Теплоэлектроцентраль с открытой теплофикационной системой
Теплоэлектроцентраль с открытой теплофикационной системой, включающая котлоагрегат, паровую турбину, деаэратор и питательный насос, снабжена блоком парогазотурбинной установки с камерой дожигания низкого давления, блоком утилизации тепла парогазовой смеси, содержащим котел-утилизатор с парогенераторами высокого и низкого давления, оросительным устройством, газоохладителем-конденсатором и блоком использования сепарированной воды. Блок использования сепарированной воды через установку умягчения и деаэратор связан с входом парогенератора низкого давления котла-утилизатора. Оросительное устройство связано с установкой умягчения сырой воды теплоэлектроцентрали. Вход парогенератора высокого давления котла-утилизатора связан с выходом парогазотурбинной установки. Парогенератор низкого давления котла-утилизатора соединен с дополнительной камерой дожигания парогазотурбинной установки. Блок использования сепарированной воды соединен трубопроводом умягченной и деаэрированной питательной воды низкого давления с блоком утилизации тепла парогазовой смеси и трубопроводом умягченной, подогретой и деаэрированной подпиточной воды с открытой теплофикационной системой. Парогенератор высокого давления соединен трубопроводами питательной воды и пара с теплоэлектроцентралью. Изобретение обеспечит эффективную модернизацию паротурбинных теплоэлектроцентралей с повышением их мощности и экономичности. 2 ил.
Теплоэлектроцентраль с открытой теплофикационной системой относится к области энергетики и может быть использована для совместного производства электрической и тепловой энергии.
Известна комбинированная газопаровая установка типа "Водолей", содержащая газотурбинную установку с воздушным компрессором, камеру сгорания с устройствами подвода "экологического" и "энергетического" пара, парогазовую турбину, размещенный в ее выхлопном газоходе паровой котел-утилизатор, электрогенератор.
Котел-утилизатор содержит расположенные по ходу парогазовой смеси парогенератор, оросительное устройство, контактный газоохладитель-конденсатор с сепарационным устройством. Оросительное устройство котла-утилизатора связано с трубопроводом подвода охлажденной орошающей воды. Сепарационное устройство по газам связано выхлопным газоходом с атмосферой, а по отсепарированной воде - с баком накопителем отсепарированной воды. Последний трубопроводом питательной воды соединен с входным патрубком парогенератора. Парогенератор связан паропроводом с камерой сгорания. Вторым трубопроводом бак-накопитель отсепарированной воды соединен трубопроводами через водоохлаждающее устройство с сепарационным устройством газоохладителя-конденсатора. Ротор парогазовой турбины соединен валом с ротором воздушного компрессора и с ротором электрогенератора [Романов В.И., Кривуца В.А. Комбинированная газопаровая установка мощностью 16-25 МВт с утилизацией тепла отходящих газов и регенерацией воды из парогазового потока. "Теплоэнергетика" №4, 1966, с.27-30].
В газопаровой установке типа "Водолей" вырабатываемый пар используется только для впрыска в камеру сгорания, поэтому эта установка не может быть применена для модернизации существующих паротурбинных теплоэлектроцентралей.
Известна также контактная парогазовая теплоэлектроцентраль с открытой теплофикационной системой ["Парогазовая установка ПГУ-60С. Коммерческое предложение. ФГУП "Салют", 2005 г."], содержащая воздушный компрессор, камеру сгорания высокого давления с устройствами для впрыска "экологического" и "энергетического" пара, парогазовую турбину высокого давления, силовую парогазовую турбину низкого давления, противодавленческую паровую турбину, электрогенератор, паровой котел-утилизатор, бак сепарированной воды, теплонасосную установку, сетевую подогревательную установку. В котле-утилизаторе, установленном в выхлопном газоходе за силовой парогазовой турбиной низкого давления, размещены последовательно по ходу парогазовой смеси поверхности нагрева парогенератора, сетевая подогревательная установка, оросительное устройство и газоохладитель-конденсатор с сепарационным устройством.
Сепарационное устройство котла-утилизатора связано по потоку сепарированных газов через выхлопной газоход и дымосос с атмосферой, а по сепарированной воде (конденсату) связано трубопроводом с баком сепарированной воды (емкостью - накопителем конденсата). Входной патрубок парогенератора соединен трубопроводом питательной воды с баком сепарированной воды. Выходной патрубок парогенератора соединен паропроводом с паровпускным органом противодавленческой паровой турбины, выхлоп которой по пару связан паропроводами с устройствами впрыска пара в камеру сгорания высокого давления. Входной патрубок теплонасосной установки подключен по сепарированной воде трубопроводом к баку сепарированной воды, а ее выходной патрубок по сепарированной воде связан трубопроводом с оросительным устройством котла-утилизатора. По нагреваемой сетевой воде теплонасосная установка подключена на входе к трубопроводу обратной и на выходе к трубопроводу прямой сетевой воды открытой теплофикационной системы.
Описанная контактная парогазовая установка предназначена для создания новых высокоэкономичных теплофикационных энергоблоков. Она не может быть использована для модернизации базовых паротурбинных теплоэлектроцентралей, так как ее парогенератор вырабатывает перегретый пар с параметрами ниже стандартных для типовых теплофикационных турбин. Кроме того, он подключен паропроводом к специальной противодавленческой паровой турбине, выхлоп которой связан паропроводами с устройствами впрыска пара в камеру сгорания высокого давления и системой охлаждения парогазовой турбины. В данной установке также невозможно использование существующих газотурбинных установок с разрезным валом и, как следствие этого, имеется необходимость в применении специальной парогазовой турбины.
Наиболее близкой по технической сущности является теплоэлектроцентраль с открытой теплофикационной системой [Шарапов В.И. Подготовка подпиточной воды систем теплоснабжения с применением вакуумных деаэраторов. М.: Энергоатомиздат, 1996. - 176 с., стр.119, рис 8.2], содержащая котлоагрегат, главный паропровод, теплофикационную паровую турбину с регенеративными и теплофикационными отборами пара, электрогенератор, регенеративные подогреватели низкого и высокого давления, деаэратор высокого давления, питательный насос высокого давления, закрытую теплофикационную систему с сетевыми подогревателями, трубопроводами обратной и прямой сетевой воды. Котельный агрегат связан главным паропроводом высокого давления с теплофикационной паровой турбиной, ротор которой соединен валом с ротором электрогенератора. Регенеративные отборы пара теплофикационной паровой турбины соединены паропроводами с регенеративными подогревателями, а ее теплофикационные отборы - с сетевыми подогревателями открытой теплофикационной системы, подключенными на входе к трубопроводу обратной, а на выходе к трубопроводу прямой сетевой воды теплосети.
Данные паротурбинные теплоэлектроцентрали имеют сравнительно невысокую экономичность. Поэтому имеется острая необходимость модернизации этих теплоэлектроцентралей с повышением их тепловой и экономической эффективности, но из-за низкой термодинамической эффективности паротурбинных циклов невозможна их модернизация и повышение экономичности.
Задачей предлагаемого технического решения является создание парогазовой теплоэлектроцентрали с открытой теплофикационной системой, позволяющей обеспечить эффективную модернизацию базовых паротурбинных теплоэлектроцентралей с повышением их мощности и экономичности; при существенно сниженных затратах.
Поставленная цель достигается за счет того, что теплоэлектроцентраль с открытой теплофикационной системой, содержащая котлоагрегат, главный паропровод, теплофикационную паровую турбину с теплофикационным отбором пара, деаэратор высокого давления, питательный насос высокого давления, открытую теплофикационную систему с сетевыми подогревателями, трубопроводами обратной и прямой сетевой воды, дополнительно снабжена блоком парогазотурбинной установки с камерой дожигания низкого давления; блоком утилизации тепла парогазовой смеси, содержащим котел-утилизатор с парогенератором высокого и дополнительным парогенератором низкого давления; оросительным устройством, газоохладителем-конденсатором; блоком использования сепарированной воды, который трубопроводом питательной воды низкого давления через установку умягчения и деаэратор связан с входом парогенератора низкого давления котла-утилизатора; оросительное устройство связано трубопроводом с установкой умягчения сырой воды базовой теплоэлектроцентрали; в свою очередь вход парогенератора высокого давления котла-утилизатора связан трубопроводом парогазовой смеси с выходом парогазовой турбинной установки; парогенератор низкого давления котла-утилизатора соединен паропроводом низкого давления с дополнительной камерой дожигания парогазотурбинной установки; блок использования сепарированной воды соединен трубопроводом умягченной и деаэрированной питательной воды низкого давления с блоком утилизации тепла парогазовой смеси и трубопроводом умягченной, подогретой и деаэрированной подпиточной воды с открытой теплофикационной системой базовой теплоэлектроцентрали; парогенератор высокого давления соединен трубопроводами питательной воды высокого давления и пара высокого давления с базовой теплоэлектроцентралью.
Использование дополнительной камеры сгорания низкого давления парогазотурбинной установки, размещение ее между газовой турбиной высокого давления и силовой газовой турбиной и впрыск в нее пара низкого давления от дополнительного парогенератора низкого давления котла-утилизатора позволяют увеличить мощность парогазотурбинной установки, увеличить расход и температуру парогазовой смеси на входе в котел-утилизатор. За счет этого в парогенераторе вырабатывается пар высокого давления, подаваемый в базовую теплоэлектроцентраль, что позволяет модернизировать эту теплоэлектроцентраль с повышением ее мощности и экономичности.
При этом температура парогазовой смеси за силовой парогазовой турбиной низкого давления перед котлом-утилизатором обеспечивает возможность генерации в нем перегретого пара высокого давления с параметрами, стандартными для существующих теплофикационных паровых турбин. Это позволяет расширять генерируемый пар высокого давления в типовых теплофикационных паровых турбинах модернизируемой теплоэлектроцентрали, в которые также подают и расширяют в них пар высокого давления, вырабатываемый котельными агрегатами этой паротурбинной теплоэлектроцентрали.
Использование для генерации пара высокого давления питательной воды, подготовленной в базовой паротурбинной теплоэлектроцентрали, позволяет сократить затраты на подготовку качественной питательной воды.
Использование умягченной в установке умягчения сырой воды базовой паротурбинной установки оросительной воды, для конденсации пара из парогазовой смеси блока утилизации тепла парогазовой смеси, и подача большей части сепарированной воды после ее деаэрации для подпитки теплосети открытой теплофикационной системы базовой теплоэлектроцентрали позволяет дополнительно повысить ее дополнительную экономичность.
Использование для генерации пара низкого давления умягченной и деаэрированной сепарированной воды позволяет удешевить установку для подготовки питательной воды низкого давления.
В предлагаемой теплоэлектроцентрали можно использовать турбокомпрессоры существующих газотурбинных установок с разрезным валом, что позволяет существенно снизить затраты на создание подобных установок.
При сохранении неизменной мощности теплофикационных паровых турбин сокращается паропроизводительность и расход топлива на котельные агрегаты, повышается тепловая экономичность модернизируемой паротурбинной теплоэлектроцентрали.
На фиг.1, показана блок-схема теплоэлектроцентрали с открытой теплофикационной системой, на фиг.2 приведена принципиальная схема.
Блок-схема на фиг.1 состоит из четырех блоков:
базовая теплоэлектроцентраль с открытой теплофикационной системой 1; блок парогазотурбинной установки 2; блок утилизации тепла парогазовой смеси 3; блок использования сепарированной воды 4.
На фиг.2 показана принципиальная схема модернизированной теплоэлектроцентрали.
Базовая теплоэлектроцентраль с открытой теплофикационной системой 1 содержит: питательный насос высокого давления 29, трубопроводы питательной воды высокого давления 8, регенеративные подогреватели высокого давления 30, котлоагрегат 31, главный паропровод 32, теплофикационную паровую турбину 33, электрогенератор 34, паропровод 35, деаэратор высокого давления 36, открытую теплофикационную систему 37, сетевой подогреватель 38, трубопроводы прямой 39 и обратной 40 сетевой воды, установку умягчения сырой воды 41, трубопровод подпитки сети 42.
Блок парогазотурбинной установки 2 содержит: воздушный компрессор 13, камеру сгорания высокого давления 14, газовую турбину высокого давления 15 (компрессорную турбину), камеру дожигания 16, парогазовую турбину низкого давления 17 (свободную силовую турбину), электрогенератор 18, трубопровод парогазовой смеси 6.
Блок утилизации тепла парогазовой смеси 3 содержит: паровой котел-утилизатор двух давлений пара 19, содержащий парогенератор высокого давления 20, паропровод высокого давления 7, парогенератор низкого давления 21, паропровод низкого давления 5, оросительное устройство 22, газоохладитель-конденсатор 23, выхлопной газоход 24 с дымососом.
Блок использования сепарированной воды 4 содержит: трубопровод сепарированной воды 12, бак сепарированной воды 25, фильтр умягчения питательной воды низкого давления 26, деаэратор 27, трубопровод питательной воды низкого давления 11 с питательным насосом, трубопровод с насосом сепарированной воды 28, трубопровод умягченной оросительной воды 9, трубопровод подогретой и деаэрированной подпиточной воды 10.
Теплоэлектроцентраль с открытой теплофикационной системой выполнена следующим образом.
Котлоагрегат 31 базовой теплоэлектроцентрали с открытой теплофикационной системой 1 соединен главным паропроводом 32 с теплофикационной паровой турбиной 33, которая соединена паропроводом 35 с сетевым подогревателем 38 открытой теплофикационной системы 37. Деаэратор высокого давления 36 связан через питательный насос высокого давления 29 одним трубопроводом питательной воды 8 через подогреватели высокого давления 30 с котлоагрегатом 31 и вторым трубопроводом питательной воды 8 с входом парогенератора высокого давления 20 котла-утилизатора 19. Трубопровод обратной сетевой воды 40 базовой теплоэлектроцентрали 1 связан одним трубопроводом подпиточной воды 42 с установкой умягчения сырой воды 41 и вторым трубопроводом подогретой полдпиточной воды 10 с деаэратором с выходом бака сепарированной воды 25 блока 4.
В газоходе между воздушным компрессором 13 и газовой турбиной высокого давления 15 блока парогазотурбинной установки 2 установлена камера сгорания высокого давления 14. В газоходе между турбиной высокого давления 16 и парогазовой турбиной низкого давления 17 дополнительно размещена камера дожигания 16, снабженная устройством для впрыска пара. Выход парогазовой турбины низкого давления 17 соединен трубопроводом парогазовой смеси 6 с котлом-утилизатором 19.
В котле-утилизаторе 19 блока утилизации тепла парогазовой смеси 3 по ходу парогазовой смеси размещены парогенератор высокого давления 20, дополнительный парогенератор низкого давления 21, оросительное устройство 22, газоохладитель-конденсатор 23 с сепарационным устройством. Выхлопной газоход котла-утилизатора 19 связан трубопроводом 24 через дымосос с атмосферой. Выход парогенератора высокого давления 20 соединен паропроводом 7 с главным паропроводом 32 базовой теплоэлектроцентрали 1. Выход парогенератора низкого давления 21 связан паропроводом 5 с камерой дожигания низкого давления 16, а его вход связан трубопроводом 11 через питательный насос низкого давления, деаэратор 27 и фильтр умягчения питательной воды 26 с баком сепарированной воды 25 блока использования сепарированной воды 4. Оросительное устройство 22 связано трубопроводом оросительной воды 9 с установкой умягчения сырой воды 41 блока 1. Сепарационное устройство газоохладителя-конденсатора 23 трубопроводом сепарированной воды 12 соединено с входом бака сепарированной воды 25.
Выход из бака сепарированной воды 25 соединен через насос 28 с трубопроводом подпиточной воды 10 через деаэратор с обратной линией теплосети 40 блока 1.
Установка умягчения сырой воды 41 связана трубопроводом 42 подпиточной воды с обратным трубопроводом 40 открытой теплофикационной системы 37 блока 1.
Теплоэлектроцентраль с открытой теплофикационной системой работает следующим образом.
Перегретый пар высокого давления вырабатывают в котлоагрегате 31 базовой теплоэлектроцентрали с открытой теплофикационной системой 1, по главному паропроводу 32 подводят его к теплофикационной паровой турбине 33 и расширяют его, полезную работу паровой турбины 33 используют для выработки электроэнергии в электрогенераторе 34. Пар из регенеративных отборов этой паровой турбины используют для подогрева питательной воды в регенеративных подогревателях питательной воды 30. Паром из паропровода 35 в сетевом подогревателе 38 производят подогрев сетевой воды открытой теплофикационной системы 37.
В деаэраторе высокого давления 36 деаэрируют питательную воду и подают питательным насосом высокого давления 29 ее часть через регенеративные подогреватели высокого давления 30 в котельный агрегат 31. Остальную часть питательной воды подают по трубопроводу питательной воды высокого давления 8 на вход в парогенератор высокого давления 20 котла-утилизатора 19. Из выхода парогенератора 20 перегретый пар по паропроводу высокого давления 7 подают в главный паропровод 32 базовой теплоэлектроцентрали 1.
Атмосферный воздух сжимают компрессором 13 парогазотурбинной установки 2, направляют его в камеру сгорания высокого давления 14 и сжигают в нем подводимое топливо. Продукты сгорания топлива последовательно расширяют в турбинах высокого давления 15 и низкого давления 17. Газовая турбина высокого давления 15 парогазотурбинной установки 2 работает на продуктах сгорания топлива, выходящих из основной камеры сгорания 14, а силовая парогазовая турбина низкого давления 17 работает на парогазовой смеси.
Полезную работу газовой турбины высокого давления 15 используют для сжатия воздуха в компрессоре 13. К продуктам сгорания топлива, отработавшим в газовой турбине высокого давления 15, в камеру дожигания 16 подводят дополнительное тепло топлива. Сюда же по паропроводу низкого давления 5 подают пар низкого давления. Газовая турбина высокого давления 15 работает на продуктах сгорания топлива, а силовая парогазовая турбина низкого давления 17 работает на парогазовой смеси. Полезную работу силовой парогазовой турбины низкого давления 17 используют для привода электрогенератора 18 и выработки электроэнергии. Температуру парогазовой смеси перед свободной силовой турбиной устанавливают близкой к 900°С - предельно допустимой для неохлаждаемой газовой турбины. Из силовой парогазовой турбины 17 по трубопроводу парогазовой смеси 6 подают в котел-утилизатор 19 блока утилизации теплоты парогазовой смеси 3.
Теплоту парогазовой смеси утилизируют для выработки перегретого пара высокого давления в парогенераторе высокого давления 20 и пара низкого давления в парогенераторе низкого давления 21.
Пар высокого давления по паропроводу высокого давления 7 подают в главный паропровод 33 базовой теплоэлектроцентрали. Пар низкого давления направляют по паропроводу низкого давления 5 в дополнительную камеру дожигания 16 блока парогазовой установки 2.
В парогазовую смесь, частично охлажденную при выработке пара высокого и низкого давления, впрыскивают в оросительном устройстве 22 оросительную воду с температурой 20-30°С, подводимую в него по трубопроводу оросительной воды 9 из установки умягчения сырой воды 41 блока базовой теплоэлектроцентрали 1.
За счет этого в газоохладителе-конденсаторе 23 конденсируют паровую составляющую парогазовой смеси. В сепарационном устройстве газоохладителя-конденсатора 23 сепарируют конденсат парогазовой смеси и оросительную воду от продуктов сгорания топлива. Продукты сгорания по выхлопному газоходу 24 с дымососом сбрасывают в атмосферу, а сепарированную воду по трубопроводу 12 подают в бак сепарированной воды 25.
Меньшую часть сепарированной воды в блоке 4 умягчают в фильтре умягчения питательной воды низкого давления 26, деаэрируют в деаэраторе 27 и по трубопроводу 11 через питательный насос низкого давления подводят ее на вход в парогенератор низкого давления 21 котла-утилизатора 19. Большую ее часть насосом сепарированной воды 28 подают по трубопроводу 10 подпитки теплосети через деаэратор в обратный трубопровод сетевой воды в базовой теплоэлектроцентрали 1.
Предлагаемая компоновка теплоэлектроцентрали с открытой теплофикационной системой имеет преимущества как перед известными аналогами, так и перед прототипом и обеспечивает модернизацию базовых теплоэлектроцентралей с открытой теплофикационной системой.
Теплоэлектроцентраль с открытой теплофикационной системой, содержащая котлоагрегат, главный паропровод, теплофикационную паровую турбину с теплофикационным отбором пара, деаэратор высокого давления, питательный насос высокого давления, открытую теплофикационную систему с сетевыми подогревателями, трубопроводами обратной и прямой сетевой воды, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена блоком парогазотурбинной установки с камерой дожигания низкого давления; блоком утилизации тепла парогазовой смеси, содержащим котел-утилизатор с парогенератором высокого и дополнительным парогенератором низкого давления; оросительным устройством, газоохладителем-конденсатором; блоком использования сепарированной воды, который трубопроводом питательной воды низкого давления через установку умягчения и деаэратор связан с входом парогенератора низкого давления котла-утилизатора; оросительное устройство связано трубопроводом с установкой умягчения сырой воды базовой теплоэлектроцентрали; в свою очередь вход парогенератора высокого давления котла-утилизатора связан трубопроводом парогазовой смеси с выходом парогазотурбинной установки; парогенератор низкого давления котла-утилизатора соединен паропроводом низкого давления с дополнительной камерой дожигания парогазотурбинной установки; блок использования сепарированной воды соединен трубопроводом умягченной и деаэрированной питательной воды низкого давления с блоком утилизации тепла парогазовой смеси и трубопроводом умягченной, подогретой и деаэрированной подпиточной воды с открытой теплофикационной системой базовой теплоэлектроцентрали; парогенератор высокого давления соединен трубопроводами питательной воды высокого давления и пара высокого давления с базовой теплоэлектроцентралью.
