Газо- и паротурбинная установка и способ для охлаждения охлаждающего средства газовой турбины подобной установки

 

Изобретение относится к области теплоэнергетики. Газо- и паротурбинная установка включает подключенный после газовой турбины на стороне дымового газа котел-утилизатор, поверхности нагрева которого включены в пароводяной контур паровой турбины. Охлаждение охлаждающего средства газовой турбины производят путем теплообмена со средой, направляемой в независимом от паровой турбины пароводяном контуре, причем среду независимого пароводяного контура по меньшей мере частично испаряют при теплообмене с охлаждающим средством. Изобретение позволяет обеспечить надежное охлаждение газовой турбины. 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к газо- и паротурбинной установке с включенным после газовой турбины на стороне дымового газа парогенератором на отходящем тепле (котлом-утилизатором), поверхности нагрева которого включены в пароводяной контур паровой турбины. Оно относится далее также к способу для охлаждения охлаждающего средства газовой турбины подобной газо- и паротурбинной установки.

В газо- и паротурбинной установке тепло, содержащееся в расширенном рабочем средстве (дымовом газе) из газовой турбины, используют для производства пара для паровой турбины. Теплопередача происходит в котле-утилизаторе, подключенном после газовой турбины на стороне дымового газа, в котором расположены поверхности нагрева в виде труб или пучков труб. Они в свою очередь включены в пароводяной контур паровой турбины. Пароводяной контур содержит обычно несколько, например две ступени давления, причем каждая ступень давления содержит подогревательную и испарительную поверхности нагрева.

В испарительном контуре, обозначенном как контур естественной циркуляции, частичное испарение направляемой рабочей среды происходит в испарителе, причем циркуляция рабочей среды обеспечена за счет устанавливающихся в процессе испарения разниц давления и/или за счет геодезического расположения испарителя и парового барабана. Альтернативно испарительный контур может быть также контуром принудительной циркуляции, в котором циркуляция рабочей среды обеспечивается циркуляционным насосом, причем рабочая среда также по меньшей мере частично испаряется в испарителе. Как при естественной циркуляции, так и при принудительной циркуляции пароводяную смесь из испарителя подводят к паровому барабану, включенному в испарительный контур. В паровом барабане пар и воду разделяют, причем воду от парового барабана снова подводят к испарителю.

В испарительном контуре, рассчитанном как парогенератор с однократной принудительной циркуляцией, альтернативно может быть предусмотрено полное испарение рабочей среды за один проход через испаритель с последующим частичным перегревом. При этом проход рабочей среды через испаритель также обеспечивается насосами.

Независимо от того, находит ли применение в паротурбинной установке принцип естественной, принудительной или однократной принудительной циркуляции, для повышения производительности газовой турбины и тем самым для достижения возможно высокого коэффициента полезного действия подобной газо- и паротурбинной установки стремятся иметь особенно высокую температуру дымового газа на входе газовой турбины, например, от 1000 до 1200^oС. Подобная высокая температура на входе турбины влечет за собой, конечно, проблемы материала, в частности, относительно жаропрочности лопаток турбины.

Повышение температуры на входе турбины может допускаться тогда, когда лопатки турбины охлаждают настолько, что они постоянно имеют температуру, лежащую ниже допустимой температуры материала. Для этого из европейского патента EP-PS 0379880 известно отведение частичного потока сжатого воздуха, вытекающего из приданного газовой турбине компрессора, и подведение этого частичного потока к газовой турбине в качестве охлаждающего средства. Служащий в качестве охлаждающего средства воздух перед входом в газовую турбину охлаждают. Отобранное от охлаждающего воздуха при охлаждении тепло при этом используют в качестве тепла испарения и применяют для привода паровой турбины. В качестве испарительной системы при этом использован расширительный испаритель с циркуляционным насосом и расширительным сосудом. При этом из парового барабана испарительного контура отбирают воду, которую нагревают путем теплообмена со служащим в качестве охлаждающего средства для газовой турбины охлаждающим воздухом и затем испаряют путем расширения в расширительном сосуде. Полученный таким образом пар подводят к паровой турбине.

Подобное устройство для охлаждения охлаждающего воздуха газовой турбины рассчитано для определенной разницы температур между отобранной из парового барабана водой и охлаждающим воздухом. Для надежного охлаждения газовой турбины при этом требуется работа всего котла-утилизатора. Подобная газо- и паротурбинная установка является таким образом применимой только условно гибко. Из DE 4333439 С1 известна газо- и паротурбинная установка, в которой для охлаждения охлаждающего воздуха газовой турбины предусмотрен промежуточный контур, который передает направляемое в охлаждающем воздухе тепло на приданный паровой турбине пароводяной контур. Особенно эффективное охлаждение охлаждающего воздуха в этом устройстве, однако, зависит от готовности к эксплуатации паровой турбины так, что эта установка является применимой только условно гибко.

В основе изобретения поэтому лежит задача указания газо- и паротурбинной установки вышеназванного типа, в которой также при различных условиях эксплуатации обеспечено надежное охлаждение газовой турбины. Кроме того, должен быть указан особенно подходящий для различных условий эксплуатации способ для охлаждения охлаждающего средства газовой турбины газо- и паротурбинной установки.

Эта задача для газо- и паротурбинной установки вышеназванного типа решается согласно изобретению за счет того, что предусмотренный для охлаждения охлаждающего средства газовой турбины теплообменник включен на вторичной стороне в отдельный пароводяной контур, соединенный с возможностью перекрывания с пароводяным контуром паровой турбины.

Изобретение исходит из соображения, что в случае особенно гибко применимой газо- и паротурбинной установки газовая турбина должна бы являться эксплуатируемой независимо от котла-утилизатора и тем самым также независимо от паровой турбины. Также при одиночной эксплуатации газовой турбины должно бы достигаться надежное охлаждение ее лопаток турбины. Для этого для охлаждения охлаждающего средства газовой турбины предусмотрена система охлаждения, независимая от пароводяного контура паровой турбины.

Предпочтительно теплообменник выполнен в виде испарителя для отдельного пароводяного контура. В нормальном режиме эксплуатации газо- и паротурбинной установки полученный в отдельном пароводяном контуре пар при этом является целесообразно подводимым к пароводяному контуру паровой турбины.

Для отделения пара из вытекающей из теплообменника пароводяной смеси в отдельный пароводяной контур целесообразно включен паровой барабан. Этот паровой барабан целесообразно содержит встроенный конденсатор.

Для особенно выгодного возврата тепла, отобранного от охлаждения охлаждающего средства, к включенному в отдельный пароводяной контур паровому барабану предпочтительно подключен выполненный с возможностью перекрывания паропровод, через который полученный в отдельном пароводяном контуре пар является вводимым в паровой барабан, включенный в пароводяной контур паровой турбины.

Отдельный пароводяной контур для достижения особенно простой конструкции и особенно малых расходов на монтаж и установку является целесообразно эксплуатируемым как контур с естественной циркуляцией.

Для надежного отвода тепла, извлекаемого от охлаждающего воздуха при его охлаждении, также при отдельной эксплуатации газовой турбины включенный в отдельный пароводяной контур паровой барабан подключен предпочтительно к вторичному контуру охлаждения. Вторичный контур охлаждения при этом может содержать, например, охладительную башню.

Относительно способа для охлаждения охлаждающего средства газовой турбины газо- и паротурбинной установки названная задача решается за счет того, что охлаждающее средство охлаждают путем теплообмена со средой, направляемой в независимом от паровой турбины пароводяном контуре.

Направляемую в независимом пароводяном контуре среду целесообразно испаряют при теплообмене с охлаждающим средством, по меньшей мере частично. Независимый пароводяной контур предпочтительно является эксплуатируемым как контур с естественной циркуляцией.

Достигаемые изобретением преимущества состоят, в частности, в том, что за счет охлаждения охлаждающего средства газовой турбины за счет теплообмена со средой, направляемой в независимом от паровой турбины пароводяном контуре обеспечивается надежное охлаждение газовой турбины независимо от рабочего состояния паровой турбины. Таким образом, газовая турбина является надежно эксплуатируемой также при различных рабочих состояниях газо- и паротурбинной установки, в частности, также в отдельном режиме работы. За счет перекрываемого соединения отдельного пароводяного контура с пароводяным контуром паровой турбины, кроме того, при нормальном режиме работы газо- и паротурбинной установки возможен возврат тепла, отбираемого от охлаждающего воздуха газовой турбины при его охлаждении, в процесс получения энергии. Газо- и паротурбинная установка является, таким образом, особенно экономично эксплуатируемой в нормальном режиме работы.

Пример выполнения изобретения объясняется более подробно с помощью чертежа, который схематически показывает газо- и паротурбинную установку с системой охлаждения для охлаждения охлаждающего средства для газовой турбины.

Схематически представленная на чертеже газо- и паротурбинная установка 1 содержит газотурбинную установку 2 с подключенным на стороне дымового газа котлом-утилизатором 4. Газотурбинная установка 2 содержит газовую турбину 6 с подсоединенным воздушным компрессором 8. Перед газовой турбиной 6 включена камера сгорания 10, которая подключена к трубопроводу свежего воздуха 12 воздушного компрессора 8. В камеру сгорания 10 газовой турбины 6 входит топливопровод 14. Газовая турбина 6 и воздушный компрессор 8, а также генератор 16 сидят на общем валу 18.

Подключенный к газовой турбине 6 газотурбинной установки 2 на стороне дымового газа котел-утилизатор 4 содержит множество поверхностей нагрева, которые включены в пароводяной контур 20 паровой турбины 21. Поверхностями нагрева при этом являются подогреватель конденсата 22, испаритель низкого давления 24, перегреватель низкого давления 26, подогреватель высокого давления 28, испаритель высокого давления 30, а также образованный из двух частей 32, 34 перегреватель высокого давления 36.

К паровой турбине 21 на стороне пара подключен конденсатор 40, который через конденсатный насос 42 и через расположенный вне котла-утилизатора 4 подогреватель 44, а также через подводящий трубопровод конденсата 46 соединен с подогревателем конденсата 22. Последний подключен на стороне выхода через перекрываемый регулирующим клапаном 48 подводящий трубопровод 50 к резервуару для питательной воды 52. На стороне выхода к резервуару для питательной воды 52 подключен подводящий трубопровод 54 для подвода питательной воды в паровой барабан 56, подключенный к испарителю низкого давления 24. Далее резервуар для питательной воды 52 на стороне выхода через подводящий трубопровод 58 соединен с подогревателем высокого давления 28, который, со своей стороны, подключен на стороне выхода к паровому барабану 60, подключенному к испарителю высокого давления 30. Подводящие трубопроводы 54, 58 являются каждый перекрываемыми регулирующим клапаном 62 или соответственно 64.

Паровые барабаны 56 и 60 подключены через перегреватель низкого давления 26 или соответственно через перегреватель высокого давления 36 к части низкого давления или соответственно к части высокого давления паровой турбины 21 так, что образуется замкнутый пароводяной контур 20.

Газотурбинная установка 2 рассчитана для достижения особенно высокого коэффициента полезного действия. Для этого при эксплуатации газотурбинной установки 2 предусмотрен ввод дымового газа B в газовую турбину 6 с температурой порядка от 1000 до 1200^oС. Чтобы при этом надежно избежать проблем с материалом, в частности с жаростойкостью турбинных лопаток газовой турбины 6, газотурбинной установке 2 придана в соответствие система охлаждения 70.

В качестве охлаждающего средства для газовой турбины 6 при этом предусмотрен происходящий от воздушного компрессора 8 воздух L, который является непосредственно подводимым к газовой турбине 6 через ответвляющийся от трубопровода свежего воздуха 12 трубопровод охлаждающего средства 72 при обходе камеры сгорания 10. Для охлаждения воздуха L, предусмотренного в качестве охлаждающего средства, система охлаждения 70 содержит теплообменник 74, включенный на первичной стороне в трубопровод охлаждающего средства 72.

Теплообменник 74 включен на вторичной стороне в независимый от пароводяного контура 20 паровой турбины 21 отдельный пароводяной контур 76. Для этого теплообменник 74 рассчитан как испаритель для циркулирующей в отдельном пароводяном контуре 76 среды М и подключен на стороне выхода через трубопровод пароводяной смеси 78 к паровому барабану 80 с встроенным конденсатором. Паровой барабан 80 через конденсатный трубопровод 82 соединен с теплообменником 74. Отдельный пароводяной контур 76 рассчитан при этом на естественную циркуляцию. Только для фазы пуска предусмотрен включенный в обводную петлю 84 конденсатного трубопровода 82 циркуляционный насос 86.

Отдельный пароводяной контур 76 соединен с возможностью перекрывания с пароводяным контуром 20 паровой турбины 21. Для этого паровой барабан 80 через перекрываемый клапаном 90 паропровод 92 подключен к выполненному в виде барабана низкого давления паровому барабану 56. На стороне воды паровой барабан 80 подключен через перекрываемый регулирующим клапаном 94 трубопровод 96 к подводящему трубопроводу 54.

В паровом барабане 80 расположен теплообменник 100, который подключен к вторичному контуру охлаждения 102. Во вторичный контур охлаждения 102 включена охладительная башня 104.

Газо- и паротурбинная установка 1 рассчитана таким образом, что обеспечена надежная эксплуатация с надежным охлаждением газовой турбины 6 также при различных рабочих состояниях. Для этого предусмотренный в качестве охлаждающего средства для газовой турбины 6 воздух L охлаждают путем теплообмена со средой М, направляемой в независимом от паровой турбины 21 пароводяном контуре 76. Испаренную по меньшей мере частично при теплообмене с воздухом L в теплообменнике 74 среду М подводят к паровому барабану 80, где произведенный газ отделяют от неиспаренной среды М. В нормальном режиме эксплуатации газо- и паротурбинной установки 1, то есть при совместной эксплуатации газовой турбины 6 и паровой турбины 21, отделенный в паровом барабане 80 пар D при открытом клапане 90 через паропровод 92 вводят в паровой барабан 56. Отобранное от воздуха L при его охлаждении в теплообменнике 74 тепло вводят таким образом в пароводяной контур 20 паровой турбины 21 и подводят для производства энергии. Газо- и паротурбинная установка 1 при этом работает с особенно высоким коэффициентом полезного действия.

Возникающую в результате запитывания пара D в пароводяной контур 20 паровой турбины 21 потерю среды М компенсируют в отдельном пароводяном контуре 76 путем запитывания питательной воды в паровой барабан 80 через трубопровод 96, при необходимости, при открытом регулирующем клапане 94. Тем самым обеспечивается надежная и длительная эксплуатация отдельного пароводяного контура 76.

Газо- и паротурбинная установка 1, однако, также при отдельной эксплуатации газотурбинной установки 2, то есть при эксплуатации газовой турбины 6 при отключенной паровой турбине 21, является эксплуатируемой с надежным охлаждением газовой турбины 6. Для этого при отдельной эксплуатации газотурбинной установки 2 клапан 90 и регулирующий клапан 94 закрыты так, что отдельный пароводяной контур 76 является полностью отделенным от пароводяного контура 20 паровой турбины 21. Охлаждение газовой турбины 6 обеспечивается таким образом также при полной остановке паровой турбины 21 и приданных в соответствие ее пароводяному контуру 20 компонентов. В этом рабочем состоянии отобранное от воздуха L при его охлаждении тепло через вторичный контур охлаждения 102 отдают в окружающую среду. Произведенный в теплообменнике 74 пар при этом конденсируют в паровом барабане 80 на встроенном в него конденсаторе.

Чтобы сделать возможным согласование температурного уровня циркулирующей в отдельном пароводяном контуре 76 среды М с изменяющимися требованиями при охлаждении воздуха L предусмотрен дополнительный соединительный трубопровод 106 между пароводяным контуром 20 паровой турбины 21 и отдельным пароводяным контуром 76. Соединительный трубопровод 106 ответвляется при рассмотрении в направлении течения среды после конденсатора 40 от пароводяного контура 20 паровой турбины 21 и входит во включенный в конденсатный трубопровод 82 инжектор 108. Через инжектор 108 холодный конденсат, при необходимости, можно инжектировать в отдельный пароводяной контур 76. Путем инжекции холодного конденсата при этом можно варьировать температуру циркулирующей в отдельном пароводяном контуре 76 среды М и приспосабливать к специфическим требованиям при теплообмене с воздухом L.

Формула изобретения

1. Газо- и паротурбинная установка с подключенным после газовой турбины на стороне дымового газа котлом-утилизатором, поверхности нагрева которого включены в пароводяной контур паровой турбины, отличающаяся тем, что предусмотренный для охлаждения охлаждающего средства газовой турбины теплообменник включен на вторичной стороне в отдельный пароводяной контур, соединенный с возможностью перекрывания с пароводяным контуром паровой турбины.

2. Газо- и паротурбинная установка по п. 1, отличающаяся тем, что теплообменник выполнен в виде испарителя для отдельного пароводяного контура.

3. Газо- и паротурбинная установка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что в отдельный пароводяной контур включен паровой барабан.

4. Газо- и паротурбинная установка по п. 3, отличающаяся тем, что включенный в отдельный пароводяной контур паровой барабан содержит встроенный конденсатор.

5. Газо- и паротурбинная установка по любому из пп. 1-4, отличающаяся тем, что произведенный в отдельном пароводяном контуре пар является запитываемым через выполненный с возможностью перекрывания паропровод в паровой барабан, включенный в пароводяной контур паровой турбины.

6. Газо- и паротурбинная установка по любому из пп. 1-5, отличающаяся тем, что отдельный пароводяной контур является эксплуатируемым в режиме естественной циркуляции.

7. Газо- и паротурбинная установка по любому из пп. 3-6, отличающаяся тем, что включенный в отдельный пароводяной контур паровой барабан подключен к вторичному контуру охлаждения.

8. Способ охлаждения охлаждающей среды газовой турбины газо- и паротурбинной установки, отличающийся тем, что охлаждающее средство охлаждают путем теплообмена со средой, направляемой в независимом от паровой турбины пароводяном контуре, причем направляемую в независимом пароводяном контуре среду по меньшей мере частично испаряют при теплообмене с охлаждающим средством.

9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что независимый пароводяной контур эксплуатируют в режиме естественной циркуляции.

РИСУНКИ

Рисунок 1