Способ работы парогазовой энергетической установки и устройство для его осуществления

Изобретение относится к энергетике. Способ работы парогазовой энергетической установки, при котором охлаждение расширенного рабочего тела, после выработки пара, производят в теплофикационном теплообменнике, а конденсацию его паровой составляющей осуществляют в контактном охладителе-конденсаторе за счет впрыска охлаждающей воды; меньшую часть выработанного пара расширяют в паровой турбине до давления, превышающего давление сжатого воздуха в камере сгорания, а его большую часть до давления, превышающего давление в камере дожигания; тепловую энергию сжатого осушенного рабочего тела утилизируют для подогрева части водного конденсата, используемого для генерирования пара. Также представлена парогазовая энергетическая установка для осуществления способа. Изобретение позволяет повысить удельную мощность и термодинамическую эффективность парогазовой энергетической установки. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области энергетики, в частности к способам работы энергетических газопаровых циклов, и может применяться на тепловых электростанциях. Известен способ выработки энергии в парогазовой энергетической установке, включающий сжатие атмосферного воздуха, сжигание в нем топлива, расширение продуктов сгорания топлива (рабочего тела) в газовой турбине высокого давления с использованием ее работы для сжатия атмосферного воздуха, подогрев рабочего тела в камере дожигания, его расширение в газовой турбине низкого давления, приводящей электрогенератор, утилизацию тепловой энергии расширенного рабочего тела для выработки пара с последующим расширением полученного пара в паровой турбине, подачу пара в камеру дожигания, охлаждение рабочего тела с извлечением из него водного конденсата, выброс осушенного рабочего тела в атмосферу, использование полученного водного конденсата при генерировании пара (см. патент РФ №2273740, кл. F01K 21/04 от 10.04.2006). Недостатком этого способа является его недостаточная термодинамическая эффективность.

Наиболее близким к заявленному является способ получения энергии в парогазовой энергетической установке, включающий сжатие воздуха, его подогрев со сжиганием топлива в камере сгорания, расширение подогретого рабочего тела в турбине газогенератора с использованием полученной механической энергии для сжатия воздуха, подогрев рабочего тела в камере дожигания, расширение в силовой турбине рабочего тела до давления ниже атмосферного, охлаждение рабочего тела с утилизацией его тепловой энергии для выработки пара и для теплофикации, расширение выработанного пара в паровой турбине с подачей его меньшей части в камеру сгорания, перегрев большей части этого пара с его подачей в камеру дожигания, извлечение из паровой составляющей расширенного рабочего тела водного конденсата с его использованием при генерировании пара, сжатие осушенного рабочего тела и его выброс в атмосферу, использование полученной механической энергии силовой турбины для генерирования электроэнергии и для сжатия осушенного рабочего тела (см. патент РФ №2309264, кл. F01K 21/04, 2006.01). Парогазовая энергетическая установка, реализующая этот способ, содержит компрессор, камеру сгорания, турбину газогенератора, камеру дожигания, свободную силовую турбину, паровую турбину, электрогенератор, компрессор выхлопного газа, утилизационный котел включающий пароперегреватель, испаритель-экономайзер, теплофикационный теплообменник, охладитель-конденсатор. Компрессор связан валом с турбиной газогенератора. Выход компрессора через камеру сгорания сообщен с входом турбины газогенератора, выход которой через камеру дожигания и свободную силовую турбину сообщен с утилизационным котлом. Выход охладителя-конденсатора утилизационного котла по рабочему телу связан через компрессор выхлопного газа с атмосферой. По конденсату выход охладителя-конденсатора связан через испаритель-экономайзер с входом паровой турбины, выход которой сообщен по пару с камерой сгорания и с входом пароперегревателя утилизационного котла. Выход пароперегревателя сообщен по пару с камерой дожигания. Описанный способ получения энергии в парогазовой энергетической установке принят за прототип предлагаемого изобретения.

Недостатками данного способа является недостаточно высокая термодинамическая эффективность парогазовой энергетической установки из-за относительно низкой мощности и выработки электроэнергии паровой турбиной, подающей расширившийся пар в камеру сгорания при его давлении, превышающем давление сжатого воздуха в камере сгорания, кроме того, из-за низкой температуры конденсации паровой составляющей расширенного рабочего тела практически невозможно осуществление конденсации паровой составляющей за счет подогрева сетевой воды для целей теплофикации. В способе не предусмотрена утилизация теплоты при выбросе в атмосферу подогретого при сжатии осушенного рабочего тела.

Технический результат, достигаемый заявленным изобретением, - повышение удельной мощности и термодинамической эффективности способа работы парогазовой энергетической установке за счет увеличения загрузки паровой турбины и утилизации тепловой энергии сжатого осушенного рабочего тела.

Технический результат достигается тем, что в способе работы парогазовой энергетической установки, включающем сжатие воздуха, его подогрев со сжиганием топлива в камере сгорания, расширение подогретого рабочего тела в турбине газогенератора с использованием полученной механической энергии для сжатия воздуха, подогрев рабочего тела в камере дожигания, расширение рабочего тела в силовой турбине до давления ниже атмосферного, охлаждение рабочего тела с утилизацией его тепловой энергии для выработки пара и для теплофикации, расширение выработанного пара в паровой турбине с подачей его меньшей части в камеру сгорания, перегрев большей части этого пара с его подачей в камеру дожигания, извлечение из паровой составляющей расширенного рабочего тела водного конденсата с его использованием при генерировании пара, сжатие осушенного рабочего тела и его выброс в атмосферу, использование полученной механической энергии силовой турбины для генерирования электроэнергии и для сжатия осушенного рабочего тела, причем охлаждение расширенного рабочего тела, после выработки пара, производят в теплофикационном теплообменнике, а конденсацию его паровой составляющей осуществляют в контактном охладителе-конденсаторе за счет впрыска охлаждающей воды; меньшую часть выработанного пара расширяют в паровой турбине до давления, превышающего давление сжатого воздуха в камере сгорания не менее чем на 20%, а его большую часть до давления, превышающего давление в камере дожигания не менее чем на 20%; тепловую энергию сжатого осушенного рабочего тела утилизируют для подогрева части водного конденсата, используемого для генерирования пара, а парогазовая энергетическая установка, реализующая способ работы парогазовой энергетической установки, содержит компрессор, камеру сгорания, турбину газогенератора, камеру дожигания, свободную силовую турбину, паровую турбину, электрогенератор, компрессор выхлопного газа, утилизационный котел, включающий пароперегреватель, утилизационный парогенератор, теплофикационный теплообменник, охладитель-конденсатор; компрессор связан валом с турбиной газогенератора, свободная силовая турбина связана общим валом с электрогенератором, паровой турбиной и компрессором выхлопного газа, выход компрессора через камеру сгорания сообщен с входом турбины газогенератора, выход которой через камеру дожигания и свободную силовую турбину сообщен с утилизационным котлом, выход охладителя-конденсатора связан по рабочему телу через компрессор выхлопного газа с атмосферой, выход охладителя-конденсатора связан по конденсату через утилизационный парогенератор с входом паровой турбины, которая сообщена по пару с камерой сгорания и камерой дожигания, дополнительно применены теплообменник, контактный охладитель-конденсатор, бак сбора конденсата, охладитель конденсата, паровая турбина выполнена с промежуточным отбором пара; теплофикационный теплообменник размещен по ходу рабочего тела за утилизационным парогенератором, бак сбора конденсата соединен на входе по конденсату с контактным охладителем-конденсатором, а на выходе связан одним конденсатопроводом через дополнительный теплообменник с входом утилизационного парогенератора, а вторым конденсатопроводом через охладитель конденсата с входом контактного охладителя-конденсатора, теплообменник установлен в трубопроводе сжатого осушенного рабочего тела, его вход связан по конденсату с баком сбора конденсата, а на выходе - с входом утилизационного парогенератора.

На чертеже показана схема парогазовой энергетической установки, работающей в соответствии с заявленным способом. Парогазовая энергетическая установка, работающая в соответствии с заявленным способом изображенная на Фиг.1, содержит компрессор 1, камеру сгорания 8, турбину газогенератора 2, камеру дожигания 9, свободную силовую турбину 3, электрогенератор 4, паровую турбину 5, трубопровод отборного пара 6, компрессор выхлопного газа 7, камеру сгорания 8, камеру дожигания 9, выхлопной газоход 10, паропровод пара низкого давления 11, паропровод высокого давления 12, газоход осушенного рабочего тела 13, пароперегреватель низкого давления 14, утилизационный парогенератор 15, газоход сжатого осушенного рабочего тела 16, теплофикационный подогреватель 17, теплообменник 18, контактный охладитель-конденсатор 19, сборный бак 20, трубопровод конденсата 21, охладитель 22, утилизационный котел 23. Компрессор 1 связан валом с турбиной газогенератора 2, выход компрессора 1 через камеру сгорания 8 сообщен с входом турбины газогенератора 2, выход которой через камеру дожигания 9 и свободную силовую турбину 3 сообщен выхлопным газоходом 10 с утилизационным котлом 23. Выход утилизационного котла 23 по рабочему телу через охладитель-конденсатор 19 сообщен газоходом осушенного рабочего тела 13 с компрессором 7 выхлопного газа, выход которого газоходом сжатого осушенного рабочего тела 16 связан с атмосферой через теплообменник 18. Выход контактного охладителя-конденсатора 19 по конденсату (по воде) через сборный бак 20 и трубопровод конденсата 21 сообщен через теплообменник 18 с входом утилизационного парогенератора 15, а так же через охладитель 22 связан с контактным охладителем-конденсатором 19. Выход утилизационного парогенератора 15 соединен паропроводом высокого давления 12 с входом паровой турбины 5. Промежуточный отбор этой турбины трубопроводом отборного пара 6 связан с камерой сгорания 8, а ее выход паропроводом пара низкого давления 11 соединен через пароперегреватель низкого давления 14 с камерой дожигания 9. Свободная силовая турбина 3 связана общим валом с электрогенератором 4, паровой турбиной 5 и компрессором выхлопного газа 7. Теплофикационный подогреватель 17 связан с трубопроводами сетевой воды теплосети. Заявленный способ получения энергии в парогазовой энергетической установке осуществляется следующим образом.

При работе парогазовой энергетической установки атмосферный воздух сжимают компрессором 1 и направляют в камеру сгорания 8. В камере 8 сжигают топливо. Продукты сгорания в камере сгорания 8 смешиваются с паром, поступающим по трубопроводу отборного пара 6 из промежуточного отбора пара паровой турбины 5 с давлением, превышающим давление в камере сгорания 8 не менее чем на 20%. Парогазовую смесь с небольшим содержанием пара подают из камеры сгорания 8 на вход турбины 2 газогенератора, приводящей компрессор 1. Парогазовую смесь с выхода турбины 2 газогенератора подают в камеру дожигания 9, где за счет сжигания топлива осуществляют ее подогрев. Парогазовая смесь в камере дожигания 9 смешивается с паром, поступающим с выхода пароперегревателя низкого давления 14, куда он подается по паропроводу пара низкого давления 11 с выхода паровой турбины 5. Давление этого пара превышает давление рабочего тела в камере дожигания 9 не менее чем на 20%. Подогретое в камере дожигания 9 рабочее тело (парогазовую смесь) с большим содержанием пара подают на вход свободной силовой турбины 3 и расширяют в ней до давления ниже атмосферного, механическую работу свободной силовой турбины 3 используют для производства электроэнергии путем привода во вращение электрогенератора 4 и для привода компрессора выхлопного газа 7. Частично охлажденную в свободной силовой турбине 3 парогазовую смесь подают на вход утилизационного котла 23, где она отдает свою тепловую энергию пароперегревателю 14 для перегрева пара низкого давления и утилизационному парогенератору 15 для генерирования в нем пара высокого давления. Охлажденная в нем парогазовая смесь дополнительно охлаждается в теплофикационном подогревателе 17, нагревая сетевую воду теплосети. Парогазовая смесь, выходящая из теплофикационного подогревателя 17, поступает на вход контактного охладителя-конденсатора 19, где производят ее доохлаждение до температуры, обеспечивающей конденсацию пара за счет впрыска в нее основной части конденсата предварительно охлажденного в охладителе 22. Холодный выхлопной газ с выхода по газовой стороне контактного охладителя-конденсатора 19 подают по газоходу осушенного рабочего тела 13 на вход в компрессор 7 выхлопного газа. В нем осуществляют сжатие выхлопного газа до давления, близкого к атмосферному, и через газоход сжатого осушенного рабочего тела 16 и теплообменник 18 выбрасывают в атмосферу. В теплообменнике 18 производят частичный подогрев конденсата перед утилизационным парогенератором 15. Конденсат из сборного бака 20 по трубопроводу конденсата 21 подают на вход в утилизационный парогенератор 15, вырабатываемый в нем перегретый пар высокого давления по паропроводом высокого давления 12 направляют на вход паровой турбины 5. Полезную работу паровой турбины 5 используют для привода компрессора 7 выхлопного газа и электрогенератора 4.

1. Способ работы парогазовой энергетической установки, включающий сжатие воздуха, его подогрев со сжиганием топлива в камере сгорания, расширение подогретого рабочего тела в турбине газогенератора с использованием полученной механической энергии для сжатия воздуха, подогрев рабочего тела в камере дожигания, расширение рабочего тела в силовой турбине до давления ниже атмосферного, охлаждение рабочего тела с утилизацией его тепловой энергии для выработки пара и для теплофикации, расширение выработанного пара в паровой турбине с подачей его меньшей части в камеру сгорания, перегрев большей части этого пара с его подачей в камеру дожигания, извлечение из паровой составляющей расширенного рабочего тела водного конденсата с его использованием при генерировании пара, сжатие осушенного рабочего тела и его выброс в атмосферу, использование полученной механической энергии силовой турбины для генерирования электроэнергии и для сжатия осушенного рабочего тела, отличающийся тем, что охлаждение расширенного рабочего тела, после выработки пара, производят в теплофикационном теплообменнике, а конденсацию его паровой составляющей осуществляют в контактном охладителе-конденсаторе за счет впрыска охлаждающей воды; меньшую часть выработанного пара расширяют в паровой турбине до давления, превышающего давление сжатого воздуха в камере сгорания не менее чем на 20%, а его большую часть до давления, превышающего давление в камере дожигания не менее чем на 20%; тепловую энергию сжатого осушенного рабочего тела утилизируют для подогрева части водного конденсата, используемого для генерирования пара.

2. Парогазовая энергетическая установка, реализующая способ работы парогазовой энергетической установки по п.1, содержащая компрессор, камеру сгорания, турбину газогенератора, камеру дожигания, свободную силовую турбину, паровую турбину, электрогенератор, компрессор выхлопного газа, утилизационный котел, включающий пароперегреватель, утилизационный парогенератор, теплофикационный теплообменник, охладитель-конденсатор; компрессор связан валом с турбиной газогенератора, свободная силовая турбина связана общим валом с электрогенератором, паровой турбиной и компрессором выхлопного газа, выход компрессора через камеру сгорания сообщен со входом турбины газогенератора, выход которой через камеру дожигания и свободную силовую турбину сообщен с утилизационным котлом, выход охладителя-конденсатора связан по рабочему телу через компрессор выхлопного газа с атмосферой, выход охладителя-конденсатора связан по конденсату через утилизационный парогенератор с входом паровой турбины, которая сообщена по пару с камерой сгорания и камерой дожигания, отличающийся тем, что дополнительно применены теплообменник, контактный охладитель-конденсатор, бак сбора конденсата, охладитель конденсата, паровая турбина выполнена с промежуточным отбором пара; теплофикационный теплообменник размещен по ходу рабочего тела за утилизационным парогенератором, бак сбора конденсата соединен на входе по конденсату с контактным охладителем-конденсатором, а на выходе связан одним конденсатопроводом через дополнительный теплообменник с входом утилизационного парогенератора, а вторым конденсатопроводом через охладитель конденсата с входом контактного охладителя-конденсатора, теплообменник установлен в трубопроводе сжатого осушенного рабочего тела, его вход связан по конденсату с баком сбора конденсата, а выход с входом утилизационного парогенератора.