Парогазотурбинная установка

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ(71) Заявитель Институт проблем энергетики Национальной Академии наук Беларуси(73) Патентообладатель Институт проблем энергетики Национальной Академии наук Беларуси(57) Парогазотурбинная установка, содержащая турбину высокого давления, камеру сгорания, компрессор воздуха, турбину низкого давления, газовый компрессор, котел-утилизатор, конденсационную установку и систему водоочистки, причем камера сгорания соединена с выходом пара котла утилизатора, выход конденсата конденсационной установки - через систему водоочистки со входом котла утилизатора, отличающаяся тем, что она содержит вертикальную шахту и дополнительную камеру сгорания, установленную в ней и снабженную воздушными клапанами, при этом турбина низкого давления расположена в нижней части шахты над дополнительной камерой сгорания, газовый компрессор - в верхней части шахты, а конденсационная установка и котелутилизатор - в шахте между газовым компрессором и турбиной низкого давления.(56) 1. Березинец П.А. Эксплуатационные характеристики парогазовых установок утилизационного типа // Энергетическое хозяйство за рубежом.- 3, 1986.-С. 12-13, рис. 1. 2. Шевцов В.Ф. Усовершенствованные термодинамические циклы Карно и силовые установки на их основе Сборник статей Энергетика и экология.- Новосибирск, 1988.-С. 71-77, рис. 5. 3. Шерстобитов И.В. Об эффективности парогазовой установки с перерасширением рабочего тела в газовой турбине // Известия ВУЗов. Энергетика.- 4, 1987.-С. 82-87, рис. 1 (прототип). 2412 1 Изобретение относится к энергетическим установкам, а именно к парогазотурбинным установкам с котлом - утилизатором для комбинированной выработки электрической и тепловой энергии, и может быть использовано при модернизации котельных малой и средней мощности, а также для создания современных автоматизированных энергогенерирующих мощностей. Для повышения эффективности использования органического топлива в промышленно развитых странах с начала 70-х годов нашли применение газотурбинные установки с котлами-утилизаторами для комбинированной выработки электрической и тепловой энергии 1. Известная установка содержит газовые турбины, на их выхлопе установлены котлы-утилизаторы, выработанный которыми пар направляют в паровую турбину. Для повышения степени использования тепла пар более низкого давления используют непосредственно для тепловых нужд потребителя. Однако при использовании установки для электро и теплоснабжения населенных пунктов особое значение приобретает надежность и коэффициент готовности установки в целом, возможность обеспечения теплом и минимальной электроэнергией при остановке газовой турбины. Известны различные технические решения, повышающие эффективность и надежность парогазотурбинной установки. Например, предложена парогазотурбинная установка техиометрического сгорания топлива, в которой достигают глубокое расширение рабочего тела, а сброс продуктов сгорания в атмосферу обеспечиваютпомощью компрессора 2. Однако известная установка не может обеспечить многократное изменение тепловой мощности в пиковых режимах потребления, требует создания резервных мощностей котельных, что ухудшает маневренность и надежность. Из известных технических решений наиболее близким объектом к заявляемой установке по совокупности существенных признаков является Парогазотурбинная установка с перерасширением рабочего тела в турбине, приведенная в 3, принятая автором за прототип. Принятая за прототип установка содержит часть высокого давления, часть низкого давления, котелутилизатор, конденсационную установку и систему водоочистки, причем камера сгорания части высокого давления соединена с выходом пара из котла-утилизатора, а выход конденсата из конденсационной установки соединен через систему водоочистки с подачей питательной воды в котел-утилизатор. Однако высокая эффективность в прототипе достигается за счет применения сложной системы теплообменников, деаэраторов, насосов и трубопроводной обвязки, образующих котел-утилизатор и конденсационную установку, что снижает надежность, а увеличенные габариты не позволяют получить приемлемые экономические характеристики при использовании этого технического решения для модернизации существующих энергопроизводящих установок. Задачей изобретения является создание более конкурентоспособной в условиях Белоруссии парогазотурбинной установки с котлом-утилизатором для комбинированной выработки электрической и тепловой энергии. В результате решения этой задачи достигнут новый технический результат, заключающийся в повышении надежности и коэффициента готовности установки в целом, получении возможности обеспечения теплом и минимальной электроэнергией потребителей при остановке газовой турбины. Данный технический результат достигнут тем, что в парогазотурбинной установке, содержащей часть высокого давления, часть низкого давления, котел-утилизатор, конденсационную установку и систему водоочистки, причем камера сгорания части высокого давления соединена с выходом пара из котла-утилизатора,а выход конденсата из конденсационной установки соединен через систему водоочистки с подачей питательной воды в котел-утилизатор, часть низкого давления, а так же теплообменники котла-утилизатора и конденсационной установки установлены в вертикальной шахте, в нижней части которой размещена дополнительная камера сгорания, снабженная воздушными клапанами, компрессор части низкого давления установлен в верхней части шахты, а турбина - надкамерой сгорания с размещением между компрессором и турбиной теплообменников котла-утилизатора и конденсационной установки. Отличительной особенностью изобретения является то, что часть низкого давления, а также теплообменники котла-утилизатора и конденсационной установки установлены в вертикальной шахте, в нижней части которой размещена дополнительная камера сгорания, снабженная воздушными клапанами, компрессор части низкого давления установлен в верхней части шахты, а турбина низкого давления - над камерой сгорания с размещением между компрессором и турбиной теплообменников котла-утилизатора и конденсационной установки. Такое техническое решение позволяет использовать все преимущества парогазовой установки с перерасширением рабочего тела в газовой турбине получить дополнительный положительный эффект за счет значительного расширения диапазона изменения мощности, вырабатываемой на установке, при высокой надежности обеспечения приоритетных потребителей. К преимуществам установки относится также возможность автоном 2 2412 1 но использовать часть низкого давления и, кроме того, получить дополнительный аэродинамический напор за счет размещения оборудования части низкого давления в вертикальной шахте. Таким образом, приведенные отличительные особенности заявляемого изобретения, в сравнении с прототипом заявляемая установка имеет более высокую надежность и коэффициент готовности в целом, получает возможность обеспечения теплом и минимальной электроэнергией потребителей при остановке газовой турбины. На фиг. 1 представлена принципиальная схема заявляемой установки. На фиг. 2 - Т-диаграмма, осуществляемого в установке бинарно-регенеративного термодинамического цикла. Установка содержит часть высокого давления, включающую газовую турбину 1, камеру сгорания 2, компрессор 3 и электрогенератор 4, часть низкого давления, включающую турбину 5 и компрессор 6, соединенные валом 7, к которому подключают дополнительный мотор - генератор 8, а также котел - утилизатор 9,конденсационную установку, включающую поверхностные конденсаторы 10, конденсатосборник 11 и подогреватель 12, систему водоочистки 13, соединенную с помощью насоса 14 с котлом - утилизатором 9, оборудованную линией подпитки 15 и соединенную с конденсационной установкой через подогреватель 12,причем камера сгорания 2 части высокого давления соединена с выходом 16 пара из котла - утилизатора 9. Часть низкого давления, а также теплообменники котла-утилизатора и конденсационной установки установлены в вертикальной шахте 17, в нижней части которой размещена дополнительная камера сгорания 18,снабженная воздушными клапанами 19, при этом компрессор 6 части низкого давления установлен в верхней части шахты, а турбина 5 - над камерой сгорания 18 с размещением между компрессором 6 и турбиной 7 теплообменников котла - утилизатора 9 и конденсационной установки 10, 11 и 12. На Т-диаграмме (см. фиг. 2) изображены слева - газовый цикл, узловые точки которого обозначены буквами а, б, в, г, д, е, ж, и, справа - водяной цикл, узловые точки которого обозначены теми же буквами со штрихом. Парогазотурбинная установка работает следующим образом. Газотурбинная установка части высокого давления работает с энергетическим впрыском пара. Воздух сжимается с помощью компрессора 3 до заданного давления и подается в камеру сгорания 2, куда впрыскивается топливо и пар, отбираемый от выхода 16 из котла - утилизатора. На фиг. 2 этот процесс отображен линией а-б для воздуха и линиями а- б- бдля водяного пара (б-б - кипение в котлеутилизаторе). Полученное в результате сжигания топлива и впрыска водяного пара рабочее тело расширяется в турбине 1, вырабатывая энергию для привода компрессора 3 и электрогенератора 4. Отработавшая в турбине парогазовая смесь поступает в нижнюю часть вертикальной шахты 17 - в дополнительную камеру сгорания 18. На фиг. 2 процесс в камере сгорания изображен линиями б-в и б - в, а в турбине 1 - линиями в-г, в - г. В камеру сгорания 18 подается дополнительное количество топлива и через клапаны 19 воздух. Расчеты показывают, что температуру газов при этом целесообразно увеличивать не более чем до 850, чтобы получить безремонтный пробег турбины 5 более 40 000 часов и использовать при этом неохлаждаемые лопатки турбины. На фиг. 2 этот процесс изображен линиями г-д и г-д. Затем энергия полученного рабочего тела срабатывается в турбине 5 (линии д-е, д- е на фиг. 2), которая приводит во вращение компрессор 6 с помощью вала 7, пропущенного по оси шахты 17. От вала 7 часть мощности отбирается на привод дополнительного мотор-генератора 8, который используется для запуска турбоагрегата части низкого давления в автономном режиме от внешнего источника электроэнергии. При работе на мощности мотор - генератор 8 работает в режиме генератора. Компрессор 6 создает разрежение в шахте 17 и дожимает выхлопные газы до атмосферного давления (линия ж-и на фиг. 2). Перепад давления по тракту части низкого давления дополнительно создается за счет высоты вертикально установленной шахты 17 и высокой температуры газов. Отработавшие в турбине 5 газы и водяные пары при сравнительно высокой температуре (точки е, е на фиг. 2) попадают на теплообменные поверхности котла - утилизатора 9, который может быть выполнен по известной схеме (см. Колыхан Л.И. и др. Унифицированный блочный парогенератор для ГТУ,научно-техническая сессия по проблемам газовых турбин. Минск, 1992). Вырабатываемый в котле - утилизаторе 9 пар заданных параметров направляют по линии 16 потребителям, часть пара отбирают при этом на впрыск в камеру сгорания 2 части высокого давления. После котла - утилизатора 9 газы и пар продолжают охлаждаться, проходя через конденсационную установку подогреватель 12 и поверхностные конденсаторы 10 (линии е-ж, е- ж- а - на фиг. 2). Вода сконденсированная на поверхностных конденсаторах 10 (линии ж - а фиг. 2), через конденсатосборник 11 и подогреватель 12 отводится в систему водоочистки 13, в которой известными способами очищается от загрязнений, деаэрируется и с помощью насоса 14 подается на питание котла - утилизатора 9. Для компенсации расхода пара к потребителям по линии 16 предусмотрена линия подпитки 15. Таким образом, в заявляемой установке реализуется бинарно - регенеративный цикл с перерасширением парогазовой смеси. При этом газовый цикл отличается дополнительным перегревом (г-д) на участке расширения в турбине 2 (в-г) и в турбине 5 (д-е) с последующим сжатием до атмосферного давления (ж-и). Водя 3 2412 1 ной цикл осуществляется по циклу Ренкина с промежуточным перегревом (г-д) и расширением в двух турбинах (а- г). Оптимизационные расчеты, выполненные для реальных ГТУ средней мощности, и экспериментальные исследования позволяют рекомендовать для заявляемой установки некоторые параметры, как оптимальные. Массовую долю в парогазовой смеси подаваемого в камеру сгорания 2 из котла - утилизатора 9 водяного пара следует поддерживать на уровне 0,120,14 (сверх исходной влажности воздуха и продуктов сгорания топлива). На фиг. 2 эта доля определит соотношение площадей газовой и паровой диаграмм. Увеличение противодавления за турбиной 1 (изобары г-д и г- д) с последующим перегревом до 820850, приводит к росту мощности турбины 5 и суммарной мощности установки. Максимум суммарной мощности достигается при противодавлении 1217 кПа (максимальная площадь дополнительной фигуры г-д-е-ж на фиг. 2) с последующим снижением из-за потери мощности турбины 1. Однако, с учетом определенных трудностей в проектировании привода и мотор-генератора 8 большой мощности, увеличение противодавления свыше 45 кПа - нецелесообразно. С учетом всего комплекса проектных условий оптимальная величина противодавления составляет 34 кПа. В предлагаемой конструкции части низкого давления компрессор 6 целесообразно выполнить в виде одной осевой ступени со степенью сжатия 1,31,35. Расчеты и экспериментальные исследования конденсатора 10 показывают возможность обеспечения конденсации и охлаждение парогазовой смеси до 50 55 С при аэродинамическом сопротивлении не более 1,25 кПа и температуре охлаждающей воды на входе - 1517 С. Аэродинамическое сопротивление воздушного тракта (клапаны 19 и камера сгорания 18) не превышает 1,3 кПа, даже приняв сравнительно низкие значения относительных эффективных КПД турбины 5 (т 0,82) и компрессора 6 (к 0,76), получим увеличение полезной электрической мощности при использовании заявляемого технического решения на 14 16. В режиме, когда турбина 1 остановлена (аварийный режим),обеспечивается теплоснабжение потребителей с максимальной тепловой мощностью в маневренном режиме и с выработкой 1012 электроэнергии от номинальной величины. Заявляемая установка в отличие от ПГТУ с паровой турбиной, требующей низкотемпературного охлаждения конденсатора, позволяет достичь величины использования теплоты сгорания топлива до 92 94 (с учетом тепловых потерь и затрат на собственные нужды) за счет подогрева охлаждающей воды в конденсаторе 10, в дополнительном подогревателе 12, до 5560 С без усложнения схемы и удорожания оборудования. Выполненные расчеты показывают, что установка позволяет создать теплоэнергетический агрегат в качестве автономной теплоутилизационной приставки к ГТД. При этом возможна работа в маневренном режиме с пиковым увеличением паропроизводительности в 2-3 и более раз и получением дополнительной электрической мощности, а также работа в аварийном режиме (при остановленном ГТД) с выработкой тепла и электроэнергии. Предлагаемое техническое решение позволяет увеличить мощность газотурбинной установки на 50-90, увеличить КПД на 20-60 при снижении стоимости установленного киловатта и уменьшении выбросов в атмосферу окислов азота. При этом дополнительно вырабатывается до 14 и более полезной мощности. При этом установка обеспечивает снижение сроков и капитальных затрат на создание энергогенерирующих мощностей, модернизацию устаревших котельных малой и средней мощности. Оборудование заявляемой установки, в основном, освоено промышленностью. Высокие техникоэкономические показатели делают ее конкурентоспособной с самыми современными энергетическими установками, в том числе и с установкой, принятой за прототип. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66. 5