Парогазовая установка контактного типа
Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть применено в парогазовых установках контактного типа (КПГУ), содержащих газотурбинные установки (ГТУ) с энергетическим впрыском пара. КПГУ содержит ГТУ с компрессором, камерой сгорания и основной газовой турбиной (ГТ), котел-утилизатор (КУ) с паровыми контурами двух давлений, сообщенными на выходе по пару паропроводами и со входами ГТУ по пару высокого и низкого давления соответственно, на входе греющего теплоносителя (газа) - с выходом ГТУ по газу. КПГУ содержит также газоохладитель-конденсатор, сообщенный на выходе по конденсату через насосы и со входом КУ по конденсату. Для снижения давления газа на выхлопе газовой турбины КПГУ содержит дожимной компрессор, сообщенный на входе по сжимаемому газу с выходом газоохладителя-конденсатора по газу, на выходе по газу - с внешней средой, и газовую турбину перерасширения (ГТП), сообщенную на входе по газу с выходом КУ по газу, на выходе по газу - с входом газоохладителя-конденсатора по газу. При этом ротор ГТП связан (например, установлен на одном валу) с роторами ГТУ и/или дожимного компрессора. Изобретение позволяет повысить кпд КПГУ за счет снижения давления газа на выхлопе газовой турбины без затрат полезной мощности КПГУ. 1 ил.
Настоящее изобретение относится к теплоэнергетике и может быть применено в парогазовых установках контактного типа (КПГУ), содержащих газотурбинные установки (ГТУ) с энергетическим впрыском пара.
Эффективность КПГУ характеризуют величиной коэффициента полезного действия (кпд) КПГУ и используемых в ней ГТУ. Известен ряд технических решений, применяемых в ГТУ и КПГУ для повышения кпд.
К их числу относится ГТУ с давлением на выхлопе газовой турбины (ГТ) ниже атмосферного. Известна ГТУ /1, 2/, в тракте выхлопных газов которой последовательно размещены газовая турбина перерасширения, холодильник (газоохладитель) и дожимной компрессор, установленный на одном валу с турбиной перерасширения. Вследствие охлаждения рабочего тела в газоохладителе баланс мощностей турбины перерасширения и дожимного компрессора (ДК) в оптимальном варианте исполнения устанавливается при степени сжатия в ДК более высокой, чем степень расширения в турбине перерасширения, а давление перед турбиной перерасширения (т.е. за основной ГТ) оказывается ниже давления за ДК, т.е. ниже атмосферного давления. В результате возрастает мощность ГТУ без увеличения расхода топлива.
Недостатками данного технического решения являются сравнительно невысокий уровень кпд, а также чрезмерная громоздкость теплообменного оборудования (газоохладителя) из-за отвода большого количества тепла в сочетании с низким давлением газов в этом газоохладителе.
Термодинамически и экономически более эффективными являются технические решения, основанные на утилизации тепла выхлопных газов ГТ для генерации дополнительного рабочего тела - энергетического пара одного или более давлений, подаваемого в ГТУ непосредственно или через паровую турбину /3-6/.
Ближайшим аналогом (прототипом) заявляемого изобретения является комбинированная газопаротурбинная установка с утилизацией тепла отходящих газов и регенерацией воды из парогазового потока (/6/, с.27-28, рис.1). Данная КПГУ содержит ГТУ, содержащую компрессор, камеру сгорания (КС) и ГТ, паровой котел-утилизатор (КУ) одного давления (названный в /3/ теплоутилизирующим контуром КУП), сообщенный на входе по греющему теплоносителю с выхлопом ГТ по газу, на выходе по пару – с входами ГТУ по пару, а также конденсатор-газоохладитель контактного типа, представляющий собой теплообменное устройство, предназначенное для охлаждения уходящих из КУ газов и конденсации водяного пара, подаваемого из КУ в ГТУ /6/ (с.29, рис.2). Газоохладитель-конденсатор сообщен на входе по охлаждаемому газу с выходом КУ по газу, на выходе по конденсату через сборник конденсата - с входом КУ по конденсату, на выходе по газам непосредственно или через дымосос - с внешней средой.
В КУ теплом выхлопных газов ГТ вырабатывают пар, подаваемый на входы ГТУ (КС, ГТ) по пару. Из КУ газ поступает в газоохладитель-конденсатор, где охлаждается подаваемой в него водой. В процессе охлаждения газов в газоохладителе-конденсаторе происходит конденсация поданного в ГТУ пара, а также частичная конденсация пара образовавшегося при горении органического топлива, что позволяет компенсировать возможные потери расхода конденсата пара в КУ и реализовать регенерацию пара по замкнутому циклу, без подпитки пароводяного тракта КУ водой из внешних источников, обеспечивая тем самым высокий уровень автономности и экологичности установки. Использование пара в качестве дополнительного рабочего тела ГТ позволяет значительно повысить удельную мощность и кпд установки с более компактным теплообменным оборудованием по сравнению с предыдущим аналогом.
Недостатком данной КПГУ (как и всех других парогазовых установок контактного типа) являются сравнительно большие потери давления в газовом тракте КУ и газоохладителя-конденсатора, что увеличивает давление на выхлопе ГТ и снижает кпд установки. Кроме того, в связи с тем, что полное улавливание конденсата, полученного в газоохладителе-конденсаторе оказывается практически невозможным, в уходящих из него газах содержится некоторое количество остаточной капельной влаги. Это требует установки дополнительного осушителя-подогревателя уходящих газов для предотвращения влажной коррозии газоходов за газоохладителем-конденсатором, что, в свою очередь, приводит к дополнительному увеличению потерь давления в газовом тракте КПГУ и к увеличению затрат мощности на привод дымососа.
Задачей заявляемого изобретения является повышение кпд КПГУ за счет снижения давления газа на выхлопе газовой турбины без затрат полезной мощности КПГУ.
Указанная задача решается за счет того, что в заявляемой КПГУ, содержащей ГТУ, паровой котел-утилизатор (КУ), сообщенный на выходе по пару с входом (входами) ГТУ по пару, на входе греющего теплоносителя (газа) - с выходом ГТУ по газу, и газоохладитель-конденсатор (ГОК), сообщенный на выходе по конденсату с входом КУ по конденсату, согласно заявляемому изобретению КПГУ содержит дожимной компрессор (ДК), сообщенный на входе по сжимаемому газу с выходом газоохладителя-конденсатора по газу, на выходе по газу - с внешней средой, и газовую турбину перерасширения (ГТП), сообщенную на входе по газу с выходом КУ по газу, на выходе по газу - с входом газоохладителя-конденсатора по газу, при этом ротор газовой турбины перерасширения связан с роторами ГТУ и /или дожимного компрессора.
Сжатие уходящих из ГОК газов на начальном участке ДК происходит с внутренним отводом тепла из сжимаемой газовой фазы, расходуемым на испарение остаточной влаги. Температура, расход и теплоемкость газа в ГТП существенно превышают температуру, расход и теплоемкость газа в ДК. В результате баланс мощностей ГТП и ДК при оптимальном исполнении этих турбомашин достигается при степени расширения в ГТП существенно меньшей степени сжатия в ДК, что обеспечивает снижение давления за основной ГТ и прирост мощности и кпд КПГУ по сравнению с прототипом. В то же время степень сжатия в ДК оказывается достаточно высокой для осушения и перегрева сжимаемого в ДК газа.
Изобретение поясняется чертежом, на котором схематически изображен пример реализации заявляемой КПГУ с газовой турбиной перерасширения, установленной на одном валу с дожимным компрессором.
Данная КПГУ содержит ГТУ 1 с компрессором 2, камерой сгорания 3 и основной ГТ 4, КУ 5 с паровыми контурами двух давлений, сообщенными на выходе по пару паропроводами 6 и 7 с входами ГТУ 1 по пару высокого и низкого давления в данном случае, с входами по пару камеры сгорания 3 и компрессора 2, соответственно, на входе греющего теплоносителя (газа) - с выходом ГТУ 1 по газу. КПГУ содержит также газоохладитель-конденсатор 8, сообщенный на выходе по конденсату через насосы 9 и 10 с входом КУ 5 по конденсату.
Согласно изобретению, КПГУ содержит дожимной компрессор 11, сообщенный на входе по сжимаемому газу с выходом газоохладителя-конденсатора 8 по газу, на выходе по газу - с внешней средой, и газовую турбину перерасширения 12, сообщенную на входе по газу с выходом КУ 5 по газу, на выходе по газу - с входом газоохладителя-конденсатора 8 по газу. В приведенном примере ротор ГТП 12 кинематически связан (установлен на одном валу 13) с ротором ДК11.
В данном примере ГОК 8 представляет собой теплообменный агрегат смешивающего (контактного) типа, в котором охлаждение газа и конденсация водяных паров производятся путем впрыска в газовый тракт ГОК 8 большого количества охлаждающей (циркуляционной) воды. Для этого КПГУ снабжена водоохладителем 14, сообщенным на входе по охлаждаемой воде через насос 9 с выходом ГОК 8 по смеси конденсата и циркуляционной воды, на выходе по охлажденной воде - с входом ГОК 8 по циркуляционной воде. Электрическая часть КПГУ содержит электрогенератор 15.
Ротор ГТП 12 может быть также связан (установлен на одном валу) с ротором ГТУ 1, а передача мощности ротору ДК11 от ГТП12 и ГТУ 1 в этом случае осуществлялась бы через электрическую часть, например, путем установки на валу ДК 11 электродвигателя.
Устройство работает следующим образом.
Теплом выхлопных газов ГТ 4, поступающих в КУ 5, вырабатывают энергетический пар двух давлений, подаваемый на входы ГТУ 1 по пару, при этом пар в.д. поступает из КУ 5 по паропроводу 6 в камеру сгорания 3, а пар н.д. по паропроводу 7 - в промежуточную область компрессора 2. Уходящие из КУ 5 газы поступают в ГТП 12 и далее - в ГОК 8, куда подают также охлажденную циркуляционную воду из водоохладителя 14. В ГОК 8 циркуляционная вода нагревается, а газы охлаждаются, при этом энергетический пар и часть водяного пара, образовавшегося в ГТУ 1 при сжигании органического топлива, конденсируются. Полученный конденсат вместе с нагретой циркуляционной водой откачивают насосом 9. Циркуляционную воду отводят на охлаждение в водоохладитель 14, а конденсат подают насосом 10 на вход КУ 5 по конденсату. Остаточный конденсат уносится с охлажденными уходящими газами, подаваемыми на вход ДК 11, где они сжимаются до давления внешней среды, при этом обеспечивается их перегрев с осушением.
Расход газов в ДК 11 меньше расхода газов через ГТП 12 на величину расхода возвращенного в КУ 5 (через насос 10) конденсата. Теплоемкость газа в ДК 11 ниже теплоемкости газа в ГТП 12 вследствие удаления части водяных паров в ГОК 8. Средняя температура рабочего тела в ДК 11 в оптимальном исполнении существенно ниже средней температуры в ГТП 12 вследствие охлаждения газов в ГОК 8. В результате мощность, расходуемая на привод ДК 11, вырабатывается в ГТП 12 с меньшей степенью расширения, чем степень сжатия в ДК 11, давление перед ГТП 12 и за ГТ 4 оказывается ниже давления на выхлопе ГТ прототипа и даже ниже атмосферного давления (давления внешней среды), мощность и кпд КПГУ повышаются.
Температура за ГТ 4 при этом снижается, выработка пара в.д. в КУ 5 снижается, температура газа за КУ 5 растет. В данном же примере наличие в КУ 5 парового контура низкого давления, сообщенного паропроводом 7 на выходе по пару с промежуточной областью проточной части компрессора 2, сдерживает снижение суммарной паропроизводительности КУ и повышение температуры газа за КУ 5 за счет увеличения выработки пара н.д. /5/ и тем самым увеличивает прирост кпд КПГУ, связанный с использованием заявляемого устройства.
Рассмотренный пример приведен лишь для иллюстрации изобретения и не исчерпывает всех возможных вариантов его реализации. В частности, передача мощности от ГТП к ДК и (или) к ГТУ (связь между их роторами) может быть реализована через электрическую часть, содержащую в этом случае приводной электродвигатель. КУ на выходе по пару в.д. может сообщен с входом в ГТУ по пару в.д. не непосредственно, а через паровую турбину. В этом случае ротор паровой турбины может быть установлен на одном валу с ротором ДК либо механически связан с ним через редуктор. Компрессор ГТУ в своей промежуточной области может быть также снабжен одним или более входами по воде. КУ может содержать не два, а один, три или более паровых контуров одного, трех или более давлений, а также может быть сообщен на выходе или выходах своего пароводяного тракта с входом или входами компрессора не только по пару н.д., но и по воде высокого /4/ и др. давления. ГОК также может быть снабжен гидравлической связью на выходе по конденсату с входом компрессора по воде и т.п.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Газотурбинная установка. Авт. свидетельство №267257, приор. от 06.03.1969.
2. Перельштейн Б.Х. Разработка и исследование газотурбинных двигателей со ступенчатым отводом тепла. Автореф. дис.на соиск. уч. ст.к.т.н. - Казань, КАИ, 1976.
3. Газотурбинные установки с энергетическим впрыском пара /В. Беляев, А. Маркелов - ФГУП ММПП “Салют” // Газотурбинные технологии, июль-август 2002, с.20-24 (http//www.qtt.ru).
4. Патент ФРГ DE1990026, опубл. 06.07.2000 г.
5. Патент РФ №2208689, опубл. 20.07.2003 г.
6. Комбинированная газопаротурбинная установка мощностью 16-25 МВт с утилизацией тепла отходящих газов и регенерацией воды из парогазового потока / Романов В.И., Кривуца В.А. //Теплоэнергетика, №4, 1996.
Парогазовая установка контактного типа (КПГУ), содержащая газотурбинную установку (ГТУ), паровой котел-утилизатор (КУ), сообщенный на выходе по пару со входом (входами) ГТУ по пару, на входе греющего теплоносителя (газа) - с выходом ГТУ по газу, и газоохладитель-конденсатор, сообщенный на выходе по конденсату со входом КУ по конденсату, отличающаяся тем, что КПГУ содержит дожимной компрессор, сообщенный на входе по сжимаемому газу с выходом газоохладителя-конденсатора по газу, на выходе по газу - с внешней средой, и газовую турбину перерасширения, сообщенную на входе по газу с выходом КУ по газу, на выходе по газу - с входом газоохладителя-конденсатора по газу, при этом ротор газовой турбины перерасширения связан с роторами ГТУ и (или) дожимного компрессора.
