том числе с пониженной концентрацией кислорода, что создает препятствия или делает невозможным последующее сжигание в среде нового рабочего тела дополнительного количества топлива.
В последние годы реализовано важное дополнение к циклу "STIG", обеспечивающее существенное уменьшение расходов на водоподготовку путем возврата воды в цикл за счет дополнительного охлаждения выхлопных газов после утилизатора в оросительном конденсаторе охлажденной водой [2].
Известен способ получения полезной энергии в комбинированном цикле, включающий получение в газотурбинном газогенераторе рабочего тела низкого давления, его последующее расширение в свободной силовой турбине низкого давления, утилизацию тепла выходящих из нее выхлопных газов с получением перегретого энергетического пара и расширение этого пара в паровой турбине [3]. При реализации этого способа возможно и целесообразно применение в качестве газогенератора АГТД.
Недостатками данного способа являются необходимость для каждого типа газогенератора разрабатывать и изготавливать свою модель свободной силовой турбины, а также большая доля цикла Ренкина в общей полезной мощности комбинированного цикла, снимаемая с низкоэкономичной паросиловой части комбинированного цикла. Низкая экономичность паросиловой части вызвана невысокими начальными параметрами пара, которые можно получить в классическом бинарном цикле ПГУ при относительно низкой температуре выхлопных газов свободной силовой турбины АГТД II и III поколений.
Наиболее близким известным техническим решением является способ получения полезной энергии в комбинированном цикле, включающий сжатие воздуха в компрессоре до высокого давления, сжигание в его среде топлива в камере сгорания высокого давления для последующего расширения до низкого давления в свободной силовой газовой турбине высокого давления с образованием выхлопных газов, сжигание в их среде топлива в камере сгорания низкого давления, расширение образованных газов в свободной силовой газовой турбине низкого давления и утилизацию их тепла с получением перегретого энергетического пара, расширение этого пара в паровой турбине для сжатия воздуха в компрессоре до высокого давления, снятие полезной энергии со свободной силовой турбины, имеющей механическую связь между ступенями высокого и низкого давлений [4].
В этом способе сжатие воздуха из атмосферы ведут за счет энергии, снимаемой с одной из ступеней газовой турбины низкого давления, для чего отбирают в ее камеру сгорания часть выхлопных газов из общей ступени высокого давления. Наличие второй ступени подвода тепла топлива в цикл (перед свободной силовой турбиной газогенератора и турбиной компрессора) существенно увеличивает удельную работу и КПД цикла, в основном, за счет увеличения доли цикла Брайтона (газотурбинной мощности) в общей мощности комбинированного цикла. В связи с ростом температуры выхлопных газов одновременно увеличиваются КПД и мощность паросиловой части цикла за счет увеличения начальных параметров пара.
Недостатками данной схемы являются необходимость индивидуально разрабатывать и изготавливать три свободные силовые турбины и две ступени воздушного компрессора. Это усложняет и удорожает реализацию способа при производстве электроэнергии, а при реализации этого способа в газовой промышленности для привода газоперекачивающих компрессоров такое дробление ведет к дополнительным неудобствами - их нестандартной мощности относительно используемого ряда газоперекачивающих компрессоров и несогласованности распределения между двумя приводами мощности с заданным технологическим режимом газоперекачки. Кроме того, форсирование общей газотурбинной мощности подобного цикла без уменьшения ресурса ГТУ невозможно, так как может быть осуществлено только за счет увеличения в камерах сгорания температуры рабочего тела.
Известен способ увеличения мощности парогазовой установки за счет увеличения температуры выхлопных газов при утилизации их тепла путем дожигания дополнительного топлива, что увеличивает паропроизводительность и параметры пара, а соответственно, и мощность паровой турбины ПГУ [1]. Недостатком этого способа является то, что дополнительная полезная паротурбинная мощность вырабатывается с низким КПД, уменьшая общий КПД парогазового цикла за счет уменьшения в общей полезной мощности доли газотурбинной мощности (доли цикла Брайтона) современных высокотемпературных ГТУ, характеризующихся высоким КПД.
Известен водопаровой утилизатор тепла горячих газов, состоящий из основного газохода с водяными теплообменными поверхностями и газохода обособленного пароперегревателя, соединенного со стороны выхода газов с основным газоходом, и имеющего со стороны входа газов в пароперегреватель устройство дожигания топлива [5].
Дожигающее устройство обычно состоит из отдельных горелочных устройств, распределяющих зону горения по большой площади сечения газохода утилизатора. Для обеспечения безопасного ведения процесса горения каждую группу горелочных устройств снабжают общими для данной группы системами розжига и контроля пламени, регулирования параметров и контроля подачи топлива.
Преимуществом известного утилизатора является то, что давление пара и его расход регулируются отдельно от его температуры, что достигается при поддержании температуры на заданном уровне с помощью дожигания топлива перед выносным пароперегревателем. Это сводит к минимуму уменьшение общего КПД классической схемы ПГУ с современными высокоэкономичными газовыми турбинами в сравнении с дожиганием топлива в общем газоходе утилизатора, но ограничивает диапазон регулирования его паропроизводительности величиной, допустимой по условиям потребления пара и прочности температуры стенок поверхностей пароперегревателя.
Известен способ получения полезной энергии в совмещенном комбинированном цикле, включающий сжатие воздуха в компрессоре до высокого давления, сжигание в его среде топлива в камере сгорания высокого давления, смешение с водяным паром, подачу образованного рабочего тела для расширения в газовой турбине высокого давления, подачу в камеру сгорания низкого давления расширенного рабочего тела, избыточного количества топлива и водяного пара низкого давления, расширения образованного рабочего тела в газовой турбине низкого давления с отбором полезной мощности и отводом выхлопных газов в энергетический котел для сжигания избыточного количества топлива с получением перегретого водяного пара, расширение этого пара в паровой турбине с отбором полезной мощности, отбор части этого пара в камеры сгорания высокого и низкого давления [6].
Недостатками этого способа являются большая доля паросиловой мощности в общей мощности цикла, определяемая сжиганием топлива в энергетическом котле с заданными стандартными параметрами пара, и невозможность применения АГДТ в реализующей способ установке.
Известен способ получения полезной энергии в совмещенном комбинированном цикле, включающий сжатие воздуха в компрессоре до высокого давления, сжигание в его среде топлива в камере сгорания высокого давления, смешение с водяным паром, подачу образованного рабочего тела для расширения в газовой турбине высокого давления, сжигание в его среде топлива в камере сгорания низкого давления, расширение образованных газов в газовой турбине низкого давления, отбор полезной мощности по крайней мере от одной из газовых турбин, утилизацию тепла выхлопных газов с получением водяного пара в котле-утилизаторе, введение в цикл дополнительного рабочего тела за счет сжигания дополнительного количества топлива [7].
Недостатками этого способа являются большая доля паросиловой мощности (цикла Ренкина) в общей мощности комбинированного цикла с ГТУ современного уровня экономичности, вызываемая сжиганием дополнительного количества топлива перед парогенератором, необходимость дробления полезной мощности на два агрегата и невозможность применения АГТД в реализующей способ установке.
Единый замысел данной группы изобретений состоит в повышении эффективности выработки энергии в комбинированном цикле при помощи упрощения использования в подобных установках газотурбинных двигателей авиационного типа путем создания газотурбинной надстройки к парогазовым циклам, в том числе за счет максимального увеличения доли газотурбинной мощности в общей мощности ПГУ, а также в упрощении конверсионного применения газотурбинных авиадвигателей, в упрощении и удешевлении реализации парогазовых технологий выработки энергии.
Замысел данной группы изобретений реализуется в следующих технических решениях.
В способе получения полезной энергии в комбинированном цикле, включающем сжатие воздуха в компрессоре до высокого давления, сжигание в его среде топлива в камере сгорания высокого давления для последующего расширения до низкого давления в свободной силовой газовой турбине высокого давления с образованием выхлопных газов, сжигание в их среде топлива в камере сгорания низкого давления, расширение образованных газов в свободной силовой газовой турбине низкого давления и утилизацию их тепла с получением перегретого энергетического пара, расширение этого пара в паровой турбине для сжатия воздуха в компрессоре до высокого давления, снятие полезной энергии со свободной силовой турбины, имеющей механическую связь между ступенями высокого и низкого давлений, в камеру сгорания низкого давления подают дополнительное количество газов из отдельного газотурбинного двигателя, выполняющего функцию газогенератора, а расширение пара в паровой турбине используют для сжатия воздуха в компрессоре, начиная от атмосферного давления.
Отличие от известного способа заключается в том, что в камеру сгорания низкого давления подают дополнительное количество газов из отдельного газотурбинного двигателя, выполняющего функцию газогенератора, а расширение пара в паровой турбине используют для сжатия воздуха в компрессоре, начиная от атмосферного давления.
Увеличение расхода рабочего тела в ступени низкого давления газовой турбины обеспечивает дополнительную мощность газотурбинной ступени низкого давления и позволяет применить АГТД в качестве готового газогенератора, что существенно упрощает и удешевляет процесс разработки и изготовления реализующей способ энергетической установки. Одновременно, за счет увеличения расхода и температуры выхлопных газов увеличивается паропроизводительность котла-утилизатора и параметры генерируемого пара, а соответственно, КПД и мощность паровой турбины, являющейся приводом воздушного компрессора. Расход воздуха в компрессоре должен быть приблизительно равен расходу воздуха через АГТД, тогда мощность парогенератора и паровой турбины удваивается.
Использование паровой турбины, увеличенной приблизительно в два раза мощности и КПД в качестве привода воздушного высокооборотного компрессора, обеспечивающего энергией весь процесс сжатия атмосферного воздуха и его подачу с увеличенной производительностью и давлением в камеру сгорания газовой турбины высокого давления, позволяет увеличить ее КПД и долю цикла Брайтона в комбинированном энергетическом цикле, а следовательно, и общий КПД цикла.
Реализация способа упрощается и удешевляется за счет возникающей возможности использования готовых изделий и узлов: АГТД, существующих воздушных компрессорных установок с паровым приводом, компрессорной части и турбинных частей от различных АГТД или существующих ГТУ, камер сгорания или их горелочных устройств в новых выносных камерах сгорания большого объема, позволяющего оптимально вести процесс горения за счет соответствующего размещения в ней необходимых элементов. Важно отметить, что разработка и доводка компрессора требуют значительно большего времени и усилий, чем турбины (с применением освоенных деталей и технологий их производства). Поэтому создание, при необходимости, новых газотурбинных ступеней не является критическим моментом при разработке парогазовой установки.
Дополнительное отличие описанного способа заключается в том, что регулирование количества получаемой полезной энергии ведут при помощи изменения расхода и температуры пара на входе в паровую турбину за счет дожигания дополнительного топлива в потоке выхлопных газов перед утилизацией их тепла.
Введение в описанный способ дожигания топлива перед утилизацией тепла выхлопных газов ГТУ позволяет увеличить (посредством увеличения паропроизводительности и параметров пара) мощность привода воздушного компрессора. За счет этого увеличивается доля цикла Брайтона в общей мощности комбинированного цикла и КПД цикла. Необходимость такого регулирования возникает из роста массовой производительности воздушного компрессора при снижении температуры атмосферы и соответствующего роста необходимой мощности привода - паровой турбины. Возможность регулирования оборотов паровой турбины и компрессора полезна для согласования параметров всех агрегатов схемы при их подборе из готовых изделий.
В водопаровом утилизаторе тепла горячих газов, состоящем из основного газохода с водяными теплообменными поверхностями и газохода обособленного пароперегревателя, соединенного со стороны выхода газов с основным газоходом, и имеющем со стороны входа газов в пароперегреватель устройство дожигания топлива, газоход пароперегревателя расположен внутри основного газохода в центре потока горячих газов перед водяными теплообменными поверхностями, образован внутри основного газохода при помощи боковых перегородок, отделяющих объем с теплообменными поверхностями пароперегревателя от свободных каналов для газов между перегородками и стенками основного газохода, на перегородках закреплены подвижные створки в виде пластин, имеющие механизм поворота и фиксации створки в заданном положении для отклонения по меньшей мере части потока горячих газов из устройства дожигания топлива в сторону свободных каналов или пароперегревателя, а устройство дожигания топлива, состоящее из отдельных горелочных устройств, расположено на входе в газоход пароперегревателя так, что крайние горелочные устройства находятся напротив боковых перегородок.
Отличие от известного утилизатора заключается в том, что газоход пароперегревателя расположен внутри основного газохода в центре потока горячих газов перед водяными теплообменными поверхностями, образован внутри основного газохода при помощи боковых перегородок, отделяющих объем с теплообменными поверхностями пароперегревателя от свободных каналов для газов между перегородками и стенками основного газохода, на перегородках закреплены подвижные створки в виде пластин, имеющие механизм поворота и фиксации створки в заданном положении для отклонения по меньшей мере части потока горячих газов из устройства дожигания топлива в сторону свободных каналов или пароперегревателя, а устройство дожигания топлива, состоящее из отдельных горелочных устройств, расположено на входе в газоход пароперегревателя так, что крайние горелочные устройства находятся напротив боковых перегородок.
Расположение пароперегревателя со своим дожигающим устройством в выделенном объеме внутри общего для утилизатора газохода упрощает и удешевляет конструкцию утилизатора, а расположение крайних горелочных устройств напротив краев выделенного объема позволяет легко регулировать долю дополнительно нагретых горелками газов, направляемую мимо пароперегревателя в испарительные поверхности утилизатора, как при помощи регулирования подачи топлива в крайние горелочные устройства, так и при помощи поворота подвижных створок. Это обеспечивает увеличенный диапазон регулирования расхода и параметров генерируемого утилизатором пара, что имеет большое значение для согласования режимов работы оборудования парогазовых установок. Предложенный утилизатор может применяться не только для охлаждения выхлопных газов ГТУ, но и для охлаждения любых других горячих газов, содержащих окислитель топлива.
В способе получения полезной энергии в совмещенном комбинированном цикле, включающем сжатие воздуха в компрессоре до высокого давления, сжигание в его среде топлива в камере сгорания высокого давления, смешение с водяным паром, подачу образованного рабочего тела для расширения в газовой турбине высокого давления, сжигание в его среде топлива в камере сгорания низкого давления, расширение образованных газов в газовой турбине низкого давления, отбор полезной мощности по крайней мере от одной из газовых турбин, утилизацию тепла выхлопных газов с получением водяного пара в котле-утилизаторе, введение в цикл дополнительного рабочего тела за счет сжигания дополнительного количества топлива, сжигание дополнительного топлива ведут в камере сгорания отдельного газотурбинного двигателя, выполняющего функцию газогенератора, выхлопные газы которого направляют в камеру сгорания низкого давления.
Отличие от известного способа заключается в том, что дополнительное количество топлива сжигают в камере сгорания отдельного газотурбинного двигателя, выполняющего функцию газогенератора, выхлопные газы которого направляют в камеру сгорания низкого давления.
Сжигание дополнительного количества топлива в камере сгорания отдельного газогенератора (АГТД) позволяет увеличить полезную газотурбинную мощность в цикле за счет свободной силовой турбины, так как увеличивает в ее камере сгорания расход рабочего тела, при этом дополнительное рабочее тело не затрудняет процесс горения, так как не содержит водяного пара (кроме образующегося в процессе горения топлива и возможного ограниченного количества от экологического впрыска пара в АГТД).
Дополнительное отличие описанного способа (по пункту 4 формулы) заключается в том, что пар из котла-утилизатора предварительно расширяют в имеющей механическую связь с полезной нагрузкой паровой турбине от начального давления до промежуточного давления с отбором по крайней мере части пара в камеру сгорания высокого давления, оставшуюся часть пара расширяют до давления на выхлопе паровой турбины и направляют в камеру сгорания низкого давления (в случае необходимости подавления эмиссии NOx).
Предварительное расширение утилизационного пара в противодавленческой паровой турбине увеличивает отбор полезной мощности, то есть увеличивает КПД цикла. Простота и малые габариты противодавленческой паровой турбины оправдывают некоторое усложнение схемы и реализующей способ установки.
Еще одно дополнительное отличие способа (по пунктам 1, 2, 4 и 5 формулы) заключается в том, что при останове газовой турбины высокого давления полезную энергию получают за счет расширения рабочего тела газогенератора и утилизационного пара при помощи отключения механической связи между газовыми турбинами высокого и низкого давления, а для способа по пунктам 1 и 2 и при помощи дополнительного отключения механической связи между паровой турбиной и воздушным компрессором и одновременного включения механической связи между полезной нагрузкой и паровой турбиной.
Надежность реализующей способ установки определяется надежностью работы входящих в нее агрегатов, в первую очередь самых термонапряженных из них, расположенных в газовой турбине высокого давления. На время их ремонта для исключения полного прекращения производства полезной энергии целесообразно отключать часть цикла высокого давления и продолжать работать на части цикла низкого давления при помощи рабочего тела, создаваемого газогенератором (АГТД). Для этого в реализующей способ установке необходимо предусмотреть наличие, например, расцепных муфт на валу, соединяющем газовые турбины высокого и низкого давлений. Кроме того, для способа по пунктам 1 и 2 формулы может быть целесообразным переключение паровой турбины с воздушного компрессора на полезную нагрузку, если сохраняется достаточная паропроизводительность котла-утилизатора (с учетом дожигания перед ним дополнительного топлива), а ремонт газовой турбины высокого давления будет достаточно продолжительным. Если надежность газовой турбины высокого давления недостаточно высока, например, в случае опытно-экспериментальной эксплуатации турбины, то можно считать ее газотурбинной надстройкой парогазового цикла, состоящего из АГТУ и паровой части, которые могут работать самостоятельно в течение круглого года. При этом нужно иметь в виду, что АГТД не может существенно влиять на величину выработки электроэнергии, так как его замена на запасной АГТД может быть произведена в весьма короткое время, как это делается при обслуживании самолетов, а свободная силовая турбина низкого давления может быть выполнена по типу энергетических газовых и паровых турбин с высокими межремонтными ресурсами [8].
Еще одно дополнительное отличие описанного способа (по пунктам 4 и 5 формулы) заключается в том, что отбор полезной мощности ведут от одной из газовых турбин, то есть от турбины высокого или от турбины низкого давления.
Сосредоточение полезной мощности на одной из газовых турбин (при наличии такой возможности и конкретном сочетании оборудования в реализующей способ установке) уменьшает длину валопроводов (до 2 или 3 агрегатов на одном валу), что в некоторых случаях может являться принципиально важным упрощением конструкции и этим, по крайней мере, повышает ее надежность.
Кроме того, дополнительное преимущество возникает при соединении полезной нагрузки механической связью с газовой турбиной низкого давления, так как при отключении по какой-либо причине газовой турбины высокого давления может продолжать работать с пониженной мощностью контур низкого давления, включающий газогенератор (АГТУ), газовую турбину низкого давления и паровую турбину.
Еще одно дополнительное отличие описанного способа (по пунктам 4, 5 и 7 формулы) заключается в том, что расширение рабочего тела в газовой турбине низкого давления ведут до давления ниже атмосферного за счет создания разряжения в котле-утилизаторе при помощи дымососа, привод которого осуществляют за счет расширения пара в отдельной, преимущественно конденсационной, паровой турбине.
Перерасширение рабочего тела в газовой турбине низкого давления за счет создания разрежения в котле-утилизаторе увеличивает КПД цикла из-за увеличения мощности газовой турбины низкого давления даже с учетом затрат энергии на привод дымососа, тем более, что для привода можно использовать пар с параметрами ниже тех, что используются в энергетическом цикле, то есть часть пара с выхлопа противодавленческой паровой турбины. Эта часть пара при расширении до давления в конденсаторе, существенно более низкого, чем давление за газовой турбиной низкого давления, произведет больше полезной работы и этим увеличит КПД цикла. При этом упрощается балансирование производства и потребления пара в цикле, особенно на переменных режимах.
Еще одно дополнительное отличие способа (по пунктам 4, 5, 7 и 8 формулы) заключается в том, что на выходе газов из котла-утилизатора производят улавливание водяного пара из рабочего тела в оросительном конденсаторе с возвращением воды в энергетический цикл.
Возвращение в цикл воды, требующей незначительной доочистки, помимо уменьшения затрат на водоснабжение, увеличивает КПД цикла за счет уменьшения тепловой потери с уходящими газами, так как их температура снижается против обычного на 60-70 К. Ведение процесса конденсации при пониженном давлении в соответствии с пунктом 8 формулы изобретения интенсифицирует процесс конденсации в оросительном конденсаторе, что позволяет уменьшить его объем и удешевить реализующую способ установку.
На фиг.1 изображена схема комбинированного цикла выработки энергии, включающая следующие элементы: 1 - воздухоподготовительное устройство; 2 - газогенератор (АГТД), состоящий из компрессора с приводящей его турбиной; 3 - топливо (жидкое или газообразное); 4 - камера сгорания газогенератора; 5 - камера сгорания низкого давления; 6 - газовая турбина низкого давления (свободная силовая турбина); 7 - полезная нагрузка (электрогенератор); 8 - котел-утилизатор; 9 - выход газов через шумоглушитель в дымовую трубу; 10 - перегретый водяной пар; 11 - паровая конденсационная турбина; 12 - конденсатор; 13 - охлаждающая вода; 14 -питательный насос; 15 - подпиточная вода; 16 - воздушный компрессор; 17 - пусковой сепаратор-осушитель; 18 - камера сгорания высокого давления; 19 - газовая турбина высокого давления (свободная силовая турбина).
На фиг.2 изображена схема совмещенного комбинированного цикла выработки энергии, включающая, помимо изображенных на фиг.1, новые элементы: 20 - разъединительная муфта; 21 - ввод пара в камеру сгорания высокого давления.
На фиг.3 изображен вариант схемы, аналогичной схеме на фиг.2, включающий следующие новые элементы: 22 - ввод пара в камеру сгорания низкого давления (преимущественно для подавления образования оксидов азота - экологический впрыск); 23 - паровая противодавленческая турбина.
На фиг.4 изображен вариант схемы, эквивалентной схеме на фиг.1, с таким расположением турбин, компрессора и полезной нагрузки, которое поясняет возможность их механического соединения и разъединения при возникновении такой необходимости.
На фиг.5 изображен вариант схемы, аналогичной схеме на фиг.3, включающий новый элемент: 24 - дымосос.
На фиг.6 изображен вариант схемы, аналогичной схеме на фиг.3, включающий следующие новые элементы: 25 - контактный конденсатор оросительного типа; 26 - деаэратор; 27 - поверхности экономайзера; 28 - поверхности испарителя; 29 - барабан котла; 30 - циркуляционный насос; 31 -поверхности пароперегревателя; 32 - подогреватель сетевой воды.
На фиг.7 изображен котел-утилизатор, включающий следующие элементы: 27 и 28 - водяные теплообменные поверхности; 31 - теплообменные поверхности обособленного пароперегревателя; 33 - стенки основного газохода; 34 - газоход выносного пароперегревателя; 35 - устройство дожигания топлива; 36 - боковая перегородка выносного пароперегревателя; 37 - свободный канал для газов; 38 - подвижная створка, закрепленная на оси на перегородке; 39 - механизм поворота и фиксации створок пароперегревателя; 40 - крайнее горелочное устройство (остальные элементы имеют ту же нумерацию, что и на фиг.6).
В показанной на фиг.1 схеме комбинированного цикла выработки энергии атмосферный воздух, пройдя через воздухоподготовительное устройство (обеспечивающее пылеочистку, шумоглушение, антиобледенительный подогрев зимой и возможное испарительное охлаждение летом), последовательно сжимается в ступенях воздушного компрессора газогенератора 2 (которым может служить конвертированный авиадвигатель), приводимых соответствующими газотурбинными ступенями, горячие газы для которых образуются при помощи сжигания топлива 3 в камере сгорания 4. Выхлопные газы из турбины газогенератора 2, содержащие около 18% кислорода, поступают в камеру сгорания низкого давления 5, куда подается топливо 3, а горючие газы оттуда поступают в газовую турбину низкого давления 6, являющуюся приводом полезной нагрузки 7, например, электрогенератора. Выхлопные газы из турбины 6 поступают при температуре около 650-900 К и давлении, превышающем атмосферное на 20-30 кПа, в котел-утилизатор 8, где отдают свое тепло водопаровому контуру, и через шумоглушитель выходят в дымовую трубу 9. Перегретый пар 10 из котла-утилизатора 8 поступает в голову паровой турбины 11, на выхлопе которой установлен конденсатор 12, охлаждаемый технической водой 13. Образованный в конденсаторе 12 конденсат при помощи питательного насоса 14 возвращается в котел-утилизатор 8, восполняющий потери при помощи очищенной подпиточной воды 15.
Нагрузкой паровой турбины 11 является воздушный турбокомпрессор высокого давления 16, забирающий воздух через устройство 1 и направляющий его через сепаратор-осушитель воздуха 17 (необходимый в период холодного пуска), в камеру сгорания высокого давления 18, где происходит сжигание топлива 3 с образованием рабочего тела высокого давления, которое поступает в газовую турбину высокого давления 19 соединенную механической связью с турбиной 6 и нагрузкой 7. Выхлопные газы из турбины 19, поступают в камеру сгорания 5, суммируясь с рабочим телом газогенератора 2 и увеличивая снимаемую с турбины 6 полезную мощность.
Для увеличения полезной мощности газовой турбины высокого давления 19 перед котлом-утилизатором 8 сжигают дополнительное топливо 3, что увеличивает расход пара (а при необходимости и его параметры) через паровую турбину 11, а следовательно, ее обороты, а также производительность и давление воздушного турбокомпрессора 16, что увеличивает расход рабочего тела через газовую турбину высокого давления и степень расширения газов в ней и, соответственно, ее мощность и долю цикла Брайтона в общей мощности парогазового цикла.
В показанной на фиг.2 схеме совмещенного комбинированного цикла выработки энергии газогенератор (АГТД) работает аналогично описанному в предыдущем примере, как и турбины 6, 19, компрессор 16 и котел-утилизатор 8, за исключением того, что перегретый пар из котла-утилизатора 8 подается не в отсутствующую паровую турбину, а в камеру сгорания 18 (в зону ее охлаждения, за исключением небольшого количества пара на экологический впрыск в зону горения). Выхлопные газы турбины 19 подаются в зону охлаждения камеры сгорания 5, так как имеют пониженное содержание кислорода из-за разбавления их водяным паром. Форсирование паропроизводительности котла-утилизатора 8 также может быть произведено за счет дожигания перед ним топлива 3. Муфта 20 позволяет избежать трудностей с изготовлением длинного валопровода.
Показанная на фиг.3 схема аналогична схеме на фиг.2, но включает предварительное расширение перегретого пара высокого давления в предвключенной противодавленческой паровой турбине 23 с отбором из нее пара в камеру сгорания 18 (и подачей в случае необходимости пара с ее выхлопа в камеру сгорания 5 для подавления эмиссии NOx), что обеспечивает выработку дополнительной полезной энергии при подключении турбины 23 к полезной нагрузке 7. Дополнительное сжигание топлива 3 перед котлом-утилизатором 8 в этой схеме следует рассматривать не как форсированный режим, а как постоянный режим работы при температуре выхлопных газов турбины 6 ниже 850 К, так как оптимальные параметры перегретого пара составляют около 10 МПа/820 К.
Показанная на фиг.4 схема эквивалентна схеме на фиг.1, но турбины расположены таким образом, чтобы продемонстрировать возможность создания комбинаций валопроводов, позволяющих продолжать работу ПГУ при останове турбины 19. Останов может быть вызван как необходимостью временно снизить вырабатываемую мощность (например, из-за отсутствия потребности или ремонта передающей мощность электросети), так и необходимостью ремонта агрегатов турбины 19 (работающих при наиболее высоких температурах в цикле, и поэтому имеющих наименьший межремонтный ресурс). Для сохранения в работе контура низкого давления цикла (газогенератор 2, камера сгорания 5, турбина 6, утилизатор 8, паровая турбина 11 и полезная нагрузка 7) турбина 19 расцепляется с валом турбины 6 при помощи разъединительной муфты 20, а паровая турбина 11 таким же образом расцепляется с компрессором 16 с одного конца своего вала и соединяется муфтой с другого конца своего вала со свободным концом вала полезной нагрузки 7. Тогда газогенератор 2 обеспечивает воздухом камеру сгорания 5 и рабочим телом турбину 6, а котел-утилизатор при помощи дожигания перед ним топлива 3 обеспечивает паром турбину 11, которая вместе с турбиной 6 с двух концов приводит во вращение вал полезной нагрузки 7.
Показанная на фиг.5 схема аналогична схеме на фиг.3, но включает перерасширение рабочего тела в турбине 6 за счет создания разряжения в котле-утилизаторе 8 при помощи дымососа 24, приводимого от отдельной конденсационной паровой турбины малой мощности 11, пар в голову которой целесообразно подавать с выхлопа турбины 23, что создает дополнительные удобства для балансирования генерации и потребления пара в цикле. Поскольку степень расширения пара в конденсационной турбине 11 приблизительно в 15 раз больше, чем в турбине 6, эффективность использования этой части выхлопного пара существенно выше и этим дополнительно повышает КПД цикла (помимо повышения КПД и мощности цикла за счет увеличения степени расширения рабочего тела в турбине 6).
Отбор полезной мощности ведут по этой схеме от газовой турбины высокого давления, а газовая турбина низкого давления является приводом воздушного компрессора высокого давления, из которого можно отбирать избытки воздуха внешним потребителям.
Показанная на фиг.6 схема аналогична схеме на фиг.5, но включает дополнительное охлаждение газов на выходе из котла-утилизатора 8 в контактном оросительном конденсаторе паров воды 25 известной конструкции [2]. Полученный конденсат, насыщенный растворенными газами, освобождается от них в деаэраторе 26 и частично возвращается после охлаждения технической водой 13 в форсунки оросительного устройства конденсатора 25. Другая часть деаэрированного конденсата питательным насосом 14 подается в экономайзер 27 и испаритель 28 котла-утилизатора 8. В испарительном контуре, включающем барабан 29, поддерживается при помощи насоса 30 вынужденная циркуляция. Отсепарированный в барабане 29 насыщенный пар перегревается в пароперегревателе 31.
Если процесс деаэрации ведется не при вакууме, то целесообразно перед конденсатором 25 для уменьшения тепловой нагрузки на него дополнительно охладить газы при помощи подогревателя сетевой воды 32.
Ведение процесса конденсации паров воды облегчается при понижении давления в конденсаторе 25 (достигаемом при помощи дымососа 24), что позволяет уменьшить его размеры и стоимость. При низкой температуре охлаждающей воды (например, в зимнее время) образование конденсата может превысить ввод в цикл воды (от впрыска пара в камеры сгорания) из-за образования молекул Н2О в процессе горения углеводородного топлива и кислорода воздуха. В местах с недостаточным водоснабжением подобные ПГУ могут служить источником чистой пресной воды.
Отбор полезной мощности ведут при этом от газовой турбины низкого давления, а газовая турбина высокого давления обеспечивает сжатие воздуха в компрессоре высокого давления.
Из показанной на фиг.7 схемы котла-утилизатора видно, что входящие в него горячие газы имеют возможность пройти как через теплообменные поверхности пароперегревателя 31, так и через боковые каналы 37, образуемые стенками газохода 33 утилизатора и перегородками 36 пароперегревателя. Для регулирования расхода газов через пароперегреватель служат подвижные створки 38, закрепленные на перегородках 36 перегревателя и вызывающие при их некотором раскрытии навстречу потоку газов дополнительное гидравлическое сопротивление в боковых каналах 37 и этим создающие необходимое соотношение расхода газов через газоход перегревателя 34 и мимо него через свободные боковые каналы 37.
Установленное напротив газохода 34 дожигающее устройство 35 состоит из отдельных микрофакельных горелочных устройств, расположенных над индивидуальными рассекателями потока уголкового типа, общую для всех горелочных устройств систему розжига и контроля пламени, регулирования параметров и контроля подачи топлива. Крайние из этих горелочных устройств 40 расположены напротив боковых перегородок 36 на входе в газоход 34 таким образом, чтобы синхронное перемещение створок 38 в противоположные стороны отклоняло подогретые в дожигающем устройстве 35 газы по большей части или в пароперегреватель 31 или в боковые каналы 37.
При смыкании створок 38 большая часть газов из крайних горелочных устройств 40, минуя газоход пароперегревателя 34 по свободным каналам 37, попадает сразу на теплообменные поверхности испарителя 28.
Это дает возможность регулировать паропроизводительности котла-утилизатора 8 в широком диапазоне при сохранении оптимальной температуры пара на выходе из пароперегревателя 31 или изменять также и параметры генерируемого пара. Даже при отсутствии подачи топлива в дожигающее устройство 35 положение створок 38 может увеличить паропроизводительность при уменьшенной температуре перегрева пара (створки 38 повернуты вовнутрь) относительно нейтрального положения створок 38 (близкого к вертикальному) или, наоборот, уменьшить паропроизводительность при увеличенной температуре перегрева пара (створки 38 повернуты к стенкам газохода 33), так как при этом изменяется доля горячих газов, отдающая свое тепло в пароперегревателе 31, и количество тепла, воспринимаемое поверхностями испарителя 28. При подаче топлива в центральную часть дожигающего устройства 35 почти все вносимое дополнительное тепло получит пароперегреватель 31. При подаче топлива в периферические горелочные устройства 40 распределение вносимого тепла между пароперегревателем 31 и испарителем 28 зависит от положения створок 38.
Комбинации включения горелочных устройств, положения створок и небольшое регулирование расхода топлива в дожигающем устройстве позволяют в широком диапазоне изменять основные характеристики утилизатора наиболее надежным образом, так как при этом используются простые механические элементы и действия (расположение пароперегревателя в выделенном перегородками объеме внутри газохода утилизатора, механически фиксируемые створки, функционирование арматуры, регулирующей подачу топлива в горелочные устройства, в основном, в положении "открыто" или "закрыто"). Это удешевляет создание и эксплуатацию такого утилизатора, так как не требует выполнения отдельного газохода для выносного пароперегревателя, отдельных систем контроля и управления различными группами горелочных устройств.
Источники информации
1. Попырин Л.С., Смирнов И.А., Щеглов А.Г., Дильман М.Д. Повышение эффективности работы парогазовых ТЭЦ в зимнее время // Теплоэнергетика, 2000, №12.
2. Романов В., Коваленко А., Кривуца В., Лупандин В. Экологически чистая технология "Водолей" для получения электрической и тепловой энергии // Газотурбинные технологии, 2001, №1 (10).
3. В.Клименко, Ю.Клименко, А.Мазур. Парогазовые установки с дожиганием топлива на базе двигателя АЛ-31СТЭ // Газотурбинные технологии, 2002, №1 (16).
4. Патент РФ №2094636, МКИ F 02 C 7/08.
5. Патент РФ №2078229, МКИ F 02 C 6/18.
6. Батенин В., Масленников В. О стратегии развития энергетики России // Газотурбинные технологии, 1999, №3.
7. В.А.Зысин. Комбинированные парогазовые установки и циклы // М.-Л.:ГЭИ, 1962.
8. О.Васин, О.Комаров, Б.Ревзин. Варианты конструкции свободной силовой турбины ГТУ // Газотурбинные технологии, 2002, №1 (16).
Формула изобретения
1. Способ получения полезной энергии в комбинированном цикле, включающий сжатие воздуха в компрессоре до высокого давления, сжигание в его среде топлива в камере сгорания высокого давления для последующего расширения до низкого давления в свободной силовой газовой турбине высокого давления с образованием выхлопных газов, сжигание их в среде топлива в камере сгорания низкого давления, расширение образованных газов в свободной силовой турбине низкого давления и утилизацию их тепла с получением перегретого энергетического пара, расширение этого пара в паровой турбине и снятие полезной энергии со свободной силовой турбины, отличающийся тем, что между ступенями высокого и низкого давлений свободной силовой турбины выполняют механическую связь, в камеру сгорания низкого давления подают дополнительное количество газов из отдельного газотурбинного двигателя, выполняющего функцию газогенератора, а расширение пара в паровой турбине используют для сжатия воздуха в компрессоре.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что регулирование количества получаемой полезной энергии ведут при помощи изменения расхода и температуры пара на входе в паровую турбину за счет дожигания дополнительного топлива в потоке выхлопных газов перед утилизацией их тепла.
3. Способ получения полезной энергии в совмещенном комбинированном цикле, включающий сжатие воздуха в компрессоре до высокого давления, сжигание в его среде топлива в камере сгорания высокого давления, смешение с водяным паром, подачу образованного рабочего тела для расширения в газовой турбине высокого давления, сжигание в его среде топлива в камере сгорания низкого давления, расширение образованных газов в газовой турбине низкого давления, отбор полезной мощности, по крайней мере, от одной из газовых турбин, утилизацию тепла выхлопных газов с получением водяного пара в котле-утилизаторе, введение в цикл дополнительного рабочего тела за счет сжигания дополнительного количества топлива, отличающийся тем, что дополнительное количество топлива сжигают в камере сгорания отдельного газотурбинного газогенератора, выхлопные газы которого направляют в камеру сгорания низкого давления.
4. Способ по п.3, отличающийся тем, что пар из котла-утилизатора предварительно расширяют в имеющей механическую связь с полезной нагрузкой паровой турбине от начального давления до промежуточного давления с отбором, по крайней мере, части пара в камеру сгорания высокого давления, оставшуюся часть пара расширяют до давления на выхлопе паровой турбины и направляют в камеру сгорания низкого давления.
5. Способ по одному из п.3 или 4, отличающийся тем, что расширение рабочего тела в газовой турбине низкого давления ведут до давления ниже атмосферного за счет создания разряжения в котле-утилизаторе при помощи дымососа, привод которого осуществляют за счет расширения пара в отдельной, преимущественно конденсационной, паровой турбине.
6. Способ по одному из пп.3-5, отличающийся тем, что на выходе газов из котла-утилизатора производят улавливание водяного пара из рабочего тела в оросительном конденсаторе с возвращением воды в энергетический цикл.
7. Водопаровой утилизатор тепла горячих газов с выносным пароперегревателем, имеющим на входе в пароперегреватель устройство дожигания дополнительного топлива, а на выходе - газоход, соединенный с общим газоходом, где расположены остальные теплообменные поверхности утилизатора, отличающийся тем, что пароперегреватель расположен внутри общего газохода, выделен с боков перегородками в отдельный объем, имеющий открытые вход и выход газов и свободные каналы для газов между перегородками и стенками общего газохода, перегородки снабжены подвижными направляющими поток газов элементами, осуществляющими путем поворота и фиксации в заданном положении регулирование расхода горячих газов через пароперегреватель из устройства дожигания, которое состоит из отдельных горелочных устройств, расположенных на входе в выделенный объем так, что крайние горелочные устройства находятся напротив боковых перегородок.
РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7
