Высокотемпературная паросиловая установка докритического давления и высокотемпературный прямоточный котел докритического давления, работающий при переменном давлении
Изобретение относится к энергетике. Высокотемпературная паросиловая установка докритического давления содержит систему топочного котла, генераторную систему паровой турбины и систему конденсата и питательной воды, причем параметры пара, вырабатываемого в системе котла и подаваемого в генераторную систему паровой турбины, являются докритическим давлением и высокой температурой - температура на входе турбины 593°С или выше. Также представлен работающий при переменном давлении высокотемпературный прямоточный котел докритического давления для использования в теплосиловой установке. Изобретение позволяет улучшить эффективность теплосиловой установки. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 7 ил.
Область техники
Настоящее изобретение относится к высокотемпературным паросиловым установкам докритического давления и высокотемпературным прямоточным котлам докритического давления, работающим при переменном давлении, а более конкретно к высокотемпературным паросиловым установкам докритического давления, которые имеют мощность от малой до средней, и высокотемпературным прямоточным котлам докритического давления, работающим при переменном давлении, для использования в них.
Уровень техники
Для уменьшения выбросов CO2 от теплосиловых установок, включающих в себя котлы и паровые турбины, предпринимались меры по улучшению эффективности теплосиловых установок путем повышения давления и температуры как параметров пара. В настоящее время в Японии питаемые, в основном, углем теплосиловые установки класса от 0,6 до 1 миллиона кВт в своих коммерческих системах используют следующие параметры пара: диапазон давления острого пара от 24,1 до 25,0 МПа (сверхкритическое давление), температура острого пара от 593°С до 600°С, температура промежуточно перегретого пара от 593 до 620°С (например, см. непатентную литературу 1, "HITACHI HYORON", том 80, No.2, опубликованную в 1998 году, страницы 61-66). Обычно давление пара в 24,1 МПа (3500 psi) или выше и температуру пара в 593°С (1100°F) или выше называют ультра-сверхкритическими (USC) параметрами давления. Организация промышленного производства высокотемпературных материалов для труб котлов, клапанов и турбин, которые являются превосходными в отношении жаропрочности и коррозионной стойкости, внесла большой вклад в практическое использование таких ультра-сверхкритических параметров давления пара (температура пара 593°С или выше).
С другой стороны, теплосиловые установки от малой до средней мощности, в которых выходная мощность единственного генератора составляет 0,4 миллиона кВт и менее, используют параметры пара, при которых давление острого пара остается докритическим и максимальная температур пара на входе в турбину составляет 566°С.
Перечень литературы
Непатентная литература
Непатентная литература 1
"HITACHI HYORON", том.80, No.2, опубликовано в 1998 году, страницы 61-66
Краткое описание изобретения
Техническая проблема
Среди теплосиловых установок от малой до средней мощности есть много работающих на угле теплосиловых установок, которые эксплуатируются в течение многих лет и ожидается, что будет осуществлена замена или реконструкция многих таких существующих теплосиловых установок. При замене или реконструкции таких существующих теплосиловых установок особенно желательным с точки зрения снижения выбросов СО2 является улучшение эффективности. Также улучшенная эффективность желательна, когда строится новая теплосиловая установка.
Работающие при сверхкритическом давлении угольные теплосиловые установки более эффективны и безвредны для окружающей среды, чем работающие при докритическом давлении угольные теплосиловые установки. Как упоминалось выше, поскольку стали доступными для приобретения высокотемпературные материалы, стали экономически выгодными теплосиловые установки большой мощности, которые работают при параметрах пара со сверхкритическим давлением и температурой 593°С и выше. Таким образом, если подобные параметры пара со сверхкритическим давлением и температурой 593°С и выше применяются к теплосиловым установкам от малой до средней мощности, ожидается улучшение эффективности.
Однако согласно исследованиям авторов настоящего изобретения было обнаружено, что даже если параметры пара со сверхкритическим давлением применяются к теплосиловым установкам от малой до средней мощности, эффективность не будет улучшена, как ожидалось. Более конкретно, если давление острого пара повышается до сверхкритического давления или выше на теплосиловых установках от малой до средней мощности, удельный объем с повышением давления уменьшается приблизительно в соответствии с термодинамическим законом идеального газа (давление) × (объем) ÷ (температура) = константа и, как следствие, из-за ограничений по высоте и форме начального набора лопаток турбины сложно обеспечить высокую эффективность, как в установках большой мощности. Например, уменьшенный объем пара сделал бы необходимым укорачивание лопаток начального каскада турбины высокого давления, что будет увеличивать внутренние потери турбины и сделает невозможным достижение улучшения эффективности, оправдывающего стоимость оборудования для сверхкритического давления.
Предметом настоящего изобретения является разработка теплосиловой установки от малой до средней мощности, которая может эффективно улучшить эффективность, и котла для использования в ней.
Решение проблемы
Настоящее изобретение отличается тем, что параметрами пара, который вырабатывается в котле и подается к паровой турбине, являются докритическое давление и высокая температура (температура на входе в турбину 593°С и выше).
Полезный эффект изобретения
Согласно настоящему изобретению эффективность теплосиловой установки от малой до средней мощности может быть эффективно улучшена. Описанные выше и ниже цели и новые признаки изобретения в большей степени будут ясными из нижеследующего описания вариантов осуществления изобретения.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 является схематическим представлением, показывающим конфигурацию системы высокотемпературной паросиловой установки докритического давления согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.2 является видом в разрезе, показывающим общую конструкцию котла согласно первому варианту осуществления изобретения.
На фиг.3 показаны кривые «давление-энтальпия» как характеристики первого варианта осуществления изобретения.
На фиг.4 показана степень улучшения эффективности в первом варианте осуществления изобретения.
На фиг.5 показан эффект регулирования температуры пара в первом варианте осуществления изобретения.
На фиг.6 показан пример регулирования давления пара в первом варианте осуществления изобретения.
Фиг.7 является схематическим представлением, показывающим конфигурацию системы высокотемпературной паросиловой установки докритического давления согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.
Описание вариантов осуществления
Далее будут описаны предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения со ссылками на чертежи.
Хотя выработка электроэнергии с использованием пара сверхкритического давления является более эффективной и более безвредной для окружающей среды, чем выработка электроэнергии с использованием пара докритического давления, как описано выше, было обнаружено, что в теплосиловых установках от малой до средней мощности, на которые рассчитано настоящее изобретение, даже внедрение параметров пара сверхкритического давления (номинальные параметры пара) не улучшает эффективность, как ожидалось. Поэтому в настоящем изобретении вместо использования сверхкритического давления для эффективного улучшения эффективности давление пара оставляют докритическим, и используется более высокая температура (температура на входе в турбину 593°С или выше).
В настоящем изобретении высокотемпературный пар докритического давления (температура на входе в турбину 593°С или выше) подается в паровую турбину для выработки энергии, и теплосиловая установка, которая использует пар с такими параметрами, называется высокотемпературной паросиловой установкой докритического давления, и котел, который вырабатывает такой пар, называется высокотемпературным прямоточным котлом докритического давления, работающим при переменном давлении. Конкретно говоря, теплосиловая установка от малой до средней мощности, на которую рассчитано настоящее изобретение, является теплосиловой установкой, в которой выходная мощность (номинальная мощность) единственного генератора мощности (одногенераторная установка) находится в пределах от 0,1 до 0,4 миллионов кВт. В установке мощностью выше 0,4 кВт эффективность будет эффективно улучшена при параметре пара в 593°С или выше и сверхкритическом давлении, и фактически нет необходимости поддерживать давление пара докритическим. С другой стороны, в установках мощностью менее чем 0,1 миллиона кВт скорость поглощения тепла в котле (описана ниже) будет слишком высокой, и для того, чтобы повысить температуру пара, конструкция котла должна быть более сложной и дорогостоящей.
Фиг.1 является схематическим представлением, показывающим конфигурацию системы высокотемпературной паросиловой установки докритического давления согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения. Высокотемпературная паросиловая установка докритического давления включает в себя систему 10 топочного котла, систему 20 генератора с паровой турбиной и систему 30 конденсата и питательной воды. В этом варианте осуществления теплосиловая установка использует единственный генератор.
Система 10 топочного котла включает в себя углеразмольную мельницу 11, горелку 12, топку 13, спиральную экранную трубу 14, экономайзер 15, высокотемпературный пароперегреватель 16, высокотемпературный промежуточный пароперегреватель 17 и сепаратор 18 пара. Система котла будет подробно описана ниже.
Генераторная система 20 паровой турбины включает в себя высокотемпературную турбину 21 высокого давления, высокотемпературную турбину 22 среднего давления с промежуточным перегревом пара, турбину 23 низкого давления и генератор 24. Ссылочные обозначения 25 и 26 указывают на главный паровой стопорный клапан 25 и клапан 26 регулировки подачи пара соответственно.
Система 30 конденсата и питающей воды включает в себя конденсатор 31, конденсатный насос 32, нагреватель 33 питательной воды низкого давления, деаэратор 34, насос 35 водоснабжения и высокотемпературный нагреватель 36 питательной воды.
Уголь измельчается углеразмольной мельницей 11 в порошкообразный уголь, который затем подается в горелки 12, расположенные в топке 13 для сгорания с кислородом и выработки тепла. Горелки 12 установлены и расположены так, чтобы минимизировать неравномерность распределения температуры в топке 13 и различия в температуре металла спиральной экранной трубы 14. Например, горелки 12, которые соответствуют каждой углеразмольной мельнице 11, расположены таким образом, чтобы находиться напротив друг друга, и горелки 12 расположены в ряд на обеих сторонах топки 13 для сжигания порошкообразного угля в качестве топлива.
В то время как в качестве топлива используется, в основном, уголь, система котла может быть выполнена так, чтобы сделать возможным смешанное сжигание нефти, биомассы или побочного газа процесса производства стали с углем в топке 13. Например, если используется биомасса, то биомасса подается к углеразмольной мельнице 11 и подается с углем к горелке 12. Если используется побочный газ, то устанавливается специальная горелка для побочного газа. В топке 13 также предусмотрена нефтяная горелка для запуска (не показана).
Тепло излучения и конвективное тепло, произведенные при сжигании, используются для нагревания (испарения или перегрева) находящейся под давлением воды в спиральной экранной трубе 14, которая образует экранную трубу топки 13. Пар (пар на выходе из топки) из спиральной экранной трубы 14 направляется через сепаратор 18 пара и подается в виде перегретого пара к высокотемпературному пароперегревателю 16.
Высокотемпературный пароперегреватель 16 подает перегретый пар (перегретый пар докритического давления) с температурой 593°С или выше (температура на входе в высокотемпературную турбину высокого давления) к высокотемпературной турбине 21 высокого давления. Высокотемпературный перегретый пар при докритическом давлении и температуре 593°С или выше приводит в движение высокотемпературную турбину 21 высокого давления. Отработанный пар турбины высокого давления, который был использован в высокотемпературной турбине 21 высокого давления, давление и температура которого снизились, направляется к высокотемпературному промежуточному пароперегревателю 17, где он повторно нагревает до 593°С или выше. Промежуточно перегретый высокотемпературный пар с температурой 593°С или выше (перегретый пар докритического давления) направляется к высокотемпературной турбине 22 среднего давления с промежуточным перегревом пара. Отработанный пар, который был использован в высокотемпературной турбине 22 среднего давления с промежуточным перегревом пара, направляется к турбине 23 низкого давления для приведения в движение турбины 23 низкого давления. Генератор 24 приводится в движение энергией высокотемпературной турбины 21 высокого давления, высокотемпературной турбины 22 среднего давления с промежуточным перегревом пара и турбины низкого давления 23 для выработки энергии.
Отработанный пар от турбины 23 низкого давления направляется к системе 30 конденсата и питательной воды. В системе 30 конденсата и питательной воды конденсатор 31 охлаждает отработанный пар от турбины 23 низкого давления, собирает скрытую теплоту пара и конденсирует пар в воду. Сконденсированная вода подается под давлением конденсатным насосом 32, нагревается нагревателем 33 питательной воды низкого давления, освобождается от воздуха деаэратором 34, чтобы стать питательной водой. Питательная вода подается под давлением насосом 35 водоснабжения, нагревается нагревателем 36 питательной воды высокого давления, затем подается в виде высокотемпературной, находящейся под давлением воды к экономайзеру 15. В экономайзере 15 питательная вода, которая должна поступать в спиральную экранную трубу 14, предварительно нагревается отходящим газом котла.
Как упомянуто выше, когда началось промышленное производство высокотемпературных материалов для труб котла, клапанов и турбин, параметры пара сверхкритического давления (температура на входе в турбину 593°С или выше) стали применимыми на коммерческой основе. Поэтому в теплосиловых установках от малой до средней мощности (0,1 до 0,4 миллионов кВт) температура пара может быть легко повышена (до температуры на входе в турбину 593°С или выше) путем использования техники высокотемпературных материалов для сверхкритического давления.
Известно, что в системе с комбинированным циклом, в которой пар вырабатывается котлом на отходящем газе (теплоутилизационным парогенератором) с использованием отходящего газа турбины, и энергия вырабатывается как газовой турбиной, так и паровой турбиной, острый пар высокого давления при докритическом давлении доводится в котле на отходящем газе до 600°С способом прямоточного котла Бенсона. Однако это является процессом выработки пара, основанным на системе сбора отходящего тепла, в которой теплообменник нагревается с использованием отходящего газа после приведения в движение газовой турбины для выработки пара, и эта технология отличается от технологии топочного котла, использующего уголь и т.п. Другими словами, с точки зрения температуры и теплотворной способности отходящего газа, система сбора отходящего тепла в принципе не является технологией, основанной на использовании сверхкритического давления, а именно эта система не выбирается специально для использования докритического давления.
Далее будет подробно описан котел, который используется в высокотемпературной паросиловой установке докритического давления согласно настоящему изобретению.
В прошлом в теплосиловых установках докритического давления от малой до средней мощности обычно использовался барабанный котел. В барабанном котле, в котором насыщенный пар вырабатывается парогенерирующей трубой и барабаном, а перегретый пар вырабатывается пароперегревателем, температура пара на выходе из барабана главным образом должна быть равной температуре насыщенного пара при рабочем давлении барабана. Это значит, что температура пара может быть повышена до 593°С только путем увеличения поверхности теплообмена перегревателя или повышением температуры газа на входе в перегреватель. В частности, в случае углесжигающего котла имеется много технических трудностей, и технология достижения вышеупомянутой температуры пара пока еще не получила практического применения. Более конкретно, в барабанных котлах, используемых в существующих теплосиловых установках докритического давления, максимальная температура пара на входе в турбину после перегревателя/вторичного перегревателя составляет 566°С/566°С.
С другой стороны, в прямоточном котле (прямоточный котел, работающий при переменном давлении), который используется в теплосиловых установках сверхкритического давления, в состоянии сверхкритического давления в рабочем диапазоне высокой нагрузки питательная вода непрерывно превращается в перегретый пар без явления кипения, а в состоянии докритического давления в рабочем диапазоне частичной нагрузки посредство работы при переменном давлении насыщенный и перегретый пар может эффективно вырабатываться без барабана давления путем использования явления пузырькового кипения в парогенерирующей трубе (для работы в переходном режиме при запуске и остановке предусмотрен сепаратор пара). В настоящем изобретении прямоточный котел используется вместо барабанного котла для обеспечения того, что температура на входе в паровую турбину после перегревателя/вторичного перегревателя равна 593°С/593°С или выше при докритическом давлении.
Для внедрения прямоточного котла переменного давления от малой до средней мощности (в особенности углесжигающего прямоточного котла переменного давления) проблемой является то, что, поскольку выходная мощность установки меньше, степень поглощения тепла топкой увеличивается. С увеличением степени поглощения тепла топкой возникают следующие проблемы:
(1) Температура газа на выходе из топки имеет тенденцию к снижению, и становится необходимым принимать меры к увеличению поглощения тепла пароперегревателем.
(2) Повышение температуры металла топки с увеличением поглощения тепла топкой должно быть в допустимом диапазоне.
(3) Поскольку поглощение тепла топкой увеличивается, температура эффективно увеличивается в пароперегревателе, однако перегрев может быть чрезмерным в воздушно-водяном сепараторе.
(4) Для проточной работы при докритическом давлении в рабочем диапазоне полной нагрузки установки необходимо все время поддерживать режим пузырькового кипения для предотвращения пленочного кипения.
Например, для решения проблемы падения температуры газа на выходе из топки могут потребоваться специальные меры для повышения температуры газа на выходе из топки или увеличения поверхности теплопередачи в пароперегревателе. В этом случае следует позаботиться о том, чтобы не вызвать значительного увеличения поверхности теплопередачи, объема, веса и т.п. котла, приводящих к увеличению стоимости. Особенно при сооружении установки путем замены или реконструкции существующей теплосиловой установки (барабанный котел) от малой до средней мощности желательно, чтобы пространство для установки и вес были равны или меньше, чем у существующего барабанного котла.
Поэтому настоящее изобретение использует спиральный прямоточный котел, как используемый в прямоточном котле сверхкритического давления, работающем при переменном давлении. В спиральном прямоточном котле используется спиральная экранная труба в качестве экрана топки. В теплосиловой установке сверхкритического давления большой мощности установка эксплуатируется при частичной нагрузке посредством работы при переменном давлении, и поскольку давление пара при частичной нагрузке становится докритическим, то спиральная экранная труба используется для предотвращения перехода от условий пузырькового кипения к условиям пленочного кипения. Обычно наклон спиральной экранной трубы (угол спиральной экранной трубы, если смотреть по горизонтали, или угол спирали) равен примерно 25 градусам.
В настоящем изобретении для работы установки при докритическом давлении в прямоточном режиме в диапазоне работы при полной нагрузке необходимо все время поддерживать условия пузырькового кипения и предотвращать пленочное кипение. Другими словами, необходимо поддерживать скорость течения не меньше чем минимальная скорость течения, требуемая для поддержания условий пузырькового кипения и предотвращения пленочного кипения в диапазоне работы установки при полной нагрузке для стабильного управления испарением. В настоящем изобретении, в дополнение к вышеописанному, вследствие того факта, что в котле меньшей производительности доля водяной трубы, которая образует экранную трубу, больше, становится необходимым решение проблемы уменьшения скорости потока в трубе. Так, согласно исследованиям авторов настоящего изобретения, в высокотемпературном спиральном прямоточном котле докритического давления от малой до средней мощности наклон спиральной экранной трубы должен быть меньше, чем наклон спиральной экранной трубы в прямоточном котле теплосиловой установки сверхкритического давления (уменьшением угла наклона спиральной экранной трубы доля трубы, образующей экран топки, может быть уменьшена и скорость потока в спиральной экранной трубе может быть увеличена).
Однако, поскольку уменьшение угла наклона спиральной экранной трубы приводит к тенденции увеличения напряжений в вертикальном направлении, с точки зрения прочности спиральной экранной трубы уменьшение угла наклона кажется сложным. В этом отношении, обращая внимание на тот факт, что давление пара является докритическим, авторы настоящего изобретения провели различные эксперименты и обнаружили, что даже если угол наклонной спиральной экранной трубы будет малым, достаточная прочность достигается уменьшением веса (например, толщина трубы при докритическом давлении может быть меньше, чем при сверхкритическом давлении) и снижением давления в спиральной экранной трубе.
По этой причине в настоящем изобретении наклон спиральной экранной трубы меньше, чем наклон (около 25 градусов) спиральной экранной трубы в работающем при переменном давлении прямоточном котле теплосиловой установки сверхкритического давления. Конкретно, угол спиральной экранной трубы находится в диапазоне от 10 до 20 градусов, если смотреть по горизонтали. Этот угловой диапазон не был бы определен без вышеописанного открытия авторов настоящего изобретения. Согласно исследованиям авторов настоящего изобретения было подтверждено, что в случае углесжигающего, спирального, работающего при переменном давлении прямоточного котла в установке мощностью от 150 до 250 МВт, когда угол спиральной экранной трубы, если смотреть по горизонтали, находится в диапазоне от 10 до 20 градусов, пленочное кипение не происходит и обеспечивается стабильность потока. Также было подтверждено улучшение надежности металла экранной трубы. Далее, было подтверждено, что прочность конструкции экранной трубы достаточна, когда угол находится в этом диапазоне.
На фиг.2 схематически показана конструкция котла согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Площадь спиральной экранной трубы 14 в топке 13 котла показана здесь приблизительно. Штриховка на фигуре обозначает топку, в которой используется спиральная экранная труба, включая секцию 12 горелки под топкой 13. Спиральная экранная труба 14, образующая экран топки 13, наклонена под упомянутым выше углом, чтобы предотвратить пленочное кипение в спиральной экранной трубе 14 для стабильной выработки пара докритического давления (критическое давление воды составляет примерно 22,0 МПа) и обеспечения высокой скорости потока и стабильной работы.
Этот вариант осуществления использует котел с регулированием температуры пара с параллельным каналом, который не использует рециркуляцию газа. Высокотемпературный пароперегреватель 16 включает в себя первичный пароперегреватель 16а, вторичный пароперегреватель 16b и третичный пароперегреватель 16с. Высокотемпературный промежуточный пароперегреватель 17 включает в себя первичный промежуточный пароперегреватель 17а и вторичный промежуточный пароперегреватель 17b. Первичный пароперегреватель 16а и первичный промежуточный пароперегреватель 17а расположены в параллельном канале, а вторичный пароперегреватель 16b, третичный пароперегреватель 16с и вторичный промежуточный перегреватель 17b расположены в высокотемпературной секции выпуска газообразных продуктов сгорания на выходе топки 13. Это расположение может рассматриваться как приемлемое даже при обычной конструкции и компоновке котла, однако оно является лишь примером, и настоящее изобретение не ограничивается этим расположением. Во вторичном пароперегревателе 16b и третичном пароперегревателе 16с высокотемпературного пароперегревателя 16 пар нагревается высокотемпературными газообразными продуктами сгорания на выходе из топки для выработки пара с температурой 593°С или выше при докритическом давлении. Во вторичном промежуточном пароперегревателе 17b промежуточного высокотемпературного пароперегревателя 17 пар нагревается высокотемпературными газообразными продуктами сгорания на выходе из топки для выработки пара с температурой 593°С или выше при докритическом давлении.
В способе регулирования температуры пара с параллельным каналом путем, например, открывания или закрывания газораспределительной заслонки 19 скорость потока газа в первичном промежуточном пароперегревателе 17а в параллельном канале увеличивается (уменьшается), а скорость потока газа в первичном пароперегревателе 16а и экономайзере 15 уменьшается (увеличивается) для увеличения (уменьшения) поглощения тепла в первичном промежуточном пароперегревателе 17а и увеличения (уменьшения) температуры промежуточно перегретого пара.
На фиг.3 показано, как высокотемпературный пар докритического давления вырабатывается согласно варианту осуществления настоящего изобретения. На этой фигуре показаны кривые «давление-энтальпия», которые наглядно иллюстрируют выработку высокотемпературного пара докритического давления посредством работы при переменном давлении прямоточного котла в высокотемпературной паросиловой установке докритического давления согласно варианту осуществления настоящего изобретения. На фигуре показана линия от точки А питательной воды на входе в экономайзер 15 до 593°С на выходе высокотемпературного пароперегревателя 16, например, при номинальном режиме с давлением острого пара 16,6 МПа и температурой острого пара 593°С.
В экономайзере 15 после того, как подогрев был осуществлен в степени, когда парообразование не происходит, нагрев (испарение/перегрев) осуществляется спиральной экранной трубой 14, окружающей топку 13 котла, после покидания топки 13 (спиральной экранной трубы 14) температура в точке C достигается на выходе из сепаратора 18 пара. В обычном барабанном котле температура на выходе из барабана поддерживается низкой в точке B или при температуре насыщения при давлении в барабане, поэтому для компенсации разности температуры от точки B к точке D необходим подогрев, однако по техническим или экономическим причинам температура может быть повышена только до 566°С. В данном варианте осуществления высокотемпературный пароперегреватель 16 может повысить температуру от точки C до точки D (593°С), и нагрев до точки D или 593°С может быть легко осуществлен без существенного увеличения поверхности теплопередачи высокотемпературного пароперегревателя 16.
На фиг.4 показан пример эффекта улучшения эффективности в варианте осуществления настоящего изобретения. На фигуре показан результат расчета эффективности установки при работе с номинальной мощностью. В условиях, когда давление пара в углесжигающей теплосиловой установке является докритическим давлением, меньшим, чем критическое давление (примерно 22,0 МПа), например 16,6 МПа, вычисленная относительная степень улучшения эффективности генерирования энергии показана здесь в предположении, что точка Е, где температура острого пара/перегретого пара равна 538°С/538°С, равна 1,00 (база).
В этом варианте осуществления (в точке F, где давление пара остается тем же самым докритическим давлением и температура пара равна 600°С/600°С), относительная величина улучшения ожидается равной примерно 3%. Степени улучшения эффективности в этом варианте осуществления (точка F) предполагается быть более высокой, чем в точке G, где сверхкритическое давление равно, например, 25,0 МПа, а температура пара та же самая, или 538°С/538°С. Другими словами, когда давление пара остается тем же самым докритическим давлением и температура пара повышается до 600°С/600°С, эффективность силовой установки улучшается более эффективно, чем когда температура пара остается равной 538°С и давление увеличивается, например, с 16,6 МПа (докритическое давление) до 25,0 МПа (сверхкритическое давление). Точка Н показывает степень улучшения эффективности в случае, когда как давление, так и температура повышаются, например давление пара равно 25,0 МПа (сверхкритическое давление), а температура пара равна 600°С/600°С. Однако, даже если параметры пара в точке H применяются к теплосиловой установке от малой до средней мощности, эффективность не может быть улучшена, как ожидалось, вследствие внутренних потерь в турбине, как упоминалось ранее. Хотя температура пара в этом примере равна 600°С, эффект улучшения эффективности может быть достигнут пропорционально разности температуры при условии, что температура равна 593°С или выше.
На фиг.5 показан эффект регулирования температуры пара в варианте осуществления настоящего изобретения. Фигура показывает характеристики регулирования температуры острого пара и перегретого пара в диапазоне частичной нагрузки установки в высокотемпературной паросиловой установке докритического давления (работающем при переменном давлении прямоточном котле докритического давления) согласно варианту осуществления настоящего изобретения и в теплосиловой установке с обычным барабанным котлом (барабанный котел).
В этом варианте осуществления диапазон, в котором температура пара поддерживается постоянной, шире, чем в барабанном котле, и эффективность установки при одинаковой степени частичной нагрузки выше. Более конкретно, в этом варианте осуществления температура острого пара/перегретого пара регулируется, чтобы оставаться постоянной в диапазоне степени нагрузки от 100% до 50%, и проблема с барабанным котлом, что температура перегретого пара имеет тенденцию к снижению, решена, и эффективность выработки энергии установкой при частичной нагрузке предположительно должна улучшиться.
На фиг.6 показан пример регулирования температуры пара в варианте осуществления настоящего изобретения. Фигура иллюстрирует характеристики изменения давления острого пара во время работы при частичной нагрузке в высокотемпературной паросиловой установке согласно варианту осуществления настоящего изобретения. В этом примере в диапазоне от области высокой нагрузки установки до точки J минимальной прямоточной нагрузки работа при переменном давлении прямоточного котла осуществляется с открытым (практически полностью открытым) клапаном 26 (показан на фиг.1) регулирования острого пара, и в диапазоне нагрузки ниже точки J минимальной прямоточной нагрузки работа при постоянном давлении осуществляется путем регулирования открывания регулирующего клапана 26 острого пара. Характеристики изменения в давлении острого пара во время работы при частичной нагрузке могут быть также реализованы другим способом работы при переменном давлении, который поддерживает давление пара на номинальном уровне в диапазоне высокой нагрузки на основании техники управления регулирующим клапаном острого пара, называемой способом управления соплом.
В варианте осуществления настоящего изобретения вес экранной трубы котла или клеточной экранной трубы почти такой же, как в барабанном котле, благодаря меньшему диаметру экранной трубы, хотя она имеет спиральную структуру. Вес теплопередающих труб пароперегревателя и промежуточного пароперегревателя может быть почти таким же, как в барабанном котле, хотя температура пара равна 593°С или выше, так как работающий при переменном давлении прямоточный котел может делать пар на выходе из сепаратора пара на выходе из топки, перегретым паром с более высокой температурой, чем в барабанном котле. Поскольку барабан, как тяжелый узел барабанного котла, не требуется и достигается экономия веса, равнозначная весу барабана минус вес сепаратора пара, вес находящейся под давлением части корпуса котла ожидается немного менее чем на 10% меньшим, чем в барабанном котле установки с такой же мощностью.
К тому же, поскольку работающий при переменном давлении прямоточный котел делает возможной выработку достаточно перегретого пара в топке, устройства для рециркуляции газа и подобные им, как средства для регулирования температуры пара в углесжигающей теплосиловой установке от малой до средней мощности, могут быть исключены. Это значит, что какой-либо рециркулируемый газ отсутствует, и количество газообразных продуктов сгорания таким образом уменьшается, и вес и объем котла могут быть меньше, чем у обычного барабанного котла.
Когда теплосиловая установка с малой до средней мощностью, использующая существующий барабанный котел докритического давления, заменяется, существуют ограничения в площади монтажа и весе котла при монтажных работах. Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, как упомянуто выше, новая установка может быть меньше, чем существующая установка, так что работа по замене может быть выполнена без помех.
Фиг.7 является схематическим представлением, показывающим конфигурацию системы высокотемпературной паросиловой установки докритического давления согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.
Основная конфигурация такая же, как и у высокотемпературной паросиловой установки докритического давления, показанной на фиг.1, поэтому описание таких же компонентов, как в первом варианте осуществления, здесь опускается. Характерной особенностью второго варианта осуществления является расположение горелок, которые сжигают порошкообразный уголь как топливо, поставляемое от углеразмольной мельницы 11 в топку 13. Топливо подается от одной и той же углеразмольной мельницы 11 к горелкам 12, расположенным в ряд на обеих сторонах топки 13. Хотя на этой фигуре не показано, предусмотрены две или три углеразмольные мельницы. Горелки расположены в два ряда при двух ступенях или в три ряда при трех ступенях на противоположных сторонах, и топливо подается от каждой углеразмольной мельницы к ступени горелок, где топливо распределяется к передним и задним горелкам в ступени. Благодаря этому расположению, порошкообразный уголь как топливо может гореть так, что эффективно снижаются неравномерности в распределении температуры в топке 13 и разности температуры в температуре металла прямоточной спиральной экранной трубы 15.
Настоящее изобретение может быть применено к высокотемпературной паросиловой установке докритического давления с малой до средней мощностью (от 0,1 до 0,4 миллиона кВт), которая использует в качестве топлива ископаемое топливо, такое как уголь или сырая нефть, биомассу или побочный газ процесса производства стали. В частности, изобретение может быть весьма эффективно применено к замене или модернизации существующей углесжигающей теплосиловой установки. Углесжигающие теплосиловые установки с малой до средней мощностью используются в промышленных автономных энергогенерирующих установках или IPP (бизнес по независимому производству или оптовой продаже энергии). Модернизация этих энергоустановок согласно настоящему изобретению будет способствовать улучшению эффективности и уменьшению выбросов CO2. Например, если изобретение применено к замене или модернизации старой углесжигающей теплосиловой установке с малой до средней мощностью, использующей барабанный котел, который использовался в течение более чем 40 лет, выбросы СО2 будут уменьшены на 3-5% благодаря улучшению эффективности, вызванной повышенной температурой пара и использованием последних технологий для корпуса паровой турбины.
Настоящее изобретение не ограничивается вышеописанными вариантами осуществления и включает в себя другие различные формы вариантов осуществления. Например, вышеописанные варианты осуществления были подробно разъяснены для легкости понимания настоящего изобретения, однако вариант осуществления изобретения не должен включать все элементы вышеописанных вариантов осуществления. Некоторые элементы варианта осуществления могут быть заменены элементами другого варианта осуществления или элементы одного варианта осуществления могут быть добавлены к другому варианту осуществления. Также для некоторых элементов варианта осуществления возможны добавление других элементов, удаление или замена.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
| 10 | Система топочного котла |
| 11 | Углеразмольная мельница |
| 12 | Горелка |
| 13 | Топка |
| 14 | Спиральная экранная труба |
| 15 | Экономайзер |
| 16 | Высокотемпературный пароперегреватель |
| 16а | Первичный пароперегреватель |
| 16b | Вторичный пароперегреватель |
| 16с | Третичный пароперегреватель |
| 17 | Высокотемпературный промежуточный пароперегреватель |
| 17а | Первичный промежуточный пароперегреватель |
| 17b | Вторичный промежуточный пароперегреватель |
| 18 | Сепаратор пара |
| 19 | Газораспределительный канал |
| 20 | Генераторная система паровой турбины |
| 21 | Высокотемпературная турбина высокого давления |
| 22 | Высокотемпературная турбина промежуточного давления |
| 23 | Турбина низкого давления |
| 24 | Генератор |
| 30 | Система конденсата и питательной воды |
| 31 | Конденсатор |
| 32 | Конденсатный насос |
| 33 | Нагреватель питательной воды низкого давления |
| 34 | Деаэратор |
| 35 | Насос водоснабжения |
| 36 | Нагреватель питательной воды высокого давления |
| А | Питательная вода на входе в экономайзер |
| В | Пар на выходе из барабана |
| С | Пар на выходе сепаратора пара |
| D | Пар на выходе из высокотемпературного пароперегревателя |
| Е | 538/538°С |
| F | 600/600°С |
| G | 538/538°С |
| Н | 600/600°С |
| J | Минимальная прямоточная нагрузка |
1. Высокотемпературная паросиловая установка докритического давления, содержащая:
- систему топочного котла,
- генераторную систему паровой турбины, и
- систему конденсата и питательной воды,
причем высокотемпературная паросиловая установка докритического давления имеет номинальную мощность в диапазоне от 0,1 миллиона кВт до 0,4 миллиона кВт,
система топочного котла включает в себя высокотемпературный пароперегреватель для подачи перегретого пара с параметрами пара докритического давления и температурой 593°С или выше и высокотемпературный промежуточный пароперегреватель для подачи промежуточно перегретого пара с температурой 593°С или выше, и
генераторная система паровой турбины включает в себя высокотемпературную паровую турбину, приводимую в движение перегретым паром с параметрами пара докритического давления и температурой 593°С или выше, и паровую турбину среднего давления с промежуточным перегревом пара, приводимую в движение промежуточно перегретым паром с температурой 593°С или выше.
2. Высокотемпературная паросиловая установка докритического давления по п. 1, в которой высокотемпературная паровая турбина имеет лопатки начального каскада, высота и форма которых соответствуют параметрам пара докритического давления.
3. Высокотемпературная паросиловая установка докритического давления по п. 1 или 2, в которой система топочного котла является работающим на порошкообразном угле топочным котлом, использующим уголь в качестве основного топлива, а также работающим при переменном давлении прямоточным котлом, который использует экран топки котла прямоточного спирального типа.
4. Высокотемпературная паросиловая установка докритического давления по п. 3, в которой система топочного котла сжигает в качестве топлива биомассу или побочный газ процесса производства стали с углем.
5. Высокотемпературная паросиловая установка докритического давления по п. 3, в которой система топочного котла содержит множество топочных горелок, расположенных во множестве ступеней с топочными горелками, расположенными на противоположных сторонах каждой ступени, и множество углеразмольных мельниц, каждая из которых предусмотрена для каждой из ступеней и распределяет топливо к топочным горелкам, расположенным на противоположных сторонах каждой ступени.
6. Высокотемпературная паросиловая установка докритического давления по п. 3, в которой спиральная экранная труба, образующая экран топки, отклонена на от 10 до 20 градусов от горизонтального направления.
7. Работающий при переменном давлении высокотемпературный прямоточный котел докритического давления для использования в теплосиловой установке, в которой номинальная мощность единственного генератора находится в диапазоне от 0,1 миллиона кВт до 0,4 миллиона кВт,
причем система котла содержит углеразмольную мельницу, горелку, топку, экранную трубу топки, экономайзер, высокотемпературный пароперегреватель, высокотемпературный промежуточный пароперегреватель и сепаратор пара,
экранная труба топки является прямоточной спирального типа, и
высокотемпературный пароперегреватель вырабатывает перегретый пар с параметрами докритического давления и температурой 593°С или выше и высокотемпературный промежуточный пароперегреватель вырабатывает промежуточно перегретый пар с температурой пара 593°С или выше.
8. Работающий при переменном давлении высокотемпературный прямоточный котел докритического давления по п. 7, в котором спиральная экранная труба топки отклонена на от 10 до 20 градусов от горизонтального направления.
