Способ производства электрической энергии в комбинированной газопаросиловой установке и газопаросиловая установка

 

В способе для безвредного для окружающей среды производства электроэнергии в комбинированной газопаросиловой установке с помощью эффективного расширения рабочего агента высокого давления в газовой турбине и от перегретого пара, имеющего высокое давление, парового котла, использующего в качестве топлива природные ископаемые, в паровой турбине предлагается, что заметное тепло эффективно расширенного рабочего агента газовой турбины переносится на воздух для сжигания топлива парового котла и что часть расширенного и охлажденного рабочего агента газовой турбины смешивается с подлежащим сжатию первичным воздухом газовой турбины. Отобранный из парового котла пар перед своим расширением далее нагревается в теплообменнике, расположенном в топочной камере дополнительной вихревой топки. Дымовые газы вихревой топки вводятся в топочную камеру парового котла. 2 с. и 8 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к способу безвредного для окружающей среды производства электрической энергии в комбинированной газопаросиловой установке с помощью эффективного расширения рабочего агента высокого давления в газовой турбине и от перегретого пара высокого давления в паровом котле, использующем в качестве топлива природные ископаемые, в паровой турбине, а также к газопаросиловой установке.

В известных способах для комбинированного производства электроэнергии с применением газовых и паровых турбин сжатый рабочий газ, поступающий в камеру сжигания газовой турбины, отапливаемую жидким топливом или газом, при температуре свыше 1000oC с эффективной мощностью расширяется сначала в газовой турбине, и горячий газ турбины, имеющий еще избыток кислорода, используется в качестве воздуха для сжигания топлива для топочной камеры парового котла. Комбинированные газопаросиловые установки обнаруживают по сравнению с чисто паросиловыми установками улучшенный КПД и вместе с тем ограниченную эмиссию CO2. Избыток кислорода отходящих газов газовой турбины объясняется тем, что для предоставления в распоряжение необходимого для газовой турбины потока массы требуется количество воздуха, сильно превышающее собственное количество воздуха для сжигания топлива. Так как сжигание в камере сжигания происходит при избытке кислорода и высоких температурах, отходящие из газовой турбины газы обнаруживают большую долю оксидов азота, которые делают необходимым соответствующий расчет для установки для удаления азота из дымовых газов парового котла.

С другой стороны, однако, отходящие газы газовой турбины имеют по сравнению с первичным воздухом ограниченное содержание O2. Благодаря этому при равной мощности в паровом котле увеличивается поток массы отходящего газа или дымового газа, проходящий через паровой котел и дополнительно подключенные компоненты, такие как электрофильтр, вытяжка, установка для обессеривания дымового газа, на 50% по сравнению с использованием первичного воздуха для топочной камеры парового котла. Вместе с тем снова повышается собственное потребление мощности электростанции, так что часть улучшенного КПД, полученного благодаря комбинации газовой турбины и топки парового котла, снова расходуется. В топке плавильной камеры возможно лишь и без того ограниченное увеличение потока дымовых газов, т.к. среди прочего на расплав в камере сжигания оказывается негативное влияние. Дополнительное оснащение паросиловой установки с топкой плавильной камеры поэтому невозможно или имеет ограниченную возможность.

Задачей предложенного изобретения является вместе в тем усовершенствование способа вышеупомянутого типа для выработки электроэнергии в комбинированной газопаросиловой установке, как для достижения более высокого КПД и вместе с тем сокращения специфической эмиссии CO2, так и для сокращения эмиссии оксидов азота.

Эта задача, согласно заявленному изобретению, решается таким образом, что заметная теплота эффективно расширенного рабочего агента газовой турбины переносится на воздух для сжигания топлива парового котла.

Благодаря заявленному способу удается использовать теплосодержание турбинных отходящих газов без увеличения потока массы дымовых газов, проходящих через паровой котел и дополнительно подключенные компоненты. Улучшение КПД, достигаемое благодаря комбинации, остается вместе с тем полностью пригодным. Отсюда следует, что благодаря заявленному способу возможно дополнительно оснастить устаревшие установки, оборудованные топками плавильной камеры, более простым способом. Также и образование оксидов азота в камере сжигания газовой турбины можно значительно сократить, если в соответствии с другим признаком изобретения часть эффективно расширенной и охлажденной среды газовой турбины, т.е. обедненного кислородом, по сравнению с первичным воздухом, отходящего газа газовой турбины смешивается с первичным воздухом, подлежащим сжатию, и подается с ним обратно в камеру сжигания газовой турбины. Благодаря этой мере часть первичного воздуха, которая при одном варианте способа была предусмотрена согласно уровню техники существенным образом только как поток массы для газовой турбины, заменяется бедным кислородом отходящим газом газовой турбины, так что сжигание в камере сжигания может происходить при очень незначительном избытке кислорода. Это вновь приводит к тому, что в камере сжигания газовой турбины теперь почти не возникает термических оксидов азота.

Целесообразно не отведенный обратно остаток отходящего газа газовой турбины смешивается с дымовым газом парового котла и вместе с ним отводится через дымовую трубу или охладительную башню. Так как отходящие газы газовой турбины являются теперь практически безвредными, может происходить смешивание с дымовым газом парового котла после очистки дымового газа, так что они, вследствие своей температуры порядка 80oC, способствуют увеличению подъемной силы дымовых газов. Дополнительное повышение КПД достигается, если в соответствии со следующим признаком изобретения отобранный из парового котла пар перед своим расширением далее нагревается в теплообменнике, расположенном в дополнительной вихревой топке. Последующий нагрев пара в дополнительной вихревой топке может происходить, условно, благодаря лучшему теплообмену в вихревом слое, при более ограниченных температурах в топочной камере, чем это было бы возможно в самом паровом котле. Пар может поэтому нагреваться до более высоких температур, а КПД улучшается без возникновения материальных проблем, касающихся труб теплообменника, по которым проходит водяной пар высокого давления.

Выгодным образом дымовые газы вихревого слоя вводятся для дальнейшего уменьшения содержания оксидов азота в топочную камеру парового котла. Введение дымовых газов вихревой топки в паровой котел имеет, кроме уменьшения содержания оксидов азота, то преимущество, что в качестве топлива для вихревой топки могут использоваться также без проблем самостоятельно или в смеси, например, с каменным углем, отходы, содержащие органические вещества. Возникающие и присутствующие одновременно в дымовом газе вредные вещества дополнительно нагреваются в топочной камере парового котла до температуры свыше 1000oC и при этом снова разрушаются.

Согласно следующему признаку изобретения происходит охлаждение отходящих газов газовой турбины до области точки росы, причем по меньшей мере часть воды, выделяющейся в виде конденсата из отходящих газов газовой турбины, обратно поступает к газотурбинной установке и используется в качестве воды, поданной через насадки. Благодаря подаче воды через насадки, с одной стороны, повышается мощность турбины и вместе с тем КПД, с другой стороны - уменьшается концентрация оксидов азота в турбинных отходящих газах, причем согласно изобретению вода, поданная через насадки, снова получается из турбинного отходящего газа и таким образом вводится в цикл.

Часть воды, выделяющейся в виде конденсата из отходящих газов газовой турбины, которая превышает потребность в воде, подаваемой через насадки, и существенным образом получается из сжигания части углеводорода газотурбинного топлива, может вводиться для компенсации, например, потерь из-за утечки, в замкнутый паровой цикл паросиловой установки. Мощность газовой турбины составляет целесообразно не более 20% от мощности всей установки. В этих пределах поток массы воздуха для сжигания топлива парового котла явно больше, чем поток массы отходящих газов газовой турбины. Это означает, что отходящие газы газовой турбины уже в теплообмене с воздухом для сжигания топлива парового котла далее могут охлаждаться до области точки росы и потребность в дополнительной холодопроизводительности уменьшается или в данном случае совсем отпадает.

Комбинированная газопаросиловая установка для осуществления заявленного способа имеет газовую турбину, паровой котел, использующий в качестве топлива природные ископаемые, и паровую турбину и отличается регенеративным теплообменником, который, с одной стороны, интегрирован в трубопровод для отходящих газов для расширенного рабочего агента газовой турбины, а с другой стороны, интегрирован в трубопровод для первичного воздуха парового котла.

Дальнейшее улучшение КПД достигается, когда в вихревой топке предусмотрен теплообменник, вход которого связан с выходом пара парового котла, а выход которого связан с входом пара паровой турбины. Целесообразно предусмотрен соединительный трубопровод между вихревой топкой и топочной камерой парового котла для дымовых газов вихревой отопки.

В варианте, представленном на фиг.1, первичный воздух, подведенный через трубопровод 1, в компрессоре 2 сжимается на 6-20 бар и подводится в качестве воздуха для сжигания топлива в камеру сжигания 3, отапливаемую жидким топливом или газом. Нагретый газ, вырабатываемый в камере сжигания 3, служит в качестве рабочего агента газовой турбины 4, в которой он эффективно расширяется. Газовая турбина 4, со своей стороны, приводит в действие генератор 5, а также компрессор 2.

Температура расширенного рабочего агента, отходящего через трубопровод 22, составляет 300-600oC.

Согласно заявленному изобретению остаточное тепло рабочего агента газовой турбины 4, расширенного и отходящего по трубопроводу 22, переносится на воздух для сжигания топлива парового котла 30, использующего в качестве топлива природные ископаемые. К тому же теплообменник 14, как и представленный на фигуре регенеративный теплообменник, подсоединяется как к трубопроводу 22 для отходящего рабочего агента газовой турбины 4, так и к трубопроводу 18 для воздуха для сжигания топлива парового котла 30. Вместе с тем удается использовать остаточное количество тепла, содержащееся в отходящих газах турбины, для подогрева воздуха для сжигания топлива для парового котла 30, использующего в качестве топлива природные ископаемые, без необходимости увеличивать поток массы дымовых газов, проходящий через паровой котел 30 и дополнительно подключенные компоненты. Заявленный способ газопаросиловой установки, как показано в примере, можно использовать также в устаревших установках, оснащенных плавильной камерой, с помощью простого предварительного включения цикла газовой турбины, т.к. при нагреве в плавильной камере невозможно увеличение потока массы дымовых газов, т.е. пропускание всех газов паровой турбины, из-за негативного влияния расплава в топочной камере 31.

Согласно следующему признаку для уменьшения количества оксидов азота в отходящих газах газовой турбины часть потока расширенного отходящего газа, проходящего через трубопровод 22 и охлажденного в теплообменнике 14 до 40-80oC, непрерывно смешивается в трубопроводе 20 с первичным воздухом для газовой турбины 4 и вместе с ним отводится обратно в топочную камеру 3. Размер отведенного обратно потока отходящего газа выбирается при этом в соответствии с потоком массы, необходимым для оптимальной мощности газовой турбины 4, и может составлять до 50% от общего количества отходящего газа. При оптимальных расчетах подводится только количество первичного воздуха, необходимое для сжигания в камере сжигания 3, и добавляется дополнительное количество, необходимое в качестве потока массы для газовой турбины 4 через обратно отведенный бедный кислородом отходящий газ. Таким образом достигается то, что сжигание в камере сжигания 3 происходит при существенно ограниченном избытке кислорода, в результате получается содержание термических оксидов азота, равное 0.

Часть не отведенных обратных отходящих газов турбины отводится далее через трубопровод 22 и преимущественным образом смешивается с дымовым газом парового котла 30, который, как правило, подвергается мокрой газовой очистке, и вместе с ним выходит через дымовую трубу или охладительную башню в атмосферу. Вследствие своего остаточного тепла отходящий газ газовой турбины способствует увеличению подъемной силы всего количества дымовых газов.

В паровом котле 30, в указанном примере плавильный котел с топочной камерой 31 и подводом топлива 32, на поверхностях нагрева 33, 34 получается пар высокого давления для замкнутого парового цикла. Этот замкнутый паровой цикл обнаруживает наряду с поверхностями нагрева 33, 34 в качестве других главных компонентов паровую турбину 11 с генератором 10, конденсатор пара 12 и питательный насос 13, а также другой теплообменник 24 для подогрева питательной воды. Согласно следующему признаку пар, полученный в паровом котле 30, после поверхностей нагрева 33 отводится через трубопровод 25 через следующий теплообменник 7. Этот теплообменник 7 расположен в дополнительной вихревой топке 8 с подводом 9 для топлива. В теплообменнике 7 пар нагревается далее до температуры 560-600oC и только тогда подается дальше к паровой турбине 11 и расширяется.

Так как перегрев водяного пара в теплообменнике 7 или в вихревой топке 8 может происходить теперь при более низких по сравнению с паровым котлом температурах в топочной камере и равномерном распределении температур, устраняются материальные проблемы, касающиеся трубы теплообменника и имеющие благодаря наличию одновременно высокого давления и неравномерных температур в топочной камере. Оказалось, что благодаря этому дальнейшему нагреву водяного пара в вихревой топке 8 до более высоких температур мощность паровой турбины 11 может повыситься на 5-10%.

Воздух для сжигания топлива, необходимый в вихревой топке 8, отводится через трубопровод 26 в воздуходувку 27 от проходящего в трубопроводе 18 первичного воздуха для парового котла 30 позади теплообменника 14. Дымовые газы вихревой топки 8 подаются через трубопровод 23 в топочную камеру 31 парового котла 30 и способствуют, таким образом, уменьшению содержания оксидов азота парового котла 30.

Дымовой газ, оттекающий из парового котла 30, попадает по очереди в электрофильтр 15, воздуходувку 28, а также установку для обессеривания 16, а затем - через трубопровод 17, к которому примыкает также трубопровод 22 для турбинных отходящих газов, через дымовую трубу или охладительную башню в атмосферу. Дополнительного уменьшения содержания оксидов азота можно добиться, если аналогичным образом, как и в газовой турбине 4, часть очищенного потока дымового газа парового котла 30 отвести обратно через трубопровод 21 в вихревую топку 8. В данном случае перед теплообменником 24 может предусматриваться дополнительно установка для удаления азота 28.

Через теплообменник 6, обозначенный на трубопроводе 18 для воздуха для сжигания топлива парового котла 30, против течения из теплообменника 14, сжатый первичный воздух, поступающий из воздуходувки 19, может подводить дополнительное тепло. Этот теплообменник 6 служит вместе с тем в качестве регулирующего органа для выравнивания изменений мощности газовой турбины 4 или для дополнительного подогрева воздуха для сжигания топлива при частичной или слабой нагрузке газовой турбины 4.

В примере, представленном на фиг.2, отходящие газы газовой турбины охлаждаются до области точки росы, а выделяющаяся в виде конденсата вода отводится обратно для повышения мощности газовой турбины и сокращения образования оксидов азота через трубопровод 36 и впускается в камеру сжигания 3 или другое рабочее тело, имеющее высокое давление, газовой турбины 4.

Принципиально охлаждение отходящих газов газовой турбины до области точки росы может происходить за один раз, т.е. непосредственно в теплообменнике 14 в обмене теплом с воздухом для сжигания топлива парового котла 30. Предпосылкой, однако, является то, что соотношение потока массы воздуха для сжигания топлива и потока отходящих газов газовой турбины достаточно велико. В любом случае это обеспечено, если мощность газотурбинной установки составляет не более 20% от мощности всей установки.

Если, однако, соотношение потока массы воздуха для сжигания топлива и потока отходящих из газовой турбины газов недостаточно велико для возможности охлаждать отходящие газы газовой турбины исключительно в теплообмене с воздухом для сжигания топлива до области точки росы, то охлаждение отходящих из газовой турбины газов должно происходить в два этапа, это означает, что остаточное охлаждение в области точки росы должно происходить в дополнительно подключенном холодильнике 35. В холодильнике 35 для остаточного охлаждения отходящих газов газовой турбины требуется затем также специальная охлаждающая среда, например охлаждающая жидкость из цикла охлаждения паросиловой установки.

В дополнение к количеству, соответствующему количеству воды, впущенной в камеру сжигания 3 или рабочий агент газовой турбины 4, получается новое количество при сжигании углеводородов, содержащихся в топливе для газовой турбины. Избыток воды может вводиться через трубопровод 37, 38 вместо свежей воды для выравнивания потерь от утечки в замкнутый паровой цикл паросиловой установки, целесообразно перед питательным насосом 13, и/или подводится через трубопровод 39, в данном случае после обогащения, к сети технической воды.

Формула изобретения

1. Способ производства электрической энергии в комбинированной газопаросиловой установке путем эффективного расширения рабочего агента высокого давления, нагретого в использующей в качестве топлива мазут или газ камере сгорания газовой турбины, а также перегретого пара высокого давления из использующего твердое топливо парогенератора в паровой турбине, отличающийся тем, что заметное тепло эффективно расширенного рабочего агента газовой турбины путем косвенного теплообмена между расширенным рабочим агентом газовой турбины и воздухом для сжигания топлива в парогенераторе переносят на воздух для сжигания, при этом охлажденный рабочий агент газовой турбины смешивают с дымовыми газами парогенератора после его охлаждения и очистки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что часть расширенного и охлажденного рабочего агента газовой турбины смешивают с первичным воздухом газовой турбины, подлежащим сжатию.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что пар, отобранный из парового котла перед своим расширением в теплообменнике, расположенном в топочной камере дополнительной вихревой топки, далее подогревают.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что дымовые газы вихревой топки попадают в топочную камеру парового котла.

5. Способ по пп.1 - 4, отличающийся тем, что охлаждение отходящих газов газовой турбины происходит до области точки росы, и, по меньшей мере, часть воды, выделяющейся в виде конденсата из отходящих газов газовой турбины, обратно отводят к газотурбинной установке и используют в качестве воды, подаваемой через насадки.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что имеющийся в данном случае избыток воды, выделяющейся в виде конденсата из отходящих газов газовой турбины, по меньшей мере частично вводят в замкнутый паровой цикл паросиловой установки.

7. Способ по пп.1 - 6, отличающийся тем, что соотношение мощности газовой турбины и общей мощности газо-паросиловой установке составляет 0,2.

8. Комбинированная газопаросиловая установка, снабженная газовой турбиной, паровым котлом, использующим в качестве топлива природные ископаемые, и паровой турбиной, отличающаяся тем, что снабжена регенеративным теплообменником, который, с одной стороны, встроен в трубопровод для отходящих газов для расширенного рабочего агента газовой турбины и, с другой стороны, в трубопровод для первичного воздуха парового котла.

9. Установка по п. 8, отличающаяся тем, что снабжена теплообменником, расположенным в вихревой топке, вход в который связан с выходом пара парового котла, а выход которого связан с входом пара паровой турбины.

10. Установка по п. 9, отличающаяся тем, что снабжена соединительным трубопроводом, расположенным между вихревой топкой и топочной камерой парового котла для дымовых газов вихревой топки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано на тепловых электрических станциях при выработке электрической энергии в комбинированных установках, включающих газовую и паровую турбины

Изобретение относится к теплоэнергетике и, в частности, к способам работы парогазовых установок с котлами-утилизаторами

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к способам работы парогазовых установок с котлами-утилизаторами

Изобретение относится к теплоэнергетике, и в частности к способам работы парогазовых установок с котлами-утилизаторами

Изобретение относится к машиностроению

Изобретение относится к парогазовым энергетическим установкам и, согласно ограничительной части п

Изобретение относится к газо- и паротурбинной установке с включенным за газовой турбиной со стороны отходящего газа парогенератором для получения пара для паровой турбины в пароводяном контуре, причем парогенератор содержит включенную за угольной мельницей топочную установку

Изобретение относится к области энергетики, а точнее к энергетическим парогазовым установкам (ПГУ), использующим газообразное топливо

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в парогазовых установках (ПГУ), содержащих газотурбинные установки (ГТУ) с водоохлаждаемыми воздухоохладителями (ВО), а также паротурбинные установки (ПТУ) и котлы-утилизаторы (КУ) двух или трех давлений

Изобретение относится к теплоэнергетике
Наверх